JP2815693B2 - ヘッドアップデイスプレイ及び楔形フロントガラス - Google Patents

ヘッドアップデイスプレイ及び楔形フロントガラス

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JP2815693B2
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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、自動車のヘッドアップディスプレイ（HU
D）に関するものであり、特に、イメージのゴーストが
実質的になくなるように表示するディスプレイシステム
に関する。
「従来の技術」 自動車用のヘッドアップディスプレイは、自動車のフ
ロントガラスの前方に実際のイメージ（像）を与える。
このようなディスプレイにおいては、ドライバーは、外
部の視界から計器の状況を見るという注意をそらす必要
がないために、安全性が増すという利点がある。さら
に、機能が不調になった警告の表示をただちに知ること
ができる。
例えば、ダイナミックヘッドアップディスプレイ、す
なわち目に見えるイメージを変えられるディスプレイ、
はゼネラルモータ株式会社によって、近年自動車市場に
現れたヘッドアップディスプレイである。このディスプ
レイは、ドライバー側のダッシュボード上に配置された
ヘッドアップディスプレイユニットを有している。この
ヘッドアップディスプレイユニットは、真空蛍光ディス
プレイおよび従来のフロントガラス上にイメージ光を投
影する屈曲した鏡を具備するイメージソースを有してい
る。このイメージ光は、フロントガラスで反射してドラ
イバーの方へ向かい、ドライバーはフロントガラス越し
の空間に浮かび上がっている実際のイメージを見る。鏡
の屈曲は、実際のイメージとして、約６フィートフロン
トガラス越しに投影され、拡大されたイメージを作り出
す。
ほとんど従来のフロントガラスは、２枚のフロントガ
ラス構成部材（シングレット（singlet））間に、一定
の厚さを有するポリビニルブチラール（PVB）の層を配
置することによって作成されており、この挟持されたア
ッセンブリーは、フロントガラスオートクレーブ中でラ
ミネートされる。
従来の自動車の（HUD）のイメージソースは、フロン
トガラスから離れたところに配置されており、イメージ
ソースからの光は、ドライバーの方へ向かうようにフロ
ントガラスで反射し、ドライバーは、フロントガラス越
しの空間に浮かび上がっている像を見る。
「発明が解決しようとする課題」 もし従来のフロントガラスを使用したのなら、ドライ
バーは２つの分離したイメージを見ることになる。１つ
はフロントガラスの前面からのイメージで、もう１つは
フロントガラスの後面からのイメージである。これらの
いわゆるゴースト像は、見るということについては非常
に妨げとなり、さらに、それらの個々のイメージは、周
囲の背景に対して、充分な明るさを有していない。
ゴースト像問題を無くすための最新の試みは、まず、
複雑な０度ホログラムやPVBの層に隣接するフロントガ
ラス（シングレット）の内面の一方に誘電性のコーティ
ングをすることである。これらの試みは、実際上第３の
ゴースト像を作り出す。しかし、フロントガラスの外側
面からのイメージの明るさは十分に減じられており、イ
メージソースの明るさが適切に調節されていた場合、外
側面からのゴースト像は周囲の背景に溶け込んでしま
い、結果として他の２つのイメージから取り除かれたこ
とになる。１つのシングレットの厚さは、フロントガラ
ス全体の厚さ170〜210ミルに比べるとわずか70〜90ミル
であるから、残っている２つのゴースト像分離は、比較
的小さくなり、実質的にはそれらが重なるほど小さく、
許容範囲の見ることのできるイメージとなる。
ゴースト像問題を無くすためのその他の試みは、イメ
ージソースの前部にＰ偏光子を配置することであり、そ
れによって、ホログラムやコーティングからの反射は、
実質的に、ガラス／空気からの反射よりも大きくなる。
これらの試みはいずれも現実的ではなく、次に述べる
ような欠点がある。透き通って見える像の歪み（歪
曲）、透き通って見える変色、反射歪曲、透き通って見
える伝達の低下、自動車のフロントガラスのための連邦
伝達明細事項からの逸脱、赤外光の比較的高い伝達、PV
B粘着の不足あるいは過度、そして、不十分なゴースト
像問題の減少。それに加えて、これらの試みは、フロン
トガラスに少なくとも１つの構成を加えなければなら
ず、コストが高くなり構成が複雑になる。
「本発明の概容」 本発明は、ホログラムや誘電性のコーティングが設け
られたフロントガラスを使用すること無く、ゴーストを
無くすことを達成する、自動車のHUDを供給するという
利点を有している。
上記およびその他の利点、特徴は、イメージ光のビー
ムを、自動車内のあらかじめ定められた視覚領域、ある
いは視覚に向かって反射するようにフロントガラスに向
けて投影するHUDイメージ投影ユニットを有する自動車H
UDによって達成される。本発明によれば、フロントガラ
スの反射面は（前面および後面）、互いに平行ではな
く、イメージビームに関して個々の角度をもって配置さ
れており、それによって、それぞれの面から反射される
個々のイメージは、視覚において実質的に重なり、ゴー
ストの無くなったHUDイメージを与える。
フロントガラスは、例えばPVBのような透明材料の中
間層を挟む第１および第２のフロントガラスシングレッ
トのラミネート構造として構成されており、この中間層
は、その厚さがテーパー状になっていることを特徴とし
ている。
「実施例、発明の効果」 本発明の好ましい実施例によれば、HUDユニット50が
自動車60のダッシュボードに配置されている。第１図に
示すように、HUDイメージ光は、フロントガラス40を反
射し、ドライバーの視野に入り込む。その結果ドライバ
ーは、フロントガラス40を越えたある位置の空間の像平
面に、像Ｉが浮かんでいるように感じる。
第２図は、従来のフロントガラス40′が本来有してい
るゴースト像問題を示している。第２図に示されている
ように、それぞれのイメージ光は、フロントガラス40′
の前面（内側表面）42′および後面（外側表面）44′で
反射し、ドライバーの目に入り込む。このように、虚像
（メインイメージ）は、ドライバーの目に戻るフロント
ガラス40′の内側表面42′からのメインセントラル光70
の反射によって作り出される。ゴースト像は、ドライバ
ーの目に戻るフロントガラス40′の外側表面44′からの
セントラル光72の反射によって作り出される。この２つ
のイメージは、大変気にかかるものであって、ディスプ
レイの読取り能力を非常に妨げる。
異なった角度によってHUDイメージソースから発散す
る莫大な量の光線は、操作している間に熟練者はそれを
認識できるようになるであろう。光線70は、HUDイメー
ジソースから内側表面42′で反射し、光線71としてドラ
イバーのアイレンズへ至るセントラル光を示す。光線72
は、HUDイメージソースから外側表面44′で反射し、光
線73としてドライバーのアイレンズの中央へ向かうセン
トラル光を示す。HUDイメージソースと光線70に沿って
内側表面42′との間の見かけの光路距離は、Riで示され
ている。光線71に沿って内側表面42′とドライバーの目
との間の見かけの光路距離は、Rvで示されている。光線
70,72の角度および、光線71,73の角度はΔθで示されて
いる。光線71,73は、ドライバーの角膜レンズの中央を
通って網膜へ至る。それゆえ、光線71,73の角度Δθ
と、それらが網膜上へ入射する角度とは等しい。このよ
うに、ドライバーにとって認識できるイメージ分離は、
角度Δθである。角度θは、光線70が内側表面42′の法
線から離れた角度を示し、角度θ′＝θ＋Δθである。
パラメータΔＸは、鉛直にＸ軸に沿ってHUDイメージソ
ースとドライバーの目との間の距離を示し、パラメータ
ΔＹは、水平にＹ軸に沿ってHUDイメージソースとドラ
イバーの目との間の距離を示す。パラメータｔは、フロ
ントガラスの厚さを示す。次の等式は、前記したパラメ
ータ間の関係を示す式である。
Δｘ＝（Ri＋Rv）sinθ ＝（Ri＋Rv）cosθtanθ′＋（2t）tanθ′
ｉ （１） nsinθｉ′＝sinθ′ （２） それゆえ、 (sinθ−cosθtanθ′)/(tanθ′ｉ)=(2t)/(Rｉ+Rｖ)
（３） 等式（２）および（３）は、Δθを解くことができ、個
々の適用に対するパラメータ値を与える。
２つのイメージの角度は、フロントガラスの厚さｔが
増加すると増加し、距離Riが減少すると増加し、距離Rv
が減少すると増加する。またその角度は、角度θおよび
フロントガラスの屈折率ｎの関数でもある。それゆえ、
ゴースト像を減じるための可能な方策は、フロントガラ
スの厚さを減らすこと、および認識できるイメージポジ
ションを無限大の方向へ移動することである。しかしな
がら、厚さを150ミル以下にした幾つかののフロントガ
ラスは、聴覚上薄すぎて鼓膜のように機能し、雨垂れが
フロントガラスを叩くような非常に弱々しい音も伝達す
る。イメージを無限遠に配置することは、ドライバーが
無限遠にあるイメージにフォーカシングし、彼の目前６
フィートの車を無視し、まさにその車にぶつかるという
危険があるため受け入れられない。おおよそフロントバ
ンパーの平面上にイメージを配置することが有効であ
る。なぜなら、ドライバーにとって必要とされる目の調
節を避けるのに十分に離れた距離であるばかりでなく、
バンパーが低すぎてボンネット上に見えないところの車
のために有用な距離合図になるからである。しかしなが
ら、170ミルの厚さを有している従来のフロントガラス
上のゴースト像分離は、ドライバーから約６フィートに
位置しており、許容することができないほど巨大であ
る。例えば第２図で示すものに、典型的なパラメータ値
Rv＝30インチ、Ri＝64.5インチ、θ＝68.8゜ｔ＝0.19イ
ンチ、ｎ＝1.52を使用すると、イメージ分離Δθは0.05
7゜になる。
ほとんど従来のフロントガラスは、２枚のフロントガ
ラスシングレット間に一定厚さを有するPVB層を配置
し、フロントガラスオートクレーブ中で、挟まれたアッ
センブリーをラミネートすることにより作られる。PVB
シートは、それ自身、一定幅の溝を通り抜けて成形され
た溶融状態のPVBによって典型的に作られている。しか
しながら、幾つかのPVB押出し機は、押出し溝のサイズ
とウエッジが調整できるようになっている。それゆえ、
押出し溝は、僅かに楔形をなしているPVBシートを作成
するために調節することができる。すなわち、それは底
端よりも上端のほうが厚くなったテーパー状を成してい
る。
第３図は、溶融状態のPVBを楔形の溝102を通って押出
し、押出されたPVB106の楔状のシートを形成するための
PVB押出し機100の概略図である。楔の角度は、第３図で
は誇張されて示してある。溝102の頂部103の溝幅は、底
部104のそれよりも大きくなっている。押出し機100は、
溝の楔形を除いては従来と同じである。
楔形にされたPVBの層は、２枚のフロントガラスシン
グレット間に挟まれており、アッセンブリー全体として
は、従来のフロントガラスオートクレーブ中で互いにラ
ミネート状にされる。第４図にその概略が示されてい
る。ラミネート状になったフロントガラスは第５図に示
されており、フロントガラスシングレット40A,40Bおよ
びPVB40Cの楔形の層を含んでいる。第５図では、楔形は
誇張されて示している。
第４図に示されるように、楔形にされたPVBを使用し
てフロントガラスがラミネート状にされた場合におい
て、楔がHUDシステムのために正確に選択されたなら、
内側表面42および外側表面44で反射されたイメージは正
確に重なり、ゴースト像問題は削除されるであろう（第
６図参照）。第２図に関して論じられたパラメータ値に
よると、重ねられたイメージが得られるための必要とさ
れる楔の角度は、0.013゜であり、３フィートをわたっ
て８ミルのテーパーで表すことができる。すなわちこれ
は、フロントガラスの頂部の厚さがその底部の厚さより
も８ミル厚いことを示す。
連邦政府は、ANS1 Z26.1−1983のセクション5.15にお
いて定義された光学的に透き通って見える光の屈曲のた
めの基準をセットしている。このテストによれば、わず
か0.43゜のフロントガラスの光学的屈曲が要求される。
これは言い換えれば、フロントガラスの楔の角度がわず
か0.14゜であることが要求される。
第７図は本発明の実施例に使用するための典型的なHU
Dユニット50の分解斜視図である。ユニット50はイメー
ジソースと、自動車のフロントガラス上に投影されるイ
メージ光を発生するためのエレクトロニクス51とを備え
ている。例えば、イメージソースは、真空蛍光ディスプ
レイ（VFDs）、液晶ディスプレイ、および発光ダイオー
ドディスプレイを備えている。ハウジング53は、ユニッ
ト部材を支持している。平面鏡55は、エレクトロニクス
51から非球面鏡57上へイメージ光を反射し、順に光を透
明カバー59およびフロントガラスへ導く。非球面鏡57の
曲率は、イメージソースからフロントガラスへの必要と
される見かけの光路距離Riが供給されるように選択され
ている。非球面鏡の使用は、実際の光路距離より非常に
長い見かけの光路距離を提供することができる。
ユニット50に類似するHUDユニットは、1989年４月７
日に出願された、タイトルAutomotive Head−Up Displa
y（M,Weihrauch et al.）出願番号07/335174に記載され
ており、その内容全体は本願に組み込まれたものとす
る。
ゴースト像問題の分析結果は、平行平面板フロントガ
ラスに関して述べられている。すなわち、平面の、平坦
フロントガラス構造である。大体の自動車のフロントガ
ラスは、簡単な平面、平坦構造ではなく、むしろ水平方
向および鉛直方向において曲率を有している。鉛直方向
の曲率は、第８図に示されているように、ゴースト像分
離を減少することができる。しかしながら、本発明の楔
形をして屈曲したフロントガラスを使用することによ
り、より改良され、ゴースト像を本質的に削除する結果
が得られる。
第9A図および第9B図は、屈曲したフロントガラスのモ
デルを示しており、これは、ゴースト像分離を無くすた
めに、正確な楔形を決定するように分析されたものであ
る。第9A図は、一定厚さｔの屈曲したフロントガラスを
示しており、内側表面の曲率半径Rc、外側表面の曲率半
径Rc＋ｔを有している。
第9B図は、外側表面がＰ点で角度αだけ傾いて屈曲し
たフロントガラスを示す。第9B図および第10図は、メイ
ンイメージ（フロントガラスの内側表面による反射）と
ゴーストイメージ（フロントガラスの外側表面による反
射）とが重なるために決定した適切な傾斜角が使用され
た分析結果の様々なパラメータを示す。この分析結果
は、ゴースト像が重なるための必要な傾斜角となる公知
の方法によって解くことができる次に示される方程式に
よるものである。
“実際のイメージ": nX＝（Ri＋Rv）sinθ （４） “ゴースト": ΔＸ＝Ricosθtanθ１′＋Rvcosθtanθ２′＋Ｍ
（５） β２＝β１−２η２−２α （９） Ｍ＝ｔ（tanβ１＋tan（β１−２η２）］ （10） θ２′＝sin-1［n sin（β２＋η３）］−η３（12） 通常知識を有するものであれば、光線追跡モデル（ra
y trace model）をセッティングすることおよび、Optic
al Research Associates,550Nによって市販されているC
ode Vのようなコンピュータ光線追跡プログラムを使用
することによって得られたそれぞれの適用によるパラメ
ータ値による解を明らかにすることができるであろう。
Rosemead Blvd.,Pasadena,California 91107,は数学的
プログラムを解くためのものである。
Table Iは、様々なパラメータ値のための解答の結果
を示したものである。
これらの結果は以下のことを示している。両者のイメ
ージが重なるために必要とされる角度Δθおよびウエッ
ジ角αは、フロントガラスの厚さｔの増加、イメージソ
ースからフロントガラスまでの距離Riの減少、フロント
ガラスの鉛直方向の曲率1/Rc、の減少、および角度θが
60゜〜75゜の範囲で減少することにより、共に増加す
る。このように、イメージが重なるために必要とされる
ゴースト像分離の角度およびウエッジ角は、フロントガ
ラスおよびHUDのパラメータに高度に依存している。
従来のフロントガラスのHUDイメージ反射を見ると、
ドライバーがアイボックス（eyebox）を取り囲んでいる
頭を動かすにつれて、２つゴースト像の分離に関する変
化がある。これはたいてい、（１）PVBの厚さが僅かに
一定でない場合、および／または（２）アイボックスの
移動による見かけの虚像位置の変動、によって起こる。
これらの問題は、楔状のPVBを有するフロントガラスに
ついてもまた生じるように思われる。しかしながら、も
し、ゴースト像間における分離の変化が小さいのなら、
楔形フロントガラスを反射する２つのイメージは、アイ
ボックス全体を通じて実質的に重ねられるであろうか
ら、それは容認されるイメージとなる。
楔形フロントガラスは、透明歪曲、透明変色、反射歪
曲、低透明伝達、連邦伝達明細事項からの光の屈曲、赤
外部の光の過度の伝達、弱いあるいは過度のPVB接着お
よびゴースト像の不十分な修正等の問題がないように感
じるであろう。それに加え、余分なフロントガラス構成
要素やフロントガラスラミネーション工程を必要とせ
ず、楔状のPVBシートを有する一定厚さのPVBシートがこ
れにとって変わるだけである。それゆえ、楔状のPVBを
押し出す機械が得られれば、それ以上のコストは不要に
なる。
従来の反射HUDユニット50が第１図に示されており、
これは真空蛍光ディスプレイ（VFD）を使用しており、
目に届くイメージの明るさについて幾つかの関心事があ
る。一般のVFDはただ3000flを供給する。ドライバーに
おけるメインイメージおよびゴーストイメージの明るさ
は、3000flに、HUDユニットを含む２つのHUDミラーのそ
れぞれで反射する90％を掛けたものであって、約2400fl
に該当し、それから、メインイメージのフロントガラス
の前面反射を掛け合わせ、ゴーストイメージのフロント
ガラスの後面反射を掛け合わせる。HUDユニット50が組
み合わさった従来のフロントガラスの使用は、十分な明
るいイメージは生じない。イメージコントラスト（イメ
ージの明るさとその背景との明るさとの対比）は、周囲
の状況が太陽に当たっている間は低すぎて充分に見るこ
とができない。しかしながら、楔形のフロントガラス
は、２つのイメージを重ねてしまうので、２つの個々の
イメージの明るさよりも約40％明るいイメージが現われ
る。
VFDを使用したイメージコントラストでさえ、個々の
状況に対しては充分な高さでなく、その代わりに、その
様な状況に受け入れられるイメージが生じるような十分
な明るさにできる液晶ディスプレイおよびLEDディスプ
レイのようなイメージソースが用いられる。
本発明は、上述した楔形フロントガラスを組み立てる
ための特有の技術に制限されない。例えば、楔は、PVB
（その他の好ましい材料例えばウレタン）の平坦層が、
楔形にセットしたローラを通過することによって、中間
層に形成されることができる。その他には、中間層の有
り余っている部分を剃り落とすことによって、残った部
分で楔を形成することもできる。
上述した実施例はただ単に、本発明の本質を具体化し
た特有の実施例であると理解されなければならない。本
発明の範囲から逸脱すること無く、通常の知識を有する
ものによってこれらの本質にしたがい、容易に変更する
ことができる。例えば、この発明は、自動車のHUDに使
用されるものに限定されること無く、例えば、空港のコ
ントロールタワー等のような、光結合体部材上に像を投
影するHUDにも使用されることができる。自動車のフロ
ントガラスは、もちろん光結合体の１つのタイプであ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、自動車のフロントガラスからの反射を利用す
る自動車のヘッドアップディスプレイの概略図；第２図
は、従来の自動車のフロントガラスおよびゴースト像問
題を示し、平行平面板であるフロントガラスを拡大して
簡略化した断面図；第３図は、楔形の層を形成するため
の楔形溝を通して溶融したPVBを押し出すための押出装
置を簡略化した斜視図；第４図は、フロントガラスオー
トクレーブを含み、２つのウインドシールド部材間に楔
形のPVB層をラミネートするための工程を簡略化して示
す図；第５図は、本発明によって、テーパになった幅を
有するフロントガラスの断面図；第６図は、本発明によ
ってイメージを重ねるために、楔形となった自動車のフ
ロントガラスの断面図；第７図は、自動車のフロントガ
ラスにイメージを投影するヘッドアップディスプレイの
構成要素を分解した状態の斜視図；第８図は、簡単な平
面平行のフロントガラスと対比して、ゴースト像の配置
を示す屈曲したフロントガラスの簡略化した断面図；第
9A図および第9B図は、屈曲したフロントガラスのモデル
を示しており、ゴースト像を無くすために使用されるテ
ーパ状に補正したフロントガラスの概略図；そして、第
10図は、さらに別の屈曲したフロントガラスの断面およ
び補正されたフロントガラスのテーパを決定するため
の、分析表を用いた様々なパラメータを示す図である。 40……フロントガラス、50……HUDユニット、100……PV
B押出し機。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】透明なフロントガラスを有する自動車用の
    ヘッドアップディスプレイであって、あらかじめ定めら
    れた視点へ向かう反射光用の自動車のフロントガラスへ
    向けてイメージ光のビームを投影する、ヘッドアップデ
    ィスプレイ像投影ユニットを有し、 前記フロントガラスは、互いに平行でなく、かつイメー
    ジ光に関しそれぞれ第１および第２の角度で配置された
    第１および第２の面を備え、これによって前記第１の面
    および第２の面から反射されるそれぞれの像を、前記視
    点で実質的に重ねており、 前記フロントガラスは、透明材料の中間層を挟んだ第１
    および第２のフロントガラス構成部材を有しており、こ
    の中間層は、フロントガラスの上部からフロントガラス
    の底部へ向けて、その厚さのディメンションがテーパー
    となるように、その厚さを底部より頂部の方を厚くして
    おり、 これにより、実質的にゴーストを無くしたヘッドアップ
    ディスプレイ像を、前記視点に与えることを特徴とす
    る、ヘッドアップディスプレイ。
  2. 【請求項２】前記透明材料は、ポリビニルブチラールを
    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。
  3. 【請求項３】あらかじめ定められた視点へ向かう反射光
    用のフロントガラスへ向けてイメージ光のビームを投影
    する、ヘッドアップディスプレイユニットと結合して使
    用される楔形フロントガラスであって、 この楔形フロントガラスは、互いに平行でなく、かつイ
    メージ光に関しそれぞれ第１および第２の角度で配置さ
    れた第１および第２の面を有しており、これにより前記
    第１の面および第２の面から反射されるそれぞれの像
    を、前記視点で実質的に重ねており、 前記楔形フロントガラスは、透明材料の中間層を挟んだ
    第１および第２のフロントガラス構成部材を有してお
    り、この中間層は、フロントガラスの上部からフロント
    ガラスの底部へ向けて、その厚さのディメンションがテ
    ーパーとなるように、その厚さを底部より頂部の方を厚
    くしたことを特徴とする楔形フロントガラス。
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