JP2024104306A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 観察者の頭部が素早く動く場合であっても表示器の映像光を視認可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】 視認者4の前方に配置される投影部材3に映像光Lを出射して、画像に係る虚像Vを視認させるヘッドアップディスプレイ装置10において、視認者4の右目に視認させる右目画像に係る右目用映像光を出射する右目用表示部11aと、視認者4の左目に視認させる左目画像に係る左目用映像光を出射する左目用表示部11bと、を有する表示部と、映像光Lを投影部材に向けて反射する光学部材12,13,14と、表示部11と光学部材12,13,14との間に、右目用映像光と左目用映像光とを入射し複数個の右目用映像光と左目用映像光とを出射する単一の光導波路17と、を有する。【選択図】 図3
Description
本開示は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。
従来のヘッドアップディスプレイ装置は、例えば特許文献1に開示されるものがある。このヘッドアップディスプレイ装置は、車両に配置され、映像光を生成する表示器と、映像光を投射するHUD光学部材と、映像光を観察者の視点から虚像又は実像として観察できるように結像させるウインドシールドと、観察者の視点の位置を検出する視点検出部と、視点の位置に基づいてHUD光学部材の位置を制御する制御部と、から構成される。
しかしながら、特許文献1記載のヘッドアップディスプレイ装置は、観察者の頭部が素早く動く場合、その視点に結像させる映像光の制御が遅れるため観察者が映像を視認することができないといった問題があった。
本開示はこのような事情を考慮してなされたもので、観察者の頭部が素早く動く場合であっても表示器の映像光を視認可能な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。
本開示のヘッドアップディスプレイ装置は、視認者4の前方に配置される投影部材3に映像光Lを出射して、画像に係る虚像Vを視認させるヘッドアップディスプレイ装置10において、前記視認者4の右目に視認させる右目画像に係る右目用映像光を出射する右目用表示部11aと、前記視認者4の左目に視認させる左目画像に係る左目用映像光を出射する左目用表示部11bと、を有する表示部と、前記映像光Lを前記投影部材に向けて反射する光学部材12,13,14と、前記表示部11と前記光学部材12,13,14との間に、前記右目用映像光と前記左目用映像光とを入射し複数個の前記右目用映像光と前記左目用映像光とを出射する単一の光導波路17と、を有することを特徴とする。
本開示のヘッドアップディスプレイ装置の実施形態を添付図面に基づいて説明する。本開示のヘッドアップディスプレイ装置は、例えば、自動車や二輪車等の車両や、船舶、農業機械、建設機械に搭載され得る。本実施形態においては、本開示のヘッドアップディスプレイ装置が自動車である車両に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置(以下、HUD(Head Up Display)という。)である例を適用して説明する。
以下の説明において、「前」、「後」、「右」、「左」、「上」及び「下」は、図1乃至図5における定義「Fr.」、「Re.」、「R」、「L」、「To.」、及び「Bo.」に従う。尚、「前」は運転席に乗車した視認者の向く方向(車両の進行方向)を示す。
(第1の実施形態)
HUD1は、図1に示すように、車両のステアリングホイール5の前方のインストルメントパネル内に搭載される。HUD1は、表示器(表示部)11と、結像鏡(光学部材、第1の光学部材)12と、回転反射鏡(光学部材、第2の光学部材)13と、凹面鏡(光学部材、第3の光学部材)14と、筐体16と、ウェーブガイド(光導波路)17と、マスク(遮光部材)18と、制御部15と、少なくとも有する。
HUD1は、図1に示すように、車両のステアリングホイール5の前方のインストルメントパネル内に搭載される。HUD1は、表示器(表示部)11と、結像鏡(光学部材、第1の光学部材)12と、回転反射鏡(光学部材、第2の光学部材)13と、凹面鏡(光学部材、第3の光学部材)14と、筐体16と、ウェーブガイド(光導波路)17と、マスク(遮光部材)18と、制御部15と、少なくとも有する。
表示器11は、コンピュータ生成ホログラム(CGH:Computer Generated Hologram)により画像を示す映像光Lを生成し、結像鏡12に向けて出射する公知のプロジェクタである。表示器11は、PGU(Picture Generation Unit)ともいわれる。表示器11は、後方から前方へ映像光Lを出射する。表示器11は、図2に示すように、内部に、光源111と、バックライト光学部材112と、表示パネル部材113と、投射光学部材114と、を少なくとも有する。
光源111は、複数のチップ型のLED(Light Emitting Diode)であり、バックライト光学部材112へ照明光を出射する。
バックライト光学部材112は、透光性の合成樹脂からなり、入射面が平面、出射面が凸面に形成され、光源111の照明光を表示パネル部材113に対し平行光になるように所望の方向に偏光し、表示パネル部材113へ出射する。
表示パネル部材113は、CGHに基づく干渉縞を表示する透過型の変調器(空間光変調器)からなる。表示パネル部材113は、例えば、LCOS-SLM(Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator)が用いられる。表示パネル部材113は、バックライト光学部材112からの照明光から映像光Lを生成し、投射光学部材114へ出射する。
投射光学部材114は、透光性の合成樹脂からなり、入射面及び出射面が凸面に形成され、表示パネル部材113の映像光Lを結像鏡12へ出射し、中間像Mを回転反射鏡13付近に結像させる。
表示器11は、運転者である視認者4の右目用の右目用表示器(右目用表示部)11aと、左目用の左目用表示器(左目用表示部)11bと、を有する。右目用表示器11aと左目用表示器11bとは、上下方向及び前後方向において略同一位置に配置される。
右目用表示器11aは、視認者4の右目に視認させる右目画像(画像)に係る右目用映像光(映像光L)を出射する。左目用表示器11bは、視認者4の左目に視認させる左目画像(画像)に係る左目用画像光(映像光L)を出射する。右目画像は、視認者4が右目で視認する画像であり、左目画像は、視認者4が左目で視認する画像である。表示器11は、画像をCGHで表示することにより、車両前方において、三次元的に表現された画像を視認者4に視認させる。
ここで、図2に示すように、光源111の光の出射方向である光軸を光源光軸X1とし、バックライト光学部材112と表示パネル部材113と投射光学部材114とからなる光学中心位置を結ぶ線を第1の光学光軸X2とする。光源光軸X1は、第1の光学光軸X2と一致するように配置され、第1の光学光軸X2は、映像光Lの出射方向である。
ウェーブガイド17は、ポリカーボネートやアクリルなどの透明な合成樹脂からなり、厚さを有する直方体に形成される。ウェーブガイド17は、表示器11とマスク18の間に配置される。ウェーブガイド17は、図3に示すように、入射面17aと、反射面17bと、出射面17cと、を有する。
ここで、図3に示すように、ウェーブガイド17、マスク18、結像鏡12と回転反射鏡13と凹面鏡14との光学中心位置を結ぶ線を第2の光学光軸X3とする。第1の光学光軸X2は、第2の光学光軸X3と略平行に配置される。
入射面17aは、ウェーブガイド17の左右方向の端面の2か所に位置し、第1の光学光軸X2に対して傾斜状に形成される。入射面17aに照射された映像光Lは、ウェーブガイド17の内側方向に屈折される。反射面17bは、表示器11と対向する側の面であり、略鏡面に形成される。出射面17cは、表示器11と反対側の面であり、反射面17bと略平行に形成され、略鏡面と微細構造体とを有する。反射面17b及び出射面17cの法線方向は、第2の光学光軸X3に対し略平行に配置される。
ウェーブガイド17は、単一の部品であり、右目用表示器11aと左目用表示器11bが出射した映像光Lを入射面17aで受けてウェーブガイド17内に入射し、反射面17bと出射面17cの2つの面の連続反射により映像光Lの一部を全反射により伝搬しながら、映像光Lの他の一部を透過により出射面17cから出射させる。
ウェーブガイド17は、右目用表示器11aが出射した映像光Lを右側の入射面17aで受けてウェーブガイド17内に入射し、映像光Lの一部を左側に伝搬しながら、映像光Lの他の一部を透過により出射面17cから出射させる。また、ウェーブガイド17は、左目用表示器11bが出射した映像光Lを左側の入射面17aで受けてウェーブガイド17内に入射し、映像光Lの一部を右側に伝搬しながら、映像光Lの他の一部を透過により出射面17cから出射させる。
このように形成されることにより、ウェーブガイド17は、右目用表示器11aと左目用表示器11bに対し共通の単一の部品として用いられ、それぞれの映像光Lを複数個形成することで映像光Lの照射範囲を広げる。
マスク18は、黒色などの板状の合成樹脂からなり、ウェーブガイド17と結像鏡12の間に配置される。マスク18は、図3に示すように、2つの開口18aを有する。開口18aは、矩形に形成された孔からなり、ウェーブガイド17から出射された右目用表示器11aと左目用表示器11bからのそれぞれの映像光Lを透過すると共に、それ以外の映像光Lを遮光する。
結像鏡12は、自由曲面形状のミラーであり、マスク18の開口18aを通過した映像光Lを受けて回転反射鏡13に向けて反射し、映像光Lを回転反射鏡13付近に結像し中間像Mを形成する。結像鏡12は、一又は複数軸方向に回転駆動する機構を有し、結像鏡12における映像光Lの反射方向を機械的に制御する。
回転反射鏡13は、自由曲面形状のミラーであり、結像鏡12が反射した映像光Lを受けて凹面鏡14に向けて反射する。回転反射鏡13は、ジンバルミラーともいわれる。回転反射鏡13は、一又は複数軸方向に回転駆動する機構を有し、回転反射鏡13における映像光Lの反射方向を機械的に制御する。
凹面鏡14は、回転反射鏡13で反射した映像光Lを上方に反射し、視認者4の前方に配置されるウインドシールド(投影部材)3に向けて出射する。凹面鏡14は、拡大鏡としての機能を有し、映像光Lを拡大し、筐体16の透過部161を介して車両のウインドシールド3側へ反射する。
結像鏡12、回転反射鏡13、凹面鏡14は、それぞれの姿勢を検出可能なセンサを有し、視点センサ7が出力する視点位置と前記センサに基づいて角度を調整され、映像光Lが視点(右目、左目)41に届くように制御手段においてその駆動が決定される。
筐体16は、表示器11、結像鏡12、回転反射鏡13、凹面鏡14、ウェーブガイド17、マスク18、制御部15が実装された制御基板を取付部材を介して内部に固定する。筐体16は、回転反射鏡13で反射した映像光Lを透過部161からウインドシールド3へ向けて出射する。
その後、映像光Lは、ウインドシールド3で反射し、視認者4は、ウインドシールド3における映像光Lの反射光を、車両の前方所定位置で虚像Vとして視認する。HUD1は、ウインドシールド3で反射した右目用映像光及び左目用映像光を視認者4の右目及び左目で視認させることにより、ウインドシールド3の前方で右目画像及び左目画像に係る虚像Vを視認させる。画像は、ウインドシールド3を介して(ウインドシールド3の前方で)視認者4に視認される実景と重なる仮想的な領域に表示される。また、実景は、画像の背景となり得る。
制御部15は、特に、後述する車両の車両ECU等から取得する情報に基づいて、表示器11を制御し、結像鏡12、回転反射鏡13及び凹面鏡14を駆動制御するための演算処理を行う。具体的には、制御部15は、画像生成部61と、視点情報取得部62と、光路制御部63と、表示制御部64と、を有する。制御部15は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、グラフィックコントローラ、集積回路等であり、これらは制御部15内の各部を実現するための所定の処理を実行する。
画像生成部61は、車両ECU8から取得する情報に基づいて、表示器11に表示される画像の描画処理を実行し、画像(右目画像及び左目画像)を生成する。画像生成部61は、例えばナビゲーション、地図、速度計等のゲージをはじめとする、運転に必要となる周囲及び車両に関する情報を表す画像を生成する。
視点情報取得部62は、右目及び左目の位置に関する視点情報を車両側の視点センサ7から取得する。視点情報は、右目及び左目の前後、左右、上下の位置と、右目及び左目の移動速度等に関する情報を含む。
光路制御部63は、視点情報取得部62により取得された視点情報に基づいて、右目及び左目のアイボックスを設定する。光路制御部63は、視点情報に基づいて、各アイボックス内に各映像光Lを到達させるための理想光路を算出する。光路制御部63は、この理想光路に基づいて表示器11からの映像光Lの反射方向を、結像鏡12、回転反射鏡13及び凹面鏡14を制御することにより制御する。
表示制御部64は、画像生成部61により生成された画像を表示器11に表示するための制御を行う。
車両は、HUD1の他に、視点センサ7、車両ECU(Electronic Control Unit)8等の車両の走行に必要な機能を有する。視点センサ7及び車両ECU8と制御部15とは、例えばCAN(Controller Area Network)バス9を介して接続されている。
視点センサ7は、視認者4の前方の車両の天井に配置され、視認者4の右目(右目の黒目)及び左目(左目の黒目)の位置である視点41の位置を検出する。視点センサ7は、例えば視認者4の顔を撮影するカメラである。視点センサ7は、撮影された画像を解析することにより、視認者4の左目及び右目の位置を算出する。
車両ECU8は、車両に設けられた各種センサから車速やエンジン回転数、ナビゲーション情報等の車両の走行に必要な車両情報を取得し、車両の動作を制御する。
このように、ウェーブガイド17は、視認者4が画像を見ることができるゾーン、即ち、アイボックス(Eye Box)と呼ばれているゾーンを広げ、従来のシステムにより得られる可視領域(視覚)よりも広い可視領域を得ることができる。これにより、視認者4の頭部が素早く動いて、その視点41に結像させる映像光Lの制御が遅れても、視認者4の視点41に映像光Lが届き、視認者4は画像を視認することができる。
(第2の実施形態)
本開示に係るヘッドアップディスプレイ装置の第2の実施形態を図4に基づいて説明する。前述した第1の実施形態と同一部分、均等部箇所については同一符号を付して説明する。
本開示に係るヘッドアップディスプレイ装置の第2の実施形態を図4に基づいて説明する。前述した第1の実施形態と同一部分、均等部箇所については同一符号を付して説明する。
第1の実施形態では、図3に示すように、第1の光学光軸X2は第2の光学光軸X3と略平行に配置されていたが、本実施形態では、右目用表示器11aと左目用表示器11bは、左右方向が入れ替わって配置される。
ウェーブガイド17は、左右方向の端面に入射面17aを有さず、表示器11が出射した映像光Lは、反射面17bからウェーブガイド17内に入射する。つまり、ここでは、入射面17aと反射面17bは同一面に形成される。
右目用表示器11a及び左目用表示器11bのそれぞれの第1の光学光軸X2は、ウェーブガイド17側が近くなるように所定の角度傾いて配置される。つまり、右目用映像光と前記左目用映像光は、ウェーブガイド17の反射面17bの法線方向対し略左右対称に斜めに入射し、ウェーブガイド17の内部において交差する。
ウェーブガイド17は、右目用表示器11aが出射した映像光Lを反射面17bで受けてウェーブガイド17内に入射し、映像光Lの一部を右側に伝搬しながら、映像光Lの他の一部を透過により出射面17cから出射させる。また、ウェーブガイド17は、左目用表示器11bが出射した映像光Lを反射面17bで受けてウェーブガイド17内に入射し、映像光Lの一部を左側に伝搬しながら、映像光Lの他の一部を透過により出射面17cから出射させる。
表示器11が出射する映像光Lは円錐状に出射される。第1の実施形態では、図3に示すように、表示器11が出射する映像光Lの一部は、ウェーブガイド17の範囲外に出射される。本実施形態では、このように形成されることにより、映像光Lの全てがウェーブガイド17に差し向けられるので、映像光Lの利用効率を向上し、映像光Lの表示輝度を高めることができる。
(第3の実施形態)
本開示に係るヘッドアップディスプレイ装置の第3の実施形態を図5に基づいて説明する。前述した第1の実施形態と同一部分、均等部箇所については同一符号を付して説明する。
本開示に係るヘッドアップディスプレイ装置の第3の実施形態を図5に基づいて説明する。前述した第1の実施形態と同一部分、均等部箇所については同一符号を付して説明する。
第1の実施形態では、図1に示すように、ウェーブガイド17は、右目用表示部11aと左目用表示部11bの並ぶ方向と略直交する方向において、反射面17b及び出射面17cの法線方向が第2の光学光軸X3に対し略平行に配置されていたが、本実施形態では、図5に示すように、ウェーブガイド17は、一方の端部である上側端面17dが他方の端部である下側端面17eよりもマスク18及び結像鏡12に近くなるように傾斜して配置される。
表示器11は、下側端面17eに配置される。ウェーブガイド17は、映像光Lを反射面17bで受けてウェーブガイド17内に入射し、映像光Lを上側端面17d側に伝搬し、映像光Lを上側端面17d側で透過により出射面17cから出射させる。
このように形成されることにより、外光LOがHUD1内に入射した際に、外光LOをウェーブガイド17の出射面17cで映像光Lの光路の外側へ反射することができ、視認者4が外光LOを視認することを防止することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、HUD1は、視認者4に映像光Lをウインドシールド3の前方所定位置で虚像Vとして視認させていたが、ウインドシールド3の後方所定位置で実像として視認させてもよい。
例えば、視点センサ7は、車両の天井ではなくインストルメントパネル等やHUD1内に配置されてもよい。
HUD1は、結像鏡12、回転反射鏡13、凹面鏡14の3つの反射鏡を有していたが、3つに限らず2つでも1つでもよい。
表示器11は、光源111としてLEDを使用していたが、レーザー光源であってもよい。
バックライト光学部材112や投射光学部材114は、凸面を有していたが、これに限定されるものではなく、入射面及び/又は出射面が、トロイダル形状、シリンドリカル形状、球面形状、自由曲面形状、又はこれらの組み合わせであってもよい。
入射面17aは、ウェーブガイド17の左右方向の端面に位置していたが、これに限定されず端面よりも内側の反射面17bに相当する所定幅の位置を入射面17aとしてもよい。その場合、入射面17aに所定幅の光学素子を配置(貼り付け)して、映像光Lを近傍の端面とは反対方向に屈折させてウェーブガイド17内に入射してもよい。
出射面17cと反射面17bとは、略平行に形成されていたが、角度を有する面であってもよい。また、出射面17cに光学素子を配置(貼り付け)して、出射する映像光Lの出射する方向を任意に制御してもよい。
マスク18は、2つの開口18aを有していたが、1つの開口とし、右目用映像光と左目用映像光を透過するものであってもよい。
第3の実施形態において、ウェーブガイド17は、上側端面17dではなく下側端面17eがマスク18及び結像鏡12に近くなるように傾斜してもよい。
1 HUD
11 表示器(表示部)
11a 右目用表示器(右目用表示部)
11b 左目用表示器(左目用表示部)
111 光源
112 バックライト光学部材
113 表示パネル部材
114 投射光学部材
12 結像鏡(光学部材、第1の光学部材)
13 回転反射鏡(光学部材、第2の光学部材)
14 凹面鏡(光学部材、第3の光学部材)
15 制御部
16 筐体
17 ウェーブガイド(光導波路)
17a 入射面
17b 反射面
17c 出射面
17d 上側端面
17e 下側端面
18 マスク(遮光部材)
3 ウインドシールド
4 視認者(運転者)
5 ステアリングホイール
61 画像生成部
62 視点情報取得部
63 光路制御部
64 表示制御部
7 視点センサ
8 車両ECU
L 映像光
LO 外光
M 中間像
X1 光源光軸
X2 第1の光学光軸
X3 第2の光学光軸
11 表示器(表示部)
11a 右目用表示器(右目用表示部)
11b 左目用表示器(左目用表示部)
111 光源
112 バックライト光学部材
113 表示パネル部材
114 投射光学部材
12 結像鏡(光学部材、第1の光学部材)
13 回転反射鏡(光学部材、第2の光学部材)
14 凹面鏡(光学部材、第3の光学部材)
15 制御部
16 筐体
17 ウェーブガイド(光導波路)
17a 入射面
17b 反射面
17c 出射面
17d 上側端面
17e 下側端面
18 マスク(遮光部材)
3 ウインドシールド
4 視認者(運転者)
5 ステアリングホイール
61 画像生成部
62 視点情報取得部
63 光路制御部
64 表示制御部
7 視点センサ
8 車両ECU
L 映像光
LO 外光
M 中間像
X1 光源光軸
X2 第1の光学光軸
X3 第2の光学光軸
Claims (5)
- 視認者の前方に配置される投影部材に映像光を出射して、画像に係る虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置において、
前記視認者の右目に視認させる右目画像に係る右目用映像光を出射する右目用表示部と、前記視認者の左目に視認させる左目画像に係る左目用映像光を出射する左目用表示部と、を有する表示部と、
前記映像光を前記投影部材に向けて反射する光学部材と、
前記表示部と前記光学部材との間に、前記右目用映像光と前記左目用映像光とを入射し複数個の前記右目用映像光と前記左目用映像光とを出射する単一の光導波路と、を有することを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。 - 前記右目用映像光と前記左目用映像光は、前記光導波路の入射面の法線方向対し略左右対称に斜めに入射し、前記光導波路の内部において交差することを特徴とする請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記右目用表示部と前記左目用表示部の並ぶ方向と略直交する方向において、前記光導波路は一方の端部が他方の端部よりも前記光学部材に近くなるように傾斜して配置されることを特徴とする請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記光導波路と前記光学部材の間に配置され、前記映像光を透過すると共にそれ以外の映像光を遮光する遮光部材を有することを特徴とする請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記右目及び前記左目の位置に関する視点情報を取得する視点情報取得部を有し、
前記光学部材は、前記視点情報に基づき前記画像が前記視認者の前記右目及び前記左目を通るように複数軸方向に回転駆動することを特徴とする請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2023008428A JP2024104306A (ja) | 2023-01-24 | 2023-01-24 | ヘッドアップディスプレイ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2023008428A JP2024104306A (ja) | 2023-01-24 | 2023-01-24 | ヘッドアップディスプレイ装置 |
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ID=92144302
Family Applications (1)
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JP2023008428A Pending JP2024104306A (ja) | 2023-01-24 | 2023-01-24 | ヘッドアップディスプレイ装置 |
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JP (1) | JP2024104306A (ja) |
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2023
- 2023-01-24 JP JP2023008428A patent/JP2024104306A/ja active Pending
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