JPWO2018150922A1 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

専用品ではなく、比較的入手が容易な汎用品を用いて異なる虚像距離で表示が可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供する。映像光を射出する表示素子及び虚像光学系を含み、虚像光学系は、表示素子に近い位置から順に、映像光の出射方向に沿って配置されたレンズユニットと自由曲面ミラーとを含む。表示素子は、出射面における筐体開口部側の端部がレンズユニットにおける入射面に近く、出射面における筐体開口部とは反対側の端部がレンズユニットにおける入射面から離れた、レンズユニットの光軸に対する傾斜姿勢で配置される。レンズユニットは、筐体開口部側の端部からレンズユニットの入射面までの第１光路長と筐体開口部とは反対側の端部からレンズユニットの入射面までの第２光路長との差からなる光路長差を虚像距離差に応じて光学的に拡大する光学特性を有する。

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

例えば、自動車等の車両において、通常は、車速やエンジン回転数等の情報は、ダッシュボード内の計器盤（インパネ）に表示される。また、カーナビゲーション等の画面は、ダッシュボードに組み込まれもしくはダッシュボード上に設置されたディスプレイに表示される。運転者がこれらの情報を視認する場合に視線を大きく移動させることが必要となることから、視線の移動量を低減させる技術として、車速等の情報やカーナビゲーションに係る指示等の情報をフロントガラス（ウィンドシールド）等に投射して表示するヘッドアップディスプレイ（Head Up Display、以下では「ＨＵＤ」と記載する場合がある）装置が知られている。

ＨＵＤに関連する技術として、例えば、特許文献１には、「運転パラメータ検出装置からのヘッドアップディスプレイ表示画像用データが表示制御回路に入力される。表示体は表示板を互いに上下に距離をとってほぼ水平に配置し、表示板は表示領域以外の領域を透明な領域として構成する。表示制御回路は、各表示板を制御して、複数の表示板に表示画像を表示する。表示板の下方にバックライト光源を設け、バックライト光源の光が上方の表示板に到達して各表示板の出射光が、ルーバーを通過して、コンバイナに入射する。情報を表示する表示板を切り替えることにより、運転者の目の位置から虚像が表示される位置までの距離を、可動機構なしで可変とすることができる（要約抜粋）」ＨＵＤが開示されている。

特開２００４−１６８２３０号公報

特許文献１に記載のＨＵＤでは、複数の表示板が出射光の出射方向に沿って配置される。そのため、バックライト光源側に配置された表示板に表示された表示画像がバックライト光源側とは反対側、即ちルーバー側に配置された表示板により遮光されることを防ぐために、各表示板は表示領域と透過領域を備える。そして、互いの表示領域が出射方向において被らないように透過領域及び表示領域の位置をずらした３種類の表示板を１セットとして用い、出射光の進行方向に沿って３つの表示板の透過領域及び表示領域の位置を調整して配置する必要があることから、ＨＵＤの製造に手間がかかるという実情がある。

そこで本発明は、虚像距離が異なる虚像を表示するＨＵＤの製造時の手間を改善が期待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。

上記課題を解決するために、本発明は、特許請求の範囲に記載の構成を有する。その一例をあげるならば、本発明は運転者に対して虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、光源及び表示素子を有し、前記表示素子に映像を形成する映像表示装置と、前記映像表示装置から出射された前記映像を含む映像光を被投射部材で反射させることで前記映像に係る虚像を車両の前方に表示する虚像光学系と、前記虚像光学系を収容する筐体と、を備え、前記筐体は、前記映像光が出射する開口部を備え、前記虚像光学系は、前記表示素子における前記映像光の出射面に近い位置から順に、前記映像光の出射方向に沿って配置されたレンズユニットと自由曲面ミラーとを含み、前記表示素子は、前記出射面における前記開口部側の端部が前記レンズユニットにおける入射面に近く、前記出射面における前記開口部とは反対側の端部が前記レンズユニットにおける入射面から離れた、前記レンズユニットの光軸に対する傾斜姿勢で配置され、前記レンズユニットは、前記開口部側の端部から前記レンズユニットの入射面までの第１光路長と前記開口部側とは反対側の端部から前記レンズユニットの入射面までの第２光路長との差からなる光路長差を光学的に拡大する光学特性を有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、虚像距離が異なる虚像を表示するＨＵＤの製造時の手間を改善が期待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。なお、上述した以外の目的、構成、効果については下記実施形態において明らかにされる。

本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 ＨＵＤの筐体を中心とした外観の例を示した斜視図 図２Ａに示したＨＵＤを各部品に分解した状態を示した斜視図 本実施形態に係る映像表示装置の実装形態の例について概要を示した図 表示素子の傾斜姿勢、光路長差、及び虚像距離差を示す図 本実施形態で用いられるレンズユニットの一実施例を示す図 本実施形態で用いられるレンズユニットの一実施例を示す図 ＨＵＤの外装筐体を中心とした外観の例を示した斜視図 図６Ａに示したＨＵＤを各部品に分解した状態を示した斜視図 第２実施形態に係る自発光膜照射装置の外観の例を示した斜視図 第２実施形態に係る自発光膜照射装置の各部品を分解した状態を示す斜視図 第２実施形態における虚像距離差を示す図 ＨＵＤの外装筐体を中心とした外観の例を示した斜視図 図９Ａに示したＨＵＤを各部品に分解した状態を示した斜視図 虚像距離可変機構の外観の例を示した斜視図 虚像距離可変機構の各部品を分解した状態を示す斜視図 コントローラが実行する光路切替処理の流れを示すフローチャート 第１光路が形成された状態を示す図 第２光路が形成された状態を示す図 太陽光遮光状態の各ミラーの配置状態を示す図 コントローラの機能ブロック例を示す図 コントローラの機能ブロック例を示す図 コントローラのハードウェア構成例を示す図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。一方で、ある図において符号を付して説明した部位について、他の図の説明の際に再度の図示はしないが同一の符号を付して言及する場合がある。また、以下に示す各実施形態では、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置が自動車等の車両に設置される場合を例として説明するが、電車や航空機等の他の乗り物にも適用可能である。また、乗り物以外の用途に用いるＨＵＤにも適用可能である。

＜第１実施形態＞
第１実施形態は、ＬＣＤパネル等の表示素子を備えた映像表示装置とレンズユニットとを用い、表示素子を傾斜姿勢で保持し、レンズユニットの倍率と表示素子及びレンズユニットの配置位置の関係性を利用して虚像距離が異なる虚像を表示させる態様である。以下、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。ＨＵＤ装置１は、外装筐体５０内に配置された映像表示装置３０によって表示された映像を含む映像光を自由曲面ミラー４１により反射させて、車両２のウィンドシールド３に投射する。ウィンドシールド３に投射された映像光が運転者５の目に入射することで、運転者は車両２の前方に虚像８０を視認する。自由曲面ミラー４１はミラー駆動部４２により回動する。これにより、自由曲面ミラー４１はウィンドシールド３に向けて映像光を反射する角度を変更する。

ここで、被投射部材はウィンドシールド３に限られず、映像光が投射される部材であれば、コンバイナなど他の部材とすることができる。また、本実施形態では、映像表示装置３０としてバックライトを有するプロジェクタやＬＣＤ（Liquid Crystal Display）３０を用いる。自発光型のＶＦＤ（Vacuum Fluorescent Display、後述する第２実施形態で用いる）等であってもよい。投射装置によりスクリーンに映像を表示するものであってもよい。このようなスクリーンとしては、例えば、マイクロレンズを２次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成してもよい。

自由曲面ミラー４１と映像表示装置３０との間には、自由曲面ミラー４１と映像表示装置３０の光学的な距離を調整するためのレンズユニット４３を備える。よって、映像表示装置３０からの映像光の出射方向に沿って、映像表示装置３０から近い順にレンズユニット４３及び自由曲面ミラー４１が配置されて虚像光学系を形成し、外装筐体５０の内部に収容される。

図２Ａ、図２Ｂは、本発明の一実施形態であるヘッドアップディスプレイ装置の実装形態の例について概要を示した図である。図２Ａは、ＨＵＤ１の外装筐体５０を中心とした外観の例を示した斜視図である。また、図２Ｂは、図２Ａに示したＨＵＤ１を各部品に分解した状態を示した斜視図である。

図２Ｂに示すように、ＨＵＤ１は、外装ケース５４に光学部品保持部材５３が収納され、更に外装蓋部５１により上部が覆われる構成を有する。外装ケース５４及び外装蓋部５１の各部材は、図１に示したＨＵＤ１における外装筐体５０を構成する。そして、外装ケース５４の開口部には映像表示装置３０が装着される。

外装蓋部５１は、映像光をウィンドシールド３に向かって出射するための開口部を有し、当該開口部は防眩板５２（グレアトラップ）によって覆われている。

光学部品保持部材５３は、図１に示したＨＵＤ１における自由曲面ミラー４１及びレンズユニット４３を保持する部材である。

外装ケース５４には、後述するＬＥＤ光源３１ａやバックライト等の動作を制御する制御部が実装されるメイン基板７０や、自由曲面ミラー４１の傾斜角度を変化させるためのモータ等からなるミラー駆動部４２等の他の部品が取り付けられていてもよい。本実施形態では、更に、映像表示装置３０を取り付け／取り外しすることができるように、ネジ穴等の着脱機構や、映像光が入射するための開口部等が形成されている。

本実施形態では、映像表示装置３０はモジュール化され、外装ケース５４に対してネジ等により一体的に取り付け／取り外しが可能なように構成されている。これにより、例えば、ＨＵＤ１自体を取り外したり分解したりすることなく、映像表示装置３０のみを交換できるように構成することもできる。また、映像表示装置３０を、ＨＵＤ１の外装筐体５０の外部に取り付ける構成とすることで、放熱性を向上させ、熱による故障や劣化の低減という効果も得ることができる。

図３は、映像表示装置３０の実装形態の例について概要を示した図である。ここでは、モジュール化された映像表示装置３０を各部品に分解した状態を斜視図により示している。映像表示装置３０は、ＬＣＤパネル等の表示素子３３が、フレキシブルケーブル３４を介してメイン基板７０から入力された映像信号に基づいて、バックライトからの光を変調することで映像を表示する。表示された映像は、図２における外装ケース５４の開口部を通して虚像光学系（本実施形態では、図２におけるレンズユニット４３及び自由曲面ミラー４１）に出力され、運転者５が視認可能な虚像が生成される。

バックライトにおける光源素子には、例えば、固体光源として比較的安価で信頼性の高いＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源３１ａを用いる。ＬＥＤ光源３１ａは、高出力化するために面発光型とする。図３の例ではＬＥＤ基板として実装している。この場合、例えば、後述するような技術的な工夫を用いて発散光の利用効率を向上させる。

ＬＥＤの入力電力に対する発光効率は、発光色によっても異なるが、２０〜３０％程度であり、残りはほとんどが熱に変換される。このため、ＬＥＤ光源３１ａを取り付けるフレーム３５には、熱伝導率の高い部材（例えば、アルミニウム等の金属部材）からなる放熱用のフィン（ヒートシンク３１ｂ）を設けて熱を外部に放散させる。

ＬＥＤ光源３１ａからの発散光を効率よく表示素子３３に導くため、図３の例では、導光体３２ｂ及び拡散板３２ｃを用いている。この場合、塵などの付着を防止するため、例えば、外装部材３６ａ、３６ｂによって導光体３２ｂや拡散板３２ｃ、及び表示素子３３等の全体を覆い、映像表示装置３０としてモジュール化するのが望ましい。

また、図３の例では、ＬＥＤ光源３１ａからの発散光を取り込んで平行光とするため、コリメートレンズ等からなる複数のライトファネル３２ａを設けている。各ライトファネル３２ａにおいてＬＥＤ光源３１ａからの発散光を取り込む開口部は、例えば、平面とした上でＬＥＤ光源３１ａとの間に媒質を挿入して光学的に接続する、もしくは、凸面形状として集光作用を持たせる。これにより、発散光を可能な限り平行光として、ライトファネル３２ａの界面に入射する光の入射角を小さくする。その結果、ライトファネル３２ａを通過後、更に発散角を小さくすることができるため、導光体３２ｂで反射した後に表示素子３３に向かう光源光の制御が容易となる。

更にＬＥＤ光源３１ａからの発散光の利用効率を向上させるため、ライトファネル３２ａと導光体３２ｂの接合部分においてＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter）を用いて偏光変換を行い、所望の偏光方向に変換する。これにより、表示素子３３への入射光の効率を向上させることができる。このように光源光の偏光方向を揃えた場合には、更に導光体３２ｂの素材として複屈折が少ない材料を用いるのが望ましい。これにより、偏波の方向が回転して表示素子３３を通過する場合において、例えば、黒表示時に色付き等の問題が発生するのを抑制することができる。

図４は、表示素子の傾斜姿勢、光路長差、及び虚像距離差を示す図である。図４に示すように、映像表示装置３０の表示素子３３における映像光の出射面３３ａは、レンズユニット４３の光軸ｏａに対して出射面３３ａが直交する位置を基準位置Ｐ_０とし、その基準位置Ｐ_０よりも出射面３３ａの上端部がレンズユニット４３側に近く、下端部がレンズユニット４３側に対して遠くなる向きに傾いた傾斜姿勢Ｐ_１で配置される。この結果、基準位置Ｐ_０に対する出射面３３ａの俯角をθとすると、出射面３３ａの上端部（出射面３３ａにおける外装蓋部５１の開口部側の端部に相当する）からレンズユニット４３までの第１光路長Ｌ１と下端部（出射面３３ａにおける外装蓋部５１の開口部とは反対側の端部に相当する）からレンズユニット４３までの第２光路長Ｌ２との光路長の差ΔＬは下式（１）で表せる。
［数１］
ΔＬ＝Ｌ２−Ｌ１
＝｛（Ｌ１＋（α／２）ｓｉｎθ）｝−｛Ｌ１−（α／２）ｓｉｎθ｝
＝αｓｉｎθ・・・（１）
但し、αは出射面３３ａの左辺又は右辺の長さ

一方、レンズユニット４３から出射面３３ａの上端までの第１光路長Ｌ１、及びレンズユニット４３から出射面３３ａの下端までの第２光路長Ｌ２を、レンズユニット４３の焦点距離ｆｏより小さくする。その場合、虚像８０の上端及び下端は、式（２）、（３）に従いレンズユニット４３から第１虚像距離Ｄ１及び第２虚像距離Ｄ２のそれぞれの位置に倍率ｍ＝Ｄ１／Ｌ１＝Ｄ２／Ｌ２で表示される。なお、倍率ｍは、出射面３３ａ上の表示画像の大きさを１とした場合に虚像８０の大きさｍと同値である。
［数２］
１／Ｌ１＋１／Ｄ１＝１／ｆ・・・・（２）
［数３］
１／Ｌ２＋１／Ｄ２＝１／ｆ・・・・（３）

式（２）及び（３）より、
［数４］
１／Ｌ１＋１／Ｄ１＝１／Ｌ２＋１／Ｄ２
１／Ｄ１―１／Ｄ２＝１／Ｌ２―１／Ｌ１
（Ｄ２−Ｄ１）／（Ｄ１・Ｄ２）＝（Ｌ２−Ｌ１）／（Ｌ１・Ｌ２）
ΔＤ＝ΔＬ（Ｄ１・Ｄ２）／（Ｌ１・Ｌ２）
＝ΔＬ・ｍ^２・・・・（４）

式（４）において、虚像８０の上端部と下端部との虚像距離差ΔＤが所望する値として与えられる場合、ΔＬはＨＵＤ１の構造から機械的に決まる値なので、レンズユニット４３の光学特性として、（４）を満たす倍率ｍを有すればよい。そして、表示素子３３をレンズユニット４３の焦点距離ｆｏよりも短い位置に配置することにより、虚像距離差ΔＤを有する虚像８０を表示できる。なお、実装上では、厳密に式（４）と同値でなくとも、虚像距離差ΔＤがレンズユニット４３により拡大された光路長差と等しいと見做せる許容範囲にあればよい。

図５Ａ、図５Ｂは、本実施形態で用いられるレンズユニットの一実施例を示す図である。レンズユニット４３は、単一のレンズでもよいし、複数のレンズを組み合わせた所謂組レンズであってもよい。一般に、レンズを使用しない場合ウィンドシールド３の傾斜などによりＨＵＤ１の映像には台形歪が発生する。そこでウィンドシールド３で発生する台形歪が長方形となるように表示素子３３を傾けることで、表示素子３３の上端部からウィンドシールド３まで、及び下端部からウィンドシールド３までの距離を変えてウィンドシールド３の傾斜による台形歪の補正の改善をある程度は行える。しかし、表示素子３３を傾けすぎると映像のコントラストの低下等に起因する画質の低下が生じるので、表示素子３３を傾けることにより得られる歪み補正効果には限界がある。

これに対して本実施形態では、所望の虚像距離差を実現する倍率を有するレンズユニット４３に歪み補正レンズを組み込むことにより、台形歪みの補正効果を改善しつつ、所望の虚像距離差で虚像を表示する。本実施形態で用いられるレンズユニット４３として光軸からの絶対座標（ｘ，ｙ）の関数として面の形状を定義された自由曲面形状を有する歪み補正レンズを用いる。自由曲面形状は、以下の式（５）のように表される。
［数５］

上記歪み補正レンズを用いることにより、ウィンドシールド３の曲率半径の違いによる虚像の結像性能低下を低減させつつ、表示素子３３の出射面３３ａからレンズユニット４３の入射面までの構造的に定まる光路長差を虚像距離差に対応した光路長差に光学的に補正する。

本実施形態によれば、表示素子を傾斜姿勢で保持し、レンズユニットの倍率と表示素子及びレンズユニットの配置位置の関係性に基づいて、虚像距離が異なる虚像を表示させるＨＵＤを提供できる。この構成において、表示素子及びレンズユニットも汎用品を適宜用いればよいので、特殊な部品を用いる場合に比べて部品調達が容易となりやすく製造コストの低減が期待できる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態では、第１実施形態の映像表示装置に代わり、異なる周波数を含む光を照射するプロジェクタ及び異なる周波数に反応する自発光膜を複数備え、各自発光膜をプロジェクタから照射される照射光の出射方向に沿って間隔を空けて配置した自発光膜照射装置を用いる。これにより、異なる周波数の出射光の其々には、自発光膜間の間隔に応じた光路長相当の光路長差が生じる。そこで第２実施形態では、この光路長差を用いて異なる虚像距離差を有する虚像が表示される。以下、図面を参照して説明する。

図６Ａは、ＨＵＤ１Ａの外装筐体５０を中心とした外観の例を示した斜視図である。また、図６Ｂは、図６Ａに示したＨＵＤ１Ａを各部品に分解した状態を示した斜視図である。

図６Ａ、図６Ｂに示すように、ＨＵＤ１Ａは第１実施形態に係るＨＵＤ１と同様、外装ケース５４に光学部品保持部材５３が収納され、更に外装蓋部５１により上部が覆われる構成を有する。そして、外装ケース５４の開口部には第１実施形態の映像表示装置３０に代わり、自発光膜照射装置１００が装着される。

図７Ａは第２実施形態に係る自発光膜照射装置１００の外観の例を示した斜視図である。図７Ｂは、第２実施形態に係る自発光膜照射装置１００の各部品を分解した状態を示す斜視図である。

図７Ａ、図７Ｂに示すように自発光膜照射装置１００は、プロジェクタから自発光膜照射装置筐体（以下「筐体」と略記する）１０２及びプロジェクタ１０４を備える。更に自発光膜照射装置１００は、プロジェクタ１０４から照射される映像情報を含む映像光の光路上に、プロジェクタ１０４から近い順に第１周波数の光に反応して第１映像光を発光する第１自発光膜１１０及びこれを保持する第１自発光膜ホルダ１１１、第２周波数の光に反応して第２映像光を発光する第２自発光膜１１２及びこれを保持する第２自発光膜ホルダ１１３、第３周波数の光に反応して第３映像光を発光する第３自発光膜１１４及びこれを保持する第３自発光膜ホルダ１１５、黒スクリーン１１６及びこれを保持するスクリーンホルダ１１７が配置されて構成される。

筐体１０２はプロジェクタ１０４を収容するプロジェクタ収容部１０２ａと、プロジェクタ収容部１０２ａに収容されたプロジェクタ１０４の映像光が透過する開口部１０２ｂを有する中板１０２ｃと、プロジェクタ収容部１０２ａの片側側面を覆うと共に中板１０２ｃを基準としてプロジェクタ収容部１０２ａとは反対側に向かって立設する側板１０２ｄと、側板１０２ｄにおけるプロジェクタ収容部１０２ａとは反対側の端部に連結し、中板１０２ｃと対向する天板１０２ｅとを含む。天板１０２ｅには、３つのスリット１０２ｆ、１０２ｇ、１０２ｈが映像光の進行方向に沿って間隔を空けて設けられる。各スリット１０２ｆ、１０２ｇ、１０２ｈに第１自発光膜ホルダ１１１、第２自発光膜ホルダ１１３、第３自発光膜ホルダ１１５のそれぞれを挿入すると、第１自発光膜ホルダ１１１、第２自発光膜ホルダ１１３、第３自発光膜ホルダ１１５が間隔を空けて保持される。いずれのスリット１０２ｆ、１０２ｇ、１０２ｈに第１自発光膜ホルダ１１１、第２自発光膜ホルダ１１３、第３自発光膜ホルダ１１５のそれぞれを挿入するかは適宜変更してもよい。各スリット１０２ｆ、１０２ｇ、１０２ｈに第１自発光膜ホルダ１１１、第２自発光膜ホルダ１１３、第３自発光膜ホルダ１１５を挿入し、プロジェクタ収容部１０２ａにプロジェクタ１０４を収容すると、プロジェクタ１０４から照射された出射光の照射範囲内に第１自発光膜１１０、第２自発光膜１１２、第３自発光膜１１４が配置され、第１自発光膜１１０、第２自発光膜１１２、第３自発光膜１１４の其々は第１周波数、第２周波数、第３周波数の映像光を受光して発光する。

上記第１周波数、第２周波数、及び第３周波数は、例えばＲ，Ｇ，Ｂの各色に対応させてもよい。

プロジェクタ１０４から投射された映像光は、開口部１０２ｂを透過して第１自発光膜１１０、第２自発光膜１１２、及び第３自発光膜１１４に到達する。投射される映像光に含まれる映像光が第１自発光膜１１０に到達すると、第１自発光膜１１０は映像光のうちの第１周波数成分に反応して、第１周波数成分の映像情報を含む第１周波数映像光を発光する。同様に映像光が第２自発光膜１１２及び第３自発光膜１１４に到達すると第２自発光膜１１２、第３自発光膜１１４の其々は、映像光のうちの第２周波数成分、第３周波数成分の其々に反応して第２周波数成分の映像情報を含む第２周波数映像光、第３周波数成分の映像情報を含む第３周波数映像光を発光する。

図８は、第２実施形態における虚像距離差を示す図である。図８に示すように、第１周波数映像光、第２周波数映像光、第３周波数映像光のそれぞれは、レンズユニット４３に入射する。ここで、第１周波数映像光の第１光路長Ｌ１は第１自発光膜１１０からレンズユニット４３までの距離である。同様に、第２周波数映像光の第２光路長Ｌ２は第２自発光膜１１２からレンズユニット４３までの距離である。また第３周波数映像光の第３光路長Ｌ３は第３自発光膜１１４からレンズユニット４３までの距離である。第１光路長Ｌ１と第２光路長Ｌ２の光路長差ΔＬ１、及び第２光路長Ｌ２と第３光路長Ｌ３の光路長差ΔＬ２は、隣接するスリット１０２ｆ、１０２ｇ、１０２ｈの間隔により生じるものである。なお、図８ではスリット間隔をほぼ均一に設けて、光路長差ΔＬ１及び光路長差ΔＬ２がほぼ等しい例を図示しているが、スリット１０２ｆ、１０２ｇの間隔とスリット１０２ｇ、１０２ｈの間隔を変えて光路長差ΔＬ１及び光路長差ΔＬ２が異ならせてもよい。

図８の例に既述の式（２）、（３）、（４）を適用すると、光路長差ΔＬ１、ΔＬ２のそれぞれにレンズユニット４３の倍率の２乗を乗算した虚像距離差を有して、第１周波数映像光による第１虚像（例えば赤色画像）、第２周波数映像光による第２虚像（例えば緑色画像）、第３周波数映像光による第３虚像（例えば青色画像）は表示される。よって、運転者５からみて第１虚像が最も手前に、第２虚像が中間に、第３虚像が最も遠くに表示される。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様に異なる虚像距離差の虚像を表示させることができる。

また第１実施形態では出射面３３ａを傾斜角θ傾けた傾斜姿勢で保持することで光路長差を形成するが、画質のコントラストを確保するためには傾斜角θが取れる範囲に限界がある。これに対し、本実施形態では、自発光膜照射装置１００の筐体１０２に設けたスリット１０２ｆ、１０２ｇ、１０２ｈの間隔により第１光路長Ｌ１、第２光路長Ｌ２、第３光路長Ｌ３の光路長差を形成するので、スリット間隔を大きくすればより大きな光路長差を形成でき、第１実施形態よりも更に大きな虚像距離差の実現が可能となる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態では、映像表示装置とレンズユニットとの間に折り返しミラーを配置し、レンズ光軸に平行な第１光路と、折り返しミラーで反射させて映像光を迂回させてからレンズユニットに入射させる第２光路とを形成する実施形態である。第２光路は、第１光路よりも長い光路であり、第１光路及び第２光路には光路長差が生じる。本実施形態ではこの光路長差を用いて虚像距離差を有する虚像が表示される。

図９Ａは、ＨＵＤ１Ｂの外装筐体５０を中心とした外観の例を示した斜視図である。また、図９Ｂは、図９Ａに示したＨＵＤ１Ａを各部品に分解した状態を示した斜視図である。

図９Ａ、図９Ｂに示すように、ＨＵＤ１Ｂは第１実施形態に係るＨＵＤ１と同様、外装ケース５４に光学部品保持部材５３が収納され、更に外装蓋部５１により上部が覆われる構成を有する。そして、外装ケース５４の開口部には虚像距離可変機構２００を介して第１実施形態の映像表示装置３０が装着される。

図１０Ａは虚像距離可変機構２００の外観の例を示した斜視図である。図１０Ｂは、虚像距離可変機構２００の各部品を分解した状態を示す斜視図である。

図１０Ａ、図１０Ｂに示すように虚像距離可変機構２００は、虚像距離可変機構筐体２１０を備え、その中に、第１光路上に配置され、映像光を第１光路の進行方向とは異なる第２光路（迂回光路）に向けて反射させる第１折り返しミラー２０１及びその保持部材である第１折り返しミラー保持部２０１ｈと、第１光路に第１折り返しミラー２０１の鏡面を挿入又は退避させるために第１折り返しミラー保持部２０１ｈを回動させる第１ミラー駆動部２０３と、第２光路上に配置され、第１折り返しミラー２０１からの反射光の進行方向を変える第１中間折り返しミラー２０５と、第１中間折り返しミラー２０５からの反射光を更に反射する第２中間折り返しミラー２０６と、第１光路上に配置され第２中間折り返しミラー２０６からの反射光を第１光路の進行方向に沿って反射させる第２折り返しミラー２０２及びその保持部材である第２折り返しミラー保持部２０２ｈと、第１光路に第２折り返しミラー２０２の鏡面を挿入又は退避させるために第２折り返しミラー保持部２０２ｈを回動させる第２ミラー駆動部２０４とを備える。

更に第１中間折り返しミラー２０５及び第２中間折り返しミラー２０６の間には、光学レンズ（リレーレンズ）２１０が配置される。また、第１ミラー駆動部２０３及び第２ミラー駆動部２０４の其々は、第１折り返しミラー保持部２０１ｈ及び第２折り返しミラー保持部２０２ｈを回動させるためのミラー駆動信号（挿入信号及び退避信号を含む）を出力するコントローラ２２０（ミラー制御部に相当する）に接続される（図１２Ａ参照）。

本実施形態では、第１折り返しミラー２０１の鏡面は、第１光路上に挿入された状態において、映像表示装置３０の表示素子３３から出射した映像光の進行方向軸に対して傾斜角を有して向かい合う。また第２折り返しミラー２０２の鏡面は、第１光路上に挿入された状態でレンズユニット４３の光軸に向かって反射させるための傾斜角を有して向かい合う。

図１１、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃを参照して、本実施形態に係るＨＵＤ１Ｂの動作について説明する。第１ミラー駆動部２０３、第２ミラー駆動部２０４、及び映像表示装置３０の其々は、コントローラ２２０に接続される。コントローラ２２０は、映像表示装置３０が実行する映像情報の生成処理の制御を行うと共に、生成された映像情報に応じた第１ミラー駆動部２０３及び第２ミラー駆動部２０４に対する駆動制御を行う。

図１１は、コントローラ２２０が実行する光路切替処理の流れを示すフローチャートである。

映像表示装置３０は虚像として表示する映像情報を生成し（Ｓ１１０１）、表示素子３３に映像情報を表示する。ＬＥＤ光源３１ａからの照射光が表示素子３３を透過して出射面３３ａから映像光が出射される（Ｓ１１０２）。

コントローラ２２０は、映像表示装置３０が生成した映像情報を取得し（Ｓ１１０３）、この映像情報による虚像を近距離又は遠距離のどちらで表示するかを決定する（Ｓ１１０４）。

コントローラ２２０が近距離で表示すると決定した場合（Ｓ１１０４／近距離）、第１光路形成処理、即ち、第１折り返しミラー２０１の鏡面を第１光路から退避させる位置に移動させるための退避信号を第１ミラー駆動部２０３に対して出力すると共に、第２折り返しミラー２０２の鏡面を第１光路から退避させる位置に移動させるための退避信号を第２ミラー駆動部２０４に対して出力する（Ｓ１１０５）。

図１２Ａは、第１光路が形成された状態を示す。第１光路は、直進した映像光がレンズユニット４３に入射する光路である。このとき、第１折り返しミラー２０１及び第２折り返しミラー２０２の其々の鏡面を第１光路に対して伏せることにより、第１光路から退避する。

コントローラ２２０が遠距離で表示すると決定した場合（Ｓ１１０４／遠距離）、第２光路形成処理即ち第１折り返しミラー２０１の鏡面を第１光路上に挿入させるための挿入信号を第１ミラー駆動部２０３に対して出力すると共に、第２折り返しミラー２０２の鏡面を第１光路上に配置して第２光路を形成するための挿入信号を第２ミラー駆動部２０４に対して出力する（Ｓ１１０６）。

図１２Ｂは、第２光路が形成された状態を示す図である。第２光路を進行する映像光は、第１折り返しミラー２０１に到達すると第１折り返しミラー２０１により第１中間折り返しミラー２０５に向かって反射される。第１中間折り返しミラー２０５に到達した映像光は更に反射され、光学レンズ２０７を透過して第２中間折り返しミラー２０６へ到達する。更に映像光は第２中間折り返しミラー２０６で第２折り返しミラー２０２に向かって反射される。第２折り返しミラー２０２で反射した映像光は、外装ケース５４の開口部から入射し、レンズユニット４３に到達する。

ＨＵＤ１ＢのメインスイッチがＯＦＦにされなければ（Ｓ１１０７／Ｎｏ）、ステップＳ１１０１に戻り虚像距離制御処理を継続する。

ＨＵＤ１ＢのメインスイッチがＯＦＦにされると（Ｓ１１０７／Ｙｅｓ）、太陽光が映像表示装置３０に入射することを防ぐための太陽光遮光処理を実施する（Ｓ１１０８）。

図１２Ｃは太陽光遮光状態の各ミラーの配置状態を示す。太陽光遮光状態では、コントローラ２２０は第１折り返しミラー２０１の鏡面を第１光路から退避させると共に、第２折り返しミラー２０２の鏡面を第１光路上に挿入する。これにより、ＨＵＤ１Ｂに入射した太陽光は、レンズユニット４３から出射して第２折り返しミラー２０２に到達し、ここで反射され第２中間折り返しミラー２０６で反射される。そして光学レンズ２０７を透過し、第１中間折り返しミラー２０５で反射され、第１光路に対して伏せられた第１折り返しミラー２０１の鏡面に到達し、第１中間折り返しミラー２０５へ向かって反射する。その結果、ＨＵＤ１Ｂに入射した太陽光は、第１光路に対して伏せられた第１折り返しミラー２０１の鏡面で折り返されるので、太陽光が映像表示装置３０に入射するのを防ぐことができる。

本実施形態に既述の式（２）、（３）、（４）を適用すると、第１光路と第２光路との光路長差ΔＬにレンズユニット４３の倍率の２乗を乗算した虚像距離差を有して、第１光路を通過した映像による虚像をより近く、第２光路を通過した映像個による虚像をより遠くに表示させることができる。

図１３Ａ、図１３Ｂを参照してコントローラ２２０の構成について説明する。図１３Ａ、図１３Ｂはコントローラの機能ブロック例を示す図である。

図１３Ａの例では、コントローラ２２０に映像表示装置３０内に映像情報を生成する映像情報生成部３０１を含む。一方、コントローラ２２０は映像情報生成部３０１が生成した映像情報を取得する映像情報取得部２２０１と、映像種類とそれを虚像として表示する際の虚像距離（近距離又は遠距離のどちらか）とを関連付けた虚像距離判定情報を記憶する虚像距離判定情報記憶部２２０２と、虚像距離判定情報に基づいて映像情報取得部２２０１から取得した映像情報が近距離表示又は遠距離表示のどちらの対象となる映像であるかを判定する虚像距離判定部２２０３と、判定結果に基づいて近距離表示を行う際には第１光路に、遠距離表示を行う際には第２光路に、またＯＦＦ時には太陽光遮光状態に切り替えるためのミラー駆動信号を第１ミラー駆動部２０３及び第２ミラー駆動部２０４のそれぞれに出力する光路切替制御部２２０４とを含む。

図１３Ｂの例では、映像表示装置３０が、映像情報生成部３０１からの映像情報を取得し、虚像距離判定情報を記憶する虚像距離判定情報記憶部２２０２に記憶された虚像距離判定情報を参照して、生成された映像情報が近距離表示又は遠距離表示のどちらの対象となる映像であるかを判定する虚像距離判定部２２０３を有する。一方コントローラ２２０は光路切替制御部２２０４を備えておき、映像表示装置３０から虚像距離判定部２２０３の判定結果を含む判定情報を取得し、これを基に第１光路、第２光路、又は太陽光遮光状態に切り替えるためのミラー駆動信号を第１ミラー駆動部２０３及び第２ミラー駆動部２０４のそれぞれに出力するように構成してもよい。本例の動作フローが図１１１のフローと主に異なる点は、図１１のＳ１１０３においてコントローラ２２０が映像表示装置３０から映像情報を取得してＳ１１０４以下の処理が開始する代わりに、映像表示装置３０内でＳ１１０３〜Ｓ１１０４までの処理が実行され、Ｓ１１０４による虚像距離判定結果情報がコントローラ２２０に出力されてからＳ１１０５以下の処理が実行される点である。

図１４はコントローラ２２０のハードウェア構成例を示す図である。コントローラ２２０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)２５１、ＲＡＭ（Random Access Memory）２５２、ＲＯＭ（Read Only Memory）２５３、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）２５４、及びＩ／Ｆ２５５を含み、これらがバス２５６を介して互いに接続されて構成される。Ｉ／Ｆ２５５は映像表示装置３０、第１ミラー駆動部２０３、及び第２ミラー駆動部２０４に接続され、コントローラ２２０に対して映像情報又は虚像距離判定結果情報が入力されると共に、ミラー駆動信号が出力される。

図１３Ａ、図１３Ｂに示す各機能ブロックに対応する構成は、図１４に示す映像表示装置３０及びコントローラ２２０を構成するハードウェアと、各機能ブロックの機能を実現するプログラムとが協働することにより構成されてもよい。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１、１Ａ，１Ｂ…ＨＵＤ、２…車両、３…ウィンドシールド、５…運転者
３０…映像表示装置、３１ａ…ＬＥＤ光源、３１ｂ…ヒートシンク、３２…照明光学系、３２ａ…ライトファネル、３２ｂ…導光体、３３…表示素子、３３ａ…出射面、３２ｃ…拡散板、３２ｄ…接合部、３３…表示素子、３４…フレキシブルケーブル、３５…フレーム、３６ａ、３６ｂ…外装部材、
４１…自由曲面ミラー、４２…ミラー駆動部、４３…レンズユニット、
５０…外装筐体、５１…外装蓋部、５２…防眩板、５３…光学部品保持部材、５４…外装ケース、５５…光学部品保持外装ケース、
７０…メイン基板、
８０…虚像、
１００…自発光膜照射装置、１０２…筐体、１０２ａ…プロジェクタ収容部、１０２ｂ…開口部、１０２ｃ…中板、１０２ｄ…側板、１０２ｅ…天板、１０２ｆ、１０２ｇ、１０２ｈ…スリット、１０４…プロジェクタ、１１０…第１自発光膜、１１１…第１自発光膜ホルダ、１１２…第２自発光膜、１１３…第２自発光膜ホルダ、１１４…第３自発光膜、１１５…第３自発光膜ホルダ、１１６…黒スクリーン、１１７…スクリーンホルダ、
２００…虚像距離可変機構、２０１…第１折り返しミラー、２０１ｈ…第１折り返しミラー保持部、２０２…第２折り返しミラー、２０２ｈ…第２折り返しミラー保持部、２０３…第１ミラー駆動部、２０４…第２ミラー駆動部、２０５…第１中間折り返しミラー、２０６…第２中間折り返しミラー、２０７…光学レンズ、２１０…虚像距離可変機構筐体
２２０…コントローラ、２５１…ＣＰＵ、２５２…ＲＡＭ、２５３…ＲＯＭ、２５４…ＨＤＤ、２５５…Ｉ／Ｆ、２５６…バス
３０１…映像情報生成部
２２０１…映像情報取得部、２２０２…虚像距離判定情報記憶部、２２０３…虚像距離判定部、２２０４…光路切替制御部

図９Ａは、ＨＵＤ１Ｂの外装筐体５０を中心とした外観の例を示した斜視図である。また、図９Ｂは、図９Ａに示したＨＵＤ１Ｂを各部品に分解した状態を示した斜視図である。

更に第１中間折り返しミラー２０５及び第２中間折り返しミラー２０６の間には、光学レンズ（リレーレンズ）２０７が配置される。また、第１ミラー駆動部２０３及び第２ミラー駆動部２０４の其々は、第１折り返しミラー保持部２０１ｈ及び第２折り返しミラー保持部２０２ｈを回動させるためのミラー駆動信号（挿入信号及び退避信号を含む）を出力するコントローラ２２０（ミラー制御部に相当する）に接続される（図１２Ａ参照）。

本実施形態に既述の式（２）、（３）、（４）を適用すると、第１光路と第２光路との光路長差ΔＬにレンズユニット４３の倍率の２乗を乗算した虚像距離差を有して、第１光路を通過した映像による虚像をより近く、第２光路を通過した映像光による虚像をより遠くに表示させることができる。

図１３Ｂの例では、映像表示装置３０が、映像情報生成部３０１からの映像情報を取得し、虚像距離判定情報を記憶する虚像距離判定情報記憶部２２０２に記憶された虚像距離判定情報を参照して、生成された映像情報が近距離表示又は遠距離表示のどちらの対象となる映像であるかを判定する虚像距離判定部２２０３を有する。一方コントローラ２２０は光路切替制御部２２０４を備えておき、映像表示装置３０から虚像距離判定部２２０３の判定結果を含む判定情報を取得し、これを基に第１光路、第２光路、又は太陽光遮光状態に切り替えるためのミラー駆動信号を第１ミラー駆動部２０３及び第２ミラー駆動部２０４のそれぞれに出力するように構成してもよい。本例の動作フローが図１１のフローと主に異なる点は、図１１のＳ１１０３においてコントローラ２２０が映像表示装置３０から映像情報を取得してＳ１１０４以下の処理が開始する代わりに、映像表示装置３０内でＳ１１０３〜Ｓ１１０４までの処理が実行され、Ｓ１１０４による虚像距離判定結果情報がコントローラ２２０に出力されてからＳ１１０５以下の処理が実行される点である。

Claims (4)

1. 運転者に対して虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   光源及び表示素子を有し、前記表示素子に映像を形成する映像表示装置と、
   前記映像表示装置から出射された前記映像を含む映像光を被投射部材で反射させることで前記映像に係る虚像を車両の前方に表示する虚像光学系と、
   前記虚像光学系を収容する筐体と、を備え、
   前記筐体は、前記映像光が出射する開口部を備え、
   前記虚像光学系は、前記表示素子における前記映像光の出射面に近い位置から順に、前記映像光の出射方向に沿って配置されたレンズユニットと自由曲面ミラーとを含み、
   前記表示素子は、前記出射面における前記開口部側の端部が前記レンズユニットにおける入射面に近く、前記出射面における前記開口部とは反対側の端部が前記レンズユニットにおける入射面から離れた、前記レンズユニットの光軸に対する傾斜姿勢で配置され、
   前記レンズユニットは、前記開口部側の端部から前記レンズユニットの入射面までの第１光路長と前記開口部側とは反対側の端部から前記レンズユニットの入射面までの第２光路長との差からなる光路長差を光学的に拡大する光学特性を有する、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
   前記虚像の上端部から前記運転者までの第１虚像距離と前記虚像の下端部から前記運転者までの第２虚像距離との虚像距離差は、前記レンズユニットにより拡大された前記光学的な光路長差と等しいと見做せる許容範囲内の値である、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
3. 運転者に対して虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   第１周波数成分及び前記第１周波数成分とは異なる第２周波数成分を含む映像光を出射するプロジェクタ、及び前記第１周波数成分に反応して第１映像光を発光する第１自発光膜、及び前記第２周波数成分に反応して第２映像光を発光する第２自発光膜を、前記プロジェクタから照射される映像光の照射範囲内に間隔を空けて配置された自発光膜照射装置と、
   前記第１映像光及び前記第２映像光を被投射部材で反射させることで前記第１映像光及び前記第２映像光に係る虚像を車両の前方に表示する虚像光学系と、
   前記虚像光学系を収容する筐体と、を備え、
   前記虚像光学系は、前記第１自発光膜に近い位置から順に、前記第１映像光及び前記第２映像光の出射方向に沿って配置されたレンズユニットと自由曲面ミラーとを含み、
   前記レンズユニットは、前記第１自発光膜から前記レンズユニットの入射面までの前記第１映像光の第１光路長と、前記第２自発光膜から前記レンズユニットの入射面までの前記第２映像光の第２光路長との差からなる光路長差を光学的に拡大する光学特性を有する、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
4. 運転者に対して虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   映像光を出射する映像表示装置と、
   前記映像表示装置から出射された前記映像光を被投射部材で反射させることで前記映像光に含まれる映像を虚像として車両の前方に表示する虚像光学系と、
   前記虚像光学系を収容する筐体と、
   前記映像表示装置及び前記虚像光学系の間に配置され、前記映像表示装置から出射した前記映像光が前記虚像光学系に入射する第１光路及び当該第１光路よりも長い第２光路を形成する虚像距離可変機構と、を備え、
   前記虚像光学系は、前記虚像距離可変機構に近い位置から順に、前記映像光の出射方向に沿って配置されたレンズユニットと自由曲面ミラーとを含み、
   前記虚像距離可変機構は、
   前記第１光路を進行する前記映像光を前記第２光路に向けて反射させる第１折り返しミラーと、
   前記第１折り返しミラーからの反射光の進行方向を変える少なくとも一つの中間折り返しミラーと、
   前記中間折り返しミラーからの反射光を前記第１光路の進行方向に沿うように反射させる第２折り返しミラーと、
   前記第１折り返しミラーの鏡面を前記第１光路に挿入又は退避させる第１ミラー駆動部と、
   前記第２折り返しミラーの鏡面を前記第１光路に挿入又は退避させる第２ミラー駆動部と、
   前記第１ミラー駆動部及び前記第２ミラー駆動部の駆動制御を行うミラー制御部と、を備え、
   前記ミラー制御部は、
   前記第１光路の形成時には、前記第１ミラー駆動部に対して前記第１折り返しミラーの鏡面を前記第１光路から退避させるための退避信号を出力すると共に、前記第２ミラー駆動部に対して前記第２折り返しミラーの鏡面を前記第１光路から退避させるための退避信号を出力し、
   前記第２光路の形成時には、前記第１ミラー駆動部に対して前記第１折り返しミラーの鏡面を前記第１光路に挿入させるための挿入信号を出力すると共に、前記第２ミラー駆動部に対して前記第２折り返しミラーの鏡面を前記第１光路に挿入させるための挿入信号を出力し、
   前記レンズユニットは、前記第１光路の光路長及び前記第２光路の光路長の差からなる光路長差を光学的に拡大する光学特性を有する、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
   

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