JP2018105939A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 合成した表示光の輝度のバラツキを抑えることが可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】 単一の投影器１０と、投影器１０から投影された表示光２００が透過する少なくとも２つの第１、第２スクリーン１２，２２と、表示光２００のうち第１スクリーン１２を透過した第１表示光２１０を透過し、表示光２００のうち第２スクリーン２２を透過した第２表示光２２０を反射することによって第１、第２表示光２１０、２２０を合成した合成表示光２３０を生成する透過反射部材５０と、を有し、第１、第２表示光２１０、２２０の輝度の差が小さくなるように透過反射部材５０の透過率と反射率を設定したものである。【選択図】図２

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関し、特に、透過反射部材を用いて複数の表示光を合成するヘッドアップディスプレイ装置に関する。

従来のヘッドアップディスプレイ装置は、表示光を投影する複数の投影器と、複数の表示光を合成するハーフミラーなどの透過反射部材と、を有し、前記透過反射部材からの表示光を使用者の前方に位置する車両のフロントウインドシールドなどの透過反射部へ向けることで前記使用者に虚像を視認させるものであった（例えば、特許文献１参照）。

また、投影器を単一とし、この投影器から表示光を二つのスクリーンに投影するものがあった（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１２−３７２４１号公報 特開２０１６−４５２５２号公報

従来のヘッドアップディスプレイ装置は、単一の前記投影器から各スクリーンまでの距離が同等の場合、前記投影器からの表示光は、各スクリーンに焦点が合うが、複数の虚像で遠近差のある表示を行うなどのために、前記投影器から各スクリーンまでの距離が異なる場合、一方のスクリーンに焦点が合うが、他方のスクリーンに焦点が合わないなどの問題が生じる。この問題を解決するために、前記投影器と少なくとも一方のスクリーンとの間に焦点距離を調整する光学部材を配置することが考えられる。このような構造では、前記光学部材によって、二つのスクリーンの輝度にバラツキが生じ、前記透過反射部材で合成した前記表示光も輝度がバラつくという問題があった。

そこで本発明は、前記問題点に着目し、合成した表示光の輝度のバラツキを抑えることが可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することである。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、単一の投影器と、前記投影器から投影された表示光が透過する少なくとも２つの第１、第２スクリーンと、前記表示光のうち前記第１スクリーンを透過した第１表示光を透過し、前記表示光のうち前記第２スクリーンを透過した第２表示光を反射することによって前記第１、第２表示光を合成した合成表示光を生成する透過反射部材と、を有し、前記第１、第２表示光の輝度の差が小さくなるように前記透過反射部材の透過率と反射率を設定したものである。

本発明は、合成した表示光の輝度のバラツキを抑えることが可能な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。

本発明の実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の概略図。 同実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す図。 同実施形態の配光を示す説明図。 同発明の第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す図。

本発明の実施形態を添付図に基づいて以下に説明する。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は下記の実施形態（図面の内容も含む。）によって限定されるものではない。下記の実施形態に変更（構成要素の削除も含む）を加えることができるのはもちろんである。また、以下の説明では、本発明の理解を容易にするために、公知の技術的事項の説明を適宜省略する。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置という）１００は、例えば、車両１等の移動体において用いられ、車両１に関する情報を使用者（主に車両１の運転者）に提示し、前記使用者の運転を支援する装置である。以下の説明を容易にするために、図１に示されるように、実空間において、例えば、車両１の前方を向いた左右方向をＸ軸（右方向がＸ軸正方向）に規定し、鉛直方向をＹ軸（鉛直方向上側がＹ軸正方向）に規定し、前後方向をＺ軸（後方向がＺ軸正方向）に規定する。

図１に示すように、ＨＵＤ１００は、例えば、車両（移動体の一例）１のダッシュボード３内に収納される。例えば、ＨＵＤ１００は、車両１のフロントウインドシールド（透過反射部の一例）２の一部に車両情報等を示す表示光２００（第１表示光２１０及び第２表示光２２０）を投影する。フロントウインドシールド２は、表示光２００（第１表示光２１０及び第２表示光２２０）を前記使用者側に向けて反射することで所定のアイボックス（図示しない）を生成する。前記使用者は、視点（前記使用者の眼の位置）４を前記アイボックス内におくことで、フロントウインドシールド２を介した前方に、ＨＵＤ１００が仮想的に生成した第１虚像表示面３１０、第２虚像表示面３２０上で第１虚像３１１、第２虚像３２１を視認することができる。

図１に示される第１虚像表示面３１０は、例えば、第１虚像表示面３１０の中心と視点４とを結ぶ線を視線軸４ａとすると、第１虚像表示面３１０の中心から前記使用者側の表示領域と視線軸４ａとのなす角３１０ａが鋭角となるように設けられ、路面５の所定の範囲（図１の位置５ａから５ｂ）に亘って重畳して視認される第１虚像３１１を表示する。具体的に例えば、第１虚像表示面３１０は、図１の路面５に平行であり、前記アイボックスから前方方向（車両１の進行方向）に２０ｍ離れた位置５ａから５０ｍ離れた位置５ｂに亘って重なって視認されるように設けられる。なお、第１虚像表示面３１０は、図１の路面５に平行となる角度から±５度程度傾いて設けられてもよい。

また、図１に示される第２虚像表示面３２０は、例えば、第２虚像表示面３２０の中心と視点４とを結ぶ線を視線軸４ｂとすると、第２虚像表示面３２０の中心から鉛直方向の下側の表示領域と視線軸４ｂとのなす角３２０ａが、第１虚像表示面３１０と視線軸４ａとのなす角３１０ａより大きくなるように設けられ、第２虚像３２１を表示する。具体的に例えば、第２虚像表示面３２０は、図１の車両１の進行方向に垂直な方向（Ｘ−Ｙ平面）に概ね平行であり、前記アイボックスから前方方向（車両１の進行方向）の５ｍ〜１０ｍ離れた位置に視認されるように設けられる。なお、第２虚像表示面３２０は、図１の車両１の進行方向に垂直な方向（Ｘ−Ｙ平面）に平行となる角度から±５度程度傾いて設けられてもよい。

図２は、図１に示されるＨＵＤ１００の構成を示す図である。図１のＨＵＤ１００は、例えば、投影器１０、光学部材１１、第１スクリーン１２、第２スクリーン２２、反射部３０、アクチュエータ４０、透過反射部材５０、投射光学系部材６０、及び制御部７０を有する。ＨＵＤ１００は、一般的に車両１のダッシュボード３の中に収納されるが、投影器１０、光学部材１１、第１スクリーン１２、第２スクリーン２２、反射部３０、アクチュエータ４０、透過反射部材５０、投射光学系部材６０及び制御部７０の全部又は一部が、ダッシュボード３の外部に配置されてもよい。制御部７０は、車両１に搭載される車載ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などからなるバス７に接続され、このバス７から車両情報の一部又は全部を入力することができる。

投影器１０は、例えば、ＤＭＤやＬＣＯＳなどの反射型表示デバイスを用いたプロジェクタなどからなり、第１スクリーン１２と第２スクリーン２２へと第１、第２表示光２１０、２２０を含む表示光２００を投影する。

光学部材１１は、投影器１０と第１、第２スクリーン１２、２２との間に設けられており、表示光２００を第１、第２表示光２１０、２２０として第１、第２スクリーン１２、２２へ反射する第１、第２反射部１１ａ、１１ｂを備えている。図２では、理解を容易にするために、投影器１０から第１、第２表示光２１０、２２０として分かれて第１、第２反射部１１ａ、１１ｂへ投影しているように図示しているが、実際は、第１、第２反射部１１ａ、１１ｂで第１、第２スクリーン１２、２２へ表示光２００を反射することによって、第１、第２表示光２１０、２２０が分かれる。第１反射部１１ａは、平板状の平面鏡であり、第２反射部１１ｂは、凸面鏡である。第２反射部１１ｂは、焦点距離を調整するものであり、本実施形態では、投影器１０が投影した第２表示光２２０の焦点距離を伸ばす光学部材である。第２反射部１１ｂによって、第２表示光２２０の焦点距離は、第１表示光２１０の焦点距離より長くなる。入射する表示光の焦点距離が長いほうが、表示される画像の輝度が高くなる。したがって、本実施形態の場合、焦点距離が長い第２表示光２２０を受光する第２スクリーン２２で表示される画像の輝度が、第１スクリーン１２で表示される画像の輝度より高くなってしまう。また、第１、第２反射部１１ａ、１１ｂは、第１、第２表示光２１０、２２０の主光線（第１、第２表示光２１０、２２０の進む方向）が一致した合成表示光２３０となるように、第１、第２反射部１１ａ、１１ｂの角度が設定されている。また、本実施形態では、第１、第２反射部１１ａ、１１ｂは、一体に形成されている。

第１スクリーン１２は、光学部材１１の第１反射部１１ａで反射された投影器１０からの第１表示光２１０を受光して第１画像１４を表示し、この第１画像１４を示す第１表示光２１０を反射部３０に向けて出射する。

第２スクリーン２２は、光学部材１１の第２反射部１１ｂで反射された投影器１０からの第２表示光２２０を受光して第２画像２４を表示し、この第２画像２４を示す第２表示光２２０を透過反射部材５０に向けて出射する。

第２スクリーン２２の投影器１０から第２スクリーン２２までの距離は、第１スクリーン１２の投影器１０から第１スクリーン１２までの距離より長い位置に設けられている。なお、第１反射部１１ａで反射した第１表示光２１０は、第１スクリーン１２の位置で焦点が結ぶように設定されており、第２反射部１１ｂで反射した第２表示光２２０の焦点は、第２反射部１１ｂによって焦点を結ぶ距離が延長され、第２表示光２２０は、第２スクリーン２２で焦点を結ぶことができる。

図３では、光学部材１１を光学的に等価のレンズとして図示してある。この図３で示すように、光学部材１１、本実施形態では、第２反射部１１ｂを設けたことにともない、投影器１０からの第１、第２表示光２１０、２２０の焦点距離が異なり、第１、第２スクリーン１２、２２に入射する第１、第２表示光２１０、２２０の角度２１０ａ、２２０ｂが異なるため、仮に、第１、第２スクリーン１２、２２の配光特性（スクリーンに入射して出射する光の角度）が同等の場合、第１、第２スクリーン１２、２２から出射する第１、第２表示光２１０、２２０の配光が異なってしまうので、図３で示すように、第１、第２スクリーン１２、２２から出射する第１、第２表示光２１０、２２０の配光が同等となるように、第２スクリーン１２の配光特性が、第１スクリーン１２の配光特性より広く設定されている。

以上により、投影器１０は、後述する制御部７０から入力する画像データに基づき、第１スクリーン１２に第１画像１４を表示し、第２スクリーン２２に第２画像２４を表示することで、前記使用者の前方に仮想的に生成される第１虚像表示面３１０上に第１虚像３１１を表示し、第２虚像表示面３２０上に第２虚像３２１を表示させる。

図２の反射部３０は、例えば、平板状の平面鏡で形成され、投影器１０から視点４に向かう第１表示光２１０の光路上に傾いて配置され、投影器１０から出射された第１表示光２１０を透過反射部材５０に向けて反射する。反射部３０には、反射部３０を回転させるアクチュエータ４０が備えられている。なお、反射部３０は、平面ではなく、曲面を有していてもよい。

アクチュエータ４０は、例えば、ステッピングモータやＤＣモータなどであり、後述する制御部７０の制御のもと、反射部３０を回転させることで第１虚像表示面３１０の角度及び位置を調整する。

透過反射部材５０は、例えば、透光性の基板の一方の表面に金属反射膜あるいは誘電体多層膜などの透過反射層を形成されている。透過反射部材５０は、反射部３０により反射された投影器１０からの第１表示光２１０を投射光学系部材６０に向けて反射し、投影器１０からの第２表示光２２０を投射光学系部材６０に透過することで、第１表示光２１０と第２表示光２２０を合成した合成表示光２３０を生成する。本実施形態では、透過反射部材５０の透過率と反射率は、例えば、透過率が４０％、反射率が６０％のように割合に差を設けている。本実施形態では、透過反射部材５０は、第２表示光２２０を透過する透過率が、第１表示光２１０を反射する反射率よりも低く設定してある。以上のように、透過反射部材５０の透過率と反射率を設定したことによって、第２反射部１１ｂによって焦点距離を変更したことで、第１表示光２１０よりも高くなった第２表示光２２０の輝度が、第１スクリーン１２に表示される画像と第２スクリーン２２に表示される画像との輝度差を抑えることができる。つまり、第１、第２表示光２１０、２２０の輝度差が小さくすることができる。また、透過反射部材５０の透過率と反射率の設定は、上記に限定されるものではなく、任意に設定可能である。

なお、透過反射部材５０の透過率と反射率は、透過反射部材５０の素材などによる光の減衰によって影響を受けるが、発明の説明では理解を容易にするために光の減衰は考慮していない。

投射光学系部材６０は、凹面鏡であり、透過反射部材５０から視点４に向かう合成表示光２３０（第１、第２表示光２１０、２２０）の光路上に傾いて配置され、透過反射部材５０から出射された合成表示光２３０を、フロントウインドシールド２に向けて反射する。また、第１スクリーン１２から投射光学系部材６０までの第１表示光２１０の光路長は、第２スクリーン２２から投射光学系部材６０までの第２表示光２２０の光路長より長くなるように配置されている。これにより、第１虚像３１１は、第２虚像３２１より視点４から離れた位置に結像される。なお、投射光学系部材６０は、合成表示光２３０をフロントウインドシールド２と協働して拡大する機能と、フロントウインドシールド２の曲面により生ずる第１虚像３１１、第２虚像３２１の歪みを補正し歪みのない虚像を視認させる機能と、第１虚像３１１、第２虚像３２１を前記視認者から所定の距離だけ離れた位置で結像させる機能とを有する。

制御部７０は、例えば、図示しない処理部、記憶部及びインターフェースを含む。前記処理部は、例えば、ＣＰＵで構成され、前記記憶部は、例えば、ＲＯＭやＲＡＭで構成され、前記インターフェースは、バス７に接続される入出力通信インターフェースで構成される。前記インターフェースは、バス７を介して車両情報や後述する車両姿勢情報等を取得することができ、前記記憶部は、入力した車両情報等に基づいて画像データを生成するためのデータ、及び入力した前記車両情報に基づいて駆動データを生成するためのデータを記憶することができ、前記処理部は、前記記憶部からのデータを読み取り、所定の動作を実行することで前記画像データ及び前記駆動データを生成することができる。なお、制御部７０は、ＨＵＤ１００の内部にあってもよく、その一部又は全部の機能がＨＵＤ１００の外側の車両１側に設けられてもよい。

以上、単一の投影器１０と、投影器１０から投影された表示光２００が透過する少なくとも２つの第１、第２スクリーン１２，２２と、表示光２００のうち第１スクリーン１２を透過した第１表示光２１０を透過し、表示光２００のうち第２スクリーン２２を透過した第２表示光２２０を反射することによって第１、第２表示光２１０、２２０を合成した合成表示光２３０を生成する透過反射部材５０と、を有し、第１、第２表示光２１０、２２０の輝度の差が小さくなるように透過反射部材５０の透過率と反射率を設定したことによって、合成した合成表示光２３０の輝度のバラツキを抑えることが可能なヘッドアップディスプレイ装置１００を提供することができる。

また、投影器１０から第１スクリーン１２までの距離と投影器１０から第２スクリーン２２までの距離とが異なり、少なくとも第１、第２スクリーン１２、２２のどちらか一方と投影器１０との間に表示光２００の焦点距離を調整する光学部材１１を設け、投影器１０から第２スクリーン２２までの距離が投影器１０から第１スクリーン１２までの距離より長い場合は、第２表示光２２０を透過する透過反射部材５０の透過率が、第１表示光２１０を反射する透過反射部材５０の反射率よりも低く設定したことによって、合成した合成表示光２３０の輝度のバラツキを抑えることが可能なヘッドアップディスプレイ装置１００を提供することができる。

また、第１、第２表示光２１０、２２０が第１、第２スクリーン１２、２２を透過して出射する第１、第２表示光２１０、２２０の配光が同等となるように第１スクリーン１２の配光特性と第２スクリーン２２の配光特性とを調整したことによって、第１、第２表示光２１０、２２０の配光を前記アイボックスと同等とすることが可能なヘッドアップディスプレイ装置１００を提供することができる。

また、光学部材１１は表示光２００を第１、第２表示光２１０、２２０として第１、第２スクリーン１２、２２へ反射する第１、第２反射部１１ａ、１１ｂを備え、第１、第２スクリーン１２、２２をそれぞれ透過した第１、第２表示光２１０、２２０の主光線が一致するように第１、第２反射部１１ａ、１１ｂの角度を設定したことによって、第１、第２表示光２１０、２２０の主光線が一致し、虚像の表示品位の低下を抑制可能なヘッドアップディスプレイ装置１００を提供することができる。

また、光学部材１１は、第１、第２スクリーン１２、２２へ反射する第１、第２反射部１１ａ、１１ｂを一体に形成したことによって、第１、第２反射部１１ａ、１１ｂの角度調整が不要となり、製造工数の削減を図ることが可能なヘッドアップディスプレイ装置１００を提供することができる。

また、合成表示光２３０を拡大し反射する投射光学系部材６０を備えることによって、虚像表示を大きく表示でき、かつ小型化を図ることが可能なヘッドアップディスプレイ装置１００を提供することができる。

なお、前記実施形態では、投影器１０から第１スクリーン１２までの距離が、投影器１０から第２スクリーン２２までの第２表示光２２０の距離より短くなるように配置されていたが、本実施形態に限定されるものではなく、投影器１０から第１スクリーン１２までの距離を長くなるように配置してもよい。この場合、光学部材１１は、第１表示光２１０の焦点距離を伸ばすように設定し、透過反射部材５０も第１表示光２１０の反射率を第２表示光２２０の透過率よりも低くすればよい。

また、前記実施形態では、光学部材１１は、第２反射部１１ｂのみ焦点距離を調整していたが、例えば、第１反射部１１ａが焦点距離を短くするように設定し、第２反射部１１ｂは、投射器１０からの表示光２００の焦点距離を変更しない平面としても良い。あるいは、第１、第２反射部１１ａ、１１ｂともに、焦点距離を調整可能としてもよい。この場合、第１スクリーン１２と第２スクリーン２２との配置が前記実施形態と同等の場合は、第１反射部１１ａは、焦点距離を短くし、第２反射部１１ｂは、焦点距離を長くしてもよい。

また、光学部材１１は、鏡のみの構成であったが、鏡とレンズとの組み合わせであってもよい。すなわち、第１反射部１１ａは、平面の鏡のみで構成し、第２反射部１１ｂは、平面の鏡とレンズとで構成しても良い。

また、光学部材１１は、第１反射部１１ａと第２反射部１１ｂとを一体に形成したものであったが、図４で示す第２実施形態のように、第１反射部１１ａと第２反射部１１ｂとを別個に形成したものであっても良い。

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置として好適である。

１ 車両
２ フロントウインドシールド
３ ダッシュボード
４ 視点
４ａ 視線軸
４ｂ 視線軸
５ 路面
７ バス
１０ 投影器
１１ 光学部材
１１ａ 第１反射部
１１ｂ 第２反射部
１２ 第１スクリーン
１２ 第２スクリーン
１４ 第１画像
２２ 第２スクリーン
２４ 第２画像
３０ 反射部
４０ アクチュエータ
５０ 透過反射部材
６０ 投射光学系部材
７０ 制御部
１００ ヘッドアップディスプレイ装置
２００ 表示光
２１０ 第１表示光
２２０ 第２表示光
２３０ 合成表示光
３１０ 第１虚像表示面
３１１ 第１虚像
３２０ 第２虚像表示面
３２１ 第２虚像

Claims (5)

1. 単一の投影器と、前記投影器から投影された表示光が透過する少なくとも２つの第１、第２スクリーンと、前記表示光のうち前記第１スクリーンを透過した第１表示光を透過し、前記表示光のうち前記第２スクリーンを透過した第２表示光を反射することによって前記第１、第２表示光を合成した合成表示光を生成する透過反射部材と、を有し、前記第１、第２表示光の輝度の差が小さくなるように前記透過反射部材の透過率と反射率を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。
2. 前記投影器から前記第１スクリーンまでの距離と前記投影器から前記第２スクリーンまでの距離とが異なり、少なくとも前記第１、第２スクリーンのどちらか一方と前記投影器との間に前記表示光の焦点距離を調整する光学部材を設け、前記投影器から前記第２スクリーンまでの距離が前記投影器から前記第１スクリーンまでの距離より長い場合は、前記第２表示光を透過する前記透過反射部材の透過率が、前記第１表示光を反射する前記透過反射部材の反射率よりも低く設定し、前記投影器から前記第２スクリーンまでの距離が前記投影器から前記第１スクリーンまでの距離より短い場合は、前記第２表示光を透過する前記透過反射部材の透過率が、前記第１表示光を反射する前記透過反射部材の反射率よりも高く設定したことを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記第１、第２表示光が前記第１、第２スクリーンを透過して出射する前記第１、第２表示光の配光が同等となるように前記第１スクリーンの配光特性と前記第２スクリーンの配光特性とを調整したことを特徴とする請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記光学部材は前記表示光を前記第１、第２表示光として前記第１、第２スクリーンへ反射する第１、第２反射部を備え、前記第１、第２スクリーンをそれぞれ透過した前記第１、第２表示光の主光線が一致するように前記第１、第２反射部の角度を設定したことを特徴とする請求項２又は３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記光学部材は、前記第１、第２スクリーンへ反射する第１、第２反射部を一体に形成したことを特徴とする請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

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