JP6800285B2 - 車両用ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される車両用ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００９−１５０９４７号公報（特許文献１）がある。この公報には、「光源と、光源からの光を２次元に走査する走査手段と、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含む車両用ヘッドアップディスプレイ装置であって、該スクリーンの位置を可変とする可動機構を備える。」と記載されている。

特開２００９−１５０９４７号公報

前記特許文献１に記載の発明においては、ヘッドアップディスプレイ装置により表示される虚像が、虚像の上下位置に関わらず、車両の搭乗者の視点から虚像までの距離が一定になってしまうという問題がある。
そのため、搭乗者の視線と垂直な面に虚像が投影されたように見え、あたかも仮想的なスクリーンが空中に浮かんでいるかのように視認され、搭乗者の前方の風景が虚像で隠されたように感じてしまうという問題がある。さらに、前方の風景と虚像とが分離した状態で視認されるため、風景を視認した状態から虚像を視認する場合に、搭乗者が焦点を合わせる負担があり、快適性に劣るという問題がある。
本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものであり、搭乗者の視認する風景に溶け込んだ虚像を表示させることができ、搭乗者の負担を低減させることができる車両用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。

前記目的を達成するために、本発明は、車両内に設置された投射面に画像光を投射して、画像光に基づく虚像を表示する車両用ヘッドアップディスプレイ装置において、画像光を投射する投射装置と、前記投射装置から投射された画像光を前記投射面に反射させる反射ミラーと、前記投射装置の画像光の投射位置を制御する表示制御部と、を備え、前記表示制御部は、前記投射装置の画像光の投射位置を制御することで前記反射ミラーへの投射位置を変更し、前記反射ミラーは、その一端部から他端部にかけて徐々に曲率が変化するように形成されており、前記反射ミラーは、曲率が小さい領域から反射される投射画像光を前記投射面の下方に反射することを特徴とする。
また、本発明は、前記表示制御部は、搭乗者が遠方を視認しているか、近傍を視認しているかに応じて前記反射ミラーへの投射位置を変更し、前記搭乗者が近傍を視認しているとき、前記投射光の画像光が前記反射ミラーの曲率が小さい領域に投射されるよう前記投射装置の画像光の投射位置を制御することを特徴とする。
また、本発明は、前記表示制御部は、投射装置を複数の領域に分割し、各領域から前記画像光を投射させることを特徴とする。

また、本発明は、前記投射装置は、画像光を前記反射ミラーの曲率が変化する範囲の全域にわたって投射することを特徴とする。

また、本発明は、前記反射ミラーは、ハーフミラーにより形成され、前記反射ミラーは、前記投射面として機能することを特徴とする。

また、本発明は、前記投射装置は、前記反射ミラーの焦点距離のち最も短い焦点距離より短い位置に配置されることを特徴とする。

また、本発明は、前記投射装置から投射する画像を補正する画像補正部を備えていることを特徴とする。

また、本発明は、前記画像補正部は、前記投射装置から投射する画像を台形補正するものであることを特徴とする。

本発明によれば、搭乗者の視認する風景に溶け込んだ虚像を表示させることができ、搭乗者の負担を低減させることができる。

本実施形態に係る車両用ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の制御構成を示すブロック図である。 （ａ）は画像補正前の画像と虚像の関係を示す説明図、（ｂ）は画像補正後の画像と虚像の関係を示す説明図である。 投射装置の変形例を示す概略構成図である。 本実施形態による虚像の例を示す説明図である。 従来装置による虚像の例を示す説明図である。 本実施形態の変形例を示す概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る車両用ヘッドアップディスプレイ装置の実施形態を示す概略図である。

図１に示すように、車両用ヘッドアップディスプレイ装置１は、車両内におけるフロントウインドシールド２の下方の所定の位置に設けられ、ヘッドアップディスプレイ装置１は、投射装置１０を備えている。また、ヘッドアップディスプレイ装置１は、投射装置１０から投射される画像光を反射する反射ミラー１１を備えている。また、フロントウインドシールド２の所定箇所には、例えば、ハーフミラーの機能を有するシールを貼付したり、あるいは、ハーフミラーの機能を有するように適切な加工を施すことにより、明確に虚像１５を視認できるようにした投射面１２が形成されている。
そして、ヘッドアップディスプレイ装置１は、投射装置１０から投射された画像光を反射ミラー１１を介して、フロントウインドシールド２の投射面１２に画像光を投射することにより、投射面１２の前方に虚像１５を表示させるように構成されている。

また、本実施形態においては、反射ミラー１１の側面における断面形状は、反射ミラー１１の一端側から他端側に向けて曲率が徐々に変化する自由曲面形状とされている。この反射ミラー１１の曲面形状としては、例えば、オイラーの螺旋（コルニュ螺旋またはクロソイドとも呼ばれる）の形状を有するように形成されている。ただし、反射ミラー１１の曲面形状は、これに限定されるものではなく、反射ミラー１１の一端側から他端側に向けて曲率が徐々に変化する形状であれば、どのような形状であってもよい。
また、反射ミラー１１の平面における断面形状は、球面形状や非球面形状に形成されている。
さらに、反射ミラー１１の外周縁部分は、投射された画像光の歪みを補正するために曲率が小さくなるように形成されている。なお、画像光を投射する際に、反射ミラー１１の外周縁部分における画像の歪みを考慮して画像光を補正して投射することができる場合には、必ずしも反射ミラー１１の外周縁部分の曲率を小さくしなくてもよい。

ここで、投射装置１０から画像光が反射ミラー１１に投射されて虚像１５を表示する場合には、以下の関係式が成り立つ。
１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ
ここで、ａは、投射装置１０から反射ミラー１１までの距離、ｂは反射ミラー１１から虚像１５が結像する位置までの距離、ｆは反射ミラー１１の焦点距離（曲率の１／２）である。
また、反射ミラー１１の曲率が大きくなれば、反射ミラー１１の焦点距離が短くなり、焦点距離が短いほど、虚像１５の大きさは大きくなる。
これらのことから、投射装置１０から反射ミラー１１の曲率が大きい箇所に投射した画像光は、焦点距離が短いため、投射面１２に反射された際に、投射面１２からの距離が長い位置で虚像１５を表示することになる。一方、投射装置１０から反射ミラー１１の曲率が小さい箇所に投射した画像光は、焦点距離が長いため、投射面１２に反射された際に、投射面１２からの距離が短い位置で、虚像１５を表示することになる。

また、投射装置１０からの画像光の投射位置と、反射ミラー１１による反射位置とは、１対１で対応している。すなわち、投射装置１０から投射される画像光は、反射ミラー１１の曲率が変化する範囲の全域にわたって投射されるように構成されている。
このように構成することにより、投射装置１０から画像光が投射される位置によって、反射ミラー１１の曲率が異なることになり、反射ミラー１１により反射され投射面１２に投射されて表示される虚像１５の表示位置および大きさが変化することになる。
したがって、投射装置１０からの画像光の投射位置を制御することにより、反射ミラー１１への投射位置を変更することができ、これにより、投射面１２における虚像１５の表示位置を変化させることが可能となる。このように投射装置１０からの画像光の投射位置を任意に変更することにより、投射面１２における表示位置を変化させることができ、投射面１２に形成される虚像１５の表示位置を遠くに大きくあるいは近く小さくに表示させることが可能となる。

また、投射装置１０は、反射ミラー１１の焦点距離より近い位置に設置することが好ましい。これは、反射ミラー１１の焦点距離より遠い位置に投射装置１０を設置すると、投射装置１０から投射される画像が上下逆に反転してしまうためである。
そして、反射ミラー１１は、焦点位置すなわち曲率が箇所によって変化するものであるため、最も短い焦点位置より近い位置に投射装置１０を設置することが好ましい。ただし、投射装置１０を反射ミラー１１の焦点距離より遠い位置に設置した場合でも、投射装置１０から投射される画像を上下反転した状態で投射すればよいので、何ら問題はない。

また、一般に、車両の搭乗者１６がフロントウインドシールド２の上部から視認する対象は、搭乗者１６の目から遠方に位置する建物、山、空、遠くの道路などである。そのため、フロントウインドシールド２の上部における車外の風景を視認しているときの搭乗者１６の目の焦点は、遠方に位置する対象を視認する際の焦点に合わせられている蓋然性が高い。
一方、フロントウインドシールド２の下部から視認する対象は、搭乗者１６の目から近傍に位置する車両のボンネットや、車両の前方を走行する他の車両の後部、近くの道路などである。そのため、フロントウインドシールド２の下部における車外の風景を視認しているときの搭乗者１６の目の焦点は、近傍に位置する対象を視認する際の焦点に合わせられている蓋然性が高い。

したがって、本実施形態においては、反射ミラー１１の大きい曲率の部分が投射面１２の上方に反射するとともに、反射ミラー１１の小さい曲率の部分が投射面１２の下方に反射するように配置されている。このように配置することにより、大きくかつ遠くに表示される虚像１５が投射面１２の上方に表示され、小さくかつ近くに表示される虚像１５が投射面１２の下方に表示されることになる。
これにより、車両の搭乗者１６が、遠方に位置する対象を視認している状態で、投射面１２の上方の前方遠くに表示された虚像１５を視認することになるため、目の焦点を合わせるための負荷が軽減され、快適性が向上する。また、近傍に位置する対象を視認している状態で、投射面１２の下方の前方近くに表示された虚像１５を視認することになるため、同様に、目の焦点を合わせるための負荷が軽減され、快適性が向上する。
なお、このような反射ミラー１１の配置に限定されるものではなく、大きくかつ遠くに表示される虚像１５を投射面１２の下方に表示するとともに、小さくかつ近くに表示される虚像１５を投射面１２の上方に表示するようにしてもよい。

次に、本実施形態における制御構成について、図２を参照して説明する。
車両用ヘッドアップディスプレイ装置１の投射装置１０は、ランプやＬＥＤなどの光源２０と、虚像１５として表示すべき画像を形成する画像形成部２１と、画像形成部２１が出力する画像光の焦点調整や画像の拡大または縮小などの各種調整を施して、画像光として投射する投射光学系２２と、を備えている。
画像形成部２１としては、例えば、光透過型の液晶表示装置や、光源２０からのビーム光をＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー、ガルバノミラー、ポリゴンミラーあるいは、これらの走査手段を複数組み合わせて用いた走査手段により二次元状に走査させて画像を形成する二次元走査型表示装置などが用いられる。

また、制御部２３は、ＣＰＵ、ＣＰＵにより実行される制御プログラム、制御プログラムに関するデータを記憶するＲＯＭ、ワーキングエリアとして機能するＲＡＭ、その他の周辺回路、周辺機器を備え、車両用ヘッドアップディスプレイ装置１の各部を中枢的に制御する。
制御部２３が備える各機能ブロックの機能は、ＣＰＵがプログラムを読み出して実行するなど、ハードウェアとソフトウェアとの協働により実現される。

ナビゲーション管理部２４は、車両に搭載された車載ナビゲーション装置２５と接続され、車載ナビゲーション装置２５から、適宜、ナビゲーションに関する情報を取得する。そして、ナビゲーション管理部２４は、車載ナビゲーション装置２５がナビゲーションしている間、適切なタイミングで、適切なナビゲーションに関する情報を、制御部２３に出力する。
例えば、ナビゲーション管理部２４は、右折または左折すべき交差点に対して、車両が所定の距離まで近づいたことを検出した場合、その旨の情報や右折または左折する方向の情報などを制御部２３に出力する。また、例えば、ナビゲーション管理部２４は、目的地に対して、車両が所定の距離まで近づいたことを検出した場合、その旨の情報を制御部２３に出力する。このほか、ナビゲーション管理部２４がナビゲーションに関する情報を出力するタイミング、出力するべき情報は、事前に定められている。

さらに、制御部２３は、投射装置１０に送る画像を制御する表示制御部２６と、投射装置１０に送る画像データを補正する画像補正部２７とを備えている。
表示制御部２６は、ナビゲーション管理部２４から送られるナビゲーション情報に基づいて、投射装置１０における画像情報を生成するものである。また、表示制御部２６は、画像情報の投射面１２に対する投射位置などの表示制御情報も生成するものである。

また、画像補正部２７は、表示制御部２６から送られる画像情報、表示制御情報に基づいて投射装置１０に送る画像情報の補正を行う。画像補正部２７は、例えば、画像情報の拡大・縮小補正、投射画像の歪み補正などの各種補正を行う。

また、本実施形態においては、反射ミラー１１の曲率が連続して変化するように形成されており、反射ミラー１１の曲率により表示される画像の拡大率が異なることから、図３（ａ）に示すように、画像情報に基づいてそのまま画像を表示させると、画像の形状が台形化してしまう。そのため、本実施形態においては、図３（ｂ）に示すように、画像補正部２７は、表示すべき画像が台形化した際に正常な画像となるように、逆台形状の画像に補正して投射装置１０に送ることが好ましい。
このように構成することにより、台形状に変化した場合でも、適正に画像を表示させることが可能となる。
なお、画像の台形化は、反射ミラー１１の曲率により変わってくるので、反射ミラー１１に投射される画像光の投射位置に応じて、補正量を変えることが好ましい。

また、投射装置１０は、例えば、反射ミラー１１の任意の位置に対して画像光を投射させるようにしてもよい。また、投射装置１０を複数の領域に分割し、これら各領域から画像光を投射させるようにしてもよい。例えば、投射装置１０を反射ミラー１１の大きい曲率の領域に投射する領域と、中程度の曲率の領域に投射する領域と、小さい曲率の領域に投射する領域と、に分割し、投射装置１０の各領域から、それぞれ対応する反射ミラー１１のそれぞれ対応する領域に画像光を投射する。これにより、反射ミラー１１の曲率、すなわち、虚像１５の表示位置に応じた表示を各領域ごとに行うことが可能となる。さらに、図４に示すように、投射装置１０を、反射ミラー１１の大きい曲率の領域に投射する装置１０ａと、中程度の曲率の領域に投射する装置１０ｂと、小さい曲率の領域に投射する装置１０ｃとによる、３つの装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃにより構成するようにしてもよい。

次に、本実施形態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。
本実施形態においては、車両に搭載された車載ナビゲーション装置２５に接続されたナビゲーション管理部２４により、ナビゲーションに関する情報を取得し、ナビゲーション管理部２４は、車載ナビゲーション装置２５がナビゲーションしている間、適切なタイミングで、適切なナビゲーションに関する情報を、制御部２３に出力する。そして、制御部２３は、必要なナビゲーション情報に基づいて表示制御部２６により、投射装置１０における画像情報および表示制御情報を生成し、表示制御部２６から送られる画像情報、表示制御情報に基づいて、画像補正部２７により、投射装置１０に送る画像情報の画像情報の拡大・縮小補正、投射画像の歪み補正などの各種補正を行う。

その後、画像補正部２７により補正された画像情報に基づいて、投射装置１０を動作させることにより、画像形成部２１により画像を形成するとともに、投射光学系２２により、焦点などを調整して反射ミラー１１に投射する。
反射ミラー１１に投射された画像光は、投射位置に応じた曲率により拡大または縮小されて反射され、投射面１２に投射される。これにより、車両の搭乗者１６がハーフミラーに投射された画像を虚像１５として視認することができる。

次に、本実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置１による表示例について説明する。
図５は本実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置１による表示例を示す説明図であり、図６は従来のヘッドアップディスプレイ装置による表示例を示す説明図である。
図５に示すように、フロントウインドシールド２には、投射面１２としての機能する表示領域３０が形成されるものであり、この表示領域３０に所定の虚像１５を表示するものである。図５においては、走行する先に信号機付きの交差点が存在する道路を走行中の例を示している。
この例によれば、投射装置１０から反射ミラー１１の曲率の小さい領域に画像光を投射することにより、表示領域３０の下方に、例えば、当該道路の制限速度表示の虚像１５ａが表示される。また、投射装置１０から反射ミラー１１の曲率の小さい領域から中程度の曲率の領域に画像光を投射することにより、表示領域３０の下方から中間位置にかけて車線表示の虚像１５ｂが表示される。投射装置１０から反射ミラー１１の曲率の大きい領域に画像光を投射することにより、表示領域３０の上方に、交差点において右折を促す走行指示表示の虚像１５ｃが表示される。

一方、図６に示すように、従来のヘッドアップディスプレイ装置による表示では、表示領域３０において表示される虚像１５の遠近感が均一になってしまい、車両の搭乗者１６が、遠方に位置する対象を視認している状態で表示領域３０を視認した場合、目の焦点を表示領域３０に合わせる必要がある。そのため、搭乗者１６の負荷が増大する可能性がある。
これに対して、本実施形態においては、表示領域３０の下方から上方にかけて、遠近感のある虚像１５ａ，１５ｂ，１５ｃを表示させることができる。すなわち、搭乗者１６が遠方を視認している状態で、視認させる虚像１５ａ，１５ｂ，１５ｃを表示領域３０の上方であって遠方に表示させるとともに、搭乗者１６が近傍を視認している状態で視認させる虚像１５ａ，１５ｂ，１５ｃを表示領域３０の下方であって近傍に表示させることができる。そのため、搭乗者１６が目の焦点を合わせるための負荷を低減させることが可能となる。

なお、前記表示例は単なる例示にすぎず、その他、車載ナビゲーション装置２５により取得される情報であれば、どのような情報を表示させるようにしてもよい。例えば、右折または左折すべき交差点までの距離表示、交差点名や交差点の左折不可といった交差点情報表示、交差点における擬似信号表示、目的地までの距離表示などを、表示領域３０における表示位置などを考慮して任意に表示させることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る車両用ヘッドアップディスプレイ装置１においては、反射ミラー１１の側面における断面形状を、反射ミラー１１の一端側から他端側に向けて曲率が徐々に変化する自由曲面形状に形成し、投射装置１０から投射される画像光を反射ミラー１１の曲率が変化する範囲の全域にわたって投射するようにしているので、投射装置１０から画像光が投射される位置によって、投射面１２に投射されて表示される虚像１５の表示位置および大きさを変化させることができ、これにより、投射面１２に形成される虚像１５の表示位置を遠くに大きくあるいは近くに小さく表示させるといった適切な表示を行うことが可能となる。その結果、投射面１２に表示される虚像１５を周囲の風景に溶け込ませることができ、搭乗者１６が目の焦点を合わせるための負荷を低減させることができ、快適性を向上させることができる。
また、反射ミラー１１により、曲率が小さい領域から反射される投射画像光を投射面１２の下方に反射するようにしているので、投射面１２に形成される虚像１５の表示位置を近くに小さく表示させることが可能となる。

なお、前記実施形態においては、投射装置１０の画像を反射ミラー１１を介して投射面１２に投射させる構成としたが、これに限定されるものではない。
例えば、図７に示すように、反射ミラー１１にハーフミラーとしての機能を持たせるとともに、反射ミラー１１を搭乗者１６から視認できる位置に設置し、この反射ミラー１１を投射面１２として用いるようにしてもよい。
このような構成によれば、投射装置１０から投射面１２である反射ミラー１１に直接画像光を投射するで、前記実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、１つの反射ミラー１１を設置すればよいので、部品点数の低減および設置スペースの低減を図ることができる。

また、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に沿って種々の変更が可能である。

１ 車両用ヘッドアップディスプレイ装置
２ フロントウインドシールド
１０ 投射装置
１１ 反射ミラー
１２ 投射面
１５ 虚像
１６ 搭乗者
２０ 光源
２１ 画像形成部
２２ 投射光学系
２３ 制御部
２４ ナビゲーション管理部
２５ 車載ナビゲーション装置
２６ 表示制御部
２７ 画像補正部
３０ 表示領域

Claims (8)

1. 車両内に設置された投射面に画像光を投射して、画像光に基づく虚像を表示する車両用ヘッドアップディスプレイ装置において、
   画像光を投射する投射装置と、前記投射装置から投射された画像光を前記投射面に反射させる反射ミラーと、前記投射装置の画像光の投射位置を制御する表示制御部と、を備え、
   前記表示制御部は、前記投射装置の画像光の投射位置を制御することで前記反射ミラーへの投射位置を変更し、
   前記反射ミラーは、その一端部から他端部にかけて徐々に曲率が変化するように形成されており、
   前記反射ミラーは、曲率が小さい領域から反射される投射画像光を前記投射面の下方に反射することを特徴とする車両用ヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記表示制御部は、搭乗者が遠方を視認しているか、近傍を視認しているかに応じて前記反射ミラーへの投射位置を変更し、
   前記搭乗者が近傍を視認しているとき、前記投射光の画像光が前記反射ミラーの曲率が小さい領域に投射されるよう前記投射装置の画像光の投射位置を制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記表示制御部は、投射装置を複数の領域に分割し、各領域から前記画像光を投射させることを特徴とする請求項２に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記投射装置は、画像光を前記反射ミラーの曲率が変化する範囲の全域にわたって投射することを特徴とする請求項１に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記反射ミラーは、ハーフミラーにより形成され、前記反射ミラーは、前記投射面として機能することを特徴とする請求項１に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記投射装置は、前記反射ミラーの焦点距離のち最も短い焦点距離より短い位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ装置。
7. 前記投射装置から投射する画像を補正する画像補正部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ装置。
8. 前記画像補正部は、前記投射装置から投射する画像を台形補正するものであることを特徴とする請求項７に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ装置。

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