(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示画像を示す表示光を出射する表示光出射部と、
前記表示光を受光する受光面と前記表示光を出射する出射面とを有する透過型スクリーンと、
前記透過型スクリーンからの前記表示光を反射する反射鏡と、を備え、視認者に前記表示画像の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記透過型スクリーンは、前記表示光の光軸に対して光学設計上前記表示画像の虚像の歪みが最も小さくなる歪み最小角度だけ傾いて配置されるまたは光学設計上前記表示画像の虚像の歪みが最も少ない形状からなる基部と、前記表示光の光軸に対して前記歪み最小角度よりも大きく傾いて配置される一端と、前記基部と前記一端とを繋ぐ凹曲面状の湾曲部と、を前記出射面に備え、前記湾曲部は、前記反射鏡から到達する外光を前記反射鏡とは異なる方向に反射する、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】
前記透過型スクリーンは、前記出射面が平滑面である、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過型スクリーンを用いたヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、透過型スクリーンを用いたヘッドアップディスプレイ（Head-Up  Display；ＨＵＤ）装置において、フロントガラスの外部から太陽光等の外光が入射し、透過型スクリーンの出射面で反射して、出射面を反射した外光（以下、反射外光とも言う）が表示光と重なり表示像（虚像）の視認性を低下させるウォッシュアウトが発生することがある。これに対し、特許文献１では、透過型スクリーンを、当該透過型スクリーンの法線を表示光の光軸に対して一定角度傾けて配置することで、表示光の光軸に沿って透過型スクリーンの出射面に到達する外光を、表示光の光軸に沿った方向とは異なる方向に反射する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１４９４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、ＨＵＤ装置がＨＵＤ光学系を構成する光学部材として透過型スクリーンからの光を反射する反射鏡を備える場合、反射外光によるウォッシュアウトを防止するためには、反射外光が反射鏡に向かわないようにすることが望ましい。しかしながら、特許文献１に開示される透過型スクリーンの傾斜のみによる方法では、反射外光が反射鏡に向かわないようにするためには透過型スクリーンの傾斜角度を大きくする必要があり、表示像の歪みが大きくなるという問題点があった。本願発明者の実施した光学シミュレーションによれば、表示像は表示光の光軸に対して透過型スクリーンがわずかに傾いた場合に歪みが最小となり、歪みが最小となる角度から傾斜角度が大きくなるにしたがって歪みが大きくなることが分かった。
【０００５】
また、ＨＵＤ装置において、車両のフロントガラスはＨＵＤ光学系を構成する光学部材の１つであるが、一方で車両の外装部材として車両のスタイリングやワイパー拭き取りの要求を満たす必要があり、結果的に光学的な理想から離れた形状となることが多い。ＨＵＤ光学系はこのような光学的に望ましいとは言えない形状のフロントガラスによる表示像の歪みを補正するように設計されている。これに対し、近年ＨＵＤ装置は広画角化、遠方表示化が進んでいる。広画角化によって、従来よりもフロントガラスのうち光学部材として用いる範囲が広くなり、曲率が変化する量も大きくなる。そのため、ＨＵＤ光学系の設計による表示像の歪み補正は段々と困難になってきている。また、画角が大きくなると視認者が表示像の歪みを知覚しやすくなる。また、遠方表示化によって、ＨＵＤ光学系の拡大率の増大が必要となっており、これに伴い表示像の歪みも増大する傾向にある。さらに、広画角化、遠方表示化されたＨＵＤ装置はＡＲ（Augmented  Reality；拡張現実）表示を行うことが想定されるが、ＡＲ表示においては表示像を実風景と重畳する必要があり、従来の単に車速等の車両情報を表示していた場合と比較して、表示像の歪みが視認者に知覚されやすい。さらに、歪み補正の方法として、透過型スクリーンに投影する像を、透過型スクリーン以後のＨＵＤ光学系によって歪む量だけ逆方向に予め歪めておくワーピングと称される方法があるが、ワーピングは特定の視点から見た表示像の歪みを補正するものであり、視認者の視点が上下左右に移動した場合には歪みは補正されず、本質的な歪みの解決策とはならない。
以上のような実状からも、透過型スクリーンの傾きは、可能な限り光学設計上理想となる位置となることが望ましい。
また、透過型スクリーンの出射面にＡＲ（Anti-Reflective）コートなどの反射低減処理を施し、反射外光の強度を低減する方法があるが、入射する外光が太陽光である場合などは透過型スクリーンに入射する外光の強度が高く、ウォッシュアウト対策としては不十分である。
【０００６】
本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、表示像の歪みを低減し、また、透過型スクリーンの反射外光による視認性低下を防止することが可能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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、
表示画像を示す表示光を出射する表示光出射部と、
前記表示光を受光する受光面と前記表示光を出射する出射面とを有する透過型スクリーンと、
前記透過型スクリーンからの前記表示光を反射する反射鏡と、を備え、視認者に前記表示画像の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記透過型スクリーンは、前記表示光の光軸に対して光学設計上前記表示画像の虚像の歪みが最も小さくなる歪み最小角度だけ傾いて配置されるまたは光学設計上前記表示画像の虚像の歪みが最も少ない形状からなる基部と、前記表示光の光軸に対して前記歪み最小角度よりも大きく傾いて配置される一端と、前記基部と前記一端とを繋ぐ凹曲面状の湾曲部と、を前記出射面に備え、前記湾曲部は、前記反射鏡から到達する外光を前記反射鏡とは異なる方向に反射する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、表示像の歪みを低減し、また、透過型スクリーンの反射外光による視認性低下を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態におけるＨＵＤ装置の概観図である。
【図２】同上ＨＵＤ装置の概略断面図である。
【図３】同上ＨＵＤ装置の透過型スクリーンを示す側面図である。
【図４】同上ＨＵＤ装置の透過型スクリーンの変形例を示す側面図である。
【図５】図３に示す透過型スクリーンに表示される表示画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の構成、作用及び効果について、以下具体的に説明する。
【００１１】
本実施形態に係るＨＵＤ装置１は、図１に示すように、車両２のダッシュボード内に設けられ、生成した表示画像を表す表示光Ｌ（図２参照）をフロントガラス３で反射させることにより、運転者（視認者）に車両情報を表す表示画像の虚像Ｖを視認させる装置である。運転者は、表示画像を虚像Ｖとして視認可能な範囲（視域）であるＥｙｅｂｏｘ４において、表示画像を虚像Ｖとして視認する。Ｅｙｅｂｏｘ４とは、虚像Ｖが適正に視認可能な範囲として規定された領域である。なお、図１の虚像Ｖは、感覚的な理解を容易にするため、模式的に示したものである。図２の表示光Ｌも同様である。また、以下の説明では、ＨＵＤ装置１が表示する表示画像を視認する運転者から見て、上方向を「上」、下方向を「下」、前方向を「前」、後ろ方向を「後」として（図１及び図２の両端矢印参照）、適宜、ＨＵＤ装置１を構成する各部を説明する。
【００１２】
図１に示すＨＵＤ装置１は、図２に示すように、プロジェクタ１０と、第１の反射鏡２０と、透過型スクリーン３０と、第２の反射鏡４０と、凹面鏡５０と、回路基板６０と、ハウジング７０と、を備える。
【００１３】
プロジェクタ１０は、後述する制御部による制御の下、表示画像を示す表示光Ｌを出射する本発明の表示光出射部の一例であって、例えば、ＬＥＤやレーザなどからなり照明光を発する光源、ＴＦＴ液晶などの透過型表示器やＤＭＤ（Digital  Mirror  Device）あるいはＬＣＯＳ（Liquid  Crystal  On  Silicon）などの反射型表示器からなり光源からの照明光を受けて表示画像を表示面に表示する表示器、表示器の表示画像を拡大して表示画像を示す表示光Ｌを出射する投射レンズ、などから構成される。
【００１４】
第１の反射鏡２０は、例えば平面鏡からなり、プロジェクタ１０が出射した表示光Ｌを、透過型スクリーン３０に向けて反射させるものである。
【００１５】
透過型スクリーン３０は、プロジェクタ１０で生成された表示光Ｌを受光面３１で受光して透過拡散し、表示光Ｌを拡散光として出射面３２から第２の反射鏡４０に出射する。透過型スクリーン３０は、ポリカーボネート（ＰＣ）やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの透明な樹脂を機材とし、拡散効果を得るために表面にシボやマイクロレンズを形成したり、内部に拡散ビーズを分散したりしたものであって、正面から見て略矩形状に形成される。また、透過型スクリーン３０は、ＨＵＤ装置１内に入射した太陽光などの外光ＬＯを、第２の反射鏡４０とは異なる方向に反射するように形成、及び配置されている。具体的な形状及び配置については後で詳述する。
【００１６】
第２の反射鏡４０は、例えば平面鏡からなり、透過型スクリーン３０が出射した表示光Ｌを、凹面鏡５０に向けて反射させるものである。なお、第２の反射鏡４０は、凸面鏡や凹面鏡であってもよい。
【００１７】
凹面鏡５０は、例えば合成樹脂材料からなる凹状の基材の表面に、蒸着等の手段により反射膜を形成したものであり、透過型スクリーン３０から出射した表示光Ｌを拡大してフロントガラス３の方向に出射する。
【００１８】
回路基板６０は、ガラス繊維を含む樹脂等からなる板状の基材に、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）とＲＯＭ（Read  Only  Memory）等の記憶部とを含むマイコン、グラフィックディスプレイコントローラー（ＧＤＣ）等から構成される制御部（図示しない）を実装したプリント回路基板である。回路基板６０とプロジェクタ１０とは、ＦＰＣ（Flexible  Printed  Circuit）やコネクタ等の図示しない接続部材によって導通接続されている。前記制御部は、車両ＥＣＵ（Electronic  Control  Unit）等の外部装置（図示しない）から通信ラインにより伝送される車速やエンジン回転数等の車両の状態情報を取得し、これに応じてプロジェクタ１０を駆動する（つまり、プロジェクタ１０に所定の表示画像を表示させる）。
【００１９】
ハウジング７０は、ＨＵＤ装置１を構成する各部材を収納するものであり、硬質樹脂等から筺状に設けられる。ハウジング７０は、下ケース７１と、上ケース７２と、を備える。上ケース７２の上方には凹面鏡５０によって反射される表示光Ｌをフロントガラス３に向けて出射可能な大きさの開口部７２ａが設けられ、開口部７２ａには透明樹脂からなるカバーガラス７３が取り付けられる。
【００２０】
以上が、本実施形態におけるＨＵＤ装置１の構成であり、ＨＵＤ装置１から出射された表示光Ｌが車両２のフロントガラス３に投影され、運転者の目に入射することにより、運転者に虚像Ｖを視認させるものである。また、ＨＵＤ装置１では、透過型スクリーン３０が特徴的な構成を有することで、フロントガラス３の外部から入射した太陽光などの外光ＬＯによる視認性の低下（ウォッシュアウト）を抑制している。以下、透過型スクリーン３０の具体的構成等について詳細に説明する。
【００２１】
（透過型スクリーン３０）
本実施形態の透過型スクリーン３０は、図３に示すように、表示光Ｌの光軸ＡＸに対して所定の角度αだけ傾いて配置される。この角度αは、光学設計上虚像Ｖの歪みが最も小さくなる角度（以下、歪み最小角度とも言う）とする。例えば、虚像Ｖの画角が横１０°以上縦５°以上であって、表示距離が５〜１０ｍ程度である広画角、遠方表示のＨＵＤ装置１においては、歪み最小角度は５〜１３°程度である。前述したように、歪み最小角度で透過型スクリーン３０を傾けた場合、第２の反射鏡４０から透過型スクリーン３０の出射面３２に入射した外光ＬＯの全てを第２の反射鏡４０と異なる方向に反射することができない。この点を詳細に述べると、出射面３２のうち、後端側からの大部分を反射した外光ＬＯは第２の反射鏡４０とは異なる方向に向かうものの、何ら対策を施さないと図３の円Ａで囲んだ前端（矩形の一辺）側の部分を反射した外光ＬＯは第２の反射鏡４０に向かい、虚像Ｖの視認性を低下させる原因となる。本願発明者は、この点に着目し、出射面３２のうち前端側の部分のみを歪み最小角度よりも傾けるべく、凹曲面状の湾曲部３２ａとすることに想い到った。
【００２２】
湾曲部３２ａの曲面形状は、第２の反射鏡４０から到達する外光ＬＯが第２の反射鏡４０とは異なる方向に反射される形状とする。具体的には、湾曲部３２ａにおける全ての法線Ｎ（図３では例として１つの法線Ｎを示している）が第２の反射鏡４０の側端面から所定の距離（例えば５ｍｍ）以上離れるような曲面とする。結果として、湾曲部３２ａ以外の部分を含む透過型スクリーン３０の出射面３２における全ての法線Ｎが第２の反射鏡４０と交差しない格好となる。例えば、湾曲部３２ａにおける全ての法線Ｎが第２の反射鏡４０の側端面からの距離ｄが５ｍｍである点Ｐを通るように曲面形状を設計することなどが考えられる。なお、この基準に従えば、湾曲部３２ａの曲面形状は自由曲面、側方から見て放物線や楕円や双曲線などの二次曲線状など何れであってもよい。透過型スクリーン３０の湾曲部３２ａとその他の平面部分（歪み最小角度に傾いた部分）とは接線連続で繋がる。なお、湾曲部３２ａによって虚像Ｖに歪みが生じるため、湾曲部３２ａの傾きは必要最小限とすることが望ましい。また、透過型スクリーン３０の出射面３２全体を凹曲面状とすることで、前端側に湾曲部３２ａが設けられるようにしてもよい。この場合、出射部３２として、二次曲線や三次曲線、自由曲線を元に、元となる曲線をその曲線の法線方向と直交する方向に移動させて凹曲面を形成してもよいし、自由曲面を形成してもよい。図４は、透過型スクリーン３０全体を側方から見て楕円状の凹曲面となるように形成した変形例を示している。透過型スクリーン３０の形状が前述の何れの場合であっても、光学シミュレーションで形状の比較を行い、虚像Ｖの歪みが最も少ない形状を選択することが望ましい。
【００２３】
また、透過型スクリーン３０は、湾曲部３２ａを設けるために前述の透明な樹脂材料のように柔軟性のある材料を基材とすることが好ましい。この場合、ハウジング７０に備えられる透過型スクリーン３０を取り付けるための取り付け部（図示しない）を、透過型スクリーン３０を任意の形状に湾曲させる凹曲面形状とすることで、透過型スクリーン３０を当該取り付け部に固定することによって容易に湾曲部３２ａを設けることができる。そのほか、無機ガラスなどの硬質な透明材料を基材とし、熱加工などの成形によって透過型スクリーン３０の少なくとも一部を湾曲させて湾曲部３２ａを形成してもよい。
【００２４】
また、透過型スクリーン３０は、出射面３２が平滑面であることが望ましい。透過型スクリーン３０の一方の面が拡散効果を得るために表面加工が施され粗面となっている場合には、粗面を受光面３１とし、平滑面を出射面３２とする。出射面３２が粗面であると、出射面３２で反射される外光ＬＯが拡散されて、第２の反射鏡４０に向かわせないために透過型スクリーン３０の傾斜角度を大きくしたり、湾曲部３２ａの傾斜角度を大きくしたりする必要が生じて虚像Ｖの歪みが大きくなるためである。
【００２５】
また、プロジェクタ１０から表示光Ｌが投影されて透過型スクリーン３０に表示される表示画像Ｇには、図５（ａ）のハッチング部分で示すように透過型スクリーン３０の湾曲部３２ａの部分で歪みが生じる。これに対して、プロジェクタ１０で表示される表示画像を予め湾曲部３２ａで歪む量だけ逆方向に歪めておくワーピングによって補正することができる。図５（ｂ）はワーピングによって補正された表示画像Ｇを示している。前述のようにワーピングは特定の視点から見た像の歪みを補正する方法であるため、運転者の視点が移動すると表示画像Ｇ（の虚像Ｖ）は湾曲部３２ａによる歪みが補正されない状態に戻るものの、ハッチング部分、すなわち表示画像Ｇの一部分での歪みが変化するのみであるため、ワーピングによる補正は比較的有効に作用する。
【００２６】
本実施形態のＨＵＤ装置１は、表示画像を示す表示光Ｌを出射するプロジェクタ１０と、表示光Ｌを受光する受光面３１と表示光Ｌを出射する出射面３２とを有する透過型スクリーン３０と、透過型スクリーン３０からの表示光Ｌを反射する第２の反射鏡４０と、を備えるヘッドアップディスプレイ装置であって、
透過型スクリーン３０は、出射面３２の一端側に凹曲面状の湾曲部３２ａを備え、湾曲部３２ａは、第２の反射鏡４０から到達する外光ＬＯを第２の反射鏡４０とは異なる方向に反射する。
これによれば、透過型スクリーン３０を表示光Ｌの光軸ＡＸに対して大きく傾ける必要がなく、虚像Ｖの歪みを低減し、また、透過型スクリーン３０の反射外光ＬＯによる視認性低下を防止することができる。
【００２７】
また、ＨＵＤ装置１において、透過型スクリーン３０は、表示光Ｌの光軸ＡＸに対して所定角度α傾いて配置される。
これによれば、透過型スクリーン３０を光学的に理想の傾きとして、虚像Ｖの歪みを最小とすることができる。
【００２８】
また、ＨＵＤ装置１において、透過型スクリーン３０は、出射面３２が平滑面である。
これによれば、透過型スクリーン３０の反射外光ＬＯが拡散しないため、湾曲部３２ａの傾斜角度や透過型スクリーン３０全体の傾斜角度を小さくして、虚像Ｖの歪みを抑制することができる。
【００２９】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲内で種々の変更（構成要素の追加及び削除を含む）が可能であることは勿論である。本実施形態においては、透過型スクリーン３０は横向きに配置され、湾曲部３２ａは出射面３２の前端側に設けられるものであったが、湾曲部が形成される一端は、透過型スクリーンの配置や反射鏡との位置関係によって定められるものであって本実施形態には限定されない。例えば、透過型スクリーン３０が縦向きに配置される場合には、上端側に湾曲部が形成される。また、本実施形態では、透過型スクリーン３０からの表示光Ｌを反射する反射鏡として第２の反射鏡４０を備えたが、反射鏡はこれに限定されるものではない。例えば、第２の反射鏡４０を備えない構成においては、凹面鏡５０が透過型スクリーン３０からの表示光Ｌを反射する反射鏡となる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、透過型スクリーンを用いたヘッドアップディスプレイ装置に好適である。
【符号の説明】
【００３１】
１      ヘッドアップディスプレイ装置
１０    プロジェクタ（表示光出射部）
２０    第１の反射鏡
３０    透過型スクリーン
３１    受光面
３２    出射面
３２ａ  湾曲部
４０    第２の反射鏡（反射鏡）
５０    凹面鏡
Ｇ      表示画像
Ｌ      表示光
Ｖ      虚像
【図１】
0006465353.tif 000002
【図２】
0006465353.tif 000003
【図３】
0006465353.tif 000004
【図４】
0006465353.tif 000005
【図５】
0006465353.tif 000006