JP7028190B2

JP7028190B2 - ヘッドアップディスプレイ装置

Info

Publication number: JP7028190B2
Application number: JP2018557692A
Authority: JP
Inventors: 毅笠原
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2022-03-02
Anticipated expiration: 2037-12-12
Also published as: JPWO2018116897A1; WO2018116897A1

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

従来から、例えば、特許文献１に開示されるように、実景に重畳するように虚像を表示するヘッドアップディスプレイ(HUD: Head Up Display)装置が知られている。このＨＵＤ装置は、例えば、図７に模式的に示すように、映像を表す映像光を出射するプロジェクタ１１０と、プロジェクタ１１０からの映像光を受けて表示像Ｏ１，Ｏ２を結像するディフューザー１１１と、表示像Ｏ１，Ｏ２を表す表示光Ｌをウインドシールド１０２へ導くことで虚像Ｉ１，Ｉ２を表示する、レンズ、鏡等からなる光学系１２０と、このプロジェクタ１１０及びディフューザー１１１を線形移動させる図示しないアクチュエータと、を備える。このプロジェクタ１１０の線形移動により、虚像Ｉ１，Ｉ２をユーザから見た奥行き方向に移動させることで、３次元の虚像を表示させることができる。

特開２０１４－１８１０２５号公報

上記特許文献１に記載のＨＵＤ装置においては、プロジェクタ１１０とディフューザー１１１が線形移動するため、光学系１２０から表示像Ｏ１，Ｏ２までの距離が変化する。この距離の変化に応じて視認者の視点３から虚像Ｉ１，Ｉ２までの距離及び虚像Ｉ１，Ｉ２のサイズが変化する。このため、視点３から見た虚像Ｉ１，Ｉ２の画角αを一定に保つべく、表示像Ｏ１，Ｏ２のサイズを予め調整することが考えられる。
図７の例では、ディフューザー１１１が光学系１２０に近い位置にあるときの実線で示す表示像Ｏ１は、ディフューザー１１１が光学系１２０から遠い位置にあるときの破線で示す表示像Ｏ２よりも大きいサイズで形成される。これにより、表示像Ｏ１に対応する虚像Ｉ１の画角αと表示像Ｏ２に対応する虚像Ｉ２の画角αとを同一とすることができる。
しかし、この場合では、図８に模式的に示すように、表示像Ｏ２は、表示像Ｏ１よりも少ない画素Ｅ数で画像を表示することとなり、結果的に、表示像Ｏ２が拡大された虚像Ｉ２の解像度は、表示像Ｏ１が拡大された虚像Ｉ１の解像度よりも低くなる。このように、虚像の位置により虚像の解像度が変動するため、これら虚像により形成される３次元の虚像の見栄えが低下することが懸念されていた。なお、このような問題は、虚像Ｉ１，Ｉ２の画角αを同一とした場合に限らず、画角αを異ならせた場合であっても生じうる。

本発明は、上記実状を鑑みてなされたものであり、３次元の虚像の見栄えが低下することを抑制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。

上記目的を達成するため、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、
映像光を出射する表示器と、前記表示器からの前記映像光を受けて表示像を生成するスクリーンと、を含む表示器ユニットと、
前記スクリーンを前記映像光の光軸方向に沿って往復運動させることで第１の位置と当該第１の位置よりも前記第１の光学系から遠い第２の位置との間で前記表示像を移動させる駆動部と、
前記表示像の位置に応じて、それぞれ異なる位置にそれぞれ異なるサイズの中間像を前記表示像を表す表示光に基づき生成する第１の光学系と、
前記中間像を表す表示光を投射部材へ導くことで虚像を表示する第２の光学系と、を備え、
前記第１の光学系は、前記表示像が前記第１の位置にあるとき前記中間像である第１の中間像を生成し、前記表示像が前記第２の位置にあるとき、前記第１の中間像よりもサイズが小さく、かつ前記第１の中間像よりも前記第１の光学系の近くに位置する前記中間像である第２の中間像を生成し、
前記第２の光学系は、前記第１の中間像を表す表示光を前記投射部材へ導くことで前記虚像である第１の虚像を表示し、前記第２の中間像を表す表示光を前記投射部材へ導くことで、前記第１の虚像と画角が同一となるように、前記第１の虚像よりもサイズが大きく、かつ前記第１の虚像よりも前記投射部材から遠くに位置する前記虚像である第２の虚像を表示し、
前記表示像の画素数は、前記表示像の位置に関わらず同一に設定される。

本発明によれば、３次元の虚像の見栄えが低下することを抑制できる。

本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略図である。本発明の一実施形態に係る（ａ）はスクリーンが第１の位置にあるときの表示器ユニットを示す概略図であり、（ｂ）はスクリーンが第２の位置にあるときの表示器ユニットを示す概略図である。本発明の一実施形態に係る視認者から見た３次元の虚像を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る表示像の画素を概略的に示すスクリーンの正面図である。本発明の一実施形態に係る表示像と、その表示像に基づき光学部材が生成する中間像とを示す概略図である。本発明の一実施形態に係る中間像と、その表示像に基づき模式的合成レンズが生成する虚像とを示す概略図である。背景技術に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略図である。本発明の一実施形態に係る表示像の画素を概略的に示すスクリーンの正面図である。

以下に、本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置を、添付図面に基づいて説明する。

図１に示すように、ＨＵＤ装置１０は、車両１の図示しないダッシュボードに内蔵され、画像を表す表示光Ｌａを生成し、生成した表示光Ｌａを投射部材の一例であるウインドシールド２に向けて出射する。この表示光Ｌａは、ウインドシールド２で反射したうえで視認者（主に、車両１の運転者）の視点３に到達する。これにより、視認者は、図３に例示するように、ウインドシールド２の前方に形成された３次元の虚像Ｖを視認可能となる。３次元の虚像Ｖは、視認者から見て奥行きがある形状であれば、どのような形状であってもよい。また、３次元の虚像Ｖは、道路情報、車両情報等、いかなる情報の提示に利用されてもよい。

詳しくは、図１に示すように、ＨＵＤ装置１０は、表示器ユニット１１と、第１の光学系の一例である光学部材１３と、第２の光学系の一例である凹面鏡１４と、駆動部１２と、制御部５０と、を備える。

表示器ユニット１１は表示像Ｏ１，Ｏ２を表す表示光Ｌ１を光学部材１３に出射するとともに、駆動部１２によりその表示光Ｌ１の光軸（図１の左右方向）に沿って往復運動する。この表示器ユニット１１の往復運動により、虚像Ｖを立体的に表示することができる。

詳しくは、図２（ａ）に示すように、表示器ユニット１１は、表示器１１ａと、スクリーン１１ｂと、筐体１１ｃと、を備える。
表示器１１ａは、制御部５０から入力される映像信号に基づいてその映像信号に含まれる映像を表す映像光Ｌ２を出射するプロジェクタである。スクリーン１１ｂは、例えば、ポリカーボネート製の拡散フィルムであり、表示器１１ａの映像を一定の角度範囲に拡散させる半透明のフィルムである。スクリーン１１ｂは、表示器１１ａからの映像光Ｌ２を受けて表示像Ｏ１，Ｏ２を結像し、表示像Ｏ１，Ｏ２を表す表示光Ｌ１を光学部材１３に出射する。筐体１１ｃは表示光Ｌ１が通過する開口部を有する箱状をなし、筐体１１ｃの内部には表示器１１ａ及びスクリーン１１ｂが固定的に設けられている。

図２（ａ）に示すように、駆動部１２は、例えば、制御部５０による制御のもと、表示器ユニット１１を表示光Ｌ１の光軸に沿って往復運動させる。詳しくは、駆動部１２は、モーター１２ａと、そのモーター１２ａの回転運動を直線的な往復運動に変換し、その変換した往復運動を表示器ユニット１１に伝達する変換機構１２ｂと、を備える。変換機構１２ｂは、例えば、モーター１２ａにより偏心回転する図示しない円板カムと、その円板カムの周面に接触する図示しない接触子と、からなる。この接触子は、図示しないばねにより円板カムの周面に付勢する。この接触子の直線的な往復運動が表示器ユニット１１に伝達される。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、スクリーン１１ｂは、駆動部１２により、第１の位置Ｐ１と、この第１の位置Ｐ１よりも光学部材１３から遠い第２の位置Ｐ２との間で往復運動する。第１の位置Ｐ１にあるスクリーン１１ｂには表示像Ｏ１が表示され、第２の位置Ｐ２にあるスクリーン１１ｂには表示像Ｏ２が表示される。図４に模式的に示すように、表示像Ｏ１，Ｏ２のサイズは略同一であり、表示像Ｏ１，Ｏ２は同一の画素Ｅ数を有する。本例では、表示像Ｏ１，Ｏ２は同一の内容の画像を表す。なお、この略同一は、凹面鏡１４又はウインドシールド２の曲面による画像の歪みを補正するために表示像Ｏ１，Ｏ２のサイズを異ならせる範囲を含む。

光学部材１３は、図１等では模式的に１枚のレンズにより図示されているが、実際には図示しない複数のレンズを合成した薄肉レンズから構成される。光学部材１３は、表示器ユニット１１の表示像Ｏ１，Ｏ２を異なる倍率で拡大した中間像Ｍ１，Ｍ２を凹面鏡１４側に生成する。詳細な中間像Ｍ１，Ｍ２の生成態様については後述する。

凹面鏡１４は、中間像Ｍ１，Ｍ２を表す表示光Ｌ３をウインドシールド２に向けて反射させる。凹面鏡１４は、ウインドシールド２の曲面形状による像の歪みを補正する機能と、中間像Ｍ１，Ｍ２を拡大する機能と、を有する。凹面鏡１４は、例えば、ポリカーボネートの樹脂からなる基板と、その基板上に形成されるアルミ等の金属からなる反射ミラーと、を備える。

図１に示すように、ウインドシールド２は、凹面鏡１４からの中間像Ｍ１，Ｍ２を表す表示光Ｌａを視認者の視点３に向けて反射する。これにより、中間像Ｍ１が拡大された虚像Ｉ１と中間像Ｍ２が拡大された虚像Ｉ２とが表示される。虚像Ｉ２は、虚像Ｉ１よりも視認者から見て遠い位置にある。また、虚像Ｉ１，Ｉ２の画角αは同一となるように、虚像Ｉ２のサイズは、虚像Ｉ１よりも大きく設定されている。図１に模式的に示すように、虚像Ｉ１，Ｉ２における単位画素Ｅｖの画素角βが同一となるため、虚像Ｉ１，Ｉ２における画像解像度は同一となる。この画素角βは、視点３と単位画素Ｅｖの両端とを結ぶ２つの線分の間の角度である。

制御部５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、グラフィックコントローラなどから構成される。制御部５０は、例えば、車載ＥＣＵ（Electronic Control Unit）などの他のユニットとシリアル通信可能であって、この他のユニットからの情報に基づき映像信号を生成し、その映像信号を表示器１１ａに出力することで表示器１１ａから映像光Ｌ２を出射させる。また、制御部５０は、駆動部１２のモーター１２ａを駆動することで、表示器ユニット１１、ひいてはスクリーン１１ｂ及び表示像Ｏ１，Ｏ２を往復運動させる。

次に、中間像Ｍ１，Ｍ２及び虚像Ｉ１，Ｉ２の生成態様について説明する。
図５に示すように、光学部材１３は、その表示像Ｏ１，Ｏ２側に位置する物体側焦点Ｆｉと、表示像Ｏ１，Ｏ２の反対側に位置する像側焦点Ｆ’ｉと、を有する。表示像Ｏ１，Ｏ２が物体側焦点Ｆｉよりも光学部材１３から離れた位置にあるため、中間像Ｍ１，Ｍ２は実像となる。幾何光学の公式より、表示像Ｏ１，Ｏ２が物体側焦点Ｆｉに近いほど、表示像Ｏ１，Ｏ２における横倍率は大きくなる。よって、表示像Ｏ１は表示像Ｏ２よりも大きい横倍率で拡大されるため、表示像Ｏ１に対応する中間像Ｍ１のサイズは、表示像Ｏ２に対応する中間像Ｍ２よりも大きくなる。
また、表示像Ｏ１，Ｏ２が物体側焦点Ｆｉに近いほど、光学部材１３から中間像Ｍ１，Ｍ２までの距離が大きくなる。本例では、表示像Ｏ１が表示像Ｏ２よりも光学部材１３に近いため、中間像Ｍ１は中間像Ｍ２よりも光学部材１３から遠い位置にある。

図６には、凹面鏡１４とウインドシールド２とを光学的に合成した模式的合成レンズ１３Ｌを示す。通常、ウインドシールド２は曲率半径が大きく、殆ど平面ガラスとみなせるため、模式的合成レンズ１３Ｌの光学的特性は、ほぼ凹面鏡１４で決まる。すなわち、模式的合成レンズ１３Ｌと凹面鏡１４の焦点位置はほぼ一致する。

図６に示すように、模式的合成レンズ１３Ｌは、視認者の視点３側に位置する焦点Ｆ’１と、視点３と反対側に位置する焦点Ｆ１と、を有する。中間像Ｍ１，Ｍ２は焦点Ｆ１より模式的合成レンズ１３Ｌ側に位置するため、模式的合成レンズ１３Ｌは虚像Ｉ１，Ｉ２を結像する。中間像Ｍ１，Ｍ２が焦点Ｆ１に近づくほど、虚像Ｉ１，Ｉ２は模式的合成レンズ１３Ｌから離れた位置に、かつ大きい横倍率で虚像Ｉ１，Ｉ２が生成される。従って、本例では、中間像Ｍ２は、中間像Ｍ１よりも焦点Ｆ１に近い位置にある。このため、中間像Ｍ２に対応する虚像Ｉ２は、中間像Ｍ１に対応する虚像Ｉ１よりも模式的合成レンズ１３Ｌから離れた位置に、当該位置で虚像Ｉ１と画角αが同一となるように虚像Ｉ１よりも大きいサイズで表示される。
上記のように中間像Ｍ１，Ｍ２及び虚像Ｉ１，Ｉ２が生成されるように、ＨＵＤ装置１０、例えば、凹面鏡１４及び光学部材１３を設計する。

上記では、車両１の幅方向から見た光線及び像について説明したが、車両１の高さ方向から見た光線及び像についても同様の構成であり、かつ同様に作用する。

（効果）
以上、説明した一実施形態によれば、以下の効果を奏する。

（１）ＨＵＤ装置１０は、映像光Ｌ２を出射する表示器１１ａと、表示器１１ａからの映像光Ｌ２を受けて表示像Ｏ１，Ｏ２を生成するスクリーン１１ｂと、を含む表示器ユニット１１と、スクリーン１１ｂを映像光Ｌ２の光軸方向に沿って往復運動させることで表示像Ｏ１，Ｏ２の位置を移動させる駆動部１２と、表示像Ｏ１，Ｏ２の位置に応じて、それぞれ異なる位置にそれぞれ異なるサイズの中間像Ｍ１，Ｍ２を表示像Ｏ１，Ｏ２を表す表示光Ｌ１に基づき生成する第１の光学系の一例である光学部材１３と、中間像Ｍ１，Ｍ２を表す表示光Ｌ３をウインドシールド２へ導くことで虚像Ｉ１，Ｉ２、ひいては３次元の虚像Ｖを表示する第２の光学系の一例である凹面鏡１４と、を備える。
この構成によれば、光学部材１３は、表示像Ｏ１，Ｏ２に基づき中間像Ｍ１，Ｍ２を生成し、この際、中間像Ｍ１，Ｍ２の位置及びサイズを調整する。従って、虚像Ｉ１，Ｉ２に合わせて表示像Ｏ１，Ｏ２のサイズを調整する必要がないため、虚像Ｉ１，Ｉ２の画像解像度が異なることが抑制され、３次元の虚像Ｖの見栄えが低下することを抑制できる。

（２）駆動部１２は、第１の位置Ｐ１と当該第１の位置Ｐ１よりも光学部材１３から遠い第２の位置Ｐ２との間で表示像Ｏ１，Ｏ２を移動させる。光学部材１３は、表示像Ｏ１が第１の位置Ｐ１にあるとき第１の中間像Ｍ１を生成し、表示像Ｏ２が第２の位置Ｐ２にあるとき、第１の中間像Ｍ１よりもサイズが小さく、かつ第１の中間像Ｍ１よりも光学部材１３の近くに位置する第２の中間像Ｍ２を生成する。凹面鏡１４は、第１の中間像Ｍ１を表す表示光Ｌ３をウインドシールド２へ導くことで第１の虚像Ｉ１を表示し、第２の中間像Ｍ２を表す表示光Ｌ３をウインドシールド２へ導くことで、第１の虚像Ｉ１と画角αが同一となるように、第１の虚像Ｉ１よりもサイズが大きく、かつ第１の虚像Ｉ１よりもウインドシールド２から遠くに位置する第２の虚像Ｉ２を表示する。
この構成によれば、虚像Ｉ１，Ｉ２の画角αを同一とした場合であっても、画角αを同一とするために表示像Ｏ１，Ｏ２のサイズを調整する必要がない。このため、虚像Ｉ１，Ｉ２の画像解像度が異なることが抑制され、３次元の虚像Ｖの見栄えが低下することを抑制できる。
また、中間像Ｍ１，Ｍ２は光学部材１３から離れるほど大きいサイズとなるため、ＨＵＤ装置１０における光路を短くすることができ、これによりＨＵＤ装置１０の小型化を図ることができる。

（３）表示像Ｏ１，Ｏ２の画素Ｅ数は、表示像Ｏ１，Ｏ２の位置に関わらず同一に設定される。この構成によれば、虚像Ｉ１，Ｉ２の画像解像度を同一に設定することができ、３次元の虚像Ｖの見栄えが低下することを抑制できる。

（４）光学部材１３は表示像Ｏ１，Ｏ２を拡大した中間像Ｍ１，Ｍ２を生成し、凹面鏡１４は中間像Ｍ１，Ｍ２を拡大した虚像Ｉ１，Ｉ２を表示する。
この構成によれば、光学部材１３及び凹面鏡１４の両方で像を拡大するため、それぞれの倍率を低く抑えることができ、光学部材１３及び凹面鏡１４、ひいてはＨＵＤ装置１０の小型化を図ることができる。特に、ＨＵＤ装置１０が車室内に搭載される場合には、その設置スペースが限られていることから、ＨＵＤ装置１０の小型化は有益である。

凹面鏡１４はウインドシールド２の曲面形状による像の歪みを補正する機能と、中間像Ｍ１，Ｍ２を拡大する機能とを有する。このように、凹面鏡１４に２つの機能を持たせることで、ＨＵＤ装置１０の小型化を図ることができる。

（変形例）
なお、上記実施形態は、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。

駆動部１２の構成は上記実施形態に限らず、表示器ユニット１１を往復運動させることができれば、磁気型のアクチュエータ又はモーター１２ａの回転運動を直線運動に変換するラック＆ピニオン機構を利用してもよい。

上記実施形態においては、駆動部１２は、表示器ユニット１１を往復運動させていたが、駆動部１２は、スクリーン１１ｂのみを往復運動させてもよい。

上記実施形態における第２の光学系は、凹面鏡１４のみに限らず、凹面鏡１４及び平面鏡から構成されてもよい。

上記実施形態では、表示像Ｏ１，Ｏ２の画像の内容は同一であったが異ならせてもよい。この場合、制御部５０は、スクリーン１１ｂの位置に応じてスクリーン１１ｂに表す表示像の内容を変化させてもよい。これにより、視認者から見て奥行き方向により立体感のある虚像を表示させることができる。

上記実施形態では、ＨＵＤ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。また、ＨＵＤ装置１０はメガネ型ウェアラブル端末に搭載されてもよい。さらに、投射部材はウインドシールド２に限られず、専用のコンバイナであってもよい。

２，１０２ウインドシールド
３視点
１０ＨＵＤ装置
１１表示器ユニット
１１ａ表示器
１１ｂスクリーン
１１ｃ筐体
１２駆動部
１２ａモーター
１２ｂ変換機構
１３光学部材
１３Ｌ模式的合成レンズ
１４凹面鏡
５０制御部
１１０プロジェクタ
α 画角
Ｖ３次元の虚像
Ｉ１第１の虚像
Ｉ２第２の虚像
Ｍ１第１の中間像
Ｍ２第２の中間像
Ｏ１，Ｏ２表示像
Ｐ１第１の位置
Ｐ２第２の位置

Claims

映像光を出射する表示器と、前記表示器からの前記映像光を受けて表示像を生成するスクリーンと、を含む表示器ユニットと、
前記スクリーンを前記映像光の光軸方向に沿って往復運動させることで第１の位置と当該第１の位置よりも前記第１の光学系から遠い第２の位置との間で前記表示像を移動させる駆動部と、
前記表示像の位置に応じて、それぞれ異なる位置にそれぞれ異なるサイズの中間像を前記表示像を表す表示光に基づき生成する第１の光学系と、
前記中間像を表す表示光を投射部材へ導くことで虚像を表示する第２の光学系と、を備え、
前記第１の光学系は、前記表示像が前記第１の位置にあるとき前記中間像である第１の中間像を生成し、前記表示像が前記第２の位置にあるとき、前記第１の中間像よりもサイズが小さく、かつ前記第１の中間像よりも前記第１の光学系の近くに位置する前記中間像である第２の中間像を生成し、
前記第２の光学系は、前記第１の中間像を表す表示光を前記投射部材へ導くことで前記虚像である第１の虚像を表示し、前記第２の中間像を表す表示光を前記投射部材へ導くことで、前記第１の虚像と画角が同一となるように、前記第１の虚像よりもサイズが大きく、かつ前記第１の虚像よりも前記投射部材から遠くに位置する前記虚像である第２の虚像を表示し、
前記表示像の画素数は、前記表示像の位置に関わらず同一に設定される、
ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
前記第１の光学系は、前記表示像を拡大した前記中間像を生成し、
前記第２の光学系は、前記中間像を拡大した前記虚像を表示する、
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。