WO2020250896A1 - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

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intermediate image
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Inventor
洸一 井上
Original Assignee
日本精機株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays

Definitions

  • the present invention relates to a head-up display.
  • Patent Document 1 a head-up display is disclosed in which a display light is imaged in the air as an intermediate image, and the intermediate image is reflected by a concave mirror and projected onto a transflective member to project a virtual image. ..
  • the inventor of the present application covers the virtual image in designing a head-up display that projects a virtual image by forming an image of the display light in the air as an intermediate image, reflecting the intermediate image with a concave mirror and projecting it onto a transmission reflection member.
  • an object of the present disclosure is to pay attention to the above-mentioned problems and to provide a head-up display that reduces the possibility that a real image covering a virtual image is generated even if the display light is used as an intermediate image to form an image in the air. It is in.
  • the head-up display is An indicator that emits indicator light and An imaging optical system having a reflecting portion that reflects the display light and forming the display light as an intermediate image in the air.
  • An imaging optical system having a reflecting portion that reflects the display light and forming the display light as an intermediate image in the air.
  • a concave mirror having a concave reflecting surface having a focal point and projecting the intermediate image located inside the focal point onto a transmitting reflecting surface.
  • a light-shielding portion that shields the outer edge portion of the display light after the position where the intermediate image is formed is provided.
  • the head-up display reduces the risk of a real image covering a virtual image even when the display light is formed as an intermediate image.
  • FIG. 1 shows the configuration of the head-up display 1 (HUD1) of the present disclosure.
  • the HUD 1 can be mounted on a vehicle such as a vehicle or a ship, but as an example, the present disclosure shows a mode in which the HUD 1 is mounted on a vehicle C which is a four-wheeled vehicle provided with a windshield 2.
  • the vehicle C is a vehicle that can move with the F direction as the traveling direction.
  • the vehicle C accommodates an occupant behind the windshield 2 which is a windshield.
  • the HUD 1 projects a virtual image V by projecting the display light L onto the windshield 2 which is a transmission reflection surface.
  • the virtual image V is projected at a position visible to the occupant of the vehicle C, and displays, for example, a rectangular image in order to convey vehicle information including the vehicle state and the running state to the occupant.
  • the virtual image V may have a rectangular shape by including a black image as a background.
  • the head-up display 1 includes a display 10, an imaging optical system 20, a concave mirror 30, a cover glass 40, and a housing 50.
  • the display 10 emits display lights L1 and L2.
  • the display 10 can appropriately apply a configuration capable of emitting display light.
  • the display 10 is, for example, a combination of an electronic display module using a TFT liquid crystal display module, an organic EL display module, or a projector and a screen using LCOS (Liquid crystal on silicon) or DMD (Digital micro-mirror device). The configuration etc. can be applied.
  • the display 10 is electrically connected to an in-vehicle electrical component such as a sensor or a communication device (not shown).
  • the display 10 includes a control unit that generates an image for transmitting vehicle information in response to an electric signal from an in-vehicle electrical component.
  • the display 10 displays based on the generated image.
  • the display lights L1 and L2 include the center display light L1 and the display light outer edge L2.
  • the center display light L1 includes a light representing vehicle information.
  • the display light outer edge L2 is light that travels at a position surrounding the center display light L1 in a plan view from the traveling direction of the center display light L1. That is, the display light outer edge L2 is an outer edge portion of the display lights L1 and L2.
  • a range (eye box) in which the virtual image V can be visually recognized may be defined by blocking the outer edge L2 of the display light.
  • the imaging optical system 20 is an optical system that forms an image of display lights L1 and L2 as an intermediate image in the air by being reflected.
  • the imaging optical system 20 for example, the reflecting portion 21, the holding portion 22, and the end portions 221,222 can be applied. Note that the intersection of the center display light L1 in FIG. 1 does not represent the position where the intermediate image is formed. The position where the intermediate image is formed coincides with the position where the light rays radially emitted from each pixel of the display 10 are formed. As will be described later, it is preferable that the light-shielding portion is provided after the intermediate image, but this is not a reason for requiring the illustration of the position of the intermediate image, and thus the illustration is omitted in the present disclosure.
  • the reflecting portion 21 is a mirror surface having a concave free curved surface in at least one direction.
  • the reflecting unit 21 can form an image of the center display light L1 as an intermediate image in the air by reflecting on a concave mirror surface.
  • the holding portion 22 is a component that holds the reflecting portion 21.
  • a material having a higher strength than the reflecting portion 21 can be applied, and for example, a synthetic resin such as ABS or a metal can be applied.
  • the end portions 221, 222 are parts in which a part of the holding portion 22 is extended in order to partition the reflecting portion 21 so as not to reflect light other than the display lights L1 and L2 as much as possible. It is desirable that the ends 221, 222 are located outside with a distance of 1 mm or more with respect to the outer edge L2 of the indicator light.
  • the concave mirror 30 is a mirror having a concave reflecting surface 31.
  • the concave reflecting surface 31 has a focal length, and by locating the concave reflecting surface 31 so as to include the above-mentioned intermediate image within the focal length, the intermediate image can be projected onto the windshield 2 (transmission reflecting surface) as a virtual image.
  • the concave mirror 30 has a structure in which a concave reflecting surface 31 is vapor-deposited on a base material to which a material such as synthetic resin, metal, or glass is applied.
  • the concave reflecting surface 31 is a concave mirror surface having a high visible light reflectance.
  • a mirror surface can be formed by forming a metal or dielectric film on a base material by a method such as thin film deposition or spatter rig.
  • the cover glass 40 is a transmissive member that transmits the center display light L1 and blocks the outer edge L2 of the display light.
  • the cover glass 40 may be a plate-shaped transparent material, and for example, a transparent synthetic resin such as PMMA or polycarbonate can be applied. Further, the cover glass 40 is fixed to the housing 50 so as to cover the opening of the housing 50 described later. The cover glass 40 is fixed by a method such as adhesion, locking, or pinching.
  • the shading unit 41 blocks the display light outer edge L2.
  • black printing applied to the outer edge of the cover glass 40 can be applied to the light-shielding portion 41. It is desirable that the light-shielding portion 41 due to black printing is provided on the back surface (the surface in the direction of the inside of the housing) in order to prevent peeling due to rubbing.
  • the light-shielding portion needs to be after the focal point of the concave reflecting surface 31 described above. At this position, the possibility of forming a real image that looks like a shadow covering the virtual image V is reduced.
  • the display light is in a very converged state near the focal point. If the light is blocked near such a focal point, the amount of light to be blocked tends to be significantly different when the position shifts due to the intersection. In some cases, there is a high possibility that the center display light L1 will be shielded from light. Therefore, as a rear stage far from the focal point, the cover glass 40, which reflects / transmits the display light at the end in the head-up display 1, is used to block light. Is preferable.
  • the housing 50 is an exterior component that accommodates and fixes the above-mentioned members. Further, the housing 50 has an opening that transmits the central display light L1. The housing 50 is dustproof by covering the opening with the cover glass 40. The housing 50 is fixed by a fixing method such as locking, screwing, or bonding.
  • FIG. 3 shows an example of a conventional head-up display.
  • the head-up display 1b of FIG. 3 shows that the outer edge L2 of the display light is incident on and shielded from the light-shielding portion 41a of the refractive optics system.
  • the imaging optical system 20 located closer to the display 10 than the point where the intermediate image is formed is likely to be located farther than the focal point of the concave mirror, and the light-shielding portion 41a blocks the light.
  • the light slightly diffusely reflected by the light-shielding portion 41a (diffuse-reflected light L3) is transmitted through the concave mirror 30 and the windshield 2, and is formed as a real image S between the occupant and the windshield 2.
  • the real image S can be visually recognized as a shadow covering the virtual image V.
  • the phenomenon in which a virtual image covers a real image is called "shadow appearance". This shadow appearance can contribute to the appearance of the statue and the dazzling occupants.
  • FIG. 2 showing the head-up display 1a will be referred to as appropriate, but detailed description will be omitted because the same components as those of the first embodiment can be applied to the configurations with the same reference numerals.
  • the outer shape of the concave mirror 30 is substantially the same as the outer shape of the display light L1.
  • the outer edge L2 of the display light may be blocked.
  • light shielding may be performed by providing a light shielding portion 51 that hangs down from the upper surface of the housing 50.
  • the light-shielding portion 51 has an effect of reducing the possibility that the imaging optical system 20 and the display 10 are irradiated with external light.
  • the light-shielding portion 51 may shield the display light outer edge L2 after being reflected by the concave reflecting surface 31 while performing the above-mentioned light-shielding.
  • the display light is a substantially rectangular shape having four sides
  • the outer edge of the display light corresponding to two sides can be blocked by one light-shielding portion, so that the effect of the present disclosure can be achieved with a simple configuration. .. That is, the head-up display 1b includes a light-shielding portion 51, and the light-shielding portion 51 may perform light-shielding of the outer edge of the display light a plurality of times or at a plurality of places.
  • the concave reflecting surface 31 is fixed, but the angle at which the display light is reflected may be changed by using an actuator.
  • the display light may be rotated to a position where it is not projected onto the transmitted reflection surface. Even in this case, the outer edge of the display light may be blocked after the focal position at at least one of the positions of the concave reflecting surface for display.
  • the first embodiment shows a mode in which the outer edges on both sides of the outer edge of the display light are blocked
  • the effect of the present disclosure can be exhibited by blocking at least one outer edge.
  • the entire display light outer edge may be shielded as a result.
  • a rectangular image is shown as an example of the virtual image V, but it may be displayed in a shape other than a rectangle such as a circle, a wave shape, or a trapezoid.

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Abstract

表示光を中間像として結像する場合でも影見えを生じさせないヘッドアップディスプレイを提供する。 表示光Ｌ１，Ｌ２を出射する表示器１０と、表示光Ｌ１，Ｌ２を反射する反射部２１を有し、表示光Ｌ１，Ｌ２を空中に中間像として結像する結像光学系２０と、焦点を持つ凹状反射面３１を有し、焦点より内側に位置する中間像を反射することでウィンドシールド２へ投影する凹面鏡３０と、表示光Ｌ１，Ｌ２の外縁部である表示光外縁Ｌ２を、中間像の結像位置より後段で遮る遮光部４１，４１ａ，５１を備えたヘッドアップディスプレイ。

Description

ヘッドアップディスプレイ
　本発明は、ヘッドアップディスプレイに関する。
　従来、特許文献１に示されるような、表示光を中間像として空中に結像させ、この中間像を凹面鏡で反射し透過反射部材に投影することで虚像を映し出すヘッドアップディスプレイが開示されている。
特再公表第２０１７－１８３５５６号公報
　しかしながら本願の発明者は、表示光を中間像として空中に結像させ、この中間像を凹面鏡で反射し透過反射部材に投影することで虚像を映し出すヘッドアップディスプレイを設計する上で、虚像を覆う影のような実像が生じるという課題を見出した。
　そこで本開示の目的とするところは、上述課題に着目し、表示光を中間像として空中に結像する構成であっても、虚像を覆う実像が生じる虞を低減したヘッドアップディスプレイを提供することにある。
　上述の目的を達成するため、本開示に係るヘッドアップディスプレイは、
表示光を出射する表示器と、
前記表示光を反射する反射部を有し、前記表示光を空中に中間像として結像する結像光学系と、
焦点を持つ凹状反射面を有し、前記焦点より内側に位置する前記中間像を反射することで透過反射面へ投影する凹面鏡と、
前記表示光の外縁部を、前記中間像が結像する位置より後段で遮る遮光部
を備える。
　本発明によれば表示光を中間像として結像する場合でも虚像を覆う実像が生じる恐れを低減したヘッドアップディスプレイとなる。
本開示のヘッドアップディスプレイの構成を示す図。 本開示のヘッドアップディスプレイの変形例を示す図。 従来のヘッドアップディスプレイの構成を示す図。
　以下に、本開示のヘッドアップディスプレイを車両に搭載した実施形態及び変形例として例にあげ、添付図面を用いて次の順序で説明する。例示するヘッドアップディスプレイの構成の中には、具体的構成を例示するものがあるが、本開示の効果を発揮できる構成であれば適宜上位概念化することが可能である。なお、図中左下に方向を示すマークを付してあるが、説明の中で用いる方向の呼称を、Ｆ方向（図面左方向）を前方向、Ｂ方向（図面右方向）を後ろ方向、Ｕ方向（図面上方向）を上方向、Ｄ方向（図面下方向）を下方向、Ｌ方向（図面手前方向）を左方向、図面奥方向を右方向（Ｒ方向）とする。
 
　［第一実施形態］
　　１－１．構成の説明
　　１－２．変形例
 
［第一実施形態］
＜１－１．構成の説明＞
　図１は、本開示のヘッドアップディスプレイ１（ＨＵＤ１）の構成を示している。ＨＵＤ１は車両や船舶のような乗り物に搭載できるが、一例として本開示ではウィンドシールド２を設ける四輪自動車である車両Ｃに搭載されている態様を示す。車両ＣはＦ方向を進行方向として移動可能な乗り物である。車両Ｃは、風防であるウィンドシールド２の後ろ方向に乗員を収容する。ＨＵＤ１は、表示光Ｌを透過反射面であるウィンドシールド２へ投影することで虚像Ｖを映し出す。虚像Ｖは、車両Ｃの乗員が視認可能な位置に映し出され、乗員へ車両状態や走行状態などを含む車両情報を伝えるために例えば矩形の画像表示を行う。虚像Ｖは、背景としての黒画像を含むことで矩形状をなしていてよい。
　ヘッドアップディスプレイ１は、表示器１０、結像光学系２０、凹面鏡３０、カバーガラス４０、筐体５０を備える。
　表示器１０は、表示光Ｌ１，Ｌ２を出射する。表示器１０は、表示光を出射できる構成を適宜適用できる。表示器１０は、例えば、TFT液晶表示モジュールや有機EL表示モジュールなどを用いた電子ディスプレイモジュール、LCOS(Liquid crystal on silicon)やDMD(Digital micro-mirror device)などを用いたプロジェクタとスクリーンを組み合わせた構成などを適用することができる。表示器１０は、図示されていないセンサや通信機器などの車載電装品と電気的に接続されている。表示器１０は、車載電装品からの電気信号に応じて車両情報を伝えるための画像を生成する制御部を含む。表示器１０は生成した画像に基づいて、表示を行う。
　表示光Ｌ１，Ｌ２は中心表示光Ｌ１と表示光外縁Ｌ２を含む。中心表示光Ｌ１は、車両情報を表す光を含んでいる。一方、表示光外縁Ｌ２は、中心表示光Ｌ１の進行方向からの平面視において、中心表示光Ｌ１を取り囲むような位置で進行する光である。すなわち、表示光外縁Ｌ２とは、表示光Ｌ１，Ｌ２の外縁部である。表示光外縁Ｌ２は、例えば車両情報を表す光を含んでいない場合は、不要であるため遮っても良い。また例えば、表示光外縁Ｌ２を遮ることで虚像Ｖを視認可能な範囲（アイボックス）を規定しても良い。
　結像光学系２０は、反射することで表示光Ｌ１，Ｌ２を空中に中間像として結像する光学系である。結像光学系２０は、例えば、反射部２１、保持部２２、端部２２１，２２２を適用可能である。なお、図１中の中心表示光Ｌ１の交点が中間像の結像する位置を表しているわけではない。中間像が結像する位置は、別途表示器１０の各画素から放射状に出射する光線が結する位置と一致する。後述の通り、遮光部は中間像より後段に設けることが好ましいが、これは中間像の位置の図示を必要にする理由にはならないため、本開示では図示を省略する。
　反射部２１は、少なくとも１方向において凹状の自由曲面形状の鏡面である。反射部２１は、凹状の鏡面で反射を行うことで、中心表示光Ｌ１を空中に中間像として結像できる。
　保持部２２は、反射部２１を保持する部品である。保持部２２は、例えば反射部２１より強度が高い素材を適用でき、例えばＡＢＳなどの合成樹脂や金属などを適用できる。
　端部２２１，２２２は、反射部２１が表示光Ｌ１，Ｌ２以外の光を極力反射しないように区画するために保持部２２の一部を延長した部品である。端部２２１，２２２は表示光外縁Ｌ２に対して１ミリメートル以上の間隔を以て外側に位置することが望ましい。
　凹面鏡３０は、凹状反射面３１を有する鏡である。凹状反射面３１は焦点を有し、焦点距離以内に前述の中間像を含むように位置することで、中間像を虚像としてウィンドシールド２（透過反射面）へ投影できる。凹面鏡３０は合成樹脂や金属、ガラスなどの素材を適用した基材に凹状反射面３１を蒸着した構成である。
　凹状反射面３１は、高い可視光反射率を有する凹状の鏡面である。例えば蒸着やスパッタリグなどの手法で金属、誘電体の膜を基材上に形成することで鏡面を形成できる。
　カバーガラス４０は、中心表示光Ｌ１を透過し、表示光外縁Ｌ２を遮る透過部材である。カバーガラス４０は板状の透明な素材であればよく、例えば、ＰＭＭＡやポリカーボネートなどの透明合成樹脂を適用可能である。またカバーガラス４０は、後述の筐体５０の開口部を覆うようにして筐体５０に固定されている。カバーガラス４０は、接着や係止、挟持などの方法で固定されている。
　遮光部４１は、表示光外縁Ｌ２を遮る。遮光部４１は、例えばカバーガラス４０の外縁に施した黒印刷を適用できる。黒印刷に依る遮光部４１は、擦れにより剥がれることを予防するために裏面（筐体内部方向の面）に施されることが望ましい。
　遮光部は前述の凹状反射面３１の焦点より後段である必要がある。この位置であれば、虚像Ｖを覆う影のように見える実像が結する虞は少なくなる。
　また、望ましくは焦点より後段で、できるだけ透過反射面に近い位置に設けることが望ましい。焦点付近では表示光が非常に収束した状態である。そのような焦点付近で遮光してしまうと、交差による位置ずれが生じた場合に遮光する光量にも大きな差が生じやすくなる。場合によっては中心表示光Ｌ１まで遮光してしまう可能性が大きくなってしまうから、焦点から遠い後段として、ヘッドアップディスプレイ１内では最後に表示光が反射／透過を行うカバーガラス４０で遮光を行うことが好適である。
　筐体５０は、上述の部材の収容及び固定を行う外装部品である。また筐体５０は中心表示光Ｌ１を透過する開口部を有する。筐体５０は、この開口部をカバーガラス４０に覆われることで防塵性を得ている。筐体５０は例えば係止、螺合、接着などの固定方法により固定を行う。
　図３に従来のヘッドアップディスプレイの一例を示す。なお図１と同じ符号が付された構成については同一のものを適用できるものとして詳細な説明を省略する。図３のヘッドアップディスプレイ１ｂは、表示光外縁Ｌ２が屈折光学系の遮光部４１ａに入射、遮光されていることを示している。しかしながら、光路において、中間像が結像する地点より表示器１０に近い地点にある結像光学系２０は、凹面鏡の焦点より遠方に位置する可能性が高く、遮光部４１ａで遮光してしまうと、遮光部４１ａでわずかに拡散反射した光（拡散反射光Ｌ３）が、凹面鏡３０、ウィンドシールド２を伝い、乗員とウィンドシールド２との間に実像Ｓとして結像してしまう。場合によっては、この実像Ｓが虚像Ｖを覆うような影として視認できる。虚像が実像を覆う現象を、「影見え」と称する。この影見えは、像の見栄えを悪化させたり、乗員を幻惑したりする一因となりうる。
＜１－２．変形例＞
　なお、本開示のヘッドアップディスプレイを上述した実施形態の構成にて例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の構成においても、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良、並びに表示の変更が可能なことは勿論である。その変更のうちいくつかを変形例として下記に記す。
　説明にはヘッドアップディスプレイ１ａを示す図２を適宜参照するが、同一の符号を付された構成については第一実施形態の構成と同一のものを適用できるとして詳細な説明を省略する。
　例えば、第一実施形態では遮光部としてカバーガラス４０に施した黒印刷を適用した例を示したが、図２に示すように凹面鏡３０の外形を表示光Ｌ１の外形と略一致することで、表示光外縁Ｌ２を遮っても良い。中心表示光Ｌ１を反射する一方、表示光外縁Ｌ２を反射しない部材を設けることで、遮光部で拡散反射すること無く、表示光を任意の形状で伝達することができる。
　また、図２に示すように筐体５０の上面から垂れ下がるような遮光部５１を設けることで遮光を行っても良い。遮光部５１は、結像光学系２０や表示器１０へ外光が照射される虞を低減する効果を奏する。
　また、遮光部５１は前述の遮光を行いつつ、凹状反射面３１で反射されたあとに表示光外縁Ｌ２を遮光しても良い。例えば表示光が4つの辺を有する略矩形である場合、１つの遮光部によってそのうち2つの辺に相当する表示光外縁を遮ることができるため、簡易な構成で本開示の効果を達することができる。すなわち、ヘッドアップディスプレイ１ｂは遮光部５１を備え、この遮光部５１は表示光外縁の遮光を複数回または複数箇所行っても良い。
　また例えば、第一実施形態では凹状反射面３１が固定されている態様を示したが、アクチュエータを用いて表示光を反射する角度を変えても良い。加えて、表示を行わない際には表示光を透過反射面へ投影しない位置まで回転させてよい。この場合であっても、表示を行う凹状反射面の位置のうち少なくとも１箇所において、焦点位置より後段で表示光外縁を遮れば良い。
　また第一実施形態は表示光外縁のうち両側の外縁を遮る態様を示したが、少なくとも一方の外縁を遮れば本開示の効果を発揮する事ができる。また、複数の遮光手段を組み合わせることで結果的に全体の表示光外縁を遮光しても良い。
　また第一実施形態では虚像Ｖの例示として矩形の画像を示したが、円形、波型、台形など矩形以外の形状で表示しても良い。
Ｃ　車両
Ｖ　虚像
Ｌ１　中心表示光
Ｌ２　表示光外縁
１　ヘッドアップディスプレイ
２　ウィンドシールド（透過反射面）
１０　表示器
２０　結像光学系
２１　反射部
２２　保持部
２２１，２２２　端部
３０　凹面鏡
３１　凹状反射面
４０　カバーガラス
４１　遮光部
５０　筐体
 

Claims (1)

  1. 表示光を出射する表示器と、
    前記表示光を反射する反射部を有し、前記表示光を空中に中間像として結像する結像光学系と、
    焦点を持つ凹状反射面を有し、前記焦点より内側に位置する前記中間像を反射することで透過反射面へ投影する凹面鏡と、
    前記表示光の外縁部を、前記中間像の結像位置より後段で遮る遮光部
    を備えたヘッドアップディスプレイ。
     
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