JP4914799B2 - ウインドシールド及びヘッドアップディスプレイユニット - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載された表示源に表示された画像の表示光が投射される投射エリアを有するウインドシールド及びヘッドアップディスプレイユニットに関するものである。

近年、運転者が運転に際して求める情報の増加や多角化に伴って、より視認性が求められる情報を、ウインドシールド（フロントガラス）上に虚像表示させ、それを透して視認させる車両の前景と重畳視認させる、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置と呼ばれる投射型表示ユニットが採用されている。

このような投射型補助表示ユニットにおいては、表示源の表示像を投射するウインドシールドが非平面であり、しかも、ウインドシールドの場所によって曲率や水平面（又は鉛直面）に対する傾斜角度が異なることからウインドシールド上の虚像表示が歪み、その視認性に悪影響を及ぼすことが、従来から問題視されている。

そこで、本出願人は、特許文献１に示す車両用表示装置を提案している。この車両用表示装置は、単一の曲率半径によって形成される曲面のみを有して構成するレンズから、投射エリアの非平面性に起因する歪みの相殺が可能な所定領域を補正部材として抽出し、ウインドシールドの投射エリア上に投射させる画像の表示光をその補正部材に透過させることで、安価な補正部材によって虚像の補正を的確に行うようにしてきた。

また、特許文献２では、車両のウインドシールドの所定領域を、所定方向の任意箇所において断面形状が略一定となるように形成することで、上下方向（又は左右方向）の任意箇所において、横断面（又は縦断面）を略一定として、虚像表示の歪みを小さくできるようにしている。
特開２００２−２０２４７５号公報 特開２００６−１１９３８４号公報

引用文献２のようにヘッドアップディスプレイ用ウインドシールドを用いることで、ＨＵＤ装置に用いられる上述した特許文献１に示す補正部材やフレネルレンズ等の各種レンズの形状を単純化、又は、使用数を減らすことが可能になると考えられていた。しかしながら、引用文献２のようにウインドシールドに方形状の所定領域を形成しようとすると、その周囲に盛り上がり、へこみ等が生じてしまい、それが透視歪みや二重像の原因になるため、ＪＩＳ（Japan Industrial Standard）Ｒ３２１２に規定された自動車用安全ガラス試験等に合格するのは困難であり、法規的にも実現するのが困難であることが分かった。

よって本発明は、上述した問題点に鑑み、ウインドシールド全体に必要以上の変形を生じることなく投射エリアを形成することができるウインドシールド及びヘッドアップディスプレイユニットを提供することを課題としている。

上記課題を解決するため本発明によりなされた請求項１記載のウインドシールドは、ウィンドシールド本体と、前記ウィンドシールド本体の長手方向の一部に設けられ且つ当該ウィンドシールド本体の曲率と異なる曲率の曲面に形成された所定領域と、を備えたウインドシールドにおいて、前記所定領域の平面形状が丸形に形成され、且つ、この所定領域が、車両に搭載された表示源に表示された画像の表示光が投射され且つ該投射された画像を所望の形状で表示する自由曲面に形成された投射エリアと、前記投射エリアを前記ウィンドシールド本体の表面よりも外側に位置付けるように当該投射エリアの周りに設けられ且つ当該投射エリアと前記ウィンドシールド本体との双方に連なる曲面に形成された連結エリアと、を備えることを特徴とする。

上記請求項１に記載した本発明のウインドシールドによれば、表示源から投射した画像を所望の形状で表示する自由曲面で形成した投射エリアを、連結エリアによってウインドシールド本体の表面よりも外側に位置付けた所定領域を平面形状丸形に形成したことから、ウインドシールドの曲率と異なる自由曲面を有する所定領域をウインドシールドにはめ込んで形成しても、当該投射エリアとウインドシールド本体との境目で曲率が急激に変化することを防止でき、且つ、投射エリアの周縁が本体にめり込むことを防止できる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載のウインドシールドにおいて、前記投射エリアが、前記自由曲面としての縦横の曲率が異なるトロイダル面に形成されていることを特徴とする。

上記請求項２に記載した本発明のウインドシールドによれば、所定領域の形状をトロイダル面として形成するようにしたことから、その周囲のウインドシールド本体の曲率と容易に近似させることができる。

上記課題を解決するため本発明によりなされた請求項３記載のヘッドアップディスプレイユニットは、ウインドシールドと、表示源に表示された画像を車両の前記ウインドシールドの投射エリア上に投射させる表示源と、を備えたヘッドアップディスプレイユニットにおいて、前記ウインドシールドとして請求項１又は請求項２に記載のウインドシールドを備えたことを特徴とする。

上記請求項３に記載した本発明のヘッドアップディスプレイユニットによれば、ウインドシールドの所定領域内に設けられた投射エリアに表示源からの画像の表示光が投射されるため、補正部材やフレネルレンズ等の各種レンズの形状を単純化、又は、使用数を減らすことができ、ウインドシールドの投射エリアに表示光を直接投射しても画像が歪むことを防止することができる。

以上説明したように請求項１，３に記載した本発明によれば、ウインドシールド本体の曲率と異なる自由曲面を有する所定領域をウインドシールド本体にはめ込んで形成しても、連結エリアによって投射エリアとウインドシールド本体とで曲率が急激に変化することを防止でき且つ投射エリアの周縁がウインドシールド本体にめり込むことを防止できるため、ウインドシールド本体に必要以上の変形を生じることなく投射エリアを形成することができる。従って、ヘッドアップディスプレイ装置の光学系に適した形状の所定領域をウインドシールドの任意の位置に形成できるため、透視歪みや二重像の原因を解消して表示像の品質向上を図ることができる。また、ヘッドアップディスプレイ装置の光学系に用いられるレンズやミラーに、複雑な高次非球面を複数使用する必要がなくなるため、構成の簡単化、コストダウンを図ることができる。さらに、光学系の設計自由度が向上するため、虚像寸法の大型化にも対応することができ、且つ、アイレンジ位置の調整も可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、所定領域の形状をトロイダル面として形成するようにしたことから、その周囲の形状と近似させることができるため、ウインドシールド本体をより一層変形させることなく所定領域を形成することができる。また、所定領域をウインドシールド本体の任意の領域にはめ込んで形成することが可能となるため、ウインドシールドのデザインに自由度を持たせることができる。

以下、本発明に係るウインドシールド及びヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）ユニットの一実施の形態を、図１〜図９の図面を参照して説明する。

図１乃至図３において、ＨＵＤユニット１は、図示しない車両のインストルメントパネル（インパネ）内に収容されるＨＵＤ用投射器１０と、車両のウインドシールドに相当するＨＵＤ用ウインドシールド２０と、を有している。なお、前記ウインドシールドは、ウインドシールドガラスであり、一般にはフロントガラス又はフロントウインドと呼ばれている。

ＨＵＤ用投射器１０の表示光Ｌは、前記インパネの開口からＨＵＤ用ウインドシールド２０の投射エリア２０ａ上に投射された画像の虚像Ｓと、運転者５のアイポイントＥＰからＨＵＤ用ウインドシールド２０を透して視認される車両の前景とを図２に示すように重畳視認させる。

ＨＵＤ用投射器１０は、図２に示すように、運転者５のアイポイントＥＰがアイレンジＥＲ内を移動しても表示が見えることを保障するため、表示像の位置調整を行う表示位置調整機構が設けられている。この表示位置調整機構は、運転者５のアイポイントＥＰがアイレンジＥＲ内を例えば上下移動したことに伴う位置調整の前後で、アイポイントＥＰから表示を見る方向である俯角が一定に保たれるようにしている。

ＨＵＤ用投射器１０は、図３に示すように、表示源１１と、平面ミラー１２と、非球面ミラー１３と、カバー１４と、を有しており、それらは収容ケース１０ａに収容されている。

表示源１１は、自発光デバイス（例えば、ＦＥ〔フィールドエミッション〕ディスプレイ、蛍光表示管、ＥＬ〔エレクトロルミネッセンス〕ディスプレイ等）や、バックライト付きの液晶ディスプレイ等の表示デバイスが用いられる。表示源１１は、ナビゲーション装置の進行方向情報や走行速度といった、運転に必要な補助情報等の画像を表示する。

平面ミラー１２は、表示源１１と対向するように配置され、その表示源１１が表示している画像の表示光Ｌを非球面ミラー１３に向けて反射する。非球面ミラー１３は、収容ケース１０ａの底部に設けられ、平面ミラー１２からの表示光Ｌをカバー１４に向けて反射する。透過性のカバー１４は、収容ケース１０ａの天井部分に形成された開口１０ｂを塞ぎ且つ非球面ミラー１３と対向するように設けられ、表示光Ｌを透過させる。

このように構成したＨＵＤ用投射器１０は、表示源１１に画像を表示すると、その画像の表示光Ｌを平面ミラー１２と非球面ミラー１３とで反射し、カバー１４で集光して投射エリアに向けて出射する。その結果、投射エリアには画像の表示光Ｌが投射されることになり、運転者５はそれを虚像Ｓとして視認する。

なお、本実施形態のＨＵＤ用投射器１０では、平面ミラー１２と非球面ミラー１３を反射光学部材として用いる場合について説明するが、何れか一方のミラーを用いたり、反射光学部材を用いずに表示光Ｌを直接カバー１４から透過させるなど種々異なる実施形態とすることができる。

次に、ＨＵＤ用ウインドシールド２０は、ウインドシールド本体２１と、ウィンドシールド本体２１の長手方向の一部である運転席の前方に設けられ且つ当該ウィンドシールド本体２１の曲率と異なる曲率の曲面に形成された所定領域２２と、を有している。

ウインドシールド本体２１は、例えば、合わせガラス、ＩＲカットガラス、ＵＶ（紫外線）カットガラス等として、車両の外形に応じて縦方向Ｘ及び長手（横）方向Ｙに彎曲した曲面形状に形成されている。そして、ウインドシールド本体２１は、車両の外形によっては縦方向Ｘ及び長手方向Ｙにおいても、部分的に曲率が異なるものである。

所定領域２２は、その平面形状が丸形に形成されている。所定領域２２は、図４に示すように、ＨＵＤ用投射器１０の表示源１１からの表示光Ｌが投射され且つ該投射された画像を所望の形状で表示する自由曲面に形成された投射エリア２２ａと、該投射エリア２２ａの周りに設けられた連結エリア２２ｂと、を有している。

投射エリア２２ａは、表示光Ｌが投射されたＨＵＤ用投射器１０の画像に歪みが生じないように、投射された画像を所望の形状で表示する自由曲面として形成されている。即ち、投射エリア２２ａは、ウインドシールド本体２１の非平面性に起因して生じる前記画像の歪みを補正する反射特性を有する曲面形状に形成されており、所望の形状（例えば、表示源１１の表示領域の形状、表示源１１に表示される画像の形状、方形の画像を台形状に変形させた形状など）によって領域が画定される。

自由曲面としては、例えば、トロイダル面、球面、非球面、回転曲面等を含む各種曲面から任意に設定することができるが、トロイダル面の曲率はウインドシールド本体２１の曲率に近いことから、本実施例では投射エリア２２ａをトロイダル面として形成する場合について説明する。

投射エリア２２ａの設計方法の一例としては、図５に示すように、トロイダル平面２３のトロイダル中心２４から距離Ｒに設けられたＸ−Ｙ軸とウインドシールド本体２１の縦−Ｒ２１ａと横−Ｒ２１ｂとに基づいて、ウインドシールド本体２１と近似形状となるように設計される。

図６は、図１中の所定領域２２部分を拡大し、その直線Ｂ−Ｂを通る矢印方向の断面を対応させて図示したものである。この図６に示すように、連結エリア２２ｂは、投射エリア２２ａをウィンドシールド本体２１の表面２１ａよりも外側に位置付けるように当該投射エリア２２ａの周りに設けられ且つ当該投射エリア２２ａとウィンドシールド本体２１との双方に連なる曲面として形成されている。即ち、連結エリア２２ｂは、図６中の波線で示すウインドシールド本体２１の仮想表面よりも外側に突出するように投射エリア２２ａを位置付けている。そして、連結エリア２２ｂは、投射エリア２２ａとウインドシールド本体２１を連結していれば、曲面、連続面などの任意の形状とすることができる。

次に、連結エリア２２ｂの設計方法の一例を、図７の図面を参照して説明する。まず、図７（ａ）に示すように、ウインドシールド本体２１の曲率とは異なる曲率の投射エリア２２ａを、ウインドシールド本体２１に嵌め込む場合、投射エリア２２ａの縁部２２ａ１がウインドシールド本体２１の表面よりも外側に位置するように、図７中矢印方向に移動させる。そして、投射エリア２２ａの縁部２２ａ１とウインドシールド本体２１との双方に連なる曲面として連結エリア２２ｂが、透視歪みや二重像の原因を解消するように設計される。

なお、本最良の形態では、所定領域２２に投射エリア２２ａが含まれる場合について説明するが、本発明はこれに限定するものではなく、所定領域２２と投射エリア２２ａを一致させるなど種々異なる実施形態とすることができる。また、所定領域２２は、ウインドシールド本体２１の全体にわたって形成することもできる。

次に、上述した本発明のウインドシールド２０の所定領域２２と従来の量産ウインドシールド２００との比較結果を、図８の図面を参照して説明する。

従来の量産ウインドシールド２００では、方形状の領域２０２を形成していたため、その固有の曲面形状によっては、側面寄りに盛り上がり２０３が発生したり、中央付近にへこみ２０４が発生するなどの原因になっていた。しかしながら、本発明のＨＵＤ用ウインドシールド２０のように、トロイダル面形状の所定領域２２として一体に形成することで、盛り上がり２０３、へこみ２０４の発生を防止することが実験、シミュレーション等の結果から確認することができた。

また、上述したＨＵＤ用投射器１０が本発明に係る所定領域２２の投射エリア２２ａと図８に示す量産ウインドシールド２００の各々に表示光Ｌを投射した場合の表示像（虚像）をシミュレートした結果を図９に示す。なお、図９は表示像の縦横における各中心からの距離［ｍｍ］に対する表示結果を示している。

また、シミュレーションは、公知である結像光学系シミュレーション・ソフトウェアを用いている。その入力パラメータは、図５に示すＸ曲率半径が４０００［ｍｍ］、Ｙ曲率半径が８５００［ｍｍ］、Ｘ軸回転が−５９［゜］、Ｙ軸回転が４．５［゜］、コーニック定数が１となっている。

上述した表示光Ｌを本発明の投射エリア２２ａに投射した場合、図９（ａ）に示すように、歪むことなく、所定の形状である方形状に表示されることが確認できた。これに対し、量産ウインドシールド２００に表示光Ｌを投射した場合、図９（ｂ）に示すように、表示像の中央上方寄り及び左寄りの部分が歪んでいることが確認できた。これにより、上述したように所定領域２２を形成することで、ＨＵＤ用投射器１０の表示像を歪むことなく表示でき、且つ、ウインドシールド本体２１に図８示す盛り上がり２０３、へこみ２０４等を発生させることなく、ウインドシールド２０を製造できることが確認できた。

以上説明したＨＵＤ用ウインドシールド２０によれば、ウインドシールド本体２１の曲率と異なる自由曲面を有する所定領域２２をウインドシールド本体２１にはめ込んで形成しても、連結エリア２２ｂによって投射エリア２２ａとウインドシールド本体２１とで曲率が急激に変化することを防止でき且つ投射エリア２２ａの周縁がウインドシールド本体２１にめり込むことを防止できるため、ウインドシールド本体２１に必要以上の変形を生じることなく投射エリア２２ａを形成することができる。従って、ＨＵＤユニット１の光学系に適した形状の所定領域２２をウインドシールド本体２１の任意の位置に形成できるため、透視歪みや二重像の原因を解消して表示像の品質向上を図ることができる。また、ＨＵＤユニット１の光学系に用いられるレンズやミラーに、複雑な高次非球面を複数使用する必要がなくなるため、構成の簡単化、コストダウンを図ることができる。さらに、光学系の設計自由度が向上するため、虚像寸法の大型化にも対応することができ、且つ、アイレンジＥＲ位置の調整も可能となる。

また、所定領域２２が有する投影エリア２２ａの形状をトロイダル面として形成するようにしたことから、その周囲の形状と近似させることができるため、ウインドシールド２０をより一層変形させることなく所定領域を形成することができる。また、所定領域２２をウインドシールド本体２１の任意の領域にはめ込んで形成することが可能となるため、ウインドシールド２０のデザインに自由度を持たせることができる。

このように上述した実施例は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明に係るヘッドアップディスプレイ用ウインドシールドの概略を示す斜視図である。 本発明に係るヘッドアップディスプレイユニットと車両の関係を示す概略構成図である。 図２中のヘッドアップディスプレイ用投射器の概略構成を示す図である。 所定領域と投射エリアとの関係例を説明するための図である。 所定領域が有する投影エリアの設計方法の一例を説明するための図である。 所定領域における投影エリアと連結エリアの一例を説明するための図である。 所定領域が有する連結エリアの設計方法の一例を説明するための図である。 本発明と従来のウインドシールドの比較結果を説明するための図である。 本発明のウインドシールドと量産ウインドシールドの投射した表示像のシミュレート結果を示す図であり、（ａ）は本発明のウインドシールド、（ｂ）は量産ウインドシールドをそれぞれ示している。

符号の説明

１ ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）ユニット
５ 運転者
１０ ＨＵＤ用投射器
１１ 表示源
２０ ウインドシールド
２１ ウインドシールド本体
２２ 所定領域
２２ａ 投射エリア
２２ｂ 連結エリア
２００ 従来のウインドシールド
Ｅ アイポイント
ＥＲ アイレンジ
Ｌ 表示光
Ｓ 虚像

Claims (3)

1. ウィンドシールド本体と、前記ウィンドシールド本体の長手方向の一部に設けられ且つ当該ウィンドシールド本体の曲率と異なる曲率の曲面に形成された所定領域と、を備えたウインドシールドにおいて、
   前記所定領域の平面形状が丸形に形成され、且つ、
   この所定領域が、
   車両に搭載された表示源に表示された画像の表示光が投射され且つ該投射された画像を所望の形状で表示する自由曲面に形成された投射エリアと、
   前記投射エリアを前記ウィンドシールド本体の表面よりも外側に位置付けるように当該投射エリアの周りに設けられ且つ当該投射エリアと前記ウィンドシールド本体との双方に連なる曲面に形成された連結エリアと、を備えることを特徴とするウインドシールド。
2. 前記投射エリアが、前記自由曲面としての縦横の曲率が異なるトロイダル面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のウインドシールド。
3. ウインドシールドと、表示源に表示された画像を車両の前記ウインドシールドの投射エリア上に投射させる表示源と、を備えたヘッドアップディスプレイユニットにおいて、
   前記ウインドシールドとして請求項１又は請求項２に記載のウインドシールドを備えたことを特徴とするヘッドアップディスプレイユニット。

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