(57)【要約】【課題】運転者からの距離が異なる位置に複数の虚像をそれぞれ形成することができるヘッドアップディスプレイ装置を低コストで提供する。【解決手段】中間画像が形成される中間画像表示体と、中間画像表示体に形成された中間画像を被投影体の表示領域に投影する投影光学系とを備え、投影光学系による表示領域への投影によって車両のウインドシールドの前方に虚像が形成され、虚像は、中間画像表示体と、被投影体と、投影光学系との少なくとも１つの形状にしたがって、前後方向に奥行きを有する画像として形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間画像が形成される中間画像表示体と、
前記中間画像表示体に形成された前記中間画像を被投影体の表示領域に投影する投影光学系とを備え、
前記投影光学系による前記表示領域への投影によって車両のウインドシールドの前方に虚像が形成され、
前記虚像は、前記中間画像表示体と、前記被投影体と、前記投影光学系との少なくとも１つの形状にしたがって、前後方向に奥行きを有する画像として形成され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】
前記中間画像表示体の出射面が湾曲しており、
前記虚像は、前記中間画像表示体の出射面の湾曲形状にしたがって湾曲してい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】
前記投影光学系は、前記中間画像表示体から出射されたイメージ光を拡大・反射する、湾曲した反射面を有する投影ミラーを備え、
前記虚像は、前記投影ミラーの反射面の湾曲形状にしたがって湾曲していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
前記被投影体は、ハーフミラーからなり、前記車両の車室内に配置されたコンバイナを備え、
前記表示領域は前記コンバイナ上に設定されており、
前記コンバイナの入射面と出射面の少なくとも一方が湾曲しており、
前記虚像は、前記コンバイナの湾曲形状にしたがって湾曲していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項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、車両のウインドシールドの前方に情報画像を表示するヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の車両用表示装置は、インストルメントパネル内の表示体から投影される表示画像をフロントガラス内面の反射体で反射させ、虚像として遠方に表示させる装置である。この車両用表示装置においては、複数の情報を表示するために、上記表示体を、反射体までの光路距離が互いに異なる複数の表示板で構成し、これによって複数の虚像を異なる位置に提示させるようにしている。
【０００３】
また、特許文献２に記載の情報表示装置は、情報を表す光を被投影部材で反射させ、その情報を虚像として表示させる装置である。この情報表示装置においては、情報を表す光が投射手段によって少なくとも２つの結像手段に投影され、この結像手段の各々に結像された情報は被投影部材にて反射されて虚像としてそれぞれ表示される。この情報表示装置の複数の結像手段は、投射手段からの距離が互いに異なるようにそれぞれ配置され、この距離の違いによって虚像が現れる位置を異ならせている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１６８２３０号公報
【特許文献２】特開２０１５−３４９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の車両用表示装置および特許文献２の情報表示装置のいずれにおいても、複数の虚像を互いに異なる位置に形成することはできるものの、特許文献１の車両用表示装置では複数の表示板が必要であり、特許文献２の情報表示装置では複数の結像手段が必要となることから、部品点数が多くなりコストの低減を困難にしている。また、特許文献２の映像投射器に用いる可変焦点レンズは単焦点レンズよりも高価であり、装置のコストがさらに高くなるという問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、運転者からの距離が異なる位置に複数の虚像をそれぞれ形成することができるヘッドアップディスプレイ装置を低コストで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】
上記課題を解決するために、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、中間画像が形成される中間画像表示体と、中間画像表示体に形成された中間画像を被投影体の表示領域に投影する投影光学系とを備え、投影光学系による表示領域への投影によって車両のウインドシールドの前方に虚像が形成され、虚像は、中間画像表示体と、被投影体と、投影光学系との少なくとも１つの形状にしたがって、前後方向に奥行きを有する画像として形成されることを特徴としている。
【０００８】
これにより、投影光学系によって中間画像を被投影体に投影する距離を、部品点数を増やすことなく、画像内の領域ごとに異ならせることができるため、奥行きを有する虚像を低コストで形成することが可能となる。
【０００９】
本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、中間画像表示体の出射面が湾曲しており、虚像は、中間画像表示体の出射面の湾曲形状にしたがって湾曲していることが好ましい。
これにより、中間画像表示体の形状の変更のみにより、部品点数を増やすことなく、奥行きのある虚像を形成することができる。
【００１０】
本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、投影光学系は、中間画像表示体から出射されたイメージ光を拡大・反射する、湾曲した反射面を有する投影ミラーを備え、虚像は、投影ミラーの反射面の湾曲形状にしたがって湾曲していることが好ましい。
これにより、投影ミラーの形状の変更のみにより、部品点数を増やすことなく、奥行きのある虚像を形成することができる。
【００１１】
本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、被投影体は、ハーフミラーからなり、車両の車室内に配置されたコンバイナを備え、表示領域はコンバイナ上に設定されており、コンバイナの入射面と出射面の少なくとも一方が湾曲しており、虚像は、コンバイナの湾曲形状にしたがって湾曲していることが好ましい。
【００１２】
これにより、コンバイナを備えたヘッドアップディスプレイ装置においても、部品点数を増やすことなく低コストで、奥行きのある虚像を形成することができる。さらに、車両の外観デザインや空気力学の点から形状が制約されるウインドシールドに対して、コンバイナは自由に形状を決定できることから、所望の奥行きの虚像を形成することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、運転者からの距離が異なる位置に複数の虚像をそれぞれ形成することができるヘッドアップディスプレイ装置を低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成を示す図である。
【図２】第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の構成を示すブロック図である。
【図３】第１実施形態の変形例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４】第２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。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。
図１は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０の概略構成を示す図である。図２は、ヘッドアップディスプレイ装置１０の構成を示すブロック図である。図１には、基準座標としてＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。Ｚ方向は、コリメータレンズ２３およびスクリーン２４の光軸方向に沿っており、Ｘ−Ｙ面はＺ方向に直交する面である。
【００１６】
図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、ＬＥＤ２１と、走査ミラー２２と、コリメータレンズ２３と、中間画像表示体としてのスクリーン２４と、投影ミラー４０とを備える。さらに、図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、ＬＥＤドライバ３１と、ミラー駆動部３２と、制御部３３と、メモリ３４とを備える。
【００１７】
光源としてのＬＥＤ２１は、ＬＥＤドライバ３１によって駆動される発光ダイオードである。ＬＥＤ２１は、メモリ３４に予め記憶された画像データに基づいてスクリーン２４上に所定の中間画像を形成するように、制御部３３による制御にしたがってＬＥＤドライバ３１によって駆動される。
なお、光源は、形成する画像の内容に応じて種類や数を任意に設定することができる。
【００１８】
走査ミラー２２は、例えばガルバノミラーであって、２次元スキャナとして、ミラー駆動部３２によって反射面２２ｒが２つの回動軸を中心として回動する。ＬＥＤ２１から入射した光は、回動する反射面２２ｒで反射されることにより走査光として出射される。この走査においては、例えば、まず、Ｙ方向に沿った第１の回動軸（不図示）を中心とした回動によって１ライン分の光がコリメータレンズ２３上に照射される。次に、Ｘ方向に沿った第２の回動軸を中心とした所定量の回動の後に、第１の回動軸を中心とする回動を行うことによって次の１ライン分の光がＹ方向下側に照射され、これらを繰り返すことによって１フレーム分の光がコリメータレンズ２３上に照射される。走査ミラー２２の回動方向及び回動速度は、制御部３３によって制御され、制御部３３からの制御信号にしたがって、ミラー駆動部３２は走査ミラー２２を回動させる。
【００１９】
コリメータレンズ２３は、正の屈折力を有するレンズであって、走査ミラー２２からの反射光をスクリーン２４の光軸２４ｃに平行にしてスクリーン２４側へ出射させる。
スクリーン２４は、入射光を拡散光として出射するディフューザである。スクリーン２４には、コリメータレンズ２３からの出射光によって中間画像が形成される。スクリーン２４は、その光軸２４ｃがコリメータレンズ２３の光軸２３ｃに重なるように配置され、光軸２４ｃを中心とする回転対称形状を有し、さらに、コリメータレンズ２３側に凸面を向けた湾曲形状を備える。
【００２０】
ここで、スクリーン２４に用いるディフューザとしては、例えば、マイクロレンズアレイ、拡散板、ランダム位相板、回折格子が挙げられる。
また、走査ミラー２２に代えて、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）やＬＣＯＳ（商標、Ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ）を用いることもできる。ＤＭＤを用いる場合は、光源からの入射光をマトリックス状に配列した複数のマイクロミラーのそれぞれで反射させ、スクリーン２４上に中間画像を形成する。ＬＣＯＳは、透過型と反射型のいずれを用いることができ、ＬＣＯＳでの透過光または反射光によってスクリーン２４上に中間画像を形成する。
【００２１】
また、中間画像表示体として、自発光デバイス、例えば、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）やＥＬ素子（エレクトロルミネッセンス素子）を用いることができる。自発光デバイスを用いる場合は、その出射面にスクリーン２４と同様の湾曲形状を形成する。このような自発光デバイスを用いると、ＬＥＤ２１、走査ミラー２２、およびコリメータレンズ２３を用いることなく映像光を投影ミラー４０側へ出射することができる。
【００２２】
図１に示すように、スクリーン２４に形成された中間画像は、投影光学系としての投影ミラー４０によって、被投影体としてのウインドシールドＷの表示領域Ｗａに投影される。投影ミラー４０は、スクリーン２４側に反射面４０ｒを有する凹面鏡（拡大鏡）である。スクリーン２４で結像した画像を含むイメージ光は、投影ミラー４０で拡大・反射される。投影ミラー４０からの反射光は、車両のウインドシールドＷの表示領域Ｗａに投影される。このウインドシールドＷは半反射面として機能するため、入射したイメージ光は、対象者としての運転者に向けて反射されるとともに、ウインドシールドＷの前方位置に虚像Ｖ１が形成される。ウインドシールドＷの前方の虚像Ｖ１を目視することで、運転者の目Ｅには、ステアリングホイールの前方に各種の情報が表示されているように見える。
【００２３】
ここで、スクリーン２４上に形成される中間画像は、スクリーン２４に代えて、図１において破線で示す平板状の仮想スクリーン２５を、コリメータレンズ２３の光軸２３ｃに垂直になるように配置した場合に、この仮想スクリーン２５上に平坦で歪みのない画像として形成されるように構成された画像である。したがって、中間画像を形成するためにメモリ３４に予め記憶されている画像データは、平板状の仮想スクリーン２５上に平坦で歪みのない画像を形成するためのデータである。
【００２４】
これに対して、スクリーン２４は、コリメータレンズ２３側に凸面を向けた湾曲形状を備えるため、光軸２４ｃ上の中心領域２４ａと光軸２４ｃから離れた周辺領域２４ｐとでは、Ｚ方向の位置にずれがある。すなわち、仮想スクリーン２５と比較して、中心領域２４ａは、周辺領域２４ｐよりも投影ミラー４０からの距離が大きくなっている。
このため、スクリーン２４からの出射光を投影ミラー４０で拡大・反射して虚像を形成すると、上記ずれ量に応じて虚像の各領域の形成位置にもＺ方向にずれが生じ、前後方向（Ｚ方向）に奥行きのある湾曲した画像が形成される。すなわち、図１に示すように、スクリーン２４の中心領域２４ａに対応する虚像の中心領域Ｖ１ａではウインドシールドＷから遠い位置に像が形成され、スクリーン２４の周辺領域２４ｐに対応する周辺領域Ｖ１ｐではウインドシールドＷに近い位置に像が形成される。ここで、虚像Ｖ１の湾曲形状の曲率中心を運転者の眼に位置に設定すると、湾曲をしている虚像であっても視認しやすくなるため好ましい。
【００２５】
スクリーン２４の湾曲形状は、虚像Ｖ１の各領域について設定される像形成位置に基づいて設定される。
また、スクリーン２４の形状は、所望の虚像が形成できれば、回転対称でなくてもよく、また、投影ミラー４０側に凸面を設けてもよい。さらに、スクリーン２４のように全体として１つの曲面を形成するのではなく、複数の凹凸を有する形状であってもよく、凹凸形状の任意に設定できる。また、コリメータレンズ２３側の入射面は平面とし、投影ミラー４０側の出射面のみに上述の凸面や凹凸を形成する形態でもよい。
【００２６】
以上のように構成されたことから、第１実施形態によれば、スクリーン２４を湾曲形状としたことにより、投影ミラー４０によって中間画像をウインドシールドＷに投影する距離を、表示領域内の領域ごとに異ならせることができる。このため、奥行きを有する虚像を、部品点数を増やすことなく低コストで形成することが可能となる。また、スクリーン２４の湾曲形状によって形成された中間画像の奥行きを、投影ミラー４０によって拡大することになるため、より大きな奥行きを虚像に持たせることができる。
【００２７】
以下に変形例について説明する。
（１）図３は、第１実施形態の変形例に係るヘッドアップディスプレイ装置１１０の構成を示す図である。図３には、図１と同様に、基準座標としてのＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。
図３に示すヘッドアップディスプレイ装置１１０においては、第１実施形態のスクリーン２４に代えて平板状のスクリーン１２４を用い、第１実施形態の投影ミラー４０よりも周辺領域がスクリーン１２４側へ湾曲した投影ミラー１４０を用いている。なお、ＬＥＤ２１、走査ミラー２２、およびコリメータレンズ２３は第１実施形態と同様であり、中間画像の形成に用いる画像データも第１実施形態と同様のデータを用い、この画像データは、スクリーン１２４上に平坦で歪みのない画像形成するためのデータである。
【００２８】
本変形例のスクリーン１２４は、入射光を拡散光として出射するディフューザである点では第１実施形態のスクリーン２４と同様であるが、湾曲していない平板状を有しており、その光軸１２４ｃがコリメータレンズ２３の光軸２３ｃに重なるように配置されている。
一方、投影ミラー１４０は、第１実施形態の投影ミラー４０と比べて、スクリーン１２４側の反射面１４０ｒのうちの周辺領域１４０ｐがスクリーン１２４側へ近づいた湾曲形状を備えている。これにより、スクリーン１２４と投影ミラー１４０との距離は、第１実施形態の投影ミラー４０を用いた場合と比べて、投影ミラー１４０の中心領域１４０ａよりも周辺領域１４０ｐの方がスクリーン１２４に近くなっている。
【００２９】
このような形状のスクリーン１２４と投影ミラー１４０を用いて、被投影体としてのウインドシールドＷに中間画像を投影して虚像Ｖ２を形成すると、図３に示すように、投影ミラー１４０の中心領域１４０ａに対応する中心領域Ｖ２ａではウインドシールドＷから遠い位置に像が形成され、投影ミラー１４０の周辺領域１４０ｐに対応する周辺領域Ｖ２ｐではウインドシールドＷに近い位置に像が形成される。
【００３０】
（２）図３に示す変形例では、平板状のスクリーン１２４と湾曲した投影ミラー１４０を用いて、奥行きのある虚像Ｖ２を形成していたが、図１に示すような湾曲したスクリーンと図３に示すような湾曲した投影ミラーを組み合わせて奥行きのある虚像を形成してもよい。また、投影光学系として、スクリーンと投影ミラーの間、及び／又は、投影ミラーとウインドシールドの間に光学素子を配置し、この光学素子の形状にしたがって、さらには、スクリーンや投影ミラーの形状を変えることによって奥行きのある虚像を形成することもできる。
【００３１】
＜第２実施形態＞
つづいて、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態においては、湾曲したコンバイナを用いることによって虚像に奥行きを持たせている点が第１実施形態、および、その変形例と異なる。
【００３２】
図４は、第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置２１０の構成を示す図である。図４には、図１と同様に、基準座標としてのＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。
図４に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置２１０は、ＬＥＤ２２１と、走査ミラー２２２と、コリメータレンズ２２３と、中間画像表示体としてのスクリーン２２４と、投影光学系としての投影ミラー２４０と、被投影体としてのコンバイナ２５０とを備える。さらに、ヘッドアップディスプレイ装置の構成２１０は、第１実施形態と同様に、図２に示す、ＬＥＤドライバ３１と、ミラー駆動部３２と、制御部３３と、メモリ３４とを備える。ＬＥＤ２２１と、走査ミラー２２２と、コリメータレンズ２２３とは、第１実施形態における、ＬＥＤ２１と、走査ミラー２２と、コリメータレンズ２３と同様の構成・機能を有している。ヘッドアップディスプレイ装置２１０においては、第１実施形態と同様に、ＬＥＤ２２１からの出射光が走査ミラー２２２の反射面２２２ｒで反射されてコリメータレンズ２２３に入射し、コリメータレンズ２２３で平行光化された光がスクリーン２２４に入射して、スクリーン２２４上に中間画像が形成される。
【００３３】
スクリーン２２４は、図３に示すスクリーン１２４と同様に平板状をなしており、その光軸２２４ｃがコリメータレンズ２２３の光軸２２３ｃに重なるように配置される。
投影光学系としての投影ミラー２４０は、図１に示す投影ミラー４０と同様に、スクリーン２２４側に反射面２４０ｒを有する凹面鏡（拡大鏡）である。スクリーン２２４で結像した画像を含むイメージ光は、投影ミラー２４０で拡大・反射され、ウインドシールドＷの内側に配置されたコンバイナ２５０の表示領域２５０ｄに投影される。ここで、表示領域２５０ｄは、コンバイナ２５０の内側面全域である。
【００３４】
コンバイナ２５０は、図４に示すようにウインドシールドＷ側に凸面を向けた湾曲形状を備えたハーフミラーである。
コンバイナ２５０の表示領域２５０ｄに投影される画像は、図４において破線で示す平板状の仮想コンバイナ２５１をコンバイナ２５０の位置に配置した場合に、この仮想コンバイナ２５１上に平坦で歪みのない画像として形成されるように制御された画像である。したがって、投影画像を形成するためにメモリ３４に予め記憶されている画像データは、平板状の仮想コンバイナ２５１上に平坦で歪みのない画像を形成するためのデータである。
【００３５】
コンバイナ２５０に入射したイメージ光は、コンバイナ２５０が半反射面として機能するため、対象者としての運転者に向けて反射されるとともに、ウインドシールドＷを通過して、その前方位置に虚像Ｖ３を形成する。ウインドシールドＷの前方の虚像Ｖ３を目視することで、運転者の目Ｅには、ステアリングホイールの上方の前方に各種の情報が表示されているように見える。
【００３６】
コンバイナ２５０は、ウインドシールドＷ側に凸面を向けた湾曲形状を備えるため、平板状の仮想コンバイナ２５１を配置した場合と比べると、中心領域２５０ａは、周辺領域２５０ｐよりも投影ミラー２４０からの距離が小さくなる。
このため、形成された虚像Ｖ３は、上記距離に応じて虚像の各領域の形成位置にもＺ方向にずれが生じ、前後方向（Ｚ方向）に奥行きのある湾曲した画像が形成される。すなわち、図４に示すように、コンバイナ２５０の表示領域２５０ｄのうちの中心領域２５０ａに対応する虚像の中心領域Ｖ３ａではウインドシールドＷから遠い位置に像が形成され、コンバイナ２５０の周辺領域２５０ｐに対応する周辺領域Ｖ３ｐではウインドシールドＷに近い位置に像が形成される。
【００３７】
以上のように、湾曲形状を備えたコンバイナ２５０を用いることにより、部品点数を増やすことなく低コストで、奥行きのある虚像を形成することができる。さらに、車両の外観デザインや空気力学の点から形状が制約されるウインドシールドＷに対して、コンバイナ２５０は自由に形状を決定できることから、所望の奥行きの虚像を形成することが可能となる。
なお、その他の作用、効果、変形例は第１実施形態と同様である。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、複数の情報を、前後方向に奥行きのある画像として表示させる点で有用である。
【符号の説明】
【００３９】
１０、１１０、２１０  ヘッドアップディスプレイ装置
２１、２２１  ＬＥＤ
２２、２２２  走査ミラー
２２ｒ、２２２ｒ  反射面
２３、２２３  コリメータレンズ
２３ｃ、２２３ｃ  光軸
２４、１２４、２２４  スクリーン
２４ａ    中心領域
２４ｃ、１２４ｃ、２２４ｃ  光軸
２４ｐ    周辺領域
２５      仮想スクリーン
３１      ＬＥＤドライバ
３２      ミラー駆動部
３３      制御部
３４      メモリ
４０、１４０、２４０  投影ミラー（投影光学系）
４０ｒ、１４０ｒ、２４０ｒ  反射面
１４０ａ  中心領域
１４０ｐ  周辺領域
２５０    コンバイナ（被投影体）
２５０ａ  中心領域
２５０ｄ  表示領域
２５０ｐ  周辺領域
２５１    仮想コンバイナ
Ｖ１      虚像
Ｖ１ａ    中心領域
Ｖ１ｐ    周辺領域
Ｗ        ウインドシールド（被投影体）
Ｗａ      表示領域
【図１】
2017227681.tif 000003
【図２】
2017227681.tif 000004
【図３】
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【図４】
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