JP7293223B2

JP7293223B2 - ヘッドアップ表示装置及びその表示方法

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Publication number: JP7293223B2
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Inventors: 彦均 ▲陳▼
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Description

本開示は、ヘッドアップ表示の技術分野に関し、具体的には、ヘッドアップ表示装置及びその表示方法に関する。

現在、車速が増加し続けるにつれて、運転者の視点焦点距離も相応的に増加するので、運転者の視野が狭くなる。低速走行時においてヘッドアップ表示される虚像の寸法及び距離が適宜であれば、車速が増加するにつれて、運転者の視点焦点距離が増加し、相応的には、虚像表示画面に対する視距離調節が行われないと運転者の目が疲れやすく、そして、運転者の視野が狭くなるので、視野における虚像表示画面の割合が大きくなり、視認に不快感を与える。

本開示の１実施例は、画像情報を有する光を発生して射出するための画像源と、前記光を受光し、前記光を第１の偏光、又は前記第１の偏光と異なる偏光方向を有する第２の偏光に変換する第１の偏光制御装置と、前記第１の偏光及び前記第２の偏光を透過させるとともに、前記第１の偏光と前記第２の偏光とに対して異なる偏向作用を有する焦点距離切替装置であって、この焦点距離切替装置を通した前記第１の偏光と前記第２の偏光を投影スクリーンに投射し、それぞれ、投影スクリーンとの距離が異なる虚像を呈させる焦点距離切替装置とを含む、ヘッドアップ表示装置を提供する。
いくつかの実施例において、前記ヘッドアップ表示装置は、前記ヘッドアップ表示装置を搭載したキャリアの走行速度を検出して速度情報を送信する速度モニタ装置と、所望の画像情報を発生させるように前記画像源を制御するとともに、前記速度情報を受信し、前記光を前記第１の偏光又は前記第２の偏光に変換するように前記速度情報に基づいて前記第１の偏光制御装置を制御するシステム制御装置とをさらに含む。

いくつかの実施例において、前記焦点距離切替装置は複屈折率焦点距離切替素子を含み、前記複屈折率焦点距離切替素子は第１の層と第２の層とを含み、前記第１の層は前記第１の偏光制御装置に向かって設けられるとともに、複屈折率材料を含み、前記複屈折率材料は前記第１の偏光に対して第１の屈折率を有し、前記第２の偏光に対して前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有し、前記第２の層は前記第１の層の前記第１の偏光制御装置に遠い側に設けられ、前記第２の層は前記第１の偏光及び前記第２の偏光に対して第３の屈折率を有し、前記第３の屈折率は前記第１の屈折率及び前記第２の屈折率のうちの１つと同じである。

いくつかの実施例において、前記複屈折率材料は、長軸が所定方向に沿って配列される液晶を含む。

いくつかの実施例において、前記第１の層は有限焦点距離を有するレンズに等価し、前記有限焦点距離を有するレンズは凸レンズ、バイナリ光学素子、スーパーレンズ及び二次位相板のうちの１種を含む。

いくつかの実施例において、前記複屈折率焦点距離切替素子は平板状を呈する。

いくつかの実施例において、前記第１の屈折率がｎ１であり、前記第２の屈折率がｎ２であり、前記第３の屈折率がｎ１であり、ｎ２＜ｎ１の関係を満たす。

いくつかの実施例において、前記システム制御装置は、走行速度が閾値よりも大きいときに応じて、前記第１の偏光制御装置を制御して前記光を前記第１の偏光に変換し、前記第１の偏光が前記複屈折率焦点距離切替素子を経過して前記投影スクリーン上に投影して第１の虚像を呈し、前記第１の虚像と前記投影スクリーンとの間には第１の距離を有し、走行速度が閾値以下であるときに応じて、第１の偏光制御装置を制御して前記光を前記第２の偏光に変換し、前記第２の偏光が前記複屈折率焦点距離切替素子を経過して前記投影スクリーン上に投影して第２の虚像を呈し、前記第２の虚像と前記投影スクリーンとの間には第２の距離を有し、前記第１の距離は前記第２の距離よりも大きく、前記第１の虚像の寸法は前記第２の虚像の寸法よりも小さいように配置される。

いくつかの実施例において、前記第１の虚像を呈するときの画像源発光領域の寸法は下記式：

（式中、Ｏは前記第２の虚像を呈するときの画像源発光領域寸法であり、ｉ_Ｌは第２の距離であり、ｉ_Ｈは第１の距離であり、ＳＥ’は第１の虚像の寸法であり、Ｓは第２の虚像の寸法である）により導出される。

いくつかの実施例において、第１の偏光はＳ光であり、第２の偏光はＰ光である。

いくつかの実施例において、前記ヘッドアップ表示装置は、前記焦点距離切替装置の出光側に設けられる第２の偏光制御装置をさらに含む。

いくつかの実施例において、前記ヘッドアップ表示装置は、前記焦点距離切替装置と前記投影スクリーンとの間に設けられる反射鏡群をさらに含む。

いくつかの実施例において、前記反射鏡群は、自由曲面設計を用いる２つの反射鏡を含む。

いくつかの実施例において、前記ヘッドアップ表示装置は、前記焦点距離切替装置と前記投影スクリーンとの間に設けられる透明カバーをさらに含む。

いくつかの実施例において、前記焦点距離切替装置は、前記第１の偏光と前記第２の偏光を異なる光路に従って進行させる複屈折プリズムを含み、前記焦点距離切替装置は、第１のパワーを有する第１の反射部分と第２のパワーを有する第２の反射部分とを有する反射鏡をさらに含み、前記第１の偏光は前記第１の反射部分に反射されて投影スクリーン上に第１の虚像を呈し、第１の虚像と投影スクリーンとの間に第１の距離を有し、前記第２の偏光は前記第２の反射部分に反射されて投影スクリーン上に第２の虚像を呈し、第２の虚像と投影スクリーンとの間に第２の距離を有し、前記第１の距離は前記第２の距離よりも大きく、前記第１の虚像の寸法は前記第２の虚像の寸法よりも小さい。

いくつかの実施例において、前記ヘッドアップ表示装置は、前記ヘッドアップ表示装置を搭載したキャリアの走行速度を検出して速度情報を送信する速度モニタ装置と、所望の画像情報を発生させるように前記画像源を制御するとともに、前記速度情報を受信し、前記光を前記第１の偏光又は前記第２の偏光に変換するように前記速度情報に基づいて前記第１の偏光制御装置を制御するシステム制御装置とをさらに含む。

いくつかの実施例において、前記複屈折プリズムはＮＩＫＫＯＲプリズム又はウォラストンプリズムを含む。

いくつかの実施例において、前記画像情報は第１の画像情報と第２の画像情報とを含み、前記ヘッドアップ表示装置は、前記第１の画像情報と前記第２の画像情報とを交互に発生させるように画像源を制御するシステム制御装置をさらに含み、画像源が前記第１の画像情報を発生させることに応じて、前記システム制御装置は、前記光を前記第１の偏光に変換するように前記第１の偏光制御装置を制御し、画像源が前記第２の画像情報を発生させることに応じて、前記システム制御装置は、前記光を前記第２の偏光に変換するように前記第１の偏光制御装置を制御する。

本開示の１実施例は、ヘッドアップ表示装置を搭載したキャリアの走行速度を検出することと、走行速度が入る速度ゾーンに応じて、第１の偏光制御装置を制御して偏光モードを切り替え、画像源による画像情報を有する光を第１の偏光又は前記第１の偏光と異なる偏光方向を有する第２の偏光に変換することと、焦点距離切替装置による前記第１の偏光と前記第２の偏光とに対する異なる偏向作用により、前記焦点距離切替装置を経過した前記第１の偏光と前記第２の偏光を投影スクリーン上に投射し、それぞれ、投影スクリーンとの距離が異なる虚像を呈させることとを含む、ヘッドアップ表示装置の表示方法を提供する。

いくつかの実施例において、前記表示方法は、走行速度が閾値よりも大きいときに応じて、前記第１の偏光制御装置を制御して前記光を前記第１の偏光に変換し、前記第１の偏光が前記焦点距離切替装置を経過して前記投影スクリーン上に投影して第１の虚像を呈し、前記第１の虚像と前記投影スクリーンとの間には第１の距離を有することと、走行速度が閾値以下であるときに応じて、前記第１の偏光制御装置を制御して前記光を前記第２の偏光に変換し、前記第２の偏光が前記焦点距離切替装置を経過して前記投影スクリーン上に投影して第２の虚像を呈し、前記第２の虚像と前記投影スクリーンとの間には第２の距離を有することとをさらに含み、前記第１の距離は前記第２の距離よりも大きく、前記第１の虚像の寸法は前記第２の虚像の寸法よりも小さい。

関連技術における運転者の視点焦点距離及び視野が車速に従って変化することを示す模式図である。関連技術における運転者視野の高速における視野範囲模式図である。関連技術における運転者視野の低速における視野範囲模式図である。関連技術における１種の機械的切替制御構造模式図である。関連技術における別の１種の機械的切替制御構造模式図である。本開示の１実施例によるヘッドアップ表示装置の構造模式図である。第１の偏光が複屈折率焦点距離切替素子を経由する光路模式図である。第２の偏光が複屈折率焦点距離切替素子を経由する光路模式図である。本開示のいくつかの実施例による画像源発光領域制御原理模式図である。本開示の別の１実施例によるヘッドアップ表示装置の構造模式図である。本開示のさらなる１実施例によるヘッドアップ表示装置の構造模式図である。

本開示の目的、技術案及びメリットをより明白にするために、以下、具体的な実施例を結合しながら、図面を参照して本開示をさらに詳しく説明する。

なお、本開示実施例における「第１の」及び「第２の」を用いるすべての表現は、同じ名称を有する２つの異なる構成又は異なるパラメータを区別させるためのものである。したがって、「第１の」、「第２の」は表現の便宜上に使われるものであり、本開示実施例に対する限定であると理解されるべきではない。後述の実施例において、これについて一一説明しない。

図１ａは運転者の視点焦点距離及び視野が車速に従って変化することを示す模式図である。図１ａからわかる通り、車速が増加し続けるにつれて、運転者が感じる視点焦点距離は長くなりつつあり、視野は狭くなりつつある。図１ｂ及び図１ｃはそれぞれ運転者視野の高速及び低速における視野範囲模式図である。２つの図を比較すればわかる通り、運転者の高速（例えば９０ｋｍ／ｈ）における視野範囲Ｖは低速（例えば４０ｋｍ／ｈ）における視野範囲Ｖ’よりも明らかに小さくなっている。この場合、通常のヘッドアップ表示装置による投影図が変わらないままであると、運転者の視認に不快感を与えるとともに、視距離が変化するので運転者の目が疲れ、運転に不利である。

これについて、関連技術の解決手段として、機械的制御によって補助表示の距離及び大きさの表示を調節する。例えば、図２に示すように、自動車ヘッドアップ表示装置は、機械的回転デバイスとシフト装置を制御することにより光路を偏向させ、そして車速に基づいて虚像の結像距離を切り替える。また、図３に示すように、反射デバイスを光路に対して移し入れる又は移し出すことのできるヘッドアップ表示装置において、光線を画像源から第１の平面反射鏡上に射出し、この平面反射鏡上に凹面鏡を積み重ねる又は凹面鏡を取り除くことにより虚像の距離及び大きさを制御することで、車速に基づいて虚像の結像距離を切り替える。駆動装置の駆動によって凹面反射鏡が光路中に置かれるとき、虚像が拡大して虚像結像面が遠くなり、凹面反射鏡が光路から取り除かれるとき、虚像結像面が近くなる。

上記２種の案はいずれも虚像結像距離の遠近切替を実現できるが、この２種の案はいずれも機械的回転や移動の方式を採用しているため、システムの構造が複雑であり、応答時間が長く、そしてこのような機械的回転・駆動デバイスの制御安定性が低い。この外、高速走行時において、画像源による虚像の距離が増加するが、虚像寸法が同時に拡大する。これは、車速が増加するにつれて運転者視野が狭くなるので虚像縮小の要求を有する状況に反し、同様に運転者の視認に不快感を与える。関連技術における機械的焦点制御切替方式は、正確で効果的な視野調整を運転者に提供しにくく、表示効果に影響する。

そこで、上記関連技術における課題に鑑み、本開示は、関連技術における上記課題のうちの少なくとも１つを軽減又は解消できるヘッドアップ表示装置及び相応の表示方法を提供する。

図４は本開示の１実施例によるヘッドアップ表示装置の構造模式図である。図４からわかる通り、本開示の１実施例によるヘッドアップ表示装置１００は、画像源１０、第１の偏光制御装置２０及び焦点距離切替装置３０を含む。

画像源１０は、画像情報を有する光を発生して射出する。第１の偏光制御装置２０は受光し、光を例えばＳ光のような第１の偏光、又は第１の偏光と異なる偏光方向を有する例えばＰ光のような第２の偏光に変換する。

焦点距離切替装置３０は第１の偏光と第２の偏光とに対して異なる偏向作用を有し、焦点距離切替装置を通した第１の偏光と第２の偏光を投影スクリーンに投射し、それぞれ、投影スクリーンとの距離が異なる虚像を呈させる。

図４に示すように、本開示の１実施例によるヘッドアップ表示装置１００は速度モニタ装置４０及びシステム制御装置５０をさらに含む。

速度モニタ装置４０は、ヘッドアップ表示装置１００を搭載した例えば車両であるキャリアの走行速度を検出し、検出した速度情報をシステム制御装置５０に送信する。上記車両はカー、バス、サブウェイなどの任意種類の車両であってもよく、同時に、速度モニタ装置４０は例えば単独に設置する、又は車両本体に集積される速度センサであり、本開示の実施例はそれらを限定しない。この外、本開示実施例は、飛行機、列車などのほかの交通機関に応用されてもよい。

システム制御装置５０は、異なる偏光方向の出力を実現するように速度情報に基づいて第１の偏光制御装置２０を制御し、かつ、相応の画像情報を有する光を出力するように画像源１０を制御する。システム制御装置５０は、従来の任意の制御チップ又は制御デバイスによって画像源１０及び第１の偏光制御装置２０を制御することができる。本開示実施例は、具体的な設置形態及び制御するパラメータなどを限定しない。

画像源１０はシステム制御装置５０の制御に従って、表示予定の画像情報を有する光を発する。表示予定の画像情報は車速、走行距離等を含んでもよく、歩行者警報、車両警報、レーンライン警報などの環境情報を含んでもよい。運転者への運転補助作用を奏することができれば、本開示実施例は画像情報の具体的な内容を限定しない。

第１の偏光制御装置２０はシステム制御装置５０の制御に従って、表示予定の画像情報を有する光を異なる偏光方向の偏光に変換し、かつそれを焦点距離切替装置に入射させる。本実施例において、記載の便宜上、異なる偏光方向の偏光を第１の偏光及び第２の偏光で示すことができ、例えば、第１の偏光はＳ光であってもよく、第２の偏光はＰ光であってもよい。選択的には、第１の偏光制御装置２０はシステム制御装置５０の制御によって、異なる偏光方向の偏光を変換して出力することができ、一般的にはＳ光又はＰ光を出力する。いくつかの実施例において、ほかの異なる偏光方向の偏光、例えば２種を超える偏光を出力するために、ほかのデバイスを含んでもよく、本開示実施例はそれを限定しない。

例えば、第１の偏光制御装置２０は偏光子と制御可能な旋光器とを含んでもよく、偏光子は、例えば画像情報を含む光である自然光を偏光に変換し、偏光子は例えば偏光シート、偏光板などであり、制御可能な旋光器は偏光の偏光方向を調整するためのものであり、制御可能な旋光器は例えば液晶板等である。

焦点距離切替装置３０は、第１の偏光制御装置２０が発する偏光を受光して射出する。焦点距離切替装置３０は、異なる偏光方向の偏光を異なる光路に沿って伝播させ、又はその偏向程度を異ならせることにより、異なる光路の切替を実現することができる。

画像情報を有する光は画像源１０から射出され、第１の偏光制御装置２０及び焦点距離切替装置３０をこの順に経過し、最後に投影スクリーン６０上に投影されて表示補助をする。選択的には、投影スクリーン６０は、フロントガラス又は独立した表示補助ガラスであってもよく、本開示実施例はそれを限定しない。

いくつかの選択的な実施例において、焦点距離切替装置３０は複屈折率焦点距離切替素子３０’である。図５は第１の偏光が複屈折率焦点距離切替素子を経由する光路模式図であり、図６は第２の偏光が複屈折率焦点距離切替素子を経由する光路模式図である。

図５と図６に示すように、複屈折率焦点距離切替素子３０’は第１の層３１と第２の層３２とを含んでもよい。第１の層３１は第１の偏光制御装置２０に向かって設けられるとともに、複屈折率材料を含み、複屈折率材料は配向性の液晶を含み、即ち、液晶中の液晶分子の長軸は１つの所定方向に沿って配列される。複屈折率材料は、例えばＳ光である第１の偏光に対して第１の屈折率ｎ１を有し、例えばＰ光である第２の偏光に対して第１の屈折率ｎ１と異なる第２の屈折率ｎ２を有し、第２の層３２は第１の層３１の第１の偏光制御装置２０に遠い側に設けられ、第２の層３２は第１の偏光及び第２の偏光に対して同じ第３の屈折率ｎ３を有し、第３の屈折率ｎ３は第１の屈折率ｎ１及び第２の屈折率ｎ２のうちの１つと同じである。例えば、第３の屈折率ｎ３は第１の屈折率ｎ１と同じであり、即ちｎ３＝ｎ１。図５と６に示すように、第１の層３１は有限焦点距離を有するレンズに等価し、有限焦点距離を有するレンズは焦点距離が限られ、凸レンズ、バイナリ光学素子、スーパーレンズ及び二次位相板のうちの１種であり、選択的には、複屈折率焦点距離

切替素子３０’は平板状を呈する。
具体的には、図５に示すように、車両の高速走行時における制御状態では、システム制御装置４０は第１の偏光制御装置２０の出力光線を例えばＳ光である第１の偏光とする。このとき、Ｓ光の偏光方向は複屈折率焦点距離切替素子における複屈折率材料（例えば液晶）分子の長軸に垂直であり、Ｓ光の第１の層３１における屈折率とその第２の層３２における屈折率とは同じであり、いずれもｎ１である。したがって、第１の層３１と第２の層３２との界面には位相ステップがなく、複屈折率焦点距離切替素子３０’は平板ガラスに等価し、その射出する光線の拡散角度が変わらず、虚像は遠い位置に結像される。これで、高速状態において運転者の視距離が増加する状態に適合する。

図６に示すように、車両の低速走行時における制御状態では、システム制御装置４０は第１の偏光制御装置２０の出力光線を例えばＰ光である第２の偏光とする。このとき、Ｐ光の偏光方向は複屈折率焦点距離切替素子における複屈折率材料（例えば液晶）分子の長軸に平行であり、Ｐ光の第１の層３１における屈折率ｎ２はその第２の層３２における屈折率ｎ１と異なり、かつｎ２＜ｎ１。複屈折率焦点距離切替素子３０’はＰ光を収束する作用を奏し、虚像を近い位置に結像させる。これで、低速状態において運転者の視距離が減少する状態に適合する。したがって、上記調節制御により、表示画像の結像距離を運転者の異なる車速における視距離に適合させ、運転者が表示画像を視認するときの快適性を大いに向上した。

同時に、光路の相違により結像位置が変化するため、画像源１０の発光領域を調節する必要があり、具体的には、システム制御装置４０は光線の偏光状態を制御することで焦点距離の切替を行うと同時に、高速及び低速の状態における運転者視野範囲に基づいて画像源１０の発光領域を相応的に制御し、即ち、画像源１０の画面を表示するための画素数を調整することにより、虚像が運転者視野において適切な割合を占める状態を確保する。

図７は本開示の１実施例による画像源発光領域制御原理模式図である。図７に示すように、複屈折率焦点距離切替素子３０’はレンズＬに等価し、ヘッドアップ表示装置を搭載した例えば車両であるキャリアの低速走行時において、例えば走行速度が閾値以下であるとき、例えばＰ光である第２の偏光が例えばフロントガラスである投影スクリーン上に投射されて第２の虚像を呈し、画像源１０の発光領域の寸法がＯであり、結像距離がｉ_Ｌであり、第２の虚像の結像寸法がＳである。ヘッドアップ表示装置を搭載した例えば車両であるキャリアの高速走行時において、例えば走行速度が閾値を超えるとき、例えばＳ光である第１の偏光が例えばフロントガラスである投影スクリーン上に投射されて第１の虚像を呈し、画像源１０の発光領域の寸法がＯＥ’に縮小され、結像距離がｉ_Ｈに切り替えられ、結像寸法が（視野が狭くなるため）ＳＥ’に縮小され、即ち第１の虚像の寸法がＳＥ’である。図７に基づき、高速走行状態と低速走行状態とにおける画像源発光領域寸法／画素の割合関係を導出することができ、この割合関係は下記の式によって得られることができる。

式中、Ｓ’は、画像源１０の発光領域の寸法をＯとし、例えばＳ光である第１の偏光が例えばフロントガラスである投影スクリーン上に投射されて呈する虚像の寸法である。

これにより、高速走行状態における画像源１０の適切な発光領域寸法

と導出することができる。

また、上記実施例は偏光原理を利用しているため、光路の損失を招く。したがって、画像源の輝度をさらに調節して補償することにより、はっきりした表示画像を運転者に提供することができる。

いくつかの実施例において、焦点距離切替装置３０は複数の重なる複屈折率焦点距離切替素子をさらに含み、隣り合う複屈折率焦点距離切替素子の間に旋光器を設けるようにしてもよい。このように、多層制御によってより多くの光路状態の切替制御を実現することができ、即ちより多くの異なる速度ゾーンに適合することができる。例えば、焦点距離切替装置は互いに重なる第１の複屈折率焦点距離切替素子と第２の複屈折率焦点距離切替素子を含み、第１の複屈折率焦点距離切替素子と第２の複屈折率焦点距離切替素子との間には、偏光の偏光方向を変更するための制御可能な旋光器を設ける。このとき、焦点距離切替装置は下記の４種の焦点距離切替を実現することができる。

第１種：第１の偏光制御装置はＳ光を発し、Ｓ光が第１の複屈折率焦点距離切替素子（平板ガラスに等価する）を通し、制御可能な旋光器はＳ光の偏光方向を変更せず、Ｓ光が第２の複屈折率焦点距離切替素子（平板ガラスに等価する）を通して投影する；
第２種：第１の偏光制御装置はＳ光を発し、Ｓ光が第１の複屈折率焦点距離切替素子（平板ガラスに等価する）を通し、制御可能な旋光器はＳ光をＰ光に変換し、Ｐ光が第２の複屈折率焦点距離切替素子（収束レンズに等価する）を通して投影する；
第３種：第１の偏光制御装置はＰ光を発し、Ｐ光が第１の複屈折率焦点距離切替素子（収束レンズに等価する）を通し、制御可能な旋光器はＰ光の偏光方向を変更せず、Ｐ光が第２の複屈折率焦点距離切替素子（収束レンズに等価する）を通して投影する；
第４種：第１の偏光制御装置はＰ光を発し、Ｐ光が第１の複屈折率焦点距離切替素子（収束レンズに等価する）を通し、制御可能な旋光器はＰ光をＳ光に変換し、Ｓ光が第２の複屈折率焦点距離切替素子（平板ガラスに等価する）を通して投影する。

本開示のいくつかの選択的な実施例において、図４に示すように、ヘッドアップ表示装置１００は、例えば制御可能な旋光器である第２の偏光制御装置７０をさらに含み、第２の偏光制御装置７０は焦点距離切替装置３０の出光方向に設けられ、表示画像の光強度を調節する。第１の偏光制御装置２０及び例えば複屈折率焦点距離切替素子である焦点距離切替装置３０を経過した後の光線はＰ光又はＳ光である可能性がある。フロントガラスでは、光線が所定の角度で入射して人の目までに反射され、ブリュースター反射（Brewster reflection）原理からわかる通り、光線がブリュースターポイントで入射すると、Ｐ光の反射光強度が０に減衰される。したがって、このとき、人の目までに反射される光の強度が影響されることを避けるために、第２の偏光制御装置７０によってＰ光をＳ光に調節する必要がある。

本開示のいくつかの選択的な実施例において、ヘッドアップ表示装置１００は、焦点距離切替装置３０と投影スクリーン６０（例えばフロントガラス）との間に設けられて光路を調節する反射鏡群８０をさらに含む。車両内の環境が相対的に固定であるとき、前述実施例におけるヘッドアップ表示装置１００は、光路を表示予定の位置に導きにくい可能性があり、このとき、１つの反射鏡群によって光路の調節を実現する必要がある。例えば、図４に示すように、反射鏡群８０は第１の反射鏡８１及び第２の反射鏡８２という２つの反射鏡を含み、選択的には、２つの反射鏡８１、８２はいずれも自由曲面の設計を用い、光路中に導入される歪みと収差を補正することができる。

図８は本開示の別の１実施例によるヘッドアップ表示装置の構造模式図である。前述実施例に比べて、この実施例は基本的な構造がほぼ同じであるが、焦点距離切替装置３０が複屈折プリズムを含む点において異なる。例えば、複屈折プリズムはＮＩＫＫＯＲプリズム又はウォラストンプリズムである。このように、複屈折プリズムの分光特性を利用し、異なる偏光方向を有する偏光、例えばＳ光とＰ光に対して異なる方向に従って光路の屈折を行い、相応的には、反射鏡群によって光路調節を行うことで、最終的には、フロントガラス上で異なる光路の表示を実現する。本実施例における反射鏡群８０’は第３の反射鏡８３及び第４の反射鏡８４を含み、第３の反射鏡８３は第１のパワーを有する第１の反射部分８３１と第２のパワーを有する第２の反射部分８３２とを含み、第１の反射部分８３１の第１のパワーは第２の反射部分８３２の第２のパワーよりも小さい。本実施例において、第１のパワーを有する第１の反射部分８３１はパワーがマイナスである凸面反射部分であってもよく、第２のパワーを有する第２の反射部分８３２はパワーが０である平面反射部分８３２であってもよい。具体的には、図８に示すように、ヘッドアップ表示装置を搭載した例えば車両であるキャリアの高速状態において、第１の偏光制御装置２０からＳ光は出力され、複屈折プリズム３０”を経過して第１の光路ａに沿って進行し、第１の反射部分８３１及び第４の反射鏡８４に反射されて投影スクリーン６０上に投影し、投影スクリーン６０から遠い第１の虚像を形成する。ヘッドアップ表示装置を搭載した例えば車両であるキャリアの低速状態において、第１の偏光制御装置２０からＰ光は出力され、複屈折プリズム３０”を経過して第２の光路ｂに沿って進行し、第２の反射部分８３２及び第４の反射鏡８４に反射されて投影スクリーン６０上に投影し、投影スクリーン６０に近い第２の虚像を形成する。このように、より簡単な複屈折プリズムを用いることにより、プロセスの複雑度及び加工コストを低減することができる。本実施例において、複屈折プリズムと第３の反射鏡との共同作用では、異なる偏光方向を有する光が投影スクリーンとの距離が異なる虚像を実現し、複屈折プリズムと第３の反射鏡とは共同で本実施例における焦点距離切替装置を構成する。

図８は本開示の別の１実施例によるヘッドアップ表示装置の構造模式図である。前述実施例に比べて、この実施例は基本的な構造がほぼ同じであるが、焦点距離切替装置３０が複屈折プリズムを含む点において異なる。例えば、複屈折プリズムはＮＩＫＫＯＲプリズム又はウォラストンプリズムである。このように、複屈折プリズムの分光特性を利用し、異なる偏光方向を有する偏光、例えばＳ光とＰ光に対して異なる方向に従って光路の屈折を行い、相応的には、反射鏡群によって光路調節を行うことで、最終的には、フロントガラス上で異なる光路の表示を実現する。本実施例における反射鏡群８０’は第３の反射鏡８３及び第４の反射鏡８４を含み、第３の反射鏡８３は第１のパワーを有する第１の反射部分８３１と第２のパワーを有する第２の反射部分８３２とを含み、第１の反射部分８３１のパワーは第２の反射部分８３２のパワーよりも小さい。本実施例において、第１のパワーを有する第１の反射部分８３１はパワーがマイナスである凸面反射部分であってもよく、第２のパワーを有する第２の反射部分８３２はパワーが０である平面反射部分８３２であってもよい。具体的には、図８に示すように、ヘッドアップ表示装置を搭載した例えば車両であるキャリアの高速状態において、第１の偏光制御装置２０からＳ光は出力され、複屈折プリズム３０”を経過して第１の光路ａに沿って進行し、第１の反射部分８３１及び第４の反射鏡８４に反射されて投影スクリーン６０上に投影し、投影スクリーン６０から遠い第１の虚像を形成する。ヘッドアップ表示装置を搭載した例えば車両であるキャリアの低速状態において、第１の偏光制御装置２０からＰ光は出力され、複屈折プリズム３０”を経過して第２の光路ｂに沿って進行し、第２の反射部分８３２及び第４の反射鏡８４に反射されて投影スクリーン６０上に投影し、投影スクリーン６０に近い第２の虚像を形成する。このように、より簡単な複屈折プリズムを用いることにより、プロセスの複雑度及び加工コストを低減することができる。本実施例において、複屈折プリズムと第３の反射鏡との共同作用では、異なる偏光方向を有する光が投影スクリーンとの距離が異なる虚像を実現し、複屈折プリズムと第３の反射鏡とは共同で本実施例における焦点距離切替装置を構成する。

なお、本実施例において、Ｓ光とＰ光は異なる光路に沿って進行するので、第１の虚像と第２の虚像は例えばフロントガラスである投影スクリーン６０の異なる領域に投影される。前述の実施例において、Ｓ光とＰ光は基本的に同じ光路に沿って進行し、収束するか否かについてのみが異なるため、前述実施例における第１の虚像と第２の虚像は投影スクリーン６０の基本的に同じ領域に担載される。

なお、本実施例と前述実施例とにおいて、光路が異なるため、反射鏡群の構造及び位置を適応的に調整する必要がある。

図９は本開示のさらなる１実施例によるヘッドアップ表示装置の構造模式図である。図９に示すように、本実施例によるヘッドアップ表示装置は図８に示すヘッドアップ表示装置と類似の構造を有し、焦点距離切替装置３０は同様に複屈折プリズムを含む。第１の偏光制御装置２０から出力されるＳ光は複屈折プリズム３０”を経過して第１の光路ａに沿って進行し、パワーを有する反射部分８３１及び第４の反射鏡８４に反射されて投影スクリーン６０上に投射し、投影スクリーン６０から遠い第１の虚像を形成する。第１の偏光制御装置２０から出力されるＰ光は複屈折プリズム３０”を経過して第２の光路ｂに沿って進行し、パワーを有しない平面反射部分８３２及び第４の反射鏡８４に反射されて投影スクリーン６０上に投射し、投影スクリーン６０に近い第２の虚像を形成する。本実施例によるヘッドアップ表示装置と図８に示すヘッドアップ表示装置との相違点は、本実施例には速度モニタ装置が存在せず、システム制御装置５０によって画像源１０及び第１の偏光制御装置２０を直接制御することで投影表示を行うことにある。上記２つの光路が呈する２つの虚像を利用しながら、時分割多重化を利用して二重層表示を実現する。二重層表示は、例えば現実補強表示と状態情報表示とを含む。即ち、時分割多重化と偏光制御を合わせて利用することで、二重層ヘッドアップ表示結像を実現することができる。具体的には、システム制御装置５０は第１の偏光制御装置２０を例えばＳ光である第１の偏光を出力するように制御するとき、光線が第１の光路ａに沿って進行し、第１の虚像を呈し、第１の虚像は遠層表示画像であり、例えば速度、キロメートルなどの状態情報を表示することができる。システム制御装置５０は第１の偏光制御装置２０を例えばＰ光である第２の偏光を出力するように制御するとき、光線が第２の光路ｂに沿って進行し、第２の虚像を呈し、第２の虚像は近層表示画像であり、例えば走行路線指示などの補強表示情報を表示することができる。

本開示による１実施例は、下記のステップを含むヘッドアップ表示装置の表示方法をさらに提供する。

ヘッドアップ表示装置を搭載したキャリアの走行速度を検出するステップ。

走行速度が入る速度ゾーンに応じて、システム制御装置により第１の偏光制御装置を制御して偏光モードを切り替え、画像源による画像情報を有する光を第１の偏光又は第１の偏光と異なる偏光方向を有する第２の偏光に変換する；及び
焦点距離切替装置による第１の偏光と第２の偏光とに対する異なる偏向作用により、焦点距離切替装置を経過した第１の偏光と第２の偏光を投影スクリーン上に投射し、それぞれ、投影スクリーンとの距離が異なる虚像を呈させる。

具体的には、走行速度が閾値以下であるときに応じて、システム制御装置は第１の偏光制御装置を制御して光をＰ光に変換し、Ｐ光が焦点距離切替装置を経過して投影スクリーン上に投影して第２の虚像を呈し、第２の虚像と投影スクリーンとの間には第２の距離を有する。

走行速度が閾値よりも大きいときに応じて、システム制御装置は第１の偏光制御装置を制御して光をＳ光に変換し、Ｓ光が焦点距離切替装置を経過して投影スクリーン上に投影して第１の虚像を呈し、第１の虚像と投影スクリーンとの間には第２の距離よりも大きい第１の距離を有する。

１実施例において、ヘッドアップ表示装置を搭載したキャリアが車両である場合を例とし、ヘッドアップ表示方法は下記のステップを含む。

現時点車速を検出して現時点車速が入る車速ゾーンを判定するステップ。

現時点車速が入る車速ゾーンに基づき、相応的には、システム制御装置によって第１の偏光制御装置を制御して偏光モードを切り替えることにより、第１の偏光制御装置から出力される偏光及び画像源の表示領域を車速ゾーンが対応する運転者の視距離に適合させる。各々の異なる車速ゾーンはそれぞれ第１の偏光制御装置及び画像源に対応して異なる制御方式を有し、対応関係に従って相応的に制御すれば、運転者に良好な表示体験を与えることができる。

例えば、車速ゾーンを高速モードと低速モードに設定し、高速モードと低速モードとの間には例えば車速臨界値である１つの閾値を設定する。

現時点車速が設定の車速臨界値以下である場合、システム制御装置により第１の偏光制御装置を制御して低速モードに切り替えることで、第１の偏光制御装置からＰ光が出力され、画像源が低速表示領域に切り替わるように制御する。低速表示領域は低速走行時における視野の大きさに適合する画像表示領域であり、即ち第２の虚像を呈するときの画像源の発光領域である。

現時点車速が設定の車速臨界値よりも大きい場合、システム制御装置により第１の偏光制御装置を制御して高速モードに切り替えることで、第１の偏光制御装置からＳ光が出力され、画像源が高速表示領域に切り替わるように制御する。高速表示領域は高速走行時における視野の大きさに適合する画像表示領域であり、即ち第１の虚像を呈するときの画像源の発光領域である。高速表示領域の寸法は低速表示領域の寸法よりも小さい。図７からわかる通り、低速時に結像距離が近いので、比較的に大きい低速表示領域を用いることで運転者に良い表示体験を与えることができ、高速時に結像距離が遠いので、拡大投影で拡大する倍数も増大し、低速表示領域のままであると、運転者の視線が表示画像に完全に覆われることになり妨害を招き、ゆえに、表示領域を縮小してからより大きく拡大することにより、運転者に同様に快適な表示体験を与えることができる。なお、ここの低速表示領域と高速表示領域は相対的なものであり、本実施例は具体的な領域の設置を限定しない。

補助表示が閉じられるまで、設定の時間間隔に従って上記判定過程を絶えずに実行する。
上記方法は装置と同じ効果を有するので、ここでは贅言しない。

当業者であれば理解できるように、上記のすべての実施例は例示的なものに過ぎず、本開示の範囲（請求項を含む）を制限するためのものではない。本開示の構想に従って、上記の実施例もしくは異なる実施例における技術特徴の間を適宜組み合わせ、ステップを任意の順序に従って実現することができ、上記本開示の異なる面においてほかの多くの変更も存在する。便宜上、その細部について提示しなかった。

なお、当業者であれば容易に分かるように、具体的な細部（例えば、回路）を述べて本開示の例示的な実施例を記載する場合、これら具体的な細部がなくても、あるいは、これら具体的な細部が変更した場合においても本開示を実施することができる。したがって、これら記載は説明的なものであり、限定的なものではない。

本開示の具体的な実施例を結合しながら本開示を記載したが、前述の記載に基づき、これら実施例の多くの置換え、補正及び変形は当業者にとって容易になしうるものである。

本開示の実施例は、添付の請求の範囲に入るすべての置換え、補正及び変形を含む旨である。したがって、本開示の精神及び原則に従って行われるすべての省略、補正、等価代替、改善などは、本開示の保護範囲内に含まれるべきである。

１０画像源
２０第１の偏光制御装置
３０複屈折プリズム
３０焦点距離切替装置
３１第１の層
３２第２の層
４０速度モニタ装置
５０システム制御装置
６０投影スクリーン
７０第２の偏光制御装置
８０反射鏡群
８１第１の反射鏡
８２第２の反射鏡
８３第３の反射鏡
８４第４の反射鏡
９０透明カバー
１００ヘッドアップ表示装置

Claims

ヘッドアップ表示装置であって、
画像情報を有する光を発生して射出するための画像源と、
前記光を受光し、前記光を第１の偏光、又は前記第１の偏光と異なる偏光方向を有する第２の偏光に変換する第１の偏光制御装置と、
前記第１の偏光及び前記第２の偏光を透過させるとともに、前記第１の偏光と前記第２の偏光とに対して異なる偏向作用を有する焦点距離切替装置であって、この焦点距離切替装置を通した前記第１の偏光と前記第２の偏光を投影スクリーンに投射し、それぞれ、投影スクリーンとの距離が異なる虚像を呈させる焦点距離切替装置と、
前記ヘッドアップ表示装置を搭載したキャリアの走行速度を検出して速度情報を送信する速度モニタ装置と、
所望の画像情報を発生させるように前記画像源を制御するとともに、前記速度情報を受信し、前記光を前記第１の偏光又は前記第２の偏光に変換するように前記速度情報に基づいて前記第１の偏光制御装置を制御するシステム制御装置と、
を含む、ヘッドアップ表示装置。
前記焦点距離切替装置は複屈折率焦点距離切替素子を含み、
前記複屈折率焦点距離切替素子は第１の層と第２の層とを含み、
前記第１の層は前記第１の偏光制御装置に向かって設けられるとともに、複屈折率材料を含み、
前記複屈折率材料は前記第１の偏光に対して第１の屈折率を有し、前記第２の偏光に対して前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有し、前記第２の層は前記第１の層の前記第１の偏光制御装置に遠い側に設けられ、前記第２の層は前記第１の偏光及び前記第２の偏光に対して第３の屈折率を有し、前記第３の屈折率は前記第１の屈折率及び前記第２の屈折率のうちの１つと同じである、請求項１に記載のヘッドアップ表示装置。
前記複屈折率材料は、長軸が所定方向に沿って配列される液晶を含む、請求項２に記載のヘッドアップ表示装置。
前記第１の層は有限焦点距離を有するレンズに等価し、前記有限焦点距離を有するレンズは凸レンズ、バイナリ光学素子、スーパーレンズ及び二次位相板のうちの１種を含む、請求項２に記載のヘッドアップ表示装置。
前記複屈折率焦点距離切替素子は平板状を呈する、請求項４に記載のヘッドアップ表示装置。
前記第１の屈折率がｎ１であり、前記第２の屈折率がｎ２であり、前記第３の屈折率がｎ１であり、ｎ２＜ｎ１の関係を満たす、請求項４に記載のヘッドアップ表示装置。
前記システム制御装置は、
走行速度が閾値よりも大きいときに応じて、前記第１の偏光制御装置を制御して前記光を前記第１の偏光に変換し、前記第１の偏光が前記複屈折率焦点距離切替素子を経過して前記投影スクリーン上に投影して第１の虚像を呈し、前記第１の虚像と前記投影スクリーンとの間には第１の距離を有し、
走行速度が閾値以下であるときに応じて、第１の偏光制御装置を制御して前記光を前記第２の偏光に変換し、前記第２の偏光が前記複屈折率焦点距離切替素子を経過して前記投影スクリーン上に投影して第２の虚像を呈し、前記第２の虚像と前記投影スクリーンとの間には第２の距離を有し、
前記第１の距離は前記第２の距離よりも大きく、前記第１の虚像の寸法は前記第２の虚像の寸法よりも小さいように配置される、請求項６に記載のヘッドアップ表示装置。
前記第１の虚像を呈するときの画像源発光領域の寸法は下記式：

Ｏは前記第２の虚像を呈するときの画像源発光領域寸法であり、ｉ_Ｌは第２の距離であり、ｉ_Ｈは第１の距離であり、ＳＥ’は第１の虚像の寸法であり、Ｓは第２の虚像の寸法である、
により導出される、請求項７に記載のヘッドアップ表示装置。
第１の偏光はＳ光であり、第２の偏光はＰ光である、請求項１～８のいずれか１項に記載のヘッドアップ表示装置。
前記焦点距離切替装置の出光側に設けられる第２の偏光制御装置をさらに含む、請求項１～８のいずれか１項に記載のヘッドアップ表示装置。
前記焦点距離切替装置と前記投影スクリーンとの間に設けられる反射鏡群をさらに含む、請求項１～８のいずれか１項に記載のヘッドアップ表示装置。
前記反射鏡群は、自由曲面設計を用いる２つの反射鏡を含む、請求項１１に記載のヘッドアップ表示装置。
前記焦点距離切替装置と前記投影スクリーンとの間に設けられる透明カバーをさらに含む、請求項１～８のいずれか１項に記載のヘッドアップ表示装置。
前記焦点距離切替装置は、前記第１の偏光と前記第２の偏光を異なる光路に従って進行させる複屈折プリズムを含み、
前記焦点距離切替装置は、第１のパワーを有する第１の反射部分と第２のパワーを有する第２の反射部分とを有する反射鏡をさらに含み、
前記第１の偏光は前記第１の反射部分に反射されて投影スクリーン上に第１の虚像を呈し、第１の虚像と投影スクリーンとの間に第１の距離を有し、
前記第２の偏光は前記第２の反射部分に反射されて投影スクリーン上に第２の虚像を呈し、第２の虚像と投影スクリーンとの間に第２の距離を有し、
前記第１の距離は前記第２の距離よりも大きく、前記第１の虚像の寸法は前記第２の虚像の寸法よりも小さい、請求項１に記載のヘッドアップ表示装置。
前記ヘッドアップ表示装置を搭載したキャリアの走行速度を検出して速度情報を送信する速度モニタ装置と、
所望の画像情報を発生させるように前記画像源を制御するとともに、前記速度情報を受信し、前記光を前記第１の偏光又は前記第２の偏光に変換するように前記速度情報に基づいて前記第１の偏光制御装置を制御するシステム制御装置と、
をさらに含む、請求項１４に記載のヘッドアップ表示装置。
前記複屈折プリズムは、ニコルプリズム又はウォラストンプリズムを含む、請求項１４に記載のヘッドアップ表示装置。
前記画像情報は、第１の画像情報と第２の画像情報とを含み、
前記ヘッドアップ表示装置は、前記第１の画像情報と前記第２の画像情報とを交互に発生させるように画像源を制御するシステム制御装置をさらに含み、
画像源が前記第１の画像情報を発生させることに応じて、前記システム制御装置は、前記光を前記第１の偏光に変換するように前記第１の偏光制御装置を制御し、
画像源が前記第２の画像情報を発生させることに応じて、前記システム制御装置は、前記光を前記第２の偏光に変換するように前記第１の偏光制御装置を制御する、請求項１４に記載のヘッドアップ表示装置。
ヘッドアップ表示装置を搭載したキャリアの走行速度を検出するステップと、
走行速度が入る速度ゾーンに応じて、第１の偏光制御装置を制御して偏光モードを切り替え、画像源による画像情報を有する光を第１の偏光又は前記第１の偏光と異なる偏光方向を有する第２の偏光に変換するステップと、
焦点距離切替装置による前記第１の偏光と前記第２の偏光とに対する異なる偏向作用により、前記焦点距離切替装置を経過した前記第１の偏光と前記第２の偏光を投影スクリーン上に投射し、それぞれ、投影スクリーンとの距離が異なる虚像を呈させるステップと、を含む、ヘッドアップ表示装置の表示方法。
走行速度が閾値よりも大きいときに応じて、前記第１の偏光制御装置を制御して前記光を前記第１の偏光に変換し、前記第１の偏光が前記焦点距離切替装置を経過して前記投影スクリーン上に投影して第１の虚像を呈し、前記第１の虚像と前記投影スクリーンとの間には第１の距離を有するステップと、
走行速度が閾値以下であるときに応じて、前記第１の偏光制御装置を制御して前記光を前記第２の偏光に変換し、前記第２の偏光が前記焦点距離切替装置を経過して前記投影スクリーン上に投影して第２の虚像を呈し、前記第２の虚像と前記投影スクリーンとの間には第２の距離を有するステップと、
をさらに含み、
前記第１の距離は前記第２の距離よりも大きく、前記第１の虚像の寸法は前記第２の虚像の寸法よりも小さい、請求項１８に記載のヘッドアップ表示装置の表示方法。