JP3712757B2 - 車両用ヘッドアップ型表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、乗用車やトラックなどの各種の車両に搭載される車両用ヘッドアップ型表示装置に関するものであり、特に、利便性の向上を図った車両用ヘッドアップ型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
乗用車やトラックなどの各種の車両への搭載を目的として、ヘッドアップ型の表示装置が開発されつつある。このヘッドアップ型表示装置は、特開昭63ー243816号公報や特開昭64ー83424 号公報などに開示されたように、車速や予測走行軌跡などの表示データをフロントガラスの前方に虚像として表示する構成となっている。すなわち、ダッシュボードの内部などに設置したＬＣＤパネルなどにデータを表示し、この表示パネルから放射された光線をフロントガラスや、このフロントガラスとドライバーとの間に設置した透明パネルなどで反射させ、車両の前方に作成された虚像から発せられた光線としてドライバーの顔面に入射させる構成となっている。
【０００３】
このヘッドアップ型表示装置では、ドライバーが前方の光景に重ね合わせた状態で表示データを目視することができる。このため、ドライバーにとっては、従来のようにスピードメーターやナビゲーション装置の案内画面などを読み取るために視線の一部を前方の光景からそらす必要がなくなり、安全性と快適性が向上する。一般には、ヘッドアップ型表示装置によるデータの表示位置、すなわち虚像の結像位置は固定されている。
【０００４】
ドライバーが路面よりも高い運転席から観察する車両前方の光景は、鳥瞰図となる。しかしながら、このような鳥瞰図の光景にヘッドアップ表示装置によって重ね合わせられる右折指示等のナビゲーション用図形は、直立した虚像であるため、例えその結像位置を変更したとしても鳥瞰図との適合性には限界がある。すなわち、ドライバーの目の高さや左右の位置が変わったりすると、実際の光景とナビゲーション用図形との重ね合わせの位置関係が簡単にずれてしまうという問題がある。
【０００５】
特開平５−８５２２２号公報や、実開昭６３−１８２９３５号公報には、表示対象のデータの表示器の表示面を、この表示面とフロントガラスとの間に配置される凸レンズの光軸に傾けて配置することによって表示データを鳥瞰図のようにしてヘッドアップ表示する車両用のヘッドアップ表示装置が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平５−８５２２２号公報や、実開昭６３−１８２９３５号公報に開示された表示装置では、液晶パネルなどによって実現される表示器の表示面の大きさが凸レンズの径に比べて十分小さく、点光源と見做せる状態であれば実用的である。実際には、この関係を成立させることが難しく、このため、表示面の端部がレンズの近軸からずれてしまい虚像が歪むという問題がある。また、表示器の表示面と凸レンズの光軸との 間に設定される微妙な傾斜角が車両に固有の振動などによって変動し、ヘッドアップ表示されるデータが鳥瞰図からずれてしまうというおそれもある。
【０００７】
従って、本発明の一つの目的は、歪みの少ない良質な虚像を表示できるヘッドアップ型表示装置を提供することにある。本発明の他の目的は、表示器の表示面と凸レンズの光軸との間に傾斜角を設定することによって作成する従来装置を用いることなく、光景との重ね合わせに適した鳥瞰図による虚像を作成できるヘッドアップ型表示装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明のヘッドアップ型表示装置は、表示対象のデータを表示パネル上に表示する表示器と、焦点距離の異なる複数のレンズ部分を光軸と直交する方向にかつフロントガラスから遠い部分ほど大きな焦点距離を持つように配列した非球面レンズから成り、前記表示器とフロントガラスとの間に配置される光学装置とを備えている。
【０００９】
【作用】
図４に例示するように、車両のフロントガラスの前方に作成する虚像による表示画面ＤＰは、上方に位置するほど遠ざかるような曲面を描いており、この曲面上にドライバーに右折位置を指示する矢印の表示データＤＤが作成されている。この表示データＤＤをフロントガラスの前方の光景と重ね合せて見るドライバーには、図５に例示するような合成画面が感得される。表示データの虚像も鳥瞰図と類似の画像になっているため、ドライバーの目の高さや左右の位置が変わっても、光景との重ね合わせがずれ難く良好な合成画面が得られる。なお、図４中の直立した表示画面の虚像Ｄ１，Ｄ２は、速度などに応じて虚像の作成位置を変更する従来装置の表示方法に対応している。
以下、本発明を実施例と共に更に詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施例のヘッドアップ型表示装置を含む運転支援システムの構成を示すブロック図であり、１はヘッドアップ型表示装置、２はＣＰＵ、３は描画プロセッサ、４はフレームメモリである。ヘッドアップ型表示装置１は、液晶表示パネル１ａと、変換光学装置１ｂと、画像合成手段として機能するフロントガラス１ｃとから構成されている。
【００１１】
ＣＰＵ２は車両内の各所に配置した各種のセンサから車速、加減速度、スロットル開度、位置データなど自車両の状態に関する各種の情報を受けて処理することにより、車速や、ナビゲーション用案内図形や、警報メッセージなどの表示データを作成し、描画プロセッサ３に描画を指令する描画コマンドを発する。描画プロセッサ３は、ＣＰＵ２から受けた描画コマンドに従って所定の表示データを作成し、フレームメモリ４内の所定の位置に書き込む。ヘッドアップ型表示装置１を構成する液晶表示パネル１ａは、フレームメモリ４に書き込まれた表示データを読み出して表示する。
【００１２】
液晶表示パネル１ａ上の各部から放射された光線群は、変換光学装置１ｂによって上方に位置するほど遠ざかる曲面状の虚像の表示面Ｐを形成するような光線群に変換され、フロントガラス１ｃに向けて出射される。フロントガラス１ｃで反射された光線群は、フロントガラス１ｃの前方に形成される虚像から発せられた光線群としてドライバーの両眼に入射する。ドライバーは、虚像の表示データと車両の前方の光景とを重せ合わせて観察する。
【００１３】
図２は、図１の変換光学装置１ｂを単一の凸レンズで実現する従来方法の原理を説明するための概念図である。凸レンズＬの焦点距離をｆとし、フロントガラス１ｃを光軸に対する角度45^o のハーフミラーで近似する。液晶表示パネル１a をこの変換光学装置Ｉb の光軸に傾けた状態で、その中心の位置を凸レンズＬの中心からａの距離に配置する。凸レンズＬの中心からフロントガラス１ｃを経て直角に折れ曲がった光路に沿って計った液晶表示パネルＩa の虚像の中心の位置をｂとすれば、凸レンズに関する周知の次式の関係を得る。
１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ ・・・・（１）
（１）式を変形すると、
ｂ＝ａｆ／（ａ−ｆ） ・・・・（２）
【００１４】
従って、液晶表示パネル１a の一方の端部を焦点Ｆから多少離間させることにより、その虚像をフロントガラス１ｃの前方数メートル程度に位置させる。これに対して、液晶表示パネル１ｂの他方の端部を焦点Ｆに十分に接近させることにより、その虚像をフロントガラス１ｃの前方の遙か遠方に位置させる。このように、単一の凸レンズの焦点の近傍に液晶表示パネル１ｂを傾けて配置することより、その虚像を、ドライバーから見て上方に位置するほど遠ざかるような曲面状に形成できる。
【００１５】
液晶表示パネル１a 上の画素はそのｙ方向の配置に応じて凸レンズＬとの距離ａが変化し、これに伴い、その画素の虚像の位置ｚが（２）式に基づいて変化する。従って、液晶表示パネル１a 上のｙ方向の表示位置を制御することによって表示データの任意の部分の虚像の位置ｚを随意に決定できる。この結果、液晶パネル１ａと変換光学装置１ｂとの距離や相対角度などを車速や虚像の表示位置に応じて変更するための機構が一切不要になる。
【００１６】
前述したように、液晶表示パネル１ａの大きさが凸レンズＬの径に比べて十分小さく、点光源と見做せる状態にあれば、図２の構成が十分実用的である。実際には、このような理想的な関係を成立させることは難しいため、液晶表示パネル１ａの端部がレンズの近軸からずれてしまい虚像が歪むという問題がある。
【００１７】
そこで、本願発明の実施例によれば、図３に示すような構成の変換光学装置１ｂを採用することにより、上記問題点が解決される。この実施例の変換光学装置１ｂでは、液晶表示パネル１ａと平行に特殊な非球面レンズＦＬが配置される。
【００１８】
この特殊な非球面レンズＦＬは、光軸と直交する方向に焦点距離の異なる小レンズ群が配列されたフレネルレンズに類似した構造となっている。ただし、フレネネルレンズでは同一焦点距離の領域が円周方向に配列されるのに対して、この特殊な非球面レンズＦＬでは、同一焦点距離の短冊状の領域（レンズ部分）を図３中に定義した（ｘ，ｙ，ｚ）三次元空間内の光軸ｚに直交するｘ方向に配列すると共に、フロントガラスから遠い部分ほど大きな焦点距離を持つように図中のｙ軸方向に配列した非球面レンズから構成されている。（１），（２）式において凸レンズの光軸との表示面との角度を変えて凸レンズと表示面の距離ａを変化させる代わりに、距離ａを一定値に保ったまま焦点距離ｆを変化させることにより従来装置よりも歪みの少ない良質な虚像を鳥瞰図で表示することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のヘッドアップ型表示装置は、特殊なレンズで構成される光学装置を表示器とフロントガラスとの間に設置することにより上方の部分ほど車両の前方に遠ざかる曲面を描くという鳥瞰図に類似した虚像を車両前方に結像させる構成であるから、鳥瞰図による光景との重ね合わせに適した虚像を表示ことができる。
【００２０】
また、本発明のヘッドアップ表示装置は、表示面を凸レンズの光軸と傾斜させる従来の装置とは異なり、歪みの少ない良質を虚像をヘッドアップ表示することができる。さらに、本発明のヘッドアップ表示装置は、従来の装置とは異なり、表示器の表示面とレンズと の間に微妙な傾斜角を設定する必要がないため、車両に固有の振動環境のもとでも良好な鳥瞰図によるデータを表示できるという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例のヘッドアップ型表示装置を含む運転支援装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 従来装置の光学装置の原理を説明するための概念図である。
【図３】 上記実施例中の変換光学装置１ｂの具体的な構成を説明するための概念図である。
【図４】 上記実施例に従って車両の前方に作成した右折を指示するナビゲーション用図形の虚像を、従来の表示装置による直立虚像と比較しながら説明する概念図である。
【図５】 上記実施例に従って作成した右折を指示する図形の虚像と車両の前方の鳥瞰図による光景とを重ね合わせて示す概念図である。
【符号の説明】
１ ヘッドアップ型表示装置
１ａ 液晶パネル
１ｂ 変換光学装置
１ｃ フロントガラス
２ ＣＰＵ
３ 描画プロセッサ
４ フレームメモリ

Claims (1)

1. 表示対象のデータを表示パネル上に表示する表示器と、
   焦点距離の異なる複数のレンズ部分を光軸と直交する方向にかつフロントガラスから遠い部分ほど大きな焦点距離を持つように配列した非球面レンズから成り、前記表示器とフロントガラスとの間に配置される光学装置と
   を備えたことを特徴とする車両用ヘッドアップ型表示装置。

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