JPWO2018110336A1 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、画像を形成する画像形成部（１０１）と、前記画像に対応する表示光を発生する単一の中間スクリーン（１１１）と、前記中間スクリーンから出射された表示光を通過させ、スクリーン（ＷＳ）に入射させる光学系とを有し、前記光学系は、前記中間スクリーンから出射された表示光を反射する第１ミラー（Ｍ１）と、前記第１ミラーで反射された前記表示光を更に反射して前記スクリーン（ＷＳ）に入射させる第２ミラー（Ｍ２）とを有し、前記中間スクリーン（１１１）から出射された前記表示光と、前記第２ミラー（Ｍ２）で反射された前記表示光とが交差しており、前記表示光が前記スクリーンに入射することにより虚像を形成するようになっていて、観察者の目と前記虚像の中心とを結ぶ線（Ｌ１）を含み且つ前記中間スクリーン（１１１）の中心を通過する面を第１仮想面としたときに、前記第２ミラー（Ｍ２）は、前記第１仮想面で切断した断面において凸状の円弧を持つ反射面を有する。

Description

本発明は、例えば自動車での使用を主たる用途とするヘッドアップディスプレイ装置、より詳細には、半透明の表示部材（ウインドシールドまたはコンバイナ）を介して、ウインドシールドを透過する光により視認される車両前方風景と、ウインドシールドを反射する光により提供される画像や情報をドライバー（観察者）の視野において重ねて視認させることが可能なヘッドアップディスプレイ装置に関する。

自動車の運転中、車両内で計器類の速度などの情報を直接、フロントガラス等に虚像として映し出すことができれば、視野を変化させることなく運転でき、事故防止につながる。そこで、観察者の視野に直接情報を映し出す手段として、ヘッドアップディスプレイ装置が開発された。かかるヘッドアップディスプレイ装置においては、通常、LCDから出射された光が、ウインドシールドや、ハーフミラー材を含んだ透明基材からなるコンバイナにおいて、透過および反射されるようになっている。従って観察者は、ウインドシールド等に表示された虚像としての情報を取得するとともに、ウインドシールド等を透過して視認される車両前方風景などの外部情報を同時に取得することができる。

ここで、観察者の視点の高さは体格や運転姿勢の違いなどから一定ではないことから、観察者の視点の高さが変化しても虚像を視認できるように、観察者の視点の高さに応じて表示光の投影点を上下方向に調整することが望ましいとされる。これに対し特許文献１には、観察者の視点位置情報に応じて駆動手段を動作させて、表示光を反射させるミラーをチルト回転させ且つ出射装置全体を駆動しており、それにより観察者の視点の高さに応じてウインドシールドへの表示光の投影位置を調整する技術が開示されている。

特開２０１５−６０１８０号公報

ところで、観察者から視認できる虚像は、観察者の両目で視認でき且つ虚像の歪みがほぼ同じである必要がある。このように虚像が両目で視認される範囲をアイボックスという。しかるに、特許文献１の技術によれば、アイボックスが小さいために、駆動手段でミラーをチルト回転する駆動装置が必要となり、更に虚像位置を一致させるべく出射装置全体を駆動する必要が生じており、これにより駆動系の機構が必要となってコスト高を招いている。一方、アイボックスを大きくすれば駆動手段でミラーをチルト回転させる構成は不要となるが、そのためには表示光を出射する中間スクリーンの出射面積を拡大せざるを得ず、装置の大型化を招き車載に不利となる。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、小型化を図り且つコストを抑制しながらも、広範囲な視点位置から虚像を形成できる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する。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、
画像を形成する画像形成部と、
前記画像形成部で形成された画像に対応する表示光を発生する単一の中間スクリーンと、
前記中間スクリーンから出射された表示光を通過させ、スクリーンに入射させる光学系とを有し、
前記光学系は、前記中間スクリーンから出射された表示光を反射する第１ミラーと、前記第１ミラーで反射された前記表示光を更に反射して前記スクリーンに入射させる第２ミラーとを有し、前記中間スクリーンから出射された前記表示光と、前記第２ミラーで反射された前記表示光とが交差しており、前記表示光が前記スクリーンに入射することにより虚像を形成するようになっていて、
観察者の目と前記虚像の中心とを結ぶ線を含み且つ前記中間スクリーンの中心を通過する面を第１仮想面としたときに、前記第２ミラーは、前記第１仮想面で切断した断面において凸状の円弧を持つ反射面を有するものである。

本発明によれば、小型化を図り且つコストを抑制しながらも、広範囲な視点位置から虚像を形成できるヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。

本実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を、車体ＶＨに搭載した状態を示す図である。 描画ユニット１００の構成を示す図である。 本実施例の全体光路図である。 図３の矢印ＩＶで示す部位を拡大した部分光路図である。 アイボックス内で視認される虚像を重ねて示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を、車体ＶＨに搭載した状態を示す図である。車体ＶＨのダッシュボードＤＢ内には描画ユニット１００が配置されており、車体ＶＨのウインドシールド(スクリーン)ＷＳに表示光を投影するようになっている。かかる表示光はウインドシールドＷＳからの反射により観察者であるドライバーＤＲの瞳ＥＹに導かれ、虚像（表示像）Ｖを表示するようになっている。一方、ドライバーＤＲは虚像に加えて、ウインドシールドＷＳを透過した風景等の実像を観察することができる。描画ユニット１００とウインドシールドＷＳとで、ヘッドアップディスプレイ装置を構成する。

図２は、描画ユニット１００の概略構成を示す図であり、観察者であるドライバーＤＲ（図１）の瞳ＥＹと虚像の中心とを結ぶ線Ｌ１を含み且つＬＣＤ１１１の発光面１１１ａの中心を通る面（第１仮想面という）で示している。描画ユニット１００は、ＬＣＤ１１１及び画像形成部１０１を備えた描画デバイス１１０と、第１ミラーＭ１と、第２ミラーＭ２と、これらを収容したハウジング１３０とから主に構成されている。第１ミラーＭ１は、第１仮想面では凹状の円弧を持つ反射面Ｍ１ａを有する。一方、第２ミラーＭ２は、第１仮想面では凸状の円弧を持つ反射面Ｍ２ａを有する。第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２とで光学系を構成する。描画デバイスの構成は、例えば特開２０１２−２０３１７６号公報に詳細が記載されている。

中間スクリーンとしてのＬＣＤ１１１は、例えば透明電極膜が形成された一対の透光性基板に液晶層を封入した液晶セルの前後両面に偏光板を貼着してなるものであり、描画デバイス１１０内の不図示の光源からＬＣＤ１１１へ導かれた光線は、画像形成部１０１で形成された画像に対応して駆動されたＬＣＤ１１１を透過して、表示させたい画像を表す表示光Ｌとなる。尚、ＬＣＤ１１１の発光面１１１ａは、ＬＣＤ１１１の発光面１１１aの中心から出射される表示光Ｌに対して（言い換えると、発光面１１１ａの垂線に対して表示光Ｌの出射方向が）角度θで傾いていることが好ましく、より好ましくは角度θが１０°以上傾いていることが良い。これにより、太陽光などの迷光が光学系の光路に沿って入射したときに、発光面１１１ａで反射して、ミラーやウインドシールドＷＳを経由し、ドライバーＤＲ付近に到達することを抑制できる。

ＬＣＤ１１１から出射された表示光Ｌは、第１ミラーＭ１，第２ミラーＭ２で反射・拡大され、更にウインドシールドＷＳで反射して、ドライバーＤＲの瞳ＥＹで虚像Ｖを形成する。虚像Ｖを通じて、ナビの行く先表示の矢印などの情報や速度表示などの情報を示すことで、ドライバーＤＲは視線移動を減らしつつ容易に情報を入手できる。

本実施の形態によれば、ＬＣＤ１１１から出射されて第１ミラーＭ１に向かう表示光Ｌと、第２ミラーＭ２で反射されウインドシールドＷＳに向かう表示光Ｌとが交差しているので、描画ユニット１００をダッシュボードＤＢに設けた場合でも、表示光Ｌの光路長を比較的長く確保できると共に歪曲収差を抑えることができる。そのため、画像形成部１０１で予め形成される画像の歪みを小さく抑えることができる。また、第１仮想面の断面で凸状の円弧を持つ反射面Ｍ２ａで表示光Ｌを反射させる拡大投射光学系とすることにより、大きなアイボックスを確保できるため、描画ユニット１００やミラーを回転させる駆動装置は不要となって、コスト低減に貢献する。

以下、本実施の形態に好適な実施例を説明する。図３は、第１仮想面における本実施例の全体光路図である。図４は、図３の矢印IＶで示す部位を拡大した部分光路図である。

以下に示す実施例のデータにおいて、Ｓｉ（ｉ＝０，１，２，３，…）は、虚像面側から数えてｉ番目の面（虚像面を第０番目の面とする）を示している。虚像面に対応するＳ０に続くＳ１、Ｓ２は仮想的な面であり、Ｓ３は瞳に相当する。Ｓ４はウインドシールド、Ｓ６は第１ミラー、Ｓ５は第２ミラー、Ｓ７はＬＣＤの発光面である。

各面Ｓｉの配置は、面頂点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度（ＡＤＥ）とでそれぞれ特定される。各面Ｓｉの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表されている（単位はｍｍ）。また、各面Ｓｉの傾きは、その面頂点を中心とするＸ軸回りの回転角度ＡＤＥで表されている。なお、回転角度の単位は°であり、Ｘ軸の負方向から見て反時計回りの方向がＸ回転の回転角度の正方向とする。また、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は、瞳Ｓ３のローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と一致した絶対座標系になっている。すなわち、各面Ｓｉの配置データは、瞳中心を原点としたグローバル座標系で表現される。なお、瞳Ｓ３からウインドシールドに向かう方向が−Ｚ方向又は−ｚ方向であり、瞳に対して上方向が＋Ｙ方向又は＋ｙ方向であり、ウインドシールドから瞳を見た時に左方向が＋Ｘ方向又は＋ｘ方向である。

各実施例において、ウインドシールドＳ４と、第１ミラーＳ６と、第２ミラーＳ５は自由曲面であり、その自由曲面形状は、面頂点を原点とし、光軸方向にＺ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをＺとして以下の「数１」で表し、表１と表２に面データを示す。ｃは面頂点での曲率（１／ｍｍ）、ｋはコーニック定数、単項式ｘ^mｙⁿの係数（自由曲面係数）を示す。なお、全てのデータに関して、表記の無い項の係数は全て０であり、Ｅ−ｎ＝×１０^-nとする。

本実施例で計算に用いた参考波長は５２０ｎｍであり、ＬＣＤの発光面サイズはＸ方向：４０．８９６ｍｍ×Ｙ方向：２０．４４８ｍｍとした。アイボックスサイズは、Ｘ方向が−７０ｍｍ〜＋７０ｍｍ、Ｙ方向が−６０ｍｍ〜＋６０ｍｍである。

ｃ：頂点曲率、ｃ＝１／ｒ
ｋ：コーニック係数
Cj：単項式ｘ^mｙⁿの係数
Ｒ：Ｙ曲率半径

本実施例においては、第１仮想面では第１ミラーは凹状の反射面を有し、第２ミラーは凸状の反射面を有する。またミラーの中心を通り、第２仮想面と平行な断面では、第１ミラーと第２ミラーはともに凹状の反射面を有する。

図５は、本実施例においてアイボックス内で視認される虚像（縦横線が直交する格子像をＬＣＤで表示）を重ねて示す。グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるアイポイントの位置を（０，０）、（＋７０ｍｍ、＋６０ｍｍ）、（＋７０ｍｍ，−６０ｍｍ）と変化させて視認される虚像で、各アイポイントでの虚像の中心を合わせている。図５に示すように、アイポイントの位置を変えてもそれらの格子像がほぼ一致しており、ドライバーの視点位置に関わらず、アイボックス全域で同じ虚像を視認することができることがわかる。また、本明細書の実施例としては示さないが、アイボックス内で虚像の形状に差がある場合は、ドライバーの目の位置を把握できる撮像装置を用いてドライバーの目の位置を把握し、そのドライバーの目の位置に応じた最適な画像（例えば、右目で見る虚像と左目で見る虚像の中間のもの）をＬＣＤで表示することで視認性を高くすることができる。

本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えば、本発明の実施例では対称性のあるウインドシールドを想定しているが、ウインドシールドはそれに限らず、対称性がないものであったり、対称性があるものでチルトしているようなものでもよい。また、本発明の表示部材及びヘッドアップディスプレイ装置は、自動車に限らず、飛行機や重機などにも用いることが出来る。

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に利用することができる。

１００ 描画ユニット
１１０ 描画デバイス
１０１ 画像形成部
１１１ ＬＣＤ
１３０ ハウジング
ＤＢ ダッシュボード
ＤＲ ドライバー
Ｍ１，Ｍ２ ミラー
ＶＨ 車体
ＷＳ ウインドシールド

Claims (7)

1. 画像を形成する画像形成部と、
   前記画像形成部で形成された画像に対応する表示光を発生する単一の中間スクリーンと、
   前記中間スクリーンから出射された表示光を通過させ、スクリーンに入射させる光学系とを有し、
   前記光学系は、前記中間スクリーンから出射された表示光を反射する第１ミラーと、前記第１ミラーで反射された前記表示光を更に反射して前記スクリーンに入射させる第２ミラーとを有し、前記中間スクリーンから出射された前記表示光と、前記第２ミラーで反射された前記表示光とが交差しており、前記表示光が前記スクリーンに入射することにより虚像を形成するようになっていて、
   観察者の目と前記虚像の中心とを結ぶ線を含み且つ前記中間スクリーンの中心を通過する面を第１仮想面としたときに、前記第２ミラーは、前記第１仮想面で切断した断面において凸状の円弧を持つ反射面を有するヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記第１ミラーは、前記第１仮想面で切断した断面において凹状の円弧を持つ反射面を有する請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 観察者の目と前記虚像の中心とを結ぶ線と前記スクリーンとの交点を通り、前記第１仮想面に直交する面を第２仮想面としたときに、前記第１ミラーと前記第２ミラーのうち少なくとも一方のミラーは、前記ミラーの中心を通り、前記第２仮想面に平行な面で切断した断面において凹状の円弧を持つ反射面を有する請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記スクリーンはウインドシールドである請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記第１仮想面における前記中間スクリーンの中心から射出される表示光は、中間スクリーンの垂線に対して１０°以上、傾いている請求項１〜４のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記画像形成部は、前記光学系及び前記スクリーンで発生する歪曲収差を相補するように補正した画像を形成する請求項１〜５のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
7. 観察者の目の位置を認識する装置を有し、前記画像形成部は観察者の目の位置に応じた最適な画像を形成する請求項１〜６のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。

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