(57)【要約】【課題】運転に役立つ、異なる種類の情報を単一の表示器で表示することができ、かつ、大幅な焦点の変更を必要としない車両用表示装置を提供する。【解決手段】表示器（１１０）の第１の表示領域（１１０ａ）に表示される映像からの映像光をウインドシールド側へ反射する第１の凹面ミラー（１０４）又は運転者のアイポイント（１０２）側へ反射するコンバイナー（１１６）と、表示器（１１０）の第２の表示領域（１１０ｂ）に表示される映像からの映像光を運転者のアイポイント側へ反射するコンバイナー（１０６）又は第２の凹面ミラー（１０７）とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表示領域と、第２の表示領域とを有し、前記第１の表示領域に第１の映像を表示し、前記第２の表示領域に第２の映像を表示する表示器と、
前記第１の映像を表す第１の映像光を反射する第１の反射部材を含む第１の投射光学系と、
前記第２の映像を表す第２の映像光を運転者に向けて反射する第２の反射部材を含む第２の投射光学系とを備え、
前記第１の投射光学系は運転者から第１の距離に第１の虚像を提供するように構成され、
前記第２の投射光学系は運転者から第２の距離に第２の虚像を提供するように構成されている
ことを特徴とする車両用表示装置。
【請求項２】
前記第１の反射部材が、前記第１の映像光を前記車両のウインドシールドに向けて反射し、
前記第１の反射部材の反射面の形状は、前記ウインドシールドによる前記第１の虚像の歪みを補正するように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の車両用表示装置。
【請求項３】
前記第１の反射部材が、前記第１の映像光を運転者に向けて反射する半透過ミラーで構成され、
前記運転者が前記半透過ミラーを通して前景を視認することを可能にした請求項１に記載の車両用表示装置。
【請求項４】
前記第２の反射部材が半透過ミラーであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用表示装置。
【請求項５】
前記第２の反射部材を構成する前記半透過ミラーは、上端側から下端側に向けて次第に厚さが減少するクサビ状に形成されていることを特徴とする請求項４に車両用表示装置。
【請求項６】
前記第２の反射部材がダッシュボード内に配置された凹面ミラーであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の車両用表示装置。
【請求項７】
前記表示器は、前記第２の映像に対して前記第１の映像がより高い輝度を有するように表示を行うことを特徴とする請求項６に記載の車両用表示装置。
【請求項８】
前記第１の距離が前記第２の距離よりも長いことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の車両用表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両、特に自動車のダッシュボード等に搭載されて、車両の前方に虚像を表示する装置に関するものである。「ダッシュボード」とは、自動車のウインドシールド（フロントウィンドウ）の下で、前席の正面にある内装部品全体を指す。運転席の正面には、通常スピードメーター、タコメーター、燃料計、水温計及び距離計など、車両の状態を表す情報を提供する計器類が配置されている。これらの計器類の集合をクラスターと言う。
【背景技術】
【０００２】
従来から、虚像を車両の前方に形成し、前景と重畳して視認させるヘッドアップディスプレイが知られている。ヘッドアップディスプレイは、運転者が前方を注視しながら、即ち、遠方に眼の焦点を合わせたままで、かつ視線を全く、或いはほんの少ししか移動させずに、虚像を視認することができるというメリットを有し、運転に役立つ情報、例えばスピードの表示、各種警告の表示、案内の表示等に利用されている。
【０００３】
ヘッドアップディスプレイにおける虚像の形成には、一般にウインドシールドでの反射が利用される。しかし、ウインドシールドは反射率が低く、また虚像が前景と重畳して視認されるため、ウインドシールドでの反射を利用したヘッドアップディスプレイでは精細な映像を表示することは困難である。
【０００４】
従来クラスターで示されていた情報を表す映像を、ヘッドアップディスプレイとは別の表示器で表示し、ミラーで反射して運転者に虚像として視認させることも提案されている（例えば、特許文献１）。
また、１つの表示器の異なる部分を互いに異なる映像の表示に利用し、ヘッドアップディスプレイで虚像を表示するとともに、従来クラスターで示されていた情報を、実像として表示することも提案されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１４６０１２号公報（図１）
【特許文献２】特開２０１０−１６４９４１号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のように、ヘッドアップディスプレイとクラスター表示とで、別個の表示器を設ける場合には、ダッシュボード内に大きなスペースが必要となる。
特許文献２のように、１つの表示器を使ってヘッドアップディスプレイで虚像を表示し、クラスターで実像を表示する構成の場合には、クラスター表示を視認する際には眼の焦点を手前に合わせる必要があり、前景を見るときと、クラスター表示を見るときとで焦点を変える必要があり、運転者にとって負担となる。特に高齢者は焦点の変更に時間が掛かるので、負担が大きい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の車両用表示装置は、
第１の表示領域と、第２の表示領域とを有し、前記第１の表示領域に第１の映像を表示し、前記第２の表示領域に第２の映像を表示する表示器と、
前記第１の映像を表す第１の映像光を反射する第１の反射部材を含む第１の投射光学系と、
前記第２の映像を表す第２の映像光を運転者に向けて反射する第２の反射部材を含む第２の投射光学系とを備え、
前記第１の投射光学系は運転者から第１の距離に第１の虚像を提供するように構成され、
前記第２の投射光学系は運転者から第２の距離に第２の虚像を提供するように構成されている
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、運転に役立つ、異なる種類の情報を単一の表示器で表示することができ、かつ、大幅な焦点の変更を必要としない車両用表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る車両用表示装置を、ウインドシールド、ダッシュボード、及びステアリングホイールとともに示す図である。
【図２】実施の形態１に係る車両用表示装置の表示器における表示の視認可能な角度範囲を示す図である。
【図３】実施の形態１に係る車両用表示装置の表示器の表示画面の分割を示す図である。
【図４】図３の表示器に映像信号を供給する映像信号供給部の構成を示すブロック図である。
【図５】実施の形態１に係る車両用表示装置のコンバイナーの表面及び裏面における光の反射、並びに表面における光の屈折を示す図である。
【図６】クサビ状でないコンバイナーの表面及び裏面における光の反射、並びに表面における光の屈折を示す図である。
【図７】虚像が遠距離に形成される場合の、コンバイナーの表面及び裏面における光の反射、並びに表面における光の屈折を示す図である。
【図８】虚像までの距離とクサビ角の関係を示す説明図である。
【図９】実施の形態１に係る車両用表示装置を用いた場合の、運転者にとっての虚像の見え方を示す図である。
【図１０】実施の形態１の変形例に係る車両用表示装置を、ウインドシールド、ダッシュボード、及びステアリングホイールとともに示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る車両用表示装置を、ウインドシールド、ダッシュボード、及びステアリングホイールとともに示す図である。
【図１２】実施の形態２に係る車両用表示装置のバックライト、集光レンズ、及び光学シートを示す図である。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）は、図１２のバックライトと集光レンズとの位置関係を示す図である。
【図１４】実施の形態２に係る車両用表示装置を用いた場合の、運転者にとっての虚像の見え方を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態３に係る車両用表示装置を、ウインドシールド、ダッシュボード、及びステアリングホイールとともに示す図である。
【図１６】実施の形態３に係る車両用表示装置を用いた場合の、運転者にとっての虚像の見え方を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の車両用表示装置は、車両に搭載されて使用される。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る車両用表示装置を説明する。説明の便宜のためＸＹＺ座標を用いる。
Ｘ軸は、車両（車両用表示装置が搭載された車両）の前方に対して左右方向である。＋Ｘ軸方向は、車両の前方を見て右方向である。−Ｘ軸方向は、車両の前方を見て左方向である。
Ｙ軸は、上下方向である。＋Ｙ軸方向は上方向である。−Ｙ軸方向は下方向である。上方向は空の方向で、下方向は地面の方向である。
Ｚ軸は、車両の前後方向である。＋Ｚ軸方向は、車両の前方である。−Ｚ軸方向は、車両の後方である。
【００１１】
実施の形態１．
［車両用表示装置１０１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る車両用表示装置１０１を、ウインドシールド１０３、ダッシュボード１３１、及びステアリングホイール１３５とともに示す。
図示の車両用表示装置１０１は、車両に搭載された状態では、ダッシュボード１３１の筐体１３１ａ内に配置されており、車両用表示装置１の筐体１０１ａは、ダッシュボード１３１の筐体１３１ａに固定されている。
【００１２】
図示の車両用表示装置１０１は、表示器１１０と、照明光学系と、第１及び第２の投射光学系とを備えている。
表示器１１０としては、透過型の液晶パネルを備えたものが用いられている。
【００１３】
照明光学系は、バックライト１１１と、集光レンズ１１２と、光学シート１１３とを有し、これらは筐体１０１ａに固定されており、表示器１１０の背面側（図では−Ｚ軸方向）に設けられている。
第１の投射光学系は、第１の反射部材としての凹面ミラー１０４を含む。凹面ミラー１０４は、筐体１０１ａに固定されている。
第２の投射光学系は、第２の反射部材としてのコンバイナー１０６を含む。コンバイナー１０６は筐体１０１ａに固定されている。
【００１４】
表示器１１０はバックライト１１１から光の照射を受け、映像を表示する。映像の内容は、後述の図４に示される映像信号供給部１２５からの映像信号に応じて定められる。
【００１５】
表示器１１０に表示される映像は、図２に示されるように、ある角度（視野角）Ψの範囲内であれば、いずれの方向からでも視認可能である。凹面ミラー１０４及びコンバイナー１０６はともに、上記の視野角Ψの範囲内にあり、表示器１１０に表示される映像からの映像光を受けることができる。「映像光」は、画像情報を有する光であり、画像の全体からの光を意味することもあり、画像のうちの一点からの光を意味することもある。
【００１６】
後述のように、表示される映像は、２つの部分から成り、第１の部分を第１の映像と言い、第２の部分を第２の映像と言う。
表示器１１０に表示される第１及び第２の映像が、運転者のアイポイント（眼）１０２に達するまでの光路を符号１４４、１５４などで表す。図１並びに後述の同様の図では、第１及び第２の映像の各々の上下方向の両端（上端及び下端）についての光路を示す。
光路１４４、１５４に沿って進む映像光を、該光路と同じ符号１４４、１５４で表す。凹面ミラー１０４或いはコンバイナー１０６で反射された光がそれ以降辿る光路についても同様である。
映像光１４４は、上記の第１の映像を表すものであり、第１の映像光と呼ばれる。映像光１５４は、上記の第２の映像を表すものであり、第２の映像光と呼ばれる。
【００１７】
凹面ミラー１０４は、表示器１１０から出射された第１の映像光１４４を反射する。反射光は映像光１４３としてウインドシールド１０３に向かう。
ウインドシールド１０３は映像光１４３を反射する。反射光は、映像光１４１として運転者のアイポイント（眼）１０２に向かう。
【００１８】
凹面ミラー１０４の反射面の形状は、ウインドシールド１０３の表面の形状と組み合わせられることで、表示器１１０に表示される映像を、歪みが抑制された虚像１２１として提供する（虚像として結像させる）ように設計されている。
虚像（第１の虚像）１２１は、運転者には、映像光１４１の延長線１４２上にあるものとして視認される。
アイポイント１０２から虚像１２１までの距離がＬ１０１で示されている。
第１の投射光学系は、距離Ｌ１０１が所望の値になるように設計されている。距離Ｌ１０１の所望の値は、例えば、８ｍ以上、より具体的には、１０〜２０ｍ程度である。
【００１９】
距離Ｌ１０１は、凹面ミラー１０４の反射面の形状とウインドシールド１０３の表面の形状の組み合わせのみならず、表示器１１０、凹面ミラー１０４、ウインドシールド１０３、及びアイポイント１０２の位置関係にも依存する。上記の距離Ｌ１０１が所望の値になるように、アイポイント１０２及びウインドシールド１０３に対する表示器１１０及び凹面ミラー１０４の相対位置、並びに凹面ミラー１０４の反射面の形状が設計されている。アイポイント１０２の位置としては標準的な位置或いは想定される位置の範囲が考慮されている。
【００２０】
ウインドシールド１０３は一般的には車両の外側に向かって凸な曲面で形成されており、その曲率は、部分ごとに異なる。このため、なんらかの対策が取られなければ、形成される虚像１２１に歪みが生じる。
凹面ミラー１０４は、ウインドシールド１０３による虚像の上記の歪みを補正する機能を有するものであり、補正により虚像１２１の歪みが最小となるように構成されている。
補正のため、例えば、凹面ミラー１０４のうちの、ウインドシールド１０３の曲率が大きい部分に対応する部分は曲率が小さくされる。
【００２１】
コンバイナー１０６は、ウインドシールド１０３の内側に（運転者の眼１０２の側に）配置されている。コンバイナー１０６は、半透過ミラーである。
コンバイナー１０６は、前景からの光を、ウインドシールド１０３を通して受け、該光の一部を透過させて、アイポイント１０２において、前景の視認を可能にするとともに、表示器１１０からの第２の映像光１５４の一部を反射して、反射光を、映像光１５１として運転者のアイポイント１０２に向かわせる。コンバイナー１０６の反射率は例えば３０％程度である。
【００２２】
コンバイナー１０６の反射面の形状は、表示器１１０に表示された第２の映像を、歪みのない虚像１２２として提供するように設計されている。
虚像１２２（第２の虚像）は、運転者には、映像光１５１の光路の延長線１５２上にあるものとして視認される。
アイポイント１０２から虚像１２２までの距離がＬ１０２で示されている。
第２の投射光学系は、距離Ｌ１０２が所望の値となるように設計されている。距離Ｌ１０２の所望の値は、距離Ｌ１０１よりも小さい値、例えば、例えば２〜３ｍ程度である。
【００２３】
距離Ｌ１０２は、コンバイナー１０６の反射面の形状のみならず、表示器１１０、コンバイナー１０６、及びアイポイント１０２の位置関係にも依存する。上記の距離Ｌ１０２が所望の値になるように、アイポイント１０２に対する表示器１１０及びコンバイナー１０６の相対位置、並びにコンバイナー１０６の反射面の形状が設計されている。アイポイント１０２の位置としては標準的な位置或いは想定される位置の範囲が考慮されている。
【００２４】
表示器１１０は、表示画面が２つの表示領域に分割されており、その一方で、第１の映像を表示し、他方で、第２の映像を表示する。
【００２５】
図３は表示器１１０の表示画面を＋Ｚ軸方向から（図１で左方向から）見た図である。表示器１１０の表示画面の縦方向（高さ方向）寸法がＨｏで示され、横方向寸法がＷで示されている。表示器１１０の表示画面は、縦方向に２つに分割されており、下側に位置する高さＨａの第１の表示領域１１０ａと、上側に位置する高さＨｂの第２の表示領域１１０ｂとを有する。図示の例では、第１の表示領域１１０ａ及び第２の表示領域１１０ｂはいずれも矩形の領域である。
第１の表示領域１１０ａは第１の映像を表示し、第１の表示領域１１０ａからは第１の映像を表す第１の映像光１４４が出射される。
第２の表示領域１１０ｂは第２の映像を表示し、第２の表示領域１１０ｂからは第２の映像を表す第２の映像光１５４が出射される。
【００２６】
図３に示す例では、第１の表示領域１１０ａと第２の表示領域１１０ｂとの間に、これらのいずれにも属さない、非表示領域１１０ｃが設けられている。非表示領域１１０ｃはいかなる映像も表示しない領域である。非表示領域１１０ｃは、黒べたに塗りつぶされた領域、即ち、輝度を表す階調値が最小値（ゼロ）の画素から成るものであるのが望ましい。非表示領域１１０ｃは、形成される虚像１２１、１２２相互間の干渉を避ける役割を持つ。仮にこのような非表示領域が無ければ、虚像１２１が、表示領域１１０ｂに表示された映像の一部（下端部）に相当する部分を含むものとなったり、逆に虚像１２２が、表示領域１１０ａに表示された映像の一部（上端部）に相当する部分を含むものとなったりするおそれがあるが、非表示領域１１０ｃを設けることでそのようなことを防ぐことができる。
【００２７】
図４は、図３の表示器１１０に映像信号を供給する映像信号供給部１２５の構成を示す。図示の映像信号供給部１２５は、第１の映像信号生成部１２６と、第２の映像信号生成部１２７と、合成部１２８とを有する。
第１の映像信号生成部１２６は、第１の表示領域１１０ａで表示されるべき第１の映像を表す映像信号を生成する。
第２の映像信号生成部１２７は、第２の表示領域１１０ｂで表示されるべき第２の映像を表す映像信号を生成する。
合成部１２８は、第１の映像信号生成部１２６からの映像信号で表される第１の映像と、第２の映像信号生成部１２７からの映像信号で表される第２の映像とを合成する。
合成の結果得られる映像は、下側に第１の映像を配置し、上側に第２の映像を配置し、第１の映像と第２の映像との間に、非表示領域を配置したものとなる。非表示領域は、例えば、輝度を表す階調値が最小値（ゼロ）の画素から成る領域である。
第１の映像信号生成部１２６、第２の映像信号生成部１２７、及び合成部１２８は、いずれも例えば処理回路により実現することができる。処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵであっても良い。
【００２８】
図５を参照してコンバイナー１０６の断面形状について説明する。コンバイナー１０６は、上端が下端に比べて厚く、上端から下端にかけて次第に薄くなるように、即ちクサビ状に形成されている。
このようにするのはコンバイナー１０６の表面(アイポイント１０２側の面)１０６ａで反射した映像光と裏面(アイポイント１０２側の面とは逆の面)１０６ｂで反射した映像光とでずれが生じ、運転者に２重像として視認されるのを防止するためである。
【００２９】
以下この点について、図５を参照して説明する。
以下では、光路を、便宜上アイポイント１０２から逆に辿って説明する。
運転手はアイポイント１０２から虚像１２２を視認している。
【００３０】
まず、表面１０６ａで反射する成分を考える。
虚像１２２の点Ｐ１０５に相当する映像光は、アイポイント１０２から光路１６１を辿り、コンバイナー１０６の表面１０６ａの点Ｐ１０２で反射して光路１６２を辿って表示器１１０の点Ｐ１０１に至る。
つまり、点Ｐ１０１に表示されている映像部分（画素）は、その映像光のうち、点Ｐ１０２で反射する経路でアイポイント１０２に達した成分により、点Ｐ１０５の位置にある虚像として視認される。
【００３１】
次に裏面１０６ｂで反射する成分を考える。
虚像１２２の点Ｐ１０５に相当する映像光は、アイポイント１０２から光路１６１を辿りコンバイナー１０６の表面１０６ａの点Ｐ１０２で屈折して、裏面１０６ｂの点Ｐ１０３で反射され、表面１０６ａの点Ｐ１０４で屈折して、光路１６３を辿って表示器１１０の点Ｐ１０１に至る。
つまり点Ｐ１０１に表示されている映像部分（画素）は、その映像光のうち、点Ｐ１０３で反射する経路でアイポイント１０２に達した成分により、点Ｐ１０５の位置にある虚像として視認される。
【００３２】
このようにアイポイント１０２から光路１６１の方向に、即ち虚像の点Ｐ１０５の位置に見えるのは、表面１０６ａで反射する経路でアイポイント１０２に達する成分も、裏面１０６ｂで反射する経路でアイポイント１０２に達する成分も、いずれも点Ｐ１０１に表示されている映像部分（画素）であり、従って、２重像にはならない。
【００３３】
コンバイナー１０６がクサビ状でない場合に２重像が発生する理由を、図６を参照して説明する。図６の例では表面１０６ａと裏面１０６ｂとが互いに「平行」であるように、即ち厚さが一定（表面１０６ａと裏面１０６ｂとの距離が一定）であるように形成されているものとする。運転手はアイポイント１０２から虚像１２２を視認している。
【００３４】
まず表面１０６ａで反射する成分を考える。
虚像１２２の点Ｐ１０５に相当する映像光は、アイポイント１０２から光路１６１を辿り、コンバイナー１０６の表面１０６ａの点Ｐ１０２で反射されて光路１６２を辿って表示器１１０の点Ｐ１０１に至る。つまり、点Ｐ１０１に表示されている映像部分（画素）は、その映像光のうち、点Ｐ１０２で反射する経路でアイポイント１０２に達した成分により、点Ｐ１０５の位置にある虚像として視認される。
【００３５】
次に裏面１０６ｂで反射する成分を考える。
虚像１２２の点Ｐ１０５に相当する映像光は、アイポイント１０２から光路１６１を辿りコンバイナー１０６の表面１０６ａの点Ｐ１０２で屈折して、裏面１０６ｂの点Ｐ１０３で反射され、表面１０６ａの点Ｐ１０４で屈折して、光路１６４を辿って表示器１１０の点Ｐ１０６に至る。つまり、点Ｐ１０６に表示されている映像は、その映像光のうち、点Ｐ１０３で反射する経路でアイポイント１０２に達した成分により、点Ｐ１０５の位置にある虚像として視認される。
【００３６】
このように、点Ｐ１０１に表示されている映像部分（画素）と、点Ｐ１０６に表示されている映像部分（画素）とが、それぞれ異なる経路を辿った後、光路１６１によりアイポイント１０２に達する。そのため、点Ｐ１０１に表示されている映像部分（画素）と、点Ｐ１０６に表示されている映像部分（画素）とがともに、アイポイント１０２から光路１６１の方向に、即ち虚像の点Ｐ１０５の位置に見える。即ち、２重像となる。
【００３７】
図６において、（表面１０６ａが図示の如くのままで、）裏面がより垂直に近ければ（その場合の裏面の一部を符号１０６ｃで示す）、点Ｐ１０３における入射角及び反射角は、より小さくなり、従って、表示器１１０の表示画面の、点Ｐ１０６よりも点Ｐ１０１により近い点（例えば点Ｐ１０６ｃ）から出た光１６６が点Ｐ１０３で反射されて、点Ｐ１０２に至ることが分かる。
従って、コンバイナー１０６は、上端側ほど、裏面１０６ｂが表面１０６ａから離れていること、即ち、コンバイナー１０６を上端側ほど厚いクサビ状に形成することで、像が２重に見えるのを防ぐことができることが分かる。
【００３８】
以上の説明は、コンバイナー１０６の表面及び裏面が各々の下端部側においてより垂直に近く、上端側に近づくにつれてより水平に近くなること、及びコンバイナー１０６を構成する物質の屈折率が一定であること、及び表面１０６ａの曲率が一定であることを前提としている。
コンバイナー１０６の配置（コンバイナー１０６と表示器１１０との位置関係、コンバイナー１０６とアイポイント１０２との位置関係）、コンバイナー１０６を構成する物質の屈折率、及びコンバイナー１０６の表面の曲率が上記とは異なる場合にも、これらを考慮に入れた上で、クサビ状の形状の詳細（どの程度の厚さ及び傾きを持たせるか）を適切に定めることで、像が２重になるのを防ぐことができる。
【００３９】
コンバイナー１０６の断面をクサビ状にせずに２重像を防止するために、裏面１０６ｂに反射防止処理（図６の破線）をすることも考えられる。この場合、表示器１１０上の点Ｐ１０６から出射されて光路１６４を辿る映像光は表面１０６ａの点Ｐ１０４で屈折し、裏面１０６ｂの点Ｐ１０３で反射せずに光路１６５を辿って上方へ抜ける。この場合には裏面１０６ｂでの反射光を利用しないために表示の輝度が低下するという問題がある。また、反射防止処理のためにコストが高くなるという問題がある。
【００４０】
なお、虚像がアイポイント１０２から遠くなるに従い、コンバイナー１０６をクサビ状にする必要性が少なくなる。その理由を、図７を参照して説明する。虚像１２２が充分に遠方にある場合で考える。これは、コンバイナー１０６に対し表示器１１０が充分遠いことと等価である。
【００４１】
まず表面１０６ａで反射する成分を考える。
虚像１２２の点Ｐ１０５に相当する映像光はアイポイント１０２から光路１６１を辿り、コンバイナー１０６の表面１０６ａの点Ｐ１０２で反射して光路１６２を辿って表示器１１０の点Ｐ１０１に至る。つまり、点Ｐ１０１に表示されている映像を点Ｐ１０５の位置にあるように虚像として視認する。
【００４２】
次に裏面で反射する成分を考える。
虚像１２２の点Ｐ１０５に相当する映像光は、アイポイント１０２から光路１６１を辿り表面１０６ａの点Ｐ１０２で屈折して、裏面１０６ｂの点Ｐ１０３で反射され、表面１０６ａの点Ｐ１０４で屈折して、光路１６４を辿って表示器１１０の点Ｐ１０１に至る。
【００４３】
このようにアイポイント１０２から光路１６１の方向に、即ち虚像の点Ｐ１０５の位置に見えるのは、表面１０６ａで反射する経路でアイポイント１０２に達する成分も、裏面１０６ｂで反射する経路でアイポイント１０２に達する成分も、いずれも点Ｐ１０１に表示されている映像部分（画素）であり、従って、２重像にはならない。
【００４４】
図８は虚像の距離と、必要なクサビ角の関係を示したものであり、横軸に虚像の距離を、縦軸にクサビ角を示す。図より虚像の距離が８ｍ以上になるとクサビ角はきわめて小さくて良いこと、即ち実質上なくても良いことが分かる。
なお、ウインドシールドでの反射光を利用して虚像を表示する場合に２重像の発生を抑えるために、ウインドシールドをクサビ状に形成することも考えられる。しかし、ウインドシールドをクサビ状に形成するには、ウインドシールド上端と下端とで厚みの異なる特殊な中間膜を用いた合わせガラスを作製する必要があり、コストが高くなる。
【００４５】
一方、コンバイナー１０６は一般的に樹脂の射出成型で形成されるため断面がクサビ状であってもコストに与える影響は小さい。これらのことを考慮し、本実施の形態では、アイポイント１０２から遠い位置に視認される虚像１２１を、ウインドシールド１０３を通して視認される位置に形成し、アイポイント１０２から近い位置に視認される虚像１２２を、クサビ状の断面を有するコンバイナー１０６を通して視認される位置に形成することとしている。これにより、遠方と近距離の２つの位置に、いずれも２重像を発生することなく、虚像を表示することが可能なヘッドアップディスプレイを低コストで実現できる。
【００４６】
［虚像の表示］
次に表示動作について説明する。図１において、運転者は、映像光１４１の光路の延長線１４２上に、第１の虚像１２１を距離Ｌ１０１前方に視認する。第１の虚像１２１はウインドシールド１０３の先に見えることから前景と重畳して視認することができる。
また、運転者は、映像光１５１の光路の延長線１５２上に、第２の虚像１２２を距離Ｌ１０２前方に視認する。
【００４７】
図９はアイポイント１０２からの虚像１２１及び１２２の見え方を示す。運転者はウインドシールド１０３で反射された映像光を受けることで、第１の虚像１２１を、ウインドシールド１０３の先の遠方に視認する。また運転者はコンバイナー１０６で反射された映像光を受けることで、第２の虚像１２２をウインドシールド１０３の下端近傍に設置されたコンバイナー１０６の先に視認する。
【００４８】
上記のように、第１の虚像１２１は、距離Ｌ１０１前方に視認される。距離Ｌ１０１が８ｍ以上、例えば１０〜２０ｍ程度になるように第１の投射光学系が設計されている。車両の走行速度によって運転者が注視している距離は変化するが、距離の認知は８ｍ以上ではほとんど差がないという研究報告があり、８ｍ以上の距離に虚像を表示すれば、運転者がそれ以上の距離の前景を注視しているときに、虚像が前景に合わせて無理なく認識されることになる。
【００４９】
第１の虚像１２１としては、前景に重畳して視認させることによる効果が大きい情報、言い換えると、運転中の運転者に高い優先度で即ち、他の情報よりも速やかに伝達したい情報を、表示するのが望ましい。このような情報の例として、オートクルーズ中の動作状況、例えば車両がどの先行車を認識しているかの情報、緊急の警告、ナビゲーションにおける誘導情報などがある。
【００５０】
第２の虚像１２２は、距離Ｌ１０２前方に視認される。距離Ｌ１０２が距離Ｌ１０１よりも短く、２〜３ｍ程度になるように第２の投射光学系が設計されている。
第２の虚像１２２として、第１の虚像１２１として表示される内容に比べてより低い優先度で運転者に視認させたい情報、例えば車両の走行速度を示す文字、経路案内のための矢印など、或いはより精細に表示することが望まれる映像、例えばナビゲーションのための地図、バックカメラの映像などを表示することとしても良い。
【００５１】
第１の虚像１２１が前景に重畳して視認されるのに対し、第２の虚像１２２を視認するには、運転者が視線を下方へ移し、焦点を変更する必要がある。しかしながら、従来のように、クラスターに視線を移す場合に比べて、視線の移動量が小さく、また、焦点の変更も小さくて済む。
【００５２】
この実施の形態によれば、運転に必要な、異なる種類の情報を優先度に応じて、第１又は第２の虚像として表示することができる。また、第１の虚像及び第２の虚像の双方を、眼への負担が少なく視認性の高い方法でかつ単一の表示器で実現することができる。
【００５３】
実施の形態１の変形例１．
上述の実施の形態では、コンバイナー１０６を、凹面ミラー１０４からウインドシールド１０３への映像光１４３の光路よりも前方（＋Ｚ軸方向）に配置していた。このようにする代わりに、図１０のように映像光１４３の光路よりも後方（−Ｚ軸方向）に、コンバイナー１０６を配置してもよい。
【００５４】
図１０のような配置とすれば、第２の虚像１２２を形成するための第２の投射光学系の光路長（映像光１５１＋映像光１５４）を第１の虚像１２１を形成するための第１の投射光学系の光路長（映像光１４１＋映像光１４３＋映像光１４４）に比べてより短くすることができるので、
Ｌ１０１＞Ｌ１０２
の関係を満たすように構成することが容易となる。
【００５５】
実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２に係る車両用表示装置１０１ｂを、ウインドシールド１０３、ダッシュボード１３１、及びステアリングホイール１３５とともに示す。
図１１に示される車両用表示装置１０１ｂは、図１に示される車両用表示装置１０１と概して同じであるが以下の点で異なる。
【００５６】
即ち、実施の形態１では、第２の投射光学系の第２の反射部材をダッシュボード１３１の上に設置されたコンバイナー１０６で構成し、運転者がコンバイナー１０６を通して前景を見ることを可能にしている。これに対し、実施の形態２では、コンバイナー１０６の代わりに凹面ミラー１０７が第２の投射光学系の第２の反射部材として設けられている。図１１の例では、凹面ミラー１０７は筐体１０１ａに固定され、筐体１３１ａ内に配置されている。
また、照明光学系として、後に図１２並びに図１３（ａ）及び（ｂ）を参照して説明するものが用いられている。
【００５７】
凹面ミラー１０７は、表示器１１０からの第２の映像光１５４を反射する。反射光は、映像光１５１として運転者のアイポイント１０２に向かう。凹面ミラー１０７の反射率は極めて高く、例えば９５％以上である。
凹面ミラー１０７の反射面の形状は、表示器１１０に表示された第２の映像を、歪みのない虚像１２２として提供するように設計されている。
虚像１２２は、運転者には、映像光１５１の光路の延長線１５２上にあるものとして視認される。
凹面ミラー１０７を含む第２の投射光学系は、アイポイント１０２から第２の虚像１２２までの距離Ｌ１０２が所望の値となるように設計されている。
【００５８】
以下、本実施の形態で用いられる照明光学系を、図１２並びに図１３（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。説明の便宜のため、ＸａＹａＺａ座標を用いる。
Ｘａ軸は、車両の前方に対して左右方向である。＋Ｘａ軸方向は、車両の前方を見て右方向である。−Ｘａ軸方向は、車両の前方を見て左方向である。Ｘａ軸の方向、＋Ｘａ軸方向及び−Ｘａ軸方向は、それぞれＸ軸の方向、＋Ｘ軸方向及び−Ｘ軸方向と同じである。
Ｚａ軸は、バックライト１１１から表示器１１０に向かう照明光の方向である。＋Ｚａ軸方向は表示器１１０に向かう方向、−Ｚａ軸方向はその逆方向である。
Ｙａ軸方向は前記Ｘａ軸及びＺａ軸で成す面に垂直な方向である。＋Ｙａ軸方向は図１１で上側を向いた方向である。−Ｙａ軸方向は図１１で下側を向いた方向である。
【００５９】
本実施の形態の照明光学系は、バックライト１１１と、集光レンズ１１２と、光学シート１１３とを有する。
【００６０】
バックライト１１１は、表示器１１０の液晶パネルを裏側から照明するものであり、第１及び第２の光源ユニット１１１ａ及び１１１ｂを有する。
第１の光源ユニット１１１ａは、第１の基板１７２ａに実装された３つのＬＥＤ１７１ａを有する。第２の光源ユニット１１１ｂは、第２の基板１７２ｂに実装された１つのＬＥＤ１７１ｂを有する。
【００６１】
集光レンズ１１２は、第１のレンズ部１１２ａと第２のレンズ部１１２ｂが一体的に形成されたものである。第１のレンズ部１１２ａは、３個のレンズ１７３ａを含む。第２のレンズ部１１２ｂは、１個のレンズ１７３ｂを含む。
【００６２】
第１の光源ユニット１１１ａは、第１のレンズ部１１２ａを通して、さらに光学シート１１３を通して、表示器１１０の第１の表示領域１１０ａを照明する。
第２の光源ユニット１１１ｂは、第２のレンズ部１１２ｂを通して、さらに光学シート１１３を通して、表示器１１０の第２の表示領域１１０ｂを照明する。
【００６３】
光学シート１１３は拡散作用を有し、第１及び第２のレンズ部１１２ａ、１１２ｂから出射された照明光のムラを減少させる。
【００６４】
第１のレンズ部１１２ａと第２のレンズ部１１２ｂとは、互いに同じ高さ（Ｚａ軸方向における位置）にあり、一方、第１の基板１７２ａと第２の基板１７２ｂとは、互いに異なる高さ（Ｚａ軸方向における位置）に配置されている。この点は図１３（ａ）及び（ｂ）に、より分かり易く示されている。図１３（ａ）は、図１２の第１の光源ユニット１１１ａ、第１のレンズ部１１２ａ及び光学シート１１３を＋Ｙａ軸方向に見た図であり、
図１３（ｂ）は、図１２の第２の光源ユニット１１１ｂ、第２のレンズ部１１２ｂ及び光学シート１１３を＋Ｙａ軸方向に見た図である。
【００６５】
図１３(ａ）及び（ｂ）に示されるように、第１の基板１７２ａと第１のレンズ部１１２ａとの間隔をＤｅとし、第２の基板１７２ｂと第２のレンズ部１１２ｂとの間隔Ｄｆとしたときに、
Ｄｅ＜Ｄｆ
を満たすように、第１及び第２の基板１７２ａ及び１７２ｂの高さ（Ｚａ軸方向における位置）が定められている。
【００６６】
これは、各光源ユニットからの光で対応するレンズ部の全体を十分な強度で照射するためである。即ち、上記のように、第１の基板１７２ａに実装された第１の光源ユニット１１１ａは３個のＬＥＤ１７１ａから成るに対し、第２の基板１７２ｂに実装された第２の光源ユニット１１１ｂは１個のＬＥＤ１７１ｂのみから成る。各ＬＥＤからの光の拡がり方（配光角或いは配光分布）が互いに同じであれば、光源ユニット１１１ａからの光で、第１のレンズ部１１２ａの全体をカバーできる距離よりも、光源ユニット１１１ｂからの光で、第２のレンズ部１１２ｂの全体をカバーできる距離の方が長い。そのことを考慮して間隔Ｄｆを間隔Ｄｅよりも大きくしてある。
【００６７】
以上のように、間隔Ｄｅ及びＤｆが設定されていることに加え、第１のレンズ部１１２ａは３つのＬＥＤ１７１ａからの光で第１の表示領域１１０ａを均一に照射し得るように設計されており、第２のレンズ部１１２ｂは１つのＬＥＤ１７１ｂからの光で第２の表示領域１１０ｂを均一に照射し得るように設計されている。
【００６８】
第１の光源ユニット１１１ａを３つのＬＥＤ１７１ａで構成し、第２の光源ユニット１１１ｂを１つのＬＥＤ１７１ｂで構成する理由は以下の通りである。
凹面ミラー１０７の反射率は上記のように、極めて高く例えば９５％以上であるのに対し、ウインドシールド１０３の反射率は一般に１０％以下である。従って、第１の表示領域１１０ａからの映像光１４４（凹面ミラー１０４及びウインドシールド１０３で反射されてアイポイント１０２に向かう）は、第２の表示領域１１０ｂからの映像光１５４（凹面ミラー１０７で反射されてアイポイント１０２に向かう）に比べて高い輝度を持つことが必要である。
そのために、本実施の形態では第２の光源ユニット１１１ｂ（第２の表示領域１１０ｂを照明する）が一つのＬＥＤ１７１ｂから成るのに対して、第１の光源ユニット１１１ａ（第１の表示領域１１０ａを照明する）は３つのＬＥＤ１７１ａを有し、これにより、より明るい光で照射を行うこととしている。
【００６９】
［虚像の表示］
次に表示動作について説明する。図１１において、運転者は、映像光１４１の光路の延長線１４２上に、第１の虚像１２１を距離Ｌ１０１前方に視認する。この第１の虚像１２１はウインドシールド１０３の先に見えることから前景と重畳して視認することができる。
また、運転者は、映像光１５１の光路の延長線１５２上に、第２の虚像１２２を距離Ｌ１０２前方に視認する。
【００７０】
図１４はアイポイント１０２からの虚像１２１及び１２２の見え方を示す。運転者はウインドシールド１０３で反射された映像光を受けることで、第１の虚像１２１を、ウインドシールド１０３の先の遠方に視認する。また運転者は凹面ミラー１０７で反射された映像光を受けることで、第２の虚像１２２を、ステアリングホイール１３５を通して、ダッシュボード１３１の奥の方に視認する。
【００７１】
上記のように、第１の虚像１２１は、距離Ｌ１０１前方に視認される。距離Ｌ１０１が８ｍ以上、例えば１０〜２０ｍ程度となるように第１の投射光学系が設計されている。
第１の虚像１２１としては、前景に重畳して視認させることによる効果が大きい情報、言い換えると、運転中の運転者に高い優先度で即ち、他の情報よりも速やかに伝達したい情報を、表示するのが望ましい。このような情報の例として、オートクルーズ中の動作状況、例えば車両がどの先行車を認識しているかの情報、緊急の警告、ナビゲーションにおける誘導情報などがある。
【００７２】
第２の虚像１２２は、距離Ｌ１０２前方に視認される。距離Ｌ１０２が距離Ｌ１０１よりも短く、２〜３ｍ程度になるように第２の投射光学系が設計されている。
第２の虚像１２２としては、従来のクラスターに表示されているすべての内容を表示することができる。
運転支援機能の増加に伴い、運転者へ提供することが望まれる情報は増加の一途である。一方、ヘッドアップディスプレイで表示できる情報の種類及び量には限りがある。クラスターも従来の針式から表示できる情報の量が多いグラフィックディスプレイへと移行が進んでいるが、クラスターの表示が、ダッシュボードにある表示面で行われる場合には、該表示面に眼の焦点を合わせる必要がある。これに対して本実施の形態では、情報を、凹面ミラー１０７を用いて虚像１２２として表示することでこの課題を解決している。
【００７３】
即ち、虚像１２２の形成に凹面ミラー１０７を用いているので、ダッシュボードの表示面と同様に、多くの情報を、高精細に表示することが可能である。
虚像１２２を視認するには、運転者が視線を下方へ移し、焦点を変更す必要がある。しかしながら、従来のように、ダッシュボードの表示面に視線を移す場合に比べて、視線の移動量が小さく、また、焦点の変更も小さくて済む。
【００７４】
実施の形態３．
図１５は、本発明の実施の形態３に係る車両用表示装置１０１ｃを、ウインドシールド１０３、ダッシュボード１３１、及びステアリングホイール１３５とともに示す。
図１５に示される車両用表示装置１０１ｃは、図１１に示される実施の形態２の車両用表示装置１０１ｂと概して同じであるが以下の点で異なる。
【００７５】
即ち、実施の形態２では、第１の投射光学系の第１の反射部材を凹面ミラー１０４で構成し、凹面ミラー１０４からの映像光をウインドシールド１０３で反射してアイポイント１０２に向かわせ、これにより第１の虚像１２１がウインドシールド１０３の先に視認できる構成としている。これに対し、実施の形態３では、図１５のように第１の投射光学系の第１の反射部材がコンバイナー１１６で構成されている。
【００７６】
コンバイナー１１６は、実施の形態１のコンバイナー１０６と同様に筐体１０１ａに固定されている。コンバイナー１１６は、ウインドシールド１０３の内側に（運転者の眼１０２の側に）配置されている。コンバイナー１１６は、半透過ミラーである。
【００７７】
コンバイナー１１６は、前景からの光を、ウインドシールド１０３を通して受け、該光の一部を透過させて、アイポイント１０２において、前景の視認を可能にするとともに、表示器１１０からの第１の映像光１４４の一部を反射して、反射光を映像光１４１として、運転者のアイポイント１０２に向かわせる。コンバイナー１１６の反射率は例えば３０％程度である。
【００７８】
コンバイナー１１６の反射面の形状は、表示器１１０に表示された第１の映像を、歪みのない虚像１２１として提供するように設計されている。
虚像１２１は、運転者には、映像光１４１の延長線１４２上にあるものとして視認される。
コンバイナー１１６を含む第１の投射光学系は、アイポイント１０２から第１の虚像１２１までの距離Ｌ１０１が所望の値となるように設計されている。距離Ｌ１０１の所望の値は、例えば、８ｍ以上、より具体的には、１０〜２０ｍ程度である。
【００７９】
実施の形態１において、コンバイナー１０６は、断面をクサビ状にするのが望ましい旨を述べたが、本実施の形態のコンバイナー１１６は、断面をクサビ状にする必要性はあまりない。コンバイナー１１６は比較的遠い距離（Ｌ１０１）に虚像を形成するためのものであるためである。
【００８０】
第２の投射光学系の第２の反射部材としての凹面ミラー１０７は、実施の形態２と同じく、表示器１１０から出射された第２の映像光１５４を反射して、反射光を映像光１５１として運転者のアイポイント１０２に向かわせる。
【００８１】
図１６はアイポイント１０２からの虚像１２１及び１２２の見え方を示す。運転者はコンバイナー１１６で反射された映像光を受けることで、第１の虚像１２１を、コンバイナー１１６の先の遠方に視認する。また運転者は凹面ミラー１０７で反射された映像光を受けることで、第２の虚像１２２を、ステアリングホイール１３５を通して、ダッシュボード１３１の奥の方に視認する。
【００８２】
実施の形態１では、ウインドシールド１０３で第１の虚像を形成しているのに対し、本実施の形態では、コンバイナー１１６が第１の虚像１２１の形成に用いられる。コンバイナー１１６は、ウインドシールド１０３よりも反射率が高い。従って、第１の虚像１２１としてはより鮮明なものが得られる。
【００８３】
また、コンバイナー１１６は筐体１０１ａに固定されているため、第１の投射光学系及び第２の投射光学系の光学部材の相対位置の位置決め精度を高く保つことができ、画像歪み、画面ずれ等を抑えることができる。さらに、車種ごとに形状、例えば曲率が異なるウインドシールドでの反射光を、虚像の形成に利用しないため、同じ仕様の車両用表示装置を異なる車種へも適用することが可能となり、コスト削減に貢献する。
【００８４】
以上本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
【００８５】
例えば、一つの実施の形態の特徴のうちには、他の実施の形態にも適用可能なものがある。
例えば、実施の形態２に関し、表示器１１０の２つの表示領域１１０ａ、１１０ｂを異なる明るさで照明するバックライト１１１及び集光レンズ１１２を示したが、これらは、実施の形態１にも、実施の形態３にも適用可能である。
【００８６】
ただし、光源の明るさの差（例えばＬＥＤの数の差）は、実施の形態２とは異なるものとする必要がある。補償すべき反射率の差が、実施の形態２と他の実施の形態とでは異なるためである。
【００８７】
例えば、実施の形態２では、映像光の反射にウインドシールド１０３と凹面ミラー１０７とが用いられており、これらの反射率（例えば、１０％と９５％）の差を補償する必要があるのに対し、実施の形態１では、ウインドシールド１０３とコンバイナー１０６とが用いられており、これらの反射率は例えば１０％及び３０％であり、従って補償すべき反射率の差が、実施の形態２とは異なる。
同様に、実施の形態３では、コンバイナー１１６と、凹面ミラー１０７とが用いられており、これの反射率は例えば３０％と９５％であり、従って補償すべき反射率の差が実施の形態２とは異なる。
【００８８】
このように、映像光の反射に用いられる光学部材、ウインドシールド等の反射率の差に応じて表示器１１０の２つ表示領域１１０ａ、１１０ｂに対する照明光の明るさの差を決定する必要がある。具体的には、反射率の差が小さければ、照明光の明るさの差はより小さくて良い。
【００８９】
また、上述の各実施の形態においては、表示器１１０を透過型の液晶パネルで構成しているが、本発明はこれに限定されず、プロジェクター手段によって映像が表示されるスクリーンを用いても良い。
【００９０】
なお、上述の各実施の形態においては、座標軸相互の関係、或いは部品間の位置関係又は部品の形状に関し、「平行」、「垂直」などの表現を用いている場合がある。これらは、製造上の公差、組立て上のばらつき等を考慮した範囲を含むことを表している。このため、特許請求の範囲に部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す記載した場合には、製造上の公差又は組立て上のばらつき等を考慮した範囲を含むことを示している。
【符号の説明】
【００９１】
１０１、１０１ｂ、１０１ｃ  車両用表示装置、  １０２  アイポイント、  １０３  ウインドシールド、  １０４  凹面ミラー、  １０６  コンバイナー、  １０７  凹面ミラー、  １１０  表示器、  １１０ａ  第１の表示領域、  １１０ｂ  第２の表示領域、  １１０ｃ  非表示領域、  １１１  バックライト、  １１１ａ、１１１ｂ  光源ユニット、  １１２  集光レンズ、  １１２ａ  第１のレンズ部、  １１２ｂ  第２のレンズ部、  １１６  コンバイナー、  １２１  第１の虚像、  １２２  第２の虚像、  １３１  ダッシュボード、  １３５  ステアリングホイール、  １４１〜１４４  第１の映像光、  １５１〜１５４  第２の映像光。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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