(57)【要約】【課題】  小型で、かつアイボックスの上下方向の範囲が広いヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】  ヘッドアップディスプレイ装置１０について、パワーを有する第１ミラー２と、パワーを有する第２ミラー３と、開口４が設けられた遮光部材とを有し、画像反射面５が、収束作用を有し、画像表示面１から射出された表示光が、第１ミラー２、第２ミラー３の順に反射し、開口４を通過して、画像反射面５に到達し、画像表示面１が、第２ミラー３から開口４へ向かう光束に対して、観察者６と同じ側かつ第１ミラー２と逆側に配置され、第１ミラー２が凹面ミラーであり、第２ミラー３の前後方向の断面形状が凸形状であるものとする。【選択図】図２
2018132685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察者と対向する画像反射面において画像表示面に表示された画像の表示光を前記観察者側に反射させ、前記観察者に対して前記画像反射面越しに前記画像を虚像として拡大表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
パワーを有する第１ミラーと、
パワーを有する第２ミラーと、
開口が設けられた遮光部材とを有し、
前記画像反射面が、収束作用を有し、
前記画像表示面から射出された表示光が、前記第１ミラー、前記第２ミラーの順に反射し、前記開口を通過して、前記画像反射面に到達し、
前記画像表示面が、前記第２ミラーから前記開口へ向かう光束に対して、前記観察者と同じ側かつ前記第１ミラーと逆側に配置され、
前記第１ミラーが、凹面ミラーであり、
前記第２ミラーの反射面において、前記画像表示面から前記第１ミラーへ向かう光束の方向を前後方向としたとき、前記第２ミラーの前記前後方向の断面形状が、凸形状である
ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２】
前記第２ミラーの反射面において、前記前後方向と直交する方向を左右方向としたとき、前記第２ミラーの前記観察者側端部の前記左右方向の形状が、凹形状である
請求項１記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項３】
前記第２ミラーの前記第１ミラー側端部の前記左右方向の形状が、凹形状である
請求項２記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
前記第２ミラーの前記第１ミラー側端部の前記左右方向の形状が、凸形状である
請求項２記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察者と対向する画像反射面において画像表示面に表示された画像の表示光を観察者側に反射させ、観察者に対して画像反射面越しに画像を虚像として拡大表示するヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車等の運転者に対して方向指示や注意喚起、走行速度等の情報を表示する装置として、ヘッドアップディスプレイ装置が知られている。ヘッドアップディスプレイ装置は、表示する画像の虚像をフロントウィンドウやコンバイナ等の画像反射面に映し出して、運転者が視界から目をそらすことなく自動車等の運転に必要な情報を認識することができるようにするためのものである。このようなヘッドアップディスプレイ装置として、特許文献１が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１６−０７９９２６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなヘッドアップディスプレイ装置は、自動車等の移動体の運転席周りの限られた空間に設置しなければならないため、小型であることが要求される。
【０００５】
また、近年のヘッドアップディスプレイ装置では、フロントウィンドウ越しに見える景色に合わせて、ナビゲーションの情報および／または施設の情報等を表示する拡張現実（ＡＲ：Augmented Reality）と呼ばれる手法が提案されている。このＡＲ系コンテンツを表示する場合には、フロントウィンドウ越しに見える景色中の各施設および／または道路の位置に厳密に合わせて情報を表示させないと効果的でないため、運転者の眼の位置を考慮して、虚像表示位置および角度を厳密に設定する必要がある。
【０００６】
ところで、ヘッドアップディスプレイ装置では、運転者が適切に虚像を観察できる範囲、すなわちアイボックスが決まっている。このアイボックスは、運転者が適切な運転姿勢をとった際に、運転者の眼が位置することが想定される範囲に設定されている。運転席の左右方向の位置は一般的には固定されているため、アイボックスに対して運転者の眼が左右方向で外れることは考えにくい。しかしながら、運転席の前後方向および上下方向の位置は一般的には調整可能であり、また運転者の身長および運転姿勢も多様であるため、アイボックスに対して運転者の眼が上下方向では外れやすくなってしまう。
【０００７】
このような問題を解消するため、運転者の瞳位置に合わせて、ヘッドアップディスプレイ装置の表示ユニットを車両の前後方向に回転させて、アイボックスの上下方向の位置を調整可能とすることが考えられるが、この場合には虚像の表示俯角が変わってしまうため、ＡＲ系コンテンツの表示には適さない。
【０００８】
以上のことから、小型でありながら、アイボックス自体を上下方向に拡張し、多様な運転手に対して適切に虚像を表示可能なヘッドアップディスプレイ装置が要望されているが、特許文献１の装置では、２枚のミラーを用いて光路を折り曲げることで小型のヘッドアップディスプレイ装置としているものの、アイボックスの上下方向の範囲が十分な広さではなかった。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、小型で、かつアイボックスの上下方向の範囲が広いヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、観察者と対向する画像反射面において画像表示面に表示された画像の表示光を観察者側に反射させ、観察者に対して画像反射面越しに画像を虚像として拡大表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、パワーを有する第１ミラーと、パワーを有する第２ミラーと、開口が設けられた遮光部材とを有し、画像反射面が、収束作用を有し、画像表示面から射出された表示光が、第１ミラー、第２ミラーの順に反射し、開口を通過して、画像反射面に到達し、画像表示面が、第２ミラーから開口へ向かう光束に対して、観察者と同じ側かつ第１ミラーと逆側に配置され、第１ミラーが、凹面ミラーであり、第２ミラーの反射面において、画像表示面から第１ミラーへ向かう光束の方向を前後方向としたとき、第２ミラーの前後方向の断面形状が、凸形状であることを特徴とする。
【００１１】
ここで、「画像表示面」とは、画像表示素子そのものの画像表示面のみならず、適正に虚像を観察できる観察者の瞳位置の範囲（以下、アイボックスと表記）を拡大するために、画像表示素子に表示された画像をディフューザー等の拡散部材に一旦投影するものについて、この拡散部材の画像表示面を上記の「画像表示面」と見做す場合も含む。
【００１２】
本発明のヘッドアップディスプレイ装置においては、第２ミラーの反射面において、前後方向と直交する方向を左右方向としたとき、第２ミラーの観察者側端部の左右方向の形状が、凹形状であることが好ましい。
【００１３】
このとき、第２ミラーの第１ミラー側端部の左右方向の形状は、凹形状としてもよいし、凸形状としてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、観察者と対向する画像反射面において画像表示面に表示された画像の表示光を観察者側に反射させ、観察者に対して画像反射面越しに画像を虚像として拡大表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、パワーを有する第１ミラーと、パワーを有する第２ミラーと、開口が設けられた遮光部材とを有し、画像反射面が、収束作用を有し、画像表示面から射出された表示光が、第１ミラー、第２ミラーの順に反射し、開口を通過して、画像反射面に到達し、画像表示面が、第２ミラーから開口へ向かう光束に対して、観察者と同じ側かつ第１ミラーと逆側に配置され、第１ミラーが、凹面ミラーであり、第２ミラーの反射面において、画像表示面から第１ミラーへ向かう光束の方向を前後方向としたとき、第２ミラーの前後方向の断面形状が、凸形状であるものとしたので、小型で、かつアイボックスの上下方向の範囲が広いヘッドアップディスプレイ装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の運転席の模式図
【図２】本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図
【図３】上記ヘッドアップディスプレイ装置の第２ミラーの斜視図
【図４】上記ヘッドアップディスプレイ装置の第２ミラーの他の態様の斜視図
【図５】本発明の実施例の構成を説明するための構成図
【図６】本発明の実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図
【図７】本発明の実施例２のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図
【図８】本発明の実施例３のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図
【図９】本発明の参考例１のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の運転席の模式図、図２はこのヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図、図３は上記ヘッドアップディスプレイ装置の第２ミラーの斜視図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０は、自動車のダッシュボード内に配置され、装置内から射出した走行速度等の情報を示す画像をフロントウィンドウ（画像反射面）５で反射させ、運転者（観察者）６のフロントウィンドウ５越し前方に虚像７として拡大表示するものである。
【００１８】
図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、パワーを有する第１ミラー２と、パワーを有する第２ミラー３と、開口４が設けられた遮光部材とを有し、画像表示面１から射出された表示光が、第１ミラー２、第２ミラー３の順に反射し、開口４を通過して、フロントウィンドウ（画像反射面）５に到達するように構成されたものである。  なお、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０と組み合わされる画像反射面（フロントウィンドウ５）は、収束作用を有するものが用いられる。
【００１９】
また、画像表示面１が、第２ミラー３から開口４へ向かう光束に対して、運転者（観察者）６と同じ側かつ第１ミラー２と逆側に配置され、第１ミラー２が、凹面ミラーであり、第２ミラー３の反射面において、画像表示面１から第１ミラー２へ向かう光束の方向を前後方向（図３中Ａ−Ｂ矢印線方向）としたとき、第２ミラー３の前後方向の断面形状が、凸形状に構成されている。
【００２０】
画像表示面１に関して、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）のような画像表示素子の画像表示面を図２における画像表示面１とする構成としてもよいし、図２における画像表示面１にスクリーンを配置し、不図示のプロジェクター装置を用いてスクリーンに画像を投写する構成としてもよい。
【００２１】
また、遮光部材は、画像表示面１、第１ミラー２、および第２ミラー３全体を覆う装置筐体として構成されており、図２中では開口４の位置のみを示し、筐体（遮光部材）については図示を省略している。
【００２２】
上記の通り、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０は、画像表示面１から射出された表示光の光路を、第１ミラー２および第２ミラー３の２枚のミラーで折り曲げて交差させ、限られた空間で光路長を確保しているため、小型のヘッドアップディスプレイ装置１０とすることができる。
【００２３】
また、画像表示面１に対向する第１ミラー２を凹面ミラーとすることで、画像表示面１から射出される発散光を入射角および反射角が比較的小さくなる反射面で収束させることになるため、収差の補正に有利となる。
【００２４】
また、第２ミラー３の前後方向（図３中Ａ−Ｂ矢印線方向）の断面形状を凸形状としているため、画像反射面５で発生する収差を補正して光学性能を維持したまま、アイボックスの上下方向を広げることができる。
【００２５】
本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０においては、図３に示すように、第２ミラー３の反射面において、上記前後方向と直交する方向を左右方向（図３中Ｃ−Ｄ矢印線方向）としたとき、第２ミラー３の運転者（観察者）６側（図３中Ａ矢示方向）端部の左右方向の形状が、凹形状であることが好ましい。このような構成とすることによって、第２ミラー３で反射する光の左右方向の発散角が大きくなり過ぎるのを抑えることができるため、アイボックスの拡大に伴う視野角の縮小を回避することができる。
【００２６】
このとき、第２ミラー３の第１ミラー２側（図３中Ｂ矢示方向）端部の左右方向の形状は、凹形状としてもよいし、凸形状としてもよい。
【００２７】
画像表示面１から射出される発散光の図２中縦方向の発散角が小さい場合には、第２ミラー３の観察者６側に入射する光線と、第２ミラー３の第１ミラー２側に入射する光線とで、光線の進行方向を表すベクトルの差が小さくなるため、図３に示す第２ミラー３のように、第２ミラー３の前後方向の端部の形状を共に凹形状とすることで、画像表示光全体を画像反射面５の方向に反射する面形状とすることができる。
【００２８】
逆に、画像表示面１から射出される発散光の図２中縦方向の発散角が大きい場合には、第２ミラー３の観察者６側に入射する光線と、第２ミラー３の第１ミラー２側に入射する光線とで、光線の進行方向を表すベクトルの差が大きくなるため、図４に示す第２ミラー３ａのように、第２ミラー３ａの観察者側（図４中Ａ矢示方向）の端部の形状は凹形状、逆側（図４中Ｂ矢示方向）の端部の形状は凸形状とすることで、画像表示光全体を画像反射面５の方向に反射する面形状とすることができる。
【００２９】
次に、本発明のヘッドアップディスプレイ装置の数値実施例について説明する。まず、実施例１のヘッドアップディスプレイ装置について説明する。図５は実施例の構成を説明するための構成図、図６は実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。
【００３０】
表１に諸元に関するデータを示す。ここでは、ＦＯＶ（Field Of View）［水平方向Ｈ×垂直方向Ｖ］（°）、アイボックスサイズ（水平方向（ｍｍ）×垂直方向（ｍｍ））、虚像距離（ｍｍ）、画像表示領域（水平方向（ｍｍ）×垂直方向（ｍｍ））の値を示す。
【００３１】
表２にヘッドアップディスプレイ装置を構成する各要素の配置座標データを示す。ここでは、図５に示した画像表示面１の中心（表２では画像表示部と表記）を原点とする絶対座標系と、第１ミラー２、第２ミラー３、開口４、画像反射面（表２ではウインドシールドと表記）５、観察者６（表２では瞳と表記）、および虚像７の各要素の面上に設定されたローカル座標系を組み合わせて記述する。
【００３２】
なお、ローカル座標系の設定は下記の通りである。各ローカル座標系の原点とＺ軸の成分ベクトルをそれぞれ絶対座標系で（ｘ，ｙ，ｚ）、（ｉ，ｊ，ｋ）とする。また、各ローカル座標系の原点を通過し、Ｚ軸に直交する平面(ＸＹ平面)を各要素の基準面とし、各基準面の法線ベクトルＮはローカル座標系のＺ軸と一致する。また、Ｘ軸は図５表示面と直交し、表示面の奥側をプラス側とする。また、Ｙ軸とＺ軸は図５表示面と平行とする。また、Ｚ軸とＸ軸の外積に一致するようにＹ軸を設定している。また、第１ミラー２、第２ミラー３、および画像反射面（ウインドシールド）５の基準面は近軸曲率を持ち、その上に自由曲面形状を付加形状として設定している。また、開口値を持つ要素ではＸ軸を長辺としＹ軸を短辺とする矩形開口を基準面上に設定している。
【００３３】
また、第１ミラー２、第２ミラー３、および画像反射面（ウインドシールド）５はパワーを有する反射面であり、各面の自由曲面係数に関するデータを表３に示す。自由曲面係数は、下記式で表される自由曲面式における回転非対称非球面係数Ｃ（ｉ，ｊ）の値である。なお、表３で特に記述しない回転非対称非球面係数は０である。
【００３４】
【数１】
2018132685.tif 000003
【００３５】
ただし、
Ｘ，Ｙ，Ｚ：面頂点を原点とした各座標
Ｃ（ｉ，ｊ）：回転非対称非球面係数 ( ｉ＋ｊ＝ｋ，ｋ＝１〜１０ )
とする。
【００３６】
【表１】
2018132685.tif 000004
【００３７】
【表２】
2018132685.tif 000005
【００３８】
【表３】
2018132685.tif 000006
【００３９】
上記の実施例１の説明で述べた各データの記号、意味、および記載方法は、特に断りがない限り以下の実施例および参考例のものについても同様であるので、以下では重複説明を省略する。
【００４０】
次に、実施例２のヘッドアップディスプレイ装置について説明する。実施例２のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図を図７に示す。また、実施例２のヘッドアップディスプレイ装置の諸元に関するデータを表４に、各要素の配置座標データを表５に、各ミラーの自由曲面係数に関するデータを表６に示す。
【００４１】
【表４】
2018132685.tif 000007
【００４２】
【表５】
2018132685.tif 000008
【００４３】
【表６】
2018132685.tif 000009
【００４４】
次に、実施例３のヘッドアップディスプレイ装置について説明する。実施例３のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図を図８に示す。また、実施例３のヘッドアップディスプレイ装置の諸元に関するデータを表７に、各要素の配置座標データを表８に、各ミラーの自由曲面係数に関するデータを表９に示す。
【００４５】
【表７】
2018132685.tif 000010
【００４６】
【表８】
2018132685.tif 000011
【００４７】
【表９】
2018132685.tif 000012
【００４８】
次に、参考例１のヘッドアップディスプレイ装置について説明する。参考例１のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図を図９に示す。この参考例１は、各実施例のヘッドアップディスプレイ装置と同じく、第１ミラー１２と、パワーを有する第２ミラー１３と、開口１４が設けられた遮光部材とを有し、画像表示面１１から射出された表示光が、第１ミラー１２、第２ミラー１３の順に反射し、開口１４を通過して、フロントウィンドウ（画像反射面）１５に到達するように構成されたものであるが、第２ミラー１３についてのみ本発明とは異なり前後方向の断面形状を凸形状としていない。また、参考例１のヘッドアップディスプレイ装置の諸元に関するデータを表１０に、各要素の配置座標データを表１１に、各ミラーの自由曲面係数に関するデータを表１２に示す。
【００４９】
【表１０】
2018132685.tif 000013
【００５０】
【表１１】
2018132685.tif 000014
【００５１】
【表１２】
2018132685.tif 000015
【００５２】
以上のデータから、実施例１〜３のヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスの上下方向の範囲は、参考例１のヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスの上下方向の範囲に対していずれも２倍以上と広くなっており、小型で、かつアイボックスの上下方向の範囲が広いヘッドアップディスプレイ装置であることが分かる。
【００５３】
以上、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、ヘッドアップディスプレイ装置を構成する各要素の位置や大きさについては、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。
【符号の説明】
【００５４】
１、１１    画像表示面
２、１２    第１ミラー
３、３ａ、１３    第２ミラー
４、１４    開口
５、１５    フロントウィンドウ（画像反射面）
６    運転者（観察者）
７    虚像面
１０    ヘッドアップディスプレイ装置
【図１】
2018132685.tif 000016
【図２】
2018132685.tif 000017
【図３】
2018132685.tif 000018
【図４】
2018132685.tif 000019
【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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