JP4816605B2 - 車両用ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用ヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。

従来、２つの表示器からの各表示像を、フロントウィンドシールドの前方に表示するようにした車両用ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ）が開示されている（特許文献１、２を参照）。

このＨＵＤは、インストルメントパネル内に配置されたホログラム板と、ホログラム板の後方側に配置され、第１表示像を表示する第１表示器と、ホログラム板の下方側に配置され、第２表示像を表示する第２表示器とを備える。ホログラム板は、第１表示像の表示光を車両のフロントウィンドシールドに向けて反射し、且つ、第２表示像の表示光をフロントウィンドシールドに向けて透過させ、ホログラム板からの第１表示像の表示光と第２表示像の表示光を、それぞれ、第１表示像の虚像と第２表示像の虚像としてフロントウィンドシールドの前方に表示する。

これにより、ホログラム板の光透過性と光反射性の両方を利用して、即ち、光透過性と光反射性とを有する半透光性部材としてホログラム板を利用することにより、２つの表示器からの各表示像を、１個のホログラム板を介してフロントウィンドシールドの前方に表示することができる。
特開平１１−９１４０４号公報

しかし、上述の従来のＨＵＤでは、第１表示像の表示光の一部がホログラム板の裏面まで透過して裏面で反射するため、この裏面からの反射光がノイズ像として表示されるという問題が生じる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、２つの表示器からの各表示像を、半透光性部材を介してフロントウィンドシールドの前方に表示するようにした車両用ヘッドアップディスプレイ装置において、半透光性部材の裏面で表示像の表示光が反射してノイズ像が表示されることを抑制することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するため、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ装置は、インストルメントパネル内に配置され、第１波長領域の光を反射し、第１波長領域を除いた第２波長領域の光を透過させる半透光性部材と、半透光性部材の後方側に配置され、第１波長領域内の光で第１表示像を表示する第１表示器と、半透光性部材の下方側に配置され、第２波長領域の少なくとも一部を包含する光で第２表示像を表示する第２表示器とを備え、第１表示像の表示光を車両のフロントウィンドシールドに向けて反射し且つ第２表示像の表示光をフロントウィンドシールドに向けて透過させる半透光性部材からの第１表示像の表示光と第２表示像の表示光とは、それぞれ、第１表示像の虚像と第２表示像の虚像としてフロントウィンドシールドの前方に表示される車両用ヘッドアップディスプレイ装置において、半透光性部材は、光透過性を有する光透過性部材と、光透過性部材上に形成され、第１波長領域の光を反射し、第２波長領域の光を透過させる誘電体多層膜とを備え、誘電体多層膜は、光透過性部材の前記第１表示器側且つ前記第２表示器とは反対側において、誘電体層を周期長ｄ１で層状に重ねて形成され、第１波長領域は、波長λ１を中心とする波長領域であり、第１表示器および第２表示器の各々から誘電体多層膜への表示光の入射角θ１は、自然数ｎを用いた干渉条件２×ｄ１×ｓｉｎθ１＝ｎ×λ１を満足することを特徴とする。

この構成では、半透光性部材が第１波長領域の光を反射し、第１表示器が第１波長領域内の光で第１表示像を表示するため、第１表示像の表示光は、半透光性部材で反射して、半透光性部材の裏面まで到達することが抑えられる。これにより、半透光性部材の裏面で第１表示像の表示光が反射することを抑制できるため、裏面で反射することによってノイズ像が表示されることを抑制できる。

また、この構成では、半透光性部材からの第１表示像の表示光と第２表示像の表示光を、それぞれ、第１表示像の虚像と第２表示像の虚像としてフロントウィンドシールドの前方に表示する。したがって、２つの表示器からの各表示像を、半透光性部材を介してフロントウィンドシールドの前方に表示するようにした車両用ヘッドアップディスプレイ装置において、半透光性部材の裏面で表示像の表示光が反射してノイズ像が表示されることを抑制できる。

さらに、上述したように半透光性部材が、光透過性を有する光透過性部材と、光透過性部材上に形成され、第１波長領域の光を反射し、第２波長領域の光を透過させる誘電体多層膜とを備える車両用ヘッドアップディスプレイ装置では、誘電体多層膜の各膜厚や積層数を任意に設定することによって、第１波長領域を任意に設定することができるため、フロントウィンドシールドの前方に表示される第１表示像の虚像と第２表示像の虚像の各表示色を、任意に設定することができる。

以下、本発明による車両用ヘッドアップディスプレイ装置について図面に基づいて説明する。

車両用ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ）１は、図１に示すように、第１表示器である第１液晶表示器２と、第２表示器である第２液晶表示器３と、半透光性部材であるハーフミラー４と、防塵カバー５と、フロントウィンドシールド９の内面（車室内側の面、図中の右側の面）に形成されたハーフミラー層７とを備える。防塵カバー５は、透光性を有するものであり、インストルメントパネル８の開口に設けられる。

ハーフミラー４は、インストルメントパネル８内に配置され、第１液晶表示器２は、ハーフミラー４の後方側（図中の右側）に配置され、第２液晶表示器３は、ハーフミラー４の下方側（図中の下側）に配置される。

第１液晶表示器２は、例えば走行速度を表す第１表示像２１を表示し、ハーフミラー４は、光路Ｐ１にしたがって、第１表示像２１の表示光をフロントウィンドシールド９に向けて、具体的には、ハーフミラー層７に向けて反射する。ハーフミラー４からの反射光は、防塵カバー５を通してハーフミラー層７に到達する。

第２液晶表示器３は、例えば、当該自動車に備わる機器の作動状態を報知するインジケータや当該自動車の異常を警告するウォーニングを表すマークとして第２表示像３１を表示する。ハーフミラー４は、光路Ｐ２にしたがって、第２表示像３１の表示光をフロントウィンドシールド９に向けて、具体的には、ハーフミラー層７に向けて透過させる。ハーフミラー４からの透過光は、防塵カバー５を通してハーフミラー層７に到達する。

ハーフミラー層７は、光路Ｐ１、Ｐ２にしたがって、ハーフミラー４からの反射光と透過光を視認者Ｍへ向けて反射し、これにより、ハーフミラー４からの第１表示像２１の表示光と第２表示像３１の表示光を、それぞれ、第１表示像２１の虚像２３と第２表示像３１の虚像３２としてフロントウィンドシールド９の前方に表示する。すなわち、第１表示像２１と第２表示像３１を、それぞれ、視認者Ｍに虚像２３、３２として視認させる。

液晶表示器２、３とハーフミラー４と防塵カバー５は、ケーシング６内に配置され、防塵カバー５は、ケーシング６の上面（インストルメントパネル８）の開口に設けられる。防塵カバー５は、透光性を有するものであり、ハーフミラー４からの反射光と透過光をハーフミラー層７へ透過させる機能と、ホコリがケーシング６内に入らないようにする機能とを有する。

ハーフミラー４は、第１波長領域の光を反射し、第１波長領域を除いた第２波長領域の光を透過させる機能を有し、図２に示すように、光透過性部材である透光性基板４１と、透光性基板４１上に形成された誘電体多層膜４２とを備える。透光性基板４１は、無色透明なガラス板またはアクリル樹脂板等から凹状に形成され、これにより、ハーフミラー４は、凹面鏡状に形成されて、凹面鏡の機能を有する。

誘電体多層膜４２は、互いに屈折率の異なる誘電体層を交互に層状に積層して形成され、これらの境界面で反射光の干渉を利用したものである。誘電体多層膜４２は、例えば、図３に示すように、高屈折率の酸化チタン層４２１と低屈折率の酸化ケイ素層４２２とを、周期長ｄで交互に層状に重ねたものであり、干渉条件（ブラッグ条件、２×ｄ×ｓｉｎθ＝ｎ×λ）を満足する入射角θで入射した波長λの光を、強めることができる。なお、干渉条件において「ｎ」は、自然数である。したがって、誘電体多層膜４２は、干渉条件を満足する第１波長領域の光を反射し、第１波長領域を除いた第２波長領域の光を透過させる機能を有する。

誘電体多層膜４２の反射率Ｒと透過率Ｔは、図４に示すように、緑色の波長λ１で反射率Ｒが高くなるように、図２において第１表示像２１の表示光の入射角θ１と、図３において周期長ｄ１とを設定する。すなわち、干渉条件（２×ｄ１×ｓｉｎθ１＝ｎ×λ１）を満足するように、波長λ１と周期長ｄ１と入射角θ１を設定する。これにより、反射率Ｒは、緑色の波長λ１で高くなり、それ以外の波長領域で低くなる。

反射率Ｒと透過率Ｔは、互いに反対の関係になるため、透過率Ｔは、緑色の波長λ１でほぼ零となり、それ以外の波長領域で高くなる。したがって、入射角θ１で誘電体多層膜４２に入射した緑色の波長λ１の光は、誘電体多層膜４２で反射するため、誘電体多層膜４２を透過して透光性基板４１の裏面４１１までほとんど到達できない。すなわち、入射角θ１で誘電体多層膜４２に入射した緑色の波長λ１の光が透光性基板４１の裏面４１１で反射することは、ほとんど生じない。

一方、入射角θ１以外の入射角で誘電体多層膜４２に入射した波長λ１の光や、波長λ１以外の光であって上記干渉条件を満足しない光は、誘電体多層膜４２を透過できるため、ハーフミラー４を透過できる。なお、周期長ｄを、周期長ｄ１を中心として深さ方向（図３において上下方向）において所定の範囲で変化させるようにすれば、反射率Ｒの半値幅を広げることができる。

図４において、波長λ１を中心とする反射率Ｒの半値幅の波長領域が第１波長領域に対応し、反射率Ｒの半値幅の波長領域を除いた透過率Ｔの波長領域が第２波長領域を対応するため、誘電体多層膜４２は、第１波長領域の光を反射し、第１波長領域を除いた第２波長領域の光を透過させる機能を有する。

第１液晶表示器２は、第１波長領域内の光で第１表示像２１を表示するように構成され、第２液晶表示器３は、第２波長領域の少なくとも一部を包含する光で第２表示像３１を表示するように構成される。具体的に、図４において、第１液晶表示器２は、緑色の波長λ１を中心とする波長分布Ｒ１の光で第１表示像２１を表示するように構成され、第２液晶表示器３は、赤色の波長λ２を中心とする波長分布Ｔ１の光で第２表示像３１を表示するように構成される。

上記構成において本発明による本実施形態の作動を説明する。

図２において、波長分布Ｒ１で表示された第１表示像２１の表示光は、光路Ｐ１にしたがって、入射角θ１でハーフミラー４に入射し、波長λ１を中心とする反射率Ｒの誘電体多層膜４２で反射する。第１表示像２１の表示光は、干渉条件（２×ｄ１×ｓｉｎθ１＝ｎ×λ１）をほぼ満足するため、第１表示像２１の表示光の大部分が誘電体多層膜４２で反射して、透光性基板４１の裏面４１１までほとんど到達できない。すなわち、第１表示像２１の表示光が透光性基板４１の裏面４１１で反射することは、ほとんど生じない。光路Ｐ１にしたがって、第１表示像２１の表示光が誘電体多層膜４２で反射することによって、誘電体多層膜４２を対称面とする第１表示像２１と面対称な位置に虚像２２が生じる。

上述したように、ハーフミラー４は、凹面鏡状に形成されているため、虚像２２は、第１表示像２１より拡大される。

図１において、ハーフミラー４からの反射光がハーフミラー層７で反射することによって、ハーフミラー層７を対称面とする虚像２２と面対称な位置に虚像２３が生じる。これにより、ハーフミラー４からの第１表示像２１の表示光が、第１表示像２１の虚像２３としてフロントウィンドシールド９の前方に拡大されて表示される。すなわち、第１表示像２１が、図５において、虚像２３として拡大されて視認者Ｍに緑色で視認される。

これに対して、図６において、光透過性と光反射性を有するように膜厚を調整したアルミニウム薄膜４２Ａを、透光性基板４１上に形成したハーフミラー４Ａでは、第１表示像２１の表示光の一部は、光路Ｐ４にしたがって、アルミニウム薄膜４２Ａを透過して透光性基板４１の裏面４１１まで到達する。この透過光が、透光性基板４１の裏面４１１で反射することによって、裏面４１１を対称面とする第１表示像２１と面対称な位置にノイズ虚像２２Ａが生じる。

ハーフミラー４Ａでも、第１表示像２１の表示光の一部は、光路Ｐ１にしたがって、アルミニウム薄膜４２Ａで反射し、これによって、アルミニウム薄膜４２Ａを対称面とする第１表示像２１と面対称な位置に虚像２２が生じる。虚像２２とノイズ虚像２２Ａは、ハーフミラー４Ａの板厚分ずれた位置に生じるため、ノイズ虚像２２Ａは、虚像２２に対するノイズの虚像となる。

図１において、ハーフミラー４からのこれらの反射光がハーフミラー層７で反射することによって、第１表示像２１が、図７に示すように、視認者Ｍに虚像２３とノイズ虚像２３Ａとして視認される。ノイズ虚像２３Ａが虚像２３に対するノイズの虚像として視認されるため、虚像２３の視認性が低下する。

これに対して、本発明による本実施形態では、第１表示像２１の表示光がハーフミラー４の裏面４１１まで透過することが抑えられ、裏面４１１で第１表示像２１の表示光が反射することを抑制できる。このため、ノイズ虚像２３Ａが視認されることを抑制でき、虚像２３の視認性が低下することを抑制できる。

一方、波長分布Ｔ１で表示された第２表示像３１の表示光は、図２において、光路Ｐ２にしたがって、入射角θ１でハーフミラー４に入射し、透過率Ｔの誘電体多層膜４２で透過する。第２表示像３１の表示光は、干渉条件（２×ｄ１×ｓｉｎθ１＝ｎ×λ１）を満足しないため、誘電体多層膜４２で反射することなく、誘電体多層膜４２を透過し、このため、ハーフミラー４を透過できる。

図１において、ハーフミラー４からの透過光がハーフミラー層７で反射することによって、ハーフミラー層７を対称面とする第２表示像３１と面対称な位置に虚像３２が生じる。これにより、ハーフミラー４からの第２表示像３１の表示光が、第２表示像３１の虚像３２としてフロントウィンドシールド９の前方に表示される。すなわち、第２表示像３１が、図５において、視認者Ｍに虚像３２として赤色で視認される。

したがって、２つの液晶表示器２，３からの各表示像２１，３１を、ハーフミラー４を介してフロントウィンドシールド９の前方に表示するようにしたＨＵＤ１において、ハーフミラー４の裏面４１１で表示像２１の表示光が反射することを抑制できる。このため、虚像２３に対するノイズ虚像２３Ａ（図６）が視認されることを抑制でき、虚像２３の視認性が低下することを抑制できる。

なお、第２表示像３１の表示光は、ハーフミラー４を透過するため、虚像３２はハーフミラー４によって拡大されない。

また、酸化チタン層４２１と酸化ケイ素層４２２の各膜厚、すなわち、周期長ｄや積層数を任意に設定することによって、第１波長領域、すなわち、図４に示す波長λ１を中心とする反射率Ｒの半値幅の波長領域を任意に設定することができる。このため、フロントウィンドシールド９の前方に表示される第１表示像２１の虚像２３と第２表示像３１の虚像３２の各表示色を、任意に設定することができる。

以上、本発明の第１実施形態による車両用ヘッドアップディスプレイ装置１は、インストルメントパネル８内に配置され、第１波長領域の光を反射し、第１波長領域を除いた第２波長領域の光を透過させる半透光性部材であるハーフミラー４と、ハーフミラー４の後方側に配置され、第１波長領域内の光で第１表示像２１を表示する第１表示器である第１液晶表示器２と、ハーフミラー４の下方側に配置され、第２波長領域の少なくとも一部を包含する光で第２表示像３１を表示する第２表示器である第２液晶表示器３とを備え、ハーフミラー４が、第１表示像２１の表示光を車両のフロントウィンドシールド９に向けて反射し、且つ、第２表示像３１の表示光をフロントウィンドシールド９に向けて透過させ、ハーフミラー４からの第１表示像２１の表示光と第２表示像３１の表示光を、それぞれ、第１表示像２１の虚像２３と第２表示像３１の虚像３２としてフロントウィンドシールド９の前方に表示する。

これにより、２つの表示器からの各表示像を、半透光性部材を介してフロントウィンドシールドの前方に表示するようにした車両用ヘッドアップディスプレイ装置において、半透光性部材の裏面で表示像の表示光が反射してノイズ像が表示されることを抑制できる。

（変形例）
上述の例では、図４において、第２液晶表示器３は、波長分布Ｔ１の光で第２表示像３１を表示するように構成されたが、これに限らない。例えば、波長分布Ｔ１の光と、波長分布Ｒ１の光の両方で第２表示像３１を表示するように、第２液晶表示器３を構成することも可能である。

図２において、第２表示像３１において波長分布Ｒ１の光が干渉条件（２×ｄ１×ｓｉｎθ１＝ｎ×λ１）をほぼ満足するため、波長分布Ｒ１の光の大部分が誘電体多層膜４２で反射して透光性基板４１の裏面４１１まで到達する。このため、波長分布Ｒ１の光は、裏面４１１で反射して誘電体多層膜４２まで到達し、その大部分が誘電体多層膜４２でさらに反射する。したがって、波長分布Ｒ１の光を第２表示像３１が有していても、波長分布Ｒ１の光が誘電体多層膜４２と裏面４１１で反射し、さらに、誘電体多層膜４２を透過することによって、虚像３２に対するノイズ虚像を表示させることはほとんど生じない。

尚、凹面鏡状に形成されたハーフミラー４を、平面鏡とすることができる。この場合、虚像２３は、ハーフミラー４によって拡大されない。

上述の例では、誘電体多層膜４２を、高屈折率の酸化チタン層４２１と低屈折率の酸化ケイ素層４２２とを交互に積層して形成したが、これに限らない。例えば、誘電体多層膜を、高屈折率の酸化亜鉛層と低屈折率の酸化ケイ素層とを交互に積層して形成することも可能であり、他の互いに屈折率の異なる誘電体層を交互に層状に積層して形成することも可能である。

また、液晶表示器２、３に限定する必要はなく、他の表示器とすることができる。

上述の例では、第１液晶表示器２は、走行速度を表す第１表示像２１を表示し、第２液晶表示器３は、インジケータやウォーニングを表すマークとして第２表示像３１を表示したが、これに限らない。液晶表示器２、３は、例えば、エンジンの回転数や走行距離等の他の情報を表す表示像を表示するように構成することができる。

尚、上述した例に限らないで、これらの組み合わせや、他の種々の変形例が考えられる。

図１は、本発明の第１実施形態による車両用ヘッドアップディスプレイ装置１の全体構成を示す模式図である。 図２は、図１中のＩＩ部の拡大図である。 図３は、図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面拡大図である。 図４は、図２中の誘電体多層膜４２の光特性Ｒ，Ｔと、図２中の表示像２１，３１の波長分布Ｒ１，Ｔ１とを示すグラフである。 図５は、図１中のフロントウィンドシールド９の前方に表示される虚像２３，３２を示す正面図である。 図６は、図２の比較例を示す拡大図である。 図７は、図５に示す比較例によって、図１中のフロントウィンドシールド９の前方に表示される虚像２３、２３Ａ，３２を示す正面図である。

符号の説明

１ 車両用ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ）、２ 第１液晶表示器（第１表示器）
２１ 第１表示像、２２，２３ 虚像、２２Ａ，２３Ａ ノイズ虚像
３ 第２液晶表示器（第２表示器）、３１ 第２表示像、３２ 虚像
４ ハーフミラー（半透光性部材）、４１ 透光性基板（光透過性部材）、４１１ 裏面
４２ 誘電体多層膜、４２１ 酸化チタン層、４２２ 酸化ケイ素層、５ 防塵カバー
６ ケーシング、７ ハーフミラー層、８ インストルメントパネル
９ フロントウィンドシールド

Claims (1)

1. インストルメントパネル内に配置され、第１波長領域の光を反射し、前記第１波長領域を除いた第２波長領域の光を透過させる半透光性部材と、
   前記半透光性部材の後方側に配置され、前記第１波長領域内の光で第１表示像を表示する第１表示器と、
   前記半透光性部材の下方側に配置され、前記第２波長領域の少なくとも一部を包含する光で第２表示像を表示する第２表示器とを備え、
   前記第１表示像の表示光を車両のフロントウィンドシールドに向けて反射し且つ前記第２表示像の表示光を前記フロントウィンドシールドに向けて透過させる前記半透光性部材からの前記第１表示像の表示光と前記第２表示像の表示光とは、それぞれ、前記第１表示像の虚像と前記第２表示像の虚像として前記フロントウィンドシールドの前方に表示される車両用ヘッドアップディスプレイ装置において、
   前記半透光性部材は、光透過性を有する光透過性部材と、前記光透過性部材上に形成され、前記第１波長領域の光を反射し、前記第２波長領域の光を透過させる誘電体多層膜とを備え、
   前記誘電体多層膜は、前記光透過性部材の前記第１表示器側且つ前記第２表示器とは反対側において、誘電体層を周期長ｄ１で層状に重ねて形成され、
   前記第１波長領域は、波長λ１を中心とする波長領域であり、
   前記第１表示器および前記第２表示器の各々から前記誘電体多層膜への表示光の入射角θ１は、自然数ｎを用いた干渉条件２×ｄ１×ｓｉｎθ１＝ｎ×λ１を満足することを特徴とする車両用ヘッドアップディスプレイ装置。

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