WO2020049873A1 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、運転者の視点移動が少なく映像を快適に視認できるヘッドアップディスプレイ装置を提供する。映像を投射して車両の前方に虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置１は、車両２の走行状態に関する車両情報４を取得する車両情報取得部１０と、運転者５から見た虚像９までの表示距離を調整する表示距離調整機構４０を備える。表示距離の調整では、予め、各走行状態において運転者が最も集中しやすい視点距離をその走行状態における表示距離の推奨値としてメモリ２３に記憶しておく。そして、車両情報取得部１０を介して取得した車両情報から現在の走行状態を判断し、メモリ２３に記憶された推奨値を参照して、走行状態に応じて表示距離調整機構４０を介して虚像の表示距離を調整する。

Description

ヘッドアップディスプレイ装置

　本発明は、車両に搭載し映像の表示距離を調整可能なヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。

　近年、車両のフロントガラスを介して前方に映像情報を虚像として表示する車両用映像表示装置（ヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ））が実用化されている。その際、表示する映像情報として運転者向けの情報を提供することで、車両の運転操作を支援することができる。

　映像（虚像）を表示する際、運転者の目から見える虚像までの距離（表示距離）を固定とする第１の方式と、フロントガラスの前方に見える物体（先行車両や歩行者など）までの距離に合わせる第２の方式や、運転者の注目している視点位置までの距離に合わせる第３の方式がある。表示距離を可変とする第２、第３の方式では、ＨＵＤには、虚像の表示距離を調整するための調整機構が備えられる。例えば特許文献１には、可動式レンズや機能性液晶フィルムなどを用いる方式が提案されている。

国際公開第２０１７－１３４８６１号公報

　運転時の周囲環境や走行状態によって運転者の視点が集中する距離は変化する。虚像の表示距離を固定とする第１の方式では、表示された虚像と視点が合わず見にくいものとなる。よって運転者は、虚像までの視点移動が必要になり、目の疲れを助長させ運転に集中できなくなる恐れがある。

　その点、前方物体（先行車両や歩行者など）までの距離に合わせる第２の方式では、運転者の視点が物体位置にあれば虚像までの視点移動は不要となる。しかし、前方物体が必ずしも運転者が注目する対象物とは限らず、また物体が複数存在する場合には、運転者の注意力をどの物体に合わせるべきかを判断するのは困難である。さらに、運転者の視点距離に合わせる第３の方式では、運転中の視点距離は交通状況等によって始終頻繁に変化するものであるから、表示距離をこれにリアルタイムに追従させる結果、運転者にとって煩わしく見にくいものとなる。このように、第１～第３のいずれの方式も、運転者にとって快適に視認できる表示とは言い難いものであった。

　本発明の目的は、運転者の視点移動が少なく映像を快適に視認できるヘッドアップディスプレイ装置を提供することである。

　上記課題を解決するため、本発明によるヘッドアップディスプレイ装置は、車両の走行状態に関する車両情報を取得する車両情報取得部と、投射する映像を生成する映像表示装置と、運転者の目から見た虚像までの表示距離を調整する表示距離調整機構と、映像表示装置と表示距離調整機構を制御する制御部と、を備え、制御部は、車両情報取得部を介して取得した車両情報を用いて現在の車両の走行状態を判断し、走行状態に応じて表示距離調整機構を介して虚像までの表示距離を調整する構成とした。ここに、各走行状態において運転者が最も集中しやすい視点距離をその走行状態における表示距離の推奨値としてメモリに記憶し、制御部は、メモリに記憶された推奨値を参照して表示距離を調整する。

　本発明によれば、走行状態に応じて運転者が最も集中しやすい視点距離に基づいて映像を表示するので、視点移動が少なく映像を快適に視認できる効果がある。

車両に搭載したヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ）の概要を示す図。 ＨＵＤによる映像表示動作を示す図。 ＨＵＤの制御系の構成を示すブロック図。 車両情報の取得に係るハードウェアの構成例を示す図。 表示距離調整機構の構成例を示す図。 表示距離の制御を示すフローチャート。 各種走行状態における運転者の視点距離を計測した結果を示す図。 表示距離と二重像発生の関係を示す図。 走行状態に応じて設定する表示距離の推奨値の例を示す図。

　本発明によるヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ）の実施形態について、図面を用いて説明する。

　図１は、車両に搭載したＨＵＤの概要を示す図である。ＨＵＤ１は車両２に搭載され、映像表示装置３０で生成した映像をミラー５２を介して車両２のフロントガラス３（ウィンドシールドとも呼ぶ）に投射する。ウィンドシールド３で反射した映像は運転者の目に入射し、映像を視認することができる。表示する映像には運転に関連する情報が含まれ、運転操作を支援するものとなる。

　ＨＵＤ１の内部は、各種の車両情報４を取得する車両情報取得部１０と、これをもとに表示する映像情報を生成する制御部２０と、映像の表示距離を調整する表示距離調整機構４０、ミラー５２を駆動するミラー駆動部５０、音声情報を出力するスピーカ６０などを有する。車両情報４には車両の運転状態を示す速度情報やギア情報などの他に、ハンドル操舵角情報、車外の明るさを示す照度情報、走行位置を示す地図情報などが含まれる。

　図２は、ＨＵＤ１による映像表示動作を示す図である。車両２のダッシュボードの下部に設置された映像表示装置３０から、表示用の映像が出射される。出射された映像は、表示距離調整機構４０にて映像の表示距離が調整され、第１のミラー５１と第２のミラー５２で反射され、ウィンドシールド３に向けて投射される。第１のミラー５１は固定されており、第２のミラー５２はミラー駆動部５０により回転可能となっている。

　ミラー５２から収束して投射された映像は、ウィンドシールド３にて反射され運転者の目５に入射して網膜上に結像することで、映像を視認することができる。そのとき運転者は、ウィンドシールド３の前方に存在する虚像９を見ていることになる。ここで表示距離調整機構４０は、制御部２０からの制御により、走行状態に応じて運転者の目５から見た虚像９までの表示距離を矢印の方向に調整する。ミラー駆動部５０は、運転者の目５の高さに応じてミラー５２を軸回転させ、虚像９の表示位置（高さ方向）を調整する。これらの調整により、運転者は虚像９を見やすい位置で視認することができる。

　図３は、ＨＵＤ１の制御系の構成を示すブロック図である。車両情報取得部１０には各種の車両情報４が入力され、制御部２０へ送られる。制御部２０内の電子制御ユニット（ＥＣＵ、Electronic Control Unit）２１は、入力した車両情報４に基づきＨＵＤ１が表示する映像信号（表示コンテンツ）や、ＨＵＤ１に対する各種制御信号を生成する。音声出力部２２はスピーカ６０への音声信号を生成する。不揮発性メモリ２３は、ＥＣＵ２１が実行するプログラムや各種制御データを格納し、メモリ２４は、映像情報や制御情報を記憶する。

　映像表示装置３０は、ＬＥＤやレーザなどの光源３１、照明光学系（図示せず）、液晶素子などの表示素子３２からなり、表示素子３２で生成された映像光を表示距離調整機構４０を介してミラー５２に向けて出射する。

　制御部２０内の光源調整部２５は、映像表示装置３０内の光源３１を制御する。歪み補正部２６は、表示する映像信号の歪みを補正し、表示素子駆動部２７は、補正された映像信号に基づき映像表示装置３０内の表示素子３２を駆動する。

　表示距離調整部２８は、映像の表示距離を調整するための駆動信号を表示距離調整機構４０に出力する。ミラー調整部２９は、ミラー５２の位置や姿勢を調整するための駆動信号をミラー駆動部５０に出力する。

　本実施例では、ＥＣＵ２１は、車両情報取得部１０を介して取得した車両情報４を用いて現在の走行状態を判断し、表示距離調整部２８に対し表示距離についての制御を指示する。具体的には、後述する図９のように走行状態を区分する。そのため、車両情報４の中の照度情報や時刻情報を用いて、昼間と夜間の判断を行う。また、速度情報、ギア情報、地図情報を用いて、一般道走行か高速道走行かを判断する。さらには、操舵情報や地図情報を用いて、右左折走行か直進走行かを判断する。これらの走行状態に応じて、表示距離調整部２８は映像の表示距離を切り替える。

　表示距離の制御では、予め各種走行状態において運転者が最も集中しやすい視点距離を求め、これをその走行状態における推奨値とし、不揮発性メモリ２３に記憶している。ＥＣＵ２１はこの推奨値を参照して表示距離を決定する。

　図４は、車両情報４の取得に係るハードウェアの構成例を示す図である。車両情報４の取得は、例えば、制御部２０内の電子制御ユニット（ＥＣＵ）２１の制御の下、車両２に設置された各種のセンサ等の情報取得デバイスにより行われる。なお、本実施例の動作を実行するために必ずしもこれら全てのデバイスを備えている必要はなく、また、適宜他の種類のデバイスを追加してもよい。

　車速センサ１０１は、車両２の速度情報を取得する。シフトポジションセンサ１０２は、車両２の現在のギア情報を取得する。ハンドル操舵角センサ１０３は、ハンドル操舵角情報を取得する。ヘッドライトセンサ１０４は、ヘッドライトのＯｎ／Ｏｆｆに係るランプ点灯情報を取得する。照度センサ１０５および色度センサ１０６は、外光の明るさと色合いの情報を取得する。測距センサ１０７は、車両２と外部の物体との間の距離情報を取得する。赤外線センサ１０８は、車両２の近距離における物体の有無や距離等に係る赤外線情報を取得する。エンジン始動センサ１０９は、エンジンＯｎ／Ｏｆｆ情報を検知する。

　加速度センサ１１０およびジャイロセンサ１１１は、車両２の姿勢や挙動の情報として、加速度や角速度からなる加速度ジャイロ情報を取得する。温度センサ１１２は車内外の温度情報を取得する。路車間通信用無線送受信機１１３は、車両２と路側機との間の路車間通信により、車車間通信用無線送受信機１１４は、車両２と周辺の他の車両との間の車車間通信により、車両２の周辺の情報を取得する。

　カメラ（車内）１１５およびカメラ（車外）１１６は、それぞれ、車内および車外の状況の画像を撮影してカメラ映像情報（車内／車外）を取得する。特にカメラ（車外）１１６では、車両２の前方や後方等の周囲の状況を撮影する。得られた画像を解析することにより、例えば、周辺の他の車両や歩行者等の移動物の有無、建物や地形、路面状況（雨や積雪、凍結、凹凸等）などを把握することが可能である。

　ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）受信機１１７は、ＧＰＳ信号を受信してＧＰＳ情報を取得する。ＶＩＣＳ（Vehicle Information and Communication System：道路交通情報通信システム、登録商標（以下同様））受信機１１８は、ＶＩＣＳ信号を受信してＶＩＣＳ情報を取得する。これらの情報を取得して地図データと照合することで、車両２の位置や進行方向を示す地図情報を生成する。

　図５は、表示距離調整機構４０の構成例を示す図である。表示距離調整機構４０は、制御部２０（表示距離調整部２８）からの指示に基づいて、表示される虚像の運転者の目５からの距離を調整する機構であり、各種の表示距離調整手法が可能である。ここではその一例として、可動式レンズを用いた表示距離調整機構４０について説明する。

　映像表示装置３０から投射された映像は、拡散板（ディフューザ）４１で結像した後、複数（ここでは３個）のエリアに分けて設けられた可動式レンズ４２を介してミラー５２に入射される。各可動式レンズ４２は、図示しないレンズ可動機構によって、それぞれ個別に光軸方向に沿って移動させることができる。映像表示装置３０から投射された映像に基づく虚像９の表示位置は、拡散板４１と各可動式レンズ４２との距離に応じて決定される。よって、可動式レンズ４２を移動させることで、エリア毎に焦点距離を変えて、虚像の表示距離を変化させることができる。

　具体的には、例えば図５に示すように、最上部のエリアでは可動式レンズ４２を拡散板４１に近い位置に移動させることで、対応する虚像の表示距離を近くすることができる。逆に、最下部のエリアでは可動式レンズ４２を拡散板４１から遠い位置に移動させることで、対応する虚像の表示距離を遠くすることができる。なお、可動式レンズ４２の数は図示するような３個に限定されず、所望のエリアの数に応じて適宜構成すればよい。

　この他の表示距離調整手法として、レンズ位置を固定し拡散板を光軸方向に移動させる可動式拡散板を用いる方法、拡散板として機能性液晶フィルムを用いる方法などが可能である。

　図６は、表示距離の制御を示すフローチャートである。以下の処理は、制御部２０内のＥＣＵ２１が走行状態に応じて表示距離調整部２８を制御して行う。なお、走行状態は、後述する図９の区分に従って説明する。
  Ｓ２０１：ＥＣＵ２１は、車両情報取得部１０を介し、車両の走行状態に関する情報を取得する。具体的には、外光の明るさを示す照度情報や時刻情報、車両の速度情報やギア情報、操舵情報、地図情報などを取得する。

　Ｓ２０２：ＥＣＵ２１は、照度情報や時刻情報を基に、現在の明るさが昼間か夜間かを判定する。ただしここでは、照度が所定値よりも明るいときを昼間、照度が所定値よりも暗いときを夜間とする。よって、時刻情報では昼間でも、照度が暗いときは夜間と判定する。
  Ｓ２０３：ＥＣＵ２１は、速度情報、ギア情報、地図情報を基に、走行中の道路が一般道か高速道かを判定する。

　Ｓ２０４：さらにＥＣＵ２１は、操舵情報や地図情報を用いて、運転操作状態が右左折走行時（交差点走行時を含む）か直進走行時かを判定する。判定の結果、右左折走行時であれば（判定：Ｙｅｓ）Ｓ２０６へ進み、直進走行時（交差点以外）であれば（判定：Ｎｏ）、Ｓ２０５へ進む。

　Ｓ２０５：ＥＣＵ２１は、不揮発性メモリ２３に記憶している表示距離の推奨値を参照し、現在の走行状態での推奨値Ｌａを読み出す。表示距離の推奨値の例は、図９で後述する。
  Ｓ２０６：ＥＣＵ２１は、測距センサ１０７で前方物体（先行車両、歩行者、信号機など）までの距離Ｌｂを測定する。

　Ｓ２０７：ＥＣＵ２１は、Ｓ２０５またはＳ２０６で取得した表示距離Ｌａ，Ｌｂの値を表示距離調整部２８に送る。表示距離調整部２８は表示距離調整機構４０を駆動して、映像表示装置３０から投射される映像の表示距離がＬａ，Ｌｂとなるよう調整する。その後、Ｓ２０１に戻り上記処理を繰り返す。

　上記のフローチャートでは、走行状態が昼間か夜間か、走行中の道路が一般道か高速道か、を判定し、現在の走行状態に応じて表示距離を調整したが、走行状態の区分は一例であり、これに限定されない。
  次に、各種走行状態における最適な表示距離（推奨値）の設定について説明する。

　図７は、各種走行状態における運転者の視点距離を計測した結果を示す図である。一般の被験者を対象に、市販の視線計測器を用いて運転中の視点距離を計測し、計測結果を視点距離ごとの度数分布（％）で表している。なお、視点距離は、０～０．８ｍ、０．８～５ｍ、のように区分している。走行状態として、昼間／夜間の比較、また走行道路として一般道（市街地、住宅街）と高速道の比較を行っている。視点計測の結果、走行状態に応じて視点距離の度数分布の高い範囲（視点が最も集中しやすい範囲）が存在し、最適な表示距離について次の知見が得られた。

　各走行状態において、運転者は８５％以上の確率で４０ｍ以内を見ている。すなわち４０ｍを超える距離に虚像を表示しても運転時の視点のままでは焦点が虚像に合わず、虚像を見るには視点の移動を伴うことになる。

　昼間の一般道では、比較的遠くを見る確率が高いものの、２０ｍ以上はあまり見ていない。よって、昼間の一般道での表示距離は２０ｍ以下が良い。昼間の高速道での表示距離は一般道よりも遠くし、４０ｍ以下が良い。
  夜間の一般道では、５ｍ以下を見る確率が合計９３．４％にもなる。この結果から、表示距離を５ｍに固定する。夜間の高速道での表示距離は一般道よりも遠くし、４０ｍ以下とする。

　このように、運転者の視点が最も集中しやすい範囲に表示距離を設定することで、運転者は視点移動が少なく、かつ快適に映像を視認することができる。つまり、前方物体までの距離や現時点の視点位置に合わせて表示位置を逐一追従させる方式に比べ、表示距離が走行状態に応じて固定されているので、表示距離が頻繁に切り替わることによる煩わしさが解消される。

　一方、表示距離が極端に近い場合には、二重像の発生により虚像が見にくくなる問題がある。ＨＵＤでは、フロントガラスの内側による反射光と、フロントガラスの外側による反射光が運転者の目に入射されることで、虚像の表示位置がずれて二重に視認され、映像の視認性を低下させてしまう。よって、これを避けるのが望ましい。

　図８は、虚像表示距離と二重像発生の関係をシミュレーションにより求めた図である。フロントガラス３の傾斜角を４５度と仮定し、内側反射光の角度θ１と、外側反射光の角度θ２から角度差Δθを求めたものである。表示距離Ｌが小さくなると角度差Δθが大きくなることが分かる。

　二重像に対し、通常の視力（両眼視力＝０．７）を有する人間が視認することのできる角度差Δθは、０．０２４ｄｅｇ以上と言われる。よって、角度差Δθがこの検知限以下となるような距離に表示すれば、二重像を視認することがない。この図から、表示距離Ｌの下限値は約１０ｍとするのが適当と言える。なお、運転者の視力に応じて検知限が異なるので、それに合わせて表示距離の下限値を変更するようにしてもよい。例えば、両眼視力＝１．０の運転者なら下限値を約１５ｍとすればよい。
  本実施例では、図７の視点計測結果と、図８の二重像回避条件を組み合わせて、好適な表示距離（推奨値）を決定する。

　図９は、走行状態に応じて設定する表示距離の推奨値Ｌａの例を示す図である。
  昼間の一般道では二重像回避を考慮して１０ｍ～２０ｍの範囲とするが、夜間の一般道では視点を優先させ５ｍに固定する。高速道（昼間、夜間とも）は二重像を考慮して１０ｍ～４０ｍの範囲とする。なお、運転者はこの範囲内で好みの距離に設定することができる。

　一方、右左折時、信号機付近、交差点付近などを走行時は、表示距離を前方物体までの距離Ｌｂに合わせる。その理由は、右左折時等には視点が前方物体の位置に集中しやすく、視点移動のない距離で表示するのが好ましい。例えば、横断歩行者が４ｍ先にいるとき、４ｍの距離に虚像（警告アイコンなど）を表示する。

　以上述べたように本実施例によれば、予め求めた各種走行状態において運転者の視点が最も集中しやすい視点距離と、二重像が視認されない下限距離をもとに表示距離の推奨値を定め、これを参照して走行状態に応じて虚像表示位置を切り替えるようにした。よって運転者にとって、視点移動が少なく映像を快適に視認できるヘッドアップディスプレイ装置を提供できる。

　本実施例で説明した走行状態の区分と表示距離の推奨値は一例に過ぎず、車両の使用環境に応じて様々な変形が可能であることは言うまでもない。

　１：ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ）、
　２：車両、
　３：ウィンドシールド（フロントガラス）、
　４：車両情報、
　９：虚像、
　１０：車両情報取得部、
　２０：制御部、
　２１：電子制御ユニット（ＥＣＵ）、
　２３：不揮発性メモリ、
　２８：表示距離調整部、
　３０：映像表示装置、
　４０：表示距離調整機構、
　４１：拡散板（ディフューザ）、
　４２：可動式レンズ。

Claims (8)

1. 　車両に搭載し、映像を投射することで運転者に対して前記車両の前方に虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置において、
   　前記車両の走行状態に関する車両情報を取得する車両情報取得部と、
   　投射する映像を生成する映像表示装置と、
   　運転者の目から見た虚像までの表示距離を調整する表示距離調整機構と、
   　前記映像表示装置と前記表示距離調整機構を制御する制御部と、を備え、
   　前記制御部は、前記車両情報取得部を介して取得した車両情報を用いて現在の前記車両の走行状態を判断し、走行状態に応じて前記表示距離調整機構を介して虚像までの表示距離を調整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、
   　各走行状態において運転者が最も集中しやすい視点距離をその走行状態における表示距離の推奨値としてメモリに記憶し、
   　前記制御部は、前記メモリに記憶された推奨値を参照して表示距離を調整することを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
3. 　請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
   　前記メモリに記憶する表示距離の推奨値は、表示された虚像について運転者により二重像が視認されないための表示距離の下限値以上に設定したことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
4. 　請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
   　前記メモリに記憶する表示距離の推奨値は、走行状態を昼間と夜間に区別し、昼間の場合は夜間の場合よりも大きい、または等しく設定したことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
5. 　請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
   　前記メモリに記憶する表示距離の推奨値は、走行状態を一般道と高速道に区別し、一般道の場合は高速道の場合よりも小さく設定したことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
6. 　請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
   　走行状態が右左折時、または信号機付近、または交差点付近を走行する場合は、前記制御部は、前方物体までの距離に合わせて虚像を表示させることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
7. 　車両に搭載したヘッドアップディスプレイ装置により映像を表示する映像表示方法において、
   　映像を投射して運転者に対して前記車両の前方に虚像を表示するステップと、
   　車両情報を取得して現在の前記車両の走行状態を判断するステップと、
   　走行状態に応じて運転者の目から見た虚像までの表示距離を調整するステップと、を備え、
   　前記表示距離を調整するステップでは、
   　予め、各走行状態における運転者の視点距離を計測し、運転者が最も集中しやすい視点距離をその走行状態における表示距離の推奨値としてメモリに記憶しておき、前記メモリに記憶された推奨値を参照して表示距離を調整することを特徴とする映像表示方法。
8. 　請求項７に記載の映像表示方法において、
   　前記表示距離を調整するステップでは、さらに、
   　予め、表示された虚像について運転者により二重像が視認されないための表示距離の下限値を求め、前記メモリに記憶する表示距離の推奨値は、前記下限値以上に設定したことを特徴とする映像表示方法。

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