JP7246026B2

JP7246026B2 - ヘッドアップディスプレイ

Info

Publication number: JP7246026B2
Application number: JP2019138155A
Authority: JP
Inventors: 崇人羽田; 智明宮本
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2023-03-27
Anticipated expiration: 2039-07-26
Also published as: JP2021021827A

Description

本開示は、例えば車両などに搭載されるヘッドアップディスプレイに関する。

従来、例えば車両などに搭載されるヘッドアップディスプレイが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１のヘッドアップディスプレイは、投射器と、導光ミラーと、コンバイナとを備える。投射器は表示光を導光ミラーに向けて投射し、導光ミラーはその表示光をコンバイナに向けて反射する。コンバイナによって反射された表示光は、車両の乗員に向かう。その結果、車両の乗員は、コンバイナの奥側、すなわち車両の外側に存在する虚像を視認することができる。ここで、上記特許文献１のヘッドアップディスプレイでは、導光ミラーにおける表示光を反射する面は凸面状である。これにより、その虚像の視認性を向上することができる。

特開２０１７－１９８８００号公報

しかしながら、上記特許文献１のヘッドアップディスプレイでは、視点によって虚像が歪む可能性があるという課題がある。

そこで、本開示は、虚像の歪みの発生を抑えることができるヘッドアップディスプレイを提供する。

本開示の一態様に係るヘッドアップディスプレイは、透光性を有する板状の表示媒体と、画像を表示する表示部と、前記表示部によって表示される画像を前記表示媒体に導くことによって、前記表示媒体に対して観察者と反対側に虚像を形成する投射光学系とを備え、前記表示部の画像中心から出た光線が観察者の瞳の中心を通る光路が中心光路とされる場合、前記投射光学系および前記表示媒体を含む合成光学系の前記中心光路における合成パワーを、前記表示媒体の前記中心光路におけるパワーで微分することによって得られる値の絶対値である第１の値は、４以下である。

なお、この包括的または具体的な態様は、システムまたは方法などによって実現されてもよく、システムまたは方法などの任意な組み合わせで実現されてもよい。

本開示のヘッドアップディスプレイは、虚像の歪みの発生を抑えることができる。

本開示の一態様における更なる利点および効果は、明細書および図面から明らかにされる。かかる利点および／または効果は、いくつかの実施の形態並びに明細書および図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、１つまたはそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。

図１は、実施の形態におけるヘッドアップディスプレイの配置および構成を示す図である。図２は、実施の形態における虚像の歪みが抑えられる状況を説明するための図である。図３は、実施の形態におけるヘッドアップディスプレイの光学系と、合成パワーと、表示部から前側主点までの距離とを示す図である。図４は、実施の形態におけるヘッドアップディスプレイの光学系での、合成パワーと、表示部から前側主点までの距離とのそれぞれの条件を示す図である。

（本開示の基礎となった知見）
本発明者は、「背景技術」の欄において記載した特許文献１のヘッドアップディスプレイに関し、以下の課題が生じることを見出した。

例えば、互いに異なる視点の何れからでも虚像を観察者に視認させるために、その視点に応じてヘッドアップディスプレイのコンバイナの傾きが調整される場合がある。このような場合には、その視点に応じてコンバイナにおける表示光の反射角が異なる。すなわち、その視点に応じてコンバイナのパワー（すなわち屈折力）が変化する。その結果、所定の視点から視認される虚像には歪みが生じていなくても、他の視点から視認される虚像には大きな歪みが生じる場合がある。したがって、上記特許文献１のヘッドアップディスプレイを、互いに視点が異なる複数の車種に対して共用化することは難しい。つまり、車種ごとに、その車種の車両に搭載されるヘッドアップディスプレイを、その車種の視点に応じて設計しなければならい。

このような課題を解決するために、本開示の一態様に係るヘッドアップディスプレイは、透光性を有する板状の表示媒体と、画像を表示する表示部と、前記表示部によって表示される画像を前記表示媒体に導くことによって、前記表示媒体に対して観察者と反対側に虚像を形成する投射光学系とを備え、前記表示部の画像中心から出た光線が観察者の瞳の中心を通る光路が中心光路とされる場合、前記投射光学系および前記表示媒体を含む合成光学系の前記中心光路における合成パワーを、前記表示媒体の前記中心光路におけるパワーで微分することによって得られる値の絶対値である第１の値は、４以下である。例えば、前記投射光学系は、１つのミラーからなり、前記合成パワーをφとして示し、前記ミラーの前記中心光路におけるパワーをφ_１として示し、前記表示媒体の前記中心光路におけるパワーをφ_２として示し、前記ミラーと前記表示媒体との間の前記中心光路に沿った距離をＬ_２として示す場合、前記合成パワーφは下記式（１）によって示され、前記第１の値は下記式（２）を満たす。

これにより、第１の値が４以下であるため、合成パワーを表示媒体のパワーの変化に対して鈍感にすることができる。つまり、視点に応じて表示媒体の傾きが調整されてその表示媒体のパワーが変化したとしても、合成パワーの変化を抑えることができる。その結果、虚像の歪みの発生を抑えることができる。したがって、互いに視点が異なる複数の車種に対してヘッドアップディスプレイを容易に共用化することができる。

また、前記表示部から、前記合成光学系における前記表示部側の主点である前側主点までの前記中心光路に沿った距離の逆数を、前記表示媒体の前記中心光路におけるパワーで微分することによって得られる値の絶対値である第２の値は、４以下であってもよい。例えば、前記投射光学系は、１つのミラーからなり、前記中心光路における合成パワーをφとして示し、前記ミラーの前記中心光路におけるパワーをφ_１として示し、前記表示媒体の前記中心光路におけるパワーをφ_２として示し、前記表示部と前記ミラーとの間の前記中心光路に沿った距離をＬ_１として示し、前記ミラーと前記表示媒体との間の前記中心光路に沿った距離をＬ_２として示し、前記ミラーと前記前側主点までの距離をδ_１として示し、前記表示部から前記前側主点までの前記中心光路に沿った距離をＤとして示す場合、前記距離Ｄは下記式（３）によって示され、前記第２の値は下記式（４）を満たす。

これにより、第２の値が４以下であるため、表示部から前側主点までの距離を表示媒体のパワーの変化に対して鈍感にすることができる。つまり、視点に応じて表示媒体の傾きが調整されてその表示媒体のパワーが変化したとしても、その距離の変化を抑えることができる。その結果、虚像の歪みの発生をさらに抑えることができる。したがって、互いに視点が異なる複数の車種に対してヘッドアップディスプレイをさらに容易に共用化することができる。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付している。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイの配置および構成を示す図である。

本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１００は、例えば車両１０に搭載されて虚像１を形成する。この虚像１は、例えば車両１０の前方外側に存在するように、車両１０の運転者である観察者２０に視認される。このようなヘッドアップディスプレイ１００は、筐体１０１と、表示部１０２と、ミラー１０３と、コンバイナ１０４とを備える。

筐体１０１は、例えば樹脂成型品であって、車両１０のダッシュボードの内部に配置される。また、筐体１０１は、表示部１０２およびミラー１０３を収納する。

コンバイナ１０４は、例えば樹脂成型品であって、透光性を有する板状の表示媒体の一例である。このようなコンバイナ１０４は、筐体１０１の上部に取り付けられている。また、コンバイナ１０４は、筐体１０１に対して出没自在に取り付けられていてもよい。

表示部１０２は、観察者２０に虚像１として視認される画像を表示する。表示部１０２は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）である。なお、表示部１０２は、ＬＣＤ以外のデバイス、例えば有機発光ダイオード（エレクトロルミネッセンス）、蛍光表示装置（セブンセグメント）、またはプラズマディスプレイなどであってもよい。また、表示部１０２は、プロジェクタまたは走査型レーザであってもよい。このような表示部１０２は、筐体１０１の底面側に収納されて、車両１０の後方上側に画像を表示する。

ミラー１０３は、投射光学系の一例である。このミラー１０３は、表示部１０２によって表示される画像をコンバイナ１０４に導くことによって、そのコンバイナ１０４に対して観察者２０と反対側に虚像を形成する。つまり、ミラー１０３は、表示部１０２によって表示される画像の光を受けると、その光をコンバイナ１０４に向けて反射する。例えば、ミラー１０３は、車両１０の前方上側に光を反射する。その結果、コンバイナ１０４は、ミラー１０３からその光を受けると、その光を観察者２０の視点に向けて反射する。これにより、観察者２０は、コンバイナ１０４を介して、車両１０の前方外側にある道路、歩行者または構造物などのオブジェクトと共に、そのオブジェクトに重畳される虚像１を視認することができる。

ここで、本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１００の光学系は、コンバイナ１０４のパワーの変化に対して鈍感に構成されている。これにより、観察者２０の視点が所定の位置にある場合に限らず、他の位置にある場合であっても、ヘッドアップディスプレイ１００によって形成される虚像の歪みを抑えることができる。

図２は、虚像の歪みが抑えられる状況を説明するための図である。

例えば、視点ａはヘッドアップディスプレイ１００の設計中心にある。したがって、観察者２０が視点ａから、ヘッドアップディスプレイ１００によって形成される虚像１を視認する場合には、虚像１の歪みがなくなるように表示部１０２の表示の形状が決定されるため、虚像１の歪みはない。一方、視点ｂはヘッドアップディスプレイ１００の設計中心から例えば鉛直上方に離れた位置にある。ここで、観察者２０が視点ｂから、ヘッドアップディスプレイ１００によって形成される虚像を視認する場合には、コンバイナ１０４は、観察者２０の視点が視点ａにある場合よりも傾けられる。つまり、ヘッドアップディスプレイ１００のコンバイナ１０４は、表示部１０２からミラー１０３を介して投射される画像の光が視点ａよりも鉛直上方の視点ｂに向かって反射されるように傾けられる。具体的には、コンバイナ１０４の上端部が車両１０の前方側に傾けられる。このとき、コンバイナ１０４のパワーは変化する。したがって、仮に、ヘッドアップディスプレイ１００の光学系が、コンバイナ１０４のパワーの変化に敏感であれば、観察者２０によって視点ｂから視認される虚像は、図２の破線枠で示す虚像１ｂのように大きく歪む可能性がある。

しかし、本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１００の光学系は、上述のように、コンバイナ１０４のパワーの変化に対して鈍感に構成されている。

具体的には、本実施の形態では、ミラー１０３およびコンバイナ１０４を含む合成光学系の中心光路Ｌにおける合成パワーを、コンバイナ１０４の中心光路Ｌにおけるパワーで微分することによって得られる値の絶対値である第１の値は、４以下である。なお、中心光路Ｌは、表示部１０２の画像中心から出た光線が観察者２０の瞳の中心を通る光路である。

さらに、本実施の形態では、表示部１０２から、上述の合成光学系における表示部１０２側の主点である前側主点までの中心光路Ｌに沿った距離の逆数を、コンバイナ１０４の中心光路Ｌにおけるパワーで微分することによって得られる値の絶対値である第２の値は、４以下である。なお、その距離は、具体的には、表示部１０２において画像が表示される表示面の中心（すなわち上述の画像中心）から前側主点までの中心光路Ｌに沿った距離である。

このように、本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１００の光学系、すなわち第１の値および第２の値は、コンバイナ１０４のパワーの変化に対して鈍感である。したがって、本実施の形態では、観察者２０によって視点ｂから視認される虚像を、図２の実線枠で示すように、視点ａから視認される虚像１と同程度に歪みが抑えられた虚像１ａとして形成することができる。

図３は、ヘッドアップディスプレイ１００の光学系と、合成パワーと、表示部１０２から前側主点までの距離とを示す図である。なお、図３に示すヘッドアップディスプレイ１００の光学系では、その光学系に含まれる各光学素子が等価的に直線上に配列されている。

図３において、ミラー１０３の中心光路におけるパワーはφ_１として示され、コンバイナ１０４の中心光路におけるパワーはφ_２として示される。さらに、表示部１０２とミラー１０３との間の中心光路に沿った距離はＬ_１として示され、ミラー１０３とコンバイナ１０４との間の中心光路に沿った距離はＬ_２として示される。さらに、ミラー１０３と前側主点との間の中心光路に沿った距離はδ_１として示される。

なお、その中心光路は、表示部１０２における上述の表示面の中心から出た光線が、観察者２０の瞳の中心を通る光路である。また、下記に示すパワーおよび距離は、何れも中心光路におけるパワーおよび距離である。

このような場合、ミラー１０３およびコンバイナ１０４を含む合成光学系の合成パワーφは、以下の式（５）によって示される。

さらに、表示部１０２から前側主点までの中心光路に沿った距離Ｄは、下記式（６）によって示される。

図４は、ヘッドアップディスプレイ１００の光学系における合成パワーφおよび距離Ｄのそれぞれの条件を示す図である。

本実施の形態では、合成パワーφが上記式（５）によって示されるため、合成パワーφをコンバイナ１０４のパワーφ_２で微分することによって得られる値の絶対値である第１の値、すなわち、

は、下記式（７）の条件を満たす。

例えば、第１の値が４を超える場合には、視点調整時に諸収差が大きくなり画質が劣化し、特に、虚像の縦横のアスペクト比が崩れ、ボケなどが生じることが想定される。つまり、虚像に大きな歪みが生じることが想定される。したがって、本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１００では、第１の値が４以下であるため、合成パワーφをコンバイナ１０４のパワーφ_２の変化に対して鈍感にすることができる。つまり、視点に応じてコンバイナ１０４の傾きが調整されてそのコンバイナ１０４のパワーが変化したとしても、合成パワーφの変化を抑えることができる。その結果、虚像１の歪みの発生を抑えることができる。したがって、互いに視点が異なる複数の車種に対してヘッドアップディスプレイ１００を容易に共用化することができる。

また、本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１００では、第１の値が１．５以上であるため、ヘッドアップディスプレイ１００の大型化を抑制することができる。つまり、ミラー１０３のパワーφ_１が小さくなることによるヘッドアップディスプレイ１００の大型化を抑制することができる。

さらに、本実施の形態では、距離Ｄが上記式（６）によって示されるため、その距離Ｄの逆数を、コンバイナ１０４のパワーφ_２で微分することによって得られる値の絶対値である第２の値、すなわち、

は、下記式（８）の条件を満たす。

例えば、第１の値と同様に、第２の値が４を超える場合にも、視点調整時に諸収差が大きくなり画質が劣化し、特に、虚像の縦横のアスペクト比が崩れ、ボケなどが生じることが想定される。つまり、虚像に大きな歪みが生じることが想定される。したがって、本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１００では、第２の値が４以下であるため、表示部１０２から前側主点までの距離Ｄをコンバイナ１０４のパワーφ_２の変化に対して鈍感にすることができる。つまり、視点に応じてコンバイナ１０４の傾きが調整されてそのコンバイナ１０４のパワーφ_２が変化したとしても、その距離Ｄの変化を抑えることができる。その結果、虚像１の歪みの発生をさらに抑えることができる。したがって、互いに視点が異なる複数の車種に対してヘッドアップディスプレイ１００をさらに容易に共用化することができる。

また、本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１００では、第１の値と同様に、第２の値が０．８以上であるため、ヘッドアップディスプレイ１００の大型化を抑制することができる。つまり、ミラー１０３のパワーφ_１が小さくなることによるヘッドアップディスプレイ１００の大型化を抑制することができる。

（変形例）
本開示のヘッドアップディスプレイについて、上記実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を上記実施の形態に施したものも、本開示の範囲内に含まれてもよい。

例えば、上記実施の形態では、第１の値および第２の値のそれぞれは４以下であるが、第１の値および第２の値のうちの何れか一方の値のみが４以下であってもよい。つまり、合成パワーφをコンバイナ１０４のパワーφ_２で微分することによって得られる値の絶対値である第１の値が４以下であって、第２の値はどのような値であってもよい。逆に、表示部１０２から前側主点までの光路に沿った距離Ｄの逆数を、コンバイナ１０４のパワーφ_２で微分することによって得られる値の絶対値である第２の値が４以下であって、第１の値はどのような値であってもよい。

このような場合であっても、第１の値または第２の値が４以下であるため、ヘッドアップディスプレイ１００の光学系を、コンバイナ１０４のパワーの変化に対して鈍感にすることができる。その結果、視点に応じて生じる虚像の歪みを抑えることができる。

また、第１の値または第２の値が４以下であるだけでなく、さらに、それらの値以外の第３の値が閾値Ｃ以下であってもよい。

第３の値は、例えば、コンバイナ１０４から後側主点までの距離δ_２を、コンバイナ１０４のパワーφ_２で微分することによって得られる値の絶対値である。なお、後側主点は、上述の合成光学系におけるコンバイナ１０４側の主点である。また、距離δ_２は、具体的には、コンバイナ１０４における上述の反射面の中心から後側主点までの距離である。このような距離δ_２は、以下の式（９）によって示される。

したがって、上述の第３の値である

は、下記式（１０）の条件を満たす。

このようなヘッドアップディスプレイ１００では、第３の値が閾値Ｃ以下であるため、閾値Ｃを適切な値に設定すれば、距離δ_２をコンバイナ１０４のパワーφ_２の変化に対して鈍感にすることができる。つまり、視点に応じてコンバイナ１０４の傾きが調整されてそのコンバイナ１０４のパワーφ_２が変化したとしても、その距離δ_２の変化を抑えることができる。その結果、虚像１の歪みの発生をさらに抑えることができる。したがって、互いに視点が異なる複数の車種に対してヘッドアップディスプレイ１００をさらに容易に共用化することができる。

また、上記実施の形態では、投射光学系は１つのミラー１０３からなるが、複数のミラーから構成されていてもよく、レンズを含んでいてもよい。つまり、投射光学系は、表示部１０２によって表示される画像をコンバイナ１０４に導くことによって、そのコンバイナ１０４に対して観察者２０と反対側に虚像１を形成するものであれば、どのような光学系であってもよい。また、上記実施の形態では、ミラー１０３における光を反射する面は凸面状であるが、その形状は凸面状に限定されることなく、平面状であっても凹面状であってもよい。

本開示は、例えば車両などに搭載されるヘッドアップディスプレイに利用可能である。

１、１ａ、１ｂ虚像
１０車両
２０観察者
１００ヘッドアップディスプレイ
１０１筐体
１０２表示部
１０３ミラー（投射光学系）
１０４コンバイナ
ａ、ｂ視点

Claims

透光性を有する板状の表示媒体と、
画像を表示する表示部と、
前記表示部によって表示される画像を前記表示媒体に導くことによって、前記表示媒体に対して観察者と反対側に虚像を形成する投射光学系とを備え、
前記表示部の画像中心から出た光線が観察者の瞳の中心を通る光路が中心光路とされる場合、
前記投射光学系および前記表示媒体を含む合成光学系の前記中心光路における合成パワーを、前記表示媒体の前記中心光路におけるパワーで微分することによって得られる値の絶対値である第１の値は、４以下である、
ヘッドアップディスプレイ。
前記投射光学系は、１つのミラーからなり、
前記合成パワーをφとして示し、前記ミラーの前記中心光路におけるパワーをφ_１として示し、前記表示媒体の前記中心光路におけるパワーをφ_２として示し、前記ミラーと前記表示媒体との間の前記中心光路に沿った距離をＬ_２として示す場合、前記合成パワーφは下記式（１）によって示され、前記第１の値は下記式（２）を満たす、

請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
前記表示部から、前記合成光学系における前記表示部側の主点である前側主点までの前記中心光路に沿った距離の逆数を、前記表示媒体の前記中心光路におけるパワーで微分することによって得られる値の絶対値である第２の値は、４以下である、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
前記投射光学系は、１つのミラーからなり、
前記中心光路における合成パワーをφとして示し、前記ミラーの前記中心光路におけるパワーをφ_１として示し、前記表示媒体の前記中心光路におけるパワーをφ_２として示し、前記表示部と前記ミラーとの間の前記中心光路に沿った距離をＬ_１として示し、前記ミラーと前記表示媒体との間の前記中心光路に沿った距離をＬ_２として示し、前記ミラーと前記前側主点までの距離をδ_１として示し、前記表示部から前記前側主点までの前記中心光路に沿った距離をＤとして示す場合、
前記距離Ｄは下記式（３）によって示され、前記第２の値は下記式（４）を満たす、

請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ。