JP7350777B2 - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Description

本開示は、ヘッドアップディスプレイに関する。

将来の自動運転社会では、車両と人間との間の視覚的コミュニケーションが益々重要になっていくことが予想される。例えば、車両と当該車両の乗員との間の視覚的コミュニケーションが益々重要になっていくことが予想される。この点において、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）を用いて車両と乗員との間の視覚的コミュニケーションを実現することができる。ヘッドアップディスプレイは、ウインドシールドやコンバイナに画像や映像を投影させ、その画像をウインドシールドやコンバイナを通して現実空間と重畳させて乗員に視認させることで、いわゆるＡＲ（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）を実現することができる。

ヘッドアップディスプレイの一例として、特許文献１には、透明な表示媒体を用いて立体的な虚像を表示するための光学系を備える表示装置が開示されている。当該表示装置は、ウインドシールドまたはコンバイナ上で、運転者の視界内に光を投射する。投射された光の一部はウインドシールドまたはコンバイナを透過するが、他の一部はウインドシールドまたはコンバイナに反射される。この反射光は運転者の目に向かう。運転者は、目に入ったその反射光を、ウインドシールドやコンバイナ越しに見える実在の物体を背景に、ウインドシールドやコンバイナを挟んで反対側（自動車の外側）にある物体の像のように見える虚像として知覚する。

日本国特開２０１８－４５１０３号公報

本開示は、３Ｄの虚像オブジェクトを生成可能なコンパクトなヘッドアップディスプレイを提供することを目的とする。

本開示の一態様に係るヘッドアップディスプレイは、車両に設けられ、所定の画像を前記車両の乗員に向けて表示するように構成されたヘッドアップディスプレイであって、
前記所定の画像を生成するための光を出射する画像生成部と、
前記画像生成部から出射された光を全反射させながら伝播させる導光体と、
前記画像生成部から出射された光が前記導光体内で全反射するように前記光の向きを変更する第一変更部と、
前記導光体内で全反射しながら伝播する光が前記導光体から出射するように前記光の向きを変更する第二変更部と、
入射した光を所定の方向に屈折させて出射するマイクロレンズアレイと、を備え、
前記マイクロレンズアレイは、前記光の光路における前記第二変更部の後に設けられている。

上記構成によれば、画像生成部から出射された光を、第一変更部、導光体及び第二変更部を用いて、伝播させる。これにより、ＨＵＤの大型化を防ぎつつ、光路長を長くすることができる。また、マイクロレンズアレイは、入射した光を所定の方向に屈折させて出射する。これにより、３Ｄの虚像オブジェクトを生成することができる。また、マイクロレンズアレイを用いて３Ｄの虚像オブジェクトを生成することにより、凹面鏡を用いて虚像オブジェクトを生成する場合と比較して、コンパクトな構造を実現できる。結果として、３Ｄの虚像オブジェクトを生成可能なコンパクトなヘッドアップディスプレイを提供することができる。

また、前記第一変更部および前記第二変更部はそれぞれ、ホログラフィック光学素子でもよい。

上記構成によれば、ホログラフィック光学素子により光を回折することにより、コンパクトな構成で光の向きを変更することができる。

本開示によれば、３Ｄの虚像オブジェクトを生成可能なコンパクトなヘッドアップディスプレイを提供することができる。

本開示の実施形態に係る車両システムのブロック図である。 図１の車両システムのＨＵＤの構成を示す模式図である。 画像生成部及びマイクロレンズアレイを有するＨＵＤ本体部の参考例を示す図である。 図２のＨＵＤ本体部を説明するための図である。 変形例に係るＨＵＤの構成を示す模式図である。

以下、本開示の実施形態（以下、本実施形態という。）について図面を参照しながら説明する。本図面に示された各部材の寸法は、説明の便宜上、実際の各部材の寸法とは異なる場合がある。

また、本実施形態の説明では、説明の便宜上、「左右方向」、「上下方向」、「前後方向」について適宜言及する場合がある。これらの方向は、図２に示すＨＵＤ（Ｈｅａｄ－Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）４２について設定された相対的な方向である。図２において、Ｕは上方、Ｄは下方、Ｆは前方、Ｂは後方である。ここで、「左右方向」は、「左方向」及び「右方向」を含む方向である。「上下方向」は、「上方向」及び「下方向」を含む方向である。「前後方向」は、「前方向」及び「後方向」を含む方向である。左右方向は、図２では示されていないが、上下方向及び前後方向に直交する方向である。

最初に、図１を参照して、本実施形態に係る車両システム２について以下に説明する。図１は、車両システム２のブロック図である。当該車両システム２が搭載された車両１は、自動運転モードで走行可能な車両（自動車）である。

図１に示すように、車両システム２は、車両制御部３と、車両用表示システム４（以下、単に「表示システム４」という。）と、センサ５と、カメラ６と、レーダ７とを備える。さらに、車両システム２は、ＨＭＩ（Ｈｕｍａｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）８と、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）９と、無線通信部１０と、記憶装置１１と、ステアリングアクチュエータ１２と、ステアリング装置１３と、ブレーキアクチュエータ１４と、ブレーキ装置１５と、アクセルアクチュエータ１６と、アクセル装置１７とを備える。

車両制御部３は、車両の走行を制御するように構成されている。車両制御部３は、例えば、少なくとも一つの電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）により構成されている。電子制御ユニットは、１以上のプロセッサと１以上のメモリを含むコンピュータシステム（例えば、ＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ）等）と、トランジスタ等のアクティブ素子及びパッシブ素子から構成される電子回路を含む。プロセッサは、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）及びＴＰＵ（Ｔｅｎｓｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）のうちの少なくとも一つを含む。ＣＰＵは、複数のＣＰＵコアによって構成されてもよい。ＧＰＵは、複数のＧＰＵコアによって構成されてもよい。メモリは、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を含む。ＲＯＭには、車両制御プログラムが記憶されてもよい。例えば、車両制御プログラムは、自動運転用の人工知能（ＡＩ）プログラムを含んでもよい。ＡＩプログラムは、多層のニューラルネットワークを用いた教師有り又は教師なし機械学習（特に、ディープラーニング）によって構築されたプログラム（学習済みモデル）である。ＲＡＭには、車両制御プログラム、車両制御データ及び／又は車両の周辺環境を示す周辺環境情報が一時的に記憶されてもよい。プロセッサは、ＲＯＭに記憶された各種車両制御プログラムから指定されたプログラムをＲＡＭ上に展開し、ＲＡＭとの協働で各種処理を実行するように構成されてもよい。また、コンピュータシステムは、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等の非ノイマン型コンピュータによって構成されてもよい。さらに、コンピュータシステムは、ノイマン型コンピュータと非ノイマン型コンピュータの組み合わせによって構成されてもよい。

センサ５は、加速度センサ、速度センサ及びジャイロセンサのうち少なくとも一つを含む。センサ５は、車両の走行状態を検出して、走行状態情報を車両制御部３に出力するように構成されている。センサ５は、運転者が運転席に座っているかどうかを検出する着座センサ、運転者の顔の方向を検出する顔向きセンサ、外部天候状態を検出する外部天候センサ及び車内に人がいるかどうかを検出する人感センサ等をさらに備えてもよい。運転者は、車両１の乗員の一例である。

カメラ６は、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ－Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳ）等の撮像素子を含むカメラである。カメラ６は、一以上の外部カメラ６Ａと、内部カメラ６Ｂとを含む。外部カメラ６Ａは、車両の周辺環境を示す画像データを取得した上で、当該画像データを車両制御部３に送信するように構成されている。車両制御部３は、送信された画像データに基づいて、周辺環境情報を取得する。ここで、周辺環境情報は、車両の外部に存在する対象物（歩行者、他車両、標識等）に関する情報を含んでもよい。例えば、周辺環境情報は、車両の外部に存在する対象物の属性に関する情報と、車両に対する対象物の距離や位置に関する情報とを含んでもよい。外部カメラ６Ａは、単眼カメラとしても構成されてもよいし、ステレオカメラとして構成されてもよい。

内部カメラ６Ｂは、車両の内部に配置されると共に、乗員を示す画像データを取得するように構成されている。内部カメラ６Ｂは、乗員の視点Ｅをトラッキングするトラッキングカメラとして機能する。ここで、乗員の視点Ｅは、乗員の左目の視点又は右目の視点のいずれかであってもよい。または、視点Ｅは、左目の視点と右目の視点を結んだ線分の中点として規定されてもよい。

レーダ７は、ミリ波レーダ、マイクロ波レーダ及びレーザーレーダ（例えば、ＬｉＤＡＲユニット）のうちの少なくとも一つを含む。例えば、ＬｉＤＡＲユニットは、車両の周辺環境を検出するように構成されている。特に、ＬｉＤＡＲユニットは、車両の周辺環境を示す３Ｄマッピングデータ（点群データ）を取得した上で、当該３Ｄマッピングデータを車両制御部３に送信するように構成されている。車両制御部３は、送信された３Ｄマッピングデータに基づいて、周辺環境情報を特定する。

ＨＭＩ８は、運転者からの入力操作を受付ける入力部と、走行情報等を運転者に向けて出力する出力部とから構成される。入力部は、ステアリングホイール、アクセルペダル、ブレーキペダル、車両の運転モードを切替える運転モード切替スイッチ等を含む。出力部は、各種走行情報を表示するディスプレイ（ＨＵＤを除く）である。ＧＰＳ９は、車両の現在位置情報を取得し、当該取得された現在位置情報を車両制御部３に出力するように構成されている。

無線通信部１０は、車両の周囲にいる他車に関する情報（例えば、走行情報等）を他車から受信すると共に、車両に関する情報（例えば、走行情報等）を他車に送信するように構成されている（車車間通信）。また、無線通信部１０は、信号機や標識灯等のインフラ設備からインフラ情報を受信すると共に、車両１の走行情報をインフラ設備に送信するように構成されている（路車間通信）。また、無線通信部１０は、歩行者が携帯する携帯型電子機器（スマートフォン、タブレット、ウェアラブルデバイス等）から歩行者に関する情報を受信すると共に、車両の自車走行情報を携帯型電子機器に送信するように構成されている（歩車間通信）。車両は、他車両、インフラ設備又は携帯型電子機器とアドホックモードにより直接通信してもよいし、アクセスポイントを介して通信してもよい。さらに、車両は、図示しない通信ネットワークを介して他車両、インフラ設備又は携帯型電子機器と通信してもよい。通信ネットワークは、インターネット、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）及び無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）のうちの少なくとも一つを含む。無線通信規格は、例えば、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、ＬＰＷＡ、ＤＳＲＣ（登録商標）又はＬｉ－Ｆｉである。また、車両１は、他車両、インフラ設備又は携帯型電子機器と第５世代移動通信システム（５Ｇ）を用いて通信してもよい。

記憶装置１１は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）やＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の外部記憶装置である。記憶装置１１には、２次元又は３次元の地図情報及び／又は車両制御プログラムが記憶されてもよい。例えば、３次元の地図情報は、３Ｄマッピングデータ（点群データ）によって構成されてもよい。記憶装置１１は、車両制御部３からの要求に応じて、地図情報や車両制御プログラムを車両制御部３に出力するように構成されている。地図情報や車両制御プログラムは、無線通信部１０と通信ネットワークを介して更新されてもよい。

車両が自動運転モードで走行する場合、車両制御部３は、走行状態情報、周辺環境情報、現在位置情報、地図情報等に基づいて、ステアリング制御信号、アクセル制御信号及びブレーキ制御信号のうち少なくとも一つを自動的に生成する。ステアリングアクチュエータ１２は、ステアリング制御信号を車両制御部３から受信して、受信したステアリング制御信号に基づいてステアリング装置１３を制御するように構成されている。ブレーキアクチュエータ１４は、ブレーキ制御信号を車両制御部３から受信して、受信したブレーキ制御信号に基づいてブレーキ装置１５を制御するように構成されている。アクセルアクチュエータ１６は、アクセル制御信号を車両制御部３から受信して、受信したアクセル制御信号に基づいてアクセル装置１７を制御するように構成されている。このように、車両制御部３は、走行状態情報、周辺環境情報、現在位置情報、地図情報等に基づいて、車両の走行を自動的に制御する。つまり、自動運転モードでは、車両の走行は車両システム２により自動制御される。

一方、車両１が手動運転モードで走行する場合、車両制御部３は、アクセルペダル、ブレーキペダル及びステアリングホイールに対する運転者の手動操作に従って、ステアリング制御信号、アクセル制御信号及びブレーキ制御信号を生成する。このように、手動運転モードでは、ステアリング制御信号、アクセル制御信号及びブレーキ制御信号が運転者の手動操作によって生成されるので、車両の走行は運転者により制御される。

表示システム４は、ヘッドランプ２０と、路面描画装置４５と、ＨＵＤ４２と、表示制御部４３とを備える。

ヘッドランプ２０は、車両の前面における左側と右側に配置されており、ロービームを車両の前方に照射するように構成されたロービームランプと、ハイビームを車両１の前方に照射するように構成されたハイビームランプとを備える。ロービームランプとハイビームランプの各々は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等の１以上の発光素子と、レンズ及びリフレクタ等の光学部材を有する。

路面描画装置４５は、ヘッドランプ２０の灯室内に配置されている。路面描画装置４５は、車両の外部の路面に向けて光パターンを出射するように構成されている。路面描画装置４５は、例えば、光源部と、駆動ミラーと、レンズやミラー等の光学系と、光源駆動回路と、ミラー駆動回路とを有する。光源部は、レーザ光源又はＬＥＤ光源である。例えば、レーザ光源は、赤色レーザ光と、緑色レーザ光と、青色レーザ光をそれぞれ出射するように構成されたＲＧＢレーザ光源である。駆動ミラーは、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ガルバノミラー、ポリゴンミラー等である。光源駆動回路は、光源部を駆動制御するように構成されている。光源駆動回路は、表示制御部４３から送信された所定の光パターンに関連する信号に基づいて、光源部の動作を制御するための制御信号を生成した上で、当該生成された制御信号を光源部に送信するように構成されている。ミラー駆動回路は、駆動ミラーを駆動制御するように構成されている。ミラー駆動回路は、表示制御部４３から送信された所定の光パターンに関連する信号に基づいて、駆動ミラーの動作を制御するための制御信号を生成した上で、当該生成された制御信号を駆動ミラーに送信するように構成されている。光源部がＲＧＢレーザ光源である場合、路面描画装置４５は、レーザ光を走査することで様々の色の光パターンを路面上に描画することが可能となる。例えば、光パターンは、車両の進行方向を示す矢印形状の光パターンであってもよい。

また、路面描画装置４５の描画方式は、ラスタースキャン方式、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）方式又はＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）方式であってもよい。ＤＬＰ方式又はＬＣＯＳ方式が採用される場合、光源部はＬＥＤ光源であってもよい。また、路面描画装置の描画方式として、プロジェクション方式が採用されてもよい。プロジェクション方式が採用される場合、光源部は、マトリクス状に並んだ複数のＬＥＤ光源であってもよい。路面描画装置４５は、左右のヘッドランプの灯室内にそれぞれ配置されてもよいし、車体ルーフ上、バンパーまたはグリル部に配置されてもよい。

表示制御部４３は、路面描画装置４５、ヘッドランプ２０及びＨＵＤ４２の動作を制御するように構成されている。表示制御部４３は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成されている。電子制御ユニットは、１以上のプロセッサと１以上のメモリを含むコンピュータシステム（例えば、ＳｏＣ等）と、トランジスタ等のアクティブ素子及びパッシブ素子から構成される電子回路を含む。プロセッサは、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵ及びＴＰＵのうちの少なくとも一つを含む。メモリは、ＲＯＭと、ＲＡＭを含む。また、コンピュータシステムは、ＡＳＩＣやＦＰＧＡ等の非ノイマン型コンピュータによって構成されてもよい。表示制御部４３は、内部カメラ６Ｂによって取得された画像データに基づいて、乗員の視点Ｅの位置を特定してもよい。乗員の視点Ｅの位置は、画像データに基づいて、所定の周期で更新されてもよいし、車両の起動時に一回だけ決定されてもよい。

本実施形態では、車両制御部３と表示制御部４３は、別個の構成として設けられているが、車両制御部３と表示制御部４３は一体的に構成されてもよい。この点において、表示制御部４３と車両制御部３は、単一の電子制御ユニットにより構成されていてもよい。また、表示制御部４３は、ヘッドランプ２０と路面描画装置４５の動作を制御するように構成された電子制御ユニットと、ＨＵＤ４２の動作を制御するように構成された電子制御ユニットの２つの電子制御ユニットによって構成されてもよい。

ＨＵＤ４２は、少なくとも一部が車両の内部に位置する。具体的には、ＨＵＤ４２は、車両の室内の所定箇所に設置されている。例えば、ＨＵＤ４２は、車両のダッシュボード内に配置されてもよい。ＨＵＤ４２は、車両と乗員との間の視覚的インターフェースとして機能する。ＨＵＤ４２は、所定の情報（以下、ＨＵＤ情報という。）が車両の外部の現実空間（特に、車両の前方の周辺環境）と重畳されるように当該ＨＵＤ情報を乗員に向けて表示するように構成されている。このように、ＨＵＤ４２は、ＡＲ（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）ディスプレイとして機能する。ＨＵＤ４２によって表示されるＨＵＤ情報は、例えば、車両の走行に関連した車両走行情報及び／又は車両の周辺環境に関連した周辺環境情報（特に、車両の外部に存在する対象物に関連した情報）である。

図２に示すように、ＨＵＤ４２は、ＨＵＤ本体部４２０を備えている。ＨＵＤ本体部４２０は、ハウジング４２２と出射窓４２３を有する。出射窓４２３は可視光を透過させる透明板である。ＨＵＤ本体部４２０は、ハウジング４２２の内側に、画像生成部（ＰＧＵ：Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ）４２４と、入射用ホログラフィック光学素子４２５と、導光体４２６と、出射用ホログラフィック光学素子４２７と、マイクロレンズアレイ４２８とを有する。入射用ホログラフィック光学素子４２５及び出射用ホログラフィック光学素子４２７は、以下、入射用ＨＯＥ４２５及び出射用ＨＯＥ４２７という。入射用ＨＯＥ４２５は、第一変更部の一例である。出射用ＨＯＥ４２７は、第二変更部の一例である。

画像生成部４２４は、光源（図示なし）と、光学部品（図示なし）と、表示デバイス４２９と、制御基板４３０と、を有する。光源は、例えば、レーザ光源又はＬＥＤ光源である。レーザ光源は、例えば、赤色レーザ光と、緑色レーザ光と、青色レーザ光をそれぞれ出射するように構成されたＲＧＢレーザ光源である。光学部品は、プリズム、レンズ、拡散板、拡大鏡等を適宜有する。表示デバイス４２９は、発光アレイ（複数の光源体をアレイ状に配置したもの）等である。なお、表示デバイスは、発光アレイに限定されない。例えば、表示デバイスは、液晶ディスプレイ、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、マイクロＬＥＤディスプレイなど２Ｄ表示するデバイスであってもよい。画像生成部４２４の描画方式は、ラスタースキャン方式、ＤＬＰ方式又はＬＣＯＳ方式であってもよい。ＤＬＰ方式又はＬＣＯＳ方式が採用される場合、画像生成部４２４の光源はＬＥＤ光源であってもよい。なお、液晶ディスプレイ方式が採用される場合、画像生成部４２４の光源は白色ＬＥＤ光源であってもよい。

制御基板４３０は、表示デバイス４２９の動作を制御するように構成されている。制御基板４３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサとメモリが搭載され、メモリから読みだしたコンピュータプログラムをプロセッサが実行して、表示デバイス４２９の動作を制御する。制御基板４３０は、表示制御部４３から送信された画像データに基づいて、表示デバイス４２９の動作を制御するための制御信号を生成した上で、当該生成された制御信号を表示デバイス４２９に送信するように構成されている。なお、制御基板４３０は、表示制御部４３の一部として構成されていてもよい。

入射用ＨＯＥ４２５は、導光体４２６の内部において、画像生成部４２４から出射された光の光路上に配置されている。入射用ＨＯＥ４２５は、画像生成部４２４から出射されて導光体４２６に入射した光を所定の方向に回折するように構成されている。入射用ＨＯＥ４２５は、入射した光を透過させて回折する透過型ＨＯＥである。例えば、入射用ＨＯＥ４２５は、表面にフォトポリマーフィルムが貼付された透明ガラス基板を、樹脂やガラスでできた二つの基材で挟みこむことにより構成される。なお、入射用ＨＯＥ４２５は、導光体４２６の外側に配置されてもよい。この場合、入射用ＨＯＥ４２５は、画像生成部４２４から出射された光が導光体４２６に所定の角度で入射するように、画像生成部４２４から出射された光を回折するように構成されている。

導光体４２６は、アクリルやポリカーボネート等の透明樹脂により形成されている。導光体４２６は、入射用ＨＯＥ４２５で回折された光を全反射させながら伝播させる。

出射用ＨＯＥ４２７は、導光体４２６の内部において、導光体４２６内で伝播された光の光路上に配置されている。出射用ＨＯＥ４２７は、導光体４２６内で伝播された光が導光体４２６からマイクロレンズアレイ４２８に向けて出射するように、導光体４２６内で伝播された光を所定の方向に回折するように構成されている。出射用ＨＯＥ４２７は、入射した光を透過させて回折する透過型ＨＯＥである。例えば、出射用ＨＯＥ４２７は、表面にフォトポリマーフィルムが貼付された透明ガラス基板を、樹脂やガラスでできた二つの基材で挟みこむことにより構成される。なお、出射用ＨＯＥ４２７は、入射した光を反射させて所定の方向に回折する反射型ＨＯＥであってもよい。

マイクロレンズアレイ４２８は、導光体４２６から出射された光の光路上に配置されている。マイクロレンズアレイ４２８は、複数の微小な凸レンズが二次元状に配列されて構成されている。マイクロレンズアレイ４２８は、導光体４２６から出射されてマイクロレンズアレイ４２８に入射した光を所定の方向に屈折させてウインドシールド１８に向けて出射する。マイクロレンズアレイ４２８から出射された光は、ライトフィールド方式により、表示デバイス４２９の２Ｄ画像（平面画像）を３Ｄ画像（立体画像）として生成する光として出射される。

ＨＵＤ本体部４２０から出射された光は、ウインドシールド１８（例えば、車両１のフロントウィンドウ）に照射される。次に、ＨＵＤ本体部４２０からウインドシールド１８に照射された光の一部は、乗員の視点Ｅに向けて反射される。この結果、乗員は、ＨＵＤ本体部４２０から出射された光（所定の３Ｄ画像）をウインドシールド１８の前方の所定の距離において形成された３Ｄの虚像として認識する。このように、ＨＵＤ４２によって表示される画像がウインドシールド１８を通して車両１の前方の現実空間に重畳される結果、乗員は、所定の画像により形成される３Ｄの虚像オブジェクトＩが車両外部に位置する道路上に浮いているように視認することができる。

次に、図３及び図４を参照して本実施形態に係るＨＵＤ本体部４２０について以下に説明する。図３は、画像生成部４２４Ａ及びマイクロレンズアレイ４２８Ａを有するＨＵＤ本体部４２０Ａの参考例を示す図である。図４は、図２のＨＵＤ本体部４２０を説明するための図である。尚、上記の説明において既に説明された部材と同一の参照番号を有する部材については、説明の便宜上、その説明は省略する。

図３のＨＵＤ本体部４２０Ａは、ハウジング４２２Ａと出射窓４２３Ａを有する。ＨＵＤ本体部４２０Ａは、ハウジング４２２Ａの内側に、画像生成部４２４Ａと、マイクロレンズアレイ４２８Ａとを有する。画像生成部４２４Ａは、光源（図示なし）と、光学部品（図示なし）と、表示デバイス４２９Ａと、制御基板４３０Ａと、を有する。制御基板４３０Ａは、表示制御部４３から送信された画像データに基づいて、表示デバイス４２９Ａの動作を制御するための制御信号を生成した上で、当該生成された制御信号を表示デバイス４２９Ａに送信する。

マイクロレンズアレイ４２８Ａは、画像生成部４２４Ａから出射された光の光路上に配置されるように、画像生成部４２４Ａに対向して配置される。マイクロレンズアレイ４２８Ａは、画像生成部４２４Ａから出射されマイクロレンズアレイ４２８Ａに入射した光を所定の方向に屈折してウインドシールド１８に向けて出射する。ライトフィールド方式により、マイクロレンズアレイ４２８Ａから出射された光は、表示デバイス４２９Ａの２Ｄ画像（平面画像）を３Ｄ画像（立体画像）として生成する光として出射される。

表示デバイス４２９Ａは、乗員が、ＨＵＤ本体部４２０Ａから出射された光（所定の画像）をウインドシールド１８の前方の所定の距離において形成された虚像として認識することができるように、配置される。すなわち、表示デバイス４２９Ａは、マイクロレンズアレイ４２８Ａに対して、ウインドシールド１８の前方の前記所定の距離に対応した距離だけ離して配置される。このため、ＨＵＤ本体部４２０Ａ（ハウジング４２２Ａ）全体のサイズが大きくなってしまう。

図４の本実施形態のＨＵＤ本体部４２０は、入射用ＨＯＥ４２５、導光体４２６及び出射用ＨＯＥ４２７を用いて、図３の表示デバイス４２９Ａを虚像化する。このため、ＨＵＤ本体部４２０（ハウジング４２２）全体のサイズを大きくしなくても、乗員がＨＵＤ本体部４２０から出射された光（所定の画像）をウインドシールド１８の前方の所定の距離において形成された虚像を認識できるようにすることができる。

図４において、表示デバイス４２９により形成された画像の光は、導光体４２６に入射され、入射用ＨＯＥ４２５を介して導光体４２６内で全反射を繰り返して伝播され、出射用ＨＯＥ４２７を介して導光体４２６から出射される。マイクロレンズアレイ４２８は、導光体４２６から出射されてマイクロレンズアレイ４２８に入射した光を所定の方向に屈折してウインドシールド１８に向けて出射する。ライトフィールド方式により、マイクロレンズアレイ４２８から出射された光は、表示デバイス４２９の２Ｄ画像（平面画像）を３Ｄ画像（立体画像）として生成する光として出射される。

本実施形態のＨＵＤ本体部４２０は、入射用ＨＯＥ４２５、導光体４２６及び出射用ＨＯＥ４２７を用いることにより、導光体４２６から出射された光が、表示デバイスの虚像４２９’から出射された光（二点鎖線）と同じ光路でマイクロレンズアレイ４２８に入射される。このため、表示デバイス４２９をマイクロレンズアレイ４２８に対向する位置に設ける必要がなく、ＨＵＤ本体部４２０の大型化を防ぐことができる。また、導光体４２６内に入射された光は反射を繰り返すため、導光体４２６を長く形成することなく、長い光路長を得ることができる。これにより、虚像オブジェクトＩが視認される距離を長く（虚像オブジェクトＩを遠い位置に生成）することができる。なお、出射用ＨＯＥ４２７は、レンズ効果を有する構造とすることにより、虚像オブジェクトＩを生成する倍率や虚像オブジェクトＩの虚像位置を変更可能としてもよい。

このように、本実施形態では、導光体４２６は、画像生成部４２４から出射された光を全反射させながら伝播させて、マイクロレンズアレイ４２８に向けて出射する。入射用ＨＯＥ４２５は、画像生成部４２４から出射された光が導光体４２６内で全反射するように光の向きを変更する。出射用ＨＯＥ４２７は、導光体４２６内で全反射しながら伝播する光が導光体４２６から出射するように光の向きを変更する。これにより、ＨＵＤの大型化を防ぎつつ、光路長を長くすることができる。また、マイクロレンズアレイ４２８は、導光体４２６から出射されてマイクロレンズアレイ４２８に入射した光を所定の方向に屈折させて出射する。これにより、３Ｄの虚像オブジェクトＩを生成することができる。また、マイクロレンズアレイ４２８を用いて３Ｄの虚像オブジェクトＩを生成することにより、凹面鏡を用いて虚像オブジェクトを生成する場合と比較して、コンパクトな構造を実現できる。結果として、コンパクトな構造で、３Ｄの虚像オブジェクトを生成可能なヘッドアップディスプレイを提供することができる。

以上、本開示の実施形態について説明をしたが、本開示の技術的範囲が本実施形態の説明によって限定的に解釈されるべきではないのは言うまでもない。本実施形態は単なる一例であって、請求の範囲に記載された発明の範囲内において、様々な実施形態の変更が可能であることが当業者によって理解されるところである。本開示の技術的範囲は請求の範囲に記載された発明の範囲及びその均等の範囲に基づいて定められるべきである。

図５は、変形例に係るＨＵＤ１４２の構成を示す模式図である。
図５に示すように、変形例に係るＨＵＤ１４２は、ＨＵＤ本体部４２０と、コンバイナ１４３とによって構成されている。コンバイナ１４３は、ウインドシールド１８とは別体の構造物として、ウインドシールド１８の内側に設けられている。コンバイナ１４３は、例えば、透明なプラスチックディスクであって、ウインドシールド１８の代わりにマイクロレンズアレイ４２８により出射された光が照射される。これにより、ウインドシールド１８に光を照射した場合と同様に、ＨＵＤ本体部４２０からコンバイナ１４３に照射された光の一部は、乗員の視点Ｅに向けて反射される。この結果、乗員は、ＨＵＤ本体部４２０からの出射光（所定の画像）をコンバイナ１４３（およびウインドシールド１８）の前方の所定の距離において形成された虚像として認識することができる。

また、本実施形態では、ホログラフィック光学素子を用いて光の向きを変更していたが、これに限定されない。例えば、回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｏｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）などを用いてもよい。

また、上記実施形態では、マイクロレンズアレイ４２８を用いて３Ｄの虚像オブジェクトを生成していたが、これに限定されない。マイクロレンズアレイと同様の効果のある光学素子、例えば、ＨＯＥを用いてもよい。

本出願は、２０１８年１１月３０日出願の日本特許出願２０１８－２２５１７９号に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

Claims (2)

1. 車両に設けられ、所定の画像を前記車両の乗員に向けて表示するように構成されたヘッドアップディスプレイであって、
   前記所定の画像を生成するための光を出射する画像生成部と、
   前記画像生成部から出射された光を全反射させながら伝播させる導光体と、
   前記画像生成部から出射された光が前記導光体内で全反射するように前記光の向きを変更する第一変更部と、
   前記導光体内で全反射しながら伝播する光が前記導光体から出射するように前記光の向きを変更する第二変更部と、
   入射した光をライトフィールド方式による立体画像としての虚像が生成されるように屈折させて出射するマイクロレンズアレイと、を備え、
   前記マイクロレンズアレイは、前記光の光路における前記第二変更部の後に設けられている、ヘッドアップディスプレイ。
2. 前記第一変更部および前記第二変更部はそれぞれ、ホログラフィック光学素子である、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。

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