JP4760336B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車などの移動体に備えられるヘッドアップディスプレイ装置に関する。

従来より、自動車などの移動体（以下、車両とする）に備えられ、映像投射器（液晶ディスプレイなど）より各種情報を映像光として照射し、フロントガラスの内面に反射させ各種情報を虚像（以下、表示像とする）として運転者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置とする）が知られている。

この種のＨＵＤ装置では、表示像を車両の前景に重畳させて表示するものが一般的であり、運転者が表示像を視認する際、目の焦点を簡単に合わせることができるように、できるだけ前景に近い位置（運転者の目の位置から離れた位置）に表示像を投影することが重要である。

そのためには、映像投射器とフロントガラスとの間の距離を長くする必要がある。しかし、映像投射器とフロントガラスとの間の距離を単純に長くすると、ＨＵＤ装置自体が大型化されるという問題がある。

これに対して、映像投射器とフロントガラスとの間の光路上に複数の反射ミラーを設置して光路を屈曲することで、ＨＵＤ装置の全長を短く抑えたり（例えば、特許文献１参照）、映像投射器とフロントガラスとの間に凸レンズまたはフレネルレンズを配置して光路を等価的に長くすることで、ＨＵＤ装置を小型化することが行われている。

ここで、図９を用いて一般的な凸レンズによって映像光が拡大される仕組み（虚像が投影される様子）を説明する。
映像光５００を表示する映像投射器が凸レンズｃの焦点ｆよりも凸レンズｃに近い位置に配置されているため、表示像５０１は、虚像となり、凸レンズｃからみて映像投射器の配置された方向と同じ方向に表示されている（即ち、像が作られる）。

つまり、凸レンズｃを用いたＨＵＤ装置では、映像投射器が凸レンズｃの焦点ｆよりも凸レンズｃに近い位置に配置された場合、凸レンズｃによって形成された虚像をフロントガラスによって反射させることで、表示像は、運転者に視認されることになる。

さらに、式（１）からわかるように、凸レンズｃの中心と運転者に視認される表示像５０１との距離ｂは、凸レンズｃの中心と映像投射器の映像光５００を表示する部位との距離ａと凸レンズｃの焦点ｆによって決定される。なお、式（１）は、距離ａ、距離ｂ、焦点ｆの関係を表したものである。

凸レンズｃから焦点ｆまでの範囲内で、距離ａを長くすると、表示される虚像は、凸レンズｃから離れた位置において大きな像となり、距離ａを短くすると、凸レンズｃから近い位置において小さな像となる。

したがって、図９および式（１）より、凸レンズｃから焦点ｆまでの範囲内で、映像光５００を表示する映像投射器と凸レンズｃとの距離ａを長くすることにより、表示像の投影位置までの距離を長くすることができる。
特開平６−５５９５７号公報

しかし、反射ミラーを用いたＨＵＤ装置では、光路を長くするために複数の反射ミラーを配置する必要があるため、十分な小型化を図ることができないことや、重量が大きくなるという問題があった。

また、凸レンズやフレネルレンズを用いたＨＵＤ装置では、フロントガラスを透過してくる太陽光や照明光等の外光が凸レンズやフレネルレンズに反射し、表示像の視認性が低下するという問題があった。

即ち、図１０に示すように、太陽光６００等の外光がフロントガラス６０３を透過してレンズ（ここでは、凸レンズとする）６０２に反射し、車両の前方を直視した状態のほとんどすべての運転者の目が位置することを統計的な分布によって得たアイレンジ６０５に反射光６０１が入り込む。この結果、運転者に視認される表示像６０４は、図１１に示すような反射光６０１によるノイズを含んだものとなるため、見映えがよくないという問題や、表示像６０４の中で図１１に示すノイズに運転者の注意（視線）が向けられてしまうという問題があった。

なお、アイレンジとは、ＪＩＳ規格ＪＩＳＤ００２１等によって定められたものである。
また、反射光６０１の光が表示像６０４の光に比べて強いため、表示像６０４自体の視認性が悪化するという問題があった。

そこで、本発明は、外光の影響を受けることなく、視認性の良い表示像を投影することが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。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置は、移動体内に配置されており、映像を表示させる表示手段と、前記表示手段から照射された前記映像を拡大かつ透過する光学部材と、を備え、光を透過かつ反射する反射手段に、前記光学部材で拡大された拡大映像を投影させることにより、前記移動体の乗員に前記拡大映像を虚像として視認させるものである。

そして、駆動手段は、前記拡大映像が投影される前記反射手段の投影面と前記反射手段の投影面に相対する前記光学部材の透過面とのなす角が変動するように、前記光学部材を回動自在に駆動し、外光検出手段は、前記移動体の外部から前記反射手段を透過し前記光学部材へと到達する外光が前記光学部材の透過面にて反射された反射光を表す透過面反射光であって、前記反射手段で反射された後、当該ヘッドアップディスプレイを備えた移動体の乗員に視認される視認領域内を指向する前記透過面反射光を検出する。

さらに、制御手段は、前記外光検出手段の検出結果に基づき、前記透過面反射光が前記視認領域外を指向するように前記駆動手段を制御する。
ここで、図１２は、光学部材を回動させることで透過面反射光を視認領域外に指向させることが可能であることを示した説明図である。

通常、光学部材によって反射される透過面反射光７０２が拡大映像７０１と重複するような場合（例えば、図１２に示すように外光が透過面に対し垂直に入射される場合）、透過面反射光７０２が視認領域（即ち、アイレンジ内）７０３を指向し、運転者に視認される拡大映像（即ち、表示像）は、視認性の低いものとなる。

しかしながら、光学部材７０５の傾きを変化させると、透過面反射光７０２は、その反射方向が変化する。つまり、制御手段が駆動手段を制御することにより、透過面反射光が視認領域外を指向することが可能となる（即ち、透過面反射光がアイレンジに入射されない）。

具体的には、図１２に示すように外光が光学部材７０５の透過面に対し垂直に入射し、透過面反射光７０２が視認領域７０３の中心を指向（即ち、透過面反射光７０２が視認領域７０３に到達）するときに、光学部材７０５を角度θｕ駆動させると、透過面に対する外光の入射角と反射角とのなす角は、２θｕとなる。また、光学部材７０５を角度θｄ駆動させると、透過面に対する外光の入射角と反射角とのなす角は、２θｄとなる。

この光学部材７０５の駆動量θは、光学部材７０５の透過面と反射手段７０６の投影面との距離Ｌ１と、反射手段７０６の投影面と視認領域７０３の中心との距離Ｌ２と、視認領域７０３の高さＥｖと、から求めることができる。

そして、式（２）を満たす駆動量θだけ光学部材７０５を駆動させた場合、透過面反射光は、図中の７０７および７０８となり、視認領域７０３から外れることになる。

したがって、本発明のヘッドアップディスプレイ装置によれば、透過面反射光が拡大映像と重複するような場合であっても、光学部材を回動させることにより、透過面反射光を視認領域外に指向させることができる。この結果として、移動体の乗員は、視認性の良い拡大映像を視認することができる。

なお、上述したように、光学部材を回動させることで透過面反射光の反射方向は、大きく変化するが、光学部材を透過する透過光（即ち、拡大映像）は、光学部材の傾きに大きく影響されないものであることを以下に説明する。

例えば、図１３（ａ）に示すように、光学部材（図１３では、凸レンズ５０５）を回動させることなく表示像（即ち、乗員に視認される拡大映像）を投影した場合、表示像は、投影面にその像全体が歪むことなく投影される。なお、図中の一転鎖線５０１は、光学部材に入射される外光及び透過面反射光を表したものであり、透過面反射光は、表示像に近い位置を指向している。

また、図１３（ｂ）に示すように、光学部材を駆動量θ回動させたうえで表示像を投影した場合、表示像の一部では焦点があっており、一部では焦点があっていないため、表示像全体としては、若干歪んだものとなる。

しかしながら、図１３から明らかなように、表示像（即ち、拡大映像）の変動は、光学部材を回動させたことによる透過面反射光の変動に比べて、小さなものであり、拡大映像の視認性に対する影響はほとんどないといえる。

つまり、本発明のヘッドアップディスプレイ装置においても、光学部材を回動（傾きを変化）した場合、投影される拡大映像は、移動体の乗員が不都合を感じることなく視認可能な表示像となる。

このことは、例えば、文字の書かれた紙の上でガラス板の傾きを変化させても、紙に書かれた文字をガラス板を通して視認できることからもわかる。
また、光学部材の回動状態を得ることができれば、透過面反射光が視認領域を指向する外光の角度範囲（即ち、入射角度の範囲）が得られる。このため、光学部材の回動状態に応じて、角度範囲を設定すれば、その角度範囲で入射された外光の透過面反射光が視認領域を指向することがわかる。

そこで、前記制御手段は、前記光学部材と前記反射手段との距離をＬ１、前記視認領域の中心と前記反射手段との距離をＬ２、前記視認領域の高さをＥｖとし、前記光学部材が、上記（２）式によって表される駆動量Δθ回動するように前記駆動手段を制御しても良い。
また、前記外光検出手段は、例えば、請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置のように、外光強度検知手段が予め設定された角度範囲内で前記光学部材に到達する外光の強度を検知し、前記外光強度検知手段で検知された外光の強度が、予め設定された閾値よりも大きい場合に、前記視認領域内を指向する前記透過面反射光を検出したものとするように構成されていてもよい。

また、前記外光検出手段は、例えば、請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置のように、外光入射角検知手段が前記光学部材に対する前記外光の入射角度を検知し、前記外光入射角検知手段で検知された前記入射角度が予め設定された角度範囲内である場合、前記視認領域内を指向する前記透過面反射光を検出したものとするように構成されていてもよい。

ここで、例えば、外光の一つとして太陽光や月の光を想定した場合、時刻を表す時刻情報から大まかな太陽の位置（月）を得ることができ、太陽の位置（月）と移動体の進行方向とから光学部材の透過面に入射する外光の入射角度を得ることができる。

このため、前記外光入射角検知手段は、請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置のように、情報取得手段が時刻を表す時刻情報及び当該ヘッドアップディスプレイ装置を備えた移動体の進行方向を表す方向情報を取得し、入射角推定手段が前記情報取得手段が取得した、前記方向情報と前記時刻情報から推定される外光の光源の位置とに基づき前記外光の入射角度を推定するように構成されていてもよい。

ただし、ここで言う時刻とは、一般的な時間のほかに日付を含むものである。
さらに、予め決められた基準点となる位置（緯度、経度によって決定される特定の地点）における太陽の位置は、時刻から絶対的に決められるものであるが、本発明における太陽の位置は、本来、移動体の位置との相対的な関係となるはずである。

このため、前記外光入射角検知手段は、請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置のように、位置情報取得手段が当該ヘッドアップディスプレイ装置を備えた移動体の位置を表す位置情報を取得し、第一入射角補正手段は、前記位置情報取得手段が取得した前記位置情報に基づき、前記外光の入射角度を補正するように構成されていることが望ましい。

そして、このように構成されたヘッドアップディスプレイ装置によれば、移動体の位置に関わらず、外光の入射角度を精度よく求めることができ、制御手段が行う制御の信頼性を向上させることができる。

この場合、前記位置情報取得手段は、請求項７に記載のヘッドアップディスプレイ装置
のように、ＧＰＳ衛星から前記位置情報を取得するものでもよい。
例えば、本発明のヘッドアップディスプレイ装置が自動車などの車両に搭載された場合、カーナビゲーションシステム等に用いられたＧＰＳに基づき、移動体の位置情報を容易に取得できる。

ところで、例えば、移動体が車両であり、上り坂を登っているような場合、移動体に傾きが生じ、光学部材の透過面に対する外光の入射角度が変化してしまう。
このため、前記外光入射角検知手段は、請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置のように、姿勢情報取得手段が当該ヘッドアップディスプレイ装置を備えた移動体の姿勢を表す姿勢情報を取得し、第二入射角補正手段が前記姿勢情報取得手段で取得された前記姿勢情報に基づき、前記入射角推定手段が推定した前記外光の入射角度を補正するように構成されていることが望ましい。

このように構成されたヘッドアップディスプレイ装置によれば、移動体の姿勢に関わらず、外光の入射角度を精度よく求めることができ、制御手段が行う制御の信頼性を向上させることができる。

また、透過面に反射される外光の強度が弱く、透過面反射光が拡大映像に影響を及ぼさない場合には、光学部材を駆動し、透過面反射光が視認領域を指向しないようにするよりも、光学部材を駆動せず、移動体の乗員に歪みのない拡大映像を視認させたほうが良い。

このため、請求項９に記載のヘッドアップディスプレイ装置のように、光源検出手段が前記外光の光源を検出し、前記制御手段は、駆動制限手段が前記光源検出手段で光源が検出されない場合、前記駆動手段の駆動を禁止するように構成されていてもよい。

このように構成されたヘッドアップディスプレイ装置によれば、必要の無いときに光学部材が駆動されることがなく、拡大映像が無駄に歪むことを防止できる。この結果、移動体の乗員は、より視認性の高い拡大映像を視認することができる。

なお、光源検出手段としては、光センサーにより光を検知することで光源を検出してもよいし、天候等を認識することで光源を検出してもよい。
また、請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置のように、反射部材が前記表示手段と前記光学部材との間の光路上に配置され、前記光路を屈曲させるものでもよい。

さらに、請求項１１に記載のヘッドアップディスプレイ装置のように、前記反射部材に前記反射手段とは相補的な反射特性を有するものを用いた場合、反射手段に投影される拡大映像の歪みを抑制することができる。

特に、請求項１２に記載のヘッドアップディスプレイ装置のように、請求項９また請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、反射部材駆動手段が前記光学部材に連動し、前記光学部材に対し一定の角度で前記映像を入射するように前記光学部材の半分の駆動量だけ前記反射部材を駆動するように構成されていることが望ましい。

このように構成されたヘッドアップディスプレイ装置によれば、反射部材で反射した映像を一定の角度で光学部材に入射させることができ、反射手段に投影される拡大映像の歪みを抑制することができる。

また、請求項１３に記載のヘッドアップディスプレイ装置のように、前記光学部材に凸レンズ或いはフレネルレンズを用いれば、反射手段に投影される拡大映像の大きさを維持した上で、ヘッドアップディスプレイ装置を小型化できる。

また、請求項１４に記載のヘッドアップディスプレイ装置のように、前記視認領域とは、ＪＩＳ規格ＪＩＳＤ００２１で規定される領域であってもよい。
なお、視認領域とは、男性、女性、運転者の身長に関わらず、車両の前方を直視した状態のほとんどすべての運転者の目が位置することを統計的な分布によって得た領域である。

以下、本発明の実施形態について図面と共に説明する。
［第一実施形態］
図１は、自動車に搭載され、自動車の運転手に各種情報を虚像として視認させるヘッドアップディスプレイ装置の概略断面図であり、図２は、図１に示すヘッドアップディスプレイ装置の斜視図である。

このヘッドアップディスプレイ装置１は、各種情報を映像として投射する映像投射器１０と、映像投射器１０からの映像光を反射する反射鏡１１と、反射鏡１１に反射された映像光を拡大する拡大レンズ１２と、拡大レンズ１２を駆動する駆動部と、駆動部を制御する制御系からなる。

そして、少なくとも、映像投射器１０と反射鏡１１と拡大レンズ１２とは、ケース１３内に収納され、自動車のインストルメントパネル１５内に配置されている。
次に、ヘッドアップディスプレイ装置１の各部について説明する。

映像投射器１０は、各種情報を映像として表示する表示部を備えており、その表示部は、拡大レンズ１２を透過しケース１３内に侵入する外光が、その表示部に対し垂直に入射されないように、角度を付けて（即ち、傾いた状態で）配置されている。

このように表示部を配置することは、フロントガラス１６及び拡大レンズ１２を透過して、ケース１３内に照射された外光が表示部により反射された際、その反射光が映像に対して与える影響を抑制するためである。

また、反射鏡１１は、映像投射器１０から投射された映像光を拡大レンズ１２に向けて反射するものであり、フロントガラス１６の反射特性とは、相補的な反射特性を有する。
そして、拡大レンズ１２は、凸レンズまたはフレネルレンズからなり、反射鏡１１から入射された映像光から、自動車の運転手が視認しやすい大きさの拡大映像（フロントガラス１６に投影される虚像）へと拡大することのできる倍率を有する。なお、以下では、拡大レンズ１２のフロントガラス１６と相対する面を透過面とする。

また、ケース１３は、映像投射器１０と反射鏡１１と拡大レンズ１２とを収納できる大きさであり、ケース１３内に収納された拡大レンズ１２からフロントガラス１６への光路上には、拡大レンズ１２によって拡大された映像光を通過させる開口を備えている。

なお、このケース１３の開口には、光を透過する材料によって形成され、ケース１３の内部に埃が入り込むのを防止するカバー１４が取り付けられている。
そして、ヘッドアップディスプレイ装置１では、映像投射器１０から投射された映像光は、反射鏡１１によって反射され、拡大レンズ１２によって拡大映像へと拡大される。そして、拡大映像は、ケース１３の開口およびカバー１４を通り、フロントガラス１６の内面（以下、投影面とする）に虚像として投影され、その投影された表示像（即ち、虚像）が車両の運転手に視認される。

また、駆動部は、拡大レンズ１２を保持し、ケース１３の側壁に軸支された枠体１８と、枠体１８を回動自在に駆動する駆動部材（図４参照）２１とからなる。
ここで、図３は、拡大レンズ１２を回動させることにより、アイレンジに入射した反射光をアイレンジから外すことができることを示した概略図である。

まず、反射鏡１１で反射した映像光が拡大レンズ１２に対し垂直に入射する時の拡大レンズ１２の位置を基準位置とする。
そして、図３に示すように、この基準位置に拡大レンズ１２が位置している時（図３に示す枠体１８が点線で示される位置１０３に存在する時）に、車両の外部からフロントガラス１６を透過する外光（ここでは太陽光）１００が、拡大レンズ１２に対し所定の角度の範囲内（ここでは、ほぼ垂直）で入射されると、その反射光１０１は、アイレンジ５０に到達するものとなる。

このような場合、図３に示すように拡大レンズ１２をθ１回動させることで、拡大レンズ１２の透過面に反射される反射光（以下、透過面反射光とする）は、図中の矢印（点線矢印）１０１から矢印（実線矢印）１０２へと変化する。なお、図３に示すθ１の矢印方向を正の駆動方向とし、反対方向を負の駆動方向とする。

つまり、ヘッドアップディスプレイ装置１は、駆動部材２１を介して拡大レンズ１２を回動させることにより、透過面反射光の向きを変化させる制御が可能なように構成されている。

次に、ヘッドアップディスプレイ装置１の制御系について説明する。図４は、ヘッドアップディスプレイ装置１に備えられた制御系および制御対象である駆動部材２１の関係を示すブロック図である。

まず、制御系は、拡大レンズ１２の姿勢を検知する拡大レンズ姿勢検知センサー２２と、枠体１８に配置され、車両の外部からフロントガラス１６を透過し、拡大レンズ１２に照射される太陽光等の外光を検知する日射センサー１７と、これらセンサーの検知結果に基づき駆動部材２１の制御を行う制御部２５とからなる。

拡大レンズ姿勢検知センサー２２は、拡大レンズ１２の駆動量を検知できるよう枠体１８の軸に固定され、少なくとも拡大レンズ１２が基準位置に位置しているか否かを識別可能な検知信号を出力する。

そして、日射センサー１７は、一定の角度範囲から入射される光の強度を検知するものであり、拡大レンズ１２の透過面を基準とした一定の角度範囲内で入射される外光を検知するように、枠体１８に固定されている。なお、日射センサー１７が固定される位置は、外光が拡大レンズ１２に照射されたことを検知できる位置かつ映像投射器１０からの映像光を妨げない位置である。

この日射センサー１７は、具体的には、光の強度によって出力の大きさが変化するフォトダイオードのようなセンサーに、外光の入射角度を限定するため（ある程度の角度範囲を持たせるため）のカバーを取り付けたものである。

なお、一定の角度範囲とは、拡大レンズ１２の傾きに応じて設定され、拡大レンズ１２の透過面に対し、この角度の範囲で外光が入射された場合、反射光がアイレンジ５０に入射される範囲である。

また、制御部２５は、少なくともＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びこれらを接続するバス
からなる周知のマイクロコンピュータを中心に構成されたものであり、制御部２５からの指令に基づき、駆動部材２１ひいては拡大レンズ１２を駆動させる
次に、制御部２５が行い、透過面反射光がアイレンジ５０に入射されないように駆動部材２１を制御する拡大レンズ駆動処理について、図５に示す流れ図を用いて説明する。

この拡大レンズ駆動処理は、ヘッドアップディスプレイ装置１が起動されると実行され、起動後は、一定の間隔ごとに処理が実行されるものである。
拡大レンズ駆動処理が実行されると、まず、Ｓ１１０では、日射センサー１７により検知された外光の強度に関する強度情報を取得する。

続く、Ｓ１２０では、Ｓ１１０において取得した強度情報が、予め設定されＲＯＭに記憶された光の強度（即ち、閾値）よりも大きいか否かを判定し、判定の結果、外光の強度が閾値よりも小さい場合には、本処理を終了し、外光の強度が閾値よりも大きい場合には、Ｓ１３０へと進む。

即ち、Ｓ１１０で取得した外光の強度が閾値よりも小さい場合には、外光の影響により表示像の視認性が低下すること（表示像にノイズが映りこむことや外光の強度が強すぎるため表示像が見えにくくなること等）はないと考えられるため、拡大レンズ１２を回動させることなく本処理を終了する。なお、出力を得ることができない場合も、外光の強度が閾値よりも小さい場合に含まれる。

続くＳ１３０では、拡大レンズ姿勢検知センサー２２により拡大レンズ１２の姿勢を検知させ、拡大レンズ１２の姿勢に関する検知結果を取得する。
そして、Ｓ１４０では、Ｓ１３０で取得した検知結果から拡大レンズ１２が基準位置に位置しているか否かを判定し、判定の結果、拡大レンズ１２が基準位置に位置している場合、Ｓ１５０へと進む。

このＳ１５０では、透過面反射光がアイレンジ５０に入射されないように駆動部材２１を駆動させる。
具体的には、駆動部材２１を駆動させ、拡大レンズ１２を予め設定された駆動量Δθのみ回動させる。このΔθは、図１２に示すような、拡大レンズ１２とフロントガラス１６の投影面との距離Ｌ１と、視認領域（即ち、アイレンジ）７０３の中心とフロントガラスの投影面との距離Ｌ２と、視認領域の高さＥｖと、から算出され、式（３）を満たすように設定されている。

ただし、駆動量Δθは、拡大レンズ１２を回動させても、フロントガラス１６に投影された拡大映像を運転者が視認できない等、表示像に対し悪影響がない範囲である。

また、Ｓ１４０での判定の結果、拡大レンズ１２が基準位置に位置しておらず、基準位置からΔθ駆動された位置に位置している場合、Ｓ１６０において、駆動部材２１を駆動させ、拡大レンズ１２を予め設定された駆動量−Δθのみ回動させる。即ち、拡大レンズ１２を基準位置へと戻す。

そして、Ｓ１５０およびＳ１６０での処理が終了した後、拡大レンズ駆動処理を終了する。
なお、本実施形態の日射センサーが外光検出手段および外光強度検出手段に相当し、拡大レンズ駆動処理のＳ１２０が駆動制限手段に相当し、拡大レンズ駆動処理のＳ１３０が姿勢情報取得手段に相当し、拡大レンズ駆動処理のＳ１４０、Ｓ１５０が補正手段に相当する。

以上説明したように、ヘッドアップディスプレイ装置１によれば、枠体１８に固定された日射センサー１７により、拡大レンズ１２の透過面に対して、一定の角度範囲で入射された外光を検出した場合に、透過面反射光がアイレンジ５０に入射されるものとして、透過面反射光がアイレンジ５０を外れるように拡大レンズ１２を回動させている。なお、拡大レンズ１２を回動させても、拡大映像は、ほとんど変化しない。

したがって、ヘッドアップディスプレイ装置１によれば、運転者に透過面反射光によるノイズ等を含まない視認性の良い拡大映像を視認させることができる。
また、ヘッドアップディスプレイ装置１によれば、拡大レンズ１２に照射された外光の強度が低い時（例えば、夜間や天候が悪い時）には、拡大レンズ１２を駆動させることがないため、車両外の状況に応じた制御が可能であり、車両の運転者に、歪みの少ない表示像を視認させることができる。
［第二実施形態］
次に、第二実施形態について説明する。

第二実施形態で説明するヘッドアップディスプレイ装置は、第一実施形態に示すヘッドアップディスプレイ装置とは、駆動部の一部および制御系が異なるのみである。このため、第一実施形態に示すヘッドアップディスプレイ装置と同様の構成については、同一の符号を付して、説明を省略し、第一実施形態とは構成の異なる部分を中心に説明する。

図６は、このヘッドアップディスプレイ装置に備えられた制御系及び制御対象の関係を示すブロック図である。
第一実施形態では、反射鏡１１は、ケース１３に固定されているが、本実施形態における反射鏡１１には、駆動部材２１に連動して拡大レンズ１２の半分の駆動量だけ反射鏡１１を駆動する反射鏡駆動部材２３が設けられている。

つまり、拡大レンズ１２の駆動状態に関わらず、反射鏡１１から拡大レンズ１２に入射される映像光の入射角度が一定（ここでは、透過面に対し垂直）となるように構成されている。

次に、制御系は、このヘッドアップディスプレイ装置が備えられた車両の姿勢（車両の前後左右の傾き）を検出する車両姿勢検知センサー２４と、外光が照射されていることを検知する外光センサー１９と、拡大レンズ姿勢検知センサー２２と、駆動部材２１の制御を行う制御部２５とからなる。

車両姿勢検知センサー２４は、このヘッドアップディスプレイ装置が備えられた車両に備えられ、車両が上り坂や下り坂などによって前後方向にどの程度傾いているのか、道路のうねりなどによって左右方向にどの程度傾いているのかを検出するものであり、車両の傾き（角度）が出力される。

なお、車両姿勢検知センサー２４は、ヘッドアップディスプレイ装置専用のものを用いてもよいし、他の車載装置や車両自体に備えられたものを用いても良い。
また、外光センサー１９は、フォトダイオードのように光が照射されると出力し、光の強度が大きいほど、出力が大きくなるものであり、車両に照射される太陽光を検知できる位置に配置されている。

また、制御部２５は、これらのセンサのほかに、車両の位置および進行方向を測定する周知のＧＰＳ衛星からの電波を受信する受信機と、時刻（日付を含む）に関する情報を得るための計時装置２７とが接続されている。

具体的には、制御部２５は、ＧＰＳにより車両の位置および車両の進行方向を特定することが可能な周知のナビゲーション装置２６から、車両の位置および車両の進行方向を取得する。

ここで、図７は、第二実施形態のヘッドアップディスプレイ装置において、拡大レンズ１２を駆動することで反射光をアイレンジから外すことができることを概略的に示した説明図である。

まず、図７（ａ）に示すように太陽３１からフロントガラス１６を透過し、拡大レンズ１２に対し垂直に入射された太陽光３２は、拡大レンズ１２の透過面によって反射された反射光（透過面反射光）４０がアイレンジ５０へと入射されている。

第一実施形態では、このような場合、図７（ｂ）に示すように、式（３）を満たすように設定された駆動量Δθだけ拡大レンズ１２を回動させることにより、透過面反射光を図中の矢印（点線矢印）４０から矢印（実線矢印）４１へと変化させることができ、透過面反射光がアイレンジ５０へと入射されないものとした。

ところが、図７（ｃ）に示すように、太陽３１と車両との位置関係は、時刻や車両姿勢により変化をし（図中、太陽３１から太陽３３へ、太陽３３から太陽３５へ）、それに伴い、拡大レンズ１２に対する太陽光の入射角及び透過面反射光の反射角も変化（太陽光は、３２から３４へ、３４から３６へ、透過面反射光は、４１から４２へ、４２から４３へ）する。このため、一度はアイレンジ５０に入射されないものとした透過面反射光が、時間が経過することや車両が坂を上ったり下ったりすることにより、透過面反射光４３のように再びアイレンジ５０に入射される場合がある。

この場合、図７（ｄ）に示すように、拡大レンズ１２を駆動量−Δθ駆動させること（基準位置に戻す）により、透過面反射光４３（図中の点線矢印）を変化させ、図中の矢印（実線矢印）４４へとすることが必要となる。

なお、図７（ｂ）中の矢印方向が正の回動方向であり、図７（ｄ）中の矢印方向が負の回動方向である。また、基準位置とは、拡大レンズ１２を駆動する前の初期位置であり、第一実施形態における基準位置と同意である。

次に、制御部２５が行い、透過面反射光がアイレンジに入射されないように駆動部材２１を制御する駆動処理について、図８に示す流れ図を用いて説明する。
この駆動処理は、ヘッドアップディスプレイ装置が起動されると実行され、起動後は、一定の間隔ごとに実行されるものである。

駆動処理が実行されると、まず、Ｓ２１０において外光センサー１９で検知された外光の強度に関する強度情報を取得する。
続く、Ｓ２２０では、Ｓ２１０において取得した強度情報が、予め設定されＲＯＭに記憶された光の強度（即ち、閾値）よりも大きいか否かを判定し、判定の結果、外光の強度が閾値よりも大きい場合には、Ｓ２３０へと進む。

即ち、天候が曇りの時など太陽光の強度が、一定の強度（即ち、閾値）よりも小さい時には、アイレンジ５０に透過面反射光が入射されても、運転者が視認する表示像は、大きく変わることがない。このため、外光の強度が閾値よりも大きいときのみ拡大レンズ１２を駆動する。

Ｓ２３０では、計時装置２７から時刻および日付に関する時刻情報を取得し、ナビゲーション装置２６から車両の位置（緯度と経度）に関する位置情報を取得する。
そして、取得した時刻情報に基づいて、予め設定された基準地点（例えば、日本標準時である明石市など）での太陽の位置を算出する。さらに、この算出した太陽の位置を、位置情報に基づいて車両の位置との相対的な位置関係（以下、便宜上、この相対的な位置関係を太陽の位置とする）へと変更し、Ｓ２４０へと進む。

続く、Ｓ２４０では、ナビゲーション装置２６から車両の進行方向に関する方向情報を取得し、拡大レンズ姿勢検知センサー２２により拡大レンズ１２の姿勢（傾き）を検知させ、拡大レンズ１２の姿勢に関する検知結果を取得する。

そして、取得した方向情報と検知結果とＳ２３０で変更された太陽の位置とから、拡大レンズ１２に対する太陽光の入射角を算出し、Ｓ２５０へと進む。
続く、Ｓ２５０では、車両姿勢検知センサー２４に検知された車両の姿勢（即ち、車の傾き角度）に関する姿勢情報を取得し、取得した姿勢情報に基づいて、Ｓ２４０で算出された拡大レンズ１２に対する太陽光の入射角を修正し、Ｓ２６０へと進む。

そして、Ｓ２６０では、Ｓ２５０で修正された太陽光の入射角とＳ２４０で取得した拡大レンズ１２の傾きとから透過面反射光の反射角を算出し、透過面反射光を推定する。つまり、透過面反射光は、車両に対する太陽光の入射角と車両の姿勢及び拡大レンズ１２の傾きとの相対的な関係から推定される。そして、その後、Ｓ２７０へと進む。

続く、Ｓ２７０では、Ｓ２６０で算出された透過面反射光の反射角が、予め設定された角度の範囲内であるか否かを判定する。ただし、予め設定された角度の範囲とは、拡大レンズ１２の傾きに応じて設定され、拡大レンズ１２に対し、この角度の範囲で外光が入射された場合、透過面反射光がアイレンジ５０に入射されるものである。

つまり、Ｓ２６０において推定された透過面反射光がアイレンジ５０に入射されるものであるか否かを判定する。そして、判定の結果、アイレンジ５０に入射される場合、Ｓ２８０へと進む。

続く、Ｓ２８０では、Ｓ２４０で取得した拡大レンズ１２の姿勢（傾き）が基準位置に位置しているか否かを判定し、拡大レンズ１２が基準位置に位置しない場合には、Ｓ３００へと進み、基準位置に位置する場合には、Ｓ２９０へと進む。

そして、Ｓ２９０では、駆動部材２１を駆動し、拡大レンズ１２を予め設定された駆動量Δθだけ回動させる。なお、拡大レンズ１２を回動させることにより、反射鏡１１は、反射鏡駆動部材２３を介して駆動量Δθ／２だけ連動される。そして、その後、本処理を終了する。

ただし、拡大レンズ１２を回動させる際の駆動量Δθは、第一実施形態の駆動量Δθと同様、式（３）を満たすように設定されたものであり、フロントガラス１６に投影された拡大映像を運転者が視認できない等、拡大映像に対する悪影響を与えない範囲である。

また、先の２２０における判定の結果、外光の強度が閾値よりも小さい場合、及び、先のＳ２７０における判定の結果、透過面反射光がアイレンジ５０に入射されないと判定された場合にも、このＳ３００で、駆動部材２１を駆動し、拡大レンズ１２を駆動量−Δθだけ回動させる。即ち、拡大レンズ１２が駆動量Δθ駆動された位置（以下、駆動位置とする）から拡大レンズ１２を基準位置へと戻す。なお、拡大レンズ１２を駆動することにより、反射鏡駆動部材２３を介して反射鏡１１も駆動量−Δθ／２だけ連動される。そして、その後、本処理を終了する。

ただし、Ｓ２２０およびＳ２７０での判定によりＳ３００へと進んだ場合、拡大レンズ１２が駆動位置に位置している時にのみ、拡大レンズ１２を回動させ基準位置へと戻す。つまり、Ｓ３００へ進んだ際、拡大レンズ１２が基準位置に位置している場合には、拡大レンズ１２が基準位置を保持した状態で本処理を終了する。

なお、Ｓ２７０での判定によりＳ３００へと進んだ時には、拡大レンズ１２を基準位置に戻すことにより、透過面反射光がアイレンジ５０に入射されることがある。この場合、Ｓ３００を飛ばして本処理を終了する。つまり、拡大レンズ１２が駆動位置に位置しているときには、透過面反射光がアイレンジ５０に入射されないが、拡大レンズ１２が基準位置に位置すると、透過面反射光がアイレンジ５０に入射される場合には、拡大レンズ１２を駆動位置に保持することができる。

なお、本実施形態の駆動処理におけるＳ２３０、Ｓ２４０が情報取得手段に相当し、駆動処理のＳ２３０が入射角推定手段、位置情報取得手段に相当し、駆動処理のＳ２４０が入射角補正手段に相当し、駆動処理のＳ２５０が姿勢情報取得手段、補正手段に相当し、駆動処理のＳ２２０が駆動制限手段に相当する。

以上説明したように、このように構成されたヘッドディスプレイ装置によれば、太陽の位置と拡大レンズの傾きとに基づき、透過面反射光がアイレンジ５０に入射されるか否かを推定する。このため、時間の経過と共に、太陽の位置（または車両の位置）が変化する場合であっても、その状況に応じて、透過面反射光がアイレンジ５０から確実に外れるように拡大レンズ１２を回動させることができる。

この結果、このヘッドアップディスプレイ装置によれば、運転者に透過面反射光によるノイズ等を含まない視認性の良い拡大映像を視認させることができる。
また、このように構成されたヘッドアップディスプレイ装置によれば、車両の姿勢に関する姿勢情報に基づき、透過面反射光がアイレンジ５０に入射されるか否かを修正することができる。このため、走行中の路面等に応じて拡大レンズを駆動することができ、透過面反射光をアイレンジから確実に外すことができる。

さらに、このように構成されたヘッドアップディスプレイ装置によれば、拡大レンズ１２の駆動に応じて、映像が拡大レンズ１２に垂直に入射されるように反射鏡１１が連動するため、歪みの少ない表示像をフロントガラス１６に投影することができる。この結果、運転者は、より視認性の良い表示像を視認することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、第一実施形態の拡大レンズ駆動処理において拡大レンズ１２を駆動する際、予め設定された駆動量Δθだけ回動させたが、日射センサー１７が外光を検出している間は、フロントガラス１６に投影された拡大映像を運転者が視認できない等、拡大映像に対する影響のない範囲で、拡大レンズ１２を駆動するようにしてもよい。

また、第一実施形態における日射センサー１７は、一定の角度範囲内で外光が入射されたときに出力が得られるもの（ある程度の指向性を有したもの）であったが、外光が入射された時に、外光の強度と共に入射方向（即ち、入射角度）を出力するものでもよい。

また、第二実施形態において、外光の強度を検知するものは、外光センサー１９でなくとも良く、車両外の天候を検知できるセンサーでも良い。即ち、一定の強度以上の外光を照射する光源の存在（即ち、太陽や月等が出ているのか否か）を検出できるものであればどのようなものでも良い。

さらに、第二実施形態における外光センサー１９は、あらゆる方向からの外光が入射された時に出力が得られるものではなく、予め設定された角度の範囲内で外光が入射された時に、出力するものでも良い。

また、第二実施形態の駆動処理では、方向情報をナビゲーション装置から取得したが、他の方法または装置から方向情報を得ても良い。つまり、車両の進行方向に関する方向情報が得られれば、どのような方法を用いても良い。

また、第二実施形態のヘッドアップディスプレイ装置における反射鏡駆動部材２３は、枠体１８に固定され駆動部材２１が駆動されることにより、機械的に反射鏡１１を駆動したが、制御部２５からの指令に基づき駆動されるものでも良い。

なお、本実施形態に示したヘッドアップディスプレイ装置は、自動車に限定して搭載されるものではない。例えば、飛行機等に搭載されても良い。
なお、第一実施形態及び第二実施形態における拡大レンズ１２の回動方向は、正と負が逆でも良い。また、回動量の正と負が逆でも良い。

また、第一実施形態及び第二実施形態における拡大レンズ１２の駆動量Δθは、アイレンジ５０に入射される透過面反射光を、一回の駆動でアイレンジ５０から外すことができるものであったが、何回か駆動させることで透過面反射光をアイレンジ５０から外すことができるようにしてもよい。つまり、拡大レンズ１２を段階的に駆動させることで、透過面反射光をアイレンジ５０から外れるようにしてもよい。

なお、この場合の拡大レンズ１２の駆動量は、一定量でなくともよい。

ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成を示す断面図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の斜視図である。 第一実施形態において拡大レンズを駆動することにより反射光がアイレンジに入射しないようにすることができることを示した説明図である。 第一実施形態の制御系および制御対象を示すブロック図である。 第一実施形態において制御系が行う拡大レンズ駆動処理の流れ図である。 第二実施形態の制御系および制御対象を示すブロック図である。 第二実施形態において拡大レンズを駆動することにより反射光がアイレンジに入射しないようにすることができることを示した説明図である。 第二実施形態において制御系が行う駆動処理の流れ図である。 凸レンズによって虚像が投影されることを示した説明図である。 光学部材で外光が反射し、拡大映像の視認性が低下することを示した説明図である。 反射光がノイズとして映りこんだ表示画像である。 本発明の原理を説明するための説明図である。 凸レンズの傾き角度を変化させても表示像が投影されることを示す説明図である。

符号の説明

１・・・ヘッドアップディスプレイ装置 １０・・・映像投射器 １１・・・反射鏡 １２・・・拡大レンズ １３・・・ケース １４・・・カバー １６・・・フロントガラス １７・・・日射センサー １８・・・枠体 １９・・・外光センサー ２０・・・駆動部 ２１・・・駆動部材 ２２・・・拡大レンズ姿勢検知センサー ２３・・・反射鏡駆動部材 ２４・・・車両姿勢検知センサー ２５・・・制御部 ２６・・・ナビゲーション装置 ２７・・計時装置 ３１、３３、３５・・・太陽 ３２、３４、３６・・・太陽光 ４０、４１、４３、４４…反射光 ５０…アイレンジ

Claims (14)

1. 移動体内に配置され、映像を表示させる表示手段と、
   前記表示手段から照射された前記映像を拡大かつ透過する光学部材と、
   を備え、
   光を透過かつ反射する反射手段に、前記光学部材で拡大された拡大映像を投影させることにより、前記移動体の乗員に前記拡大映像を虚像として視認させるヘッドアップディスプレイ装置において、
   前記拡大映像が投影される前記反射手段の投影面と前記反射手段の投影面に相対する前記光学部材の透過面とのなす角が変動するように、前記光学部材を回動自在に駆動する駆動手段と、
   前記移動体の外部から前記反射手段を透過し前記光学部材へと到達する外光が前記光学部材の透過面にて反射された反射光を表す透過面反射光であって、前記反射手段で反射された後、当該ヘッドアップディスプレイを備えた移動体の乗員に視認される視認領域内を指向する前記透過面反射光を検出する外光検出手段と、
   前記外光検出手段にて視認領域内を指向する前記透過面反射光を検出すると、当該透過面反射光が前記視認領域外を指向するように前記駆動手段を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記制御手段は、
   前記光学部材と前記反射手段との距離をＬ１、前記視認領域の中心と前記反射手段との距離をＬ２、前記視認領域の高さをＥｖとし、
   前記光学部材が、
   Δθ＝｛ｔａｎ ^-1 ［Ｅｖ／２（Ｌ１＋Ｌ２）］｝／２によって表される駆動量Δθ回動するように前記駆動手段を制御する
   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. 前記外光検出手段は、
   予め設定された角度範囲内で前記光学部材に到達する外光の強度を検知する外光強度検知手段を備え、前記外光強度検知手段で検知された外光の強度が、予め設定された閾値よりも大きい場合に、前記視認領域内を指向する前記透過面反射光を検出したものとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記外光検出手段は、
   前記光学部材に対する前記外光の入射角度を検知する外光入射角検知手段を備え、前記外光入射角検知手段で検出された前記入射角度が予め設定された角度範囲内である場合、前記視認領域内を指向する前記透過面反射光を検出したものとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記外光入射角検知手段は、
   時刻を表す時刻情報及び当該ヘッドアップディスプレイ装置を備えた移動体の進行方向を表す方向情報を取得する情報取得手段と、
   前記情報取得手段が取得した、前記方向情報、及び前記時刻情報から推定される外光の光源の位置、から前記外光の入射角度を推定する入射角推定手段と、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記外光入射角検知手段は、
   当該ヘッドアップディスプレイ装置を備えた移動体の位置を表す位置情報を取得する位置情報取得手段と、
   前記位置情報取得手段が取得した前記位置情報に基づき、前記入射角推定手段が推定した前記外光の入射角度を補正する第一入射角補正手段と、
   を備えることを特徴とする請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
7. 前記位置情報取得手段は、ＧＰＳ衛星から前記位置情報を取得することを特徴とする請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
8. 前記外光入射角検知手段は、
   当該ヘッドアップディスプレイ装置を備えた移動体の姿勢を表す姿勢情報を取得する姿
   勢情報取得手段と、
   前記姿勢情報取得手段が取得した前記姿勢情報に基づき、前記入射角推定手段が推定した前記外光の入射角度を補正する第二入射角補正手段と、
   を備えることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
9. 前記外光の光源を検出する光源検出手段を備え、
   前記制御手段は、
   前記光源検出手段で光源が検出されない場合、前記駆動手段の駆動を禁止する駆動制限手段を備えることを特徴とする請求項４から請求項８のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
10. 前記表示手段と前記光学部材との間の光路上に配置され、前記光路を屈曲させる反射部材を備えることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
11. 前記反射部材は、前記反射手段とは相補的な反射特性を有することを特徴とする請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
12. 前記光学部材に連動し、前記光学部材に対し一定の角度で前記映像を入射するように前記光学部材の半分の駆動量だけ前記反射部材を駆動する反射部材駆動手段を備えることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
13. 前記光学部材は、凸レンズ或いはフレネルレンズからなることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
14. 前記視認領域とは、ＪＩＳ規格ＪＩＳＤ００２１で規定される領域であることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。