JP2024049646A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

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朋宏 宮澤
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Abstract

【課題】虚像を適正に表示することができるヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置において、透明カバー23は、開口部11を閉塞し、かつ、反射ミラー22により反射された拡大表示光を透過する。開口部11は、光を遮蔽する見返し部Fが、当該開口部11のアイポイントEP側とは反対側に立設されている。透明カバー23は、湾曲状に形成された湾曲部230を含んで構成される。湾曲部230は、反射ミラー22側に位置する内側面部232、及び、反射ミラー22側とは反対側に位置し外光を見返し部Fに集光する外側面部231を有する。そして、内側面部232と外側面部231との第3方向Zの厚みは、透明カバー23の第3方向Zの最下点Q2よりもアイポイントEP側の範囲において、見返し部F側からアイポイントEP側に向けて厚くなるように形成されている。【選択図】図5

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。
従来、ヘッドアップディスプレイ装置として、例えば、特許文献1には、車両のフロントウィンドシールドを介して虚像を表示する車両用ヘッドアップディスプレイが記載されている。この車両用ヘッドアップディスプレイは、車両のインストルメントパネルに配置されると共に、画像の画像光を射出する開口部を有するハウジングと、ハウジングに収納されると共に画像の画像光を射出する表示器と、ハウジングに収納されると共に、表示器から直接入射される画像を拡大して反射する拡大鏡と、ハウジングの開口部を閉塞し、拡大鏡から入射された画像を拡大してフロントウィンドシールドに出力するレンズとを備える。
特開2006-91104号公報
ところで、上述の特許文献1に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ装置は、例えば、レンズで反射した外光が乗員のアイポイントに届くことを抑制することが望まれている。
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、虚像を適正に表示することができ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。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、車両に設けられ、光を透過可能な反射部材に向けて出射した表示光を当該反射部材でアイポイント側に向けて反射させることで虚像を表示する表示ユニットと、前記反射部材と対向する開口部を有し前記表示ユニットが組み付けられる筐体と、を備え、前記表示ユニットは、前記筐体の内部に収容され前記表示光を出射する表示器と、前記筐体の内部に収容され、前記表示器から出射された前記表示光を拡大した拡大表示光を、前記開口部を介して前記反射部材に向けて反射する反射ミラーと、前記開口部を閉塞し、かつ、前記反射ミラーにより反射された前記拡大表示光を透過する透明カバーと、を含んで構成され、前記開口部は、光を遮蔽する見返し部が、当該開口部の前記アイポイント側とは反対側に立設されており、前記透明カバーは、湾曲状に形成された湾曲部を含んで構成され、前記湾曲部は、前記反射ミラー側に位置する第1面部、及び、前記反射ミラー側とは反対側に位置し外光を前記見返し部に集光する第2面部を有し、前記第1面部と前記第2面部との鉛直方向の厚みは、前記透明カバーの前記鉛直方向の最下点よりも前記アイポイント側の範囲において、前記見返し部側から前記アイポイント側に向けて厚くなるように形成されていることを特徴とする。
本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、第2面部で反射した外光を見返し部に集光することができる。また、ヘッドアップディスプレイ装置は、透明カバーの厚みが、見返し部側からアイポイント側に向けて厚くなるように形成されているので、第1面部と第2面部とで反射する外光の反射率を相対的に小さくすることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置は、透明カバーの内部で反射された外光の輝度を相対的に小さくすることができるので、仮に透明カバーの内部で反射した外光がアイポイントに届いたとしても、当該外光がゴーストとして視認されることを抑制できる。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置は、虚像を適正に表示することができる。
図1は、実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成例を示す模式図である。 図2は、実施形態に係る透明カバーの構成例を示す斜視図である。 図3は、実施形態に係る外光の反射とアイリプスとの関係を示す模式図である。 図4は、比較例に係る外光の反射例を示す模式図である。 図5は、実施形態に係る外光の反射例を示す模式図である。
本発明を実施するための形態(実施形態)につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。更に、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
〔実施形態〕
図面を参照しながら実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置1について説明する。ヘッドアップディスプレイ装置1は、車両に設けられ、光を透過可能なウィンドウシールドWSに向けて出射した表示光L1を当該ウィンドウシールドWSでアイポイントEP側に向けて反射させることで虚像Sを表示するものである。ここで、ウィンドウシールドWSは、反射部材の一例であり、透明なガラスにより板状に形成された部材であり、運転席の前方に設けられ、風を遮るものである。ヘッドアップディスプレイ装置1は、車両の前方の対象物(例えば、人物、標識、他車両等)に虚像Sを合わせて重畳表示するAR-HUD装置であってもよいし、また、車両の前方の対象物に虚像Sを合わせずに虚像Sを表示するHUD装置であってもよい。以下、ヘッドアップディスプレイ装置1について詳細に説明する。
ここで、車両の車幅方向に沿った方向を第1方向Xと称し、車両の全長方向に沿った方向を第2方向Yと称し、車両の上下方向に沿った方向を第3方向Zと称する。第2方向Yは、車両が直進する直進方向に沿った方向ともいえる。第3方向Zは、鉛直方向に沿った方向ともいえる。第1方向X、第2方向Y、及び、第3方向Zは、互いに交差し、典型的には、互いに直交する。なお、第1方向X及び第2方向Yは、鉛直方向に直交する水平面に沿った方向ともいえる。
ヘッドアップディスプレイ装置1は、図1に示すように、筐体10と、表示ユニット20とを備える。
筐体10は、車両に設けられ表示ユニット20が組み付けられるものである。筐体10は、箱形状に形成され、後述する表示ユニット20の表示器21及び反射ミラー22を当該筐体10の内部に収容する。筐体10は、内部と外部とを連通する開口部11を有する。開口部11は、ウィンドウシールドWSと対向して設けられ、光を透過可能な部位である。
表示ユニット20は、ウィンドウシールドWSに向けて出射した表示光L1を当該ウィンドウシールドWSでアイポイントEP側に向けて反射させることで虚像Sを表示するものである。表示ユニット20は、表示器21と、反射ミラー22と、透明カバー23とを含んで構成される。
表示器21は、画像を含む表示光L1を出射するものであり、筐体10の内部に収容される。表示器21は、例えば、ディスプレイと、バックライトとを含んで構成される。ディスプレイは、画像を形成するものであり、例えば、TFT-LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)等によって構成される。バックライトは、ディスプレイの背面に光を照射するものであり、例えば、複数のLED(light-emitting diode)等によって構成される。表示器21は、バックライトによりディスプレイに光を照射することで、ディスプレイから画像を含む表示光L1を反射ミラー22に向けて出射する。表示器21は、例えば、他のミラーを介さずに、反射ミラー22に表示光L1を直接出射する。すなわち、表示器21と反射ミラー22との間には、光学部品が介在していない。
なお、この例では、表示器21は、当該表示器21の一部が筐体10の内部に収容され、表示器21の他の部分が筐体10の外部に露出している。具体的には、表示器21は、表示光L1を出射する出射部(例えば、ディスプレイ)が筐体10の内部に収容され、表示器21の出射部以外の部分(例えば、バックライト)が筐体10の外部に露出している。
反射ミラー22は、光を全反射するものであり、筐体10の内部に収容されている。反射ミラー22は、凹形状かつ非球面に形成された反射面221を有する。反射面221は、表示器21に対向して配置され、かつ、透明カバー23に対向して配置されている。反射ミラー22は、反射面221によって、表示器21から出射された表示光L1(画像)を拡大し、当該拡大した拡大表示光L2を、筐体10の開口部11(透明カバー23)を介してウィンドウシールドWSに向けて反射する。具体的には、反射ミラー22は、反射面221によって、表示器21から他のミラーを介さずに直接出射された表示光L1を拡大し、当該拡大した拡大表示光L2を、筐体10の開口部11(透明カバー23)を介してウィンドウシールドWSに向けて反射する。
透明カバー23は、筐体10の開口部11を閉塞しかつ光を透過するカバーである。透明カバー23は、透明な樹脂によって湾曲した板状に形成され、開口部11を閉塞している。透明カバー23は、筐体2の内部に向けて湾曲状に形成された湾曲部230を有する。すなわち、湾曲部230は、筐体2の内部に向けて凹形状に形成されている。湾曲部230は、図2に示すように、第2面部としての外側面部231と、第1面部としての内側面部232とを有する。
外側面部231は、反射ミラー22側とは反対側に位置し、筐体2の内部に向けて湾曲して形成された面部である。すなわち、外側面部231は、ウィンドウシールドWS側に設けられた面部である。外側面部231は、外光を見返し部Fに向けて反射する。ここで、見返し部Fは、光を遮蔽するものであり、開口部11のアイポイントEP側とは反対側に立設されている。すなわち、見返し部Fは、透明カバー23のアイポイントEP側とは反対側に、第3方向Zに沿って延在して設けられた壁部である。この例では、見返し部Fは、透明カバー23側に若干傾斜して設けられている。外側面部231は、筐体2の外部から入射する外光を見返し部Fに向けて反射する形状に形成されている。具体的には、外側面部231は、第1方向X及び第3方向Zに沿って切断したXZ断面が、湾曲せずに直線状に形成されている。また、外側面部231は、第2方向Y及び第3方向Zに沿って切断したYZ断面が、湾曲状に形成され、外光を見返し部Fに向けて反射可能な曲率で湾曲状に形成されている。外側面部231は、筐体2の外部から入射する外光を見返し部Fに向けて反射する。外側面部231は、例えば、図3に示すように、アイリプスELの第3方向Zの上端側からウィンドウシールドWSに向かい、当該ウィンドウシールドWSで透明カバー23側に反射された外光P1a、P1bを見返し部Fに向けて反射する。また、外側面部231は、アイリプスELの第3方向Zの下端側からウィンドウシールドWSに向かい、当該ウィンドウシールドWSで透明カバー23側に反射された外光P2a、P2bを見返し部Fに向けて反射する。なお、アイリプスELは、予め定められた空間領域であり、運転者の目の位置が分布する領域として予め想定された領域である。
内側面部232は、反射ミラー22側に位置し、筐体2の内部に向けて湾曲して形成された面部である。すなわち、内側面部232は、ウィンドウシールドWS側とは反対側に設けられた面部である。内側面部232は、自由曲面232aを有する。自由曲面232aは、球体や円柱等のように単純な数式では表わすことができない曲面ある。自由曲面232aは、例えば、空間に交点と曲率を複数設定し、高次多項式でそれぞれの交点を補間して表現された曲面である。自由曲面232aは、ウィンドウシールドWS等を含む光学部材によって生じる虚像Sの収差を補正する形状に形成されている。自由曲面232aは、例えば、ウィンドウシールドWSの形状によって生じる虚像Sの収差を補正する形状に形成されている。透明カバー23は、自由曲面232aによって、反射ミラー22により反射された拡大表示光L2に対して収差補正を行う。そして、透明カバー23は、自由曲面232aによって収差補正を行った補正後の拡大表示光L2を、ウィンドウシールドWSに向けて出射する。ウィンドウシールドWSに向けて出射された補正後の拡大表示光L2は、ウィンドウシールドWSでアイポイントEP側に向けて反射され、アイポイントEPに導かれる。
ここで、比較例に係る透明カバー90は、図4に示すように、内側面部92と外側面部91との第3方向Zの厚みは、透明カバー90の第3方向Zの最下点Q1よりもアイポイントEP側の範囲において、見返し部F側からアイポイントEP側に向けて薄くなるように形成されている。このため、比較例に係る透明カバー90は、外光P3が透明カバー90に入射して当該透明カバー90の内部を伝搬した際に、外光P3の入射角が相対的に大きくなる。従って、透明カバー90は、外光P3の反射率が大きくなり、これにより何度も反射して伝搬しやすいため、反射ミラー22の方向に外光P3が行きやすくなる。これにより、比較例では、透明カバー90の内部で反射した後、当該透明カバー90を透過して反射ミラー22に向けて出射された外光P3が、当該反射ミラー22の第3方向Zの上端側で、開口部11の位置に向けて反射される傾向にある。これにより、比較例では、外光P3が透明カバー23の内部で反射した後にアイポイントEPに導かれ、外光P3によるゴーストが生じる問題がある。
これに対して、実施形態に係る透明カバー23は、図5に示すように、内側面部232と外側面部231との第3方向Zの厚みD(図2参照)は、透明カバー23の第3方向Zの最下点Q2よりもアイポイントEP側の範囲において、見返し部F側からアイポイントEP側に向けて厚くなるように形成されている。すなわち、透明カバー23は、第2方向Y及び第3方向Zに沿って切断したYZ断面において、内側面部232と外側面部231との第3方向Zの間隔は、透明カバー23の最下点Q2よりもアイポイントEP側の範囲において、見返し部F側からアイポイントEP側に向けて徐々に広くなるように形成されている。なお、この例では、透明カバー23の第3方向Zの最下点Q2は、見返し部Fの第3方向Zの下側に入り込んでいる。すなわち、透明カバー23の最下点Q2は、第3方向Zから視た場合、見返し部Fと重なっている。
この構成により、実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置1は、図5に示すように、外光P4が透明カバー23に入射して当該透明カバー23の内部を伝搬した際に、外光P4の入射角が比較例よりも小さくなる。従って、ヘッドアップディスプレイ装置1は、外光P4の反射率が小さくなり、これにより伝搬し難くなるため、反射ミラー22の方向に外光P4が行き難くなる。また、ヘッドアップディスプレイ装置1は、外光P4の入射角が小さいので、透明カバー23を透過して反射ミラー22に向けて出射された外光P4が、当該反射ミラー22の第3方向Zの下端側で、開口部11の位置とは異なる位置(例えば、表示器21側)に向けて反射される傾向にある。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置1は、外光P4が透明カバー23の内部で反射した後にアイポイントEPに導かれることを抑制することができ、外光P4によるゴーストが生じることを抑制できる。また、ヘッドアップディスプレイ装置1は、透明カバー23の内部で反射した後、当該透明カバー23を透過して反射ミラー22に向けて出射された外光P4が、当該反射ミラー22の第3方向Zの上端側で、開口部11に向けて反射される場合も考えられる。この場合、ヘッドアップディスプレイ装置1は、当該外光P4が、比較例の外光P3よりも小さい反射率で内側面部232と外側面部231とで反射しているので外光P4の輝度を相対的に小さくすることができ、これにより、仮に外光P4がアイポイントEPに導かれた場合でも、外光P4によるゴーストが生じることを抑制できる。
以上のように、実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置1は、表示ユニット20と、筐体10とを備える。表示ユニット20は、車両に設けられ、光を透過可能なウィンドウシールドWSに向けて出射した表示光L1を当該ウィンドウシールドWSでアイポイントEP側に向けて反射させることで虚像Sを表示する。筐体10は、ウィンドウシールドWSと対向する開口部11を有し、表示ユニット20が組み付けられる。上述の表示ユニット20は、表示器21と、反射ミラー22と、透明カバー23とを含んで構成される。表示器21は、筐体10の内部に収容され表示光L1を出射する。反射ミラー22は、筐体10の内部に収容され、表示器21から出射された表示光L1を拡大した拡大表示光L2を、開口部11を介してウィンドウシールドWSに向けて反射する。透明カバー23は、開口部11を閉塞し、かつ、反射ミラー22により反射された拡大表示光L2を透過する。開口部11は、光を遮蔽する見返し部Fが、当該開口部11のアイポイントEP側とは反対側に立設されている。上述の透明カバー23は、湾曲状に形成された湾曲部230を含んで構成される。湾曲部230は、反射ミラー22側に位置する内側面部232、及び、反射ミラー22側とは反対側に位置し外光を見返し部Fに集光する外側面部231を有する。そして、内側面部232と外側面部231との第3方向Zの厚みDは、透明カバー23の第3方向Zの最下点Q2よりもアイポイントEP側の範囲において、見返し部F側からアイポイントEP側に向けて厚くなるように形成されている。
この構成により、ヘッドアップディスプレイ装置1は、外側面部231で反射した外光を見返し部Fに集光することができる。また、ヘッドアップディスプレイ装置1は、透明カバー23の厚みDが、見返し部F側からアイポイントEP側に向けて厚くなるように形成されているので、内側面部232と外側面部231とで反射する外光の反射率を相対的に小さくすることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置1は、透明カバー23の内部で反射された外光P4の輝度を相対的に小さくすることができるので、仮に透明カバー23の内部で反射した外光P4がアイポイントEPに届いたとしても、当該外光P4がゴーストとして視認されることを抑制できる。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置1は、虚像Sを適正に表示することができる。
ヘッドアップディスプレイ装置1において、内側面部232は、反射ミラー22により反射された拡大表示光L2に対して収差補正を行う自由曲面232aが形成されている。この構成により、ヘッドアップディスプレイ装置1は、透明カバー23の自由曲面232aによって、ウィンドウシールドWS等を含む光学部材によって生じる虚像Sの収差を補正することができる。そして、ヘッドアップディスプレイ装置1は、収差補正の機能を主として透明カバー23に担わせ、拡大機能を主として反射ミラー22に担わせて役割分担を行うことで、収差補正の精度を向上できると共に拡大率を向上できる。ヘッドアップディスプレイ装置1は、役割分担を行うことで、パラメータ係数を少なくすることができるので容易に製造することができ、これにより、公差を小さくできる。ヘッドアップディスプレイ装置1は、筐体10の開口部11を閉塞する透明カバー23が、収差補正の機能を兼用することで、部品点数の増加を抑制できると共に光学系の大型化を抑制できる。この結果、ヘッドアップディスプレイ装置1は、虚像Sを適正に表示することができる。
ヘッドアップディスプレイ装置1において、表示器21は、反射ミラー22に表示光L1を直接出射する。反射ミラー22は、表示器21から直接出射された表示光L1を拡大した拡大表示光L2を、透明カバー23を介してウィンドウシールドWSに反射する。この構成により、ヘッドアップディスプレイ装置1は、表示器21が、他のミラーを介さずに反射ミラー22に表示光L1を直接出射するので、装置を小型化することができる。
〔変形例〕
次に、実施形態の変形例について説明する。なお、変形例では、実施形態と同等の構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。反射ミラー22は、透明カバー23の内側面部232と外側面部231とで反射した後に透明カバー23を透過して反射ミラー22に向けて出射された外光P4を、開口部11の位置とは異なる位置に反射するように構成してもよい。この場合、仮に、反射ミラー22によって外光P4を開口部11の位置とは異なる位置に反射できずに、反射ミラー22によって外光P4を開口部11に向けて反射した場合でも、上述のように外光P4の輝度を相対的に小さくすることができるので、外光P4がアイポイントEPに届いたとしても、当該外光P4がゴーストとして視認されることを抑制できる。ヘッドアップディスプレイ装置1は、外光P4を開口部11の位置とは異なる位置に反射するように反射ミラー22を構成することで、より外光P4がゴーストとして視認されることを抑制できる。
表示器21は、他のミラーを介さずに反射ミラー22に表示光L1を直接出射する例について説明したが、これに限定されず、他のミラーを介して反射ミラー22に表示光L1を間接的に出射してもよい。
自由曲面232aは、透明カバー23の反射ミラー22側に形成される例について説明したが、これに限定されず、透明カバー23の反射ミラー22側とは反対側に形成されてもよい。
透明カバー23は、自由曲面232aによって虚像Sの収差を補正する機能に加えて、拡大表示光L2(画像)を拡大する機能を有してもよい。この場合、透明カバー23は、反射ミラー22の拡大率よりも小さい拡大率で拡大表示光L2(画像)を拡大する。例えば、透明カバー23は、反射ミラー22の拡大率に対して1/10程度の拡大率で拡大表示光L2(画像)を拡大する。
反射ミラー22は、反射面221によって、表示光L1(画像)を拡大する機能に加えて、虚像Sの収差を補正する機能を有してもよい。この場合、反射ミラー22は、透明カバー23よりも小さい収差補正量で虚像Sの収差を補正する。例えば、反射ミラー22は、透明カバー23の収差補正量に対して1/10程度の収差補正量で虚像Sの収差を補正する。
反射部材は、ウィンドウシールドWSである例について説明したが、これに限定されず、例えば、コンバイナ等であってもよい。
透明カバー23は、外側面部231及び内側面部232がフレネルレンズ形状であってもよい。
10 筐体
11 開口部
20 表示ユニット
21 表示器
22 反射ミラー
23 透明カバー
230 湾曲部
231 外側面部(第2面部)
232 内側面部(第1面部)
232a 自由曲面
EP アイポイント
F 見返し部
L1 表示光
L2 拡大表示光
P4 外光
S 虚像
WS ウィンドウシールド(反射部材)
D 厚み
Z 第3方向(鉛直方向)
Q2 最下点

Claims (4)

  1. 車両に設けられ、光を透過可能な反射部材に向けて出射した表示光を当該反射部材でアイポイント側に向けて反射させることで虚像を表示する表示ユニットと、
    前記反射部材と対向する開口部を有し前記表示ユニットが組み付けられる筐体と、を備え、
    前記表示ユニットは、前記筐体の内部に収容され前記表示光を出射する表示器と、
    前記筐体の内部に収容され、前記表示器から出射された前記表示光を拡大した拡大表示光を、前記開口部を介して前記反射部材に向けて反射する反射ミラーと、
    前記開口部を閉塞し、かつ、前記反射ミラーにより反射された前記拡大表示光を透過する透明カバーと、を含んで構成され、
    前記開口部は、光を遮蔽する見返し部が、当該開口部の前記アイポイント側とは反対側に立設されており、
    前記透明カバーは、湾曲状に形成された湾曲部を含んで構成され、
    前記湾曲部は、前記反射ミラー側に位置する第1面部、及び、前記反射ミラー側とは反対側に位置し外光を前記見返し部に集光する第2面部を有し、
    前記第1面部と前記第2面部との鉛直方向の厚みは、前記透明カバーの前記鉛直方向の最下点よりも前記アイポイント側の範囲において、前記見返し部側から前記アイポイント側に向けて厚くなるように形成されていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  2. 前記反射ミラーは、前記透明カバーの前記第1面部と前記第2面部とで反射した後に前記透明カバーを透過して前記反射ミラーに向けて出射された外光を、前記開口部の位置とは異なる位置に反射する請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  3. 前記第1面部は、前記反射ミラーにより反射された前記拡大表示光に対して収差補正を行う自由曲面が形成されている請求項1又は2に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  4. 前記表示器は、前記反射ミラーに前記表示光を直接出射し、
    前記反射ミラーは、前記表示器から直接出射された前記表示光を拡大した前記拡大表示光を、前記透明カバーを介して前記反射部材に反射する請求項1又は2に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
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