JP2024104306A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

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。

特開２０２２－５２９４０２号公報

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。

本開示の第１の実施形態を示すヘッドアップディスプレイ装置の車両に搭載された概略的な構成図。 同上実施形態の表示器の概略的な構成図。 図１の矢視Ｚから見た表示器の配置を示す図。 本開示の第２の実施形態を示すヘッドアップディスプレイ装置の図１の矢視Ｚから見た表示器の配置を示す図。 本開示の第３の実施形態を示すヘッドアップディスプレイ装置の概略的な構成図。

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。

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。

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。

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

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