JP7064686B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置に関する。

ヘッドアップディスプレイ装置は、例えば、車両に搭載され、運転者の視線の先の風景（前景）に、各種の情報を重ねて表示するものである。運転者は、視線を前方の路面や物体に保ったままで、運転に必要な情報を視認することができる。

特許文献１で知られているヘッドアップディスプレイ装置は、表示光を上方へ出射する表示器と、この表示器から出射された表示光を水平方向へ反射する第１ミラーと、この第１ミラーによって反射された表示光を更にウインドシールドへ向かって反射する第２ミラーと、を含む。表示器は、第２ミラーの下に配列されている。運転者は、ウインドシールドに映し出された表示光（表示像）を見て、車両前方の風景、つまり前景と共に見える虚像として、認識することができる。

特開２０１６－１０３００８号公報

典型的なヘッドアップディスプレイ装置では、表示光をウインドシールドに向けて反射する第２ミラーは、拡大機能を有する凹面鏡であり、表示器が表示した画像を拡大してウインドシールドへ反射するため、表示する虚像が大きくなるに従い、表示光を反射する第２ミラーの反射面を大きくする必要があった。

ミラーの反射面が大きくなると、ヘッドアップディスプレイ装置の外部から侵入する外光（典型的には、太陽光）により迷光が発生しやすくなるおそれがあった。

本発明は、外光による迷光の発生を抑制するヘッドアップディスプレイ装置を提供することを課題とする。

第１の態様のヘッドアップディスプレイ装置は、上方（２０１）の幅が下方（２０２）の幅より短い虚像表示可能領域（２００）内に虚像（Ｖ）を表示可能なヘッドアップディスプレイ装置において、表示画像（Ｍ）を表示する表示器（１０）と、前記表示器（１０）が表示する前記表示画像（Ｍ）の表示光を反射する第１反射面（２０）と、前記第１反射面（２０）が反射する前記表示画像(Ｍ)の前記表示光を表示部材（２）に反射し、正のパワーを有する第２反射面（３０）と、を備え、前記第２反射面（３０）は、前記虚像表示可能領域（２００）の上方（２０１）に前記虚像Ｖを表示させる第１表示光（１０１）を反射する第１反射領域（Ｈ１）の幅（Ｗ１）が、前記虚像表示可能領域（２００）の下方（２０２）に前記虚像（Ｖ）を表示させる第２表示光（１０２）を反射する第２反射領域（Ｈ２）の幅（Ｗ２）より小さく、前記第２反射領域（Ｈ２）の近傍の幅（Ｗ）の変化率が、前記第１反射領域（Ｈ１）の近傍の幅（Ｗ）の変化率より小さい。

本発明によれば、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化を図り、車両への搭載性を高めることができる。

本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す図である。 上記実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置が生成する虚像表示可能領域の例を示す図である。 上記実施形態における第２ミラーの形状を説明する図であり、左図は、第２ミラーの正面図であり、右図は、第２ミラーの幅の変化を示すグラフである。 上記実施形態における第２ミラーの形状を他の例を説明する図であり、左図は、第２ミラーの正面図であり、右図は、第２ミラーの幅の変化を示すグラフである。

以下、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置（以下では、ＨＵＤ装置と呼ぶ）について図面を参照しながら説明する。

図１は、ＨＵＤ装置１の構成を示す図であり、視認者（主に運転者）３が前方を向いた際の左右方向（ＨＵＤ装置１が搭載される車両の車幅方向とも言える）をＸ軸（左方向をＸ軸正方向）と規定し、上下方向をＹ軸（上方をＹ軸正方向）と規定し、前後方向をＺ軸（前方をＺ軸正方向）と規定する。なお、図１には、虚像表示可能領域２００の上領域２０１に虚像Ｖを生成する第１表示光１０１と、虚像表示可能領域２００の下領域２０２に虚像Ｖを生成する第２表示光１０２のみを図示し、それ以外の表示光１００は省略する。

ＨＵＤ装置１は、図１に示すように、表示画像Ｍを表示する表示器１０と、表示器１０が表示する表示画像Ｍの表示光１００をアイボックスに向けるリレー光学系である第１ミラー２０及び第２ミラー３０と、これら表示器１０と第１ミラー２０及び第２ミラー３０を収納する図示しないハウジングと、ＨＵＤ装置１の電気的な制御を行う図示しない制御部と、を備える。ＨＵＤ装置１は、表示器１０の表示面１２を、リレー光学系を介して、視認者３の前方に位置するウインドシールド（表示部材の一例）２に映すことで、表示面１２に対応した仮想的な虚像表示可能領域２００を生成する。ＨＵＤ装置１は、表示面１２上に表示画像Ｍを表示することで、虚像表示可能領域２００上に、表示画像Ｍに基づく虚像Ｖを表示する。

前記ハウジングは、硬質の樹脂材料等から箱状に形成されている。前記ハウジングの周壁のうちウインドシールド２に対向する部位に開口（図示しない）が形成されている。前記開口部は、透明な樹脂材料等から形成された透光部（図示しない）により塞がれている。表示光１００は、透光部を透過して前記ハウジング内からウインドシールド２に向かう。前記ハウジング内には、前記制御部を除くＨＵＤ装置１の各構成が内蔵されている。

図２は、本実施形態のＨＵＤ装置１において、視認者３が前方を向いた際に表示部材２を介して視認される前景４と虚像Ｖとを示す図であり、実際には視認者３に視認されないが虚像表示可能領域２００も図示してある。本実施形態のＨＵＤ装置１が生成する虚像表示可能領域２００は、上領域２０１の幅（車幅方向Ｘの長さ）が、下領域２０２の幅より短い台形であり、右端（右辺）２０３の上側（Ｙ軸正方向）が左側（Ｘ軸正方向）に向けて傾き、左端（左辺）２０４の上側（Ｙ軸正方向）が右側（Ｘ軸負方向）に向けて傾く。虚像表示可能領域２００は、全部又は大部分が、自車両が走行する車線（車道）と重なるように配置され、視認者３から見て、虚像表示可能領域２００の右端（右辺）２０３と直線の車線（車道）の右端（図２では反対車線との境界である中央線）との角度差と、左端（左辺）２０４と直線の車線（車道）の左端（図２では路側帯との境界である車道外側線）との角度差とは、それぞれ±２０［ｄｅｇｒｅｅ］以内である。なお、虚像表示可能領域２００の上領域（上辺）２０１と下領域（下辺）２０２は、必ずしも平行でなくてもよい。

図１に戻る。表示器１０は、画像生成部１１で生成した表示画像Ｍを表示面１２に表示するものである。画像生成部１１は、例えば、ＬＣＤからなる透過型表示デバイス、有機ＥＬなどの自発光型表示デバイス、ＤＭＤやＬＣｏＳ（登録商標）などを用いた反射型投射デバイス、あるいはレーザー光を走査するレーザー光投射デバイスなどである。表示面１２は、画像生成部１１が、透過型表示デバイスまたは自発光型表示デバイスである場合、表示デバイスの表面であり、画像生成部１１が、反射型投射デバイス、レーザー光投射デバイスである場合、画像生成部１１からの光が投射されるスクリーンである。

表示器１０は、表示面１２上に表示画像Ｍを表示することで、第１ミラー２０に向けて表示画像Ｍに基づく表示光１００を出射する。表示器１０は、虚像表示可能領域２００の上領域２０１に対応する表示面１２上の第１表示領域１３から第１ミラー２０の反射領域２１に向けて出射し、虚像表示可能領域２００の下領域２０２に対応する表示面１２上の第２表示領域１４から第１ミラー２０の反射領域２２に向けて出射する。なお、第１表示領域１３からの第１表示光１０１の第２ミラー３０までの光路長が、第２表示領域１４からの第２表示光１０２の第２ミラー３０までの光路長より長くなるように配置されてもよい。これにより、視認者３を基準に、虚像表示可能領域２００の上領域２０１を下領域２０２より遠方に配置することができる。例えば、虚像表示可能領域２００は、図１に示されるＹ軸と概ね平行な位置からＸ軸を中心にＣＣＷ方向に９０［ｄｅｇｒｅｅ］以内で傾けられてもよい。

なお、表示器１０の表示面１２は、虚像表示可能領域２００の上領域２０１の左右方向の長さに対応する表示面１２の第１表示領域１３の幅（Ｘ軸方向の長さ）が、虚像表示可能領域２００の下領域２０２の左右方向の長さに対応する表示面１２の第２表示領域１４の幅（Ｘ軸方向の長さ）より短くなるように形成されてもよい。一般に、ウインドシールド２の面は曲面状である。また、表示面１２から出射された表示光１００は、複数のミラー（第１ミラー２０，第２ミラー３０）によって数回反射された後に、ウインドシールド２の面に映し出される。このため、通常は視認者に視認される虚像Ｖが歪む。これに対し、本実施形態のＨＵＤ装置１では、表示面１２に表示される表示画像Ｍを、生じてしまう歪みを打ち消す方向に予め歪ませて表示させることによって、視認者に視認される虚像Ｖの歪みを相殺している。このことを踏まえると、台形の虚像表示可能領域２００を生成するための最小限の表示面１２の輪郭は、実際に生成される虚像表示可能領域２００の形状（例えば、完全な台形）の相似形状を若干歪ませた形状とすることが好ましい。

第１ミラー２０は、平面鏡であり、表示器１０で出射された表示光１００を第２ミラー３０に向けて反射する。なお、第１ミラー２０は、虚像表示可能領域２００の上領域２０１を生成する第１表示光１０１を反射する反射領域２１の幅（Ｘ軸方向の長さ）が、虚像表示可能領域２００の下領域２０２を生成する第２表示光１０２を反射する反射領域２２の幅（Ｘ軸方向の長さ）より短くなるように形成されてもよい。

他の例として、第１ミラー２０は、反射面における直交する方向でそれぞれ異なる光学的パワーを有する自由曲面ミラーであり、表示器１０で出射された表示光１００を第２ミラー３０に向けて反射し、反射した表示光１００を第１ミラー２０に到達する前に上下でクロスさせる曲率を有してもよい。具体的には、第１ミラー２０は、虚像表示可能領域２００の上領域２０１を生成する第１表示光１０１と下領域２０２を生成する第２表示光１０２とが、第２ミラー３０との間でクロスするように収束させる正の光学的パワーを有していてもよい。

第２ミラー３０は、主に表示器１０に表示された表示画像Ｍを拡大して、ウインドシールド２に映す機能を有する凹状の自由曲面ミラーであり、第１ミラー２０が反射した表示光１００をウインドシールド２に向けて反射する。なお、第２ミラー３０は、虚像Ｖの歪みを抑制する機能を有していてもよい。第２ミラー３０は、第１反射領域Ｈ１が、第２反射領域Ｈ２より自車両の進行方向と反対方向（Ｚ軸負方向）に配置される。言い換えると、第１反射領域Ｈ１は、前後方向Ｚにおいて、第２反射領域Ｈ２より視認者３の近くに配置される。また、第２ミラー３０を回転又は／及び移動させる駆動部３０ａがさらに設けられていてもよい。
（第２ミラー３０の形状）

図３Ａ，図３Ｂは、第２ミラー３０の形状を示す図であり、左図は第２ミラー３０の正面図であり、右図は第２ミラー３０の幅Ｗの変化を示すグラフであり、横軸が第２ミラー３０の幅Ｗを示し、縦軸が第２ミラー３０の縦方向の位置Ｈである。第２ミラー３０は、虚像表示可能領域２００の上領域２０１を生成する第１表示光１０１を反射する第１反射領域Ｈ１と、虚像表示可能領域２００の下領域２０２を生成する第２表示光１０２を反射する第２反射領域Ｈ２と、第１反射領域Ｈ１と第２反射領域Ｈ２との間の第３反射領域Ｈ３と、を備え、第２反射領域Ｈ２から第３反射領域Ｈ３までの間の第２ミラー３０の幅Ｗの変化率を、第３反射領域Ｈ３から第１反射領域Ｈ１までの間の第２ミラー３０の幅Ｗの変化率より小さくする。すなわち、虚像表示可能領域２００の下領域２０２を生成する第２表示光１０２を反射する第２反射領域Ｈ２から途中（第３反射領域Ｈ３）までの間の第２ミラー３０の幅Ｗを、図３Ａに示すように均等にしてもよく、図３Ｂに示すように他の領域と比較して緩やかに変化させてもよい。

以上に説明したように、本実施形態のＨＵＤ装置１では、視認者３から見て、虚像表示可能領域２００の上領域２０１に虚像Ｖを表示させる第１表示光１０１を反射する第１反射領域Ｈ１の幅Ｗ１を、虚像表示可能領域２００の下領域２０２に虚像Ｖを表示させる第２表示光１０２を反射する第２反射領域Ｈ２の幅Ｗ２より小さくし、第２反射領域Ｈ２の近傍の幅Ｗの変化率を、第１反射領域Ｈ１の近傍の幅Ｗの変化率より小さくしている。このように、第２表示光１０２を反射する第２反射領域Ｈ２近傍の幅Ｗが広範囲（Ｈ２からＨ３）で長く保たれているため、虚像Ｖを表示可能な虚像表示可能領域２００が、上領域２０１の幅が下領域２０２の幅より短いＨＵＤ装置１において、視認者３の目の高さが変化する又は目の高さが違う別の視認者３が自車両に搭乗した場合であっても、第２表示光１０２を幅Ｗが長い第２反射領域Ｈ２近傍で表示部材２に向けて反射することができる。言い換えると、視認者３の目の高さが変化する又は目の高さが違う別の視認者３が自車両に搭乗した場合であっても、第２表示光１０２の一部が第２ミラー３０の反射面から外れにくくすることができる。

なお、少なくとも第２ミラー３０の反射面の形状が、図３Ａ、図３Ｂで示した形状であればよく、第２ミラーの外形形状がこのような形状でなくてもよい。例えば、矩形状の樹脂板又はガラス板の表面に、図３Ａ、図３Ｂで示した形状の反射面を形成してもよい。この場合、反射面が形成されていない領域は、余分な領域となるが、反射面のサイズを小さく抑えることができるため、迷光を低減させることができる。

以上のように、本出願において開示する技術の例示として実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施形態にも適用することができる。また、本出願で開示する各構成要素を組み合わせて、新たな実施例とすることも可能である。

１ ：ＨＵＤ装置（ヘッドアップディスプレイ装置）
２ ：ウインドシールド（表示部材）
３ ：視認者
４ ：前景
１０ ：表示器
１１ ：画像生成部
１２ ：表示面
１３ ：第１表示領域
１４ ：第２表示領域
２０ ：第１ミラー
３０ ：第２ミラー
１００ ：表示光
１０１ ：第１表示光
１０２ ：第２表示光
２００ ：虚像表示可能領域
２０１ ：上領域
２０２ ：下領域
Ｈ１ ：第１反射領域
Ｈ２ ：第２反射領域
Ｈ３ ：第３反射領域
Ｍ ：表示画像
Ｖ ：虚像

Claims (4)

1. 上方（２０１）の幅が下方（２０２）の幅より短い虚像表示可能領域（２００）内に虚像（Ｖ）を表示可能なヘッドアップディスプレイ装置において、
   表示画像（Ｍ）を表示する表示器（１０）と、
   前記表示器（１０）が表示する前記表示画像（Ｍ）の表示光を反射する第１反射面（２０）と、
   前記第１反射面（２０）が反射する前記表示画像(Ｍ)の前記表示光を表示部材（２）に反射し、正のパワーを有する第２反射面（３０）と、を備え、
   前記第２反射面（３０）は、前記虚像表示可能領域（２００）の上方（２０１）に前記虚像（Ｖ）を表示させる第１表示光（１０１）を反射する第１反射領域（Ｈ１）の幅（Ｗ１）が、前記虚像表示可能領域（２００）の下方（２０２）に前記虚像（Ｖ）を表示させる第２表示光（１０２）を反射する第２反射領域（Ｈ２）の幅（Ｗ２）より小さく、前記第２反射領域（Ｈ２）の近傍の幅（Ｗ）の変化率が、前記第１反射領域（Ｈ１）の近傍の幅（Ｗ）の変化率より小さい、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記第２反射面（３０）は、前記第１反射領域（Ｈ１）と前記第２反射領域（Ｈ２）との間に第３反射領域（Ｈ３）を有し、前記第２反射領域（Ｈ２）から前記第３反射領域（Ｈ３）までの間の前記第２反射面（３０）の幅（Ｗ）の変化率が、前記第３反射領域（Ｈ３）から前記第１反射領域（Ｈ１）までの間の前記第２反射面（３０）の幅（Ｗ）の変化率より小さい、
   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。
3. 前記第２反射面（３０）は、前記第２反射領域（Ｈ２）から前記第３反射領域（Ｈ３）までの間の前記第２反射面（３０）の幅（Ｗ）の変化率が、前記第３反射領域（Ｈ３）から前記第１反射領域（Ｈ１）までの間の前記第２反射面（３０）の幅（Ｗ）の変化率より緩やかとする、
   ことを特徴とする請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記第２反射面（３０）は、前記第２反射領域（Ｈ２）から前記第３反射領域（Ｈ３）までの間の前記第２反射面（３０）の幅（Ｗ）の変化率がゼロである、
   ことを特徴とする請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
   

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