(57)【要約】【課題】  迷光を抑制しつつ、ワーピングによる表示画像の補正量を低減し、また歪みの少ない表示品位の高い虚像を表示することができる。【解決手段】  表示面１２から出射される表示光１００の光軸ＡＸを基準として、第２のミラー３０から離れる角度方向を第２の角度方向Ｂ２とした場合、表示面１２は、この法線１３が、光軸ＡＸから第２の角度方向Ｂ１に角度α傾いて配置され、補正光学素子４０は、表示光１００の光路上に配置され、表示面１２を第２の角度方向Ｂ２に傾けることにより生じる虚像の歪みを収差補正する。【選択図】図２
2019211504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示画像の虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記表示画像が形成され、前記表示画像の表示光（１００）を出射する表示面（１２）を有する表示部（１０）と、
視認者の前方に配置されて前記虚像が表示される投影部材（２）に向けて、前記表示光（１００）を反射する第２のミラー（３０）と、
前記表示面（１２）と前記第２のミラー（３０）との間の前記表示光（１００）の光路上に配置され、前記表示面（１２）から出射される前記表示光（１００）を前記第２のミラー（３０）に向けて反射し、第２のミラー（３０）との間に焦点を結ぶように少なくとも第１の方向に凹面形状の第１の反射面を有する１のミラー（２０）と、を備え、
前記表示面（１２）から出射される前記表示光（１００）の光軸（ＡＸ）を基準として、第２のミラー（３０）に近づく角度方向を第１の角度方向（Ｂ１）とし、前記第１の角度方向（Ｂ１）と反対であり、前記第２のミラー（３０）から離れる角度方向を第２の角度方向（Ｂ２）とした場合、前記表示面（１２）は、この法線（１３）が、前記光軸（ＡＸ）から前記第２の角度方向（Ｂ２）に角度（α）（α≦４５［ｄｅｇｒｅｅ］）傾いて配置され、
前記表示光（１００）の光路上に配置され、前記表示面（１２）を前記第２の角度方向（Ｂ２）に傾けることにより生じる前記虚像の歪みを収差補正する補正光学素子（４０）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。
【請求項２】
前記補正光学素子（４０）は、前記虚像を拡大する機能をさらに備える、
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。
【請求項３】
前記補正光学素子（４０）は、前記表示面（１２）を前記第２の角度方向（Ｂ２）に傾けることにより生じる前記虚像の台形歪みを収差補正する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
前記補正光学素子（４０）は、前記第２のミラー（３０）と前記投影部材（２）との間の前記表示光（１００）の光路上に配置される、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに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、車両の運転者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドアップディスプレイ装置は、内部に侵入した太陽の光（外光とも呼ぶ）が、内部で反射されるなどして再び外部に出射されることで、迷光として視認される問題があった。特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイ装置では、侵入した外光が画像を表示するスクリーンに入射した場合でも、スクリーンでの反射光が、ヘッドアップディスプレイ装置内部の表示光の光路方向ではない方向（例えば、ヘッドアップディスプレイ装置の筐体）に向くようにスクリーンを傾けて配置している。
【０００３】
また、ヘッドアップディスプレイ装置は、表示する画像が拡大するにつれて、装置としてのサイズが拡大してしまうが、特許文献２のヘッドアップディスプレイ装置では、装置のサイズを小型に抑えるため、表示光を内部でクロスさせている。
【０００４】
また、ヘッドアップディスプレイ装置が画像を投影するフロントウインドシールドの曲面形状により、画像が歪んでしまうが、特許文献３に記載のヘッドアップディスプレイ装置は、フロントウインドシールドやヘッドアップディスプレイ装置の内部の光学系により発生する虚像の歪みを相殺するように、一部を押し広げたり、絞り込んだりするワーピングと呼ばれる処理を施した表示画像を表示デバイスに表示することで、歪みの少ない虚像を視認させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−０８０８６０号公報
【特許文献２】特開２０１６−２０６５８３号公報
【特許文献３】特開２０１１−１０５３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に開示されている表示光を内部でクロスさせる構成において、特許文献１に開示されているようにスクリーンを傾けた場合、視認者が視認する画像（虚像）が歪んでしまうという問題があった。
【０００７】
また、特許文献３に開示されているようなワーピング処理でのみ虚像の歪みを軽減させる場合、表示画像を大きくワーピングさせる必要がある。言い換えると、表示画像の一部を大きく押し広げたり、表示画像の一部を大きく絞り込んだりする必要があり、同じ表示画像を表示する場合でも、表示デバイス上で押し広げられる領域と、絞り込まれる領域とで、表示デバイス上で表示される大きさが異なる。すなわち、押し広げられる領域の単位面積に含まれる画素数と、絞り込まれる領域の単位面積に含まれる画素数が大きく異なってしまい、表示される領域毎で虚像の解像度が異なってしまう問題があった。
【０００８】
また、虚像の歪み量が大きい場合、ワーピング処理だけでは虚像の歪みを打ち消すことができず、結局、虚像が歪んでしまうという問題があった。
【０００９】
そこで本発明の課題の一つは、迷光を抑制しつつ、ワーピングによる表示画像の補正量を低減し、また歪みの少ない表示品位の高い虚像を表示することができる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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様は、表示画像の虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記表示画像が形成され、前記表示画像の表示光（１００）を出射する表示面（１２）を有する表示部（１０）と、
視認者の前方に配置されて前記虚像が表示される投影部材（２）に向けて、前記表示光（１００）を反射する第２のミラー（３０）と、
前記表示面（１２）と前記第２のミラー（３０）との間の前記表示光（１００）の光路上に配置され、前記表示面（１２）から出射される前記表示光（１００）を前記第２のミラー（３０）に向けて反射し、第２のミラー（３０）との間に焦点を結ぶように少なくとも第１の方向に凹面形状の第１の反射面を有する１のミラー（２０）と、を備え、
前記表示面（１２）から出射される前記表示光（１００）の光軸（ＡＸ）を基準として、第２のミラー（３０）に近づく角度方向を第１の角度方向（Ｂ１）とし、前記第１の角度方向（Ｂ１）と反対であり、前記第２のミラー（３０）から離れる角度方向を第２の角度方向（Ｂ２）とした場合、前記表示面（１２）は、この法線（１３）が、前記光軸（ＡＸ）から前記第２の角度方向（Ｂ２）に角度（α）（α≦４５［ｄｅｇｒｅｅ］）傾いて配置され、
前記表示光（１００）の光路上に配置され、前記表示面（１２）を前記第２の角度方向（Ｂ２）に傾けることにより生じる前記虚像の歪みを収差補正する補正光学素子（４０）を、備える、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、迷光を抑制しつつ、ワーピングによる表示画像の補正量を低減し、また歪みの少ない表示品位の高い虚像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す図である。
【図２】上記実施形態における表示面の配置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置（以下、「ＨＵＤ装置」と称する）１の構成を示す図である。ＨＵＤ装置１は、例えば、車両に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置である。ＨＵＤ装置１は、例えば、車両のダッシュボード内に設けられ、表示光１００をウインドシールド（投影部材の一例）２に向けて投影する。ウインドシールド（投影部材）２で反射した表示光１００は、車両の運転席の所定の領域（以下では、アイボックスとも呼ぶ）に向かい、視認者（主に運転者）は、目の位置をこのアイボックス内におくことで、虚像を視認することができる。
【００１４】
ＨＵＤ装置１は、表示画像を表示する表示部１０と、表示部１０が表示する表示画像の表示光１００を反射する第１のミラー２０と、第１のミラー２０が反射した表示光１００をウインドシールド２に向けて反射する第２のミラー３０と、第２のミラー３０と、ウインドシールド２との間に配置される補正光学素子４０と、表示部１０、第１のミラー２０、第２のミラー３０、および補正光学素子４０を収納するハウジング５０と、ＨＵＤ装置１の電気的な制御を行う制御部６０と、を備える。
【００１５】
表示部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るプロジェクタ１１と、プロジェクタ１１からの投影光を受光して表示画像を表示し、この表示画像を示す表示光１００を第1のミラー30に向けて出射するスクリーン（表示面とも呼ぶ）１２と、から主に構成される。表示部１０は、制御部６０から入力する画像データに基づき、スクリーン１２に表示画像を表示することで、視認者の前方に虚像を生成する。なお、表示部１０は、例えば、液晶表示素子などの透過型表示パネルや、有機ＥＬ素子などの自発光表示パネルや、レーザー光を走査する走査型表示装置などを適用してもよく、表示部１０が、反射型表示デバイスや走査型表示装置などのプロジェクタ１１から構成される場合、スクリーンが表示部１０の表示面と言える。一方、表示部１０が、透過型表示パネルや自発光表示パネルから構成される場合、パネルの表面が表示部１０の表示面と言える。
【００１６】
第１のミラー２０は、反射された表示光１００を第２のミラー３０に到達する前に上下でクロスさせる（図１の下側の表示光１０１と上側の表示光１０２とをクロスさせる）役割を果たすものであり、例えば、第１の方向では正の光学パワーの凹面形状（第１の反射面）、第１の方向と直交する第２の方向では負の光学パワーの凸面形状（第２の反射面）で形成される。即ち、第１のミラー２０は、第１のミラー２０と第２のミラー３０との間に第１のミラー２０の焦点が位置するような曲率を有する。さらに換言すれば、第１のミラー２０から第２のミラー３０までの距離は、第１のミラー２０の焦点距離よりも長く設定されている。なお、第２の方向では、光学パワーがない平面形状であってもよい。
【００１７】
第２のミラー３０は、例えば、第３の方向およびこれと直交する第４の方向で正の光学パワーの凹面形状を有する自由曲面ミラーであり、第１のミラー２０で反射された表示光１００を受け、この表示光１００をウインドシールド２に向けて反射する。なお、第２のミラー３０は、典型的には、表示部１０が生成する表示画像を拡大する機能、ウインドシールド２の歪みを補正し、歪みのない虚像を視認させる機能、虚像を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などを有する。
【００１８】
なお、本実施形態では、第１のミラー２０と第２のミラー３０との２つの反射型の光学部材であるが、レンズなどの屈折光学部材、回折光学部材を、これらに加えて、またはこれらの一部あるいは全部に代えて用いてもよい。また、本実施例では、表示光１００のクロスを１回のみ行っているが、２回以上行われるように、光学部材を配置してもよい。
【００１９】
補正光学素子４０は、例えば、ホログラム光学素子や液晶ポリマーレンズなどで構成され、後述する表示面（スクリーン）１２を傾けたことにより生じる虚像の歪みを補正するために、表示光１００の収差を補正する機能を持ち、車両のウインドシールド２と第２のミラー３０との間（図１の例では、後述する透光部５１と第２のミラー３０との間）の表示光１００の光路上に配置され、第２のミラー３０で反射された表示光１００を、透過および屈折させてウインドシールド２に投射する。なお、補正光学素子４０は、単数又は複数のレンズやミラーなどで構成されてもよい。
【００２０】
ハウジング５０は、硬質の樹脂材料や金属等から箱状に形成されている。ハウジング５０の周壁のうちウインドシールド２に対向する部位に開口部（図示しない）が形成されている。開口部は、透明な樹脂材料等から形成された透光部５１により塞がれている。表示光１００は、透光部５１を透過してハウジング５０内からウインドシールド２に向かう。ハウジング５０内には、ＨＵＤ装置１の各構成が内蔵されている。なお、制御部６０は、ハウジング５０外に設けられていてもよい。ハウジング５０は、第１のミラー２０と第２のミラー３０との間の光路を挟むように、且つクロスするクロス点の近傍まで延びる第１の遮蔽部５３及び第２の遮蔽部５４を備えている。ハウジング５０外からハウジング５０内に侵入し第２のミラー３０で反射され第１のミラー２０に向かう外光（図示しない）を、第１・第２の遮蔽部５３、５４で遮蔽することができる。なお、第１・第２の遮蔽部５３、５４は、その先端が互いに近づくように延びている。その先端が互いに近いほど外光の遮蔽性が高く、望ましい。即ち、互いの先端がクロス点に近接していることが望ましい。
【００２１】
制御部６０は、例えば、マイクロコンピュータ、外部インターフェース、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等から構成される。制御部６０は、歪みの少ない虚像を表示するため、画像データのワーピング処理を行い、ワーピング処理した画像データに基づき、表示部１０を制御する。なお、制御部６０は、ワーピング処理を行う機能と、表示部１０を制御する機能と、を別々に設けてもよく、ワーピング処理を行う制御部６０と、表示部１０を制御する制御部６０とは、共にＨＵＤ装置１のハウジング５０内に収納されてもよく、一方または双方がＨＵＤ装置１のハウジング５０外に配置されてもよい。
【００２２】
図２は、表示部１０の表示面１２の配置を説明する図である。ＡＸは、表示面１２に表示される表示画像の表示光１００の光軸である。ここでいう光軸とは、表示面１２上の表示画像の表示光１００の光強度（光度）が最大となる最大光度軸である。典型的には、光軸ＡＸは、プロジェクタ１１から出射される投影光（図示しない）の光軸に概ね一致する。表示面１２の法線１３が、光軸ＡＸを基準として、第２のミラー３０に近づく角度方向を第１の角度方向Ｂ１とし、第１の角度方向Ｂ１と反対であり、光軸ＡＸを基準として、第２のミラー３０から離れる角度方向を第２の角度方向Ｂ２とした場合、表示面１２は、光軸ＡＸから法線１３が第２の角度方向Ｂ２に角度α（α≦４５［ｄｅｇｒｅｅ］）傾いて配置される。これによって、外部から入射し（透光部５２の外側から内側へと入射し）、第２のミラー３０または／および第１のミラー２０を経由してスクリーン１２に到達する外光や、第１・第２の遮蔽部５３、５４の間から入射し、直接、スクリーン１２に到達する外光を、スクリーン１２は、表示光１００の光路とは異なる方向（第１のミラー２０とは異なる方向）へ反射することができるため、スクリーン１２で反射した外光が表示光１００に沿って進行してしまうことによって視認者に視認されてしまう迷光を防ぐことができる。
【００２３】
上述したように、表示光１００をクロスさせる（複数回の場合は、奇数回クロスさせる）構成において、スクリーン１２を、第２の角度方向Ｂ２に傾けると、虚像に歪みが生じる（大きくなる）。スクリーン１２を傾けたことにより、虚像の上側の左右幅が下側の左右幅より小さくなる台形歪みが大きくなる。補正光学素子４０は、この台形歪みを補正する機能があり、すなわち、虚像の上側の左右幅を大きくする台形歪み補正を行うように光学設計をされる。なお、補正光学素子４０は、台形歪みを補正する機能に合わせて表示光１００を拡大させる（換言すると、表示画像をより拡大した虚像として表示させる）機能（拡大機能）を有することが望ましい。補正光学素子４０が拡大機能を有することで、第２のミラー３０のサイズを小さくでき、また、第２のミラー３０と補正光学素子４０との間の表示光１００の光路体積を縮小することができ、延いては、ＨＵＤ装置１を小型化することができる。なお、図１の例では、補正光学素子４０を平面としているが、曲面で形成し、この曲面による光学的パワーを付加してもよい。また、補正光学素子４０は、透光部５１と別体とされているが、透光部５１の表面または内部に、補正光学素子４０を設けてもよい。また、透光部５１を省略し、補正光学素子４０が透光部５１の機能も合わせもっていてもよい。具体的には、補正光学素子４０を、ハウジング５０の開口部に設けてもよい。この場合、補正光学素子４０は、外光が表面反射によりアイポイントに向かわないような曲面形状で形成されることが好ましい。
【００２４】
以上のように、本出願において開示する技術の例示として実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施形態にも適用することができる。また、本出願で開示する各構成要素を組み合わせて、新たな実施例とすることも可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１…ＨＵＤ装置（ヘッドアップディスプレイ装置）、２…ウインドシールド（投影部材）、１０…表示部、１１…プロジェクタ、１２…スクリーン（表示面）、１３…法線、２０…第１のミラー、３０…第２のミラー、４０…補正光学素子、５０…ハウジング、５１…透光部、５２…透光部、５３…第１の遮蔽部、５４…第２の遮蔽部、６０…制御部、１００  ：表示光、１０１  ：表示光、１０２  ：表示光、ＡＸ…光軸、Ｂ１…第１の角度方向、Ｂ２…第２の角度方向、α  …角度
【図１】
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【図２】
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