JP6342704B2

JP6342704B2 - 表示装置

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Publication number: JP6342704B2
Application number: JP2014098294A
Authority: JP
Inventors: 中村　剛; 中村　　剛
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2034-05-12
Also published as: US9857668B2; WO2015174238A1; DE112015002228T5; JP2015215476A; DE112015002228B4; US20170023789A1

Description

本発明は、観察者の視線上に虚像を表示する表示装置に関する。

走行速度等の運転情報を発する表示器と、表示器から発せられた運転情報を所望の位置で所望の大きさの表示像として結像させるレンズ等の光学部材と、を備えた表示ユニットを車両のダッシュボードに埋設し、表示器から発せられた運転情報をフロントガラスへ照射することにより、車両の前方の前記所望の位置に風景に重ねて表示像を結像させる表示装置はヘッドアップディスプレイと呼ばれ周知である。

この種のヘッドアップディスプレイは、従来の指針直読式計器と比べ、運転者の視線移動量が少なくて済むため読み取り性に優れている。

しかしながら、従来のヘッドアップディスプレイは、車両の走行速度が上昇すると、運転者の目の焦点距離が遠方へ移動し、視界範囲が狭くなるため、高速走行時には以下のような問題があった。

表示像までの距離が短いと、目の焦点位置を背景から表示像に移動するのに時間を要する。そのため、背景と表示像とを交互に見比べるために運転者（観察者）の疲労が大きくなる。また、運転者の視界範囲が狭くなると表示像の占有割合が大きくなり、煩わしく感じるようになる。

これらの問題を解決するために特許文献１には、高速走行時に表示距離を遠くにし、１文字当たりのドット数を小さくすることが記載されている。

特開平５−１４７４５６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の車両用表示装置の場合、表示距離を変更させるためにドット型液晶表示素子からなる表示器を移動させるため、筐体が大型化し、コストアップの要因となる。また、１文字当たりのドット数を小さくするということは、１文字当たりの画素数を減少させることとなるので表示品位が悪化するという問題がある。

そこで、本発明は、上述した問題に鑑み、状況に応じて適切な表示を行うことができる表示装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、観察者の視線上に虚像を表示する表示装置において、前記虚像となる映像を投影する投影手段と、前記投影手段からの映像が投影されるスクリーンと、前記スクリーンに投影された映像を拡大する拡大手段と、前記スクリーンを前記投影手段の光軸と平行な方向に移動させる移動手段と、前記前記投影手段の光束量を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段が、前記スクリーンの表示輝度を一定にするように、前記スクリーンの位置に応じて前記投影手段の光束量を制御する、ことを特徴とする表示装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、車両に搭載され、前記車両の走行速度を取得する速度取得手段と、前記速度取得手段が取得した前記車両の走行速度に基づいて前記移動手段を制御する第１制御手段と、を有していることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、車両に搭載され、前記車両の走行位置を取得する位置取得手段と、前記位置取得手段が取得した前記車両の位置に基づいて前記移動手段を制御する第２制御手段と、を有していることを特徴とするものである。

以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、移動手段によってスクリーンを投影手段の光軸と平行な方向に移動させているので、スクリーンを移動させるのみで、表示距離や表示サイズを変更することができるために、状況に応じて適切な表示を低コストで実現することができる。

請求項２に記載の発明によれば、第１制御手段が、速度取得手段が取得した車両の走行速度に基づいて移動手段を制御するので、例えば、高速走行時には遠方に小さく表示、低速走行時には近くに大きく表示といった制御をすることができる。

請求項３に記載の発明によれば、第２制御手段が、位置取得手段が取得した車両の位置に基づいて移動手段を制御するので、例えば、市街地を走行中は近くに大きく表示をし、障害物警報やナビゲーション情報などの詳細な情報を表示させることができる。

本発明の第１の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の構成図である。図１に示されたヘッドアップディスプレイ装置におけるスクリーンの移動と表示との関係の説明図である。図１に示されたヘッドアップディスプレイ装置におけるスクリーンの移動と表示との関係の説明図である。拡大光学系を通して物体を観察したときの虚像の説明図である。虚像の位置と大きさの算出方法の説明図である。物体の位置が変化した際の虚像の変化についての説明図ある。物体の高さが変化した際の虚像の変化についての説明図である。物体の位置と高さが変化した際の虚像の変化についての説明図である。本発明の第２の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の構成図である。

（第１実施形態）
次に、本発明の第１の実施形態を図１乃至図８を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態にかかる表示装置としてのヘッドアップディスプレイ装置の構成図である。

本発明の第１の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置１は、自動車等の車両に搭載され、図１に示したようにＨＵＤ本体２と、ウインドシールド３と、を備えている。

ＨＵＤ本体２は、投影手段としてのプロジェクタ２１と、被投影手段としてのスクリーン２２と、平板ミラー２３、２４と、拡大手段としての拡大光学系２５と、移動手段としての駆動部２６と、速度取得手段、第１制御手段としての制御部２７と、を有している。ＨＵＤ本体２は、車両のインストルメントパネルのウインドシールド３下端近傍に収容されている。そして、プロジェクタ２１からウインドシールド３に向けて映像が投影され、ウインドシールド３を透して視認される車両の前景と、ウインドシールド３で反射され観察者に虚像Ｖとして観察される映像と、を重畳視認させる。なお、図１の符号Ｅは、運転者（観察者）の目の位置であるアイポイントを示している。

プロジェクタ２１は、所定の光源及びレンズ等を備えるとともに、外部から入力される映像信号や同期信号などに基づいて、映像光を生成してスクリーン２２へ投影するものである。プロジェクタ２１としては、例えば、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）と光源等を備えたプロジェクタを用いることができる。或いは、液晶パネルとこれを透過照明する光源等を備えた液晶プロジェクタ等を用いることも可能である。即ち、プロジェクタ２１は虚像Ｖとなる映像を投影している。

スクリーン２２は、その背面側にプロジェクタ２１から投影された映像光を拡散する光拡散性を有した透過型スクリーンであり、例えば、透光性樹脂に微粒子からなる光拡散材を含有させて光拡散性を有するように形成されている。また、スクリーン２２は、駆動部２６によってプロジェクタ２１から発生される映像光の光軸ａｘ１に平行な方向に沿って移動自在となっている。また、スクリーン２２は、その中央部を光軸ａｘ１が貫通するように配置されることが好ましい。

平板ミラー２３は、プロジェクタ２１の光軸ａｘ１上かつスクリーン２２の移動範囲外に配置され、スクリーン２２が拡散した映像光を平板ミラー２４へ向けて反射する。平板ミラー２４は、平板ミラー２４が反射した映像光を拡大光学系２５へ向けて反射する。

拡大光学系２５は、平板ミラー２４が反射した映像光を拡大してウインドシールド３に投影するレンズ等を有する光学系である。なお、拡大光学系２５や、平板ミラー２３、２４は、これらに代えて凹面ミラーを用いてもよい。つまり、スクリーン２２が拡散した映像光を凹面ミラーが拡大してウインドシールド３に反射するように構成してもよい。

ウインドシールド３は、例えば、合わせガラス、ＩＲカットガラス、ＵＶカットガラス等を用いて、車両の外径に応じて縦方向及び横方向に湾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３は、車室内の運転者の視線は透過するとともに、ＨＵＤ本体２から投影された映像は視線方向に反射する。

駆動部２６は、例えばアクチュエータ等により構成され、制御部２７からの指示によりスクリーン２２を光軸ａｘ１と平行な方向に移動させる。駆動部２６は、プロジェクタ２１が配置されている位置と平板ミラー２３が配置されている位置の間のうち、虚像Ｖの表示位置や表示サイズを変化させる範囲に応じて定められる任意の区間を移動させる。

制御部２７は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリ等を内蔵したマイクロコンピュータ（マイコン）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、あるいはマイコンとＡＳＩＣの組み合わせ等により構成される。また、制御部２７は、後述する速度センサ４からの信号が入力されるインタフェース等も備えている。

ＨＵＤ装置１には速度センサ４が接続されている。速度センサ４は、例えば、車軸等と共に回動して磁石の回転に応じて車速パルス信号を出力する素子であり、速度センサ４の出力信号は制御部２７に入力される。そして、制御部２７では、車速パルス信号の周期から速度を算出することができる。

このように構成されたＨＵＤ装置１は、虚像Ｖが、車両前方の運転者の視線上のウインドシールド３を挟んだ位置に表示される。

次に、上述した構成のＨＵＤ装置１における映像表示について、図２および図３を参照して説明する。図２および図３は、図１の構成をプロジェクタ２１と、スクリーン２２と、拡大光学系２５と、に簡略化した図である。なお、アイポイントＥは、拡大光学系２５の焦点位置Ｆよりも遠くにあるものとする。

図２に示したように、プロジェクタ２１からスクリーン２２を遠ざけるように移動させると、スクリーン２２に投影される映像が大きくなる。そのため、拡大光学系２５から虚像までの距離が短くなっても映像の表示サイズが大きくなる。

一方、図３に示したように、プロジェクタ２１にスクリーン２２を近づけるように移動させると、スクリーン２２に投影される映像が小さくなる。そのため、拡大光学系２５から虚像までの距離が長くなっても映像の表示サイズが小さくなる。

ここで、スクリーン投影像の位置と表示サイズを変化させた際の虚像の振る舞いについて、図４乃至図８を参照して説明する。

図４は、拡大光学系２５を通して物体Ｘを観察したときの虚像Ｖの説明図である。図４に示したように、拡大光学系２５の焦点位置より近い位置に物体Ｘを配置すると、物体Ｘから拡大光学系２５を通して射出される光線はわずかに拡がる光となる。この拡がる光を拡大光学系２５から逆方向に延長して交わる（収束する）位置に虚像Ｖが現れる。

そして、図４に示した物体Ｘ上の任意の点Ａは、図５に示したように、拡大光学系２５を通すと、点Ａ´の位置に虚像として観察される。なお、図５の符号Ｐは拡大光学系２５上における点Ａの高さ、符号Ｏは拡大光学系２５の主点、符号Ｆは拡大光学系２５の焦点位置、符号ａは拡大光学系２５から物体Ｘまでの距離、符号ｂは拡大光学系２５から虚像Ｖまでの距離、符号ｆは拡大光学系２５の焦点距離、符号ｈは物体Ｘの高さ、符号ｈ´は虚像Ｖの高さをそれぞれ示している。

ここで、拡大光学系２５から虚像Ｖまでの距離ｂは以下の（１）式で表される。
１／ａ−１／ｂ＝１／ｆ・・・（１）
「／」は除算を示す。

また、虚像Ｖの高さｈ´は物体Ｘの高さｈに倍率ｍを掛けることで算出できる。
ｈ´＝ｍ×ｈ・・・（２）
ｍ＝ｂ／ａ・・・（３）

次に、物体Ｘの位置と高さが変化した際の虚像Ｖの変化について図６乃至図８を参照して説明する。図６は、図４の状態から物体Ｘの位置を拡大光学系２５から遠ざけるように変化させた場合の図である。図６に示したように、物体Ｘを拡大光学系２５から拡大光学系２５の主点Ｏと焦点Ｆとを通る軸ａｘ２に平行な方向に沿って遠ざけると、物体Ｘ上の任意の点Ａは、点Ｂに平行移動する。すると、拡大光学系２５による拡大率が上がるため虚像Ｖの距離も遠くなる。つまり、点Ａ´が点Ａ´よりも拡大光学系２５から遠い点Ｂ´に移動する。

図７は、図４の状態から物体Ｘの高さを低くするように変化させた場合の図である。図７に示したように、物体Ｘの高さを低くすると、物体Ｘ上の任意の点Ａは、点Ｃに移動する。すると、虚像Ｖの高さも低くなる。すると、拡大光学系２５による拡大率は変わらないため、点Ａ´が点Ａ´よりも軸ａｘ２に近い点Ｃ´に移動する。

したがって、虚像Ｖの位置を遠くし、高さを低くするには、図８に示したように、物体Ｘの位置を拡大光学系２５から遠ざけて、物体Ｘの高さを低くすればよい。つまり、これを図１に示したＨＵＤ装置１に当てはめると、軸ａｘ２＝光軸ａｘ１とすれば、図３に示したように、スクリーン２２をプロジェクタ２１に近づけると、スクリーン２２に投影される映像が小さくなる。これは、物体Ｘの高さを低くすることに相当する。また、スクリーン２２をプロジェクタ２１に近づけると、拡大光学系２５からスクリーン２２が遠ざかることとなり、虚像Ｖの位置がアイポイントＥから遠ざかる。これは、物体Ｘを拡大光学系２５から遠ざけることに相当する。

一方、図２に示したように、スクリーン２２をプロジェクタ２１から遠ざけると、スクリーン２２に投影される映像が大きくなる。これは、物体Ｘの高さを高くすることに相当する。また、スクリーン２２をプロジェクタ２１から遠ざけると、拡大光学系２５にスクリーン２２が近づくこととなり、虚像Ｖの位置がアイポイントＥに近づく。これは、物体Ｘを拡大光学系２５に近づけることに相当する。

そのため、図１のように構成することによって、スクリーン２２をプロジェクタ２１から遠ざけると、虚像ＶがアイポイントＥに近づくとともに、映像が大きく表示される。スクリーン２２をプロジェクタ２１に近づけると、虚像ＶがアイポイントＥから遠ざかるとともに、映像が小さく表示される。

スクリーン２２の移動、つまり、駆動部２６の制御は、制御部２７が速度センサ４から取得する車両の走行速度（車速パルス信号）に基づいて制御する。例えば、車両の走行速度が高くなるにしたがってスクリーン２２がプロジェクタ２１から遠ざかるように制御することで、高速走行時には、虚像Ｖを遠くかつ小さく表示することができる。即ち、制御部２７が、車両の走行速度を取得して、取得した車両の走行速度に基づいて駆動部２６（移動手段）を制御している。

なお、スクリーン２２は車両の走行速度の変化に合わせて逐次移動させるようにしてもよい。あるいは、光軸ａｘ１のプロジェクタ２１に近い位置からα、β、γの３か所を設定し、走行速度が０ｋｍ／ｈ以上３０ｋｍ／ｈ未満の場合は、スクリーン２２をγに位置させ、走行速度が３０ｋｍ／ｈ以上６０ｋｍ／ｈ未満の場合は、スクリーン２２をβに位置させ、走行速度が８０ｋｍ／ｈ以上の場合は、スクリーン２２をαに位置させるといったように、複数の速度閾値に基づいて定められた位置に移動するようにしてもよい。

これらの制御の際の虚像Ｖの位置や表示サイズは上述した（１）式〜（３）式に基づいて予め求めることで、各速度に応じて好適な位置やサイズに設定することができる。

なお、スクリーン２２の表示サイズが変わると表示輝度が変わるため、表示輝度を一定にするようにスクリーン２２の位置に応じてプロジェクタ２１の光束量の制御を制御部２７が行うことが好ましい。

本実施形態によれば、虚像Ｖとなる映像を投影するプロジェクタ２１と、プロジェクタ２１からの映像が投影されるスクリーン２２と、スクリーン２２に投影された映像を拡大する拡大光学系２５と、を有するＨＵＤ装置１において、駆動部２６によってスクリーン２２をプロジェクタ２１の光軸ａｘ１と平行な方向に移動させている。このようにすることにより、スクリーン２２を移動させるのみで、虚像Ｖまでの表示距離、即ち虚像Ｖの表示位置や虚像Ｖの表示サイズを変更することができるため、状況に応じて適切な表示を低コストで実現することができる。

また、表示サイズが変化しても、画素数（ドット数）は変化しないため、表示品位が悪化することがない。

また、制御部２７が、速度センサ４から取得した車両の走行速度に基づいて駆動部２６を制御するので、例えば、高速走行時には遠方に小さく表示、低速走行時には近くに大きく表示といった制御をすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を図９を参照して説明する。なお、前述した第１の実施形態と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。図９は本発明の第２の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の構成図である。

本発明の第２の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置１は、図２に示したように、ＨＵＤ本体２と、ウインドシールド３と、を備えている。

ＨＵＤ本体２は、第１の実施形態と略同様であるが、制御部２７が制御部２７´に変更されている。位置取得手段、第２制御手段としての制御部２７´は、ナビゲーション装置５が接続されている。

ナビゲーション装置５は、周知のように、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信器等の現在位置を取得する手段と、地図情報が格納されたハードディスク等の記憶手段と、地図や案内情報等を表示する液晶ディスプレイ等の表示手段と、現在位置から設定された目的地までの経路の探索等を行うＣＰＵ等の制御手段と、を有するものである。

本実施形態では、ナビゲーション装置５から現在位置と地図情報を取得し、現在位置が市街地である場合は、虚像ＶがアイポイントＥに近づくようにして、映像が大きく表示させる。そして、ナビゲーション装置５の案内情報等も合わせて表示する。あるいは図示しない障害物センサ（赤外線センサやレーダー等）が検出した障害物警報などの各種警報を表示してもよい。即ち、制御部２７´が、車両の走行位置を取得し、取得した車両の位置に基づいて駆動部２６（移動手段）を制御している。

なお、図９では、ナビゲーション装置５から現在位置と地図情報を取得していたが、別途ＧＰＳ受信器や地図情報等の市街地を判断できる情報を取得して判断するようにしてもよい。

本実施形態によれば、制御部２７´が、ナビゲーション装置５から取得した車両の位置に基づいて駆動部２６を制御するので、例えば、市街地を走行中は近くに大きく表示をし、障害物警報やナビゲーション情報などの詳細な情報を表示させることができる。

なお、上述した２つの実施形態を組み合わせてもよい。つまり、走行速度と位置とに基づいてスクリーン２２の位置を移動させてもよい。

また、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、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。かかる変形によってもなお本発明の表示装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

１ＨＵＤ装置（表示装置）
２１プロジェクタ（投影手段）
２２スクリーン（被投影手段）
２５拡大光学系（拡大手段）
２６駆動部（移動手段）
２７制御部（速度取得手段、第１制御手段）
２７´ 制御部（位置取得手段、第２制御手段）
３ウインドシールド
４速度センサ
５ナビゲーション装置

Claims

観察者の視線上に虚像を表示する表示装置において、
前記虚像となる映像を投影する投影手段と、
前記投影手段からの映像が投影されるスクリーンと、
前記スクリーンに投影された映像を拡大する拡大手段と、
前記スクリーンを前記投影手段の光軸と平行な方向に移動させる移動手段と、
前記前記投影手段の光束量を制御する制御手段と、
を有し、
前記制御手段が、前記スクリーンの表示輝度を一定にするように、前記スクリーンの位置に応じて前記投影手段の光束量を制御する、
ことを特徴とする表示装置。
車両に搭載され、
前記車両の走行速度を取得する速度取得手段と、
前記速度取得手段が取得した前記車両の走行速度に基づいて前記移動手段を制御する第１制御手段と、
を有していることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
車両に搭載され、
前記車両の走行位置を取得する位置取得手段と、
前記位置取得手段が取得した前記車両の位置に基づいて前記移動手段を制御する第２制御手段と、
を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の表示装置。