JPWO2017002344A1 - ヘッドアップディスプレイ及びヘッドアップディスプレイを備えた移動体 - Google Patents

Abstract

ヘッドアップディスプレイは、観察者のアイボックスに画像を投射するものである。ヘッドアップディスプレイは、複数の光源素子と、液晶パネル（１１５）と、第１レンズ（１１２）と、視点検出部（８００）と、制御部（７００）と、を備える。複数の光源素子は、アレイ状に配置され、光を出射する。液晶パネル（１１５）は、画像を表示する第１レンズ（１１２）は、複数の光源素子から出射された光を液晶パネル（１１５）の入射面における同一の領域に照明するように偏向する。視点検出部（８００）は、観察者の視点位置を検出する。制御部（７００）は、視点検出部（８００）の検出した視点位置に応じて、光源素子の光の強度を制御する。

Description

本開示は、観察者に虚像を視認させるための画像を表示するヘッドアップディスプレイに関する。

特許文献１は、液晶パネルの背後の光源から出る光を均一化して、液晶パネルを透過照明するヘッドアップディスプレイを開示する。このヘッドアップディスプレイは、光源（発光ダイオード）と、第１の集光レンズと、拡散板と、第２の集光レンズとを備える。第２集光レンズは、光源から発する光を拡散板へ集光させている。これにより、表示器を透過する照明光の輝度の低下を抑えつつ、その輝度ムラを低減させることができる。

特開２００７−１０８４２９号公報

本開示の第一の態様におけるヘッドアップディスプレイは、観察者のアイボックスに画像を投射するものである。ヘッドアップディスプレイは、複数の光源素子と、透過型表示素子と、光学部材と、視点検出部と、制御部と、を備える。複数の光源素子は、アレイ状に配置され、光を出射する。透過型表示素子は、画像を表示する。光学部材は、複数の光源素子から出射された光を透過型表示素子の入射面における同一の領域に照明するように偏向する。視点検出部は、観察者の目の位置を検出する。制御部は、視点検出部の検出した視点位置に応じて、光源素子の光の強度を制御する。

本開示の第二の態様において、上記のヘッドアップディスプレイを備えた移動体（自動車、鉄道車両、航空機、船舶等）が提供される。

本開示におけるヘッドアップディスプレイは、観察者の眼の位置に応じて光源の点灯を制御して、省電力化を図ることができる。

図１は、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイを搭載した車両を示す模式図である。 図２は、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの表示ユニットの構成を説明するための図である。 図３Ａは、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの光路（Ｙ軸方向から見た光路）を説明した図である。 図３Ｂは、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの光路（Ｘ軸方向から見た光路）を説明した図である。 図４Ａは、実施の形態１におけるＹ軸方向から見た光路を示す図である。 図４Ｂは、各光源素子の光路（Ｘ軸方向から見た光路）の重畳を説明するための図である。 図４Ｃは、実施の形態１におけるＸ軸方向から見た光路を示す図である。 図５Ａは、実施の形態１における表示ユニット（液晶パネル）の出射光の分布を示すグラフ（Ｘ軸方向中央部）である。 図５Ｂは、実施の形態１における表示ユニット（液晶パネル）の出射光の分布を示すグラフ（Ｘ軸方向端部）である。 図５Ｃは、実施の形態１における表示ユニット（液晶パネル）の出射光の分布を示すグラフ（Ｙ軸方向中央部）である。 図６Ａは、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの光路を説明する図である。 図６Ｂは、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの光路を説明する図である。 図７Ａは、実施の形態２におけるアイボックスの領域毎の点灯の制御を説明する図である。 図７Ｂは、実施の形態２におけるアイボックスの領域毎の点灯の制御を説明する図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

特許文献１のヘッドアップディスプレイでは、第２集光レンズにより光源（発光ダイオード）から発する光を拡散板へ集光させている。具体的には、複数の光源（発光ダイオード）からの光を、第２集光レンズに設けられた複数のレンズのそれぞれのレンズで受けて拡散板へ出射している。すなわち、一つの光源からの光を一つのレンズで受けている。このため、集光レンズの各レンズから出射された光が拡散板へ入射される際に、集光レンズ内の隣接するレンズから出射される光が照射される領域の境界近傍で輝度ムラが生じ得るという問題がある。また、１つの光源が表示素子の一部分を照明するような構成となっており、運転者の眼の位置に因らず、全ての光源素子の光がアイボックス全域に届く。換言すると、アイボックス上の運転者の眼の位置以外にも光源の光が入射しており、無駄となる光が多く存在した。

（実施の形態１）
以下、添付の図面を用いて実施の形態１を説明する。

［１−１．構成］
［１−１−１．全体構成］
図１は、実施の形態１における、車両に搭載されたヘッドアップディスプレイの構成を示した図である。ヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２３０を備える車両２００（移動体の一例）に搭載されている。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示ユニット１２０と、反射光学ユニット１３０と、筐体１４０と、視点検出部８００とから構成される。表示ユニット１２０は、照明装置１１０と、液晶パネル１１５と、制御部７００とを含む。

ヘッドアップディスプレイ１００は、観察者３００に虚像４００を視認させるための画像をウインドシールド２３０に投影する装置である。

照明装置１１０は表示素子である液晶パネル１１５を照明する。液晶パネル１１５は例えばスピードメータまたはスピードを示す数値を示す画像を表示する。液晶パネル１１５は空間光変調素子として機能し、照明装置１１０からの光を、表示した画像で変調する。変調された光は、透過光として液晶パネル１１５から出射される。透過光は、反射光学ユニット１３０、ウインドシールド２３０を介して、観察者３００のアイボックス６００内に導かれ、観察者３００に虚像４００として視認される。例えば、観察者３００は、スピードメータ等の画像を虚像４００として視認することができる。ここで、アイボックスとは、観察者３００が虚像４００を欠けることなく視認できる領域のことである。

反射光学ユニット１３０（光学素子の一例）は、第１ミラー１３１および第２ミラー１３２を備える。第１ミラー１３１は、液晶パネル１１５から出射された光を第２ミラー１３２に向けて反射する。第２ミラー１３２は、第１ミラー１３１からの光をウインドシールド２３０に向けて反射する。第２ミラー１３２の反射面は、凹面形状を有している。反射光学ユニット１３０は、必ずしもミラー２枚で構成される必要はなく、１枚のミラーまたは３枚以上のミラーで構成されても良い。また、反射光学ユニット１３０の光路上に、レンズなどの屈折光学系をさらに配置しても良い。

ヘッドアップディスプレイ１００の筐体１４０は、表示ユニット１２０と反射光学ユニット１３０を収納し、反射光学ユニット１３０からの光が出射する開口１４１を有している。開口１４１には、透明のカバーを設けてもよい。

制御部７００は、照明装置１１０や液晶パネル１１５を制御するプロセッサである。また、視点検出部８００からの情報を基に、ヘッドアップディスプレイ１００を制御する。

視点検出部８００は、車両２００の内部に設けられており、観察者３００の左右の眼の位置を検出する装置である。視点検出部８００は、例えばカメラ等の撮像装置や赤外線を用いたセンサなどである。

［１−１−２．表示ユニットの構成］
図２は、表示ユニット１２０の詳細な構成を示す図である。表示ユニット１２０は、照明装置１１０と、液晶パネル１１５と、制御部７００とを含む。液晶パネル１１５は光を入射する入射面１１５ａと、光を出射する出射面１１５ｂとを有する。入射面１１５ａと出射面１１５ｂは同じ形状を有し、長方形形状を有する。

なお、以下の説明において、図面中に３次元直交座標系を設定している。すなわち、液晶パネル１１５における入射面１１５ａ及び出射面１１５ｂの長手方向に平行な方向にＸ軸を設定し、入射面１１５ａ及び出射面１１５ｂの幅方向に平行な方向にＹ軸を設定し、入射面１１５ａ及び出射面１１５ｂの法線方向にＺ軸を設定している。

図２に示すように、照明装置１１０は、複数の光源素子１１１と、光源素子１１１の出射方向に配置された第１レンズ１１２と、第１レンズ１１２の出射方向に配置された第２レンズ１１３と、第２レンズ１１３の出射方向に配置された拡散板１１４（拡散部材の一例）とによって構成される。

光源素子１１１は、例えばチップ型発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、液晶パネル１１５に照明光を供給する発光体である。複数の光源素子１１１は長手方向（図３のＸ方向）において一列に配置されている。

第１レンズ１１２は、各光源素子１１１の出射光が漏れない程度に光源素子１１１に近接させて配置されている。第１レンズ１１２は、各光源素子１１１の出射光を入射面１１２ａから取り込む。また、第１レンズ１１２は、Ｙ方向において、発散する光源素子１１１の光を略平行光に偏向して出射する機能を有している。また、第１レンズ１１２は、複数の光源素子１１１に対して１つだけ配置される。

第１レンズ１１２の入射面１１２ａまたは出射面１１２ｂの少なくともいずれかは、第１レンズ１１２が正の屈折力を有するように凸形状を有している。なお、第１レンズ１１２の入射面１１２ａおよび出射面１１２ｂの凸形状は光軸に対して回転対称である必要はなく、Ｘ方向とＹ方向で曲率の異なるトロイダル形状であってもよい。本実施の形態では、第１レンズ１１２は、出射面１１２ｂのみ凸形状を有している平凸レンズである。

第１レンズ１１２の出射面１１２ｂは、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで曲率が異なる、非球面形状を有する凸面である。出射面１１２ｂのＸ軸方向の形状は、各光源素子１１１からの出射光の拡散板１１４上での照度分布が均一となるように、中心から端にかけて曲率が小さくなるよう（すなわち曲率半径が大きくなるよう）な形状を有する。また、出射面１１２ｂのＹ軸方向の形状は、拡散板１１４上で照度分布が均一となるように、中央部に比べて端部の曲率が小さくなるような形状を有する。

第２レンズ１１３は、第１レンズ１１２の出射光を所望の方向に偏向する機能を有している。本実施の形態では、第２レンズ１１３の入射面１１３ａはＸ軸方向のみ凸形状を有している。また、第２レンズ１１３の出射面１１３ｂの形状は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで曲率の異なる凸面形状を有する。なお、第２レンズ１１３の入射面１１３ａは、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで曲率の異なる凸面形状を有してもよい。また、第２レンズ１１３の出射面１１３ｂは、Ｘ軸およびＹ軸方向のどちらか一方にのみ凸形状を有する形状を有してもよい。第２レンズ１１３の屈折力は、表示ユニット１２０の端部における出射光の出射角（または拡散板１１４への入射光の入射角）に応じて設定される。なお、第２レンズ１１３は必ずしも必要ではない。第２レンズ１１３を用いずに、第１レンズ１１２と拡散板１１４までの距離を長くすることにより、第１レンズ１１２のみで表示ユニット１２０の端部における所望の出射角を実現することも可能である。

第１レンズ１１２および第２レンズ１１３は、所定の屈折率を有する透明材料で構成される。透明材料の屈折率は、例えば１．４から１．６程度である。このような透明材料としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネイト等の樹脂を用いることができる。本実施の形態では、耐熱性を考慮してポリカーボネイトを用いている。

拡散板１１４は、第１レンズ１１２および第２レンズ１１３で偏向した光を拡散させて液晶パネル１１５に出射する。これにより、アイボックス６００で視認される複数の光源素子１１１により生成される映像光における輝度ムラを低減できる。拡散板１１４は、光を拡散させる機能がある光学部材であれば良く、例えばその表面がビーズ部材や微細な凹凸構造、粗面で構成される。また、ドットシートや透過性の乳白色のシートでも良い。

制御部７００は、視点検出部８００や液晶パネル１１５の情報に基づき、複数の光源素子１１１の点灯を制御する。制御部７００は、例えばマイコンによって実現できる。

［１−１−３．ヘッドアップディスプレイにおける光路］
以下、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ１００における光源素子１１１から出射された光の光路について説明する。

図３Ａおよび図３Ｂは、ヘッドアップディスプレイ１００における液晶パネル１１５からアイボックス６００までの光路を示した図である。観察者３００は液晶パネル１１５の透過光を、虚像光学系５００を介して視認する。虚像光学系５００は、図１で示す反射光学ユニット１３０とウインドシールド２３０を合わせたものである。図３Ａは液晶パネル１１５の長辺側から見たときの光路を示し、図３Ｂは液晶パネル１１５の短辺側から見たときの光路を示している。

液晶パネル１１５の入射面１１５ａが照明装置１１０の出射面に対して平行となるように液晶パネル１１５が配置される場合、液晶パネル１１５からアイボックス６００の中央に向かう出射光は、液晶パネル１１５の中央部と端部とで異なる出射角で出射される。具体的には、液晶パネル１１５の中央部での出射角α１は、液晶パネル１１５の端部での出射角α２よりも大きい。すなわち、液晶パネル１１５の中央部の出射光は、液晶パネル１１５の出射面１１５ｂの法線方向に出射され、他方、端部の出射光は、液晶パネル１１５の出射面１１５ｂの外側に向かって出射される。液晶パネル１１５が照明装置１１０に対して平行に配置されない場合はこの限りではなく、中央部の出射光は、液晶パネル１１５の出射面１１５ｂの法線方向に対して傾きを持つ。また、アイボックス６００は、一般的にＸ方向の長さがＹ方向の長さよりも大きいため、Ｘ軸方向の配光角β１（図３Ａ参照）の方がＹ軸方向の配光角β２（図３Ｂ参照）よりも大きくなる。

図４Ａは、Ｙ軸方向から見た、光源素子１１１からアイボックス６００までの光路を示す図である。第１レンズ１１２は、複数の光源素子１１１からの出射光のそれぞれが拡散板１１４の位置で重畳するように、各光源素子１１１からの出射光を偏向する。

すなわち、第１レンズ１１２は、Ｙ軸方向から見たとき、複数の光源素子１１１のそれぞれが液晶パネル１１５の全面を照明するように、その屈折力が設定されている。例えば、図４Ｂに示すように、光源素子１１１ａからの出射光と、光源素子１１１ｃからの出射光とは、双方とも、液晶パネル１１５全体の領域を照明する。他の光源素子１１１ｂ、１１１ｄも同様である。

このように、複数の光源素子１１１それぞれからの光線が液晶パネル１１５全体（同じ領域）を重畳して照射する。よって、アイボックス６００内で視認できる虚像４００の輝度が均一になる。

第１レンズ１１２は、各光源素子１１１ａ〜１１１ｄからの出射光が液晶パネル１１５の同じ領域を重畳して照射されるようにするために、その焦点距離が設定される。具体的には、第１レンズ１１２の焦点距離が、第１レンズ１１２の光学中心から液晶パネル１１５までの距離と同じ値になるように、第１レンズ１１２は設計される。

なお、複数の光源素子１１１のそれぞれから出射された出射光が液晶パネル１１５のほぼ同じ領域を重畳して照射することができるのであれば、第１レンズ１１２の焦点距離を、第１レンズ１１２の光学中心から液晶パネル１１５までの距離よりも大きい値に設定してもよい。

第２レンズ１１３は、第１レンズ１１２からの出射光の液晶パネル１１５への入射角を調整するために使用されている。すなわち、第２レンズ１１３は、第１レンズ１１２からの出射光を、所定の角度に傾けた方向に偏向する。この所定の角度は、図３Ａ、図３Ｂで示すような液晶パネル１１５の中央部と端部における出射角が得られるような角度である。すなわち、虚像光学系５００に応じた出射角となるように、第２レンズ１１３の屈折力が設定される。前述のように、第２レンズ１１３は必須のものではない。

拡散板１１４は、拡散板１１４に入射する光線の指向性を弱める。拡散板１１４がない場合、液晶パネル１１５から出射される出射光は、複数の光源１１１のそれぞれに対応した方向に、光強度のピークを有する配光特性をもつ。拡散板１１４があることにより、液晶パネル１１５に入射する光線が拡散され、液晶パネル１１５を透過して出射光の配光特性が平滑化される。複数の光源素子１１１から出射される光線は、それぞれの光源素子１１１の配置位置に応じて異なる角度で拡散板１１４に入射する。拡散板１１４のＸ軸方向の配光角は、Ｘ軸方向に並んだ複数の光源１１１からの入射光を合成したものに対する出射光の配光角であるため、拡散板１１４そのものの拡散特性より大きくなる。そのため、Ｙ軸方向に比べて、Ｘ軸方向では拡散板１１４の拡散特性より大きな配光角を持たせることができる。なお、液晶パネル１１５の出射光の配光角は、複数の光源素子１１１の配置を変えることにより制御できる。光源素子１１１の間隔を広げることにより、拡散板１１４への入射角の差が大きくなり、光強度のピークが現れる間隔が広がる。従って、同数の光源素子１１１を用いる場合、光源素子１１１の間隔を広げることで、液晶パネル１１５の配光角を大きくすることができる。ただし、光源素子１１１の出射光が第１レンズ１１２に入らず漏れることがない程度に、広げる必要がある。

図４Ｃは、Ｘ軸方向から見た、光源素子１１１からアイボックス６００までの光路を示す図である。光源素子１１１の出射光は、第１レンズ１１２に入射し、第２レンズ１１３で外向きの光線となる程度に偏向する。本実施の形態では、虚像４００は長辺（液晶パネル１１５の長手方向に延びる辺）と短辺（液晶パネル１１５の幅方向に延びる辺）を有しており、照明装置１１０の短辺方向を示すＹ軸方向では、Ｘ軸方向に比べて液晶パネル１１５の出射光の配光角を狭くなるように第１レンズ１１２及び第２レンズ１１３の屈折力を設定している。

拡散板１１４は、それに入射した光を所定の配光特性（拡散角）にしたがい拡散して出射する機能を有する。その配光特性は、拡散板１１４から出射し虚像光学系５００を通過した光が最終的にアイボックス６００の幅に対応する広がりを有するように設定される。なお、拡散板１１４において、アイボックス６００のＹ軸方向の幅に対応する広がりを実現するような配光特性を設定した場合、Ｘ軸方向の角度特性の平滑化が完全には達成されない場合がある。この場合、拡散板１１４の材料として、Ｘ軸方向とＹ軸方向とでその拡散性（拡散角）が異なる異方性のある材料を用いてもよい。または、複数の光源素子１１１の間隔を調整して配置してもよい。

図５Ａは、本実施の形態における液晶パネル１１５の長手方向であるＸ軸方向中央部の出射光の配光特性を示すグラフである。図５Ｂは、本実施の形態における液晶パネル１１５の長手方向であるＸ軸方向端部の出射光の配光特性を示すグラフである。図５Ｃは、本実施の形態における液晶パネル１１５の幅方向であるＹ軸方向中央部の出射光の配光特性を示すグラフである。図５Ａから図５Ｃのグラフの縦軸は、液晶パネル１１５の光の強度を示し、単位はカンデラであり、横軸は、液晶パネル１１５の光の配光角度を示し、単位は度である。

図５Ａと図５Ｂを参照すると、液晶パネル１１５の中央部においては液晶パネル１１５の出射面１１５ｂの法線方向において出射光の強度のピークを有するのに対して、液晶パネル１１５の端部においては、出射光の強度は、法線方向を基準として液晶パネル１１５の外側に傾く方向にピークを有することが分かる。また、図５Ａと図５Ｃに示すとおり、本実施の形態の液晶パネル１１５では、Ｘ軸方向の配光角のほうが、Ｙ軸方向の配光角より大きくなっている。これにより、液晶パネル１１５の面積よりも大きな虚像４００を表示するヘッドアップディスプレイ１００において、アイボックス６００内で輝度分布の均一な虚像を視認させることができる。

［１−２．光源素子の制御］
図６Ａ、図６Ｂは、本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１００の光源素子１１１の制御方法を模式的に表した図である。本実施の形態では、視点検出部８００で得られた観察者３００の視点位置の情報に応じて、制御部７００により光源素子１１１の点灯状態を制御する。

光源素子１１１ａ〜１１１ｄから出射される出射光は、それぞれアイボックス６００を複数に分割した、アイボックス部分領域６００ａ〜６００ｄの対応する位置に入射する。すなわち、光源素子１１１の中でも端部に位置する光源素子１１１ａの光は、主にアイボックス６００の端部のアイボックス部分領域６００ａに入射する。また、光源素子１１１のうち１１１ａと反対の端部に位置する１１１ｄの光は、主にアイボックス６００のアイボックス部分領域６００ａとは反対の端部に位置する６００ｄに入射する。なお、光源素子１１１ａ〜１１１ｄの出射光が入射する位置は、それぞれの配置位置によって決まり、アイボックス６００の部分領域の数は、光源素子１１１の数と同数とすることができる。

視点検出部８００は、観察者３００の左右の眼がアイボックス部分領域６００ａ〜６００ｄのどの領域に位置しているかを検出する。制御部７００は、視点検出部８００によって検出された観察者３００の眼の位置に応じて各光源素子１１１ａ〜１１１ｄの光の強度を制御する。そのため、制御部７００は、あらかじめ、視点検出部８００が検出する観察者３００の眼の位置に応じた点灯させる光源素子１１１を決定するテーブルを有している。本実施の形態では、図６Ａに示すように、アイボックス部分領域６００ａの中心に観察者３００の左眼３００ａ、アイボックス部分領域６００ｃの中心に観察者３００の右眼３００ｂがある場合、左眼３００ａ用に光源素子１１１ａを、右眼３００ｂ用に光源素子１１１ｃを、点灯させ、光源素子１１１ｂと１１１ｄを消灯させる。

図６Ａの状態から図６Ａの紙面の左方向（Ｘ座標の負の方向）に観察者３００の眼の位置が移動した場合を説明する。例えば、アイボックス部分領域６００ａと６００ｂの境界に観察者３００の左眼３００ａ、アイボックス部分領域６００ｃと６００ｄの境界に観察者３００の右眼３００ｂが位置した場合、観察者３００の眼の位置がアイボックス部分領域の中心に位置するときよりも低い光の強度で、左眼３００ａ用に光源素子１１１ａと１１１ｂを、右眼３００ｂ用に光源素子１１１ｃと１１１ｄを、それぞれ点灯させる。

さらに、上記の状態から紙面の左方向（Ｘ座標の負の方向）に移動した場合について説明する。図６Ｂは、アイボックス部分領域６００ｂの中心に観察者の左眼３００ａ、アイボックス部分領域６００ｄの中心に観察者の右眼３００ｂが位置するように移動した場合を示している。このとき、左眼３００ａ用に光源素子１１１ｂを、右眼３００ｂ用に光源素子１１１ｄを点灯させ、光源素子１１１ａと１１１ｃを消灯させる。

本実施の形態では、光源素子１１１の点灯状態を制御することで、アイボックス６００の照明領域を変更しているが、これは各光源素子１１１ａ〜１１１ｄがそれぞれ液晶パネル１１５の全域を照明しつつ、複数の光源素子１１１ａ〜１１１ｄがそれぞれ入射するアイボックス６００の位置が異なるように、第１レンズ１１２と第２レンズ１１３を構成しているためである。

［１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、ヘッドアップディスプレイ１００は、観察者３００のアイボックス６００に画像を投射するものである。ヘッドアップディスプレイ１００は、複数の光源素子１１１と、液晶パネル１１５（透過型表示素子の一例）と、第１レンズ１１２（光学部材の一例）と、視点検出部８００と、制御部７００と、を備える。複数の光源素子１１１は、アレイ状配置され、光を出射する。液晶パネル１１５は、画像を表示する。第１レンズ１１２は、複数の光源素子１１１から出射された光を液晶パネル１１５の入射面１１５ａにおける同一の領域に照明するように偏向する。視点検出部８００は、観察者３００の眼の位置（視点位置の一例）を検出する。制御部７００は、視点検出部８００の検出した観察者３００の眼の位置に応じて、複数の光源素子１１１を制御する。

このようにすることで、アイボックス部分領域６００ａと６００ｃのみが照明装置１１０によって選択的に照明され、観察者３００は虚像４００を視認することが可能となる。一方、観察者の眼が位置しないアイボックス部分領域６００ｂと６００ｄはほぼ照明されることがないため省電力化が図れる。

また、アイボックス部分領域の境界に眼が位置する場合であっても、観察者３００は虚像４００を輝度変化なく視認することができる。

（実施の形態２）
［２−１．構成］
本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１００は、光源素子１１１が９個の光源素子１１１ａ〜１１１ｉによって構成されている点において、実施の形態１と異なり、それ以外の構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

図７Ａ、図７Ｂは、各アイボックス部分領域６００ａ〜６００ｉにおける光の強度分布を示す図である。各光源素子１１１ａ〜１１１ｉが入射する光の強度は、それぞれアイボックス６００のアイボックス部分領域６００ａ〜６００ｉの対応する領域において最大となる。本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１００の各光源素子１１１ａ〜１１１ｉは、それぞれ密に配置されているため、各光源素子１１１ａ〜１１１ｉの出射光は、対応するアイボックス部分領域だけでなく、その隣接するアイボックス部分領域にも入射する。

図７Ａは、アイボックス部分領域６００ｃに観察者３００の左眼３００ａ、アイボックス部分領域６００ｇに観察者３００の右眼３００ｂがあるときの、アイボックス６００における光の強度の分布を示す図である。このとき、左眼３００ａ用には、光源素子１１１ｂと光源素子１１１ｃと光源素子１１１ｄとを点灯させる。また、右眼３００ｂ用には、光源素子１１１ｆ光源素子１１１ｇと光源素子１１１ｈとを点灯させる。このとき、光源素子１１１ａ、１１１ｅ、１１１ｉの出射光は、観察者３００の視点位置に入射していないため消灯する。

図７Ｂは、図７Ａの状態から、観察者３００が紙面左側へ移動したときのアイボックス６００における光の強度の分布を示す図である。具体的には、観察者３００の左眼３００ａがアイボックス部分領域６００ｃから６００ｄへ、観察者３００の右眼３００ｂがアイボックス部分領域６００ｇから６００ｈへ移動した場合について説明する。この場合、観察者３００の左眼３００ａがアイボックス部分領域６００ｄに入った時点で、左眼３００ａ用として、光源素子１１１ｃ、１１１ｄに加えて、光源素子１１１ｅを点灯させる。光源素子１１１ｂの出射光、は左眼３００ａに入射していないため消灯させることができる。また、右眼３００ｂ用に点灯させる光源についても同様に、光源素子１１１ｇ、１１１ｈに加えて、光源素子１１１ｉを点灯させる。さらに、出射光が右眼３００ｂに入射していない光源素子１１１ｆを消灯する。すなわち、光源素子１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｆを消灯することができる。消灯と点灯の切り替えは、消灯する光源素子と点灯する光源素子が同時に制御されれば、観察者３００の視点位置を照明する光源素子の数が変わらないため、観察者３００の視認する虚像４００の輝度には影響がない。

［２−２．効果］
上記した構成によれば、観察者３００の眼が位置するアイボックス部分領域のみが照明装置１１０によって選択的に照明され、観察者３００は虚像４００を視認することが可能となる。一方、観察者３００の眼が位置しないアイボックス部分領域は照明する光源素子１１１を消灯させるため、省電力化が図れる。

図７Ａ及び図７Ｂにおいて、点灯している光源素子１１１ごとの光強度の分布を実線で示している。さらに、アイボックス６００に入射している光強度の分布は、斜線部で示されている。すなわち、斜線部は、実線で示された光強度の分布を合成したものである。図７Ａ及び図７Ｂにおいて、観察者３００の眼の位置と、斜線部の強度分布とから分かるように、観察者３００の眼の周辺において光強度が大きく変化することを抑えられる。これにより、観察者３００の眼の移動に対して、光源素子１１１の制御が完全に追従できていない場合に、観察者３００から見た虚像４００の輝度の変化を抑えることができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１および２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

上記の実施の形態では、空間光変調素子として液晶パネル１１５を用いたが、透過型の表示装置であれば他の表示素子を用いることもできる。

また、液晶パネル１１５は光源素子１１１の主光線に対して直交するように配置した例を示したが、直交でなく、傾いて配置することもできる。

第１レンズ１１２、第２レンズ１１３の出射面および入射面には、フレネルレンズを用いることも可能である。これにより、レンズの薄型化が達成できる。

また、複数の光源素子１１１それぞれからの出射光が液晶パネル１１５のほぼ同じ領域を重畳して照射することができるのであれば、第１レンズ１１２の焦点距離を、第１レンズ１１２の光学中心から第２レンズ１１３の出射面１１３ｂまでの距離以上の値に設定してもよい。これによっても、輝度ムラが低減した虚像の生成が可能になる。

上記の実施の形態では、複数の光源素子１１１に対して一つの第１レンズ１１２を配置したが、複数の光源素子１１１に対して複数の第１レンズを配置してもよい。

第１レンズ１１２は、凸レンズを用いたが、ＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）レンズを用いることもできる。これにより、光源素子１１１からの光を効率良く第２レンズ１１３に出射することができ、光利用効率が向上する。

上記の実施形態では、照明装置１１０において、Ｙ軸方向（液晶パネル１１５の幅方向）には光源素子１１１は一列しか配置されていないが、Ｙ軸方向において、光源素子１１１を複数列配置してもよい。

上記の実施形態では、拡散板１１４を第２レンズ１１３と液晶パネル１１５の間に配置したが、拡散板１１４は第１レンズ１１２と第２レンズ１１３の間に配置してもよい。効率の点では劣るが、この位置であっても輝度ムラを低減することはできる。

ヘッドアップディスプレイ１００の出射光を反射させる部材として、ウインドシールド２３０を例示したが、これに限られず、コンバイナを用いることもできる。

光源として、ＬＥＤを例示したが、レーザーダイオードや有機発光ダイオードなどを用いることもできる。

実施の形態１〜２では光源の制御方法として、両眼で観察するヘッドアップディスプレイについて説明したが、単眼で観察するヘッドアップディスプレイにおいても上記と同じように制御することで実現できる。従来の単眼ヘッドアップディスプレイ装置では、観察者の眼の位置によっては両眼に光が照射されて、両眼で虚像を視認してしまう場合があるが、本実施の形態のように制御することで、単眼のみに照射することが容易となる。

視点検出部８００は眼の位置を検出するために、直接的に眼の位置を検出するだけでなく、眉間や鼻、顔の輪郭から推定しても良い。

実施の形態１〜２では、観察者の眼の位置に応じて点灯と消灯による制御によって省電力化を図ったが、光源素子１１１を観察者３００の眼の位置に応じて移動させてもよい。

実施の形態２では、観察者３００の眼に届かない光源素子を消灯させると例示したが、光源素子１１１の光の強度を抑えて点灯させてもよい。これにより、アイボックス部分領域の境界位置に眼が位置する場合に、輝度ムラを低減することができる。

液晶パネル１１５の表示画像を時分割して左右の眼に異なる画像を提示して立体視させることも可能である。この場合、右眼用画像を表示する時には、右眼が位置するアイボックス部分領域のみを照明するように光源素子の点灯と消灯を制御し、反対に左眼用画像を表示する時には、左眼が位置するアイボックス部分領域のみを照明するように光源素子の点灯と消灯を制御することで、裸眼立体表示が可能となる。

本実施の形態のヘッドアップディスプレイ１００が搭載される移動体は、自動車の車両に限られず、鉄道車両、バイク、航空機、ヘリコプター、船舶、及びその他の人を搬送する各種の装置を含む。

本開示は、虚像を視認させる投映装置に適用可能である。具体的には、ヘッドアップディスプレイ、などに、本開示は適用可能である。

１００ ヘッドアップディスプレイ
１１０ 照明装置
１１１ 光源素子
１１２ 第１レンズ
１１２ａ （第１レンズの）入射面
１１２ｂ （第１レンズの）出射面
１１３ 第２レンズ
１１３ａ （第２レンズの）入射面
１１３ｂ （第２レンズの）出射面
１１４ 拡散板（拡散部材）
１１５ 液晶パネル
１１５ａ （液晶パネルの）入射面
１１５ｂ （液晶パネルの）出射面
１２０ 表示ユニット
１３０ 反射光学ユニット
１３１ 第１ミラー
１３２ 第２ミラー
１４０ 筐体
１４１ 開口
２００ 車両
２３０ ウインドシールド
３００ 観察者
３００ａ 左眼
３００ｂ 右眼
４００ 虚像
５００ 虚像光学系
６００ アイボックス
７００ 制御部

本開示の第一の態様におけるヘッドアップディスプレイは、観察者のアイボックスに画像を投射するものである。ヘッドアップディスプレイは、複数の光源素子と、透過型表示素子と、光学部材と、視点検出部と、制御部と、を備える。複数の光源素子は、アレイ状に配置され、光を出射する。透過型表示素子は、画像を表示する。光学部材は、複数の光源素子から出射された光を透過型表示素子の入射面における同一の領域に照明するように偏向する。視点検出部は、観察者の視点位置を検出する。制御部は、視点検出部の検出した視点位置に応じて、光源素子の光の強度を制御する。

拡散板１１４は、拡散板１１４に入射する光線の指向性を弱める。拡散板１１４がない場合、液晶パネル１１５から出射される出射光は、複数の光源素子１１１のそれぞれに対応した方向に、光強度のピークを有する配光特性をもつ。拡散板１１４があることにより、液晶パネル１１５に入射する光線が拡散され、液晶パネル１１５を透過して出射光の配光特性が平滑化される。複数の光源素子１１１から出射される光線は、それぞれの光源素子１１１の配置位置に応じて異なる角度で拡散板１１４に入射する。拡散板１１４のＸ軸方向の配光角は、Ｘ軸方向に並んだ複数の光源素子１１１からの入射光を合成したものに対する出射光の配光角であるため、拡散板１１４そのものの拡散特性より大きくなる。そのため、Ｙ軸方向に比べて、Ｘ軸方向では拡散板１１４の拡散特性より大きな配光角を持たせることができる。なお、液晶パネル１１５の出射光の配光角は、複数の光源素子１１１の配置を変えることにより制御できる。光源素子１１１の間隔を広げることにより、拡散板１１４への入射角の差が大きくなり、光強度のピークが現れる間隔が広がる。従って、同数の光源素子１１１を用いる場合、光源素子１１１の間隔を広げることで、液晶パネル１１５の配光角を大きくすることができる。ただし、光源素子１１１の出射光が第１レンズ１１２に入らず漏れることがない程度に、広げる必要がある。

Claims (8)

1. 観察者のアイボックスに画像を投射するヘッドアップディスプレイであって、
   アレイ状に配置され、光を出射する複数の光源素子と、
   画像を表示する透過型表示素子と、
   前記複数の光源素子から出射された光を前記透過型表示素子の入射面における同一の領域に照明するように偏向する光学部材と、
   観察者の視点位置を検出する視点検出部と、
   前記視点検出部の検出した視点位置に応じて、前記光源素子の光の強度を制御する制御部と、を備える、
   ヘッドアップディスプレイ。
2. 前記光学部材の焦点距離は、前記光学部材の光学中心から前記透過型表示素子までの距離以上の値に設定される、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
3. 前記光学部材は、レンズ素子で構成される、
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 前記光学部材は、第１レンズ素子と、前記第１レンズ素子の出射面側に配置される第２レンズとを備える、
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 前記複数の光源素子の出射光の少なくとも一部は、それぞれ前記アイボックスにおける異なる領域に入射し、
   前記制御部は、前記複数の光源素子のうち、前記アイボックスにおける前記観察者の視点位置のない領域に投射する前記光源素子を消灯する、
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
6. 前記制御部は、前記観察者の視点位置が前記アイボックスにおける複数の領域の境界に位置した時に、前記観察者の視点位置が前記アイボックスにおける複数の領域の境界に位置しない時に比べて、前記光源素子の出射光の強度を低くする、
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
7. ウインドシールドを有する移動体に搭載される、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
8. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイを搭載した移動体。

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