JPWO2019044595A1 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

小型で、かつアイボックスの上下方向の範囲が広いヘッドアップディスプレイ装置を提供する。画像表示面１と、第１凹面ミラー２と、第２凹面ミラー３と、第３凹面ミラー４とを有し、画像表示面１から射出された表示光が、第１凹面ミラー２、第２凹面ミラー３、第３凹面ミラー５の順に反射して画像反射面６に到達し、第２凹面ミラー３と第３凹面ミラー５との間で、画像表示面１に表示された画像の中間像を形成し、画像表示面１から第１凹面ミラー２へ向かう光束と、第２凹面ミラー３から第３凹面ミラー５へ向かう光束とが交差するように構成する。

Description

本発明は、観察者と対向する画像反射面において画像表示面に表示された画像の表示光を観察者側に反射させ、観察者に対して画像反射面越しに画像を虚像として拡大表示するヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。

従来より、自動車等の運転者に対して方向指示や注意喚起、走行速度等の情報を表示する装置として、ヘッドアップディスプレイ装置が知られている。ヘッドアップディスプレイ装置は、表示する画像の虚像をフロントウィンドウやコンバイナ等の画像反射面に映し出して、運転者が視界から目をそらすことなく自動車等の運転に必要な情報を認識することができるようにするためのものである。このようなヘッドアップディスプレイ装置として、特許文献１〜５が提案されている。

特許第６０９６９１１号明細書 特開２０１４−１７０１１２号公報 特開２０１６−１８６５０９号公報 特開２０１６−９５４１１号公報 特開２０１６−２２４４６１号公報

このようなヘッドアップディスプレイ装置は、自動車等の移動体の運転席周りの限られた空間に設置しなければならないため、小型であることが要求される。

また、近年のヘッドアップディスプレイ装置では、フロントウィンドウ越しに見える景色に合わせて、ナビゲーションの情報および／または施設の情報等を表示する拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）と呼ばれる手法が提案されている。このＡＲ系コンテンツを表示する場合には、フロントウィンドウ越しに見える景色中の各施設および／または道路の位置に厳密に合わせて情報を表示させないと効果的でないため、運転者の眼の位置を考慮して、虚像表示位置および角度を厳密に設定する必要がある。

ところで、ヘッドアップディスプレイ装置では、運転者が適切に虚像を観察できる範囲、すなわちアイボックスが決まっている。このアイボックスは、運転者が適切な運転姿勢をとった際に、運転者の眼が位置することが想定される範囲に設定されている。運転席の左右方向の位置は一般的には固定されているため、アイボックスに対して運転者の眼が左右方向で外れることは考えにくい。しかしながら、運転席の前後方向および上下方向の位置は一般的には調整可能であり、また運転者の身長および運転姿勢も多様であるため、アイボックスに対して運転者の眼が上下方向では外れやすくなってしまう。

このような問題を解消するため、運転者の瞳位置に合わせて、ヘッドアップディスプレイ装置の表示ユニットを車両の前後方向に回転させて、アイボックスの上下方向の位置を調整可能とすることが考えられるが、この場合には虚像の表示俯角が変わってしまうため、ＡＲ系コンテンツの表示には適さない。

以上のことから、小型でありながら、アイボックス自体を上下方向に拡張し、多様な運転手に対して適切に虚像を表示可能なヘッドアップディスプレイ装置が要望されているが、特許文献１〜３の装置では、２枚または３枚のミラーを用いて光路を折り曲げたヘッドアップディスプレイ装置としているものの、十分な小型化がなされていなかった。また、特許文献４，５の装置では、アイボックスの上下方向が６０ｍｍ（ミリメートル）程度と狭いという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、小型で、かつアイボックスの上下方向の範囲が広い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ものである。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、観察者と対向する画像反射面において画像表示面に表示された画像の表示光を観察者側に反射させ、観察者に対して画像反射面越しに画像を虚像として拡大表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、画像表示面と、第１凹面ミラーと、第２凹面ミラーと、第３凹面ミラーとを有し、画像表示面から射出された表示光が、第１凹面ミラー、第２凹面ミラー、第３凹面ミラーの順に反射して画像反射面に到達し、第２凹面ミラーと第３凹面ミラーとの間で、画像表示面に表示された画像の中間像を形成し、画像表示面から第１凹面ミラーへ向かう光束と、第２凹面ミラーから第３凹面ミラーへ向かう光束とが交差する。

ここで、「画像表示面」とは、画像表示素子そのものの画像表示面のみならず、適正に虚像を観察できる観察者の瞳位置の範囲（以下、アイボックスと表記）を拡大するために、画像表示素子に表示された画像をディフューザー等の拡散部材に一旦投影するものについて、この拡散部材の画像表示面を上記の「画像表示面」と見做す場合も含む。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置においては、第１凹面ミラーにおける表示光の反射面積をＭ１、第２凹面ミラーにおける表示光の反射面積をＭ２、第３凹面ミラーにおける表示光の反射面積をＭ３とした場合、条件式（１）を満足することが好ましい。
Ｍ２＜Ｍ１＜Ｍ３ …（１）

ここで、「第１〜第３凹面ミラーにおける表示光の反射面積」とは、各凹面ミラーの反射面の面積ではなく、各凹面ミラーの反射面の中で、表示光の反射に寄与している部分の面積を意味する。

また、画像表示面が、第２凹面ミラーから第３凹面ミラーへ向かう光束に対して、画像反射面と逆側に配置されていることが好ましい。

また、第２凹面ミラーと第３凹面ミラーとの間に絞りを有することが好ましい。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、観察者と対向する画像反射面において画像表示面に表示された画像の表示光を観察者側に反射させ、観察者に対して画像反射面越しに画像を虚像として拡大表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、画像表示面と、第１凹面ミラーと、第２凹面ミラーと、第３凹面ミラーとを有し、画像表示面から射出された表示光が、第１凹面ミラー、第２凹面ミラー、第３凹面ミラーの順に反射して画像反射面に到達し、第２凹面ミラーと第３凹面ミラーとの間で、画像表示面に表示された画像の中間像を形成し、画像表示面から第１凹面ミラーへ向かう光束と、第２凹面ミラーから第３凹面ミラーへ向かう光束とが交差するものとしたので、小型で、かつアイボックスの上下方向の範囲が広いヘッドアップディスプレイ装置とすることができる。

本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の運転席の模式図 上記ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 本発明の一実施例のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 上記実施例のヘッドアップディスプレイ装置の絞り（開口）面上の光束断面図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の運転席の模式図、図２はこのヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０は、自動車のダッシュボード内に配置され、装置内から射出した走行速度等の情報を示す画像をフロントウィンドウ（画像反射面）６で反射させ、運転者（観察者）７のフロントウィンドウ６越し前方に虚像８として拡大表示するものである。

図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、画像表示面１と、第１凹面ミラー２と、第２凹面ミラー３と、第３凹面ミラー５とを有し、画像表示面１から射出された表示光が、第１凹面ミラー２、第２凹面ミラー３、第３凹面ミラー５の順に反射して画像反射面に到達するように構成されている。

画像表示面１は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）やＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）のような画像表示素子の画像表示面を図２における画像表示面１とする構成としてもよいし、図２における画像表示面１にスクリーンを配置し、不図示のプロジェクター装置を用いてスクリーンに画像を投写する構成としてもよい。

また、光束を曲げるための３枚のミラー（第１凹面ミラー２、第２凹面ミラー３、および第３凹面ミラー５）を全て凹面ミラーとすることで、光束を収束させるためのパワーを３枚のミラーで分担させることができるため、収差を抑えることができる。

また、第２凹面ミラー３と第３凹面ミラー５との間で、画像表示面１に表示された画像の中間像を形成するように構成されている。このような構成とすることによって、アイボックスを拡大しつつ、中間像周辺の光束を細くできるため、装置全体を小型に抑えることができる。

さらに、画像表示面１から第１凹面ミラー２へ向かう光束と、第２凹面ミラー３から第３凹面ミラー５へ向かう光束とが交差するように構成されている。このような構成とすることによって、光路長を確保しつつ、装置全体を小型に抑えることができる。

以上のことから、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０は、収差を抑えつつ、小型で、かつアイボックスの上下方向の範囲が広いヘッドアップディスプレイ装置とすることができる。

本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０においては、第１凹面ミラー２における表示光の反射面積をＭ１、第２凹面ミラー３における表示光の反射面積をＭ２、第３凹面ミラー５における表示光の反射面積をＭ３とした場合、条件式（１）を満足することが好ましい。このような構成とすることによって、画像表示面１から射出された表示光を第１凹面ミラー２が収束させ、第１凹面ミラー２から中間像の間の比較的表示光の光束が狭まった位置に第２凹面ミラー３が配置され、中間像から先で発散した表示光の光束を第３凹面ミラー５が再度収束させる構成となり、運転者（観察者）７の瞳の像と第２凹面ミラー３が近接して球面収差の補正に適した配置となるため、第２凹面ミラー３において球面収差を効果的に補正することができる。
Ｍ２＜Ｍ１＜Ｍ３ …（１）

また、画像表示面１が、第２凹面ミラー３から第３凹面ミラー５向かう光束に対して、画像反射面６と逆側に配置されていることが好ましい。このような構成とすることによって、画像表示面１を構成する部材を配置するための空間の確保が容易となる。

また、第２凹面ミラー３と第３凹面ミラー５との間に絞り４を有することが好ましい。このような構成とすることによって、迷光を防ぎ、虚像８の表示コントラストを向上させることができる。

次に、本発明のヘッドアップディスプレイ装置の数値実施例について説明する。図３は実施例のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図、図４は実施例のヘッドアップディスプレイ装置の絞り（開口）面上の光束断面図である。なお、図２は実施例の構成を説明するための構成図としての内容を含む。

表１に諸元に関するデータを示す。ここでは、ＦＯＶ（Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｖｉｅｗ）［水平方向Ｈ×垂直方向Ｖ］（°）、アイボックス（入射瞳）サイズ（水平方向（ｍｍ：ミリメートル））×垂直方向（ｍｍ：ミリメートル））、虚像距離（ｍｍ：ミリメートル）、画像表示領域（水平方向（ｍｍ：ミリメートル）×垂直方向（ｍｍ：ミリメートル））の値を示す。

表２にヘッドアップディスプレイ装置を構成する各要素の配置座標データを示す。ここでは、図２に示した画像表示面１の中心を原点とする絶対座標系と、第１凹面ミラー２、第２凹面ミラー３、絞り（開口）４、第３凹面ミラー５、画像反射面６、観察者（表２では瞳と表記）７、および虚像８の各要素の面上に設定されたローカル座標系を組み合わせて記述する。

なお、ローカル座標系の設定は下記の通りである。各ローカル座標系の原点とＺ軸の成分ベクトルをそれぞれ絶対座標系で（ｘ，ｙ，ｚ）、（ｉ，ｊ，ｋ）とする。また、各ローカル座標系の原点を通過し、Ｚ軸に直交する平面(ＸＹ平面)を各要素の基準面とし、各基準面の法線ベクトルＮはローカル座標系のＺ軸と一致する。また、Ｘ軸は図２表示面と直交し、表示面の手前側をプラス側とする。また、Ｙ軸とＺ軸は図２表示面と平行とする。また、Ｚ軸とＸ軸の外積に一致するようにＹ軸を設定している。また、第１凹面ミラー２、第２凹面ミラー３、第３凹面ミラー５、および画像反射面６の基準面は近軸曲率を持ち、その上に自由曲面形状を付加形状として設定している。また、開口値を持つ要素ではＸ軸を長辺としＹ軸を短辺とする矩形開口を基準面上に設定している。

また、第１凹面ミラー２、第２凹面ミラー３、第３凹面ミラー５、および画像反射面６はパワーを有する反射面であり、各面の自由曲面係数に関するデータを表３に示す。自由曲面係数は、下記式で表される自由曲面式における回転非対称非球面係数Ｃ（ｉ，ｊ）の値である。なお、表３で特に記述しない回転非対称非球面係数は０である。

ただし、
Ｘ，Ｙ，Ｚ：面頂点を原点とした各座標
Ｃ（ｉ，ｊ）：回転非対称非球面係数 ( ｉ＋ｊ＝ｋ，ｋ＝１〜１０ )
とする。

以上のデータから、実施例のヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスの上下方向の範囲は１５０ｍｍと、一般的なヘッドアップディスプレイ装置と比較して広く、小型で、かつアイボックスの上下方向の範囲が広いヘッドアップディスプレイ装置であることが分かる。

以上、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、ヘッドアップディスプレイ装置を構成する各要素の位置や大きさについては、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

Claims (4)

1. 観察者と対向する画像反射面において画像表示面に表示された画像の表示光を前記観察者側に反射させ、前記観察者に対して前記画像反射面越しに前記画像を虚像として拡大表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記画像表示面と、第１凹面ミラーと、第２凹面ミラーと、第３凹面ミラーとを有し、
   前記画像表示面から射出された前記表示光が、前記第１凹面ミラー、前記第２凹面ミラー、前記第３凹面ミラーの順に反射して前記画像反射面に到達し、
   前記第２凹面ミラーと前記第３凹面ミラーとの間で、前記画像表示面に表示された画像の中間像を形成し、
   前記画像表示面から前記第１凹面ミラーへ向かう光束と、前記第２凹面ミラーから前記第３凹面ミラーへ向かう光束とが交差するヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記第１凹面ミラーにおける前記表示光の反射面積をＭ１、
   前記第２凹面ミラーにおける前記表示光の反射面積をＭ２、
   前記第３凹面ミラーにおける前記表示光の反射面積をＭ３とした場合、
   Ｍ２＜Ｍ１＜Ｍ３ …（１）
   で表される条件式（１）を満足する
   請求項１記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記画像表示面が、前記第２凹面ミラーから前記第３凹面ミラーへ向かう光束に対して、前記画像反射面と逆側に配置されている
   請求項１または２記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記第２凹面ミラーと前記第３凹面ミラーとの間に絞りを有する
   請求項１から３のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ装置。