JP6547492B2

JP6547492B2 - ヘッドアップディスプレイ装置

Info

Publication number: JP6547492B2
Application number: JP2015148509A
Authority: JP
Inventors: 貴之波田野
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2019-07-24
Anticipated expiration: 2035-07-28
Also published as: WO2017018197A1; US20180203228A1; JP2017026978A

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

従来のヘッドアップディスプレイ装置は、例えば、特許文献１に開示されるように、表示器から発せられる表示光を凹面鏡で拡大し、この拡大した表示光をフロントガラスに照射する。視認者は、フロントガラスに反射した表示光を受けることで、フロントガラスを通じて見える背景に、その表示光に係る虚像を重ねて視認可能である。

特開２００６−９１４８９号公報

特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイ装置は、表示器として液晶表示素子を備える。この液晶表示素子からの表示光は、フロントガラスでの反射率を高めるために、Ｐ偏光成分よりもＳ偏光成分が多くなるように設定されている。ここで、偏光サングラスは、その機能から一般的に、表示光のＳ偏光成分をカットするように構成されている。そのため、視認者が偏光サングラスを着用した場合には、表示光が偏光サングラスを透過する際に、その表示光の輝度（表示輝度）が大きく低下する。従って、視認者が偏光サングラスを着用するか否かによって、虚像の見え方が大きく変わってしまうことから、視認者に違和感を与えるおそれがある。

例えば、液晶表示素子に代えてＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子を用いた表示器が提案されている。ＤＭＤ素子を用いた表示器は、通常、略無偏光の表示光を照射する。フロントガラスにおける偏光サングラスの透過軸に対応するＰ偏光成分の反射率はＳ偏光成分の反射率に比べて小さいものの、フロントガラスに反射した表示光にはＰ偏光成分が含まれている。このため、ＤＭＤ素子を用いた表示器を採用することで、偏光サングラスの着用による表示輝度の低下は、液晶表示素子を用いた表示器に比べて小さくなる。

しかしながら、偏光サングラスの着用による表示輝度の低下は依然として小さくなく、
特に、偏光サングラスの着用による、表示輝度の低下と背景輝度の低下とのバランスが悪いことが問題となる。具体的には、背景輝度に対応する自然光は無偏光であるためフロントガラスに反射した表示光に比べてＰ偏光成分が多い。従って、偏光サングラスの非着用時を基準とした偏光サングラスの着用時の表示輝度の比率は、背景輝度の比率に比べて大きくなる。視認者は表示と背景とを重畳的に視認することから、偏光サングラスの着用に伴う背景輝度の低下と表示輝度の低下とのバランスが悪くなることで、視認者に違和感を与えるおそれがある。この課題は、ＤＭＤ素子を用いた表示器に限らず、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）及びＶＦＤ（Vacuum Fluorescent Display）等の自発光素子等を用いた表示器においても生じうる。

本発明は、上記実状を鑑みてなされたものであり、偏光サングラスの着用による視認者に与える違和感を低減したヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、ガラスに対して、前記ガラスの反射面に対応付けられたＰ偏光成分及びＳ偏光成分を所定の割合で含む表示光を照射するヘッドアップディスプレイ装置において、無偏光の光を発する表示器と、前記ガラスを反射した前記表示光における前記Ｐ偏光成分が前記ガラスを透過した自然光における前記Ｐ偏光成分に近づくように、前記無偏光の光において前記Ｓ偏光成分より前記Ｐ偏光成分を多く透過させる偏光部材と、を備える。

本発明によれば、偏光サングラスの着用による視認者に与える違和感を低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が搭載された車両の模式図である。本発明の第１の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成及びフロントガラスへの表示光の入射角度を示す概略図である。本発明の第１の実施形態に係る表示器及び偏光部材を示した斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る偏光サングラス着用による背景輝度及び表示輝度の比率を示した図である。

（第１の実施形態）
以下に、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の第１の実施形態について図１〜図４を参照しつつ説明する。

本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０は、図１に示すように、例えば、車両２００のダッシュボード内に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、車両２００のフロントガラス２０１に向けて画像を表す表示光Ｌを出射する。視認者１（主に車両２００の運転者）は、フロントガラス２０１で反射した表示光Ｌを受けて、フロントガラス２０１を通して見える背景に重畳した虚像Ｖを視認可能となる。

（ヘッドアップディスプレイ装置１０の構成）
詳しくは、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、図２に示すように、ケース１１と、表示器１２と、偏光部材１３と、折り返しミラー１４と、凹面鏡１５と、を備える。

ケース１１は、非透光性樹脂材料又は金属材料で形成されるとともに、中空の略直方体をなす。ケース１１には、そのフロントガラス２０１に対向する位置にケース１１の厚さ方向に貫通した開口部１１ａが形成されている。開口部１１ａには、表示光Ｌが透過するアクリルなどの透光性樹脂材料からなる湾曲板状の透光部材１１ｂが嵌め込まれている。ケース１１の内部には、ヘッドアップディスプレイ装置１０の各構成が収容されている。

表示器１２は、制御部（図示略）による制御のもと、所定の画像を表す表示光Ｌを出射する。詳しくは、表示器１２は、光を放射するバックライト１２ａと、バックライト１２ａからの光に基づき所定の画像を表す表示光Ｌを生成するＤＭＤ素子１２ｂと、ＤＭＤ素子１２ｂによって生成された表示光Ｌを拡大する投射レンズ１２ｃと、投射レンズ１２ｃからの表示光Ｌを投影するスクリーン１２ｄと、を備える。表示器１２は、液晶表示素子を備えた表示器と異なり、偏光板を有しない。このため、表示器１２から射出される表示光Ｌは略無偏光状態である。

偏光部材１３は偏光板であって、表示器１２からの表示光Ｌの光路上に設置されるとともに、略無偏光状態の表示光Ｌを、所定の偏光状態に変える機能を有する。偏光部材１３については後で詳述する。

折り返しミラー１４は平面反射鏡からなる。折り返しミラー１４は、表示器１２からの偏光部材１３を通過する表示光Ｌに対して略４５度の角度で配置されており、表示光Ｌを凹面鏡１５に向けて反射させる。

凹面鏡１５は、表示光Ｌをフロントガラス２０１に向けて反射させる。凹面鏡１５は表示光Ｌを拡大させつつ反射させる。

（フロントガラスの構成及び作用）
フロントガラス２０１は、図２に示すように、表示光Ｌを視認者１に向けて反射させる。フロントガラス２０１を反射面として考えた場合、表示光Ｌは、図３に示すように、フロントガラス２０１に対してＳ偏光軸１００Ｓに沿って振動するＳ偏光成分と、フロントガラス２０１に対してＰ偏光軸１００Ｐに沿って振動するＰ偏光成分とに分けることができる。Ｓ偏光軸１００Ｓ及びＰ偏光軸１００Ｐは、互いに直交している。Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分は、表示光Ｌのフロントガラス２０１への入射角θによってそれぞれ反射率が異なる。入射角θは、図２に示すように、表示光Ｌとフロントガラス２０１の法線との間の角度を指す。入射角θと反射率との関係はフレネルの反射の法則により算出される。一般的に、フロントガラス２０１への表示光Ｌの入射角θは、車種に依って異なるが、概ね５０度から７５度の範囲内である。本実施例では、フロントガラス２０１への表示光Ｌの入射角θは７０度である。

Ｐ偏光成分は、フレネルの反射の法則からもわかるように、入射角θに依って反射率が大きく増減する。例えば、フロントガラス２０１の屈折率が約１．５である場合、およそ入射角θ５７度がブリュースター角となる。フロントガラス２０１への表示光Ｌの入射角θは、ブリュースター角の近辺に該当する。このため、Ｐ偏光成分の反射率は、Ｓ偏光成分の反射率に比べて小さくなる。本実施例では、フロントガラス２０１での反射率はＳ偏光成分で４１％、Ｐ偏光成分で７％である。

視認者１は、虚像Ｖ及び背景を視認する際、偏光サングラス３０を着用することが想定される。一般的に、偏光サングラス３０は、その特性上、光のうちＳ偏光成分を透過させない機能を有する。本実施例では、偏光サングラス３０は、自然光透過率３３％、偏光度９５％であり、偏光サングラス３０の透過軸の透過率は６４％、非透過軸の透過率は１．７％である。

（偏光部材１３の構成及び機能）
上述のように、フロントガラス２０１におけるＰ偏光成分の反射率が小さいため、一般的に、フロントガラス２０１を反射する表示光Ｌにおいて、Ｐ偏光成分はＳ偏光成分に比べて少なくなり易い。よって、従来の構成では、フロントガラス２０１を反射する表示光ＬのＰ偏光成分と、無偏光状態にある自然光のＰ偏光成分との差が大きくなり易い。本実施形態における偏光部材１３は、フロントガラス２０１を反射した表示光ＬのＰ偏光成分が自然光のＰ偏光成分に近づくように、Ｓ偏光成分よりもＰ偏光成分を多く通過させる。好ましくは、偏光部材１３は、フロントガラス２０１に対してのＰ偏光成分を７５％以上透過し、フロントガラス２０１に対してのＳ偏光成分を５％〜５０％の範囲で透過する。

例えば、偏光部材１３における自然光の透過率は６０％であって、偏光度は４５％である。偏光部材１３は、図３に示すように、偏光透過軸１１３を持つ。偏光透過軸１１３は、フロントガラス２０１のＰ偏光軸１００Ｐに沿って延び、かつフロントガラス２０１のＳ偏光軸１００Ｓに直交する。

（偏光サングラスの着用に伴う輝度低下）
図４に示す表は、偏光サングラス３０を着用していないときの視認者１から見た背景輝度及び表示輝度を１００％（基準）とした場合における、偏光サングラス３０の着用したときの背景輝度及び表示輝度の比率を示す。この背景輝度は、車両外側からの自然光がフロントガラス２０１を透過した光に基づき決まる輝度である。すなわち、背景輝度を決定する光は、フロントガラス２０１を透過する光であるため、単純な自然光に比べると、Ｐ偏光成分の占める割合が多くなる。本実施例では、自然光透過率３３％の偏光サングラス３０を取り挙げて説明するが、前述したように背景輝度を決定する光は自然光と比べてＰ偏光成分を多く含むため、本実施形態では、偏光サングラス３０の非着用時を基準とした偏光サングラス３０の着用時の背景輝度の比率は４２％となる（偏光サングラス３０の自然光透過率３３％より大きくなる）。一方、表示輝度は、フロントガラス２０１に反射した表示光Ｌに基づき決まる輝度である。比較例としての本実施形態の偏光部材１３を設置しない構成の場合、偏光サングラス３０の非着用時を基準とした偏光サングラス３０の着用時の表示輝度の比率は１１％である。この比較例においては、偏光サングラス３０の着用による表示輝度の比率（１１％）と、背景輝度の比率（４２％）との比が約０．２６となる。これに対して、本実施形態では、偏光サングラス３０の非着用時を基準とした偏光サングラス３０の着用時の表示輝度の比率を２１％に留めることができる。すなわち、本実施形態では、偏光サングラス３０の着用による表示輝度の比率（２１％）と、背景輝度の比率（４２％）との比が約０．５０となる。この比は、偏光サングラス３０の着用による視認者１に与える違和感を低減するために、０．５〜１の範囲内となることが好ましい。

（効果）
以上、説明した第１の実施形態によれば、以下の効果を奏する。

（１）ヘッドアップディスプレイ装置１０は、フロントガラス２０１に対して、フロントガラス２０１の反射面に対応付けられたＰ偏光成分及びＳ偏光成分を所定の割合で含む表示光Ｌを照射する。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、無偏光の光を発する表示器１２と、フロントガラス２０１を反射した表示光ＬのＰ偏光成分がフロントガラス２０１を通過した自然光のＰ偏光成分に近づくように、表示器１２からの無偏光の光におけるＳ偏光成分よりＰ偏光成分を多く透過させる偏光部材１３と、を備える。

この構成によれば、視認者１に照射される表示光ＬのＰ偏光成分を多くすることができる。偏光サングラス３０におけるＰ偏光成分の透過率はＳ偏光成分に比べて十分に高い。このため、偏光サングラス３０の非着用時を基準とした、偏光サングラス３０の着用時の表示輝度の比率を、偏光サングラス３０の着用時の背景輝度の比率に近づけることができる。これにより、偏光サングラス３０の着用に伴う背景輝度の低下と表示輝度の低下とのバランスを改善することができ、ひいては、視認者１に与える違和感を低減することができる。

（２）偏光部材１３は、表示器１２からの無偏光の光におけるＰ偏光成分を７５％以上透過し、表示器１２からの無偏光の光におけるＳ偏光成分を５％〜５０％の範囲で透過する。この構成によれば、視認者１に照射される表示光ＬにＳ偏光成分が混ぜられる。このＳ偏光成分は偏光サングラス３０によりほぼカットされるため、偏光サングラス３０の着用によって表示輝度を適度に低下させることができる。例えば、偏光サングラスを着用したのにも関わらず、表示輝度が全く低下しない場合には、背景輝度との関係で、視認者１に違和感を与える。この点、本実施形態においては、偏光サングラス３０の着用によって表示輝度を低下させることができるため、視認者１に与える違和感を低減することができる。

（３）偏光部材１３は、偏光サングラス３０の非着用時を基準とした場合において、偏光サングラス３０の着用時の視認者１から見た表示光Ｌの輝度（表示輝度）の比率と、偏光サングラス３０の着用時の視認者１から見た自然光の輝度（背景輝度）の比率との比が０．５〜１（本実施形態では約０．５０）の範囲内となるように、表示器１２からの光を透過させる。この構成によれば、偏光サングラス３０の着用に伴う背景輝度の低下と表示輝度の低下とのバランスを、視認者１に大きな違和感を与えない程度に設定することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態においては、偏光部材１３は、偏光サングラス３０の非着用時を基準とした偏光サングラス３０の着用時における背景輝度及び表示輝度の比率が同等となるように設定されている。本実施形態において、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、偏光部材１３の偏光度等の諸条件を除いて、第１の実施形態と同様の構成を備える。
（計算式の説明）
具体的には、偏光度Ｐは、一般的に、以下の式（１）から算出される。
偏光度Ｐ=（（Ｈ０−Ｈ９０）／（Ｈ０＋Ｈ９０））^１／２・・・（１）
なお、上記式（１）において、パラレルニコル透過率Ｈ０及びクロスニコル透過率Ｈ９０は以下の式（２）及び（３）から導出される。
Ｈ０＝０．５×（Ｋ１^２＋Ｋ２^２）・・・（２）
Ｈ９０＝Ｋ１×Ｋ２・・・（３）
ここで、Ｋ１は、透過軸方向偏光透過率であって、Ｋ２は非透過軸方向偏光透過率である。
また、自然光透過率Ｙは以下の式（４）から算出される。
Ｙ＝（Ｋ１＋Ｋ２）／２・・・（４）

（偏光サングラス３０及び偏光部材１３の諸条件）
まず、本実施形態における偏光サングラス３０の条件について説明する。
偏光サングラス３０において、Ｋ１＝０．６３７９、Ｋ２＝０．０１７４である場合、上記式（４）により、自然光透過率Ｙは０．３２７７（３２．７７％）となる。なお、背景輝度を決定するフロントガラス２０１を透過した光は、上述したようにＰ偏光成分の割合が多い。具体的には、フロントガラス２０１が、表示光Ｌの入射角θが７０度となる角度に傾けられ、屈折率が１．５、内部透過率が０．８５とした場合、フロントガラス２０１を透過した光の光強度のうちＰ偏光成分の比率は０．６４１９（６４％）となる。この場合、偏光サングラス３０の非着用時を基準とした偏光サングラス３０の着用時の背景輝度の比率は４２％となる。

次に、本実施形態における偏光部材１３の条件について説明する。なお、透過軸方向偏光透過率Ｋ１は、偏光部材１３の偏光透過軸１１３における透過率を表す。非透過軸方向偏光透過率Ｋ２は、偏光部材１３の偏光透過軸１１３に直交する方向における透過率を表す。

偏光部材１３において、Ｋ１＝０．９０００、Ｋ２＝０．０８４２である場合、上記式（２）及び（３）により、Ｈ０＝０．４０８５、Ｈ９０＝０．０７５８となり、さらに、上記式（１）により偏光度Ｐ＝０．８２８９となる。すなわち、偏光部材１３の偏光度は、小数点以下第２位を四捨五入することで約０．８に設定されている。

フロントガラス２０１への表示光Ｌの入射角θが７０度であって、偏光部材１３の偏光度Ｐが０．８２８９（小数点以下第２位を四捨五入することで約０．８）に設定された場合、上記条件の偏光サングラス３０の着用による偏光サングラス３０の非着用時を基準とした表示輝度の比率が０．４１５４９（約４２％）と算出される。従って、偏光サングラス３０の非着用時を基準とした、偏光サングラス３０の着用時の輝度の比率を、背景輝度及び表示輝度で同一に設定することができる。

（効果）
以上、説明した第２の実施形態によれば、特に以下の効果を奏する。

（４）フロントガラス２０１への表示光Ｌの入射角は７０度であって、偏光部材１３の偏光度は約０．８に設定される。従って、偏光サングラス３０の非着用時を基準とした、偏光サングラス３０の着用時の表示輝度の比率と偏光サングラス３０の着用時の背景輝度の比率とを同一に設定することができる。これにより、偏光サングラス３０の着用によって背景輝度及び表示輝度のバランスが変化することがいっそう抑制され、ひいては視認者１へ与える違和感を最小限とすることができる。

（変形例）
なお、上記各実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。

上記実施形態においては、ＤＭＤ素子１２ｂを備えた表示器１２であったが、ＬＥＤ、ＶＦＤのような自発光素子を備えた表示器であってもよい。

第１の実施形態においては、偏光部材１３は、Ｐ偏光成分を７５％以上透過し、Ｓ偏光成分を５％〜５０％の範囲で透過していたが、偏光サングラス３０の着用によって視認者１に大きな違和感を与えない限り、Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分の透過率を変更してもよい。例えば、偏光部材１３は、Ｓ偏光成分を完全に透過させないようにしてもよい。

第１の実施形態においては、偏光サングラス３０の非着用時を基準とした、偏光サングラス３０の着用時の表示輝度の比率と背景輝度の比率との比が０．５〜１の範囲内の約０．５０であったが、この比は、偏光サングラス３０の着用によって視認者１に大きな違和感を与えない範囲内であれば、０．５〜１の範囲外に設定されてもよい。

第１及び第２の実施形態においては、偏光部材１３は、表示器１２と別に設けられていたが、表示器１２の一部として設けられていてもよい。

第１及び第２の実施形態においては、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、フロントガラス２０１に表示光Ｌを投射していたが、フロントガラス２０１以外のガラスに表示光Ｌを投射してもよい。

第１及び第２の実施形態では、ヘッドアップディスプレイ装置１０は車載されていたが、車載用に限らず、飛行機、船等の乗り物に搭載されてもよい。

１…視認者
１０…ヘッドアップディスプレイ装置
１１…ケース
１２…表示器
１２ａ…バックライト
１２ｂ…ＤＭＤ素子
１２ｃ…投射レンズ
１２ｄ…スクリーン
１３…偏光部材
１４…折り返しミラー
１５…凹面鏡
３０…偏光サングラス
１００Ｓ…Ｓ偏光軸
１００Ｐ…Ｐ偏光軸
１１３…偏光透過軸
２００…車両
２０１…フロントガラス（ガラス）

Claims

ガラスに対して、前記ガラスの反射面に対応付けられたＰ偏光成分及びＳ偏光成分を所定の割合で含む表示光を照射するヘッドアップディスプレイ装置において、
無偏光の光を発する表示器と、
前記ガラスを反射した前記表示光における前記Ｐ偏光成分が前記ガラスを透過した自然光における前記Ｐ偏光成分に近づくように、前記無偏光の光において前記Ｓ偏光成分より前記Ｐ偏光成分を多く透過させ、偏光サングラスの非着用時を基準とした場合における、前記偏光サングラスの着用時の視認者から見た前記表示光の輝度の比率と、前記偏光サングラスの着用時の前記視認者から見た自然光の輝度の比率との比が０．５〜１の範囲内となるように、前記無偏光の光を透過させる、偏光部材と、を備える、
ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
前記偏光部材は、前記無偏光の光のＰ偏光成分を７５％以上透過し、前記無偏光の光のＳ偏光成分を５％〜５０％の範囲で透過する、
ことを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
前記ガラスへの前記表示光の入射角は７０度であって、
前記偏光部材の偏光度は約０．８に設定される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。