JP6308162B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体に搭載され、画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置を略称とする）に関する。

従来、移動体に搭載され、投影部材に画像を投影し、画像の光が投影部材に反射されることで画像を乗員により視認可能に虚像表示するＨＵＤ装置が知られている。特許文献１に開示のＨＵＤ装置は、光源光を発する光源部と、光源光が入射することにより画像を形成し、所定の偏極状態を有する光として画像の光を射出する画像形成素子と、透光性基材に光学多層膜を形成してなり、入射面（plane of incidence）に沿って斜めに入射する画像の光を投影部材側へ向けて反射するコールドミラーとを備えている。このコールドミラーの光学多層膜は、多層の干渉膜からなるものであり、蒸着等の方法で形成されている。

特開２００９−６７３５２号公報

しかしながら、このようなコールドミラーに画像の光が入射面に沿って斜めに入射する構成において、電場ベクトルが入射面に平行な成分（以下、Ｐ波成分という）と垂直な成分（以下、Ｓ波成分という）の両方を含む光が入射する場合では、これら成分間の位相差が発生し、反射前後で光の偏極状態が変化し得る。さらに、この光学特性の波長依存性によって、波長に応じて偏極状態が異なり得る。

このように波長に応じて偏極状態が異なる画像の光が投影部材に反射されると、フレネルの式からわかるように、その反射率は波長により異なってくるため、乗員により視認される画像の光のスペクトル分布は、画像形成素子にて形成された画像の光のスペクトル分布に対して変化する。したがって、例えば画像形成素子にて白色光の画像を形成しても、乗員に黄色味がかった色として視認される等、色の再現性が悪かった。

本発明は、以上説明した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、色の再現性が高いＨＵＤ装置を提供することにある。

本発明は、移動体（１）に搭載され、投影部材（３）に画像を投影し、画像の光が投影部材に反射されることで画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
光源光を発する光源部（１０）と、
光源光が入射することにより画像を形成し、所定の偏極状態を有する光として画像の光を射出する画像形成素子（２０）と、
透光性基材（６２）に光学多層膜（６４）を形成してなり、入射面に沿って斜めに入射する画像の光を投影部材側へ向けて反射するコールドミラー（６０）と、
画像形成素子とコールドミラーとの間の光路（ＯＰ）上に配置され、コールドミラーに入射させる画像の光をＳ波に変換する位相子（３０，２３０）と、
位相子とコールドミラーとの間の光路上に、遮光軸（５４）が入射面に沿って配置される偏光子（５０，２５０）と、を備えることを特徴とする。

このような発明によると、画像形成素子は、光源部からの光源光が入射することにより、形成した画像を所定の偏極状態を有する光として射出する。射出された画像の光は、位相子によってＳ波に変換されて、透光性基材に光学多層膜を形成してなるコールドミラーに入射する。これによれば、Ｐ波成分の光がコールドミラーに入射することが抑制されるので、成分間の位相差の波長依存性に起因した、波長に応じた偏極状態の違いが抑制される。このため、コールドミラーに反射された画像の光が投影部材に反射されても、その反射率の差が抑制されるので、乗員により視認される画像の光のスペクトル分布は、画像形成素子にて形成された画像の光のスペクトル分布に対して変化し難くなる。したがって、視認者は、画像形成素子で形成された色に近い色で、画像を視認することができる。以上により、色の再現性が高いＨＵＤ装置を提供することができる。

なお、括弧内の符号は、記載内容の理解を容易にすべく、後述する実施形態において対応する構成を例示するものに留まり、発明の内容を限定することを意図したものではない。

第１実施形態におけるＨＵＤ装置の車両への搭載状態を示す模式図である。 第１実施形態におけるＨＵＤ装置の概略的構成を示す構成図である。 第２実施形態における、図２に対応する図である。 変形例１の一具体例における、図２に対応する図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。

（第１実施形態）
図１に示すように、本発明の第１実施形態によるＨＵＤ装置１００は、移動体の一種である車両１に搭載され、インストルメントパネル２内に収容されている。ＨＵＤ装置１００は、車両１の投影部材としてのウインドシールド３に画像を投影する。画像の光がウインドシールド３に反射されることで、ＨＵＤ装置１００は、画像を車両１の乗員により視認可能に虚像表示する。すなわち、ウインドシールド３に反射される画像の光が、車両１の室内において乗員のアイポイントＥＰに到達し、当該乗員が当該画像の光を虚像ＶＩとして知覚する。そして、乗員は、虚像ＶＩにより各種情報を認識することができる。画像として虚像表示される各種情報としては、例えば、車速、燃料残量等の車両状態値、又は、道路情報、視界補助情報等のナビゲーション情報が挙げられる。

車両１のウインドシールド３は、ガラスないしは合成樹脂により板状に形成されている。ウインドシールド３において、室内側の面は、画像が投影される投影面３ａを凹面状又は平坦な平面状に形成している。

このようなウインドシールド３の形状、及びウインドシールド３に対するインストルメントパネル２及び座席４の相対位置は、一般的に、車両１の用途あるいはデザイン等に基づいて車両メーカに設定されている。ここで、ウインドシールド３に反射された光が、座席４に着座した乗員のアイポイントＥＰが存在可能な空間領域であるアイリプスＥＥに到達するように、ＨＵＤ装置１００は光学設計される。したがって、インストルメントパネル２内の限られたスペースでこのような機能を実現するために、ＨＵＤ装置１００における光学要素の配置及びウインドシールド３へ画像の光の入射角等の搭載条件は、制約を受ける。入射角は、２０°以上９０°未満に設定されることが多く、本実施形態において入射角は例えば６５°となっている。

このようなＨＵＤ装置１００の具体的構成を、図２に基づいて、以下に説明する。ＨＵＤ装置１００は、光源部１０、画像形成素子としての液晶パネル２０、位相子としての位相差フィルム３０、偏光子としての偏光フィルム５０、位相差フィルム３０及び偏光フィルム５０を保持する透光性基板４０、及びコールドミラー６０を備えており、これらによって光源部１０から車両１のアイリプスＥＥに至る光路ＯＰが形成されている。なお、光路ＯＰを形成する各要素１０，２０，４０，６０は、ハウジング７０（図１を参照）に保持されている。なお、図２は概略的な構成図であり、各要素１０，２０，３０，４０，５０，６０のサイズ、各要素１０，２０，３０，４０，５０，６０同士の距離、及び入反射の角度等を厳密に示すものではない。

光源部１０は、光源用回路基板１２、及び発光ダイオード素子１４を有している。光源用回路基板１２は、基板上の配線パターンを通じて、電源と発光ダイオード素子１４とを電気的に接続している。発光ダイオード素子１４は、通電により電流量に応じた発光量にて、光源光を発する。発光ダイオード素子１４は、例えば青色発光ダイオードを蛍光体で覆うことにより、複数の波長の可視光を含む疑似白色でのランダム偏光の発光が実現されている。光源部１０から発せられた光源光は、液晶パネル２０に入射する。

液晶パネル２０は、光源光が入射することにより画像を形成し、所定の偏極状態を有する光として画像の光を射出する。本実施形態の液晶パネル２０は、透過型液晶パネルであって、２次元方向に配された複数の液晶画素から形成されるドットマトリクス型のＴＦＴ（Thin Film Transistor）液晶パネルである。液晶パネル２０では、一対の画像形成用偏光フィルタ２２，２３、及び当該一対の偏光フィルタ２２，２３に挟まれた液晶層２５等が積層されている。画像形成用偏光フィルタ２２，２３は、電場ベクトルが所定方向の光を透過させ、電場ベクトルが所定方向と実質垂直な方向の光を遮光する性質を有し、一対の画像形成用偏光フィルタ２２，２３は互いに当該所定方向を実質直交して配置される。液晶層２５は、液晶画素毎の電圧印加により、印加電圧に応じて液晶層２５に入射する光の偏光方向を回転させることが可能となっている。

したがって、光源光の入射により液晶パネル２０は、液晶画素毎の光源光の透過率を制御して、画像を形成することが可能となっている。ここで、液晶パネル２０は、所定の偏極状態を有する光として、画像の光を射出する。本実施形態の画像形成用偏光フィルタ２３は、画像の水平方向に対して斜め４５°方向を所定方向としているため、当該偏光フィルタ２３の透過による所定の偏極状態は、電場ベクトルＥＶ１が画像の水平方向に対して斜め４５°の角度をなす方向である直線偏光である。このように画像形成用偏光フィルタ２３の所定方向を設定すると、一般に多く流通する液晶パネル２０を採用できるので、製造コストを抑えることができる。

また、隣り合う液晶画素には、互いに異なる色（例えば、赤、緑、及び青）のカラーフィルタが設けられており、これらの組み合わせにより様々な色が実現される。液晶パネル２０から射出される画像の光は、各カラーフィルタの透過特性に応じて、複数の波長を含むスペクトル分布を有する光として、位相差フィルム３０、透光性基板４０、及び偏光フィルム５０を介してコールドミラー６０へ向けて射出される。なお、本実施形態の各カラーフィルタは、それぞれ、複数の波長を含む特定波長領域の可視光を透過可能なものである。

コールドミラー６０は、透光性基材６２に光学多層膜６４を形成してなるミラーである。本実施形態の透光性基材６２は、透光性の合成樹脂ないしはガラスにより、平面板状に形成されている。光学多層膜６４は、位相差フィルム３０及び偏光フィルム５０を保持する透光性基板４０及びウインドシールド３に対向する側のコールドミラー６０の表面において、蒸着等により形成されている干渉膜である。光学多層膜６４は、具体的に、２種類以上の複素屈折率の異なる光学材料からなる薄膜を、コールドミラー６０表面の法線方向に積層して形成されている。これら光学膜に用いられる光学材料の複素屈折率は、波長依存性を有する実部及び虚部を含む。

光学膜としては、誘電体膜ないしは金属膜を採用可能である。本実施形態における光学多層膜６４は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）又は二酸化チタン（ＴｉＯ_２）等からなる誘電体膜を含む、１０層の多層膜となっている。

各光学膜における各膜厚は、赤外光又は紫外光に対して可視光での反射率が高くなるような分光特性（換言すると、赤外光又は紫外光の少なくとも一部を透過する分光特性）を得るために、例えばコンピュータによる計算によって適宜設定される。特に本実施形態のコールドミラー６０は、入射面に沿って斜め（本実施形態では例えば入射角４５°）に入射する画像の光に対して、４００〜７００μｍの波長領域において９５％以上のエネルギー反射率を有する。ここで入射面とは、コールドミラー６０に入射する画像の光の光線と、コールドミラー６０表面の法線とを含む平面である。

液晶パネル２０とコールドミラー６０との間の光路ＯＰ上には、膜状に形成された位相差フィルム３０が配置されている。位相差フィルム３０は、液晶パネル２０から入射する画像の光に対して位相差を発生させることにより、当該画像の光の偏極状態を変換する。具体的に、位相差フィルム３０は、コールドミラー６０に入射させる画像の光をＳ波に変換する。特に本実施形態では、電場ベクトルＥＶ１が画像の水平方向に対して斜め４５°の角度をなす方向である直線偏光が、１８０°の位相差を与えられることで、電場ベクトルＥＶ２が画像の水平方向に沿った方向である直線偏光に変換される。

なお、コールドミラー６０に入射させる画像の光のＳ波への変換とは、画像の光がコールドミラー６０に入射する際に、磁場ベクトルが入射面に沿っている状態に変換することを意味する。

さらに、位相差フィルム３０とコールドミラー６０との間の光路ＯＰ上には、膜状に形成された偏光フィルム５０が配置されている。偏光フィルム５０は、互いに実質直交する透過軸５２と遮光軸５４とを形成しており、透過軸５２に沿った方向の電場ベクトルの光を透過させ、遮光軸５４に沿った方向の電場ベクトルの光を遮光する性質を有する。ここで、遮光軸５４は、コールドミラー６０により定義される入射面に沿って配置されている。換言すると、透過軸５２は、位相差フィルム３０によって変換された画像の光の偏光方向に沿って（特に本実施形態では、画像の水平方向に沿って）配置されている。なお、本実施形態における偏光フィルム５０は、遮光軸５４に沿った方向の電場ベクトルの光を吸収するものであるが、反射するものであってもよい。

透光性基板４０は、透光性の合成樹脂ないしはガラスにより、平面板状に形成されている。透光性基板４０の液晶パネル２０側表面には、位相差フィルム３０が貼り付けられており、コールドミラー６０側表面には、偏光フィルム５０が貼り付けられている。これにより、位相差フィルム３０及び偏光フィルム５０は、同一の透光性基板４０に保持されている。

このようにして、液晶パネル２０から射出された画像の光は、位相差フィルム３０によってその偏光方向が回転され、さらに偏光フィルム５０を透過し、コールドミラー６０にＳ波として斜め入射する。そして、光学多層膜６４によるコールドミラー６０の分光特性に基づいて、コールドミラー６０からウインドシールド３側へ向けて反射された画像の光が、さらにウインドシールド３に上述の入射角で反射されて乗員のアイポイントＥＰに到達することとなる。

他方、本実施形態のＨＵＤ装置１００では、赤外光、可視光、及び紫外光を含む太陽光等の外光が、ウインドシールド３を透過し、光路ＯＰを逆行してコールドミラー６０に入射することがある。この場合、このような外光のうち、赤外光及び紫外光の多くは、コールドミラー６０を透過して光路ＯＰから外れる。コールドミラー６０に反射された外光は、その一部を偏光フィルム５０に遮光される。このような構成により、光路ＯＰを逆行する外光の液晶パネル２０へ到達割合は、低いものとなっている。

（作用効果）
以上説明した第１実施形態の作用効果を以下に説明する。

第１実施形態によると、画像形成素子としての液晶パネル２０は、光源部１０からの光源光が入射することにより、形成した画像を所定の偏極状態を有する光として射出する。射出された画像の光は、位相子としての位相差フィルム３０によってＳ波に変換されて、透光性基材６２に光学多層膜６４を形成してなるコールドミラー６０に入射する。これによれば、Ｐ波成分の光がコールドミラー６０に入射することが抑制されるので、成分間の位相差の波長依存性に起因した、波長に応じた偏極状態の違いが抑制される。このため、コールドミラー６０に反射された画像の光が投影部材としてのウインドシールド３に反射されても、その反射率の差が抑制されるので、乗員により視認される画像の光のスペクトル分布は、液晶パネル２０にて形成された画像の光のスペクトル分布に対して変化し難くなる。したがって、視認者は、液晶パネル２０で形成された色に近い色で、画像を視認することができる。以上により、色の再現性が高いＨＵＤ装置１００を提供することができる。

また、第１実施形態によると、位相差フィルム３０とコールドミラー６０との間の光路ＯＰ上に、遮光軸５４が入射面に沿って配置される偏光子としての偏光フィルム５０を備える。これによれば、製造誤差等により、画像の光が位相差フィルム３０を通過した時点で完全なＳ波に変換されなかったとしても、Ｐ波成分は入射面に沿った遮光軸５４によって遮光されるので、精度を高めてＳ波をコールドミラー６０に入射させることができる。

また、第１実施形態によると、位相差フィルム３０及び偏光フィルム５０は、膜状に形成されており、同一の透光性基板４０に保持されている。これによれば、位相差フィルム３０と偏光フィルム５０との位置合わせが容易となり、強度も確保できるので、色の再現性が高いＨＵＤ装置１００を容易に提供することができる。

また、第１実施形態によると、コールドミラー６０は、光学多層膜６４により、４００〜７００ｎｍの波長の光に対して９５％以上の反射率を有する。これによれば、コールドミラー６０は、可視光の広い波長領域において高い反射率で、液晶パネル２０にて形成された画像の光を反射可能となるので、視認者に到達する光量が特定の波長の可視光だけ少なくなる事態を避けることができる。したがって、視認者は、液晶パネル２０で形成された色に近い色で、色の再現性が高い画像を視認することができる。

（第２実施形態）
図３に示すように、本発明の第２実施形態は第１実施形態の変形例である。第２実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。

第２実施形態のＨＵＤ装置２００は、透光性基板４０を備えておらず、ハウジング７０に保持された位相子としての位相差板２３０を備えている。位相差板２３０は、液晶パネル２０とコールドミラー６０との間の光路ＯＰ上に配置されている。位相差板２３０は、例えばサファイヤないしは水晶等の単軸結晶により板状に形成されている。具体的に、例えば複数の薄板をオプティカルコンタクト接合して積層すること等により、位相差板２３０は、強度を確保可能な板厚に形成されている。

第１実施形態の位相差フィルム３０の場合と同様に、液晶パネル２０から板厚方向に画像の光が入射する位相差板２３０は、コールドミラー６０に入射させる画像の光をＳ波に変換する。すなわち、電場ベクトルＥＶ１が画像の水平方向に対して斜め４５°の角度をなす方向の直線偏光が、１８０°の位相差を与えられることで、電場ベクトルＥＶ２が画像の水平方向に沿った方向の直線偏光に変換される。

位相差板２３０のコールドミラー６０側表面には、第１実施形態と同様の膜状に形成された偏光フィルム２５０が貼り付けられている。これにより、偏光フィルム２５０は、位相差板２３０に保持されている。偏光フィルム２５０の遮光軸５４は、第１実施形態と同様に、コールドミラー６０により定義される入射面に沿って配置されている。

以上説明した第２実施形態においても、位相差板２３０は、コールドミラー６０に入射させる画像の光をＳ波に変換する。したがって、第１実施形態に準じた作用効果を奏することが可能となる。

また、第２実施形態によると、位相子としての位相差板２３０は、単軸結晶により板状に形成され、偏光フィルム２５０は、膜状に形成されて位相差板２３０に保持されている。これによれば、位相差板２３０と偏光フィルム２５０との位置合わせが容易となり、強度も確保できるので、色の再現性が高いＨＵＤ装置１００を容易に提供することができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。

具体的に、第１〜第２実施形態に関する変形例１としては、光路ＯＰ上に、レンズ、ミラー等の光学素子が追加配置されていてもよい。この例として、例えば偏光フィルム５０，２５０とコールドミラー６０との間の光路ＯＰ上に、ミラーが配置された場合においては、ミラーにおける反射を考慮して、偏光フィルム５０，２５０の遮光軸５４の方向が、ミラーの反射面に入射面を光路ＯＰに沿って射影した反射面上の方向に対応していれば、当該遮光軸５４が入射面に沿った配置とみなされる。

また、変形例１における具体例として、図４に示すように、コールドミラー６０とウインドシールド３との間に、透光性を有する合成樹脂ないしはガラスにより形成された防塵カバー７２が配置されていてもよい。防塵カバー７２として、例えば圧延されたポリカーボネイト樹脂のような、位相子のように位相差を生じさせる材料を用いる。これにより、コールドミラー６０に反射され、ウインドシールド３に入射する画像の光の偏極状態を最適化（例えば、ウインドシールド３を基準としたＳ波に変換）することができる。

第１〜第２実施形態に関する変形例２としては、位相差フィルム３０又は位相差板２３０とコールドミラー６０との間の光路ＯＰ上に、偏光フィルム５０，２５０を有していなくてもよい。

第１〜第２実施形態に関する変形例３としては、位相差フィルム３０又は位相差板２３０は、コールドミラー６０に入射させる画像の光をＳ波に変換するものであれば、所定の偏極状態としての円偏光を直線偏光に変換するものであってもよい。すなわち、画像形成素子として、液晶パネル２０以外の素子を採用可能であり、また、位相差フィルム３０又は位相差板２３０は、１８０°以外の位相差を与えるものであってもよい。

第１〜第２実施形態に関する変形例４としては、コールドミラー６０は、光学多層膜６４により、４００〜７００ｎｍの波長の画像の光に対して９５％以上の反射率を有していなくてよい。例えば、コールドミラー６０は、４００〜７００ｎｍの波長の画像の光に対して８０〜９０％程度の反射率であってもよい。また例えば、コールドミラー６０は、画像形成素子から射出され得る波長のみに対して、９５％以上の反射率を有するようにしてもよい。

第１〜第２実施形態に関する変形例５としては、コールドミラー６０は、曲面板状の透光性基材６２に光学多層膜６４を形成してなるものであってもよい。

第１〜第２実施形態に関する変形例６としては、投影部材として、ウインドシールド３の代わりに、車両１と別体となっているコンバイナを車両内に設置して、当該コンバイナに画像を投影するものであってもよい。

第１〜第２実施形態に関する変形例７としては、車両１以外の船舶ないしは飛行機等の各種移動体（輸送機器）に、本発明を適用してもよい。

１ 車両、３ ウインドシールド（投影部材）、１０ 光源部、２０ 液晶パネル（画像形成素子）、３０ 位相差フィルム（位相子）、２３０ 位相差板（位相子）、４０ 透光性基板、５０，２５０ 偏光フィルム（偏光子）、５４ 遮光軸、６０ コールドミラー、６２ 透光性基材、６４ 光学多層膜、１００，２００ ＨＵＤ装置、ＯＰ 光路

Claims (4)

1. 移動体（１）に搭載され、投影部材（３）に画像を投影し、前記画像の光が前記投影部材に反射されることで前記画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   光源光を発する光源部（１０）と、
   前記光源光が入射することにより前記画像を形成し、所定の偏極状態を有する光として前記画像の光を射出する画像形成素子（２０）と、
   透光性基材（６２）に光学多層膜（６４）を形成してなり、入射面に沿って斜めに入射する前記画像の光を前記投影部材側へ向けて反射するコールドミラー（６０）と、
   前記画像形成素子と前記コールドミラーとの間の光路（ＯＰ）上に配置され、前記コールドミラーに入射させる前記画像の光をＳ波に変換する位相子（３０，２３０）と、
   前記位相子と前記コールドミラーとの間の光路上に、遮光軸（５４）が前記入射面に沿って配置される偏光子（５０，２５０）と、を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記位相子（３０）及び前記偏光子（５０）は、膜状に形成されており、同一の透光性基板（４０）に保持されている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. 前記位相子（２３０）は、単軸結晶により板状に形成される位相差板であり、
   前記偏光子（２５０）は、膜状に形成されて前記位相子に保持されている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。
4. 前記コールドミラーは、前記光学多層膜により、４００〜７００ｎｍの波長の前記画像の光に対して９５％以上の反射率を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

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