JP6252883B1 - ヘッドアップディスプレイ装置、及び車両 - Google Patents

Abstract

本開示の一態様に係るヘッドアップディスプレイ装置（１）は、表示画像となる光を射出する表示素子（１１０）と、表示素子（１１０）が射出した光を最初に反射する可動ミラー（１２０）と、可動ミラー（１２０）の反射光を反射して、虚像を投影させる、１つまたは複数の第１のミラー（１４０）び第２のミラー（１５０）と、可動ミラー（１２０）の位置を調整し、虚像の投影距離を調整する可動部（１３０）とを備え、可動ミラー（１２０）は、可動ミラー（１２０）に入射する光が、可動ミラー（１２０）の法線と非平行となるような位置に配置される。

Description

本開示は、車両用表示装置に関するものであり、特に、自動車などに用いられるヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。

自動車等の情報表示装置として、ヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ−Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）装置が知られている。

特許文献１は、凹面鏡をターニングミラーとして用い、凹面鏡の虚の像点を出現させる範囲において、物点としての表示器と凹面鏡との間の距離を、手動又は自動もしくはこれらの組合せによって可変させることにより、虚像の位置を可変させるヘッドアップディスプレイ装置を開示する。

特許文献２は、光源と、光源からの光を２次元にする走査手段と、走査光を結像するスクリーンと、スクリーン上の映像を投影する投影手段とを備え、投影手段とスクリーンとの間の距離を変えることにより、投影された虚像の位置を可変にする車両用ヘッドアップディスプレイ装置を開示する。

特開平６−１１５３８１号公報 特開２００９−１５０９４７号公報

本開示は、投影される虚像の表示距離を、高速に変更可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供する。

本開示におけるヘッドアップディスプレイ装置は、表示画像となる光を射出する表示部と、表示部が射出した光を最初に反射する第１の光学部材と、第１の光学部材の反射光を反射あるいは透過して、虚像を投影させる、１つまたは複数の第２の光学部材と、第１の光学部材の位置を調整し、虚像の投影距離を調整する調整部とを備え、第１の光学部材は、第１の光学部材に入射する光が、第１の光学部材の法線と非平行となるような位置に配置される。

本開示によれば、投影される虚像の表示距離を、高速に変更可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。

本開示の実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ装置を利用したナビゲーションシステムを備えた車両の構成例を示す図 本開示の実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置１の構成の例を示すブロック図 本開示の実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 本開示の実施の形態１における可動ミラーの位置と表示素子における表示領域の関係を説明する図 本開示の実施の形態１における可動ミラーの位置と表示素子における表示領域の関係を説明する図 本開示の実施の形態１における可動ミラーの位置と表示素子における表示領域の関係を説明する図 本開示の実施の形態１における可動ミラーの位置と表示素子における表示領域の関係を説明する図 本開示の実施の形態１における可動ミラーの位置と表示素子上の表示範囲の関係を説明するための図 本開示の実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 本開示の実施の形態３におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 本開示の実施の形態４におけるヘッドアップディスプレイ装置の構成の例を示す図 本開示の実施の形態５におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 本開示の実施の形態６におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

なお、全図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度説明したものについては、その重複する説明を省略する。

（実施の形態１）
［１−１．構成］
［１−１−１．車両の構成］
図１は、本開示の実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ装置を利用したナビゲーションシステムを備えた車両の構成例を示す図である。図１に示す車両１０は、ナビゲーションシステム１５とカメラ３０を備える。ナビゲーションシステム１５は、ヘッドアップディスプレイ装置１とナビゲーション装置２０とを備える。

ナビゲーション装置２０は、予め設定された目的地までの経路情報を運転者に提供して、経路案内を行う装置である。ナビゲーション装置２０は、内蔵メモリに地図情報２１を格納している。また、ナビゲーション装置２０は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等の位置情報取得部２２を備え、自車両の位置情報を取得して内蔵メモリに記憶する。

カメラ３０は、例えば自車両の前方を撮影し、画像情報を生成する。

ヘッドアップディスプレイ装置１は、車両のフロントガラス１７０に映像光を投影することにより、運転者の目１８０に対してフロントガラス１７０の前方に虚像１９０を投影する装置である。ヘッドアップディスプレイ装置１は、ナビゲーション装置２０からの車両の位置情報や地図情報、あるいは、カメラ３０からの画像情報に基づいて、虚像１９０の投影位置を設定する。ここでいう投影位置は主に運転者から虚像１９０までの距離を指す。

［１−１−２．ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成］
図２は、本開示の実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置１の構成の例を示すブロック図である。

ヘッドアップディスプレイ装置１は、光学系部５０と制御部６０とを備える。

制御部６０は、例えばＣＰＵ又はＭＰＵで構成され、メモリに格納されたプログラムを実行することで、各種の機能を実現する。制御部６０は、専用に設計された電子回路や再構成可能な電子回路などのハードウェア回路（ＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ等）で構成されてもよい。制御部６０の機能は、ハードウェアとソフトウェアとの協働で実現されてもよいし、ハードウェア（電子回路）のみで実現されてもよい。

制御部６０は、周辺情報取得部６１と、車両情報取得部６２と、光学制御部６３とを備える。

周辺情報取得部６１は、カメラ３０からの車両前方の画像情報を解析することにより、周囲の建物、風景や、路面上の対象物を検出し、自車両から建物や対象物までの距離情報を取得する。路面上の対象物としては例えば交差点である。

車両情報取得部６２は、車両の各種センサから速度情報を取得する。

光学制御部６３は、ナビゲーション装置２０からの地図情報に基づいて、周囲の建物、風景や、路面上の対象物を抽出する。光学制御部６３は、ナビゲーション装置２０からの車両の位置情報、地図情報に基づいて、車両から建物や対象物までの距離情報を求める。光学制御部６３は、求めた距離情報に基づいて、建物や対象物の近傍に虚像１９０が位置するように、光学系部５０に虚像１９０を投影させる。これにより、例えば、ナビゲーション装置２０の情報として、建物の近傍に施設情報を投影したり、交差点の近傍に経路案内情報を投影したりすることができる。

あるいは、光学制御部６３は、周辺情報取得部６１からの、自車両から建物や対象物までの距離情報に基づいて、建物や対象物の近傍に虚像１９０が位置するように、光学系部５０に虚像１９０を投影させてもよい。

また、光学制御部６３は、車両情報取得部６２からの車両の速度情報に基づいて、虚像１９０の投影位置を設定してもよい。たとえば、車両が高速で走行し、運転者の視点が遠くにある場合には、虚像を遠くに投影し、また、車両が低速で走行し、運転者の視点が近くにある場合には、虚像を近くに投影するように、虚像１９０の投影位置を設定してもよい。

光学系部５０は、虚像を投影するための光学系を含む。以下、ヘッドアップディスプレイ装置１の光学系部５０について説明する。なお、図３に示すヘッドアップディスプレイ装置１では光学系部５０のみが示されており、制御部６０を省略している（実施の形態２〜６についても同様）。

［１−１−３．ヘッドアップディスプレイ装置（光学系部）の構成］
図３は、本開示の実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置１の光学系部の構成の例を示す図である。

本実施の形態１のヘッドアップディスプレイ装置１は、表示部である表示素子１１０と、第１の光学部材である可動ミラー１２０と、調整部である可動部１３０と、第２の光学部材である第１のミラー１４０と第２のミラー１５０、とを備える。可動部１３０は、モータ１３１と送りねじ１３２を備える。

表示素子１１０は、運転者に対して表示する運行情報や経路情報などの表示画像となる光（以下、表示光と称す）を射出する。表示素子１１０は、たとえば、液晶表示モジュールであり、液晶表示パネル１１５、バックライト１１６を含む。表示素子１１０は、液晶表示パネル駆動用回路基板、導光板、レンズ、拡散板、バックライト用ヒートシンクなどを含んでいてもよい。

可動ミラー１２０は、表示素子１１０が射出した表示光を第１のミラー１４０に向けて反射する。実施の形態１において、可動ミラー１２０は、例えば略平面鏡である。

可動部１３０は、可動ミラー１２０の位置を調整する。図３に示すように、可動部１３０は、可動ミラー１２０を位置Ａと位置Ｂとの間で平行移動させる。

可動部１３０のモータ１３１は、例えば、上述した車両の各種センサからの検出信号や、ナビゲーション装置２０から出力される運転情報などに基づいて制御部６０により制御される。また、送りねじ１３２は、モータ１３１によって回転駆動される。可動部１３０は、送りねじ１３２の回転に伴い、可動ミラー１２０の位置を調整する。

第１のミラー１４０は、可動ミラー１２０が反射した表示光を第２のミラー１５０に向けて反射する。第１のミラー１４０は、たとえば凸面鏡である。

第２のミラー１５０は、第１のミラー１４０が反射した表示光を反射、および、集光させ、フロントガラス１７０に向けて射出させる。第２のミラー１５０は、たとえば凹面鏡である。

［１−２．動作］
［１−２−１．全体の動作］
実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置１の動作について説明する。

表示素子１１０より射出された表示光は、可動ミラー１２０で反射され、第１のミラー１４０及び第２のミラー１５０により反射、および、集光され、車のフロントガラス１７０で反射されて運転者の目１８０に到達する。

運転者の目１８０は、フロントガラス１７０の先の遠方に、表示素子１１０に表示された表示画像を、虚像１９０として視認する。

運転者の目１８０から虚像１９０までの距離（以下、虚像距離と記載）は、可動ミラー１２０を可動部１３０が位置Ａと位置Ｂの間で平行移動させることで変更できる。可動部１３０は、例えば、虚像１９０の表示位置を虚像１９０と虚像１９１の間で変更できる。

可動ミラー１２０の位置設定は、ＡＲ−ＨＵＤ用途としては、たとえば、上述したように、車両の走行位置情報、ナビゲーション装置２０の地図情報２１、あるいは、カメラ３０等及び周辺情報取得部６１などからの情報に基づいて、周囲の建物、風景や、路面上の対象物から車両までの距離に基づいて行われる。

また、上述したように、車両の各種センサからの車速情報に基づいて可動ミラー１２０の位置を設定しても良い。たとえば、車両が高速で走行し、運転者の視点が遠くにある場合には、虚像を遠くに投影し、また、車両が低速で走行し、運転者の視点が近くにある場合には、虚像を近くに投影するように、可動ミラー１２０の位置を設定してもよい。これにより、運転者の視点移動を軽減することができる。

さらに、運転者自身が、視力などの生理的要因や、運転姿勢などの好みに応じて虚像を見やすいと感じる距離に適宜調節してもよい。

［１−２−２．表示素子１１０における表示領域］
実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置１の動作について説明する。

図４Ａ〜４Ｄは、実施の形態１における可動ミラー１２０の位置と表示素子１１０における表示領域の関係を説明する図である。図４Ｂ、図４Ｄにおいて破線領域１１１は表示素子１１０において、表示画像を表示可能な領域である。本開示では、領域１１１において、実際に表示画像を表示する領域を「表示領域」と称する。

表示素子１１０から射出した表示光は、可動ミラー１２０に対して斜めに入射する。可動ミラー１２０が可動部１３０により移動した場合に、第１のミラー１４０への入射位置をほぼ同じに保つためには、表示素子１１０上の表示領域を可動ミラー１２０の位置に応じて変更すればよい。そこで、ヘッドアップディスプレイ装置１の制御部６０は、可動部１３０から入力される可動ミラー１２０の位置情報に応じて、表示素子１１０の表示画像の表示領域を制御する。表示素子１１０は制御部６０の制御に応じて、表示画像の表示位置を変更する。具体的には、表示素子１１０は、可動ミラーの位置情報に応じて、バックライト１１６により照明光の照明範囲を変化させる。このように動作させることで、効率的に照明でき、また、不要な迷光の発生を抑止できる。

例えば、図４Ａは、可動ミラー１２０が可動部１３０により、Ａの位置に設定されている場合を示す。この場合、表示領域は領域ａに設定される。図４Ｂは図４Ａの場合に、表示素子１１０を正面から見た場合を示す。図４Ｂに示すように、表示素子１１０の領域１１１の上部側の領域ａにおいて、表示領域が設定される。

図４Ｃは、可動ミラー１２０が可動部１３０により、Ｂの位置に設定されている場合を示す。この場合、表示領域は領域ｂに設定される。図４Ｄは図４Ｂの場合に、表示素子１１０を正面から見た場合を示す。図４Ｄに示すように、表示素子１１０の領域１１１の下部側の領域ｂにおいて、表示領域が設定される。

［１−２−２．可動ミラーの位置と表示領域］
以下、図５を用いて可動ミラー１２０の位置と表示素子１１０における表示領域の関係を定量的に説明する。

図５は、本開示の実施の形態１における可動ミラー１２０の位置と表示素子１１０上の表示領域の関係を説明するための図である。

図５は、可動ミラー１２０がＢの位置にある場合を示す。図５は、視野中心における虚像の中心部の光束のうち、第１のミラー１４０の略中央部で反射する光線Ｒ１の光路を描いている。光線Ｒ１は表示素子１１０から射出される際に表示素子１１０の法線Ｌ１に対して角度φで射出され、可動ミラー１２０に入射角θで入射し、可動ミラー１２０で反射される。即ち、可動ミラー１２０の法線Ｌ２と光線Ｒ１のなす角がθである。

可動ミラー１２０が、位置Ｂから位置Ａへと平行移動した場合、可動ミラー１２０で反射された後の光線Ｒ１と同じ光路を通る表示素子１１０からの射出光線は、波線で示す光線Ｒ２となる。ここで、可動ミラー１２０の移動距離をδｄとすると、表示素子１１０上での光線Ｒ１の射出位置と光線Ｒ２の射出位置の間隔δｙは（数１）で表わせる。

即ち、可動ミラー１２０の平行移動量δｄに対して、（数１）に基づくδｙだけ表示素子１１０上での表示画像の表示領域を移動させると、可動ミラー１２０の位置に関らず、第１のミラー１４０による反射後の画像中心の光線の光路を同一に保てる。そのため、虚像の投影距離を変えても、虚像は運転者の眼から見て同じ方向に投影される。

なお、ヘッドアップディスプレイ装置１が形成する虚像を背景と一致させて観察するような場合においては、近景では眼から背景までの角度（俯角）が大きく、遠景では俯角が小さくなる傾向がある。そのような場合、俯角の違いに応じて虚像の投影方向を調整する必要がある。虚像の投影方向の調整は、虚像の投影方向の調整に必要な分だけ、（数１）のδｙで示す表示領域のシフト量を適宜増減することで実現できる。

また、虚像の投影距離は、表示素子１１０から第１のミラー１４０までの表示光の光路長が変わることで変化するが、表示素子１１０から第１のミラー１４０までの表示光の光路長の変化量δｚは（数２）で表される。

なお、図５において、可動ミラー１２０がＢの位置にあるときの表示素子１１０から第１のミラー１４０までの光路長をｌ１とし、可動ミラー１２０がＡの位置にあるときの表示素子１１０から第１のミラー１４０までの光路長をｌ２とすると、光路長ｌ１と光路長ｌ２の差分が光路長の変化量δｚに相当する。

（数２）から明らかなように、θとφを適切に設定すれば、表示素子１１０から第１のミラー１４０までの間隔の変化量δｚを、可動ミラー１２０の移動距離δｄよりも大きくすることが可能である。これは、表示素子１１０そのものを直接に平行移動させる場合よりも少ない移動範囲で投影距離を調節できることを示している。即ち、可動部１３０全体をより小さく構成することが可能であり、装置としてより好ましい。

具体的には、θの絶対値は小さいほど、可動ミラー１２０の移動距離δｄに対する表示素子１１０から第１のミラー１４０までの間隔の変化量δｚを大きく取れ、θが大きくなるにつれてその効果が低減する。実質上、θが５０度を超えて大きくなると、移動距離が大きくなりすぎて好ましくない。なお、θが０の場合は可動ミラー１２０に光が垂直入射する場合であり、その場合、可動ミラー１２０の反射光は第１のミラー１４０の方向ではなく、表示素子１１０に戻ってしまう。即ち、θは０であってはならず、少なくとも５度以上、より好ましくは１０度以上の角度を取ることが好ましい。

ヘッドアップディスプレイ装置１に外部から光が入射すると、この入射光が表示素子１１０上で反射されて運転者の眼に入射する可能性がある。この現象は、表示素子の法線の方向に光を出射するように設計された表示素子１１０Ｘを用い、この表示素子１１０Ｘからの光が虚像を形成するように表示素子１１０Ｘを配置するときに生じる（図５の破線）。

この現象を防ぐため、表示素子１１０を以下のように構成してもよい。すなわち、表示素子１１０を、光Ｒ１が表示素子１１０の法線Ｌ１に対して所定の方向ｄ１に傾いて出射するように設計し、この表示素子１１０からの光Ｒ１が虚像を形成するように表示素子１１０を傾けて配置する。光Ｒ１を傾ける所定の方向ｄ１は、虚像の表示距離を短くするように可動ミラー１２０を移動させたときに（図５の方向ｄ２）、表示素子１１０上の画像の表示位置をシフトさせる方向ｄ３（図２Ｂの領域ａ側）と同じに設計する。換言すれば、上記したように表示素子１１０Ｘを配置するときよりも（図５の破線）、表示素子１１０における上記の方向ｄ３側の部分が可動ミラー１２０に近づくように表示素子１１０を傾斜させて配置する。この配置において、法線Ｌ１に対して光Ｒ１を傾ける角度φの絶対値を大きく設定することにより、外部からの入射光が運転者の眼に入射することを防ぐことができる。また、この配置により、（数２）及び図５から明らかなように、表示素子１１０から第１のミラー１４０までの間隔の変化量δｚを、可動ミラー１２０の移動量δｄよりも大きくすることが可能である。

［１−３．まとめ］
以上のように、本実施の形態において、ヘッドアップディスプレイ装置１は、表示素子１１０と、可動ミラー１２０と、第１及び第２のミラー１４０，１５０と、可動部１３０とを備える。表示素子１１０は、表示画像となる光を射出する。可動ミラー１２０は、表示素子１１０が射出した光を最初に反射する。第１及び第２のミラー１４０，１５０は、可動ミラー１２０の反射光を反射して、虚像１９０を投影させる。可動部１３０は、可動ミラー１２０の位置を調整し、虚像１９０の投影距離を調整する。可動ミラー１２０は、可動ミラー１２０に入射し、可動ミラー１２０が反射する光が、可動ミラー１２０の法線Ｌ２と非平行となる位置に配置される。

このヘッドアップディスプレイ装置１において、可動ミラー１２０は、表示素子１１０が射出した光を入射し、反射する光が表示素子１１０の法線と非平行となる位置に配置される。可動ミラー１２０が反射した光は第１のミラー１４０、第２のミラー１５０で反射された後、フロントガラス１７０で反射され、これにより運転者の目１８０に虚像が投影される。また、可動部１３０は、可動ミラー１２０の位置を可変にすることができる。この構成により、可動部１３０は可動ミラー１２０を移動させることで、虚像１９０の表示位置を調整することができる。

ここで、従来、表示素子の位置を調整することにより、虚像の投影距離を調整するヘッドアップディスプレイ装置が知られている。表示素子は発熱量が大きいため、ヒートシンクを備える必要があり、重い。そのため、表示素子を高速に移動させることが困難であり、その結果、虚像１９０の投影距離を高速に変更することが困難であった。

これに対して、本実施の形態では、ヒートシンクを備える表示素子１１０と比較して軽い可動ミラー１２０を移動させるので、可動ミラー１２０を比較的に高速かつ安定的に移動させることができる。そのため、虚像１９０の投影距離を比較的に高速かつ安定的に変更することができる。

また、可動ミラー１２０は、表示素子から出射される比較的にビーム径が小さい光を最初に反射する光学部材である。そのため、可動ミラー１２０は比較的に小さく、可動ミラー１２０を比較的に高速かつ安定的に移動させることができ、その結果、虚像１９０の投影距離を比較的に高速かつ安定的に変更することができる。

従って、投影される虚像の表示距離を、高速かつ安定的に変更可能な、小型構成のヘッドアップディスプレイ装置を提供できる。

なお、本実施の形態において、表示素子１１０から射出された表示光が反射されるミラーの配置順は、可動ミラー１２０、第１のミラー１４０、第２のミラー１５０の順として説明したが、必ずしもこの順序に限定されることは無い。例えば、第１のミラー１４０と第２のミラー１５０の間に可動ミラー１２０を配置する構成でもよい。ただし、表示素子１１０から射出された光束の光束幅は、ミラーで反射されるごとに太くなる。そのため、表示素子１１０から射出された光束を最初に反射するミラーを可動ミラー１２０とすることにより、可動ミラー１２０の面積を小さくすることが可能である。これは、可動部１３０の小型化や、モータ１３１に必要な駆動力を小さく取ることが可能となり、機器設計をする上において好ましい。

なお、本実施の形態では、第１のミラー１４０を凸面球面ミラー、第２のミラー１５０を凹球面ミラーとして、２枚のミラーを用いた虚像投影光学系として説明したが、これに限ったものではない。それぞれのミラーは、球面凹面鏡、球面凸面鏡、非球面凹面鏡、非球面凸面鏡、または、自由曲面鏡であってもよい。

また、虚像投影光学系を構成するミラーの枚数も２枚に限定されず、１枚であっても、３枚以上であっても構わない。

（実施の形態２）
［２−１．構成］
図６は、本開示の実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイ装置２の構成の例を示す図である。ヘッドアップディスプレイ装置２は、車のフロントガラス１７０近傍に設置されているコンバイナ１７１に表示光を投影するヘッドアップディスプレイ装置である。

ヘッドアップディスプレイ装置２は、表示部である表示素子１１０、第１の光学部材である可動ミラー１２０、可動部１３０、第２の光学部材である第１のミラー１４０を備える。図６において、図３と同じ動作を行う構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。実施の形態１のヘッドアップディスプレイ装置１は、フロントガラス１７０で表示光を反射させている。これに対して、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ装置２では、第２のミラー１５０を備えておらず、コンバイナ１７１で表示光を反射させている点を除いて、その構成や動作は実施の形態１と同様である。

［２−２．動作］
コンバイナ１７１は入射した光の一部を反射し、一部を透過する光学素子である。運転者の目１８０は、コンバイナ１７１を透過してきた前景の像とコンバイナ１７１で反射された虚像１９０とを視認することが出来る。コンバイナ１７１は、球面の凹面、あるいは、非球面の凹面、あるいは、自由曲面の凹面として構成されている。

本実施の形態においては、表示素子１１０からの表示光は、可動ミラー１２０及び、第１のミラー１４０で反射された後、コンバイナ１７１で反射されて運転者の目１８０に到達する。

［２−３．まとめ］
実施の形態２のヘッドアップディスプレイ装置２は、表示素子１１０が射出した表示光を可動ミラー１２０と第１のミラー１４０でコンバイナ１７１に向けて反射し、虚像を投影させる。また、可動部１３０は、可動ミラー１２０の位置を変更することができる。

この構成により、可動部１３０は可動ミラー１２０を移動させることで、虚像１９０の表示位置を調整することができる。

従って、投影される虚像の表示距離を、高速かつ安定的に変更可能な、小型構成のヘッドアップディスプレイ装置を提供できる。

（実施の形態３）
［３−１．構成］
図７は、本開示の実施の形態３におけるヘッドアップディスプレイ装置３の光学系の構成の例を示す図である。ヘッドアップディスプレイ装置３は、車のフロントガラス１７０近傍に設置されているコンバイナ１７１に光を投影するタイプのヘッドアップディスプレイ装置である。

ヘッドアップディスプレイ装置３は、表示部である表示素子１１０、第１の光学部材である可動ミラー１２１、及び可動部１３０を備える。図７において、図３および図６と同じ動作を行う構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。

本実施形態の可動ミラー１２１は、自由曲面形状を有するミラーである。可動ミラー１２０を自由曲面形状とすることにより、先の実施の形態で用いていた第１のミラー１４０を省略し簡素な光学系を実現している。

［３−２．動作］
本実施の形態においては、表示素子１１０からの表示光は、可動ミラー１２１で反射された後、コンバイナ１７１で反射されて運転者の目１８０に到達する。

［３−３．まとめ］
実施の形態３のヘッドアップディスプレイ装置３、表示素子１１０と自由曲面形状を有する可動ミラー１２１を備え、コンバイナ１７１に向けて表示光を射出する。また、可動ミラー１２１は可動部１３０により、その位置を変更することができる。

この構成により、可動部１３０は可動ミラー１２０を移動させることで、虚像１９０の表示位置を調整することができる。また、可動ミラー１２１を自由曲面形状とすることで、光学系を簡素化できる。

従って、投影される虚像の表示距離を、高速かつ安定的に変更可能な、小型構成のヘッドアップディスプレイ装置を提供できる。

なお、可動ミラーを自由曲面形状にすることは、実施の形態１に示したようなフロントガラス１７０で反射させる構成においても有効である。実施の形態１に示した構成において、可動ミラー１２０を自由曲面形状とすることで、第１のミラー１４０を省略し、より簡素な光学構成を実現できる、あるいは、第１のミラー１４０を省略しない場合には、より高画質の虚像を提示可能となる。

なお、可動ミラー１２０は、非球面鏡または、球面鏡であってもよい。

（実施の形態４）
［４−１．構成］
図８は、本開示の実施の形態４におけるヘッドアップディスプレイ装置４の光学系部の構成の例を示す図である。ヘッドアップディスプレイ装置５は、車両のフロントガラス１７０に光を投影するタイプのヘッドアップディスプレイ装置である。

ヘッドアップディスプレイ装置４は、表示部である表示素子１１０、第１の光学部材である可動ミラー１２０、可動部１３０、第２の光学部材である第１のミラー１４０、第２のミラー１５０、及び画像処理部４１０を備える。図８において、図３と同じ構成要素、及び同じ動作を行う構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。

ヘッドアップディスプレイ装置４は、実施の形態１と異なり、表示素子１１０に表示する映像または画像を補正するための画像処理部４１０を有している。画像処理部４１０は、上記した制御部６０内に設けてもよいし、制御部６０とは別に設けてもよい。

［４−２．動作］
実施の形態１の構成では、表示素子１１０に表示される映像または画像に対する、投影される虚像の倍率は虚像距離に比例して変化する。したがって、虚像距離の変化に対し、運転者から視認される虚像の画角が変わる。すなわち、運転者から任意の距離における虚像を見た場合の見かけ上のサイズが変わる。また、虚像距離を変えることにより、第１のミラー１４０及び第２のミラー１５０によって形成される虚像投影光学系による歪曲収差の量が変化する。

また、歪曲収差により虚像が歪み、実質的な虚像サイズが拡大、または、縮小するため、虚像距離を変えることにより、見かけ上の虚像サイズはさらに変化する。

したがって、同一の映像または画像を視認しながら虚像距離を変えると、虚像の見かけ上のサイズ及び歪み具合が変化し、虚像の視認性が低下するという課題がある。

図８の構成は、上記課題を解決するものである。ヘッドアップディスプレイ装置４は、可動ミラー１２０の位置情報に同期した信号である虚像距離信号を受信し、虚像距離信号が示す虚像距離に連動して、画像処理部４１０により表示素子１１０に表示する映像または画像を拡大、または、縮小する。なお、虚像距離信号は、制御部６０によって、可動ミラー１２０の移動量、又は、虚像の投影距離の調整量に基づいて生成される。これにより、虚像距離が変化しても、運転者から見た任意の距離における虚像のサイズを一定とすることが可能となる。

また、前述した、虚像距離の変化により発生する虚像の歪みは、表示素子１１０に表示する映像または画像を、予め取得した補正量に基づき、虚像の歪みと逆方向に故意に歪ませることで、補正を行うことが可能である。したがって、画像処理部４１０により、虚像位置信号に連動して、表示素子１１０に表示する映像または画像を前記補正により歪ませることで、運転者から見た任意の距離における虚像の形状を一定とすることが可能となり、投影される虚像の歪みを低減できる。

［４−３．まとめ］
本実施の形態のヘッドアップディスプレイ装置４は、表示素子１１０が表示する映像または画像を補正するための画像処理部４１０を備える。

これにより、虚像距離を変更しても、虚像の見かけ上のサイズを一定に保ち、歪曲収差を低減することができる。

なお、本実施の形態では、画像処理部４１０は、虚像距離を変更しても虚像のサイズを一定とするように、表示画像の表示倍率を調整した。しかし、画像処理部４１０は、虚像距離に応じて虚像のサイズを変更するように、表示画像の表示倍率を調整してもよい。例えば、画像処理部４１０は、虚像距離が遠い場合には虚像のサイズが小さくなり、虚像距離が近い場合には虚像のサイズが大きくなるように、表示素子１１０に表示する映像を拡大、または、縮小する。このように、虚像のサイズを一定にするのではなく、遠近法を利用しても、虚像の視認性を高めることができる。

（実施の形態５）
［５−１．構成］
図９は、本開示の実施の形態５におけるヘッドアップディスプレイ装置５の光学系部の構成の例を示す図である。ヘッドアップディスプレイ装置５は、車両のフロントガラス１７０に光を投影するヘッドアップディスプレイ装置である。

ヘッドアップディスプレイ装置５は、表示部である表示素子１１０、第１の光学部材である可動ミラー１２０、可動部１３０、第２の光学部材である第１のミラー１４０、第２のミラー１５０および、第３のミラー５１０を備える。図９において、図３と同じ構成要素、及び同じ動作を行う構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。

図９は、図３の構成に、第３のミラー５１０を加えている。これにより、１つの装置に、それぞれ虚像距離の異なる２つの虚像を表示する光学系を配置したヘッドアップディスプレイ装置を構成する。

第３のミラー５１０は、可動ミラー１２０が反射しなかった表示光を反射する。第３のミラー５１０の位置は、固定されている。

［５−２．動作］
図９において、表示素子１１０の一部より射出された第１の表示光は、図３と同様に、可動ミラー１２０で反射され、第１のミラー１４０及び第２のミラー１５０により集光された後、フロントガラス１７０で反射されて運転者の目１８０に到達する。運転者の目１８０は、フロントガラス１７０の先の遠方に、表示素子１１０に射出された第１の表示光を、第１の虚像１９０として視認する。

また、表示素子１１０の他の一部から射出された第２の表示光は、第３のミラー５１０により反射され、第１のミラー１４０及び第２のミラー１５０により集光された後、フロントガラス１７０で反射され、運転者の目１８０に到達する。運転者の目１８０は、フロントガラス１７０の先の遠方に、表示素子１１０から射出された第２の表示光を、第２の虚像１９２として視認する。第２の表示光は、可動ミラー１２０が反射しない表示光である。

図９において、可動ミラー１２０を位置Ａから位置Ｂに移動させることにより、第１の虚像の虚像距離を虚像１９０から虚像１９１の範囲で変更することができる。また、第２の虚像の虚像距離は可動ミラー１２０の位置によらず虚像１９２の位置に表示される。

これにより、前景の任意の虚像距離に適宜表示したい情報は、前記第１の虚像として表示し、例えば速度や警告などの前景に重ねる必要のない情報は、前記第２の虚像として、常に一定の虚像距離に配置することができる。このように、２つの画面を表示可能なヘッドアップディスプレイ装置を実現することが可能となる。

［５−３．まとめ］
本実施の形態のヘッドアップディスプレイ装置５は、ヘッドアップディスプレイ装置１の構成に第３の光学部材である第３のミラー５１０を設けた。可動ミラー１２０は、表示素子１１０が射出する一部の第１の表示光を反射し、第３のミラー５１０は、表示素子１１０が射出する光のうち、可動ミラー１２０が反射しなかった光の一部の第２の表示光を反射する。

これにより、表示素子１１０が射出する表示光に別の光路を設けることが出来る。そのため、２つの虚像を同時に表示可能となる。

なお、本実施の形態においては、１つの表示素子１１０から第１の表示光と第２の表示光を射出したが、表示素子を複数設け、第１の表示光と第２の表示光をそれぞれ別の表示素子から射出する構成にしてもよい。

また、第３のミラー５１０は、その位置が固定されたものとして説明したが、第３のミラー５１０にも可動ミラー１２０と同様の可動部を設けて第２の虚像の虚像距離も可変とする構成にしてもよい。

また、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ装置５では、実施の形態１のヘッドアップディスプレイ装置１の構成を元に構成したが、実施の形態２あるいは実施の形態３のヘッドアップディスプレイ装置においても、第３の光学部材である第３のミラー５１０を設けてもよい。これにより、本実施の形態で説明した装置と同じ機能を実現できる。

（実施の形態６）
図１０は、本開示の実施の形態６におけるヘッドアップディスプレイ装置６の構成例を示す概略側面図である。図１０において、図３と同じ構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。

図３に示す実施の形態１では、第２の光学部材における第１のミラー１４０として平面ミラーを用いた。図１０に示す本実施の形態は、第２の光学部材として第１のミラー１４０に代えて球面レンズ６４０を用いる構成で実施の形態１と異なる。

すなわち、本実施の形態では、ヘッドアップディスプレイ装置１は、表示素子１１０と、可動ミラー１２０と、球面レンズ６４０及び第２のミラー１５０と、可動部１３０とを備える。表示素子１１０は、表示画像となる光を射出する。可動ミラー１２０は、表示素子１１０が射出した光を最初に反射する。球面レンズ６４０は可動ミラー１２０の反射光を透過し、第２のミラー１５０は可動ミラー１２０の反射光を反射することにより、球面レンズ６４０及び第２のミラー１５０は虚像１９０を投影させる。可動部１３０は、可動ミラー１２０の位置を調整し、虚像１９０の投影距離を調整する。可動ミラー１２０は、可動ミラー１２０に入射し、可動ミラー１２０が反射する光が、可動ミラー１２０の法線Ｌ２と非平行となる位置に配置される（図５参照）。

これにより、たとえば、反射鏡の代わりにレンズを用いることで、光路を曲げずに投影光学系を構成できるため、小型構成のヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。

なお、球面レンズ６４０に代えて、非球面レンズ、自由曲面レンズなどを用いても良い。

また、第２の光学部材における第２のミラー１５０に代えて、球面レンズ、非球面レンズ、自由曲面レンズなどを用いても良い。この場合、このミラーと、レンズ６４０と、可動ミラー１２０とは直線上に配置される。

また、実施の形態２〜５においても、第２の光学部材としてのミラーの代わりに、球面レンズ、非球面レンズ、自由曲面レンズなどを用いて虚像投影光学系を構成しても良い。

以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１〜６を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１〜６で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示にかかるヘッドアップディスプレイ装置は、車両用のヘッドアップディスプレイ装置に限らず、航空機、電車、船舶、特殊車両などにおいても適用することができる。

１、２、３、４、５、６ ヘッドアップディスプレイ装置
１０ 車両
２０ ナビゲーション装置
２１ 地図情報
２２ 位置情報取得部
３０ カメラ
５０ 光学系部
６０ 制御部
６１ 周辺情報取得部
６２ 車両情報取得部
６３ 光学制御部
１１０ 表示素子（表示部）
１１５ 液晶表示パネル
１１６ バックライト（照明部材）
１２０、１２１ 可動ミラー（第１の光学部材）
１３０ 可動部（調整部）
１３１ モータ
１３２ 送りねじ
１４０ 第１のミラー（第２の光学部材）
１５０ 第２のミラー（第２の光学部材）
１７０ フロントガラス
１７１ コンバイナ
１８０ 運転者の目
１９０、１９１、１９２ 虚像
４１０ 画像処理部
５１０ 第３のミラー
６４０ 球面レンズ

Claims (13)

1. 表示画像となる光を射出する表示部と、
   前記表示部が射出した光を最初に反射する第１の光学部材と、
   前記第１の光学部材の反射光を反射あるいは透過して、虚像を投影させる、１つまたは複数の第２の光学部材と、
   前記第１の光学部材の位置を調整し、前記虚像の投影距離を調整する調整部とを備え、
   前記第１の光学部材は、前記第１の光学部材に入射する光が、前記第１の光学部材の法線と非平行となるような位置に配置され、
   前記表示部は、前記第１の光学部材の位置に応じて、前記表示部の表示領域における前記表示画像の表示位置を変更する、
   ヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記調整部は、前記第１の光学部材を、前記第１の光学部材と前記第２の光学部材との間の面間隔を変える方向に移動させる請求項１記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記第１の光学部材は、略平面鏡である請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記第１の光学部材は、自由曲面鏡又は非球面鏡又は球面鏡である請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記表示部は照明部材を備え、
   前記照明部材は前記表示位置に応じて照明範囲を変化させる請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記第１の光学部材の移動距離をδｄ、前記表示部に表示する表示画像の中心を射出する第１の光線が前記表示部の法線となす角をφ、前記第１の光線が前記第１の光学部材に入射する角度をθとするとき、前記表示部の表示画像を前記第１の光学部材の移動に合わせて移動する距離をδｙとしたときに、次式の関係が満たされる、
   

   

   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
7. 前記表示部は、前記表示部の法線に対して所定の方向に光を傾けて出射し、かつ、前記光が前記虚像を形成するように配置され、
   前記所定の方向は、前記虚像の表示距離を短くするときに前記表示部上の画像の表示位置をシフトさせる方向と同じである、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
8. 前記調整部は、車両の走行位置情報に基づき虚像の投影位置を調整する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
9. 前記調整部は、車速情報に基づき虚像の投影位置を調整する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
10. 前記表示画像を調整する画像処理部を備え、
    前記画像処理部は、前記第１の光学部材の位置に応じて、前記表示画像の表示倍率を調整する請求項１記載のヘッドアップディスプレイ装置。
11. 前記表示画像を調整する画像処理部を備え、
    前記画像処理部は、前記第１の光学部材の位置に応じて、前記表示画像の画像歪を補正する請求項１記載のヘッドアップディスプレイ装置。
12. 前記表示部が射出した光を反射する第３の光学部材を備え、
    前記第２の光学部材は、前記第３の光学部材の反射光を反射あるいは透過して、前記虚像とは別の虚像を投影させる請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
13. 請求項１〜１２の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置を備えた車両。

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