(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投射面部に投射される画像を出射可能な出射装置と、この出射装置から出射された光を反射させる反射鏡と、この反射鏡によって反射された光が結像されると共に透過するスクリーンと、を有するヘッドアップディスプレイ装置において、
前記反射鏡は、前記出射装置から出射された光が入射される第１反射面及び第２反射面の少なくとも２つの反射面が１つの基材上に形成されており、
前記第１反射面と、前記第２反射面とは、一方が平面で他方が湾曲面であり、又は、それぞれが湾曲面であって且つそれぞれの形状が異なり、
前記スクリーンは、前記第１反射面において反射された光が透過する第１スクリーンと、前記第２反射面において反射された光が透過する第２スクリーンと、からなり、
前記第１スクリーンを透過した光が前記投射面部に到達するまでの第１光路の長さと、前記第２スクリーンを透過した光が前記投射面部に到達するまでの第２光路の長さとが異なるよう、前記第１スクリーン及び前記第２スクリーンは配置され、
湾曲面である前記第１反射面、及び／又は、湾曲面である前記第２反射面において反射される光を湾曲面反射光とした場合に、
この湾曲面反射光が透過されるスクリーンと、前記出射装置との間には、光を収束可能なレンズが設けら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】
前記レンズは、凸レンズ、トロイダルレンズ、又は、自由曲面レンズであることを特徴とする請求項１記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項３】
前記レンズの光軸は、前記湾曲面反射光が通過するスクリーンの光軸に対してオフセットされていることを特徴とする請求項１又は請求項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、改良されたヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両等の乗り物には、乗員の前方に情報を投射可能なヘッドアップディスプレイ装置が搭載されることがある。乗員は、前方に投射された虚像を視認することにより、情報を得ることができる。ヘッドアップディスプレイ装置に関する従来技術として、特許文献１に開示される技術がある。
【０００３】
特許文献１に示されるような、ヘッドアップディスプレイ装置は、第１画像を表示する第１表示器と、第２画像を表示する第２表示器と、第１表示器からの光が透過されると共に第２表示器からの光を反射するハーフミラーと、このハーフミラーを透過し又はハーフミラーによって反射された光が投射されるフロントガラス（投射面部）と、を有している。
【０００４】
光が通過する光路の長さは、第１表示器からフロントガラスまでの光路長さの方が、第２表示器からフロントガラスまでの光路長さよりも長く設定されている。これにより、乗員は、第１画像が奥に第２画像が手前に投射されているように認識する。即ち、異なる光路長さの画像がフロントガラスに投射されることにより、虚像に奥行き感を生じさせることができる。
【０００５】
しかし、このようなヘッドアップディスプレイ装置によれば、２種類の異なる画像を出射するために２つの表示器が必要である。このため、部品代が嵩むと共に、装置が大型化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２３７４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、安価且つコンパクトでありながら虚像に奥行き感を生じさせることができるヘッドアップディスプレイ装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１による発明によれば、投射面部に投射される画像を出射可能な出射装置と、この出射装置から出射された光を反射させる反射鏡と、この反射鏡によって反射された光が結像されると共に透過するスクリーンと、を有するヘッドアップディスプレイ装置において、
前記反射鏡は、前記出射装置から出射された光が入射される第１反射面及び第２反射面の少なくとも２つの反射面が１つの基材上に形成されており、
前記第１反射面と、前記第２反射面とは、一方が平面で他方が湾曲面であり、又は、それぞれが湾曲面であって且つそれぞれの形状が異なり、
前記スクリーンは、前記第１反射面において反射された光が透過する第１スクリーンと、前記第２反射面において反射された光が透過する第２スクリーンと、からなり、
前記第１スクリーンを透過した光が前記投射面部に到達するまでの第１光路の長さと、前記第２スクリーンを透過した光が前記投射面部に到達するまでの第２光路の長さとが異なるよう、前記第１スクリーン及び前記第２スクリーンは配置され、
湾曲面である前記第１反射面、及び／又は、湾曲面である前記第２反射面において反射される光を湾曲面反射光とした場合に、
この湾曲面反射光が透過されるスクリーンと、前記出射装置との間には、光を収束可能なレンズが設けら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が提供される。
【０００９】
請求項２に記載のごとく、好ましくは、前記レンズは、凸レンズ、トロイダルレンズ、又は、自由曲面レンズである。
【００１０】
請求項３に記載のごとく、好ましくは、前記レンズの光軸は、前記湾曲面反射光が通過するスクリーンの光軸に対してオフセットされている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明では、第１光路の長さと第２光路の長さとが異なるよう、第１スクリーン及び第２スクリーンは配置されている。ヘッドアップディスプレイ装置の操作者は、第１スクリーンにおいて結像した画像と第２スクリーンにおいて結像した画像とが、一方が手前、他方が奥に投射されているように認識する。即ち、奥行き感を生じさせることができる。
【００１２】
一方、第１光路の長さと第２光路の長さとが異なるよう、第１スクリーン及び第２スクリーンが配置されていることにより、反射鏡から第１スクリーンまでの距離及び反射鏡から第２スクリーンまでの距離がそれぞれ異なることとなる。このとき、反射鏡の第１反射面と、第２反射面とは、一方が平面で他方が湾曲面であり、又は、それぞれが湾曲面であって且つそれぞれの形状が異なる。即ち、反射鏡からの距離が異なる第１スクリーン及び第２スクリーンにおいて結像させることができるよう、第１反射面及び第２反射面の形状を異なる形状とした。これにより、それぞれに適した結像距離に調節することができる。このとき、必要な反射鏡の数は１枚である。このため、反射鏡に向かって光を出射する出射装置の数も１つで済む。出射装置が１つで済むため、ヘッドアップディスプレイ装置を安価且つコンパクトにすることができる。
【００１３】
以上を纏めると、安価且つコンパクトでありながら虚像に奥行き感を生じさせ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ができる。
【００１４】
加えて、湾曲面反射光が透過されるスクリーンと、出射装置との間には、光を収束可能なレンズが設けられている。湾曲面反射光は、様々な方向に向かって反射する。光を収束可能なレンズがスクリーンと出射装置との間に配置されているため、スクリーンを大型化させることなく湾曲面反射光をスクリーンに透過させることができる。ヘッドアップディスプレイ装置の大型化を抑制しつつ、出射装置から出射された光を効率よく利用することができる。
【００１５】
請求項２に係る発明では、ヘッドアップディスプレイ装置の投射光学系における焦点距離に対して、配光を適合させる照明配光を制御することができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスへの照明配光を効率的に行うことができる。
【００１６】
請求項３に係る発明では、湾曲面反射光が透過されるスクリーンを透過する光をアイボックスの所定の位置に向けることができ、アイボックス内での光の均斉度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のヘッドアップディスプレイ装置の前提となる参考例によるヘッドアップディスプレイ装置の断面図である。
【図２】図１に示されたヘッドアップディスプレイ装置の作用を説明する図である。
【図３】図１に示されたヘッドアップディスプレイ装置の問題点を説明する図である。
【図４】本発明の実施例によるヘッドアップディスプレイ装置の断面図である。
【図５】図４に示されたヘッドアップディスプレイ装置の要部を拡大した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、説明中、左右とは車両の乗員を基準として左右、前後とは車両の進行方向を基準として前後を指す。
＜参考例＞
【００１９】
まず、本発明の前提となる参考例によるヘッドアップディスプレイ装置について説明する。
【００２０】
図１及び図２を参照する。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、例えば、車両に搭載される。乗員（操作者）Ｍｎは、フロントガラス１７（投射面部１７）に投射された画像から、虚像Ｖ１，Ｖ２を認識する。
【００２１】
ヘッドアップディスプレイ装置１０は、ケース２０と、このケース２０の底部に設けられ画像を出射可能な出射装置１２と、この出射装置１２から出射された光を反射させる第１の平面鏡１３と、この第１の平面鏡１３に反射された光が入射される反射鏡３０と、この反射鏡３０によって反射された光が透過されるスクリーン４０と、このスクリーン４０を透過した光が反射される第２の平面鏡１５と、この第２の平面鏡１５において反射された光が入射される凹面鏡１６と、この凹面鏡１６によって反射された光が投射されるフロントガラス１７と、出射装置１２及びスクリーン４０を制御可能な制御部１８と、からなる。
【００２２】
図１を参照する。ケース２０は、上方に向かって開口した下ケース２１に、上ケース２２が被されていると共に、下ケース２１の内部に中蓋２３が配置されてなる。下ケース２１、上ケース２２及び中蓋２３は、例えば、黒色の遮光性を有する合成樹脂によって形成されている。
【００２３】
上ケース２２の上面には、開口部２２ａが形成されている。この開口部２２ａには、透明樹脂製のカバー部２４が設けられている。
【００２４】
中蓋２３は、太陽光等の外部からの光を遮るために設けられている。一方、出射装置１２から出射された光の通過を許容するよう、一部に開口部２３ａが形成されている。
【００２５】
出射装置１２は、下ケース２１の底部に固定されたステー５１によって支持されている。出射装置１２には、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）やＬＣＯＳ（登録商標：Liquid Crystal On Silicon）などの反射型表示素子やＴＦＴ（Thin Film Transistor）液晶パネルなどの透過型表示素子を採用することができる。
【００２６】
第１の平面鏡１３は、下ケース２１の側壁に固定されたステー５２によって支持されている。第１の平面鏡１３は、例えば、合成樹脂やガラス材料からなる基材の表面に、蒸着等の手段により反射膜を形成したものである。
【００２７】
反射鏡３０は、下ケース２１の側壁に固定されたステー５３によって支持されている。反射鏡３０は、例えば、合成樹脂やガラス材料からなる基材の表面に、蒸着等の手段により反射膜を形成したものである。
【００２８】
反射鏡３０の表面は、それぞれ形状の異なる２つの反射面３１，３２によって構成されている。一方は平面鏡状に形成された第１反射面３１であり、他方は凸面鏡状に形成された第２反射面３２である。これらの第１反射面３１及び第２反射面３２が１つの基材上に形成されている。
【００２９】
なお、第１反射面３１は、平面ではなく湾曲した面である湾曲面であっても良い。また、第２反射面３２は、湾曲面でなく平面であっても良い。さらに、第１反射面３１及び第２反射面３２の両方が湾曲面であっても良い。第１反射面３１及び第２反射面３２が共に湾曲面である場合には、それぞれの形状が異なっている必要がある。理由については後述する。
【００３０】
スクリーン４０は、スクリーンホルダ６０によって支持されている。スクリーン４０は、第１反射面３１において反射された光が透過する第１スクリーン４１と、第２反射面３２において反射された光が透過する第２スクリーン４２と、からなる。
【００３１】
第１スクリーン４１は、出射装置１２から出射された光を背面で受光し、表面側に表示画像を表示する透過スクリーンである。第１スクリーン４１には、例えば、ホログラフィックディフューザ、マイクロレンズアレイ、拡散板を採用することができる。第２スクリーン４２も同様である。
【００３２】
それぞれのスクリーン４１，４２を透過した光の光路長さを基準とした場合に、第１スクリーン４１からフロントガラス１７までの第１光路Ｌ１の長さは、第２スクリーン４２からフロントガラス１７までの第２光路Ｌ２の長さに比べて長く設定されている。即ち、第１スクリーン４１を透過した光がフロントガラス１７に到達するまでの第１光路Ｌ１の長さと、第２スクリーン４２を透過した光がフロントガラス１７に到達するまでの第２光路Ｌ２の長さとが異なるよう、第１スクリーン４１及び第２スクリーン４２は配置されている。
【００３３】
スクリーンホルダ６０は、下ケース２１の側壁に取り付けられたステー５５，５５に固定されている。スクリーンホルダ６０は、第１スクリーン４１を支持している第１筒部６１と、第２スクリーン４２を支持している第２筒部６２と、からなる。
【００３４】
なお、第１スクリーン４１の光軸、及び、第２スクリーン４２の光軸は、それぞれ、透過する光の光軸に沿うよう配置されている。この点、適宜、透過する光の光軸に対して、第１スクリーン４１、及び／又は、第２スクリーン４２を傾けて配置することもできる。スクリーンを傾けた場合には、フロントガラス１７に投射された像を傾けることができる。
【００３５】
第２の平面鏡１５は、上ケース２２の側壁に固定されたステー５４によって支持されている。第２の平面鏡１５は、例えば、合成樹脂やガラス材料からなる基材の表面に、蒸着等の手段により反射膜を形成してなる。
【００３６】
凹面鏡１６は、上ケース２２の側壁に回転可能に支持されている。凹面鏡１６は、例えば、合成樹脂材料からなる基材の表面に、蒸着等の手段により反射膜を形成してなる。凹面鏡１６は、自由曲面を有するミラーであり、第２の平面鏡１５によって反射した光をフロントガラス１７に向けてさらに反射させる。
【００３７】
出射装置１２は、制御部１８からの制御信号に基づき、光を第１の平面鏡１３に向かって出射する。出射された光は、第１の平面鏡１３において反射鏡３０に向かって反射される。反射された光は、第１反射面３１又は第２反射面３２に入射される。第１反射面３１に入射されるのか第２反射面３２に入射されるのかは、第１の平面鏡１３のなかのどの位置に入射したかによって決まる。
【００３８】
第１反射面３１に入射した光は、第１スクリーン４１に向かって反射される。反射された光は、開口部２３ａを通過して、第１スクリーン４１を透過する。第１スクリーン４１を透過することにより、フロントガラス１７に投射される画像が結像される。
【００３９】
第２反射面３２に入射した光は、第２スクリーン４２に向かって反射される。反射された光は、開口部２３ａを通過して、概ね第２スクリーン４２を透過する。第２スクリーン４２を透過することにより、フロントガラス１７に投射される画像が結像される。
【００４０】
第１反射面３１、又は、第２反射面３２において反射された光は、第２の平面鏡１５、凹面鏡１６の順に反射されて、カバー部２４を透過する。カバー部２４を透過した光は、フロントガラス１７に投射される。乗員Ｍｎは、フロントガラス１７に投射された画像を、フロントガラス１７の前方に現された虚像Ｖ１，Ｖ２として認識する。フロントガラス１７のなかの光が投射される範囲は、乗員Ｍｎが視認可能なアイボックスといわれる。
【００４１】
なお、凹面鏡１６やフロントガラス１７が湾曲していることにより、スクリーン４０において結像した画像が歪む。このため、乗員が認識する虚像に歪みが生じないよう、出射装置１２からは、予め歪められた画像が出射される。
【００４２】
このようなヘッドアップディスプレイ装置１０によれば、以下の効果を奏する。
【００４３】
図２を参照する。第１光路Ｌ１の長さと第２光路Ｌ２の長さとが異なるよう、第１スクリーン４１及び第２スクリーン４２は配置されている。乗員Ｍｎは、第１スクリーン４１において結像した画像と第２スクリーン４２において結像した画像とが、一方が手前、他方が奥に投射されているように認識する（虚像Ｖ１，Ｖ２参照）。即ち、奥行き感を生じさせることができる。
【００４４】
一方、第１光路Ｌ１の長さと第２光路Ｌ２の長さとが異なるよう、第１スクリーン４１及び第２スクリーン４２が配置されていることにより、反射鏡３０から第１スクリーン４１までの距離及び反射鏡３０から第２スクリーン４２までの距離がそれぞれ異なることとなる。このとき、反射鏡３０の第１反射面３１と、第２反射面３２とは、一方（第１反射面３１）が平面で他方（第２反射面３２）が湾曲面であり、それぞれの形状が異なる。即ち、反射鏡３０からの距離が異なる第１スクリーン４１及び第２スクリーン４２において結像させることができるよう、第１反射面３１及び第２反射面３２の形状を異なる形状とした。これにより、それぞれに適した結像距離に調節することができる。このとき、必要な反射鏡３０の数は１枚である。このため、反射鏡３０に向かって光を出射する出射装置１２の数も１つで済む。出射装置１２が１つで済むため、ヘッドアップディスプレイ装置１０を安価且つコンパクトにすることができる。
【００４５】
以上を纏めると、安価且つコンパクトでありながら虚像Ｖ１，Ｖ２に奥行き感を生じさせることができるヘッドアップディスプレイ装置１０を提供することができる。
【００４６】
図３を参照する。本発明者らが研究を重ねたところ、図１に示したヘッドアップディスプレイ装置１０には、以下の問題点があることが分かった。
【００４７】
図３を参照する。第２反射面３２は、凸面鏡によって構成されている。このため、第２反射面３２に反射された光は、第２スクリーン４２に向かって広がる。このため、第２反射面３２に反射された光（湾曲面反射光）の一部は、第２スクリーン４２を透過しない。出射装置１２から出射された光を効率よく利用する観点から、問題がある。
【００４８】
一方、第２スクリーン４２によって、第２反射面３２に反射された光の全てを透過させようとすると、第２スクリーン４２を大型化させる必要がある。この場合には、ヘッドアップディスプレイ装置１０の大型化を招くこととなり、この点においても問題がある。
【００４９】
なお、第２反射面３２が凹面鏡によって構成されている場合であっても、鏡の焦点距離よりも遠い位置に第２スクリーン４２が配置されていれば、同様の問題が生じ得る。即ち、このような問題は、凸面鏡の場合に限って生じるものではない。
＜実施例＞
【００５０】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００５１】
図４を参照する。図４は実施例のヘッドアップディスプレイ装置７０の断面構成を示し、上記図１に対応させて表している。本発明によるヘッドアップディスプレイ装置７０は、参考例によるヘッドアップディスプレイ装置１０（図１参照）の問題点についてさらに改良を加えたものである。より具体的には、第２スクリーン４２の下部にレンズ８０を設けたものである。その他の基本的な構成については、参考例によるヘッドアップディスプレイ装置と共通する。以下、詳細に説明する。
【００５２】
なお、参考例によるヘッドアップディスプレイ装置と共通する部分については、符号を流用すると共に、詳細な説明を省略する。
【００５３】
スクリーンホルダ６０の第２筒部６２によって、第２スクリーン４２及びレンズ８０が支持されている。光路を基準として、レンズ８０は、第２スクリーン４２よりも出射装置１２側に配置されている。
【００５４】
第１スクリーン４１、第２スクリーン４２、及び、レンズ８０は、スクリーンホルダ６０によって支持されている。このスクリーンホルダ６０は、第１スクリーン４１を支持する第１筒部６１と、第２スクリーン４２、及び、レンズ８０を支持する第２筒部６２とが一体的に形成されてなる。個別の筒部６１，６２によって支持することにより、本来第２スクリーン４２に透過させるべき光が、第１スクリーン４１に透過することを抑制することができる。加えて、それぞれの筒部６１，６２が一体的に形成されているため、それぞれのスクリーン４１，４２、及びレンズ８０を相対的に正確な位置に配置することができる。
【００５５】
図５を参照する。レンズ８０には、凸レンズが採用されている（詳細には、通常の凸レンズのうち、二点鎖線によって示される部位が除去された凸レンズである。）。この他に、レンズ８０には、トロイダル曲面を有するトロイダルレンズや自由曲面を有する自由曲面レンズを採用することができる。レンズ８０の、第２スクリーン４２（湾曲面反射光が透過されるスクリーン）に対する長手方向の第一断面の曲率半径と、第一断面と直交する第二断面の曲率半径との関係は、第一断面の曲率半径の方が大きく設定されていることが望ましい。
【００５６】
レンズ８０の光軸Ｃ１は、第２反射面３２において反射された光（湾曲面反射光）が通過する第２スクリーン４２の光軸Ｃ２に対してオフセットされている。さらに、レンズ８０の光軸Ｃ１は、出射装置１２の光軸と一致している。このため、光軸Ｃ１は、出射装置１２の光軸Ｃ１ということもできる。なお、レンズ８０に自由曲面レンズを採用する場合は、レンズ８０の光軸Ｃ１を第２スクリーン４２の光軸Ｃ２に対してオフセットしなくてもよい。
【００５７】
以上により、本発明のヘッドアップディスプレイ装置７０によれば、さらに、以下の効果を奏する。
【００５８】
第２スクリーン４２（湾曲面反射光が透過されるスクリーン）と、出射装置１２との間には、光を収束可能なレンズ８０が設けられている。第２反射面３２において反射された光は、様々な方向に向かって反射する。光を収束可能なレンズ８０が第２スクリーン４２と出射装置１２との間に配置されているため、第２スクリーン４２を大型化させることなく、第２反射面３２において反射された光を第２スクリーン４２に透過させることができる。ヘッドアップディスプレイ装置７０の大型化を抑制しつつ、出射装置１２から出射された光を効率よく利用することができる。
【００５９】
さらに、ヘッドアップディスプレイ装置７０の投射光学系における焦点距離に対して、配光を適合させる照明配光を制御することができる。凹面鏡１６と、フロントガラス１７とからなるヘッドアップディスプレイ装置７０の投射光学系は縦方向と横方向とで焦点距離が異なる場合があるが、レンズ８０の形状によりこの焦点距離の違いを補正することができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置７０のアイボックスへの照明配光を効率的に行うことができる。
【００６０】
さらに、第２反射面３２において反射された光が透過される第２スクリーン４２を透過する光をアイボックスの所定の位置に向けることができ、アイボックス内での光の均斉度を向上させることができる。
【００６１】
尚、本発明によるヘッドアップディスプレイ装置は、車両に搭載された例を基に説明を行ったが、車両以外の乗り物、作業機、建機等にも適用可能である。さらに、本発明によるヘッドアップディスプレイ装置は、フロントガラスを投射面部として用いるものに限らず、投射面部が一体化された、いわゆるコンバイナ一体型のヘッドアップディスプレイ装置にも適用可能である。
【００６２】
即ち、本発明の作用及び効果を奏する限りにおいて、本発明は、実施例に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、車両に好適である。
【符号の説明】
【００６４】
１２…出射装置
１７…フロントガラス（投射面部）
３０…反射鏡
３１…第１反射面
３２…第２反射面
４０…スクリーン
４１…第１スクリーン
４２…第２スクリーン（湾曲面反射光が透過されるスクリーン）
７０…ヘッドアップディスプレイ装置
８０…レンズ
Ｃ１…レンズの光軸
Ｃ２…（第２スクリーン）の光軸（湾曲面反射光が通過するスクリーンの光軸）
Ｌ１…第１光路
Ｌ２…第２光路
【図１】
0006597022.tif 000002
【図２】
0006597022.tif 000003
【図３】
0006597022.tif 000004
【図４】
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【図５】
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