(57)【要約】【課題】  小型で、かつ高画質な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、光路偏向手段２と、パワーを有する第１ミラー３と、パワーを有する第２ミラー４と、開口５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、光路偏向手段２、第１ミラー３、第２ミラー４の順に反射し、開口５を通過して、画像反射面に到達し、画像表示面１および光路偏向手段２が、第２ミラー４から開口５へ向かう光束に対して、観察者と同じ側かつ第１ミラー３と逆側に配置され、画像表示面１が、光路偏向手段２から第１ミラー３へ向かう光束に対して、第２ミラー４と逆側に配置されているものとする。【選択図】図２
2018132684.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、
光路偏向手段と、
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、
前記画像表示面から射出された表示光が、前記光路偏向手段、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、
前記画像表示面および前記光路偏向手段が、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、
前記画像表示面が、前記光路偏向手段から前記第１ミラーへ向かう光束に対して、前記第２ミラーと逆側に配置されている
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ミラーと前記画像反射面との間の前記表示光の光路方向を上下方向とし、前記第２ミラー側を下側、前記画像反射面側を上側としたとき、
前記遮光部材の前記開口よりも前記観察者側の上端部が、前記第１ミラーの上端よりも上方に位置する
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】
光源と、該光源から出射された光を変調して画像情報を担持した前記表示光とする画像表示素子とを有する画像表示装置を有し、
前記第２ミラーと前記画像反射面との間の前記表示光の光路方向を上下方向とし、前記第２ミラー側を下側、前記画像反射面側を上側としたとき、
前記光源および前記画像表示素子が、上下方向において前記光路偏向手段と前記遮光部材の前記開口よりも前記観察者側の上端部との間に配置されている
請求項１または２記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
前記画像表示装置が、前記画像表示素子に表示された画像を前記画像表示面に対して光学的な中間像として投写する投写光学系を有し、
前記光源、前記画像表示素子、および前記投写光学系が、上下方向において前記光路偏向手段と前記遮光部材の前記開口よりも前記観察者側の上端部との間に配置されている
請求項３記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項５】
光源と、該光源から出射された光を走査することによって前記画像を前記画像表示面において表示させる光走査部とを有する画像表示装置を有し、
前記第２ミラーと前記画像反射面との間の前記表示光の光路方向を上下方向とし、前記第２ミラー側を下側、前記画像反射面側を上側としたとき、
前記光源および前記光走査部が、上下方向において前記光路偏向手段と前記遮光部材の前記開口よりも前記観察者側の上端部との間に配置されている
請求項１または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】特開平０５−３４１２２６号公報
【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。また、ヘッドアップディスプレイ装置において表示される虚像は、ヘッドアップディスプレイ装置内の画像表示素子に表示された画像が画像反射面に拡大投影されたものであり、視認性向上のために虚像の大きさを大きくするためには、画像表示素子から画像反射面までの光路長を長くする必要がある。
【０００５】
光路長の確保は装置の小型化の要求とは相反するものであるが、光路長の確保と装置の小型化を両立するため、特許文献１の装置では３枚の凹面ミラーを組み合わせ、画像表示素子から射出された表示光の光路を３か所で折り曲げることによって、所定の空間内における光路長を稼いでいる。しかしながら、特許文献１の装置では、高さ方向において画像表示素子が３枚の凹面ミラーにより画成される空間の下方に配置されているため、装置の高さ方向の寸法を抑えることが難しく、小型化に制約があった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、小型で、かつ高画質な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】
【０００７】
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、光路偏向手段と、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、画像表示面から射出された表示光が、光路偏向手段、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、画像表示面および光路偏向手段が、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、画像表示面が、光路偏向手段から第１ミラーへ向かう光束に対して、第２ミラーと逆側に配置されていることを特徴とする。
【０００８】
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。
【０００９】
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ミラーと画像反射面との間の表示光の光路方向を上下方向とし、第２ミラー側を下側、画像反射面側を上側としたとき、遮光部材の開口よりも観察者側の上端部が、第１ミラーの上端よりも上方に位置することが好ましい。
【００１０】
また、光源と、光源から出射された光を変調して画像情報を担持した表示光とする画像表示素子とを有する画像表示装置を有し、第２ミラーと画像反射面との間の表示光の光路方向を上下方向とし、第２ミラー側を下側、画像反射面側を上側としたとき、光源および画像表示素子が、上下方向において光路偏向手段と遮光部材の開口よりも観察者側の上端部との間に配置されているものとすることができる。
【００１１】
この場合において、画像表示装置が、画像表示素子に表示された画像を画像表示面に対して光学的な中間像として投写する投写光学系を有する場合は、光源、画像表示素子、および投写光学系が、上下方向において光路偏向手段と遮光部材の開口よりも観察者側の上端部との間に配置されていることが好ましい。
【００１２】
また、光源と、光源から出射された光を走査することによって画像を画像表示面において表示させる光走査部とを有する画像表示装置を有し、第２ミラーと画像反射面との間の表示光の光路方向を上下方向とし、第２ミラー側を下側、画像反射面側を上側としたとき、光源および光走査部が、上下方向において光路偏向手段と遮光部材の開口よりも観察者側の上端部との間に配置されているものとすることもできる。
【発明の効果】
【００１３】
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、光路偏向手段と、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、画像表示面から射出された表示光が、光路偏向手段、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、画像表示面および光路偏向手段が、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、画像表示面が、光路偏向手段から第１ミラーへ向かう光束に対して、第２ミラーと逆側に配置されているものとしたので、小型で、かつ高画質な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】
【００１４】
【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】本発明の他の態様のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図
【図４】本発明の他の態様のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図
【図５】本発明の他の態様のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図
【図６】本発明の実施例の構成を説明するための構成図
【図７】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８】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９】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１０】本発明の実施例４のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図
【図１１】本発明の実施例５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】
【００１５】
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である。
【００１６】
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）６で反射させ、運転者（観察者）７のフロントウィンドウ６越し前方に虚像８として拡大表示するものである。
【００１７】
図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、光路偏向手段２と、パワーを有する第１ミラー３と、パワーを有する第２ミラー４と、開口５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、光路偏向手段２、第１ミラー３、第２ミラー４の順に反射し、開口５を通過して、フロントウィンドウ（画像反射面）６に到達するように構成されたものである。
【００１８】
また、画像表示面１および光路偏向手段２が、第２ミラー４から開口５へ向かう光束に対して、運転者（観察者）７と同じ側かつ第１ミラー３と逆側に配置されるとともに、画像表示面１が、光路偏向手段２から第１ミラー３へ向かう光束に対して、第２ミラー４と逆側に配置されている。
【００１９】
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。
【００２０】
また、光路偏向手段２については、パワーが有っても無くてもよい。また、ミラーに限らず、プリズム等の他の反射部材を用いることができる。
【００２１】
また、遮光部材は、画像表示面１、光路偏向手段２、第１ミラー３、および第２ミラー４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５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。なお、この筐体（遮光部材）は、単一の部品で構成されていてもよいし、複数の部品を組み合わせて構成されていてもよい。例えば、運転者（観察者）７が開口５を直接視認できないようにするための遮蔽部材を筐体に一体的に取り付けた場合には、この遮蔽部材も筐体（遮光部材）の一部とみなす。
【００２２】
このような構成において、画像表示面１が第１ミラー３に近いと、外部からの光線が画像表示面１に当たりやすくなり、また、第１ミラー３において強いパワーが必要となるため、ミラーの湾曲が強くなって光学系の体積が増加し、さらに収差も大きくなって画質が低下するという問題がある。このような問題を避けるために、画像表示面１と第１ミラー３の距離を取ると、装置が大型化するという問題がある。
【００２３】
そのため、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ装置１０のように、画像表示面１と第１ミラー３の間に光路偏向手段２を配置して、画像表示面１から第１ミラー３までの光路を折り曲げることにより、画像表示面１から第１ミラー３までの光路長を長くした場合でも画像表示面１、光路偏向手段２、および第１ミラー３の配置に必要な空間の前後方向（第２ミラー４と画像反射面６との間の表示光の光路方向を上下方向としたとき、これと直交する方向）の寸法を小さくすることができる。
【００２４】
また、画像表示面１および光路偏向手段２を、第２ミラー４から開口５へ向かう光束に対して、運転者（観察者）７と同じ側かつ第１ミラー３と逆側に配置するとともに、画像表示面１を、光路偏向手段２から第１ミラー３へ向かう光束に対して、第２ミラー４と逆側に配置することによって、開口５から入射する光が直接画像表示面１に当たりにくくなるため、迷光によって画質が低下するのを防ぐことができる。
【００２５】
また、画像表示面１が、上下方向において光路偏向手段２と遮光部材上面の間の空間に配置されることになるので、ヘッドアップディスプレイ装置１０全体としての高さを抑えることができる。
【００２６】
以上のことから、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０は、小型で、かつ高画質なものとすることができる。
【００２７】
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、第２ミラー４とフロントウィンドウ（画像反射面）６との間の表示光の光路方向を上下方向とし、第２ミラー４側を下側、画像反射面６側を上側としたとき、遮光部材の開口５よりも観察者７側の上端部が、第１ミラー３の上端よりも上方に位置することが好ましい。
【００２８】
このような構成とすることで、観察者７から見た開口５の見かけの大きさが小さくなるか、あるいは観察者７から見た開口５が死角となり、開口５に通常設けられる透明板における反射光が観察者７に届きにくくなるため、虚像８の表示コントラストが低下するのを防ぐことができる。
【００２９】
また、図３に示すヘッドアップディスプレイ装置１０ａのように、光源と、光源から出射された光を変調して画像情報を担持した表示光とする画像表示素子とを有する画像表示装置２０を有し、第２ミラー４と画像反射面６との間の表示光の光路方向を上下方向とし、第２ミラー４側を下側、画像反射面６側を上側としたとき、光源および画像表示素子が、上下方向において光路偏向手段２と遮光部材の開口５よりも観察者７側の上端部との間に配置されているものとすることができる。
【００３０】
ここで、画像表示装置２０は、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３における画像表示面１とする構成としてもよいし、画像表示面１にスクリーンを配置し、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。
【００３１】
このような構成とすることで、ヘッドアップディスプレイ装置１０全体の小型化に有利になる。また、熱源となる光源および画像表示素子等の電気部品が、ヘッドアップディスプレイ装置１０全体の上部に集中することになるため、排熱が容易で、画像表示面１以降の反射光学系に対して熱の影響を及ぼしにくい構成とすることができる。
【００３２】
また、適正に虚像を観察できる観察者７の瞳位置の範囲（アイボックス）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態様としてもよく、この場合においては、図４に示すヘッドアップディスプレイ装置１０ｂのように、拡散部材の画像表示面を上記実施形態における画像表示面１と重なる位置に配置し、画像表示装置が、画像表示素子２１に表示された画像を画像表示面１に対して光学的な中間像として投写する投写光学系２２を有するものとすればよい。
【００３３】
このとき、光源、画像表示素子２１、および投写光学系２２の全てが、上下方向において光路偏向手段２と遮光部材の開口５よりも観察者７側の上端部との間に配置されていることが好ましい。このような構成とすることで、上記と同様に、ヘッドアップディスプレイ装置１０全体の小型化に有利で、かつ、画像表示面１以降の反射光学系に対して熱の影響を及ぼしにくい構成とすることができる。
【００３４】
また、図５に示すヘッドアップディスプレイ装置１０ｃのように、光源２３と、光源２３から出射された光を走査することによって画像を画像表示面１において表示させる光走査部２４とを有する画像表示装置を有し、第２ミラー４と画像反射面６との間の表示光の光路方向を上下方向とし、第２ミラー４側を下側、画像反射面６側を上側としたとき、光源２３および光走査部２４が、上下方向において光路偏向手段２と遮光部材の開口５よりも観察者７側の上端部との間に配置されているものとすることもできる。
【００３５】
このような構成とした場合でも、上記と同様に、ヘッドアップディスプレイ装置１０全体の小型化に有利で、かつ、画像表示面１以降の反射光学系に対して熱の影響を及ぼしにくい構成とすることができる。
【００３６】
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６は実施例の構成を説明するための構成図、図７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。
【００３７】
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（ｍｍ×ｍｍ）、虚像距離（ｍｍ）、画像表示領域（ｍｍ×ｍｍ）の値を示す。
【００３８】
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６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、光路偏向手段２、第１ミラー３、第２ミラー４、開口５、画像反射面（表２ではウインドシールドと表記）６、観察者７（表２では瞳と表記）、および虚像８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。
【００３９】
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６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６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３、第２ミラー４、および画像反射面（ウインドシールド）６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。
【００４０】
また、第１ミラー３、第２ミラー４、および画像反射面（ウインドシールド）６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。
【００４１】
【数１】
2018132684.tif 000003
【００４２】
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。
【００４３】
【表１】
2018132684.tif 000004
【００４４】
【表２】
2018132684.tif 000005
【００４５】
【表３】
2018132684.tif 000006
【００４６】
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。
【００４７】
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８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。
【００４８】
【表４】
2018132684.tif 000007
【００４９】
【表５】
2018132684.tif 000008
【００５０】
【表６】
2018132684.tif 000009
【００５１】
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９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。
【００５２】
【表７】
2018132684.tif 000010
【００５３】
【表８】
2018132684.tif 000011
【００５４】
【表９】
2018132684.tif 000012
【００５５】
次に、実施例４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４のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図を図１０に示す。また、実施例４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。
【００５６】
【表１０】
2018132684.tif 000013
【００５７】
【表１１】
2018132684.tif 000014
【００５８】
【表１２】
2018132684.tif 000015
【００５９】
次に、実施例５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５のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図を図１１に示す。また、実施例５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１３に、各要素の配置座標データを表１４に、各ミラーの自由曲面係数に関するデータを表１５に示す。
【００６０】
【表１３】
2018132684.tif 000016
【００６１】
【表１４】
2018132684.tif 000017
【００６２】
【表１５】
2018132684.tif 000018
【００６３】
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】
【００６４】
１    画像表示面
２    光路偏向手段
３    第１ミラー
４    第２ミラー
５    開口
６    フロントウィンドウ（画像反射面）
７    運転者（観察者）
８    虚像面
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ    ヘッドアップディスプレイ装置
２０    画像表示装置
２１    画像表示素子
２２    投写光学系
２３    光源
２４    光走査部
【図１】
2018132684.tif 000019
【図２】
2018132684.tif 000020
【図３】
2018132684.tif 000021
【図４】
2018132684.tif 000022
【図５】
2018132684.tif 000023
【図６】
2018132684.tif 000024
【図７】
2018132684.tif 000025
【図８】
2018132684.tif 000026
【図９】
2018132684.tif 000027
【図１０】
2018132684.tif 000028
【図１１】
2018132684.tif 000029