JP7163827B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディスプレイでの表示画像をウィンドシールドなどに備えられた投影面に投影することで、ユーザに表示画像を視認可能とするヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。

従来、特許文献１において、ディスプレイをウィンドシールドの直下に配置し、ディスプレイでの表示画像をウィンドシールドの投影面に映し出し、ユーザに視認させるヘッドアップディスプレイ装置が提案されている。このような構成のヘッドアップディスプレイ装置では、ウィンドシールドを通じて入射された太陽光などがディスプレイで反射されると、その反射光が直接ユーザのアイボックスに入射される可能性がある。このため、ベゼルに相当するダッシュボードのフード部の上端位置が、アイボックスの上端とディスプレイの上端を結んだ直線よりも上方に位置するようにしている。これにより、太陽光などの入射光がディスプレイの上端位置で反射しても、その反射光がフード部で遮られ、アイボックスに届かないようにすることが可能となっている。

特開昭５９－２１４０１１号公報

３Ｄ（dimension）ディスプレイなどでは、一般的に、液晶ディスプレイなどの周期的なピクセル構造を有する表示機が用いられる。この表示機では、１つ１つのピクセルが複数のサブピクセルで構成されており、複数のサブピクセルの表示色がそれぞれ異なることで、１つのピクセルとして様々な色を再現できるようになっている。

このような構造の表示機では、複数のピクセルによる周期構造（以下、ピクセル周期構造という）と、１つ１つのピクセルを構成するサブピクセルによる周期構造（以下、サブピクセル周期構造という）の２つの周期を有している。

一方、周期構造に光が入射すると、光の回折が発生することが知られている。回折光は、周期構造の周波数が増加するに連れて回折角度が大きくなるという関係を有している。そのため、液晶ディスプレイなどの表示機に光が入射すると、正反射光とは別に周期構造の周波数に依存した回折光が発生することになる。

上記した特許文献１の構造では、反射光についてはフード部で遮ることが可能になるものの、表示部を収容している筐体の上方に形成された開口部から回折光が外に出てしまう可能性がある。回折光が外に出てしまうと、それが何らかの形でドライバの眼に入り込む可能性がある。ドライバの座高などによってアイボックスの位置が変わることからも、回折光がドライバの目に届き得るため、反射光だけでなく回折光についてもアイボックスに届かないようにすることが必要になる。

本発明は上記点に鑑みて、反射光だけでなく回折光もアイボックスに届かないように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、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置は、表示面（４ａ）に、１つ１つが複数のサブピクセル（４１ａ～４１ｇ）を有して構成された複数のピクセル（４１）が一方向および該一方向に対して交差する方向それぞれにおいて所定のピッチで配置され、表示面のうち複数のピクセルが配置された領域を有効表示領域として画像表示を行うディスプレイ（４）と、開口部（９１）が備えられ、表示面が上方に向くようにしつつ、複数のピクセルの配列方向の一方が水平方向に沿う方向、交差する方向が鉛直方向に沿う方向となるようにディスプレイを収容すると共に、開口部を通じてディスプレイでの画像表示が投影面に投影されるようにする筐体（９）と、を備えている。そして、ディスプレイは、有効表示領域のうちの上方側の端部となる上端（４２）と、開口部のうちの車両の後方側の開口端である後方開口端（９１ａ）とを結ぶ直線をＬＡ、上端での表示面の法線ベクトルをＺ１、法線ベクトルと直線ＬＡとの成す角度をθ、複数のピクセルのうち鉛直方向に沿う方向でのセルピッチをｐ［μｍ］、太陽光における可視光の波長をλ［μｍ］として、

が成り立つ設置状態で筐体に配置されている。

このような構成とすることにより、ディスプレイのピクセル周期構造に基づく太陽光における可視光の回折光が筐体の外に出ることが抑制され、反射光だけでなく回折光もアイボックスに届かないようにできるヘッドアップディスプレイ装置とすることが可能となる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の車載への搭載状態を示した図である。 ３Ｄディスプレイに対して入射光が照射されたときの反射光と回折光の様子を示した斜視図である。 ３Ｄディスプレイにおける表示面の部分拡大図である。 図１に示すヘッドアップディスプレイ装置における筐体およびディスプレイの拡大断面図である。 第２実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置における筐体およびディスプレイの拡大断面図である。 ディスプレイの曲率半径と有効表示領域の上端から筐体に形成された開口部の後方開口端までの距離との関係を説明した断面図である。 他の実施形態で説明する２Ｄディスプレイにおける表示面の部分拡大図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。ヘッドアップディスプレイ装置は、車両に適用されるものであり、ドライバに表示画像の虚像を視認可能とすることで、車速やナビゲーションシステムによる進行方向の表示などの情報を提供するものとして用いられる。

図１に示すヘッドアップディスプレイ装置１００は、例えば車両のインストルメントパネル１内に収容されており、ウィンドシールド２の投影面３にディスプレイ４での表示画像を投影することで、ドライバに表示画像の虚像５を視認可能とする。表示画像については、ドライバが運転席に着座したときの眼６の位置として想定される長方形の領域をアイボックス７として、アイボックス７から投影面３に投影された表示画像の虚像５が視認可能となるように表示される。なお、本実施形態では、３Ｄディスプレイを例に挙げて説明するため、図１中には、３Ｄディスプレイの虚像５ａと３Ｄ映像の虚像５ｂとを示してある。

ヘッドアップディスプレイ装置１００は、ディスプレイ４と、防塵カバー８および筐体９を備えている。

ディスプレイ４は、表示機を構成するものであり、本実施形態では平面状の表示面４ａを有する３Ｄディスプレイによって構成されている。ディスプレイ４は、ピクセル周期構造を有する複数のピクセルを備えた構成とされている。ディスプレイ４を３Ｄディスプレイによって構成した場合、例えば図２に示す構成とされる。なお、図２は、ディスプレイ４における表示面側の斜視図であるが、この図に示すディスプレイ４の表示面４ａ側が図１に示すように上方に向けられて配置される。

図２に示すように、ディスプレイ４は、複数のピクセル４１を有した構成とされている。複数のピクセル４１は、それぞれ、３つのサブピクセル４１ａ～４１ｃによって構成されている。３つのサブピクセル４１ａ～４１ｃは、それぞれ、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）で発光する。ディスプレイ４のうちこのピクセル４１が配置された一面が表示面４ａであり、ピクセル４１が配置された領域が画像表示を行うことができる有効表示領域となる。なお、図２は断面図ではないが、各サブピクセル４１ａ～４１ｃが判りやすいように、異なるハッチングを付してある。異なる色相で発光されるサブピクセル４１ａ～４１ｃの光を加色混合することにより、種々の色が再現可能とされている。

ディスプレイ４の表示面４ａには、各ピクセル４１ａ～４１ｃが一方向およびその方向に対して交差する方向それぞれにおいて、所定のピッチで配置されている。具体的には、表示面４ａをｘｙ平面と見立てて、図２の紙面左右方向をｘ軸方向、それに対して垂直な方向をｙ軸方向とすると、各サブピクセル４１ａ～４１ｃは、ｘ軸方向を長手方向として、ｙ軸方向に等間隔に並べられてサブピクセル周期構造を構成している。そして、３つのサブピクセル４１ａ～４１ｃを１組としたピクセル４１がｘ軸方向において周期的に配置されていると共に、ｙ軸方向においても周期的に配置されることでピクセル周期構造が構成されている。

なお、上記したように、ディスプレイ４は、表示面４ａ側が上方に向くようにして、図２のｙ軸方向が水平方向に向き、ｘ軸方向が鉛直方向に沿う方向、より詳しくは鉛直方向に対して傾斜するように配置される。このため、各サブピクセル４１ａ～４１ｃの長手方向が鉛直方向に沿う方向に向けられ、各サブピクセル４１ａ～４１ｃの配列方向が水平方向に向けられるように配置された構造（以下、構造Ａという）となるが、これに限るものではない。例えば、各サブピクセル４１ａ～４１ｃの配列方向が鉛直方向に沿う方向に向けられ、各サブピクセル４１ａ～４１ｃの長手方向が水平方向に向けられるように配置された構造（以下、構造Ｂという）とされても良い。

ただし、回折光は、周期構造の周期が反映されることから、ピクセル周期構造の周期よりも周期が短いサブピクセル周期構造の方が、回折角が大きくなる。このため、本実施形態の構造Ａとすると、太陽光の入射方向に沿う方向の周期構造がピクセル周期構造となるため、構造Ｂのように、太陽光の入射方向に沿う方向の周期構造がサブピクセル周期構造となる場合と比較して、回折角を小さくできる。よって、回折光が筐体９から外に出ることが抑制し易くなる。

防塵カバー８は、ディスプレイ４の表示面４ａ側を覆うように配置され、ディスプレイ４への塵の付着を抑制する。ここでは、防塵カバー８を筐体９の上方位置に備えた例を示してあるが、ディスプレイ４の表面に沿うように備えられても良い。

筐体９は、インストルメントパネル１内に配置され、ディスプレイ４や防塵カバー８を収容している。筐体９の上方には開口部９１が形成されており、この開口部９１を通じて、ディスプレイ４での表示画像が投影面３に投影されるようになっている。開口部９１は、例えば車両左右方向を長手方向とする長方形状や楕円形状などとされるが、その形状は任意である。なお、図示しないが、筐体９内にはディスプレイ４への通電用の配線が導かれており、ディスプレイ４による画像表示が可能となっている。

以上のようにして、本実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置１００が構成されている。

このヘッドアップディスプレイ装置１００では、筐体９の開口部９１うち車両後方側の開口端（以下、後方開口端という）９１ａとディスプレイ４の有効表示領域の上端４２との位置関係によって、太陽光の反射光や回折光がアイボックス７に届くか否かが決まる。このため、本実施形態では、後方開口端９１ａの位置に基づき、ディスプレイ４の設置状態、すなわちディスプレイ４の設置位置や表示面４ａの法線ベクトルを決めている。これについて、図２および図３を参照して説明する。なお、ここでは、ディスプレイ４の設置状態を後方開口端９１ａに応じて設定するとして説明するが、これらの関係が、反射光や回折光がアイボックス７に届かない関係となっていれば良く、その関係を満たすように後方開口端９１ａの位置を設計するのも同意である。

図２中に示したように、太陽光の入射光Ｌｉが表示面４ａに対し、表示面４ａの法線方向に対する入射角αで入射された場合、反射光Ｌｒと回折光Ｌｄが生じる。反射光Ｌｒは、表示面４ａの法線方向に対する反射角が入射角αと等しくなるように出射される。一方、回折光Ｌｄは、回折次数に応じた回折角度βで出射される。この回折光Ｌｄの回折角度βは、グレーティング方程式より、入射角α、回折次数Ｎ、光の波長λ［μｍ］、鉛直方向に沿う方向での周期構造の周波数ｖ［１／μｍ］を用いて、次の数式１で表される。また、ｐ［μｍ］は、ピクセル密度、つまり鉛直方向に沿う方向におけるピクセルピッチであり、ｖ＝１／ｐの関係が成り立つ。

この式で表される回折角度βは、回折次数Ｎに応じて変化し、負の値の回折次数Ｎの絶対値が大きくなるほど、入射光Ｌｉに近づき、開口部９１から外に出易くなる。また、入射角αが小さくなるほど、回折次数Ｎが同じであっても回折角度βが大きくなり、開口部９１から外に出易くなる。これらを考慮して、回折光Ｌｄが開口部９１から外に出ないようにディスプレイ４の設置状態を決めることが必要である。

ただし、回折光Ｌｄは、回折次数Ｎの絶対値が大きくなるほど、強度が小さくなる。このため、どの回折次数の回折光まで開口部９１の外に出したくないかによって、ディスプレイ４の設置状態を決めれば良い。少なくとも、回折次数Ｎ＝±１の回折光については開口部９１から外に出ないようにする必要があり、回折次数Ｎ＝±３の回折光について開口部９１から外に出ないようにするのが好ましい。さらに、回折次数Ｎ＝±５の回折光について開口部９１から外に出ないようにすると、より好ましい。

ここで、図４に示すように、ディスプレイ４の有効表示領域の上端４２と後方開口端９１ａとを結ぶ直線をＬＡとする。また、表示面４ａの法線ベクトルをＺ１とし、法線ベクトルＺ１と直線ＬＡの成す角度をθとする。

入射角αが最も小さくなると想定されるのが、入射光Ｌｉの入射方向が直線ＬＡと一致するときであり、このときの入射角αは角度θとなる。このため、数式１のαにθを代入し、それをβの式に改めると、数式２が導出される。

そして、回折角度βが角度θよりも小さければ、回折光Ｌｄは開口部９１の外に出てこないことから、ｓｉｎβ＜ｓｉｎθを満たすような設計とすれば良い。ｓｉｎθが数式２のように表されることから、数式３のように、数式２の右辺がｓｉｎθよりも小さくなるという関係を満たせば良い。この式は数式４に変形することができることから、この数式４を満たす角度θの直線ＬＡとなるように、ディスプレイ４の設置状態を決めれば良い。

そして、上記したように、回折次数Ｎ＝±１次の回折光Ｌｄについては少なくとも開口部９１から外に出さないようにするのであれば、数式４にＮ＝１を代入した数式５を満たすように、ディスプレイ４の設置状態を決めれば良い。

なお、上記したように、λは光の波長である。可視光の波長は、紫光から赤色光の４００～７００ｎｍ程度であり、数式５を満たすべき角度θとして最も大きな角度となるのは、波長が７００ｎｍのときである。このため、λに７００ｎｍを代入した場合の角度θを満たすようにディスプレイ４の設置状態を決めている。

また、回折光Ｌｄについて開口部９１から外に出ないようにする回折光Ｌｄの回折次数Ｎが±３であれば数式４に対してＮ＝３を代入し、回折次数Ｎが±５であれば数式４に対してＮ＝５を代入すれば良い。

以上説明したように、本実施形態では、数式４を満たす角度θとなるように、有効表示領域の上端４２の設置位置やディスプレイ４の法線ベクトルＺ１を決めて、筐体９内にディスプレイ４を設置している。これにより、ディスプレイ４のピクセル周期構造に基づく回折光が筐体９の外に出ることが抑制され、反射光Ｌｒだけでなく回折光Ｌｄもアイボックス７に届かないようにできるヘッドアップディスプレイ装置１００とすることが可能となる。

ヘッドアップディスプレイ装置１００では、投影面３への表示画像の投影面積を増やすために、ディスプレイの表示面４ａをできるだけ上方に向けたいが、上方に向けるほど回折光が外に出易くなる。このため、本実施形態のようにして、ディスプレイ４の設置状態を決めることで、できるだけディスプレイ４を上方に向けつつ、反射光Ｌｒや回折光Ｌｄがアイボックス７に届かないようにすることが可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してディスプレイ４の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５に示すように、本実施形態では、ディスプレイ４が曲面ディスプレイによって構成されている。曲面ディスプレイは、表示面４ａが断面円弧状の凹面とされることから、上方部分を鉛直方向に近づけつつ、下方部分をより上方に向けることが可能となることから、上端４２に太陽光が入射し難い構成にできる。ただし、表示面４ａの下方部分が上方に向けられることから、有効表示領域の下端４３で反射した太陽光が開口部９１から外に出る可能性がある。このため、本実施形態では、ディスプレイ４の曲率半径を規定することで、太陽光の反射光が開口部９１から外に出ることを抑制する。

なお、ディスプレイ４が曲面状となっている場合でも、ディスプレイ４の有効表示領域の上端４２の設置位置や法線ベクトルＺ１と開口部９１の後方開口端９１ａの位置との関係については第１実施形態と同様である。つまり、上記数式４を満たすようにすれば良く、開口部９１から外に出したくない回折光Ｌｄの回折次数Ｎに応じて、ディスプレイ４の設置状態を決めれば良い。法線ベクトルＺ１については、上端４２での曲面の接線に対して垂直な方向となる。

図６に示すように、ディスプレイ４の表示面４ａの曲率半径をＲ_{３ｄｄｉｓｐ}とし、上端４２と後方開口端９１ａとの間の距離をＬ１とすると、曲率半径Ｒ_{３ｄｄｉｓｐ}が距離Ｌ１よりも大きくなるＲ_{３ｄｄｉｓｐ}＞Ｌ１の関係を満たすようにしている。

上記したように、ディスプレイ４の有効表示領域の上端４２の法線ベクトルＺ１が数式４を満たす関係となるようにする場合、法線ベクトルＺ１は、直線ＬＡよりも下方を向くことになる。つまり、法線ベクトルＺ１の先端は筐体９の内部に収まることになる。このため、上端４２を基点として、ディスプレイ４の表示面４ａの曲率半径Ｒ_{３ｄｄｉｓｐ}を変化させた場合に、少なくともＲ_{３ｄｄｉｓｐ}＞Ｌ１の関係を満たすようにすれば、有効表示領域の下端４３の法線ベクトルＺ２の先端も筐体９の内部に収まるようにできる。すなわち、有効表示領域の下端４３で反射した太陽光が開口部９１から外に出ないようにできる。

このように、ディスプレイ４を曲面ディスプレイで構成する場合には、ディスプレイ４の有効表示領域の上端４２の設置位置や法線ベクトルＺ１と開口部９１の後方開口端９１ａの位置との関係が第１実施形態の関係を満たすようにする。さらに、曲率半径Ｒ_{３ｄｄｉｓｐ}が距離Ｌ１よりも大きくなるＲ_{３ｄｄｉｓｐ}＞Ｌ１の関係を満たすようにする。これにより、上端４２での反射光に加えて回折光がアイボックス７に届くことを抑制できると共に、下端４３での反射光についてもアイボックス７に届くことを抑制することが可能となる。

（他の実施形態）
本開示は、上記した実施形態に準拠して記述されたが、当該実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

例えば、上記実施形態ではディスプレイ４を３Ｄディスプレイで構成し、かつ、サブピクセル４１ａ～４１ｃの配列方向が水平方向、長手方向が鉛直方向に沿う方向となるようにする場合について説明した。しかしながら、これは一例を示したに過ぎず、サブピクセル４１ａ～４１ｃの配列方向が鉛直方向に沿う方向、長手方向が水平方向となるようにしても良い。

なお、本明細書で言う水平方向とは、車両が水平な路面上にあるときの状態を意味しているが、水平方向と完全に一致しているという意味ではなく、水平方向に沿う方向を意味している。例えば、ヘッドアップディスプレイ装置１００での画像表示がドライバに視認し易いように、ディスプレイ４のピクセル４１の配列方向が水平面に対して傾けられるが、傾いていても水平方向に沿う方向に該当する。また、第２実施形態のように、ディスプレイ４が曲面ディスプレイとされる場合、複数のピクセル４１の配列方向として説明した一方向およびそれに交差する方向は、曲面状の表示面４ａ内での方向という意味であり、必ずしも直線状の方向を意味している訳では無い。

また、ディスプレイ４は３Ｄディスプレイに限るものでもない。例えば、ディスプレイ４を２Ｄディスプレイで構成しても良い。２Ｄディスプレイの場合、例えば、図７に示すように、１つ１つのピクセル４１が４つのサブピクセル４１ｄ～４１ｇによって構成され、それぞれ、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）、白色（Ｗ）で発光する。このような構成の場合、４つのサブピクセル４１ｄ～４１ｇが四角形状に、それぞれが各角部に位置するように配置され、四角形状の各辺の長さがピクセル周期構造の周期となる。

さらに、筐体９の開口部９１の形状についても任意である。特に、後方開口端９１ａは、必ずしも開口部９１を構成している壁面のうちの最も上方に位置する部分である必要はない。つまり、光を通過させる領域の中で有効表示領域の上端４２から引いた直線の傾き、換言すれば当該直線と水平面との成す角度が最も小さくなる位置が後方開口端９１ａに相当する。

また、筐体９の形状についても任意である。また、筐体９は、図４に示したような箱形のように、ディスプレイ４などを収容する部材として独立した部材で構成されていても良いし、インストルメントパネル１を構成する部材を用いて構成されていても良い。また、インストルメントパネル１とディスプレイ４を収容する部材とが一体となって筐体９を構成していてもよい。筐体９の少なくとも一部がインストルメントパネル１を構成する部材とされる場合、インストルメントパネル１が開口部９１の後方開口端９１ａを構成する部分となり得る。

２ ウィンドシールド
３ 投影面
４ ディスプレイ
４ａ 表示面
４１ ピクセル
４２ 上端
９ 筐体
９１ 開口部
９１ａ 後方開口端

Claims (4)

1. 車両のウィンドシールド（２）に備えられる投影面（３）に表示画像を投影するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   表示面（４ａ）に、１つ１つが複数のサブピクセル（４１ａ～４１ｇ）を有して構成された複数のピクセル（４１）が一方向および該一方向に対して交差する方向それぞれにおいて所定のピッチで配置され、前記表示面のうち前記複数のピクセルが配置された領域を有効表示領域として画像表示を行うディスプレイ（４）と、
   開口部（９１）が備えられ、前記表示面が上方に向くようにしつつ、前記複数のピクセルの配列方向の一方が水平方向に沿う方向、前記交差する方向が鉛直方向に沿う方向となるように前記ディスプレイを収容すると共に、前記開口部を通じて前記ディスプレイでの画像表示が前記投影面に投影されるようにする筐体（９）と、を備え、
   前記ディスプレイは、
   前記有効表示領域のうちの上方側の端部となる上端（４２）と、前記開口部のうちの前記車両の後方側の開口端である後方開口端（９１ａ）とを結ぶ直線をＬＡ、前記上端での前記表示面の法線ベクトルをＺ１、前記法線ベクトルと前記直線ＬＡとの成す角度をθ、前記複数のピクセルのうち前記鉛直方向に沿う方向でのセルピッチをｐ［μｍ］、太陽光における可視光の波長をλ［μｍ］として、
   

   

   が成り立つ設置状態で前記筐体に配置されている、ヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記ディスプレイは、
   前記複数のピクセルのうち前記鉛直方向に沿う方向での周期構造での回折における回折次数をＮとして、
   

   

   が成り立つ設置状態で前記筐体に配置されている、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記ディスプレイは、前記表示面が平面状とされている請求項１または２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記ディスプレイは、前記表示面が断面円弧状の凹面とされ、
   前記表示面における前記有効表示領域の下端（４３）が上方に向けられており、前記表示面の曲率半径（Ｒ_{３ｄｄｉｓｐ}）が、前記上端から前記後方開口端までの距離（Ｌ１）よりも大きくなっている、請求項１または２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

Images