JPH0659787B2 - 車載用ヘツドアツプデイスプレイ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 曲率を有するフロントガラスと表示手段の表示画像を自
動車のフロントガラスに投影する光学系との合成光学系
の焦点距離、該合成光学系の焦点位置と目視点との距
離、及び目視点とフロントガラス前方の虚像との距離に
基づいて表示手段の位置を設定することにより、２重像
を解消してクリアな表示画像を運転者に視認させるよう
にしている。

〔産業上の利用分野〕

本発明は車載用ヘッドアップディスプレイ装置に係り、
さらに詳細には自動車のフロントガラスを利用し、虚像
光学系を用いて各種情報を表示する車載用ヘッドアップ
ディスプレイ装置に関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする問題点〕

自動車のフロントガラスの内面反射を利用して、フロン
トガラス前方に虚像を結ばせることにより自動車のスピ
ード、時刻、エンジン回転数その他の情報を表示する装
置が提案されている。このような装置は車載用ヘッドア
ップディスプレイ装置（以下ＨＵＤという）と呼ばれて
いる。

第６図，第７図は従来より提案されているＨＵＤの基本
構造を示している。第６図に示すように、装置はダッシ
ュボード中央などに組み込まれた表示装置１１と、レン
ズなどの（屈折）光学系１２、フロントガラス１３を用
いた反射光学系から構成される。表示装置１１はＬＥ
Ｄ，ＬＣＤなどを用いたもので、表示器の小さな画像は
光学系１２、フロントガラス１３から成る虚像光学系に
より拡大されてフロントガラス１３の前方に虚像として
結像される。

したがって、運転者には第７図に示すように、ＨＵＤの
表示装置１１の虚像表示（この場合は速度を表示）はあ
たかも自動車１４の前方の所定距離に存在するように知
覚される。

所定の光学視野内にＬＥＤ，ＬＣＤなどによる表示情
報、視野枠などの画像情報を結像させる技術はカメラの
ファインダーなどにも古くから用いられている。ＨＵＤ
の技術も基本的にはこのような表示技術と変わるところ
がないが、ＨＵＤの場合には反射光学系にフロントガラ
スが用いられている点で解決すべき問題がある。

この問題は、フロントガラスを比較的透過度の高いハー
フミラーとして用いることに基因して発生し、第８図に
示すようにフロントガラス１３に入射する光はその車外
側および車内側の２つの空気〜ガラス界面で反射され、
しかもＨＵＤ光学系が主としてダッシュボードに設けら
れる関係上、フロントガラスに対する入射〜反射角が大
きく設定される必要があるため、２つの反射面の反射像
にずれを生じ、２重像として知覚される点である。

すなわち、第８図において、物点１７から出て、フロン
トガラス１３の二つの反射界面で反射され運転者の目１
６に入射する光は実線で示した２つの経路をとる。これ
はフロントガラスの車外側のガラス〜空気の界面での屈
折があるためで、このような光路のずれによって、物点
１７の虚像は符号１７′で示すように２つ知覚され、ク
リアな表示画像を運転者に視認させることはできない。

以上の問題を解決するには、ダッシュボード上に反射専
用のミラーを設け、その反射面の反射を高めるようにコ
ーティング処理を施す方式のようにフロントガラスにコ
ーティングを行ない、フロントガラス内面に反射率の高
いミラーまたはハーフミラーを形成する方法が考えられ
るが、自動車のフロントガラスのダッシュボード近傍に
このようなミラー部分を設けることは交通安全上好まし
くない。特にフロントガラスの下辺の領域は、車のフェ
ンダー部分などを見て車体の状態を把握するために運転
者にとって大きな役割を果しており、この部分の視界を
阻害するとドライバビリティを非常に悪化させる問題が
ある。また、フロントガラスの視野をせばめることは、
前方の障害物の迅速な認知を妨げることにつながり、運
行上の危険を生じる恐れがある。

そこで、この２重反射による２重像の問題を解消するた
め、フロントガラスに入射させる光束を平行光束に近づ
けることが考えられた。例えば、無限遠（ないしそれに
近い遠距離）からフロントガラスに反射像を入射させれ
ば、第９図のように入射光束が平行に近づき、像の視距
離も無限遠となり、フロントガラス１３の２つの界面で
反射される視差も小さくなる。この視差を人間を目１６
（単眼）の分解能、すなわち２〜５分以内に抑えれば２
重像はずれた像として知覚されない。

なお、どの程度まで虚像を遠方に遠ざければ２重像知覚
が生じなくなるかは以下のようにして求められる。

第１０図は物点１７のフロントガラス１３への入射光束
と、目１６へ向かう反射光束とを、フロントガラス１３
の２つの反射界面に関して示したものである。２つの界
面で反射される光束はそれぞれ異なる経路をとり、入射
側、反射側のそれぞれ２本づつの光束のなす角をα、ま
たフロントガラス内側の界面での界面側から計った入
射、反射角をβとし、フロントガラス内側の反射点と内
外側界面に向かう光束の入射点の距離をｌ_１，ｌ_２とす
る。また、物点１７とフロントガラス内面の反射点の距
離、反射点から目１６までの距離をそれぞれＤ，Ｓとす
ると、正弦定理により、 となる。上式よりｌ_１／Ｓ＝ｌ_２／Ｄであり、したがっ
て、 ｌ_１／ｌ_２＝Ｓ／Ｄ……(3) と書き表わされる。ここで、Ｓを一定、つまり運転者の
着座位置を固定して考えると、Ｄ→∞のときｌ_１／ｌ_２
→０である。すなわち、上記のようにＤを大きくすれば
するほどｌ_１が小さくなり、角αも小さくなる。

ここでフロントガラス１３の厚みｄを５mm、屈折率を1.
5とし、β＝４５°で、角αを目の分解能のバラツキの
最大限4.8分にほぼ相当する0.08°を得ようとする場
合、第１１図においてフロントガラス外側界面での反射
角θは屈折の法則から、 であり、 ｌ_１＋ｌ_２＝２ｄ・tanθ……(5) となる。

上式よりｌ_１＋ｌ_２＝5.34（mm：以下同じ）、(1)式よ
りｌ_１＝1.35、ゆえにｌ_２＝3.99となる。したがって、
(3)式よりＤ＝２０２２mmとなる。

すなわち、フロントガラス１３の厚みが５mm、屈折率を
1.5、ＨＵＤユニットからの入射角が４５°で、角αを
4.8分に相当する0.08°を得るには物点（虚像の場合も
同じ）からフロントガラス１３までの距離を２０２０mm
程度とればよいことになる。

また、ＨＵＤユニットからの入射角をもっと浅くしてβ
＝３０度で同じ角αを得る場合には、上記と同一の計算
手順によりＤ＝５８０mmとなる。また、角αを目の分解
能の最少値2.1分に相当する0.035°まで小さくする場合
には、β＝３０°でＤ＝２１９０mmとなる。

以上の設定は単に一例であり、実際には運転者に着座の
位置の遠い、また座席調整のための前後のマージンを見
込むため、距離Ｄをどれだけとればよいかは装置が設置
される自動車によって当然異なる。しかし、ごく一般的
なドライビングポジション、装置の設置位置、フロント
ガラスの角度などに応じて、Ｄは５００〜２０００mmの
範囲内に設置すれば２重像防止効果を得られ、また当然
のことながらこの範囲を越え無限遠に近づけば近づく程
２重像は消えることになる。

ＨＵＤでは、ＬＣＤなどの画像を直接フロントガラスに
向けて入射させる方式も考えられるが、この方式で表示
画像を上記範囲に遠ざけるのは車載サイズから考えて実
際上下可能であるので、ＨＵＤユニットの光学系を用
い、フロントガラスに表示画像の虚像を入射させ、この
虚像からフロントガラスまでの距離を２重像知覚が生じ
ない点まで遠方に伸ばしていた。

ところが、上述した従来の装置では、一般に車の前方に
突出する曲面となっていて凹面のミラーとして機能する
フロントガラスの曲率を考慮して作られていなかったた
め、所定の遠距離に表示画像の虚像を形成し、希望する
２重像解消を効果的に行うことができなかった。これ
は、フロントガラス前方の虚像がフロントガラスの曲率
分拡大されて大きくなり、角αが希望した目の分解能以
下に小さくなっていなかったためである。

よって本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、フロン
トガラスの曲率を考慮することによって、フロントガラ
スの２つの反射面からの光束のなす角度が確実に目の分
解能以下になることを保証して二重像の問題を解消した
車載用ヘッドアップディスプレイ装置を提供することを
目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明により成された車載用ヘ
ッドアップディスプレイ装置は、各種情報を表示するた
めの表示手段と、該表示手段の表示画像を自動車のフロ
ントガラスに投影する光学系とを備え、前記光学系によ
りフロントガラスに投影する前記表示画像の虚像を遠距
離に形成するようにした車載用ヘッドアップディスプレ
イ装置において、 前記フロントガラスと前記光学系とからなる次式で示す
合成光学系の焦点距離ｆ_０ （式中、ｆ′は前記光学系の焦点距離、Ｒはフロントガ
ラスの曲率、Ｃ_２は前記光学系と前記フロントガラスと
の距離である。）と、 次式で示す前記光学系の中心点と前記合成光学系の中心
点の間の距離 により定まる前記合成光学系の焦点位置と目視点との距
離Ｐと、 二重像を解消するに必要な目視点とフロントガラス前方
の虚像との距離Ｌとに基づいて、次式 で設定される前記合成光学系の焦点位置からの距離の位
置に前記表示手段を設置したこと を特徴としている。

〔作用〕

以上の構成において、光学系の焦点距離ｆ′、フロント
ガラスの曲率Ｒ、光学系とフロントガラスとの距離Ｃ_２
とにより求めたフロントガラスと光学系とからなる合成
光学系の焦点距離ｆ_０と、光学系の中心点と合成光学系
の中心点の間の距離ｙにより定まる合成光学系の焦点位
置と目視点との距離Ｐと、二重像を解消するに必要な目
視点とフロントガラス前方の虚像との距離Ｌとに基づい
て定めた合成光学系の焦点位置からの距離ｘの位置に表
示手段を設置しているので、二重像を解消することがで
きる位置に表示手段の虚像を形成することができる。

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

第１図は本発明による車載用ヘッドアップディスプレイ
装置の原理図、第２図は第１図の原理図によって表わさ
れうる車載用ＨＵＤの一例を示す図である。

第２図では、ＨＵＤユニット１に関して簡略化のためＬ
ＣＤユニットから成る表示器１１、光学系１２のみを図
示し、ＨＵＤユニットの筐体、ダッシュボードその他の
図示を省略してある。表示器１１は光学系１２の光軸上
に配置され、光学系１２の光軸は曲率Ｒを有する傾斜し
たフロントガラス１３の下方からフロントガラス１３の
ほぼ水平後方に位置する運転者の目に向けて表示器１１
の表示画像の虚像を反射させるように配置される。

第１図においては、光学系１２とフロントガラス１３と
は合成して１つの合成光学系２０として示されている。
該合成光学系２０はフロントガラス１３がフラットであ
るとした第３図で示す車載用ＨＵＤの等価図を示す第４
図と実質的に同じであるので、理解をし易くするため、
まず第３図及び第４図について説明する。

第３図において、目からフロントガラス１３前方の虚像
までの距離をＬ、目１６からフロントガラス１３までの
距離をＣ_１、光学系１２とフロントガラス１３の距離を
Ｃ_２、フロントガラス１３から前方の虚像までの距離を
Ｓとする。ここでは、フロントガラス１３が平面である
と仮定しているので、フロントガラス１３の倍率は考え
なくてよく、フロントガラス１３は単に光軸を折り曲げ
ているだけであるから、フロントガラス１３から表示器
１１、光学系１２の後方にできる虚像までの距離と、フ
ロントガラス１３から前方の虚像までの距離Ｓは等し
く、図示した２つの虚像の大きさも等しい。

第４図の等価図では、大きさＹの物体ＰＱ（表示器１１
に対応）は光学系１２の焦点Ｆの内側の距離ｘに配置さ
れる。また、目の位置は焦点Ｆ′の外側の距離ｐの位置
に置く。目から物体の虚像Ｐ′Ｑ′までの距離を前記の
Ｌ、焦点Ｆ′から虚像Ｐ′Ｑ′までの距離ｘ′とする
と、周知のように横倍率βは、 である。また、光の進む方向を正にとった場合、距離
ｘ′は焦点距離ｆ、物体ＰＱの焦点Ｆからの距離ｘに関
して、 となる。ｘ′＝Ｌ＋ｐであるから、この式をＬについて
解くと、 となる。(8)式から、虚像Ｐ′Ｑ′の距離Ｌは光学系の
焦点距離、物体の位置だけでなく、観察者の位置によっ
ても左右されることがわかる。したがって、像の視距離
を設定するには運転者の位置をも考慮する必要がある。

したがって、上記(8)式を変形した において、二重像を解消するに必要なＬの値を設定する
と共に、Ｐ及びｆを決定することによってｘを求め、該
位置に表示器１１を設置することで、二重像の生じない
車載用ＨＵＤを構成することができる。

ところで、上記(8)式を第１図のように合成光学系２０
に適用するには、合成光学系２０の合成焦点距離ｆ
_０と、表示器１１の設置位置を決定するには、合成光学
系２０の中心点Ｈと第４図の光学系１２の中心点Ｏとの
距離ｙをそれぞれ求めることが必要である。

曲率Ｒを有するフロントガラス１３は焦点距離Ｒ／２の
レンズ作用を有し、これと焦点距離ｆ′の光学系１２と
の合成焦点距離ｆ_０は、 によって求めることができる。一方、距離ｙは、 によって求めることができる。

第２図の車載用ＨＵＤにおいて、光学系１２の焦点距離
ｆ′を２００mm、フロントガラス１３の曲率Ｒを５００
０mm、光学系１２とフロントガラス１３の間の距離Ｃ_２
を３５０mmとすると、第１図の合成光学系２０の合成焦
点距離ｆ_０は、上記定数を(10)式に代入し、 を計算することにより求めることができ、ｆ_０＝２１３
mmとなる。一方、合成光学系２０は位置は距離ｙを(11)
式から を求めることにより、光学系１２から約29.8mmずれたと
ころに定めることができる。

また、表示器１１の設置位置は、Ｌを２００００mm、光
学系１２から運転者の目１６までの距離Ｃ_１＋Ｃ_２を８
４３mmとしたとき、Ｐ＝６００となって、(9)式から となり、合成光学系２０の焦点Ｆから光学系１２側に2.
2mmのところに表示器１１を設置すればよい。

以上を要約すれば、フロントガラス、運転者、ＨＵＤユ
ニットの位置から、フロントガラスの２重反射により生
じる像のずれを目の分解能以下にできる視距離をまず求
め、そこから用いる光学系の構成と、光学系〜表示器の
距離を決定すればよい。

以上のようにして約２０ｍのＨＵＤ虚像の視距離を得る
ことができ、フロントガラスの２重反射により生じる２
重像のずれを知覚させない程度まで小さくすることが可
能となる。特に視距離を延ばすことは運転中の注視点の
距離が比較的遠方であることを考えると好ましい構成で
ある。

本発明により構成した車載用ＨＵＤを従来のものと対比
するため、フロントガラス１３が平面であるとして同一
条件で構成した第４図の車載用ＨＵＤにおける表示器１
１の位置を計算により求めると、 となり、光学系１２から198.1mmのところに表示器１１
が設定されることになる。これに対し、本発明による車
載用ＨＵＤでは、表示器１１は光学系１２から１８１mm
の位置に設置されていて、本発明と従来装置では表示器
１１の設置位置に17.1mmもの差がある。この差は虚像を
所望の遠距離に形成し、２重像解消を行うことを不能に
する原因となっていた。また、この様に虚像を所望の遠
距離に形成することができない場合には、運転者は運転
時の視点距離のままで表示像を視認することができなく
なることがある。

なお、光学系の構成についてであるが、運転者が頭を動
かしたり、座席の調整を行なっても光学系を通して常に
表示画像全体を視認することができるよう、大口径のレ
ンズを用いることが望ましい。

また、他の条件から光学系と表示器との間の距離ａをか
なり大きくする必要が生じ、ＨＵＤユニットの全長がダ
ッシュボードに収まりきらないほど大きくなってしまう
場合には、第５図のように、表示器１１と光学系１２の
間にミラー１ａ，１ｂを設け、この部分の光軸を折り曲
げることによりユニットの全長を小さく押える方式が考
えられる。

〔効果〕

以上説明したように本発明によれば、曲率を有するフロ
ントガラスを含む合成光学系の焦点距離を基準にして構
成しているため表示手段の表示画像の虚像を二重像が生
じることがなく、しかも無闇に遠距離に形成されること
なく、フロントガラス前方の所定の距離に形成すること
ができ、運転者に明確かつ高品質の表示画像を視認させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるＨＵＤの原理図、第２図は本発明
によるＨＵＤの一実施例を示す図、第３図及び第４図は
本発明の原理を説明するための説明図、第５図は本発明
によるＨＵＤの他の実施例を示す図、第６図はＨＵＤの
基本構造を示した説明図、第７図は表示画像の投影を示
した説明図、第８図はフロントガラスにおける２重像発
生を示した説明図、第９図は２重反射防止技術の概略を
示した説明図、第１０図及び第１１図は２重像防止技術
の基本原理を示した説明図である。 １…ＨＵＤユニット、１１…表示装置、１２…光学系、
１３…フロントガラス、１６…目、２０…合成光学系。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭60−142143（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−15639（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各種情報を表示するための表示手段と、 該表示手段の表示画像を自動車のフロントガラスに投影
   する光学系とを備え、 前記光学系によりフロントガラスに投影する前記表示画
   像の虚像を遠距離に形成するようにした車載用ヘッドア
   ップディスプレイ装置において、 前記フロントガラスと前記光学系とからなる次式で示す
   合成光学系の焦点距離ｆ_０ （式中、ｆ′は前記光学系の焦点距離、Ｒはフロントガ
   ラスの曲率、Ｃ_２は前記光学系と前記フロントガラスと
   の距離である。）と、 次式で示す前記光学系の中心点と前記合成光学系の中心
   点の間の距離 により定まる前記合成光学系の焦点位置と目視点との距
   離Ｐと、 二重像を解消するに必要な目視点とフロントガラス前方
   の虚像との距離Ｌとに基づいて、次式 で設定される前記合成光学系の焦点位置からの距離の位
   置に前記表示手段を設置した ことを特徴とする車載用ヘッドアップディスプレイ装
   置。