JP2012058270A - 車両用表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照明用の光源の必要とされる発光光量を減らし、電力消費や発熱を抑制することが可能な車両用表示装置を提供する。
【解決手段】可視情報を表示する表示部１２と、前記表示部を照明する照明光源１４と、前記表示部に表示される可視情報を含む光を所定の投影面に導く光路上に配置された少なくとも１つの光反射部２０，３０を備える車両用表示装置であって、前記光反射部として、特定の波長帯の光を選択的に反射し他の波長帯の光を透過するダイクロイックミラー２０を備えた。更に、前記光路上で前記投影面側から前記ダイクロイックミラーに入射する外光のうち前記ダイクロイックミラーを透過した一部分の光が照射される箇所に、少なくとも表面に光反射抑制処理が施された耐熱性部材５０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、可視情報を表示する表示部と前記表示部を照明する照明光源と前記表示部に表示される可視情報を含む光を所定の投影面に導く光路上に配置された少なくとも１つの光反射部を備える車両用表示装置に関し、車両のヘッドアップディスプレイなどに利用される。

車両用の表示装置に関しては、例えば情報量は少ないが緊急度の高い情報をすばやく運転者に認識させるために、視認性の良いヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置が用いられる場合がある。

車両用のヘッドアップディスプレイは、表示装置本体内の表示部上に表示される可視情報を含む光像を車両のウインドシールド（フロントガラス）上に導いてその面に投影するものである。運転者は、通常の運転姿勢で前方を見る時に、ウインドシールドを透かして見える前方の風景と共に、ヘッドアップディスプレイによって投影された可視情報を視認することができる。運転者が視認する可視情報は、ウインドシールドの面よりも前方に虚像として結像されるので、運転者は運転中に視点を切り替えることなく前方の風景と共にヘッドアップディスプレイの表示内容を同時に認識できる。

このようなヘッドアップディスプレイ装置は、一般的に車両のインストルメントパネル内部に装置本体が配置される。そして、この装置本体内部の表示部上に表示される可視情報の光を、拡大系ミラー等の反射部材を含む光路を経由して、ウインドシールド、コンバイナ等の投射エリアに向けて投射し、運転者の視点位置から見て前方に虚像を結像させる。

車両用のヘッドアップディスプレイに関する従来技術が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１においては、表示装置本体のハウジング内に、照明用の光源である発光ダイオードと、レンズアレイと、配線基板と、トリミングフィルタと、液晶表示素子と、コールドミラーと、凹面鏡と、拡散部材とを設けている。

すなわち、特許文献１では、透過型の液晶表示素子に可視情報を表示し、これの後方に配置した発光ダイオードの白色光で照明し、液晶表示素子を透過した照明光による光の像をコールドミラーと凹面鏡を介して車両のウインドシールド側に導く。なお、特許文献１において、液晶表示素子と発光ダイオードとの間に配置されているトリミングフィルタは、表示に用いられない色の波長域において光の透過を抑制するものであり、太陽光等の外光の影響により不要な像が現れるのを防止するために用いられている。

特開２００８−２６８６８０号公報

ところで、車両用のヘッドアップディスプレイにおいては、視認性を良好にするために、運転者に見える前方の風景とこれに重なって虚像として表示される可視情報とを明確に区別できることが望まれる。そのためには、ヘッドアップディスプレイにより投影され表示される可視情報の表示色を特定の色度に調整するのが効果的である。また、このような表示色度の調整は、ヘッドアップディスプレイの商品価値を高めるためにも有効である。

可視情報を表示する表示部として例えば液晶表示器のようにそれ自身が発光しない表示器を用いる場合には、照明用の光源として白色の光源を利用し、光源と表示器との間に波長帯毎に異なる光透過率を有する所定のカラーフィルタを配置して、カラーフィルタの特性により照明光の色を調整するのが一般的である。

ところが、一般的なカラーフィルタは透明な樹脂に色染料を混合して形成されており、カラーフィルタの光透過率は５０％以下になる場合が多い。このようなカラーフィルタを用いて表示色度を調整する場合には、光源からカラーフィルタに入射する光エネルギーのうち半分以上が実際の照明に利用されず無駄になる。さらに、ヘッドアップディスプレイの場合には、反射率の低い車両のウインドシールドに可視情報の像を反射する必要があるので、比較的大きな光量が照明光に要求される。そのため、照明用の光源が比較的大きな電力を消費し、その光源自体やそれを駆動する電気回路が発熱するのは避けられない。また、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化の妨げになる。

また、車両用のヘッドアップディスプレイにおいては、投影する際の光路の方向とは逆に、太陽光等の外光が車両のウインドシールドを介してヘッドアップディスプレイの装置内側に入射し悪影響を及ぼす可能性がある。すなわち、液晶表示器の表面等に太陽光等の外光が入射すると、異常な発熱を生じたり特性の劣化や故障の原因になる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、照明用の光源の必要とされる発光光量を減らし、電力消費や発熱を抑制することが可能な車両用表示装置を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る車両用表示装置は、下記（１）〜（５）を特徴としている。
（１） 可視情報を表示する表示部と、前記表示部を照明する照明光源と、前記表示部に表示される可視情報を含む光を所定の投影面に導く光路上に配置された少なくとも１つの光反射部を備える車両用表示装置であって、
前記光反射部として、特定の波長帯の光を選択的に反射し他の波長帯の光を透過するダイクロイックミラーを備えたこと。
（２） 上記（１）に記載の車両用表示装置であって、
前記光路上で前記投影面側から前記ダイクロイックミラーに入射する外光のうち前記ダイクロイックミラーを透過した一部分の光が照射される箇所に、少なくとも表面に光反射抑制処理が施された耐熱性部材を備えたこと。
（３） 上記（１）に記載の車両用表示装置であって、
前記照明光源として、特定の波長域で発光する発光素子と、前記発光素子から出射された光の少なくとも一部分のエネルギーを吸収して励起され発光する蛍光体とを備えたこと。
（４） 上記（１）に記載の車両用表示装置であって、
前記表示部として、光透過型の液晶表示器を備え、
前記液晶表示器の背面側に前記照明光源が配置されたこと。
（５） 上記（４）に記載の車両用表示装置であって、
前記液晶表示器と前記照明光源との間に、レンズ部材および光拡散部材を備えたこと。

上記（１）の構成の車両用表示装置によれば、前記照明光源の発光光量が比較的少ない場合であっても、十分に輝度が大きい像を結像できる。すなわち、ダイクロイックミラーの反射特性を利用して表示色度の調整を行うので、光透過率の小さいカラーフィルタを用いる必要がなく、照明光のエネルギーの損失を減らすことができ、前記照明光源の発光光量を減らすことができる。
なお、一般的にダイクロイックミラーは、例えばＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の各波長成分を含むカラー画像などを扱う際に、白色光をＲ、Ｇ、Ｂの基本色成分に分光するために用いられる。本発明では、単色（モノクロ）の表示色の色度を調整するためにダイクロイックミラーを利用する。
また、上記（２）の構成の車両用表示装置によれば、太陽光等の外光がウインドシールド等を介して装置内部に入射した場合に、外光の特に有害な波長成分の影響を抑制できる。すなわち、入射した外光のうち表示色と異なる有害な波長成分（赤外線等）は前記ダイクロイックミラーを透過して分離されるので、前記表示部に入射するのを防止できる。また、前記耐熱性部材の表面に光反射抑制処理が施されているので、分離された有害な波長成分が前記耐熱性部材の面で反射して前記表示部に入射するのを阻止できる。
また、上記（３）の構成の車両用表示装置によれば、白色の照明光を必要とする場合であっても、白色とは異なる波長の光を蛍光体に照射し、蛍光体の発光を利用して白色に近い照明光に変換することができる。これにより、所望の照明光を効率よく出射できる。
また、上記（４）の構成の車両用表示装置によれば、液晶表示器に表示した可視情報を背面側からの照明光で照明することにより、前記可視情報の像を含む光を液晶表示器の前面側に出射することができる。
また、上記（５）の構成の車両用表示装置によれば、レンズ部材を備えることにより前記液晶表示器を効率よく照明することができ、光拡散部材を備えることにより照明むらの発生を抑制できる。

本発明の車両用表示装置によれば、照明用の光源の必要とされる発光光量を減らし、電力消費や発熱を抑制することが可能になる。すなわち、ダイクロイックミラーの反射特性を利用して表示色度の調整を行うので、光透過率の小さいカラーフィルタを用いる必要がなく、照明光のエネルギーの損失を減らすことができ、前記照明光源の発光光量を減らすことができる。ダイクロイックミラーを用いる場合には、照明光の損失を１０％以下にすることは極めて容易である。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

ヘッドアップディスプレイ装置本体の内部構造を示す正面図である。 図１に示した装置の各部の光の波長特性の具体例を表すグラフである。 表示色の狙い値と実際の生成色との具体例を表す色度図である。 ダイクロイックミラーの波長毎の伝達率の例を示す模式図である。 表示色の狙い値と実際の生成色との具体例を各種のパラメータで表す模式図である。 所望の表示色を得るために必要なダイクロイックミラーの特性を計算するために用いるデータの具体例を示す模式図である。

本発明の車両用表示装置に関する具体的な実施の形態について各図を参照しながら以下に説明する。本実施形態では、本発明の車両用表示装置を採用した車両用のヘッドアップディスプレイ装置について説明する。

ヘッドアップディスプレイ装置本体１００の内部構造が図１に示されている。このヘッドアップディスプレイ装置本体１００は、通常は、車両のインストルメントパネルの内側に収納され、所定の開口部から、表示用の光線を車両のウインドシールドガラス上の所定領域に投射する。

図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置本体１００の装置筐体１０１の内部には、投光部１０、ダイクロイックミラー２０、非球面ミラー３０、回動機構４０、及び外光処理部５０が備わっている。

投光部１０は、遮光ケース１１、透過型液晶表示器１２、照明回路基板１３、白色発光ダイオード１４、レンズアレイ１５、光拡散シート１６、及び放熱器（ヒートシンク）１７を備えている。

透過型液晶表示器１２は、スピードメータの指示値などの文字情報（例えば「６０ｋｍ／ｈ」）を可視情報として表示可能な液晶表示器である。透過型なので、その背面側から照明光を照射して可視情報を見やすくする。本実施形態では、表示された可視情報の像を反射率の低いウインドシールドに反射させる必要があるので、高出力の照明光が必要になる。

遮光ケース１１は、不要な光が投光部１０から周囲（側方等）に漏れないように投光部１０の各構成要素を収容している。透過型液晶表示器１２は遮光ケース１１の前面側に設けた開口部に配置されているので、透過型液晶表示器１２が表示する可視情報の光は、表示用第１投影光６１として投光部１０から出射される。

照明回路基板１３上には、複数の白色発光ダイオード１４とそれを駆動するための電気回路が搭載されている。各々の白色発光ダイオード１４については、青色の特定波長で発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）と蛍光体とを組み合わせて構成してある。すなわち、発光ダイオードの発光により得られる青色光をその前面に配置した蛍光体に照射し、青色光のエネルギーによって蛍光体を励起し、蛍光体を発光させる。これにより、蛍光体は白色に近い波長域で発光する。つまり、蛍光体で波長の変換を行って、青色光から白色光を生成する。

レンズアレイ１５は、各白色発光ダイオード１４から出射される光を集光し、透過型液晶表示器１２側に向かう平行光を形成する。光拡散シート１６は、レンズアレイ１５から出射される光を拡散し、照度分布のむらを抑制する。

すなわち、投光部１０内の白色発光ダイオード１４、レンズアレイ１５、および光拡散シート１６によって、透過型液晶表示器１２を照明するための照明装置（バックライト）が構成されている。

放熱器１７は、照明回路基板１３上の各白色発光ダイオード１４やそれを駆動する部品の発熱による温度上昇を抑制する。放熱効果を高めるために、放熱器１７は大きな表面積を有する形状になっている。

透過型液晶表示器１２から出射される表示用第１投影光６１の光路上に、表示用第１投影光６１の方向に対して４５度傾けた状態でダイクロイックミラー２０が配置されている。このダイクロイックミラー２０は、例えば図２に示す波長特性８０のように、３６０〜５７０［ｎｍ］の波長域では光を反射し、６００〜８３０［ｎｍ］の波長域では光を透過する特性を有する。但し、実際のダイクロイックミラー２０の特性は、後述するように、必要とされる表示色の色度に合わせて設計の際に調整される。

バックライトの白色発光ダイオード１４から出る白色の照明光は、図２に示す波長特性８１のように４１０〜８００［ｎｍ］の範囲内に分布している。表示用第１投影光６１の波長特性も同様である。ダイクロイックミラー２０が図２に示す波長特性８０である場合には、表示用第１投影光６１の４１０〜８００［ｎｍ］の範囲内の光のうち、５７０［ｎｍ］以下の波長成分が表示用第２投影光６２として反射され、６００［ｎｍ］以上の波長成分は不要な光としてダイクロイックミラー２０を透過する。従って、表示用第２投影光６２は、図２に示す波長特性８２のように、照明光の白色とは異なる色になる。つまり、表示色の色度をダイクロイックミラー２０の特性により調整することができる。

なお、投光部１０の内部や光路の途中にカラーフィルタを設ければ同じように表示色を調整することができる。しかし、一般的なカラーフィルタは、透明な樹脂に色染料を混合して形成されているため、光透過率が５０％以下になる場合が多い。従って、カラーフィルタを用いて表示色度を調整する場合には、光源からカラーフィルタに入射する光エネルギーのうち半分以上が実際の照明に利用されず無駄になる。ヘッドアップディスプレイの場合には高出力の照明光が必要なので、電力消費の増大や発熱が問題になる。一方、ダイクロイックミラー２０を用いて表示色の色度を調整する場合には、エネルギーの損失を１０％以下にすることは容易であり、電力消費の増大や発熱の問題が解消できる。

投光部１０から出射された表示用第１投影光６１は、ダイクロイックミラー２０により折り返されて、すなわちダイクロイックミラー２０の反射面２１で反射され表示用第２投影光６２として非球面ミラー３０に向かう。更に、表示用第２投影光６２は非球面ミラー３０で反射され、表示用第３投影光６３として投射対象領域であるウインドシールドに向かう。

非球面ミラー３０には回動機構４０が連結されている。回動機構４０は、軸３０ａを中心として非球面ミラー３０を回動させることができる。これにより、表示用第３投影光６３の投射方向を調整できる。

外光処理部５０は、ダイクロイックミラー２０の背面側の装置筐体１０１内壁に沿って配置されている。外光処理部５０は、耐熱性樹脂５１で構成されており、その表面には光反射抑制処理面５２が形成されている。

車両用のヘッドアップディスプレイは、表示する可視情報をウインドシールドガラス等に投射するので、太陽光等の外光がウインドシールドガラスを介してヘッドアップディスプレイ装置本体１００側に入射する可能性がある。このような外光は、例えば投光部１０に入射すると透過型液晶表示器１２等の温度上昇を招くので、装置の劣化や故障発生の原因になる。

図１に示すヘッドアップディスプレイ装置本体１００においては、ウインドシールドガラス側から入射する外光は、非球面ミラー３０を通り、外光７１として非球面ミラー３０に入射する。ダイクロイックミラー２０は、図２に示す特性８０のように、温度上昇の原因になる赤外線等の波長の長い有害な光成分は反射せずに透過する。つまり、外光７１の有害な光成分は、投光部１０側に向かうことはなく、ダイクロイックミラー２０を透過して外光の透過成分７２として外光処理部５０に入射する。

外光処理部５０には光反射抑制処理面５２が形成されているので、外光の透過成分７２は外光処理部５０上で反射することなく耐熱性樹脂５１に吸収されて熱になる。外光処理部５０は耐熱性樹脂５１で構成されているので、熱により温度が上昇しても劣化は生じにくい。外光の透過成分７２は外光処理部５０上で反射しないので、投光部１０等に影響を及ぼすことはない。

また、投光部１０から出射された表示用第１投影光６１のうちダイクロイックミラー２０を透過した不要な光成分（図２の例では波長が６００ｎｍ以上の成分）についても、外光処理部５０に入射して反射することなく吸収されるので、それが反射や散乱を繰り返して悪影響を及ぼすことはない。

図１に示すヘッドアップディスプレイ装置本体１００によってウインドシールドガラス等に投影され運転者に視認される表示内容の色（単色）は、表示用第２投影光６２によって決定される。また、白色の表示用第１投影光６１からダイクロイックミラー２０の反射特性を利用して表示用第２投影光６２を生成しているので、ダイクロイックミラー２０の波長特性によって表示用第２投影光６２の表示色が大きく変化する。

ダイクロイックミラーについては、様々な波長特性が得られるように設計および製造することができる。従って、ヘッドアップディスプレイの表示色を所望の色度にするためには、それに適した特別な波長特性を有するダイクロイックミラー２０を採用する必要がある。

表示色の狙い値（Target）と実際の生成色（Calculated）との具体例が図３に示されている。図３においては、「ＣＩＥ １９７６ ＵＣＳ」色度図上に、狙い値及び生成色の例が示されている。図３の例では、目標色（Targetに相当）が「ブルーグリーン」の場合を想定しており、色度図の横軸ｕ'目盛りの「ｕ'１」、縦軸ｖ'目盛りの「ｖ'１」が狙い値（Target）である。

なお、ＸＹＺ表色系の三刺激値Ｘ、Ｙ、Ｚおよび色度座標（ｘ、ｙ）とｕ’ｖ’の間には次の関係がある。
ｕ’＝４Ｘ／(Ｘ＋１５Ｙ＋３Ｚ)＝４ｘ／(−２ｘ＋１２ｙ＋３)
ｖ’＝９Ｙ／(Ｘ＋１５Ｙ＋３Ｚ)＝９ｙ／(−２ｘ＋１２ｙ＋３)

ダイクロイックミラー２０の波長特性を設計する際には、次のような手順で処理を行う。
１．目標色を決定する。
２．目標色を表す狙い値（Target：ｕ'１，ｖ'１）を色度図上で決定する。
３．照明用光源の発光波長特性（例えば図２の８１）を特定する。
４．例えば手作業でダイクロイックミラーの特性値を入力し、計算結果として得られる生成色が目標色に近くなるように試行錯誤を繰り返す。又は、コンピュータで所定の逆演算プログラムを実行し、目標色に近い生成色を得るために必要なダイクロイックミラーの特性値を自動的に算出する。
５．上記「４．」で求めた特性値を実現する特別なダイクロイックミラー２０について製造者に製造を発注する。

上記「４．」で手作業でダイクロイックミラーの特性値を入力する場合には、例えば図４に示す内容のようなデータを入力する。図４に示したデータは、波長（Wavelength）毎のダイクロイックミラーの伝達率（Transmittnce）を表している。伝達率の「１」は反射を表し「０」は透過を表す。

生成色の計算結果（Output）および誤差（Error Radius）の例が狙い値（Target）と共に図５に示されている。また、図５に示すような計算結果を得るために、図６に示すようなデータを使用する。図６において、「White LED InGaN」の内容が照明用光源の発光波長特性（例えば図２の８１）を表すデータであり、「Net Filter」の内容が現在のダイクロイックミラーの波長特性を表すデータであり、「Filtered Lamp」の内容がこのダイクロイックミラーで反射した光の波長特性（図２の８２に相当する）を表すデータである。

このようにして設計した波長特性（図２の８０に相当する）を有するダイクロイックミラー２０を光路上に配置したヘッドアップディスプレイ装置本体１００を用いることにより、投射される像の表示色（単色）を所望の色度にすることができる。しかも、光がダイクロイックミラー２０を反射する際の損失が非常に小さいので、投光部１０の照明光の出力を下げても投射される像を十分な輝度で表示できる。従って、照明部の消費電力を減らすことができ、発熱も抑制される。また、ダイクロイックミラー２０の背面側に外光処理部５０を配置することにより、太陽光等の外光が装置内に入射した場合に、投光部１０に発熱、劣化、故障などの悪影響が生じるのを避けることができる。

以上のように、本発明の車両用表示装置は、可視情報を表示する表示部と前記表示部を照明する照明光源と前記表示部に表示される可視情報を含む光を所定の投影面に導く光路上に配置された少なくとも１つの光反射部を備えるヘッドアップディスプレイなどに利用できる。

１０ 投光部
１１ 遮光ケース
１２ 透過型液晶表示器
１３ 照明回路基板
１４ 白色発光ダイオード
１５ レンズアレイ
１６ 光拡散シート
１７ 放熱器（ヒートシンク）
２０ ダイクロイックミラー
２１ 反射面
３０ 非球面ミラー
４０ 回動機構
５０ 外光処理部
５１ 耐熱性樹脂
５２ 光反射抑制処理面
６１ 表示用第１投影光
６２ 表示用第２投影光
６３ 表示用第３投影光
７１ 外光
７２ 外光の透過成分
１００ ヘッドアップディスプレイ装置本体
１０１ 装置筐体

Claims (5)

1. 可視情報を表示する表示部と、前記表示部を照明する照明光源と、前記表示部に表示される可視情報を含む光を所定の投影面に導く光路上に配置された少なくとも１つの光反射部を備える車両用表示装置であって、
   前記光反射部として、特定の波長帯の光を選択的に反射し他の波長帯の光を透過するダイクロイックミラーを備えた
   ことを特徴とする車両用表示装置。
2. 前記光路上で前記投影面側から前記ダイクロイックミラーに入射する外光のうち前記ダイクロイックミラーを透過した一部分の光が照射される箇所に、少なくとも表面に光反射抑制処理が施された耐熱性部材を備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用表示装置。
3. 前記照明光源として、特定の波長域で発光する発光素子と、前記発光素子から出射された光の少なくとも一部分のエネルギーを吸収して励起され発光する蛍光体とを備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用表示装置。
4. 前記表示部として、光透過型の液晶表示器を備え、
   前記液晶表示器の背面側に前記照明光源が配置された
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用表示装置。
5. 前記液晶表示器と前記照明光源との間に、レンズ部材および光拡散部材を備えた
   ことを特徴とする請求項４に記載の車両用表示装置。

Images