JP5906968B2 - 車両用表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用表示装置に関し、特に運転者をはじめとする搭乗者であるユーザに映像を提示する技術に関する。

近年、車両用表示装置として、ＬＥＤや半導体レーザー光源を利用したいわゆるヘッドアップディスプレイが開発され、車載商品化されている。このヘッドアップディスプレイは車両のウィンドシールド近傍に設置される。そのためウィンドシールドを透過した太陽光がヘッドアップディスプレイの光学系内部に入り込み、太陽光に含まれる赤外線や紫外線が光学系部品に影響を与えるおそれがある。また、ヘッドアップディスプレイの筐体への赤外線（熱線）の照射によって筐体内部の部品に影響を与える恐れもある（特許文献１参照）。

特開２００５−３０９１９６号公報

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、太陽光が車両用表示装置に影響を与えることをより一層抑制する技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のある態様は車両表示装置である。この装置は、画像信号に基づいて画像表示光を生成する画像生成部と、前記画像生成部が生成した画像表示光を投射する投射口と、前記投射口から投射された画像表示光を虚像として提示するコンバイナとを備える。前記画像生成部は車両の内部のルームミラーのミラー面側に取り付けられ、前記投射口はそのミラー面と対向する背面よりもミラー面側であって、入射する外来光の少なくとも一部がそのルームミラーによって遮られる位置に設けられる。前記投射口は、前記画像生成部の下部に位置するとともに、その上端は前記ルームミラーの下端よりも前記車両の天井側にあり、前記画像表示光を前記ルームミラーの方向且つ下方に投射し、前記画像生成部は、前記投射口から前記画像表示光を投射する光路を決定する反射部および前記反射部の周囲に設けられる光学系保持部を備え、前記反射部は、前記ルームミラー側から入射した太陽光を前記反射部に入射する前記画像表示光の光路とは異なる光路に反射して前記光学系保持部に吸収させる。

本発明によれば、太陽光が車両用表示装置に影響を与えることをより一層抑制する技術を提供することができる。

本実施形態の車両用表示装置であるヘッドアップディスプレイについて車両内部からの斜視図である。 光学ユニットの内部構成を光の経路と共に示す図である。 光学ユニットの内部構成を光の経路と共に示す別の図である。 昼間の太陽光の分光分布を示す図である。 ダッシュボードに設置するオンダッシュボード型ヘッドアップディスプレイの利用シーンを模式的に示す図である。 実施の形態に係るヘッドアップディスプレイの利用シーンを模式的に示す図である。 実施の形態に係る画像生成部の投射部の構成を光の経路と共に示す図である。 実施の形態に係る画像生成部の投射部の構成を光の経路と共に示す別の図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

［全体構成］
以下に画像表示装置の一例として車両用のヘッドアップディスプレイをあげ、このヘッドアップディスプレイを実施形態として説明する。図１は、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１０について、このヘッドアップディスプレイ１０が取り付けられたルームミラー６００から車両の図示しないウィンドシールドの方に向かう視野により観察した態様を示す斜視図である。

ヘッドアップディスプレイ１０は、図示しない把持機構等により車両内部のルームミラー６００のミラー面に取付けられて使用される。ダッシュボードの上方面の広さなど、ヘッドアップディスプレイを搭載可能なスペースは車種によって様々である。本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１０は、ルームミラーに取り付けることができるため、ルームミラーを備えてさえいれば、車種を問わずに適切に搭載することができる。

なお、以後の説明において、前方・後方、左方・右方及び上方・下方の各方向は以下の通りとする。前方・後方は、ヘッドアップディスプレイ１０が搭載された車両の前方向及び後方向とする。左方・右方は、ヘッドアップディスプレイ１０が搭載された車両の左側方向及び右側方向とする。上方・下方は、ヘッドアップディスプレイ１０が搭載された車両が位置する路面に垂直で、その路面に対し車両側の方向及びその反対方向を意味する。

ヘッドアップディスプレイ１０は、コンバイナ４００に虚像として表示される画像に係る画像信号を生成し、その生成された画像信号を出力する回路基板（不図示）を備える。この回路基板は、ナビゲーション装置やメディア再生装置などの図示しない外部装置から出力された画像信号が入力された場合に、その入力された信号に対して所定の処理を行った後、出力することもできる。

ヘッドアップディスプレイ１０は、上記回路基板から出力された画像信号に基づく画像表示光を生成するための、光源２３１及び反射型の液晶表示パネルであるＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の画像表示素子２４０、及び各種光学レンズ等を含む画像生成部５０を備える。なお、本実施形態では画像表示素子２４０として反射型液晶表示パネルであるＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）を用いる場合を例示するが、画像表示素子２４０としてＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いてもよい。その場合、適用する表示素子に応じた光学系及び駆動回路で構成するものとする。また、光源２３１及び画像表示素子２４０は、図２を参照して後に詳述する。

ヘッドアップディスプレイ１０は、実像が結像される中間像スクリーン及び各種投射ミラーを含み、生成された画像表示光の投射方向を決定する投射部３００を有する。さらに、ヘッドアップディスプレイ１０は、投射された画像表示光を虚像４５０として表示させるための、略凹面形状を有するコンバイナ４００と、コンバイナ４００と投射部３００とを接続するコンバイナ支持アーム４２０と、を有している。画像生成部５０は、運転者側の面に、ルームミラーのミラーの代わりとなる代替ミラー５２を備え、ルームミラーの役割を果たしている。なお図１において、投射部３００から投射された画像表示光がコンバイナ４００に至るまでの光路が投射軸３２０として示されている。

ここで画像生成部５０は、運転者側の面にルームミラーのミラーの代わりとなる代替ミラー５２を備え、この代替ミラー５２がルームミラー６００が有する後方確認のための役割を果たしている。ヘッドアップディスプレイ１０をルームミラー６００のミラーを覆うように装着していても、ユーザはこの代替ミラー５２により車両後方を確認しながら運転を行うことができる。

コンバイナ４００は、コンバイナ支持アーム４２０を介して画像生成部５０に対して上方及び下方、並びに左方及び右方に回動可能となっている。これにより、ユーザは、コンバイナの向きを自分の目線や好みにあわせて調整することができる。

［光学系］
次にヘッドアップディスプレイ１０の内部構成について説明する。図２及び図３は共に画像生成部５０の内部構成を光の経路と共に示す図である。図２は画像生成部５０の内部構成、及び投射部３００の内部構成の一部を光路とともに示す図である。図３は投射部３００の内部構成、及び画像生成部５０の内部構成の一部を、コンバイナ４００まで投射される光の光路とともに示す図である。

まず図２を参照して画像生成部５０の光学系の内部構成及び画像表示光に係る光路について説明する。画像生成部５０の光学系は、光源２３１、コリメートレンズ２３２、ＵＶ−ＩＲ（UltraViolet-Infrared Ray）カットフィルタ２３３、偏光子２３４、フライアイレンズ２３５、反射鏡２３６、フィールドレンズ２３７、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ２３８、１／４波長板２３９、画像表示素子２４０、検光子２４１、投射レンズ群２４２、及びヒートシンク２４３を備える。

光源２３１は白色、又は青色、緑色、及び赤色の三色の光を発する発光ダイオードからなる。光源２３１には発光にともない発生する熱を放冷するためのヒートシンク２４３が取り付けられている。光源２３１が発光した光は、コリメートレンズ２３２によって平行光に変えられる。ＵＶ−ＩＲカットフィルタ２３３は、コリメートレンズ２３２を通過した平行光から紫外光及び赤外光を吸収し除去する。偏光子２３４は、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ２３３を通過した光を乱れのないＰ偏光へと変える。そしてフライアイレンズ２３５が、偏光板を通過した光の明るさを均一に整える。

反射鏡２３６は、フライアイレンズ２３５の各セルを通過した光の光路を９０度変更する。反射鏡２３６で反射された光はフィールドレンズ２３７によって集光される。フィールドレンズ２３７が集光した光は、Ｐ偏光を透過するワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ２３８及び１／４波長板２３９を介して、画像表示素子２４０に照射される。

画像表示素子２４０は、画素毎に赤色、緑色、及び青色のカラーフィルタを備えている。画像表示素子２４０に照射された光は、各画素に対応する色となり、画像表示素子２４０の備える液晶組成物によって変調が施され、Ｓ偏光の画像表示光となってワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ２３８に向けて射出される。射出されたＳ偏光の画像表示光はワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ２３８で反射され、光路を変えて検光子２４１を通過した後に投射レンズ群２４２へ入射される。

投射レンズ群２４２を透過した画像表示光は、画像生成部５０を出て投射部３００に入る。そして投射部３００が備える第１投射ミラー３５１が、入ってきた画像表示光の光路を変更する。

次に図３を参照して投射部３００の内部構成及び画像表示光の光路について説明する。投射部３００は、第１投射ミラー３５１、第２投射ミラー３５２、第３投射ミラー３５３、及び中間像スクリーン３６０を備える。

投射部３００の第１投射ミラー３５１で折り曲げられた画像表示光の光路は、第２投射ミラー３５２で下方に折り曲げられた後、第３投射ミラー３５３で斜め下方かつ車両前方に折り曲げられた後、中間像スクリーン３６０で実像を結像させる。結像した実像は、投射軸３２０に沿って前方に配置されたコンバイナ４００に投射される。運転者は、コンバイナ４００に投射された画像表示光に基づく画像を虚像として風景に重畳させて視認する。

ルームミラーに取り付けられるヘッドアップディスプレイ１０では、ユーザはコンバイナ４００の上端、又はコンバイナ４００の中心の位置を投射部３００の投射口より下方に調整することが多い。ヘッドアップディスプレイ１０の使用時において、ルームミラー６００、画像生成部５０、又は投射部３００の筺体がユーザの視線を遮らないようにするためである。光学系を以上の構成とすることで、ヘッドアップディスプレイ１０では、投射部３００の投射口からコンバイナ４００に向けて下方に画像表示光を投射することができる。

以上を踏まえ、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０における、太陽光がヘッドアップディスプレイ１０に与える影響について説明する。

［ヘッドアップディスプレイの設置位置］
図４は、昼間の太陽光の分光分布を示す図である。図４に示すグラフの横軸は太陽光の波長であり、縦軸は照度である。図４中に斜線で示す領域が可視光領域である。図４に示すように、可視光領域ではない紫外線領域および赤外線領域は、太陽光のエネルギーのおよそ５０％を占める。紫外線領域および赤外線領域の光にさらされるとヘッドアップディスプレイ１０の筐体や部品等が影響を受けるおそれがあり、この太陽光に起因とするヘッドアップディスプレイ１０への影響をより一層抑制することが課題となる。

図５は、ダッシュボードに設置する“オンダッシュボード型”のヘッドアップディスプレイ１２の利用シーンを模式的に示す図である。図５に示すように、オンダッシュボード型ヘッドアップディスプレイ１２においては、反射型中間像スクリーン３６２は、投射部３０１が投射した映像光をコンバイナ４０１に向けて反射する。

オンダッシュボード型ヘッドアップディスプレイ１２はダッシュボード上に設置され、コンバイナ４０１は反射型中間像スクリーン３６２の設置位置よりも高い位置に設置されるのが一般的である。このため、反射型中間像スクリーン３６２からコンバイナ４０１に至るまでの画像表示光の光路は上方を向くことになる。この結果、反射型中間像スクリーン３６２からコンバイナ４０１に至るまでの画像表示光の光路と、光路３２２に沿ってウィンドシールドを透過して入射した太陽光が、コンバイナ４０１を透過して反射型中間像スクリーン３６２に至るまでの光路とが一致しやすく、太陽光がオンダッシュボード型ヘッドアップディスプレイ１２の光学系内部に入り込みやすくなる。

図４に示すように、太陽光は赤外光や紫外光を含む。例えば夏場の駐車中の車内において、ダッシュボード上は１００℃に達する事もあり、表示器に使われる液晶の配向や樹脂レンズへの影響が推察される。また、ヘッドアップディスプレイの筐体が太陽光にさらされることによって筐体内部の温度が影響をうけることも推察される。さらには、反射型中間像スクリーン３６２で反射された太陽光が投射部３００の内部等に進入し、光学系部品に影響を与えるおそれがある。

図６は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０の利用シーンを模式的に示す図であり、ヘッドアップディスプレイ１０の使用状態を横から見た概念図である。図６に示すように、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０は、車両内部のルームミラー６００のミラー面側に取付けられる。より具体的には、ヘッドアップディスプレイ１０の画像生成部５０の筐体は、ルームミラー６００のミラー面の少なくとも一部を覆うように取付けられる。ヘッドアップディスプレイ１０は、ルームミラー６００に取り付けられた状態で投射部３００が画像生成部５０の下部に位置する。したがって、ヘッドアップディスプレイ１０がルームミラー６００に取り付けられると、投射部３００もルームミラー６００のミラー面側に位置することとなる。

ここで本明細書において、車両底面ないし走行路面に対し垂直な方向を上下方向と定め、車両底面側から車両の天井に向かう方向を上方、その逆を下方と定める。また、上下方向と垂直な方向であって、ステアリングを切らない状態における車両の通常の進行方向を前方、その反対の方向を後方と定める。

ルームミラー６００は、通常車両内部の天井付近に存在する。このため、ヘッドアップディスプレイ１０がルームミラー６００に取り付けられた状態では、コンバイナ４００は、投射部３００に対して車両の前方下方向に位置するように設置されることになる。この結果、投射部３００から投射される画像表示光の投射方向は、車両の前方下向きとなる。

図６に示すように、太陽光がウィンドシールドを透過して車両内に射し込んでも、ヘッドアップディスプレイ１０はルームミラー６００の影に入り、画像生成部５０は太陽光に直接さらされにくい。また、画像生成部５０の下部に位置する投射部３００も同様にルームミラー６００の影に入り、投射部３００から光学系内部に太陽光が入り込みにくい。さらに加えて、図５に示すオンダッシュボード型ヘッドアップディスプレイ１２の場合とは異なり、車両内部の天井付近に位置するルームミラーに取り付けられるヘッドアップディスプレイ１０では、投射部３００からコンバイナ４００に至るまでの映像光の投射軸３２０が、ウィンドシールドを透過してコンバイナ４００に入射した後の太陽光の光路と一致しにくい。このため、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０は、太陽光が投射部３００の内部に向かう可能性を小さくすることができる。

図７は、実施の形態に係る画像生成部５０の投射部３００の構成を光の経路と共に示す図であり、この画像生成部５０の投射部３００に対して太陽光が低い角度から射し込んだ場合について説明するための概念図である。

太陽光はウィンドシールドを介して車両ないしヘッドアップディスプレイ１０の上方から入射することが殆んどである。一方で、ヘッドアップディスプレイ１０は図１を参照して上述した通り、投射部３００の投射口からコンバイナ４００へ向けて下方に画像表示光が投射されるように構成されている。下方に向かう画像表示光と上方から入射する太陽光との角度は、ほとんどの場合に不一致となる。したがってこの構成により、太陽光が投射部３００の投射口へ入射し、内部に存在する部品等へ影響を与えることを防止することができる。

さらに図７に示すように、画像生成部５０は車両の内部のルームミラー６００のミラー面側に取り付けられる。このとき、投射部３００の投射口は、ルームミラー６００の面の内、ミラー面と対向する面である背面よりもミラー面側に位置する。このため、投射部３００の投射口は、太陽光等の外来光の少なくとも一部は、ルームミラー６００によって遮られる位置に設けられることになる。換言すると、投射部３００の投射口の上端は、ルームミラー６００の下端よりも車両の天井側に存在する。このため、投射部３００の投射口よりも上方から太陽光が入射しても、投射部３００の投射口はルームミラー６００に遮蔽され、投射部３００の投射口に太陽光等の外来光が到達することはない。

一般に、早朝か夕方の時間帯は、太陽は地平線付近に存在する。このとき、太陽光の光路３２２は、投射部３００の投射口に対してほぼ水平に近い低い角度から入射することになる。また投射部３００の投射口に対してほぼ水平に近い低い角度から入射する別の例としては、ヘッドアップディスプレイ１０を取り付けた車両が太陽の高さ方向に上り坂を登っている場合も考えられる。

このような場合、中間像スクリーン３６１にとってルームミラー６００が太陽光に対する影にならず、太陽光が画像生成部５０の下部に接続されている投射部３００まで届く場合もありうる。しかしながら、このような場合、図７に例示するように、太陽光の光路３２２と投射軸３２０とのなす角度は大きくなり、太陽光は投射軸３２０に対して乖離した角度で投射部３００に入射することになる。投射軸３２０に対して乖離した角度で入射した太陽光は、中間像スクリーン３６１を透過した直後の第３投射ミラー３５３で反射されて投射部３００の光軸からずれ、光学系保持部３１０に到達する。

このように、太陽光が投射部３００の投射口に対してほぼ水平に近い低い角度から入射する場合であっても、太陽光が画像生成部５０内部の光学系に到達することを抑制することが可能となる。太陽光が投射部３００の投射口に対して低い位置から入射する場合は、太陽光が画像生成部５０内部の光学系に到達することもありうるが、車両を通常想定される範囲で使用する限りそのような状況は発生しづらいと考えられる。

以上のように、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０は、太陽光が画像生成部５０内部の光学系に到達することを抑制し、太陽光が画像生成部５０の内部に影響を及ぼすことを抑制することができる。

図８は、実施の形態に係る画像生成部５０の投射部３００の構成を光の経路と共に示す別の図であり、図７と同様に太陽光が低い角度から射し込んだ場合の概念図である。

図８に示す例においては、ルームミラー６００の下端は中間像スクリーン３６１の上端よりも下にあり、かつ中間像スクリーン３６１の下端よりも上に存在する。このため、ヘッドアップディスプレイ１０をルームミラー６００に設置した状態において、車両前方からルームミラー６００を眺めると、画像生成部５０の投射部３００の一部はルームミラー６００に遮蔽されることになる。この結果、投射部３００の投射口に対してほぼ水平に近い低い角度から投射口に入射する太陽光の一部はルームミラー６００によって遮られ、投射部３００の投射口に到達しないことになる。

また、ルームミラー６００によって遮られずに投射部３００の投射口に到達した太陽光も、図７を参照して上述したとおり、最終的には光学系保持部３１０に吸収され、画像生成部５０の内部に存在する光学系に到達することはない。これにより、太陽光が画像生成部５０の内部に存在する光学系の性能、信頼性に影響を及ぼすことを抑制することができる。

ところで、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０は、ルームミラー６００のミラー面側に取付けて使用するように構成されている。このため、ヘッドアップディスプレイ１０をルームミラー６００に取り付けた状態では、ルームミラー６００は画像生成部５０に遮蔽され、運転者であるユーザはルームミラー６００を用いて後方を確認することができなくなる。

そのため画像生成部５０の筐体面の内、ルームミラー６００に取り付けられたときに車両の後方となる面に代替ミラー５２を備える。運転者であるユーザは、代替ミラー５２を用いることでて後方を確認することが可能となる。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０によれば、太陽光の影響をより一層抑制することができる。特に、太陽光に含まれる可視光による光学系部品に対する影響をより一層抑制することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上記では、画像生成部５０の筐体面の内、ルームミラー６００に取り付けられたときに車両の後方となる面に代替ミラー５２を備えることを説明した。ここで代替ミラー５２は、画像生成部５０と独立して、角度を自由に調整できるように接続してもよい。これは例えばボールジョイントのような既知の技術を用いて実現できる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１０の向き等の調整が終了した後であっても、ヘッドアップディスプレイ１０の向き等に変更を加えることなく代替ミラー５２の位置を自由に調整することが可能となる。

１０ ヘッドアップディスプレイ、 １２ オンダッシュボード型ヘッドアップディスプレイ、 ５０ 画像生成部、 ５２ 代替ミラー、 ２１０ 光学ユニット本体、 ２３１ 光源、 ２３２ コリメートレンズ、 ２３３ ＵＶ−ＩＲカットフィルタ、 ２３４ 偏光子、 ２３５ フライアイレンズ、 ２３６ 反射鏡、 ２３７ フィールドレンズ、 ２３８ ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ、 ２３９ 波長板、 ２４０ 画像表示素子、 ２４１ 検光子、 ２４２ 投射レンズ群、 ２４３ ヒートシンク、 ３００，３０１ 投射部、 ３１０ 光学系保持部、 ３２０ 投射軸、 ３２２ 光路、 ３５１ 第１投射ミラー、 ３５２ 第２投射ミラー、 ３５３ 第３投射ミラー、 ３６０，３６１ 中間像スクリーン、 ３６２ 反射型中間像スクリーン、 ４００，４０１ コンバイナ、 ４２０ コンバイナ支持アーム、 ４５０ 虚像、 ６００ ルームミラー。

Claims (1)

1. 画像信号に基づいて画像表示光を生成する画像生成部と、
   前記画像生成部が生成した画像表示光を投射する投射口と、
   前記投射口から投射された画像表示光を虚像として提示するコンバイナとを備え、
   前記画像生成部は車両の内部のルームミラーのミラー面側に取り付けられ、入射する外来光の少なくとも一部がそのルームミラーによって遮られる位置に設けられ、
   前記投射口は、前記画像生成部の下部に位置するとともに、その上端は前記ルームミラーの下端よりも前記車両の天井側にあり、前記画像表示光を前記ルームミラーの方向且つ下方に投射し、
   前記画像生成部は、前記投射口から前記画像表示光を投射する光路を決定する反射部および前記反射部の周囲に設けられる光学系保持部を備え、
   前記反射部は、前記ルームミラー側から入射した太陽光を前記反射部に入射する前記画像表示光の光路とは異なる光路に反射して前記光学系保持部に吸収させる、
   ことを特徴とする車両用表示装置。

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