JP6680298B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば自動車での使用を主たる用途とするヘッドアップディスプレイ装置、より詳細には、半透明の表示部材（コンバイナー）を介して、コンバイナーを透過する光により視認される車両前方風景と、コンバイナーで反射する光により提供される画像や情報をドライバー（観察者）の視野において重ねて視認させることが可能なヘッドアップディスプレイ装置に関する。
ドライバーの視野に直接情報を映し出す手段として、ヘッドアップディスプレイ装置が知られている。これは、例えば、自動車の運転中、車両内で計器類の速度などの情報を直接、ドライバーの前方に虚像として映し出すため、視線及び焦点を変化させることなく運転でき、事故防止につながる機能を有しているものである。
近年、自動車安全基準に関する関心の高まりを受け、ドライバーの負荷を軽減させることが可能なヘッドアップディスプレイ装置について、一段と普及が促進されるものと期待が高まっている。
ヘッドアップディスプレイ装置の一タイプとして、車両のダッシュボードに専用のコンバイナーを設置したものがある。かかるタイプのヘッドアップディスプレイ装置は、フロントウィンドウに直接投影するタイプのものに比べ、光学系の設計が特定の車種に限定されないという点で汎用性が高いため、搭載される車種が広がるにつれて採用されるケースが相対的に多くなることが期待されている。
また、このようなヘッドアップディスプレイ装置は、一般的な自動車での使用に留まらず、これに準じる用途として、特殊な作業用車両や航空機などにおいても同様の装置構成により操作者を支援することができ、ヘッドアップディスプレイ技術の広く速やかな普及を支えるうえで主要な位置を占めているといえる。
ところでコンバイナーを搭載した車両等において、太陽光等、車両外部から入射する外光がコンバイナーの上端面で反射してドライバーの瞳に入射(一次反射という)したり、コンバイナーの上端面で反射してフロントウィンドウに映り込み、その反射像がドライバーの瞳に入射（ウィンドウ反射という）したりして、煩わしさを生じさせるという問題がある。
これに対して、特許文献１では、コンバイナーの上端面を粗面化することにより光を拡散させ、一次反射を抑制している。また、特許文献２では、コンバイナーの上端面に粗面化の一種として特定の微細形状を設けることで、フロントウィンドウに向かって反射する光を低減させ、これによりウィンドウ反射を抑制している。
確かに従来技術にあるように、コンバイナーの上端面を粗面化したり微細形状を設けることでもある程度一次反射やウィンドウ反射を低減することができる。しかしながら、コンバイナーにおいては、しばしばキズ対策や表面の硬度の確保や反射防止膜やハーフミラー層などを保護するなどの目的でハードコート等のコーティングを施したい場合に、粗し面や微細な凹凸形状を設けた状態でコーティングを行おうとすると、コーティング時に凹凸が埋まってならされてしまい光の散乱効果が消失する恐れがあることが判明した。また、ハードコート等のコーティングをしない場合であっても、粗面化をする以外に反射を低減できる手法が望まれていた。
本発明は、車両外部からの外光の反射光が観察者の目へ入射することを確実に低減できる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。
上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映したヘッドアップディスプレイ装置は、表示光を出射する描画ユニットと、該描画ユニットから出射された表示光が投影される投影面を備えた表示部材とを有し、前記投影面へ表示光が出射されたとき、前記表示光が前記投影面で反射することによって、前記表示光が表す像を虚像として観察可能とすると共に、前記表示部材を透過した実像を観察可能とするヘッドアップディスプレイ装置において、
前記表示部材は、前記虚像及び前記実像を観察する観察者から遠い側の光学面と、前記観察者に近い側の光学面と、前記一対の光学面の周囲を繋ぐ端面とを有する板材からなり、いずれかの光学面が前記投影面となっており、
前記投影面の中点を通り前記投影面に沿って水平方向に延在する線上において任意の点の接平面をとったとき、前記接平面に直交し且つ前記任意の点を通り上下方向に延在する仮想面で前記表示部材を切断した際の断面において、前記任意の点を通り前記接平面に直交する基準線から前記端面までの距離が、前記観察者に近い側の光学面から、前記観察者から遠い側の光学面に向かうにつれて単調減少する端面主面が形成されており、前記端面主面は前記表示部材の厚さ方向において前記端面の７割以上であり、前記断面において、以下の式を満たすものである。
θｅ≧（ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（θｎ−θｃ））＋ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（−２×θｎ−θｃ）））／２ （１）
但し、
θｅ：前記基準線と前記観察者の視線とのなす角(°)、
θｎ：前記端面主面の任意点における法線と前記基準線とのなす角(°)、
ｎｄ：波長５５５ｎｍにおける前記表示部材の屈折率、
θｃ：臨界角(°)＝ａｒｃｓｉｎ（１／ｎｄ）
前記表示部材は、前記虚像及び前記実像を観察する観察者から遠い側の光学面と、前記観察者に近い側の光学面と、前記一対の光学面の周囲を繋ぐ端面とを有する板材からなり、いずれかの光学面が前記投影面となっており、
前記投影面の中点を通り前記投影面に沿って水平方向に延在する線上において任意の点の接平面をとったとき、前記接平面に直交し且つ前記任意の点を通り上下方向に延在する仮想面で前記表示部材を切断した際の断面において、前記任意の点を通り前記接平面に直交する基準線から前記端面までの距離が、前記観察者に近い側の光学面から、前記観察者から遠い側の光学面に向かうにつれて単調減少する端面主面が形成されており、前記端面主面は前記表示部材の厚さ方向において前記端面の７割以上であり、前記断面において、以下の式を満たすものである。
θｅ≧（ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（θｎ−θｃ））＋ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（−２×θｎ−θｃ）））／２ （１）
但し、
θｅ：前記基準線と前記観察者の視線とのなす角(°)、
θｎ：前記端面主面の任意点における法線と前記基準線とのなす角(°)、
ｎｄ：波長５５５ｎｍにおける前記表示部材の屈折率、
θｃ：臨界角(°)＝ａｒｃｓｉｎ（１／ｎｄ）
本発明によれば、車両外部からの外光の反射光が観察者の目へ入射することを確実に低減できる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。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を、車体ＶＨに搭載した状態を示す図である。車体ＶＨのダッシュボードＤＢ内には、描画ユニット１００が配置されており、ダッシュボードＤＢ上に固定配置された表示部材としてのコンバイナー２００に表示光を投影するようになっている。かかる表示光はコンバイナー２００により反射されて観察者であるドライバーＤＲの瞳に導かれ、虚像（表示像）を表示するようになっている。一方、ドライバーＤＲは虚像に重ねて、コンバイナー２００を透過した風景等の実像を観察することができる。コンバイナー２００は、折りたたみ式でダッシュボード内に収納可能となっていても良い。描画ユニット１００とコンバイナー２００とでヘッドアップディスプレイ装置を構成する。
図２は、描画ユニット１００の概略構成を示す図である。描画ユニット１００は、液晶表示パネル１１１を備えた描画デバイス１１０と、凹面鏡１２０と、ハウジング１３０とから主に構成されている。描画デバイスの構成は、例えば特開２０１２−２０３１７６号公報に詳細が記載されている。
液晶表示パネル１１１は、透明電極膜が形成された一対の透光性基板に液晶層を封入した液晶セルの前後両面に偏光板を貼着してなるものである。描画デバイス１１０内の不図示の光源から液晶表示パネル１１１面へ導かれた光線は、液晶表示パネル１１１を透過して表示光Ｌとなり、投射光学系を構成する凹面鏡（又は平面ミラー）１２０に照射され、ここで反射した後コンバイナー２００に向かうようになっている。
図３(ａ)は、コンバイナー２００の正面(ドライバー側)を示す図であり、図３(ｂ)は、図３(ａ)の構成をB-B線で切断して矢印方向に示す図であり、図３(ｃ)は、図３(ａ)の構成をC-C線で切断して矢印方向に示す図である。図において、コンバイナー２００は、厚さ２〜３ｍｍ(１０ｍｍ以下であると好ましい)の板状に形成され、投影部２０１と、一対の取付部２０２とを一体的に形成してなる。
投影部２０１は、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、アクリルなどの透明な樹脂を射出成形(型内圧センサ利用)により成形することによって成形できる。投影部２０１のドライバー側の面は虚像を形成するための投影面（一方の光学面）２０１ａである。虚像を形成するために、投影面２０１ａの曲率半径が１００ｍｍ以上の凹状のトーリック面(自由曲面又は球面でも良い)であり、投影部２０１の裏面（他方の光学面）２０１ｃは投影面２０１ａに類似した凸状の球面又は非球面である。投影部２０１の板厚は一定であると好ましいが、中心から離れるにしたがって厚みが増大又は減少するように構成しても良い。図３（ａ）において略中央部の点Ｏは投影面２０１ａの中点を示している。本実施形態においては、投影面２０１ａにおいて描画ユニット１００により映像が投影される領域の中央の位置を、投影面２０１ａの中点とする。
投影部２０１の端面として上端面２０１ｂと側端面２０１ｅなどがある。従来のコンバイナーにおいて端面を粗し面としたり微細な凹凸形状を設けたとしても、そもそも粗し面や微細な凹凸形状を設けるだけでは、一次反射やウィンドウ反射が十分低減できない恐れがある。また、コンバイナーにおいては、しばしばキズ対策として表面の硬度を確保するなどの理由でコーティングを施すことが行われるが、粗し面や微細な凹凸形状を設けた状態でコーティングを行おうとすると、コーティング時に凹凸が埋まってしまい光の散乱効果が消失する恐れがある。一方、コーティング時に端面をマスキングすることや後加工により粗し面や凹凸形状を設けることも考えられるが、工程が複雑になり、コスト増を招く。これに対し本実施形態のように、端面が裏面に向けて単調減少する形状となっていればコーティング処理時の問題はなくなり、またコストを低減できる。上端面２０１ｂの形状については後述する。側端面２０１ｅの形状を同様としても良い。投影部２０１の４つの角部にはラウンド形状の面取りを設けることができる。なお、端面は鏡面としてもよい。
投影面２０１ａは、曲率半径が１００ｍｍ以上、好ましくは２００ｍｍ以上、８００ｍｍ以下の球面又は非球面であって、公知のハーフミラー膜を蒸着することで、透過率７０％以上、８０％以下のハーフミラー機能を有すると好ましい。又、コンバイナー２００の表面全体にハードコートを形成すると、傷などがつきにくく好ましい。尚、コンバイナー２００にハードコートを付与した場合において、ハードコートの屈折率はコンバイナー２００の屈折率と略等しくすることが望ましく、それにより後述する式（１）〜（２）式において、ハードコートはコンバイナー２００の一部とみなすことができる。
ハードコートは、ディップ、スプレー、フロー、スピン等の方法を用いて塗工する。膜厚は0.5μm〜20μmの範囲で塗布し、好ましくは1μｍ〜10μmである。その後に、投影面２０１ａに、反射防止（ＡＲ）コート層として、ＳｉＯ2、ＳｉＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、またはＬａ2Ｏ2を含む膜構成が設けられ、ハーフミラー層として、ＳｉＯ2、ＳｉＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、またはＬａ2Ｏ2を含む膜構成が設けられる。尚、ハーフミラー層においては、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されることで所望の反射率特性が確保される。また、より良好な反射率特性を確保するため、あるいは基材、ハードコートとの密着性確保の観点から適宜任意の層間に中間屈折率層を挿入してもよい。また、ハードコート層の成膜時にはＩＡＤ等のイオンアシスト処理を実施しても良い。高屈折率材料としては、ＴｉＯ2、Ｌａ2Ｏ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2等を含む酸化物もしくは混合酸化物が好ましく、低屈折率材料としては、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3等を含む酸化物もしくは混合酸化物が好ましく、挿入する中間屈折率層としてはＡｌ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ2等を含む酸化物もしくは混合酸化物が好ましい。更に防汚コート層としてフッ素系の材料を使用し、真空蒸着による膜が構成される。尚、ディップコートなどの塗布によって防汚コート層を形成してもよい。成膜順序は、基材側から、ハーフミラーに関しては、ハードコート、ハーフミラーコート、防汚コートの順が好ましく、ARコートに関しては、ハードコート、ARコート、防汚コートの順であることが好ましい。
投影部２０１の下端面２０１ｄにつながる一対の取付部２０２は、互いに同じ形状の矩形状であり、投影面２０１ａと同一曲率半径である延長面を有すると好ましい。各取付部２０２には、２つの取付孔２０２ａ、２０２ｂが形成されており、それぞれ光軸に平行な軸線を有する。いずれかの取付孔２０２ａ、２０２ｂにボルトＢＴ(図２参照)を挿通して車体ＶＨの一部に螺合させることで、コンバイナー２００を車体ＶＨに取り付けることができる。
図４は、コンバイナー２００を模式的に示す断面図である。より具体的に図４は、投影面２０１ａの中点Ｏ（図３参照）を通り投影面２０１ａに沿って水平方向に延在する線ＬＮ（ここでは曲線、図３参照）上において任意の点Ａの接平面ＰＬをとったとき、点Ａを通り接平面ＰＬ（投影面２０１ａが平面である場合には投影面２０１ａ）に直交し且つ上下方向に延在する仮想面でコンバイナー２００を切断した断面を示している。
図４において、コンバイナー２００の端面である上端面２０１ｂ（上側の端面）は、裏面２０１ｃと接する面取り部Ｃ１と、投影面２０１ａと接する面取り部Ｃ２と、面取り部Ｃ１，Ｃ２間に形成された端面主面２０１ｑとから形成されている。面取り部Ｃ１，Ｃ２は断面が円弧形状であり、また外光に基づく反射の影響をできるだけ減らすために、コンバイナー２００の厚み方向において、面取り部Ｃ１の半径が０．１５ｍｍ以下、面取り部Ｃ２の半径が０．３ｍｍ以下であると好ましい。又、面取り部を除いた端面領域である端面主面２０１ｑは、コンバイナー２００の厚み方向において上端面２０１ｂの７割以上であることが好ましい。
面取り部Ｃ１、Ｃ２は、安全性確保の観点から設けることが義務付けられている国もあるが、面取り部Ｃ１、Ｃ２が存在することで、面取り部に起因した１次反射光や２次反射光やウィンドウ反射が少なからず発生してしまう可能性がある。特に観察者側に位置する面取り部Ｃ２に起因してウィンドウ反射が強まる可能性が考えられる。このウィンドウ反射を更に低減するという観点から、面取り部Ｃ２は算術平均粗さＲａが３μｍ以上となっているとより一層反射（１次反射、２次反射は勿論、特にウィンドウ反射に有効）を抑えることができて好ましい。より好ましくは面取り部Ｃ２だけでなく、端面主面２０１ｑの面取り部Ｃ２近傍の領域（端面主面の１割以上の領域）も算術平均粗さＲａが３μｍ以上となっていることが好ましい。端面主面が曲率を有している場合には、面取り部Ｃ２の形状との兼ね合いで、ウィンドウ反射が強まる可能性も考えられるが、端面主面２０１ｑの面取り部Ｃ２近傍の領域（端面主面の１割以上の領域）の算術平均粗さＲａが３μｍ以上となっていることで、光を散乱させることができ、ウィンドウ反射を低減することができる。さらに好ましくは面取り部Ｃ１や端面主面２０１ｑも含めた上端面２０１ｂも算術平均粗さＲａが３μｍ以上となっていることである。なお、側端面２０１ｅに関しても算術平均粗さＲａが３μｍ以上となっていることが好ましい。算術平均粗さＲａが３μｍ以上であれば光を散乱させる効果を十分得られるが、３．５μｍ以上、４．０μｍ以上であってもよい。また、一般的な粗さであれば上限に特に限定はないが、金型の加工の容易さなども加味し５０μｍ以下の算術平均粗さＲａとすることが好ましい。ここで、算術平均粗さＲａとは、ＪＩＳ０６０１−１９７６（算術平均粗さＲａの規格）に準拠した中心線平均粗さにより測定される。なお、端面の算術平均粗さとは、コンバイナー２００の端面がコーティング等されていない場合には、端面そのものの算術平均粗さを指すが、コンバイナー２００の端面がコーティング等されている場合には、コーティングされた状態における端面の算術平均粗さを指す。コーティング前のコンバイナーの端面の粗さが３μｍ以上であってもコーティングによって凹凸形状が埋もれてしまっては、光の散乱の効果を得られないためである。端面の粗し方としては、コンバイナーの成形後に後加工で端面を粗しても良いが、予めサンドブラストやシボ加工などで金型自体を粗し、その形状を転写させることにより端面を粗すことが、工程を少なくする観点から好ましい。
図４において、点Ａを通り接平面ＰＬに直交する線を基準線ＳＬとしたときに、基準線ＳＬから端面主面２０１ｑまでの距離Ｄが、投影面２０１ａから裏面２０１ｃに向かうにつれて単調減少するように、端面主面２０１ｑの形状が形成されている。図４の例では端面２０１ｑは外側に凸の形状であるが、凹の形状もしくは平面であっても良い。特に一次反射光やウィンドウ反射を低減させるという観点から凸又は凹の形状であることが好ましい。
ここで、太陽光などの外光が端面主面２０１ｑに入射した場合において、その入射点をＩＰとする。ドライバーＤＲの瞳Ｂの中心と入射点ＩＰを結んだ線ＥＬが水平線となす角を、見下ろし角θｄという。又、コンバイナー２００の設置角（傾き角）をθｔ（ここでは図４の水平線ＨＬと基準線ＳＬとの交差角）とする。一般的に見下ろし角θｄは５〜１５°であり、設置角θｔは１０〜２０°である。見下ろし角θｄと設置角θｔとの和を、見込み角θｅとする。即ち、見込み角θｅ一般に１５〜３５°となる。
このとき、太陽光などの外光ＬＢが端面主面２０１ｑの入射点ＩＰに入射した場合、一部は反射するが、残りは内部へと進入し、コンバイナー２００内を全反射しつつ導光されることとなる。本実施形態によれば、図４において、基準線ＳＬから端面主面２０１ｑまでの距離が、投影面２０１ａから裏面２０１ｃに向かうにつれて単調減少しているので、成形容易でありながら、太陽光などの外光が入射した場合、端面主面２０１ｑからの直接の反射光（一次反射光）が、ドライバーＤＲの瞳Ｂに入射することを抑制できる。また、端面主面２０１ｑが外側に凸の形状を有しているため、光を散乱させ、さらに一次反射光やウィンドウ反射も抑制できる。端面主面２０１ｑが凹の形状であっても同様の効果が得られる。
更に、図４において、入射点ＩＰで接線ＣＬＩを引いたとき、基準線ＳＬに対する接線ＣＬＩの角度（端面主面２０１ｑが平面なら端面主面２０１ｑの傾き角）θａが、１０°以上９０°以下であると、太陽光などの外光が端面主面２０１ｑに入射した場合、一次反射光がドライバー側に向かうことを抑制することができる。
一方、本発明者らの研究によれば、上端面からコンバイナー２００に入射して内部を導光された光は、その後、端面主面２０１ｑに戻り、端面主面２０１ｑで反射されて投影面２０１ａから出射することになるが、かかる出射光がドライバーＤＲの瞳Ｂに入射すると、ドライバーＤＲが煩わしさを感じる恐れがあることが判明した。これを二次反射という。そこで、本実施形態では、以下のように対策を行っている。
以下では、二次反射の原因となる光路の一例について説明する。なお、ここでは上端面を例に説明するが、側端面でも同様である。図５は、コンバイナー２００の断面を更に拡大して一部を示す断面図である。図４に示すように外光ＬＢが端面主面２０１ｑの入射点ＩＰに入射したとき、入射光は、コンバイナー２００の屈折率ｎｄに応じて屈折することとなる。屈折した入射光は、まず投影面２０１ａに向かい、投影面２０１ａで反射して裏面２０１ｃに向かい、裏面２０１ｃで反射して投影面２０１ａに向かう。この過程を繰り返し、外光ＬＢはコンバイナー２００の内部で反射しながら導光していく。そうしてコンバイナー下端面２０１ｄまで到達した光は、下端面２０１ｄにて反射した後、再び上端面２０１ｂに向かって導光していく。その後、図５に示すように、再度上端面２０１ｂの到達点ＯＰ（ここでは端面主面２０１ｑ範囲内であるとする）に到達した光は、到達点ＯＰで反射もしくは透過する。ここで最終的に二次反射の要因となる光の大部分は裏面２０１ｃを全反射し、上端面２０１ｂに到達する光である。裏面２０１ｃに対する光線の入射角が，全反射条件を満たす臨界角θｃより小さければ、その大部分が裏面２０１ｃを透過して外部へと出射してコンバイナー２００内部での導光は実質的に行われないこととなるため、裏面２０１ｃから上端面２０１ｂの到達点ＯＰへ到達する光線は、裏面２０１ｃに臨界角θｃ以上の角度で入射する光線（一点鎖線）に実質上限定される。また、到達点ＯＰで接線ＣＬＯを引いた時、接線ＣＬＯに対する入射光線の入射角が臨界角θｃより小さければ、かかる入射光線はその大部分が上端面２０１ｂの到達点ＯＰで透過して外部へと出射するため、上端面２０１ｂの到達点ＯＰで反射して投影面２０１ａに向かう光線は、接線ＣＬＯに臨界角θｃ以上の角度で入射する光線（点線）に実質上限定される。つまり、コンバイナー２００内部を導光した後に投影面２０１ａで出射する光は、裏面２０１ｃにおいて臨界角θｃで反射した後に上端面２０１ｂで全反射して投影面２０１ａで出射する光線ＯＵと、裏面２０１ｃで全反射した後に上端面２０１ｂにおいて臨界角θｃで反射して投影面２０１ａで出射する光線ＯＬとがなす範囲に、実質上限定される。投影面２０１ａと裏面２０１ｃとが互いに平行な平面の場合、、光線ＯＵと基準線ＳＬとがなす角度をθＵ、光線ＯＬと基準線ＳＬとがなす角度をθＬとすると、幾何学的に、θＬ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（−２×θｎ−θｃ））で表すことができ、θＵ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（θｎ−θｃ））で表すことができる。以上より、この範囲の光線がドライバーＤＲの瞳Ｂに入射することを抑制するためには、図４に示す基準線ＳＬとドライバーＤＲの視線とのなす見込み角θｅ（°）は、（１）式を満たすことが好ましい。尚、基準線に対して時計回りを負、反時計回りを正とする。これにより、二次反射とウィンドウ反射とを有効に抑制できる。
θｅ≧（θＵ＋θＬ）／２＝（ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（θｎ−θｃ））＋ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（−２×θｎ−θｃ）））／２ （１）
但し、
θｎ：端面主面２０１ｑの到達点ＯＰにおける法線ＮＬと、基準線ＳＬとのなす角(°)、ｎｄ：波長５５５ｎｍにおけるコンバイナー２００の屈折率、
θｃ：臨界角(°)＝ａｒｃｓｉｎ（１／ｎｄ）
θｅ≧（θＵ＋θＬ）／２＝（ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（θｎ−θｃ））＋ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（−２×θｎ−θｃ）））／２ （１）
但し、
θｎ：端面主面２０１ｑの到達点ＯＰにおける法線ＮＬと、基準線ＳＬとのなす角(°)、ｎｄ：波長５５５ｎｍにおけるコンバイナー２００の屈折率、
θｃ：臨界角(°)＝ａｒｃｓｉｎ（１／ｎｄ）
より確実に二次反射光を抑制するためには、特に以下の式を満たすとことが好ましい。
θｅ≧ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（θｎ−θｃ）） （２）
θｅ≧ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（θｎ−θｃ）） （２）
内部反射に基づく反射光の低減という観点では、少なくとも一つの端面全域において式（１）〜（２）を満たすことが好ましいが、コンバイナー２００の成形性の確保と角部の尖り防止による安全性確保の観点からは面取り部Ｃ１，Ｃ２の余地を残し、面取り部Ｃ１，Ｃ２以外の端面主面２０１ｑの全てで式（１）〜（２）を満たすことが好ましい。更に好ましくは面取り部Ｃ１，Ｃ２領域においても可能な限り、式（１）〜（２）を満たすことが望ましい。尚、式（１）〜（２）を満たすか否かは、製品としてのコンバイナーを抜き取り検査して、切断して図４に相当する断面を得た上で、その端面形状等から導くことができる。
図４において、端面主面２０１ｑを円弧で近似したときに、近似した円弧の曲率半径は２０ｍｍ以下であると好ましい。これにより端面主面２０１ｑからの反射光が拡散するので、ウィンドウ反射を抑制できる。尚、端面主面の断面を円弧で近似する場合、最小自乗法等を用いることができる。
以下、本発明者らが行ったコンバイナーの評価を説明する。本発明者らは、図４に示す断面で、上端面２０１ｂの形状を変化させて、二次反射の低減効果を確認した。まず上端面２０１ｂに対する端面主面２０１ｑの割合の最適化について考察する。本発明者らは、コンバイナーの厚さ方向に対して、上端面２０１ｂに対する端面主面２０１ｑの長さの割合を、６割、６．５割、７．５割、８．５割と異ならせた４種類のコンバイナーについて、二次反射光の低減効果を評価した。その結果を表１に示す。表１によれば、上端面２０１ｂに対する端面主面２０１ｑの長さの割合を、６割から増大させることで、より二次反射光の低減効果があることが確認された。かかる評価結果より、表２に示すように、上端面２０１ｂに対する端面主面２０１ｑの長さの割合を、７割未満とした場合に比べ、７割以上８割未満とすると、より二次反射光の低減効果があることがわかる。更に、上端面２０１ｂに対する端面主面２０１ｑの長さの割合を８割以上とすれば、二次反射光の低減効果が一層高まることがわかる。尚、上端面２０１ｂと光学面との間には面取り部を設けることが望ましく、その場合、上端面２０１ｂに対する端面主面２０１ｑの長さの割合を９割未満とすることが好ましい。
次いで本発明者らは、図４を参照して、端面主面２０１ｑを平面としたコンバイナーをモデルとして、シミュレーションを行った。より具体的には、以下の仕様のコンバイナーにおいて、観察者に到達する一次反射光の低減効果を評価した。その評価結果を表３に示す。より具体的には、端面主面２０１ｑの接線ＣＬＩの基準線ＳＬに対する傾き角θａを０°から増大させることで、一次反射光を低減できることが確認された。かかる評価結果より、表４に示すように、端面主面２０１ｑの接線ＣＬＩの基準線ＳＬに対する傾き角θａが０°以上１０度未満の場合に比べ、１０度以上１５度未満とすると、より一次反射光の低減効果があることがわかる。更に、接線ＣＬＩの基準線ＳＬに対する傾き角θａを１５度以上とすれば、一次反射光の低減効果が一層高まることがわかる。
（コンバイナー仕様）
端面主面２０１ｑ：平面
基準線ＳＬに対する端面主面２０１ｑの接線ＣＬＩの傾き角θａ：［０°］、［１３°］、［１６°］
コンバイナーの厚さ:３ｍｍ
面取り部Ｃ１の半径：０．１５ｍｍ
面取り部Ｃ２の半径：０．３ｍｍ
コンバイナーの屈折率ｎｄ：１．５８５
コンバイナーの設置角θｔ：１０°
見下ろし角θｄ：５°
見込み角θｅ：１５°
（θＵ＋θＬ）／２：−４１．４５°（＜θｅ）
端面主面２０１ｑ：平面
基準線ＳＬに対する端面主面２０１ｑの接線ＣＬＩの傾き角θａ：［０°］、［１３°］、［１６°］
コンバイナーの厚さ:３ｍｍ
面取り部Ｃ１の半径：０．１５ｍｍ
面取り部Ｃ２の半径：０．３ｍｍ
コンバイナーの屈折率ｎｄ：１．５８５
コンバイナーの設置角θｔ：１０°
見下ろし角θｄ：５°
見込み角θｅ：１５°
（θＵ＋θＬ）／２：−４１．４５°（＜θｅ）
次いで本発明者らは、図４を参照して、端面主面２０１ｑを曲面としたコンバイナーをモデルとして、シミュレーションを行った。より具体的には、以下の仕様のコンバイナーにおいて、ウィンドウ反射の低減効果を評価した。その評価結果を表５に示す。より具体的には、端面主面２０１ｑの曲率半径Ｒを２５ｍｍから小さくすることで、ウィンドウ反射の低減効果があることが確認された。かかる評価結果より、表６に示すように、端面主面２０１ｑの曲率半径Ｒが５０ｍｍ以上の場合に比べ、１０ｍｍ以上、５０ｍｍ未満とすると、よりウィンドウ反射の低減効果があることがわかる。更に、端面主面２０１ｑの曲率半径Ｒを１０ｍｍ未満とすれば、ウィンドウ反射光の低減効果が一層高まることがわかる。
（コンバイナー仕様）
端面主面２０１ｑの曲率半径Ｒ：［５．５ｍｍ］、［１２ｍｍ］、［２５ｍｍ］
コンバイナーの厚さ:３ｍｍ
面取り部Ｃ１の半径：０．１５ｍｍ
面取り部Ｃ２の半径：０．３ｍｍ
コンバイナーの屈折率ｎｄ：１．５８５
コンバイナーの設置角θｔ：１０°
見下ろし角θｄ：５°
見込み角θｅ：１５°
端面主面２０１ｑの曲率半径Ｒ：［５．５ｍｍ］、［１２ｍｍ］、［２５ｍｍ］
コンバイナーの厚さ:３ｍｍ
面取り部Ｃ１の半径：０．１５ｍｍ
面取り部Ｃ２の半径：０．３ｍｍ
コンバイナーの屈折率ｎｄ：１．５８５
コンバイナーの設置角θｔ：１０°
見下ろし角θｄ：５°
見込み角θｅ：１５°
さらに本発明者らは、実際に以下の仕様のコンバイナーを基本とし、端面主面２０１ｑの曲率半径を∞（水平方向に略平行な平面）としたもの、及びそれぞれについて成形金型を予めシボ加工により粗し、成形後の上端面２０１ｂ全体の算術平均粗さを３．５μｍとしたもの、成形金型をシボ加工しなかったもの（成形後の上端面２０１ｂ全体の算術平均粗さ０．１μｍ：粗し形状なし）、を射出成形により成形した。それらを概略図である図６に示すように、ＬＥＤ光源ＬＤの鉛直下方向に配置し、ＬＥＤ光源ＬＤとコンバイナー２００の間に所定の角度、例えば鉛直方向に対してα＝４５°の角度となるようにガラス板ＧＰを配置し、且つコンバイナーの上端面２０１ｂがガラス板ＧＰに向くようにし、運転者の目に相当する位置（ウィンドウ反射が生じる位置の水平方向やや上方）に輝度計ＢＤを配置して、ウィンドウ反射の光量を計測した。その結果を表７に示す。表７の結果によれば、端面主面の曲率半径Ｒを５．５ｍｍとすることで、上端面が平面の場合に比べて、半分程度まで反射光量を低減できていることが分かる。また、上端面２０１ｂを粗した場合に比べて、同程度の反射光量の低減を達成できていることが分かる。即ち、端面を粗した場合と同程度の反射光量としつつ、ハードコート等をすることも可能な形状となっていることが分かった。また、端面主面の曲率半径Ｒを５．５ｍｍとしつつ、上端面２０１ｂを粗したものでは、ウィンドウ反射の光量をさらに３分の１程度まで低減できていることが分かった。
（コンバイナー仕様）
端面主面２０１ｑの曲率半径Ｒ：［５．５ｍｍ］
コンバイナーの厚さ:３ｍｍ
面取り部Ｃ１の半径：０．１５ｍｍ
面取り部Ｃ２の半径：０．３ｍｍ
コンバイナーの屈折率ｎｄ：１．５８５
コンバイナーの設置角θｔ：５°
見下ろし角θｄ：８°
見込み角θｅ：１３°
材料：ポリカーボネート
端面主面２０１ｑの曲率半径Ｒ：［５．５ｍｍ］
コンバイナーの厚さ:３ｍｍ
面取り部Ｃ１の半径：０．１５ｍｍ
面取り部Ｃ２の半径：０．３ｍｍ
コンバイナーの屈折率ｎｄ：１．５８５
コンバイナーの設置角θｔ：５°
見下ろし角θｄ：８°
見込み角θｅ：１３°
材料：ポリカーボネート
本発明は、本明細書に記載の実施形態・実施例に限定されるものではなく、他の実施形態・実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態や実施例や技術思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えば、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、自動車に限らず、例えば飛行機や重機にも用いることが出来る。
１００ 描画ユニット
１１０ 描画デバイス
１１１ 液晶表示パネル
１２０ 凹面鏡
１３０ ハウジング
２００ コンバイナー（表示部材）
２０１ 投影部
２０１ａ 投影面（光学面）
２０１ｂ 上端面
２０１ｃ 裏面（光学面）
２０１ｄ 下端面
２０１ｅ 側端面
２０１ｑ 端面主面
Ｃ１，Ｃ２ 面取り部
ＤＢ ダッシュボード
ＤＲ ドライバー（観察者）
ＳＬ 基準線
ＶＨ 車体
ＷＳ フロントウィンドウ
１１０ 描画デバイス
１１１ 液晶表示パネル
１２０ 凹面鏡
１３０ ハウジング
２００ コンバイナー（表示部材）
２０１ 投影部
２０１ａ 投影面（光学面）
２０１ｂ 上端面
２０１ｃ 裏面（光学面）
２０１ｄ 下端面
２０１ｅ 側端面
２０１ｑ 端面主面
Ｃ１，Ｃ２ 面取り部
ＤＢ ダッシュボード
ＤＲ ドライバー（観察者）
ＳＬ 基準線
ＶＨ 車体
ＷＳ フロントウィンドウ
Claims (11)
- 表示光を出射する描画ユニットと、該描画ユニットから出射された表示光が投影される投影面を備えた表示部材とを有し、前記投影面へ表示光が出射されたとき、前記表示光が前記投影面で反射することによって、前記表示光が表す像を虚像として観察可能とすると共に、前記表示部材を透過した実像を観察可能とするヘッドアップディスプレイ装置において、
前記表示部材は、前記虚像及び前記実像を観察する観察者から遠い側の光学面と、前記観察者に近い側の光学面と、前記一対の光学面の周囲を繋ぐ端面とを有する板材からなり、いずれかの光学面が前記投影面となっており、
前記投影面の中点を通り前記投影面に沿って水平方向に延在する線上において任意の点の接平面をとったとき、前記接平面に直交し且つ前記任意の点を通り上下方向に延在する仮想面で前記表示部材を切断した際の断面において、前記任意の点を通り前記接平面に直交する基準線から前記端面までの距離が、前記観察者に近い側の光学面から、前記観察者から遠い側の光学面に向かうにつれて単調減少する端面主面が形成されており、前記端面主面は前記表示部材の厚さ方向において前記端面の７割以上であり、
前記断面において、以下の式を満たすヘッドアップディスプレイ装置。
θｅ≧（ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（θｎ−θｃ））＋ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（−２×θｎ−θｃ）））／２ （１）
但し、
θｅ：前記基準線と前記観察者の視線とのなす角(°)、
θｎ：前記端面主面の任意点における法線と前記基準線とのなす角(°)、
ｎｄ：波長５５５ｎｍにおける前記表示部材の屈折率、
θｃ：臨界角(°)＝ａｒｃｓｉｎ（１／ｎｄ） - 前記断面において、前記端面主面上の任意の点で接線を引いたとき、前記基準線に対する前記接線の角度は、１０°以上である請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記断面において、以下の式を満たす請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
θｅ≧ａｒｃｓｉｎ（ｎｄ×ｓｉｎ（θｎ−θｃ）） （２） - 前記断面において、前記端面主面を円弧で近似したときに、前記円弧の曲率半径は２０ｍｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記端面主面は、前記表示部材を設置した際に、上側の端面に設けられている請求項１〜４のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記断面において、前記端面は、前記端面主面と面取り部を有する請求項１〜５のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記表示部材は樹脂製であって、前記光学面にハードコート処理が施されている請求項１〜６のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記観察者から遠い側の光学面は凸面であり、前記観察者に近い側の光学面はハーフミラー機能を有する凹面である請求項１〜７のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記端面の少なくとも一部の算術平均粗さは３μｍ以上である請求項１〜７のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記ヘッドアップディスプレイ装置は自動車に搭載され、ドライバーとしての前記観察者が観察可能な位置に配置される請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
- 前記ヘッドアップディスプレイ装置は自動車のダッシュボードに設置される請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
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