JP7478160B2 - ヘッドアップディスプレイおよび画像表示システム - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイおよび画像表示システムに関する。

将来において、公道上では自動運転モードで走行中の車両と手動運転モードで走行中の車両が混在することが予想される。

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、運転手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。

また、太陽光などの外光がヘッドアップディスプレイの内部に入り込むと、当該外光が表示器で集光されて局所的な温度上昇を引き起こし、画像表示の乱れや表示器の熱損壊につながる可能性がある。このような問題を防ぐため、表示器の放熱性を高める構成や、表示器から反射部の間に赤外線を反射するプレートを設ける構成が知られている（特許文献２参照）。しかしながら、特許文献２では、表示器の温度上昇を抑制するための部品が別途必要であり、高コスト化につながる。

日本国特開２０１８－４５１０３号公報 日本国特開２００５－３１３７３３号公報

そこで、本発明は、乗員に対して表示する画像生成の品質を大きく低下させることなく外光による熱害の発生を防止することが可能なヘッドアップディスプレイおよび画像表示システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面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、
前記所定の画像のうち、前記車両から所定距離だけ離れた位置に第一画像を生成するための第一光と、前記所定距離とは異なる距離だけ前記車両から離れた位置に第二画像を生成するための第二光と、を出射する画像生成部と、
前記画像生成部により出射された前記第一光および前記第二光がウインドシールドまたはコンバイナへ照射されるように、前記第一光および前記第二光を反射させる反射部と、を備え、
前記画像生成部と前記ウインドシールドまたは前記コンバイナとの間において前記第二光が通過する位置に、少なくとも可視光を含む光の透過率を前記第一光よりも下げるための第一光学要素が設けられている。

上記構成によれば、乗員に対して表示する第一画像および第二画像のうち第二画像の品質を大きく低下させることなく、外光による熱害の発生を防止することが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。

また、本発明の一側面に係る画像表示システムは、
上記いずれか一つに記載のヘッドアップディスプレイと、
前記車両の外部に赤外光を照射可能なＩＲランプと、
前記赤外光により照射された前記車両の外部の画像を撮像可能なＩＲカメラと、
を備えた、画像表示システムであって、
前記第二画像は、前記ＩＲカメラにより撮像された画像に基づいて生成されるように構成されている。

上記構成によれば、第二画像を、車両周囲が暗い状況でも利用することができるため、特にナイトビジョン用画像としても利用することができる。

本発明によれば、乗員に対して表示する画像生成の品質を大きく低下させることなく外光による熱害の発生を防止することが可能なヘッドアップディスプレイおよび画像表示システムを提供することができる。

本実施形態に係る画像表示システムを備えた車両用システムのブロック図である。 画像表示システムに含まれる第一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の模式図である。 ＨＵＤにおけるＮＤフィルタの機能を説明する模式図である。 第二実施形態に係るＨＵＤにおけるＮＤフィルタの機能を説明する模式図である。 変形例に係るＨＵＤの模式図である。 別の変形例に係るＨＵＤの模式図である。

以下、本発明の実施形態（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）４０について設定された相対的な方向である。ここで、「左右方向」は、「左方向」および「右方向」を含む方向である。「上下方向」は、「上方向」および「下方向」を含む方向である。「前後方向」は、「前方向」および「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、上下方向およ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、本実施形態に係る画像表示システム４を備えた車両システム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、画像表示システム４と、センサ５と、カメラ６と、レーダ７と、ＨＭＩ（Ｈｕｍａｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）８と、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）９と、無線通信部１０と、記憶装置１１とを備える。さらに、車両システム２は、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１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以上のプロセッサおよびメモリを備える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および抵抗等のパッシブ素子から構成される電子回路とを含む。プロセッサは、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、および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）とを含む。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また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１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。

画像表示システム４は、ＨＵＤ４０によって表示される所定の画像を生成するように構成されている。画像表示システム４は、ＨＵＤ４０と、ヘッドランプ４１と、ＩＲランプ４２と、ＩＲカメラ４３と、表示制御部４４とを備える。

ＨＵＤ４０は、所定の情報（以下、ＨＵＤ情報という。）が車両１の外部の現実空間（特に、車両１の前方の周辺環境）と重畳されるように、当該ＨＵＤ情報を乗員に向け画像として表示するように構成されている。ＨＵＤ４０によって表示されるＨＵＤ情報は、例えば、車両１の走行に関連した車両走行情報及び／又は車両１の周辺環境に関連した周辺環境情報（特に、車両１の外部に存在する対象物に関連した情報）等である。ＨＵＤ４０は、車両１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ＡＲディスプレイである。ＨＵＤ４０は、少なくともＨＵＤ４０の一部が車両１の内部に位置する。具体的には、ＨＵＤ４０は、車両１の室内の所定箇所に設置されている。例えば、ＨＵＤ４０は、車両１のダッシュボード内に配置されてもよい。

ヘッドランプ４１は、車両１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１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、レンズおよびリフレクタ等の光学部材を有する。ヘッドランプ４１は、表示制御部４４に接続されている。

ＩＲランプ４２は、車両１の例えば前面に配置されており、赤外光を車両１の外部前方に照射するように構成されている。ＩＲランプ４２は、表示制御部４４に接続されている。

ＩＲカメラ４３は、ＩＲランプ４２と同様に、車両１の例えば前面に配置されている。ＩＲカメラ４３は、ＩＲランプ４２の赤外光によって照射された周囲の建物、路面上の対象物（歩行者、他車両、標識等）を撮像するように構成されている。ＩＲカメラ４３は、表示制御部４４に接続されている。ＩＲカメラ４３は、外部カメラ６Ａの一例として設けられてもよい。

表示制御部４４は、ＨＵＤ４０、ヘッドランプ４１、ＩＲランプ４２およびＩＲカメラ４３の動作を制御するように構成されている。例えば、表示制御部４４は、ＩＲランプ４２から赤外光を照射させるとともに、当該赤外光によって照射された車両１の外部の画像を撮像させるようにＩＲカメラ４３を制御する。表示制御部４４は、ＩＲカメラ４３によって撮像された赤外画像をＨＵＤ４０に向けて送信する。表示制御部４４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以上のプロセッサおよびメモリを備える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および抵抗等のパッシブ素子から構成される電子回路とを含む。プロセッサは、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵおよび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。

本実施形態では、車両制御部３と表示制御部４４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４４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４４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４４は、ＨＵＤ４０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、ヘッドランプ４１、ＩＲランプ４２およびＩＲカメラ４３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。

センサ５は、加速度センサ、速度センサおよ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１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およ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。

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、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１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１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１の外部に存在する対象物の属性に関する情報と、車両１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１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、例えば、乗員の視点Ｅ（図２で後述する）をトラッキングするアイトラッキングカメラとして機能する。内部カメラ６Ｂは、例えば、ルームミラーの近傍、あるいはインストルメントパネルの内部等に設けられている。

レーダ７は、ミリ波レーダ、マイクロ波レーダ、およびレーザーレーダ（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１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１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１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１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１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１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１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１は、他車両、インフラ設備または携帯型電子機器との間を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１は、図示しない通信ネットワークを介して他車両、インフラ設備また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）およ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、インフラ設備また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）等の外部である。記憶装置１１には、２次元または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１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、アクセル制御信号およ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１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１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、ブレーキペダルおよ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、アクセル制御信号およ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、アクセル制御信号およ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１の走行は運転者により制御される。

上述の通り、運転モードは、自動運転モードと手動運転モードとからなる。自動運転モードは、例えば、完全自動運転モードと、高度運転支援モードと、運転支援モードとからなる。完全自動運転モードでは、車両システム２がステアリング制御、ブレーキ制御およびアクセル制御の全ての走行制御を自動的に行うと共に、運転者は車両１を運転できる状態にはない。高度運転支援モードでは、車両システム２がステアリング制御、ブレーキ制御およびアクセル制御の全ての走行制御を自動的に行うと共に、運転者は車両１を運転できる状態にはあるものの車両１を運転しない。運転支援モードでは、車両システム２がステアリング制御、ブレーキ制御およびアクセル制御のうち一部の走行制御を自動的に行うと共に、車両システム２の運転支援の下で運転者が車両１を運転する。一方、手動運転モードでは、車両システム２が走行制御を自動的に行わないと共に、車両システム２の運転支援なしに運転者が車両１を運転する。

（第一実施形態）
図２は、第一実施形態に係るＨＵＤ４０を車両１の側面側から見た模式図である。図２に示すように、ＨＵＤ４０は、ＨＵＤ本体部４０１を備えている。ＨＵＤ本体部４０１は、ハウジング４０２と、出射窓４０３とを有する。出射窓４０３は光を透過させる透明板で構成されている。ＨＵＤ本体部４０１は、ハウジング４０２の内部に収容される、画像生成部（ＰＧＵ：Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ）４０４と、レンズ４０５（第二光学要素の一例）と、凹面鏡４０６（反射部の一例）と、ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ４０７（第一光学要素の一例）と、制御基板４０８とを有する。

画像生成部４０４は、車両１の乗員に向けて表示する所定の画像を生成するための光を出射するように構成されている。画像生成部４０４は、詳細な図示は省略するが、光源と、光学部品と、表示デバイスとを有する。光源は、例えば、レーザ光源またはＬＥＤ光源である。レーザ光源は、例えば、赤色レーザ光と、緑光レーザ光と、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。光学部品は、光源から出射された光を透過して表示デバイスに向けて出射する。表示デバイスは、液晶ディスプレイ、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）等である。画像生成部４０４の描画方式は、ラスタースキャン方式、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）方式またはＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）方式であってもよい。ＤＬＰ方式またはＬＣＯＳ方式が採用される場合、ＨＵＤ４０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、ＨＵＤ４０の光源は白色ＬＥＤ光源であってもよい。

レンズ４０５は、画像生成部４０４と凹面鏡４０６との間に配置されている。レンズ４０５は、画像生成部４０４の光出射面４１０から出射された光の焦点距離を変化させるように構成されている。レンズ４０５は、画像生成部４０４の光出射面４１０から出射されて凹面鏡４０６に向かう光のうちの一部の光が通る位置に設けられている。レンズ４０５は、例えば、駆動部を含み、制御基板４０８により生成される制御信号によって画像生成部４０４との距離を変更できるように構成されていてもよい。レンズ４０５の移動により、画像生成部４０４から出射された光の焦点距離（見かけの光路長）が変化し、ウインドシールド１８とＨＵＤ４０によって表示される所定の画像との間の距離が変化する。なお、レンズに代わる光学要素として、例えばミラーを用いてもよい。

凹面鏡４０６は、画像生成部４０４の光出射面４１０から出射される光の光路上に配置されている。凹面鏡４０６は、光出射面４１０から出射され光をウインドシールド１８（例えば、車両１のフロントウィンドウ）に向けて反射するように構成されている。凹面鏡４０６は、所定の画像を形成するために凹状に湾曲した反射面を有し、光出射面４１０から出射されて結像された光の像を所定の倍率で反射させる。凹面鏡４０６は、駆動機構（図示省略）を有している。駆動機構は、制御基板４０８から送信される制御信号に基づいて凹面鏡４０６の向きを回転させうる。

ＮＤフィルタ４０７は、画像生成部４０４と凹面鏡４０６との間に配置される光学フィルタである。ＮＤフィルタ４０７は、画像生成部４０４の光出射面４１０から出射されて凹面鏡４０６に向かう光のうちの一部の光が通る位置に設けられている。具体的には、ＮＤフィルタ４０７は、光出射面４１０から出射されてレンズ４０５を通過した光が通る位置に設けられている。ＮＤフィルタ４０７は、車両１の外部から内部に入射し凹面鏡４０６で反射されて画像生成部４０４の光出射面４１０に向かう外光のうちの一部の外光が通る位置に設けられている。ＮＤフィルタ４０７は、当該ＮＤフィルタ４０７を通る光のうち少なくとも可視光を含む光（例えば、太陽光）の透過率を低下させる。例えば、ＮＤフィルタ４０７は、当該ＮＤフィルタ４０７を通る光の透過率を１％以上４０％以下に低下させることができるように構成されている。ＮＤフィルタ４０７は、当該ＮＤフィルタ４０７を通る光の透過率を１．７％以上１５％以下、好ましくは、１０％以下に低下させることができると最も有効である。ＮＤフィルタ４０７は、ハウジング４０２に取り付けられている。光学フィルタとしては、ＮＤフィルタに限定されず、外光の透過率（光量）を低減可能なものであればよい。

制御基板４０８は、画像生成部４０４の動作を制御するように構成されている。制御基板４０８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、画像生成部４０４の動作を制御する。例えば、制御基板４０８は、表示制御部４４を介して車両制御部３から送信されてくる車両走行情報や周辺環境情報等に基づいて、画像生成部４０４の動作を制御するための制御信号を生成し、当該生成された制御信号を画像生成部４０４に送信する。また、制御基板４０８は、表示制御部４４から送信されてくる赤外画像に基づいて、画像生成部４０４の動作を制御するための制御信号を生成し、当該生成された制御信号を画像生成部４０４に送信する。また、制御基板４０８は、凹面鏡４０６の向きを変更するように制御してもよい。

なお、本実施形態では、制御基板４０８と表示制御部４４は別個の構成として設けられているが、制御基板４０８が表示制御部４４の一部として構成されていてもよい。

画像生成部４０４から出射された光は、凹面鏡４０６で反射されてＨＵＤ本体部４０１の出射窓４０３から出射される。ＨＵＤ本体部４０１の出射窓４０３から出射された光は、ウインドシールド１８に照射される。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４０１から出射された光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る虚像（所定の画像の一例）として認識する。このように、ＨＵＤ４０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、虚像（画像）により形成される虚像オブジェクトＩａ，Ｉｂ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。

例えば、画像生成部４０４の光出射面４１０上の点Ｐａ１から出射された光（第一光の一例）は、光路Ｌａ１を進み、凹面鏡４０６上の点Ｐａ２で反射された後に光路Ｌａ２を進んで、ＨＵＤ本体部４０１の出射窓４０３からＨＵＤ４０の外部に出射する。光路Ｌａ２を進んだ光は、ウインドシールド１８の点Ｐａ３に入射することにより、所定の画像によって形成される虚像オブジェクトＩａ（第一画像の一例）の一部を形成する。虚像オブジェクトＩａは、例えば、ウインドシールド１８から比較的短い所定距離（例えば、３ｍ程度）だけ前方に形成される。

一方、画像生成部４０４の光出射面４１０上の点Ｐｂ１から出射された光（第二光の一例）は、レンズ４０５とＮＤフィルタ４０７とを通過した後に光路Ｌｂ１を進む。点Ｐｂ１から出射された光は、レンズ４０５を通過することにより焦点距離が変化する。すなわち、点Ｐｂ１から出射された光は、レンズ４０５を通過することにより、見かけの光路長が長く変化される。また、点Ｐｂ１から出射された光は、ＮＤフィルタ４０７を通過することにより光量が低減される。光路Ｌｂ１を進んだ光は、凹面鏡４０６上の点Ｐｂ２で反射された後に光路Ｌｂ２を進み、ＨＵＤ本体部４０１の出射窓４０３からＨＵＤ４０の外部に出射する。光路Ｌｂ２を進んだ光は、ウインドシールド１８の点Ｐｂ３に入射することにより、所定の画像によって形成される虚像オブジェクトＩｂ（第二画像の一例）の一部を形成する。虚像オブジェクトＩｂは、例えば、虚像オブジェクトＩａと比較して、より長い距離（例えば、１５ｍ程度）だけウインドシールド１８から離れた前方に形成される。虚像オブジェクトＩｂの距離（ウインドシールド１８から虚像までの距離）は、レンズ４０５の位置を調整することによって適宜調整可能である。

虚像オブジェクトＩｂとして表示される画像は、ＩＲカメラ４３によって撮像された画像に基づいて生成される画像である。具体的には、虚像オブジェクトＩｂとして表示される画像は、車両１の周囲が暗い例えば夜間等において表示されるナイトビジョン用の画像である。虚像オブジェクトＩｂとして表示される画像には、例えば、ＩＲカメラ４３によって撮像された歩行者、他車両、標識等の現実空間の対象物を模して生成された生成画像が含まれる。これらの生成画像は、例えば、歩行者、他車両、標識等の現実空間の対象物に重畳するようにして表示される。なお、生成画像は、必ずしも現実空間の対象物に重畳表示されなくてもよく、例えば、対象物が歩行者の場合、歩行者を模した人型マークを対象物の近傍に点滅表示するようにしてもよい。一方、虚像オブジェクトＩａとして表示される画像には、例えば、速度、エンジンの回転数等の昼夜通じて常時表示されうる画像が含まれる。

虚像オブジェクトＩａ，Ｉｂとして２Ｄ画像（平面画像）を形成する場合には、所定の画像を任意に定めた単一距離の虚像となるように投影する。虚像オブジェクトＩａ，Ｉｂとして３Ｄ画像（立体画像）を形成する場合には、互いに同一または互いに異なる複数の所定の画像をそれぞれ異なる距離の虚像となるように投影する。

次に、図３を参照して、画像生成部４０４に入射する外光の光量を低減するＮＤフィルタ４０７について説明する。図３は、ＨＵＤ４０におけるＮＤフィルタ４０７の機能を説明する模式図である。

図３には、車両１の外部からハウジング４０２内に入射した外光、例えば太陽光が凹面鏡４０６で反射されて画像生成部４０４の光出射面４１０上の点Ｐａ１と点Ｐｂ１とに入射する様子が示されている。光出射面４１０上の点Ｐａ１及びその近傍は、上述したように、ウインドシールド１８から比較的短い所定距離（例えば、３ｍ程度）だけ前方に虚像オブジェクトＩａを形成するための光を出射する領域である。光出射面４１０上の点Ｐｂ１及びその近傍は、上述したように、虚像オブジェクトＩａの位置よりも、ウインドシールド１８から長い距離（例えば、１５ｍ程度）だけ前方に虚像オブジェクトＩｂを形成するための光を出射する領域である。

光出射面４１０上の点Ｐａ１に入射する外光は、例えば、光路Ｌａ２を進み凹面鏡４０６上の点Ｐａ２で反射された後に光路Ｌａ１を進んで点Ｐａ１に入射する。これに対して、光出射面４１０上の点Ｐｂ１に入射する外光は、例えば、光路Ｌｂ２を進み凹面鏡４０６上の点Ｐｂ２で反射された後に光路Ｌｂ１を進んでＮＤフィルタ４０７を通過し、レンズ４０５を通って点Ｐｂ１に入射する。このように、光出射面４１０上の点Ｐｂ１に入射する外光は、凹面鏡４０６で反射された後にＮＤフィルタ４０７を通過するため、ＮＤフィルタ４０７によって、この外光の光量が低減される。

ところで、上述の通り、出射窓４０３は光を透過させる透明板である。そのため、図３に示すように、車両外部から入射した太陽光等の外光が出射窓４０３からハウジング４０２内部に入射すると、外光が凹面鏡４０６により反射されて集光された状態で画像生成部４０４の光出射面４１０に照射される場合がある。このような集光された外光が画像生成部４０４の光出射面４１０に照射されると、可視光である外光に含まれる遠赤外線により光出射面４１０における過度の温度上昇が発生し、画像生成部４０４が劣化してしまう可能性がある。特に、虚像オブジェクトＩｂの方が虚像オブジェクトＩａよりも車両１から離れた位置に表示されるため、画像生成部４０４の光出射面４１０上において虚像オブジェクトＩｂを生成する第二光を出射する領域は、虚像オブジェクトＩａを生成する第一光を出射する領域よりも、光学経路を通って画像生成部４０４まで到達する外光の集光量が大きくなり、温度上昇が発生しやすい。

これに対して、第一実施形態に係るＨＵＤ４０は、車両１から所定距離（例えば３ｍ程度）だけ離れた位置に虚像オブジェクトＩａ（第一画像の一例）を生成するための第一光と、所定距離とは異なる距離（例えば１５ｍ程度）だけ車両１から離れた位置に虚像オブジェクトＩｂ（第二画像の一例）を生成するための第二光と、を出射する画像生成部４０４と、画像生成部４０４により出射された第一光および第二光がウインドシールド１８へ照射されるように、第一光および第二光を反射させる凹面鏡４０６（反射部の一例）とを備えている。そして、画像生成部４０４と凹面鏡４０６との間において、第二光が通過する位置に、少なくとも可視光を含む光の透過率を第一光よりも下げるためのＮＤフィルタ４０７（第一光学要素の一例）が設けられている。この構成によれば、画像生成部４０４まで到達する外光の集光量が大きい光学経路、すなわち第二光が通過する経路にＮＤフィルタ４０７を設けることにより、画像生成部４０４の光出射面４１０における外光の集光量が大きい領域に入射する外光の光量を低減させることができる。これにより、集光された外光が画像生成部４０４の光出射面４１０の所定領域に入射することによる熱害の発生、例えば熱による表示デバイスの劣化等の発生を抑制することができる。また、虚像オブジェクトＩｂとして表示される画像はナイトビジョン用の画像であるので、第二光の通過経路にＮＤフィルタ４０７を設けることによって乗員に向かう第二光の光量が第一光の光量よりも低減しても、当該低減された光量によって生成された虚像オブジェクトＩｂを乗員に対して十分に認識させることができ、虚像オブジェクトＩｂの品質を低下させることがない。

また、ＨＵＤ４０によれば、ＮＤフィルタ４０７は画像生成部４０４と凹面鏡４０６との間においてＨＵＤ４０のハウジング４０２に取り付けられている。この構成によれば、簡便な構成でＮＤフィルタ４０７をＨＵＤ４０内の適切な位置に設けることができる。

また、ＨＵＤ４０によれば、画像生成部４０４から出射された第二光の焦点距離（見かけの光路長）を変化させることができるように構成されたレンズ４０５が画像生成部４０４と凹面鏡４０６との間に設けられている。この構成によれば、虚像オブジェクトＩｂを虚像オブジェクトＩａよりも遠くに表示するための構成を簡便に実現することができる。

（第二実施形態）
図４は、第二実施形態に係るＨＵＤ１４０におけるＮＤフィルタ４０７Ａの機能を説明する模式図である。
図４に示すように、第二実施形態のＨＵＤ１４０は、少なくとも可視光を含む光（例えば、太陽光）の透過率を低下させるＮＤフィルタ４０７Ａが凹面鏡４０６とウインドシールド１８との間に配置されている点で、画像生成部４０４と凹面鏡４０６との間にＮＤフィルタ４０７が配置されている第一実施形態のＨＵＤ４０と相違する。ＮＤフィルタ４０７Ａは、ＨＵＤ本体部４０１の出射窓４０３の表面の一部分を覆うような状態でハウジング４０２に取り付けられている。

ＮＤフィルタ４０７Ａは、画像生成部４０４の光出射面４１０から出射されレンズ４０５を通り凹面鏡４０６で反射されてウインドシールド１８に向かう光のうちの一部の光が通る位置に設けられており、ＮＤフィルタ４０７Ａを通る光の透過率を低下させる。また、ＮＤフィルタ４０７Ａは、車両１の外部から内部に入射し凹面鏡４０６に向かう外光のうちの一部の外光が通る位置に設けられており、ＮＤフィルタ４０７Ａを通る外光の透過率を低下させる。ＮＤフィルタ４０７Ａは、当該ＮＤフィルタ４０７Ａを通る光の透過率を１％以上４０％以下に低下させることができるように構成されている。ＮＤフィルタ４０７Ａは、当該ＮＤフィルタ４０７Ａを通る光の透過率を１．７％以上１５％以下、好ましくは、１０％以下に低下させることができると最も有効である。

ＨＵＤ１４０において、画像生成部４０４に入射する外光の光量を低減させるＮＤフィルタ４０７Ａは以下のように作用する。
画像生成部４０４の光出射面４１０上における点Ｐａ１に入射する外光は、例えば、光路Ｌａ２を進み凹面鏡４０６上の点Ｐａ２で反射された後に光路Ｌａ１を進んで点Ｐａ１に入射する。光出射面４１０上の点Ｐａ１及びその近傍は、ウインドシールド１８から比較的短い所定距離（例えば、３ｍ程度）だけ前方に虚像オブジェクトＩａを形成するための光を出射する領域である。
これに対して、画像生成部４０４の光出射面４１０上における点Ｐｂ１に入射する外光は、例えば、光路Ｌｂ２を進みハウジング４０２内に入射する際に出射窓４０３部分に設けられたＮＤフィルタ４０７Ａを通り、凹面鏡４０６上の点Ｐｂ２で反射された後に光路Ｌｂ１を進みレンズ４０５を通って点Ｐｂ１に入射する。光出射面４１０上の点Ｐｂ１及びその近傍は、虚像オブジェクトＩａの位置よりも、ウインドシールド１８から長い距離（例えば、１５ｍ程度）だけ前方に虚像オブジェクトＩｂを形成するための光を出射する領域である。このように、虚像オブジェクトＩａよりも遠くに虚像オブジェクトＩｂを形成するための光を出射する領域である光出射面４１０上の点Ｐｂ１に入射する外光は、ＮＤフィルタ４０７Ａを通過することにより、その光量が光出射面４１０上の点Ｐａ１に入射する外光の光量よりも低減される。

以上のように、第二実施形態に係るＨＵＤ１４０によれば、凹面鏡４０６とウインドシールド１８との間に位置するハウジング４０２に取り付けられたＮＤフィルタ４０７Ａによって、外光の集光量が大きい領域である光出射面４１０上の点Ｐｂ１に入射する外光の光量を低減させることができる。これにより、高光量の外光が画像生成部４０４の光出射面４１０の所定領域に入射することによる熱害の発生を抑制することができる。また、外光を吸収することによってＮＤフィルタ４０７Ａ自身の温度が上昇するが、当該ＮＤフィルタ４０７Ａが画像生成部４０４から離れた出射窓４０３の部分に設けられているので、ＮＤフィルタ４０７Ａの温度上昇に伴うハウジング４０２内部の温度上昇を抑制することができる。これにより、画像生成部４０４における熱害の発生をさらに抑制することができる。

図５は、変形例に係るＨＵＤ２４０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ＨＵＤ２４０は、ＨＵＤ本体部４０１と、コンバイナ１９とによって構成されている。コンバイナ１９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１９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、凹面鏡４０６によって反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４０１からコンバイナ１９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４０１からの出射光（所定の画像）をコンバイナ１９（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オブジェクトＩａ，Ｉｂとして認識することができる。なお、図５では、ＮＤフィルタ４０７を画像生成部４０４と凹面鏡４０６との間に配置しているが、破線（符号４０７Ａ）で示すように凹面鏡４０６とコンバイナ１９との間に配置してもよい。
このようにコンバイナ１９を備えたＨＵＤ２４０の場合も、第一実施形態のＨＵＤ４０および第二実施形態のＨＵＤ１４０と同様の効果を奏することができる。

以上、本発明の実施形態について説明をしたが、本発明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。本発明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。

上記実施形態では、便宜上、ＮＤフィルタ４０７とレンズ４０５とを別体の構成としているが、この例に限られない。例えば、ＮＤフィルタがレンズ４０５の表面にコーティングされているなどして、レンズ４０５がＮＤフィルタの機能を有していてもよい。また、図６に示すＨＵＤ４０Ｂのように、ＮＤフィルタ４０７Ｂは、ハウジング４０２ではなく、画像生成部４０４に取り付けられている構成であってもよい。さらに、第二実施形態におけるＮＤフィルタ４０７Ａは、出射窓４０３の表面に貼り付けられているが、出射窓４０３の裏面に貼り付けられている構成であってもよい。これらの構成によっても、ＮＤフィルタをヘッドアップディスプレイに簡便に搭載することができる。

また、上記実施形態では、ＮＤフィルタ４０７により、光の透過率を下げる構成を採用しているが、この例に限られない。例えば、画像生成部４０４と凹面鏡４０６との間、あるいは、凹面鏡４０６とウインドシールド１８またはコンバイナ１９との間に光を完全に遮光する開閉式のシャッタを設けてもよい。ＨＵＤ４０の表示制御部４４は、当該シャッタの開閉を制御するように構成されてもよい。表示制御部４４は、ＨＵＤ４０の動作時には、シャッタを開放し、ＨＵＤ４０の非動作時には、シャッタを閉鎖する。このように、ＨＵＤ４０の動作／非動作に応じて、シャッタを開閉することで、画像生成部４０４の光出射面４１０に入射する外光の総量を削減することができる。

上記実施形態では、車両の運転モードは、完全自動運転モードと、高度運転支援モードと、運転支援モードと、手動運転モードとを含むものとして説明したが、車両の運転モードは、これら４つのモードに限定されるべきではない。車両の運転モードは、これら４つのモードの少なくとも１つを含んでいてもよい。例えば、車両の運転モードは、いずれか一つのみを実行可能であってもよい。

さらに、車両の運転モードの区分や表示形態は、各国における自動運転に係る法令又は規則に沿って適宜変更されてもよい。同様に、本実施形態の説明で記載された「完全自動運転モード」、「高度運転支援モード」、「運転支援モード」のそれぞれの定義はあくまでも一例であって、各国における自動運転に係る法令又は規則に沿って、これらの定義は適宜変更されてもよい。

本出願は、２０１９年９月１９日出願の日本特許出願２０１９－１７０５３９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 (14)

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、
   前記所定の画像のうち、前記車両から所定距離だけ離れた位置に第一画像を生成するための第一光と、前記所定距離とは異なる距離だけ前記車両から離れた位置に第二画像を生成するための第二光と、を出射する画像生成部と、
   前記画像生成部により出射された前記第一光および前記第二光がウインドシールドまたはコンバイナへ照射されるように、前記第一光および前記第二光を反射させる反射部と、を備え、
   前記画像生成部と前記ウインドシールドまたは前記コンバイナとの間において前記第二光が通過する位置に、少なくとも可視光を含む光の透過率を下げる第一光学要素が設けられており、
   前記第一光学要素を通過した前記第二光の光量は前記第一光の光量よりも下げられており、
   前記第一光学要素は、前記反射部と前記ウインドシールドまたは前記コンバイナとの間において、前記第二光が通過する位置に設けられている、ヘッドアップディスプレイ。
2. 前記第一光学要素は、前記画像生成部と前記反射部との間において、前記第二光が通過する位置に設けられている、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
3. 前記画像生成部と前記反射部とを内部に収容するハウジングをさらに備え、
   前記第一光学要素は、前記ハウジングに取り付けられている、請求項１または２に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 前記第一光学要素は、前記画像生成部に取り付けられている、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 前記第一光学要素は、前記画像生成部に入射する外光の光量を低減可能な光学フィルタである、請求項１から４のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ。
6. 前記第二画像が生成される位置は、前記第一画像が生成される位置よりも前記車両から離れている、請求項１から５のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ。
7. 前記画像生成部と前記反射部との間には、前記第一画像が表示される位置よりも前記車両から離れた位置に前記第二画像を表示するための第二光学要素が設けられている、請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイと、
   前記車両の外部に赤外光を照射可能なＩＲランプと、
   前記赤外光により照射された前記車両の外部の画像を撮像可能なＩＲカメラと、
   を備えた、画像表示システムであって、
   前記第二画像は、前記ＩＲカメラにより撮像された画像に基づいて生成されるように構成されている、画像表示システム。
9. 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、
   前記所定の画像のうち、前記車両から所定距離だけ離れた位置に第一画像を生成するための第一光と、前記所定距離とは異なる距離だけ前記車両から離れた位置に第二画像を生成するための第二光と、を出射する画像生成部と、
   前記画像生成部により出射された前記第一光および前記第二光がウインドシールドまたはコンバイナへ照射されるように、前記第一光および前記第二光を反射させる反射部と、を備え、
   前記画像生成部と前記ウインドシールドまたは前記コンバイナとの間において前記第二光が通過する位置に、少なくとも可視光を含む光の透過率を下げる第一光学要素が設けられており、
   前記第一光学要素を通過した前記第二光の光量は前記第一光の光量よりも下げられており、
   前記第二画像が生成される位置は、前記第一画像が生成される位置よりも前記車両から離れている、ヘッドアップディスプレイ。
10. 前記第一光学要素は、前記画像生成部と前記反射部との間において、前記第二光が通過する位置に設けられている、請求項９に記載のヘッドアップディスプレイ。
11. 前記第一光学要素は、前記反射部と前記ウインドシールドまたは前記コンバイナとの間において、前記第二光が通過する位置に設けられている、請求項９に記載のヘッドアップディスプレイ。
12. 前記画像生成部と前記反射部とを内部に収容するハウジングをさらに備え、
    前記第一光学要素は、前記ハウジングに取り付けられている、請求項１０または１１に記載のヘッドアップディスプレイ。
13. 前記第一光学要素は、前記画像生成部に取り付けられている、請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ。
14. 前記第一光学要素は、前記画像生成部に入射する外光の光量を低減可能な光学フィルタである、請求項９から１３のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ。

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