JPWO2017145547A1 - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

外的要因により光の投写範囲が変わってしまう場合においても光が遮られるのを防止することのできる投写型表示装置を提供する。ＨＵＤ１００は、光源ユニット４０、光源ユニット４０から出射される光を画像情報に基づいて空間変調する光変調素子４４、及び、空間変調された画像光を自動車１のダッシュボード３に設けられた開口部３０を通してウインドシールド２に投写する拡散部材５及び凹面鏡６を含み、ダッシュボード３の内部において回転可能に支持される筐体７と、筐体７を回転駆動するアクチュエータ１０と、開口部３０の開口面３０Ａの周縁と筐体７における画像光の出射面８Ａの周縁とを連結する筒状の伸縮部材９と、を備える。

Description

本発明は、投写型表示装置に関する。

自動車、電車、船舶、重機、航空機、又は、農作用機械等の乗り物内において、ウインドシールド、又は、ウインドシールドの付近に配置されるコンバイナをスクリーンとして用い、これに光を投写して画像を表示させる乗り物用のＨＵＤ（Ｈｅａｄ−ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）が知られている。このＨＵＤによれば、ＨＵＤから投写された光に基づく画像を、スクリーン上で実像として、又は、スクリーン前方において虚像として、運転者に視認させることができる。

ＨＵＤには、光の投写範囲が固定されるだけではなく、例えば上下方向に移動できるものがある（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。

特許文献１には、自動車のダッシュボードに内蔵されたＨＵＤが開示されている。このＨＵＤは、ダッシュボードの開口部に固定された取付用枠と、表示デバイス及び投写光学系を内蔵するケースと、取付用枠とケースを連結する伸縮性の連結部材と、を備える。

このＨＵＤは、ダッシュボード内においてケースが回転可能に支持されており、ケースの回転によって、光の投写範囲を変えることができる。このＨＵＤによれば、ケースが回転する場合でも、上記の連結部材によってケースと取付用枠の間に隙間が生じないため、ケース内部への埃等の侵入を防ぐことができる。なお、特許文献１には、取付用枠の内側にケースが配置され、取付用枠とケースとの間を埋める形で連結部材が設けられる構成についても開示されている。

特許文献２には、自動車のダッシュボードに内蔵されたＨＵＤが開示されている。このＨＵＤは、表示デバイスからの光をウインドシールドに反射させるための凹面鏡が回転可能とされ、凹面鏡の回転によって光の投写範囲を変えている。また、このＨＵＤは、凹面鏡を支持する金属部材が蛇腹状になっており、この蛇腹部分によってＨＵＤに加わる衝撃を吸収することできる。

特開２００４−１３０８９２号公報 特開２０１５−０５１６５８号公報

特許文献１に記載のＨＵＤは、取付用枠とケースの間に伸縮性の連結部材がある構成である。このため、ダッシュボードの開口部側から取付用枠、連結部材、ケースがこの順番で並ぶ構成では、外部から振動が加わる等した場合に、取付用枠の厚みの影響によりケースから投写される光の一部が取付用枠によって遮られる可能性が高い。このようなケラレを回避するためにケースの回転範囲に制限が必要となったり、ダッシュボードの設計に工夫が必要となったりして、コストアップに繋がる。また、ダッシュボード内の空間に制約がある場合には、このケラレを回避するために光の投写範囲を狭くする等の対応が必要となり、表示性能が低下する。

また、取付用枠内にケースが設けられ、取付用枠とケースの隙間に連結部材が設けられる構成は、同様に、ダッシュボードの開口部に取付用枠が固定されてしまうため、外部から振動が加わる等の外的要因によって、ケースから投写される光の一部がこの取付用枠によって遮られる可能性が高い。また、この構成では、ケースがダッシュボードの開口部近くに配置されることになり、外光がケースに入射しやすくなったり、ケースが運転者から見えやすくなることで美観が損なわれたりする。

特許文献２に記載のＨＵＤは、投写範囲を変更できるものである。しかし、外的要因による投写範囲の変更によって光の一部が遮られることについての課題の認識はされていない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、外的要因により光の投写範囲が変わってしまう場合においても光が遮られることを防止することのできる投写型表示装置を提供することを目的とする。

本発明の投写型表示装置は、光源、上記光源から出射される光を画像情報に基づいて空間変調する空間変調部、及び、上記空間変調された画像光を、乗り物の内装部品を内蔵する部材に設けられた開口部を通して上記乗り物における投写面に投写する投写部を含み、上記部材の内部において回転可能に支持される筐体と、上記筐体を回転駆動する回転駆動部と、上記開口部の開口面の周縁と上記筐体における上記画像光の出射面の周縁とを連結する筒状の伸縮部材と、を備えるものである。

本発明によれば、外的要因により光の投写範囲が変わってしまう場合においても光が遮られるのを防止することのできる投写型表示装置を提供することができる。

本発明の投写型表示装置の一実施形態であるＨＵＤ１００の概略構成を示す図である。 図１に示すＨＵＤ１００の拡大図である。 図１に示すＨＵＤ１００の外観を模式的に示す外観斜視図である。 図１に示すＨＵＤ１００の筐体７が図２の状態から反時計回りに回転した状態を示す図である。 図１に示すＨＵＤ１００の筐体７が図２の状態から時計回りに回転した状態を示す図である。 図１に示すＨＵＤ１００の制御ユニット４の内部構成例を示す模式図である。 図１に示すＨＵＤ１００の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の投写型表示装置の一実施形態であるＨＵＤ１００の概略構成を示す図である。図２は、図１に示すＨＵＤ１００の拡大図である。図３は、図１に示すＨＵＤ１００の外観を模式的に示す外観斜視図である。

ＨＵＤ１００は、自動車１に搭載され、自動車１のウインドシールド２の一部の範囲を投写面とし、投写面に投写される画像光により、自動車１の運転者によって虚像又は実像を視認可能にするものである。図１のＨＵＤ１００は、自動車以外に、電車、重機、建機、航空機、船舶、又は、農作機械等の乗り物に搭載して用いることができる。

ＨＵＤ１００は、ダッシュボード３に内蔵されている。ダッシュボード３は、自動車１のスピードメータ、タコメータ、燃料計、水温計、又は、距離計等の走行に必要な情報を通知するための計器類等を含む内装部品を内蔵する部材である。

ダッシュボード３には開口部３０が形成されている。図１の例では、開口部３０は、ダッシュボード３に形成された孔部とこの孔部に嵌め込まれた樹脂又はガラス等の透明部材とにより構成されている。なお、この透明部材は必須ではなく、開口部３０は、ダッシュボード３に開けられた孔部そのものであってもよい。

ＨＵＤ１００は、ダッシュボード３内において回転可能に支持された筐体７と、筐体７とダッシュボード３の開口部３０との間に設けられた筒状の伸縮部材９と、を備える。

筐体７は、光源及びこの光源から出射される光を画像情報に基づいて空間変調する空間変調部を含む制御ユニット４と、空間変調部により空間変調された画像光をウインドシールド２に投写する投写部を構成する拡散部材５及び凹面鏡６と、を収容する箱状の部材である。

拡散部材５は、制御ユニット４の空間変調部により空間変調された画像光を拡散させて面光源化する部材である。拡散部材５は、表面に微細構造を有するマイクロミラーアレイ、拡散ミラー、又は、反射ホログラフィクディフューザー等が用いられる。

凹面鏡６は、拡散部材５で拡散された画像光を拡大して反射する。

筐体７の上面には、凹面鏡６により反射された画像光を筐体７から出射させるための出射窓８が形成されている。

出射窓８は、図１及び図２の例では、筐体７に形成された孔部とこの孔部に嵌め込まれた樹脂又はガラス等の透明部材とにより構成されている。なお、この透明部材は必須ではなく、出射窓８は、筐体７に形成された孔部そのものであってもよい。

出射窓８における画像光の出射方向の２つの端面（出射窓８の開口面）のうち、筐体７の外側の端面８Ａ（図２及び図３参照）は画像光の出射面を構成する。端面８Ａは、ここでは図３に示すように矩形状としているが、円状等の任意の形状であればよい。端面８Ａから出射された画像光は、伸縮部材９の中空部９１を通過してダッシュボード３の開口部３０に到達し、開口部３０から出射されてウインドシールド２に投写される。

ウインドシールド２には、投写された画像光が運転者の眼Ｅの方向に反射するような加工がなされおり、この画像光はウインドシールド２で反射して運転者の眼Ｅに入射される。これにより、運転者は画像光に基づく虚像又は実像を視認可能となる。

ＨＵＤ１００は、乗り物内において、ウインドシールド２に対して画像光を投写する構成であるが、ウインドシールド２の付近に配置されるコンバイナに画像光を投写する構成であってもよい。この場合は、コンバイナが投写面を構成する。

筐体７は、端面８Ａから出射された画像光のウインドシールド２に対する投写位置を変更するために、ダッシュボード３内において回転可能に支持されている。

具体的には、図３に示すように、筐体７の側面には、端面８Ａに水平な方向Ｘに伸びる回転軸Ｊが設けられている。この回転軸Ｊは、ダッシュボード３内に固定された図示しないモータ等のアクチュエータによって支持され、かつ、回転駆動される。

回転軸Ｊが回転駆動されることにより、筐体７は回転軸Ｊの周りに回転する。これにより、ウインドシールド２において重力方向における画像光の投写位置が変更可能となる。つまり、筐体７は、重力方向における画像光の投写位置を変更可能に、ダッシュボード３の内部において回転可能に支持されている。

図２及び図３に示すように、伸縮部材９は、端面８Ａの周縁と、開口部３０の開口面のうちの筐体７側の開口面３０Ａの周縁とを連結する筒状の伸縮自在な部材である。

伸縮部材９は、筐体７側から荷重が加えられた場合にこの荷重に応じて縮み、筐体７側に向かって引っ張られた場合に、この引っ張り力に応じて伸びる。例えば、図２に示す状態から筐体７が回転軸Ｊの周りに反時計回りに最大角度回転すると、図４に示す状態となる。また、図２に示す状態から筐体７が回転軸Ｊの周りに時計回りに最大角度回転すると、図５に示す状態となる。

伸縮部材９は、ゴム膜、蛇腹、又は、スポンジ等の構造又は材料により構成される。図１及び図２は、蛇腹構造の伸縮部材９が用いられた例を示している。

筐体７は、回転軸Ｊの周りに回転可能な角度範囲が予め決められている。そして、伸縮部材９の中空部９１は、筐体７がこの角度範囲内において回転されたどの状態であっても、端面８Ａから出射された画像光が遮られることなく開口部３０から出射可能となる形状に設計される。

また、ＨＵＤ１００では、図２及び図３に示した開口面３０Ａに垂直な方向Ｙに見た平面視において、端面８Ａの面積と、開口面３０Ａの面積とが異なっている。具体的には、開口面３０Ａの面積は、端面８Ａの面積よりも大きくなっている。また、この平面視において、端面８Ａの全体が、開口面３０Ａによって覆われている。

この結果、端面８Ａの周縁上の任意の点及び開口面３０Ａの周縁上の任意の点を最短距離で結ぶ直線によって形成される面と、開口面３０Ａ及び端面８Ａとで形成される立体９２の形状は、図３に示すように、筐体７側から開口部３０側に向かって広がるテーパー形状となっている。なお、図２、図４、及び、図５に示した中空部９１内の一点鎖線は、この立体９２の側面の線を示している。伸縮部材９は、少なくとも上記の立体９２と同じ空間を中空部として有している。

なお、立体９２がテーパー形状となるのは、端面８Ａの面積と、開口面３０Ａの面積とが異なっているためである。このため、方向Ｙの平面視において、端面８Ａ全体が開口面３０Ａによって覆われていなくても、立体９２の形状をテーパー形状にすることは可能である。

図６は、図１に示すＨＵＤ１００の制御ユニット４の内部構成例を示す模式図である。

図６に示すように、ＨＵＤ１００の制御ユニット４は、光源ユニット４０と、光変調素子４４と、光変調素子４４を駆動する駆動部４５と、ＨＵＤ１００全体を統括制御するシステム制御部４７と、上記の回転軸Ｊを駆動するアクチュエータ１０と、を備える。アクチュエータ１０は回転駆動部を構成する。

光源ユニット４０は、光源制御部４６と、赤色光を出射する赤色光源であるＲ光源４１ｒと、緑色光を出射する緑色光源であるＧ光源４１ｇと、青色光を出射する青色光源であるＢ光源４１ｂと、ダイクロイックプリズム４３と、Ｒ光源４１ｒとダイクロイックプリズム４３の間に設けられたコリメータレンズ４２ｒと、Ｇ光源４１ｇとダイクロイックプリズム４３の間に設けられたコリメータレンズ４２ｇと、Ｂ光源４１ｂとダイクロイックプリズム４３の間に設けられたコリメータレンズ４２ｂと、を備えている。Ｒ光源４１ｒとＧ光源４１ｇとＢ光源４１ｂはＨＵＤ１００の光源を構成する。

ダイクロイックプリズム４３は、Ｒ光源４１ｒ、Ｇ光源４１ｇ、及びＢ光源４１ｂの各々から出射される光を同一光路に導くための光学部材である。ダイクロイックプリズム４３は、コリメータレンズ４２ｒによって平行光化された赤色光を透過させて光変調素子４４に出射する。また、ダイクロイックプリズム４３は、コリメータレンズ４２ｇによって平行光化された緑色光を反射させて光変調素子４４に出射する。さらに、ダイクロイックプリズム４３は、コリメータレンズ４２ｂによって平行光化された青色光を反射させて光変調素子４４に出射する。光を同一光路に導く機能を持つ光学部材としては、ダイクロイックプリズムに限らない。例えば、クロスダイクロイックミラーを用いてもよい。

Ｒ光源４１ｒ、Ｇ光源４１ｇ、及びＢ光源４１ｂは、それぞれ、レーザ又はＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の発光素子が用いられる。本実施形態では、Ｒ光源４１ｒとＧ光源４１ｇとＢ光源４１ｂの３つの光源を含むＨＵＤを例にするが、この光源の数は１つ、２つ、又は４つ以上であってもよい。

光源制御部４６は、Ｒ光源４１ｒ、Ｇ光源４１ｇ、及びＢ光源４１ｂの各々の発光量を予め決められた発光量パターンに設定し、この発光量パターンに従ってＲ光源４１ｒ、Ｇ光源４１ｇ、及びＢ光源４１ｂから光を順次出射させる制御を行う。

光変調素子４４は、Ｒ光源４１ｒ、Ｇ光源４１ｇ、及びＢ光源４１ｂから出射され、ダイクロイックプリズム４３から出射された光を、システム制御部４７により入力される画像情報に基づいて空間変調する空間変調部を構成する。

光変調素子４４としては、例えば、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）素子、又は、液晶表示素子等を用いることができる。

駆動部４５は、システム制御部４７から入力される画像情報にしたがって光変調素子４４を駆動し、画像情報に応じた光（赤色画像光、青色画像光、及び緑色画像光）を光変調素子４４から拡散部材５に出射させる。

システム制御部４７は、光源制御部４６及び駆動部４５を制御して、画像情報に基づいて空間変調された画像光を拡散部材５に出射させる。また、システム制御部４７は、アクチュエータ１０を制御して、筐体７を回転軸Ｊの周りに回転させる。

以上のように構成されたＨＵＤ１００では、システム制御部４７の制御によって筐体７が回転されると、この回転に伴って伸縮部材９が伸縮することによって、画像光の光路が確保される。これにより、画像光が遮られることなく開口部３０から出射され、ウインドシールド２によって反射されて、画像光に基づく虚像又は実像が運転者から視認される。

このように、ＨＵＤ１００によれば、開口部３０の開口面３０Ａの周縁と筐体７の端面８Ａの周縁とが伸縮部材９によって直接連結される構成である。この構成により、画像光が通る空間の形状を筐体７の回転に応じて変形することができる。このため、ＨＵＤ１００を構成する構成要素によって画像光が遮られるのを容易に防ぐことができ、画像光のケラレ対策に要するコストを削減することができる。また、画像光のケラレを避けるために筐体７の回転範囲を制限する必要がない。また、光学系の設計が複雑になることもない。

特許文献１に記載のＨＵＤは、画像光が通る経路に、必ず、ダッシュボードに固定された枠が存在する。このため、画像光が通る経路全体を筐体の回転に応じて変形させることはできない。これに対し、ＨＵＤ１００は、画像光が通る経路全体を筐体の回転に応じて変形させることができるため、画像光のケラレを容易に防ぐことができる。

また、ダッシュボード３内の空間に制約がある場合でも、画像光の投写範囲を狭くする等の対応が不要となり、表示性能を向上させることができる。また、ダッシュボード３と筐体７の間に伸縮部材９が介在することによって、開口部３０から筐体７が観察されにくくなり、自動車１のデザイン性を向上させることができる。

また、ＨＵＤ１００は、伸縮部材９がテーパー形状の中空部を有する構成である。この構成によれば、筐体７の回転角度範囲を大きくすることが可能となるため、表示性能を向上させることができる。また、ダッシュボード３の外から開口部３０に光が入射してきた場合に、上記のテーパー形状によって、この光が直進する可能性を減らすことができる。このため、外光による表示品位の低下を防ぐことができる。

また、ＨＵＤ１００は、方向Ｙに見た平面視において、端面８Ａ全体が開口面３０Ａによって覆われる構成である。この構成によれば、筐体７の回転角度範囲を大きくすることが可能となるため、表示性能を向上させることができる。

なお、ＨＵＤ１００の伸縮部材９の内側面（中空部と接触している面）には、光の反射を防止する反射防止部が形成されていることが好ましい。反射防止部としては、黒色インクが塗布された部材等の光を吸収する部材、又は、凹凸を有し凹凸によって光の反射を防止する部材等を用いることができる。この構成によれば、伸縮部材９の内側面において外光の反射を防止することができる。したがって、表示性能を向上させることができる。

また、ＨＵＤ１００の伸縮部材９は、筐体７側から受ける荷重に対する伸縮性よりも、開口部３０側から受ける荷重に対する伸縮性が小さいものを用いることが好ましい。伸縮性とは、部材に荷重が加えられたときに、この荷重の加わる方向にどれだけ部材が伸び縮みするかを示す特性である。部材に対して荷重が加えられたときに、この部材が荷重の加えられている方向に伸びる量及び縮む量が大きいほど、この部材の伸縮性は大きい。

自動車１のダッシュボード３は、自動車１の乗員によって物又は体の一部が置かれる等して荷重を受けやすい。上記のように、開口部３０側から受ける荷重に対する伸縮性を小さくしておくことで、このような外部からの衝撃による筐体７の位置ずれを防止することができ、表示性能を向上させることができる。

ＨＵＤ１００の筐体７は、自動車１の進行方向及び重力方向に垂直な水平方向における画像光の投写位置を変更可能に、ダッシュボード３の内部において回転可能に支持されていてもよい。この構成においても、筐体７の回転に伴って伸縮部材９が伸縮することで画像光のケラレを防止することができる。

図７は、図１に示すＨＵＤ１００の変形例を示す図であり、図２に対応する図である。図７に示すＨＵＤは、端面８Ａと開口面３０Ａの面積が同じであり、上記の立体の形状が円柱状になる構成である。この構成であっても、画像光のケラレを防止する効果を得ることができる。

以上説明してきたように、本明細書には以下の事項が開示されている。

開示された投写型表示装置は、光源、上記光源から出射される光を画像情報に基づいて空間変調する空間変調部、及び、上記空間変調された画像光を、乗り物の内装部品を内蔵する部材に設けられた開口部を通して上記乗り物における投写面に投写する投写部を含み、上記部材の内部において回転可能に支持される筐体と、上記筐体を回転駆動する回転駆動部と、上記開口部の開口面の周縁と上記筐体における上記画像光の出射面の周縁とを連結する筒状の伸縮部材と、を備えるものである。

開示された投写型表示装置は、上記開口部の開口面に垂直な方向の平面視において、上記開口部の開口面の面積と上記出射面の面積は異なっているものである。

開示された投写型表示装置は、上記開口部の開口面の面積は上記出射面の面積よりも大きいものである。

開示された投写型表示装置は、上記平面視において、上記開口部の開口面は上記出射面の全体を覆っているものである。

開示された投写型表示装置は、上記伸縮部材は、上記開口部の開口面の周縁上の任意の点と、上記出射面の周縁上の任意の点とを最短距離で結ぶ直線により形成される面と、上記開口部の開口面と、上記出射面とで形成される空間を中空部として有し、上記中空部は、上記筐体側から上記開口部側に向かって広がるテーパー形状であるものである。

開示された投写型表示装置は、上記伸縮部材は、上記筐体側から受ける荷重に対する伸縮性よりも、上記開口部側から受ける荷重に対する伸縮性が小さいものである。

開示された投写型表示装置は、上記伸縮部材の内側面には、光の反射を防止する反射防止部が形成されているものである。

本発明は、自動車に搭載することで自動車の製品価値を高めることができる。

Ｅ 運転者の眼
１００ ＨＵＤ
１ 自動車
２ ウインドシールド
３ ダッシュボード
４ 制御ユニット
５ 拡散部材
６ 凹面鏡
７ 筐体
８ 出射窓
８Ａ 端面
９ 伸縮部材
９１ 中空部
９２ 立体
１０ アクチュエータ
３０ 開口部
３０Ａ 開口面
Ｊ 回転軸
４０ 光源ユニット
４１ｒ Ｒ光源
４１ｇ Ｇ光源
４１ｂ Ｂ光源
４２ｒ、４２ｇ、４２ｂ コリメータレンズ
４３ ダイクロイックプリズム
４４ 光変調素子
４５ 駆動部
４６ 光源制御部
４７ システム制御部

Claims (7)

1. 光源、前記光源から出射される光を画像情報に基づいて空間変調する空間変調部、及び、前記空間変調された画像光を、乗り物の内装部品を内蔵する部材に設けられた開口部を通して前記乗り物における投写面に投写する投写部を含み、前記部材の内部において回転可能に支持される筐体と、
   前記筐体を回転駆動する回転駆動部と、
   前記開口部の開口面の周縁と前記筐体における前記画像光の出射面の周縁とを連結する筒状の伸縮部材と、を備える投写型表示装置。
2. 請求項１記載の投写型表示装置であって、
   前記開口部の開口面に垂直な方向の平面視において、前記開口部の開口面の面積と前記出射面の面積は異なっている投写型表示装置。
3. 請求項２記載の投写型表示装置であって、
   前記開口部の開口面の面積は前記出射面の面積よりも大きい投写型表示装置。
4. 請求項３記載の投写型表示装置であって、
   前記平面視において、前記開口部の開口面は前記出射面の全体を覆っている投写型表示装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の投写型表示装置であって、
   前記伸縮部材は、前記開口部の開口面の周縁上の任意の点と、前記出射面の周縁上の任意の点とを最短距離で結ぶ直線により形成される面と、前記開口部の開口面と、前記出射面により形成される空間を中空部として有し、
   前記中空部は、前記筐体側から前記開口部側に向かって広がるテーパー形状である投写型表示装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の投写型表示装置であって、
   前記伸縮部材は、前記筐体側から受ける荷重に対する伸縮性よりも、前記開口部側から受ける荷重に対する伸縮性が小さい投写型表示装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の投写型表示装置であって、
   前記伸縮部材の内側面には、光の反射を防止する反射防止部が形成されている投写型表示装置。