JP2004020605A

JP2004020605A - Head-up display

Info

Publication number: JP2004020605A
Application number: JP2002171507A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Fujikawa; 藤川　卓之; Hiroshi Ando; 安藤　浩; Kazuya Yasuda; 安田　一也
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2004-01-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a head-up display which realizes a small-sized optical unit, can display a far virtual image on a large screen and can display a virtual image easily visible by a user. <P>SOLUTION: A beam from the center point B1 of a display apparatus 20 is reflected on a point B2 of a concave mirror 30, is refracted on a point B8 of a prism sheet 80, transmits through a point B4 of a dust-proof cover and is reflected on a point B5 of a windshield 60 to propagate in the direction to the viewing point 70. The point B3 corresponds to the virtual image by the concave mirror 30, and the point B5 corresponds to the virtual image by the windshield 60, namely the virtual image recognized from the viewing point 70. The optical paths of the beams from the edges A1 and C1 of the display apparatus are also shown in the figure. Compared to a conventional head up display, the virtual image displayed in front of the driver and represented by the width d6 (distance between A6 and C6), the width of the optical path (distance between A2 and C2) required in the concave mirror 30 is reduced by cos(incident angle to the prism sheet 80)/cos(outgoing angle from the prism sheet 80). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
自動車等の車両等に採用可能なヘッドアップディスプレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今後、車両内表示情報の多様化・多量化が進み、視認性に優れドライバ負担の少ない画像ＨＭＩ（Ｈｕｍａｎ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）への要求が一層高まるものと思われる。特に、表示コンテンツとして、視界補助情報、視覚情報等の安全走行支援分野のニーズが高まり、これらをより効果的に伝達するためには、大画面表示、遠方表示、重畳表示が可能なヘッドアップディスプレイが望ましい。
【０００３】
従来、この種のヘッドアップディスプレイとして図１３に示したものがある。車室内のインストルメントパネル５０に配置する光学ユニット１０は液晶ディスプレイやＣＲＴなどの表示器２０、凹面鏡３０、防塵カバー４０から構成されている。表示器２０からの光線は凹面鏡３０で反射され、開口部に設置された防塵カバー４０を通してウインドシールド６０上に入射する。そして、この入射光がウインドシールド６０により反射されることにより表示情報がウインドシールド６０により前方に形成される虚像６１として提示される。ここで、凹面鏡３０の幅はｄで垂直方向に対しθ傾斜されて設置されている。
【０００４】
図１３の光学ユニット１０とウインドシールド６０を取り出し、光線を付記して図１４に示す。表示器２０の中心Ｂ１点からの光線は凹面鏡３０のＢ２点で反射され、防塵カバー４０のＢ４点を透過し、ウインドシールド６０のＢ５点で反射されて視点７０の方向に進む。ここで、Ｂ３点は凹面鏡３０による虚像に対応する点であり、Ｂ６点はウインドシールド６０による虚像、すなわち視点から視認される虚像に対応する点である。表示器２０の端部Ａ１およびＣ１からの光線の経路も同様に示している。
【０００５】
運転者の前方に表示される虚像６１を幅ｄ６（Ａ６とＣ６の距離）で表示する場合、凹面鏡３０での光路幅はｄ２（Ａ２とＣ２の距離）、表示器２０での光路幅はｄ１（Ａ１とＣ１の距離）必要となる。したがって、運転者の前方に表示される虚像６１を大画面化しようとすると、凹面鏡３０での光路幅ｄ２や表示器２０での光路幅ｄ１が大きくなり、結果として光学ユニット１０が大きくなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インストルメントパネル５０への搭載を容易にするためには、光学ユニット１０が小型であることが必要である。
そこで、特開平６−５５９５７号公報には、光学ユニットが表示器とＮ個（例えば３個）の偏向手段とで構成され、表示器と１番目の偏向手段との間の光路と２番目と３番目の偏向手段との間の光路とが水平面内で交差するように配置されたヘッドアップディスプレイが開示されている。
【０００７】
しかしながら、光学ユニットから光線が出射する直前の偏向手段における光路幅は、結局のところｄ２と等しい光路幅が必要となる。さらに、多数の偏向手段を用いているため、これらの配置場所を考慮すると必ずしも小型化の要請に十分に応えるものではない。
【０００８】
また、特開平９−３１８９０６号公報には、樹脂製またはガラス製の透明部材をブロック状に成型し、ブロック内を光線が往復するようにして小型化を図るヘッドアップディスプレイが開示されている。
しかしながら、この場合も光学ユニットから光線が出射する直前の偏向手段における光路幅は、結局のところｄ２と等しい光路幅が必要となる。さらに、このブロックを光学的によどみなく均一に成型することは非常に困難である。
【０００９】
そこで、本発明は上記の点を鑑みてなされたもので、光学ユニットの小型化を図りつつ、大画面の遠方、虚像表示を可能とし、利用者にとって見やすい虚像を表示可能なヘッドアップディスプレイを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した問題点を解決するためになされた請求項１〜９の各々に記載のヘッドアップディスプレイは、光学ユニットにおいて、表示器と反射手段との光路上にプリズムシートを備える。よって、プリズムシートによって光路を折り曲げることができる。そのため、プリズムシートに入射する光の光路幅を縮小することができ、光学ユニットを小型化することが容易にできる。
【００１１】
例えば図３に示すように、プリズムシートによって、入射角がφｉｎに対して出射角がφｏｕｔのように光路を折り曲げた場合、プリズムシート８０への入射前に必要な光路幅は、プリズムシートがない場合に比べ
ｃｏｓ（φｉｎ）／ｃｏｓ（φｏｕｔ）
だけ縮小される。したがって、例えば光路幅によってその大きさが制限されている光学ユニットの各部を小型化することができ、光学ユニットを小型化できる。
【００１２】
逆に、従来のヘッドアップディスプレイと同じ大きさの光学ユニットを使用した場合、虚像の幅は、
ｃｏｓ（φｏｕｔ）／ｃｏｓ（φｉｎ）
だけ拡大される。したがって、従来のヘッドアップディスプレイの光学ユニットと同じ大きさを保った場合、より大画面表示が可能となる。よって、利用者にとって見やすい虚像の表示が可能となる。
【００１３】
なお、表示器と反射手段との間の光路には、従来のヘッドアップディスプレイと同様に、例えば反射鏡（例えば凹面鏡）等の光学素子を配置してもよい。例えば光学素子として反射鏡を備え、この反射鏡によって反射された光をプリズムシートに入射させ、プリズムシートから出射した光を反射手段に投影する構成とすることができる。この場合、上述したように必要な光路幅が縮小可能となることにより、反射鏡で必要な光路幅を縮小することができ、反射鏡を小型化することができる。
【００１４】
しかも、従来のヘッドアップディスプレイに対して追加するプリズムシートは、シート状に構成されたものであり、小型軽量である。例えば、プリズムシートは、プラスチックあるいはガラスのような透明な基板の片側を鋸歯状の突起を形成し、この鋸歯状の突起が各々プリズムとして作用するようにしたものを用いるとよい。
【００１５】
なお反射手段は、例えばウィンドシールドまたはコンバイナのように、透過性の反射手段とすることによって、虚像を外光に重ね合わせて表示することができる。
そして、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイは、プリズムシートが有するプリズム部分の頂角がプリズムシートの法線方向に対して非対称である。そのため、光利用効率を上げ明るさを向上させることができ、表示画像のボケを抑制することができる。例えば、図１２（ａ）に示すようにプリズム部分の頂角がその法線方向に対して対称な一般的なプリズムシートを用いると、図中網掛けで示す部分について光が透過しなくなる。そのため、光利用効率が下がり、表示画像にボケも生じる。そこで、この領域をできるだけ減らすように、プリズム部分の光の出射面でない傾斜面（図のＩＩ面）を、できるだけプリズム中の光路と平行にするとよく、そのため、プリズム部分の頂角がプリズムシートの法線方向に対して非対称に構成するとよいのである。
【００１６】
特に、請求項２に示すように、プリズムシートが有するプリズム部分の少なくとも一の傾斜面の傾斜方向がプリズム内部を通過する光線方向と略平行とするとよい。例えば、図１２（ｂ）に示すように、ＩＩ面の傾斜方向ををプリズム内部を通過する光線方向と平行にする。このようにすれば、図１２（ａ）の斜線部分に示すような、光線が通過せずに、けられる部分が大幅に減少する。したがって、光利用効率を高めることができ、表示画像（虚像）の明るさが向上し、表示画像のボケを抑制することができる。よって利用者にとって見やすい虚像の表示が可能となる。
【００１７】
また、請求項３に記載のヘッドアップディスプレイは、プリズムシートが有するプリズム部分の一方の傾斜面について非透過性処理または散乱性処理の少なくともいずれか一方を施している。つまり、プリズムシートのプリズム部分の頂角をなす２つの傾斜面のうち、光が出射する出射面でない面に対して非透過性処理または散乱性処理を施したプリズムシートを用いるとよい。このようにすれば、出射面でない面を通って出射される光が、非透過または散乱されるため、本来利用すべき出射面から出射される光を阻害しなくなり、画質への悪影響を抑制できる。
【００１８】
特に、請求項４に示すようにするとよい。例えば、図１２（ｂ）のプリズムシートにおいて、光線の出射面であるＩ面には処理を施さず、その反対の面であるＩＩ面、すなわちプリズム内部を通過する光線方向と略平行な傾斜方向を持つ傾斜面に非透過性処理または散乱性処理を施す。このようにすることで、本来利用するＩ面の光の阻害を大幅に減らすことができ、画質へ悪影響を抑制することができる。
【００１９】
また、請求項５に記載のヘッドアップディスプレイは、プリズムシートが有するプリズム部分の頂角がそのプリズムシートにおけるプリズム部分の配列方向の位置によって異なる。プリズムシートへの光の入射角は、プリズムシートの位置によって異なるため、プリズムシートの面内で均一の頂角とすると、位置によって微妙に出射角がずれ、始点から見た画角がずれてしまうが、請求項５のようにプリズム部分の配列方向の位置によってプリズム部分の頂角を変えることで、視点から見た画角のずれを抑え画像のボケを抑制することが可能となる。
【００２０】
また、請求項６に記載のヘッドアップディスプレイによれば、位置調整手段によって、プリズムシートの位置を調整することにより、虚像の表示位置を移動することが可能となる。したがって、利用者にとって見やすい虚像を表示可能なヘッドアップディスプレイを提供できる。
【００２１】
なお、各請求項に記載のプリズムシートは、請求項９に示すように、反射手段に対して映像情報を投射する為に前記光学ユニットに開けられた開口部に設けるとよい。このようにすることで、開口部に至る光路における光路幅を縮小することが可能となり、光学ユニットを小型化できる。
【００２２】
特に、請求項７に記載のヘッドアップディスプレイは、プリズムシートが、防塵カバーを兼用する。したがって、専用の防塵カバーを無くすことができるため、さらに光学ユニットを小型化できるとともに、コストダウンを図ることもできる。
【００２３】
そして、請求項８に示すように、上述した各請求項に記載の構成を組み合わせたヘッドアップディスプレイとするとよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された実施例について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうることは言うまでもない。
［第１実施例］
以下、本発明の一実施形態を図１〜８に基づいて説明する。図１は、本発明に係るヘッドアップディスプレイを自動車に適用した例を示している。
【００２５】
このヘッドアップディスプレイは、光学ユニット１０を有しており、光学ユニット１０は表示器２０、凹面鏡３０、プリズムシート８０を備えている。なお、光学ユニット１０の開口部には例えば透明樹脂からなる防塵カバー４０を装着するが、上記プリズムシート８０とは別に防塵カバー４０を装着してもよいし、プリズムシート８０を防塵カバー４０と兼用してもよい。
【００２６】
表示器２０から出射した光線は、凹面鏡３０で反射し、プリズムシート８０で屈折されてウインドシールド６０上に入射する。そして、この入射光がウインドシールド６０により反射されることにより表示情報（映像情報）がウインドシールド６０により、前方に形成される虚像６１として提示される。ここで、凹面鏡３０の幅はｄで垂直方向に対しθ傾斜されて設置されている。
【００２７】
ここで、プリズムシート８０の構成について図２を用いて詳細に説明する。プリズムシート８０は、プラスチックあるいはガラスのような透明な基板の片側を鋸歯状に形成したものであり、この鋸歯状の突起が各々プリズムとして作用する。プラスチックの材質としてはアクリル、ポリカーボネートなどが挙げられる。図２に示すように、上記鋸歯状の突起は、プリズムシートの法線方向に対して、片側に角度α、もう一方に角度βで傾斜しており、α＋βを頂角と呼ぶ。
【００２８】
次に、プリズムシート８０の光学作用について図３を用いて説明する。プリズムシート８０の屈折率をｎとし空気の屈折率を１とすると、スネルの公式により入出射角には次式が成り立つ。
ｓｉｎφ１＝ｎ×ｓｉｎφ２
ｎ×ｓｉｎφ３＝ｓｉｎφ４
したがって、プリズムシート８０の法線に対する入射角をφｉｎ、出射角をφｏｕｔ（°）とすると、
φｏｕｔ＝９０−α−ａｒｃｓｉｎ（ｎ×ｓｉｎ（９０−α−ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎφｉｎ／ｎ）））
が成り立つ。すなわち、適当な角度のαを設定することにより、φｉｎからφｏｕｔに光路を折り曲げることが可能となる。
【００２９】
以上述べたことを踏まえ、プリズムシート８０を使用することにより光学ユニット１０を小型化できることを図４を用いて説明する。表示器２０の中心Ｂ１点からの光線は凹面鏡３０のＢ２点で反射され、プリズムシート８０のＢ８点で屈折し、防塵カバー４０のＢ４点を透過し、ウインドシールド６０のＢ５点で反射されて視点７０方向に進む。ここで、Ｂ３点は凹面鏡３０による虚像に対応する点であり、Ｂ５点はウインドシールド６０による虚像、すなわち視点７０から視認される虚像に対応する点である。表示器の端部Ａ１およびＣ１からの光線の経路も同様に示した。
【００３０】
図１３に示した従来のヘッドアップディスプレイと比較すると、運転者の前方に表示される虚像６１を幅ｄ６（Ａ６とＣ６の距離）で表示する場合、ウインドシールド８０及び防塵カバー４０における光路幅は等しいが、凹面鏡３０における必要な光路幅ｄ２（Ａ２とＣ２の距離）は、
ｃｏｓ（φｉｎ）／ｃｏｓ（φｏｕｔ）
だけ縮小される。この効果により光学ユニット１０を小型化できる。
【００３１】
逆に、従来のヘッドアップディスプレイと同じ大きさの光学ユニット１０を使用した場合、運転者の前方に表示される虚像６１の幅ｄ６は、
ｃｏｓ（φｏｕｔ）／ｃｏｓ（φｉｎ）
だけ拡大される。これにより、従来のヘッドアップディスプレイの光学ユニットと同じ大きさを保ちつつ、より大画面表示が可能となる。
【００３２】
次に、プリズムシート８０を用いたヘッドアップディスプレイの画質性能をより向上させる手段について、図５、６を用いて説明する。
図６は、プリズムシートからの出射角φｏｕｔを一定とし、Ｉ面の傾斜角αに対する入射角φｉｎ及びプリズム内の光線の角度φ２を示すものである。プリズムシート８０の材質はアクリルとし、ｎ＝１．４９、出射角φｏｕｔ＝３０°とした。図６に示すようにＩ面の傾斜角αを変化させると、φｏｕｔ＝３０°となる入射角φｉｎが決まるとともに、プリズム内の光線の角度φ２も変化する。ここで、図５（ｂ）のようにＩＩ面の傾斜角βとプリズム内の光線の角度φ２が異なると、光利用効率が悪くなり明るさが低下したり、表示画像のボケが発生したりするおそれがある。そこで、図５（ａ）のようにＩＩ面の傾斜角βとプリズム内の光線の角度φ２を一致させることが望ましい。このように、Ｉ面の傾斜角αとＩＩ面の傾斜角βを異ならしめ、すなわち非対称とし、ＩＩ面の傾斜角βとプリズム内の光線の角度を一致させることにより、画質の劣化を抑制できる。
【００３３】
さらに望ましくは、ＩＩ面に非透過性処理もしくは散乱性処理を施すとＩＩ面を通って出射される光が、非透過もしくは散乱されるため、本来利用するＩ面の光を阻害せず画質へ悪影響を及ぼすことがない。
非透過性処理を施すには、例えば、黒色の顔料を混入した紫外線硬化型樹脂をプリズムシートに塗装し、ＩＩ面のみに紫外線が照射されるようマスクするか、斜め方向から照射して硬化させ、最後に有機溶剤等を用いてＩ面に残留している硬化前の樹脂を洗い流せばよい。ただし、非透過性処理のプロセスはこれに限定されず、種々のプロセスを採ることができる。
【００３４】
ところで、ある同一の像を視点７０で結像させる場合、視点７０から見た画角が等しくなればよい。例えば、図７（ａ）に示すようにプリズムシートがない場合と、図７（ｂ）に示すようにプリズムシートがある場合とで画角が等しくなるようにする場合、プリズムシート８０の面内の配列方向の位置により入射角が異なるため、プリズムシート８０の面内でプリズム部分を均一の頂角にすると、位置により微妙に出射角がずれ、視点から見た画角がずれてしまう。そこで、図８の点Ａ８、Ｂ８、Ｃ８で頂角、即ちＩ面の傾斜角αを異ならしめる。具体的には、虚像６１の長さを１００ｍｍ（Ａ３とＣ３の距離）、視点７０と虚像６１の距離を１０００ｍｍとして、プリズムシート８０のＩ面の傾斜角αを表１に示すように位置によって変化させる。また、他の箇所も同様に計算して順次決めてやればよい。このように、プリズムシートの位置により傾斜角を変化させることによって画角を最適化できる。
【００３５】
【表１】

【００３６】
［第２実施例］
本実施例は、プリズムシートを可動式としたものであり、その他の構成は第１実施例と同様のものである。
図９に示したように、プリズムシート８０の回転を司るステッピングモータ１００ａと、水平方向への移動を司る可動軸９０及びステッピングモータ１００ｂと、垂直方向への移動を司る可動軸及びステッピングモータ（図示しない）とから成っている。ステッピングモータをコントロール回路（図示しない）から制御し、プリズムシートを移動及び回転させて可動式とした。
【００３７】
この構成により画像表示位置を移動できることを図１０を用いて説明する。通常はプリズムシート８０は、８０ａの位置にあり、実線で示した位置に虚像６１が表示される。上記のステッピングモータ１００等によりプリズムを点線で示した８０ｂの位置に移動及び回転させる。すると虚像６１の表示位置は点線の位置になり、表示位置を移動させることができる。
［第３実施例］
本実施例は、第１実施例のプリズムシート８０を防塵カバー４０と兼用したものであり、その他の構成は第１実施例と同様のものである。
【００３８】
図１１に示すように、光学ユニットの開口部にプリズムシート８０のみを設置して防塵カバーと兼用した。これにより、防塵カバーを無くすことができるためさらに光学ユニットを小型化できるとともに、コストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例のヘッドアップディスプレイの構成を示す図である。
【図２】プリズムシートのプリズム部分の頂角についての説明図である。
【図３】プリズムシートの構成を示す説明図である。
【図４】図１のヘッドアップディスプレイにおける光線の様子（光路）を示す説明図である。
【図５】プリズムシート内部を通過する光線方向とプリズム部分の傾斜角との関係を説明する説明図である。
【図６】プリズム部の傾斜角を変化させた場合の入射角及びプリズム内の光線の角度を示すグラフである。
【図７】画角に関する説明図である。
【図８】プリズムシートのプリズム部分の配列方向の位置によりプリズム部分の頂角を変化させる例の説明図である。
【図９】第２実施例のプリズムシートを可動式にした構成を示す図である。
【図１０】プリズムシートの移動によって表示位置を移動させる例を示す説明図である。
【図１１】第３実施例のプリズムシートを防塵カバーと兼用した構成を示す図である。
【図１２】プリズムシートのプリズム部の頂角が対象の場合と非対称の場合とで光線の通過の様子を比較する図である。
【図１３】従来のヘッドアップディスプレイの構成を示す図である。
【図１４】図１４のヘッドアップディスプレイにおける光線の様子（光路）を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…光学ユニット
２０…表示器
３０…凹面鏡
４０…防塵カバー
５０…インストルメントパネル
６０…ウインドシールド
６１…虚像
７０…視点
８０…プリズムシート
９０…可動軸
１００ａ，１００ｂ…ステッピングモータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a head-up display that can be used in vehicles such as automobiles.
[0002]
[Prior art]
In the future, diversification and multiplication of in-vehicle display information will progress, and it is expected that demand for an image HMI (Human Machine Interface) that is excellent in visibility and less in driver burden will be further increased. In particular, there is a growing need in the field of safe driving support such as visual assistance information and visual information as display contents, and in order to transmit these more effectively, head-up displays capable of large-screen display, distant display, and superimposed display Is desirable.
[0003]
Conventionally, there is a head-up display of this type shown in FIG. The optical unit 10 arranged on the instrument panel 50 in the vehicle compartment includes a display 20 such as a liquid crystal display or a CRT, a concave mirror 30, and a dust cover 40. Light rays from the display 20 are reflected by the concave mirror 30 and enter the windshield 60 through the dust cover 40 provided at the opening. Then, the display information is presented as a virtual image 61 formed forward by the windshield 60 by reflecting the incident light by the windshield 60. Here, the concave mirror 30 has a width d and is inclined by θ with respect to the vertical direction.
[0004]
The optical unit 10 and the windshield 60 of FIG. 13 are taken out, and light rays are additionally shown in FIG. The light ray from the center B1 point of the display 20 is reflected at the B2 point of the concave mirror 30, passes through the B4 point of the dust cover 40, is reflected at the B5 point of the windshield 60, and proceeds toward the viewpoint 70. Here, point B3 is a point corresponding to the virtual image by the concave mirror 30, and point B6 is a point corresponding to the virtual image by the windshield 60, that is, a virtual image visually recognized from the viewpoint. The paths of the light rays from the ends A1 and C1 of the display 20 are also shown.
[0005]
When the virtual image 61 displayed in front of the driver is displayed with a width d6 (distance between A6 and C6), the optical path width at the concave mirror 30 is d2 (distance between A2 and C2), and the optical path width at the display 20 is d1. (Distance between A1 and C1). Therefore, when trying to enlarge the virtual image 61 displayed in front of the driver, the optical path width d2 of the concave mirror 30 and the optical path width d1 of the display 20 increase, and as a result, the optical unit 10 increases.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to facilitate mounting on the instrument panel 50, the optical unit 10 needs to be small.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-55957 discloses an optical unit including a display and N (for example, three) deflecting means, and an optical path between the display and the first deflecting means. A head-up display is disclosed in which an optical path between the head and the third deflecting means intersects in a horizontal plane.
[0007]
However, the optical path width in the deflecting means immediately before the light beam is emitted from the optical unit needs to have an optical path width equal to d2 after all. Furthermore, since a large number of deflecting means are used, it is not always possible to sufficiently meet the demand for miniaturization in consideration of their arrangement locations.
[0008]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-318906 discloses a head-up display in which a transparent member made of resin or glass is molded into a block shape, and light is reciprocated in the block to reduce the size.
However, also in this case, the optical path width in the deflecting unit immediately before the light beam is emitted from the optical unit needs to have an optical path width equal to d2 after all. Furthermore, it is very difficult to mold this block uniformly without optical stagnation.
[0009]
Therefore, the present invention has been made in view of the above points, and provides a head-up display capable of displaying a virtual image far away on a large screen and displaying a virtual image which is easy for a user to view, while miniaturizing the optical unit. The purpose is to do.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The head-up display according to any one of claims 1 to 9 has been provided to solve the above-described problem. In the optical unit, the optical unit includes a prism sheet on an optical path between the display and the reflection unit. Therefore, the optical path can be bent by the prism sheet. Therefore, the optical path width of the light incident on the prism sheet can be reduced, and the size of the optical unit can be easily reduced.
[0011]
For example, as shown in FIG. 3, when the optical path is bent by the prism sheet such that the output angle is φout with respect to the incident angle φin, the optical path width required before the light enters the prism sheet 80 does not include the prism sheet. Cos (φin) / cos (φout)
Only reduced. Therefore, for example, each part of the optical unit whose size is limited by the optical path width can be reduced in size, and the optical unit can be reduced in size.
[0012]
Conversely, when using an optical unit the same size as a conventional head-up display, the width of the virtual image is
cos (φout) / cos (φin)
Only expanded. Therefore, when the same size as the optical unit of the conventional head-up display is maintained, a larger screen can be displayed. Therefore, it is possible to display a virtual image that is easy for the user to see.
[0013]
In addition, an optical element such as a reflecting mirror (for example, a concave mirror) may be arranged in the optical path between the display and the reflecting means, similarly to the conventional head-up display. For example, a configuration may be employed in which a reflecting mirror is provided as an optical element, light reflected by the reflecting mirror is made incident on a prism sheet, and light emitted from the prism sheet is projected on a reflecting means. In this case, since the required optical path width can be reduced as described above, the optical path width required for the reflecting mirror can be reduced, and the reflecting mirror can be downsized.
[0014]
Moreover, the prism sheet added to the conventional head-up display is formed in a sheet shape, and is small and lightweight. For example, the prism sheet may be formed by forming a saw-toothed protrusion on one side of a transparent substrate such as plastic or glass so that each of the sawtooth-shaped protrusions functions as a prism.
[0015]
The reflecting means is a transmissive reflecting means such as a windshield or a combiner, so that a virtual image can be displayed by being superimposed on external light.
In the head-up display according to the first aspect, the apex angle of the prism portion of the prism sheet is asymmetric with respect to the normal direction of the prism sheet. Therefore, light use efficiency can be increased and brightness can be improved, and blurring of a displayed image can be suppressed. For example, as shown in FIG. 12A, when a general prism sheet is used in which the apex angle of the prism portion is symmetric with respect to the normal direction, light is not transmitted through the hatched portion in the drawing. For this reason, the light use efficiency is reduced, and the displayed image is blurred. Therefore, in order to reduce this area as much as possible, the inclined surface (the II plane in the drawing) which is not the light emission surface of the prism portion is preferably made as parallel as possible to the optical path in the prism. It is good to constitute it asymmetric with respect to the normal direction.
[0016]
In particular, it is preferable that the inclination direction of at least one inclined surface of the prism portion of the prism sheet is substantially parallel to the direction of the light beam passing through the inside of the prism. For example, as shown in FIG. 12B, the direction of inclination of the II plane is made parallel to the direction of a light beam passing through the inside of the prism. In this way, as shown by the hatched portions in FIG. Therefore, the light use efficiency can be increased, the brightness of the display image (virtual image) can be improved, and blurring of the display image can be suppressed. Therefore, it is possible to display a virtual image that is easy for the user to see.
[0017]
In the head-up display according to the third aspect, at least one of the non-transmissive processing and the scattering processing is performed on one inclined surface of the prism portion of the prism sheet. That is, it is preferable to use a prism sheet obtained by performing a non-transmissive process or a scattering process on a surface that is not the emission surface from which light is emitted, of the two inclined surfaces forming the apex angle of the prism portion of the prism sheet. With this configuration, since light emitted through a surface other than the emission surface is not transmitted or scattered, light emitted from the emission surface that should be originally used is not hindered, and adverse effects on image quality can be suppressed. .
[0018]
In particular, it is preferable to make it as shown in claim 4. For example, in the prism sheet of FIG. 12 (b), the surface I, which is the exit surface of the light beam, is not processed, and the opposite surface II, that is, the tilt direction substantially parallel to the direction of the light beam passing through the inside of the prism. Non-transmissive or scattering treatment is applied to the inclined surface having. By doing so, it is possible to greatly reduce the hindrance of the light of the I plane that is originally used, and to suppress the adverse effect on the image quality.
[0019]
In the head-up display according to the fifth aspect, the apex angle of the prism portion included in the prism sheet varies depending on the position of the prism portion on the prism sheet in the arrangement direction. Since the incident angle of light on the prism sheet varies depending on the position of the prism sheet, if the apex angle is uniform in the plane of the prism sheet, the exit angle slightly shifts depending on the position, and the angle of view seen from the starting point shifts. However, by changing the apex angle of the prism portion according to the position of the prism portion in the arrangement direction as in claim 5, it is possible to suppress a shift in the angle of view as viewed from the viewpoint and suppress blurring of the image.
[0020]
According to the head-up display of the sixth aspect, by adjusting the position of the prism sheet by the position adjusting means, the display position of the virtual image can be moved. Therefore, it is possible to provide a head-up display capable of displaying a virtual image that is easy for the user to see.
[0021]
The prism sheet described in each claim may be provided in an opening formed in the optical unit in order to project image information to the reflection means, as described in claim 9. By doing so, the optical path width in the optical path leading to the opening can be reduced, and the optical unit can be downsized.
[0022]
In particular, in the head-up display according to the seventh aspect, the prism sheet also serves as a dust-proof cover. Therefore, since a dedicated dust cover can be eliminated, the size of the optical unit can be further reduced, and the cost can be reduced.
[0023]
And as shown in Claim 8, it is good to be a head-up display which combined the structure of each claim mentioned above.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. It is needless to say that the embodiments of the present invention are not limited to the following examples, and can take various forms within the technical scope of the present invention.
[First embodiment]
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows an example in which a head-up display according to the present invention is applied to an automobile.
[0025]
This head-up display has an optical unit 10, and the optical unit 10 includes a display 20, a concave mirror 30, and a prism sheet 80. A dust cover 40 made of, for example, a transparent resin is attached to the opening of the optical unit 10. The dust cover 40 may be attached separately from the prism sheet 80, or the prism sheet 80 may be used as the dust cover 40. May be.
[0026]
The light beam emitted from the display 20 is reflected by the concave mirror 30, refracted by the prism sheet 80, and enters the windshield 60. The display light (video information) is presented by the windshield 60 as a virtual image 61 formed ahead by reflecting the incident light by the windshield 60. Here, the concave mirror 30 has a width d and is inclined by θ with respect to the vertical direction.
[0027]
Here, the configuration of the prism sheet 80 will be described in detail with reference to FIG. The prism sheet 80 is formed by forming one side of a transparent substrate such as plastic or glass into a saw-tooth shape, and each of the saw-tooth-like projections functions as a prism. Examples of the plastic material include acrylic and polycarbonate. As shown in FIG. 2, the sawtooth-shaped projections are inclined at an angle α on one side and an angle β on the other side with respect to the normal direction of the prism sheet, and α + β is called an apex angle.
[0028]
Next, the optical function of the prism sheet 80 will be described with reference to FIG. Assuming that the refractive index of the prism sheet 80 is n and the refractive index of air is 1, the input / output angle is given by the following formula according to Snell's formula.
sinφ1 = n × sinφ2
nx sin φ3 = sin φ4
Therefore, assuming that the incident angle with respect to the normal line of the prism sheet 80 is φin and the emission angle is φout (°),
φout = 90−α-arcsin (n × sin (90−α−arcsin (sinφin / n)))
Holds. That is, by setting an appropriate angle α, the optical path can be bent from φin to φout.
[0029]
Based on the above description, the fact that the optical unit 10 can be downsized by using the prism sheet 80 will be described with reference to FIG. Light rays from the center B1 of the display 20 are reflected at the B2 point of the concave mirror 30, refracted at the B8 point of the prism sheet 80, transmitted through the B4 point of the dust cover 40, and reflected at the B5 point of the windshield 60. Go to the viewpoint 70 direction. Here, the point B3 is a point corresponding to the virtual image by the concave mirror 30, and the point B5 is a point corresponding to the virtual image viewed from the viewpoint 70, that is, the virtual image viewed from the viewpoint 70. The paths of the light rays from the ends A1 and C1 of the display are shown as well.
[0030]
Compared with the conventional head-up display shown in FIG. 13, when the virtual image 61 displayed in front of the driver is displayed with the width d6 (the distance between A6 and C6), the optical path width in the windshield 80 and the dust cover 40 is Equal, but the required optical path width d2 (distance between A2 and C2) in the concave mirror 30 is
cos (φin) / cos (φout)
Only reduced. With this effect, the optical unit 10 can be downsized.
[0031]
Conversely, when the optical unit 10 having the same size as the conventional head-up display is used, the width d6 of the virtual image 61 displayed in front of the driver is:
cos (φout) / cos (φin)
Only expanded. As a result, a larger screen can be displayed while maintaining the same size as the optical unit of the conventional head-up display.
[0032]
Next, means for further improving the image quality performance of the head-up display using the prism sheet 80 will be described with reference to FIGS.
FIG. 6 shows the incident angle φin with respect to the inclination angle α of the I-plane and the angle φ2 of the light beam in the prism, with the emission angle φout from the prism sheet being constant. The material of the prism sheet 80 was acryl, n = 1.49, and the emission angle φout = 30 °. When the inclination angle α of the I plane is changed as shown in FIG. 6, the incident angle φin at which φout = 30 ° is determined, and the angle φ2 of the light ray in the prism also changes. Here, if the inclination angle β of the II plane is different from the angle φ2 of the light ray in the prism as shown in FIG. 5B, the light use efficiency is deteriorated, the brightness is reduced, or the display image is blurred. There is a possibility that. Therefore, as shown in FIG. 5A, it is desirable to make the inclination angle β of the II plane coincide with the angle φ2 of the light ray in the prism. As described above, the inclination angle α of the I plane and the inclination angle β of the II plane are made different, that is, asymmetric, and the inclination angle β of the II plane is made to coincide with the angle of the light beam in the prism. .
[0033]
More desirably, when the surface II is subjected to a non-transmissive process or a scattering process, light emitted through the surface II is non-transmitted or scattered. No adverse effects.
In order to perform the non-transmissive treatment, for example, an ultraviolet-curable resin mixed with a black pigment is applied to the prism sheet, and is masked so that only the II surface is irradiated with ultraviolet light, or cured by irradiating from an oblique direction. Finally, the uncured resin remaining on the I surface may be washed away using an organic solvent or the like. However, the process of the impermeable treatment is not limited to this, and various processes can be adopted.
[0034]
When the same image is formed at the viewpoint 70, the angles of view as viewed from the viewpoint 70 may be equal. For example, when the angle of view is made equal between the case where there is no prism sheet as shown in FIG. 7A and the case where there is a prism sheet as shown in FIG. Since the incident angle varies depending on the position in the arrangement direction, if the prism portion is made to have a uniform apex angle within the plane of the prism sheet 80, the exit angle will be slightly shifted depending on the position, and the angle of view seen from the viewpoint will be shifted. Therefore, the apex angle, that is, the inclination angle α of the I plane is changed at points A8, B8, and C8 in FIG. Specifically, assuming that the length of the virtual image 61 is 100 mm (the distance between A3 and C3) and the distance between the viewpoint 70 and the virtual image 61 is 1000 mm, the inclination angle α of the I surface of the prism sheet 80 varies depending on the position as shown in Table 1. Change. In addition, other portions may be similarly calculated and sequentially determined. As described above, the angle of view can be optimized by changing the inclination angle depending on the position of the prism sheet.
[0035]
[Table 1]

[0036]
[Second embodiment]
In this embodiment, the prism sheet is made movable, and the other configuration is the same as that of the first embodiment.
As shown in FIG. 9, a stepping motor 100a that controls the rotation of the prism sheet 80, a movable shaft 90 and a stepping motor 100b that controls the horizontal movement, and a movable shaft and a stepping motor that controls the movement in the vertical direction (shown in FIG. 9). No). The stepping motor was controlled by a control circuit (not shown), and the prism sheet was moved and rotated to be movable.
[0037]
The fact that the image display position can be moved by this configuration will be described with reference to FIG. Normally, the prism sheet 80 is located at the position 80a, and the virtual image 61 is displayed at the position indicated by the solid line. The prism is moved and rotated to the position 80b indicated by the dotted line by the stepping motor 100 and the like. Then, the display position of the virtual image 61 becomes the position indicated by the dotted line, and the display position can be moved.
[Third embodiment]
In the present embodiment, the prism sheet 80 of the first embodiment is also used as the dustproof cover 40, and the other configuration is the same as that of the first embodiment.
[0038]
As shown in FIG. 11, only the prism sheet 80 was provided in the opening of the optical unit, and was also used as a dustproof cover. As a result, since the dust cover can be eliminated, the size of the optical unit can be further reduced, and the cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a head-up display according to a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a vertex angle of a prism portion of a prism sheet.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a prism sheet.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a state (light path) of light rays in the head-up display of FIG. 1;
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a relationship between a direction of a light beam passing through the inside of a prism sheet and an inclination angle of a prism portion.
FIG. 6 is a graph showing an incident angle and an angle of a light ray in the prism when the inclination angle of the prism portion is changed.
FIG. 7 is an explanatory diagram related to an angle of view.
FIG. 8 is an explanatory diagram of an example in which the apex angle of the prism portion is changed according to the position of the prism portion of the prism sheet in the arrangement direction.
FIG. 9 is a view showing a configuration in which the prism sheet of the second embodiment is made movable.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example in which a display position is moved by moving a prism sheet.
FIG. 11 is a view showing a configuration in which the prism sheet of the third embodiment is also used as a dust cover.
FIG. 12 is a diagram comparing the state of passage of light rays when the apex angle of the prism portion of the prism sheet is a target and when the apex angle is asymmetric.
FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a conventional head-up display.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing a state (light path) of light rays in the head-up display of FIG.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 optical unit 20 display 30 concave mirror 40 dust cover 50 instrument panel 60 windshield 61 virtual image 70 viewpoint 80 prism sheet 90

movable shafts

100a and 100b stepping motor

Claims

光学ユニットから投射される映像情報を反射手段で反射させて、前記映像情報を前記反射手段による虚像として表示するようにしたヘッドアップディスプレイにおいて、
前記光学ユニットは、前記映像情報を表示するための表示器と、前記表示器と前記反射手段との光路上に設けたプリズムシートとを備え、
前記プリズムシートが有するプリズム部分の頂角が当該プリズムシートの法線方向に対して非対称であること
を特徴とするヘッドアップディスプレイ。In a head-up display that reflects the video information projected from the optical unit by a reflection unit and displays the video information as a virtual image by the reflection unit,
The optical unit includes a display for displaying the video information, and a prism sheet provided on an optical path of the display and the reflection unit,
A head-up display, wherein a vertex angle of a prism portion of the prism sheet is asymmetric with respect to a normal direction of the prism sheet.

光学ユニットから投射される映像情報を反射手段で反射させて、前記映像情報を前記反射手段による虚像として表示するようにしたヘッドアップディスプレイにおいて、
前記光学ユニットは、前記映像情報を表示するための表示器と、前記表示器と前記反射手段との光路上に設けたプリズムシートとを備え、
前記プリズムシートが有するプリズム部分の少なくとも一の傾斜面の傾斜方向がプリズム内部を通過する光線方向と略平行であること
を特徴とするヘッドアップディスプレイ。In a head-up display that reflects the video information projected from the optical unit by a reflection unit and displays the video information as a virtual image by the reflection unit,
The optical unit includes a display for displaying the video information, and a prism sheet provided on an optical path of the display and the reflection unit,
A head-up display, wherein an inclination direction of at least one inclined surface of a prism portion included in the prism sheet is substantially parallel to a direction of a light beam passing through the inside of the prism.

光学ユニットから投射される映像情報を反射手段で反射させて、前記映像情報を前記反射手段による虚像として表示するようにしたヘッドアップディスプレイにおいて、
前記光学ユニットは、前記映像情報を表示するための表示器と、前記表示器と前記反射手段との光路上に設けたプリズムシートとを備え、
前記プリズムシートが有するプリズム部分の一方の傾斜面について非透過性処理または散乱性処理の少なくともいずれか一方を施したものであること
を特徴とするヘッドアップディスプレイ。In a head-up display that reflects the video information projected from the optical unit by a reflection unit and displays the video information as a virtual image by the reflection unit,
The optical unit includes a display for displaying the video information, and a prism sheet provided on an optical path of the display and the reflection unit,
A head-up display, wherein at least one of a non-transmissive process and a scattering process is performed on one inclined surface of a prism portion of the prism sheet.

請求項３に記載のヘッドアップディスプレイにおいて、
前記非透過性処理または散乱性処理の少なくとも一方を施した傾斜面の傾斜方向が、プリズム部分の内部を通過する光線方向と略平行であること
を特徴とするヘッドアップディスプレイ。The head-up display according to claim 3,
A head-up display, wherein an inclined direction of the inclined surface subjected to at least one of the non-transmissive processing and the scattering processing is substantially parallel to a direction of a light beam passing through the inside of the prism portion.

光学ユニットから投射される映像情報を反射手段で反射させて、前記映像情報を前記反射手段による虚像として表示するようにしたヘッドアップディスプレイにおいて、
前記光学ユニットは、前記映像情報を表示するための表示器と、前記表示器と前記反射手段との光路上に設けたプリズムシートとを備え、
前記プリズムシートが有するプリズム部分の頂角が当該プリズムシートにおけるプリズム部分の配列方向の位置によって異なること
を特徴とするヘッドアップディスプレイ。In a head-up display that reflects the video information projected from the optical unit by a reflection unit and displays the video information as a virtual image by the reflection unit,
The optical unit includes a display for displaying the video information, and a prism sheet provided on an optical path of the display and the reflection unit,
A head-up display, wherein a vertex angle of a prism portion included in the prism sheet differs depending on a position of the prism portion in the arrangement direction of the prism sheet.

光学ユニットから投射される映像情報を反射手段で反射させて、前記映像情報を前記反射手段による虚像として表示するようにしたヘッドアップディスプレイにおいて、
前記光学ユニットは、前記映像情報を表示するための表示器と、前記表示器と前記反射手段との光路上に設けたプリズムシートと、前記プリズムシートの位置を調整するための位置調整手段とを備えること
を特徴とするヘッドアップディスプレイ。In a head-up display that reflects the video information projected from the optical unit by a reflection unit and displays the video information as a virtual image by the reflection unit,
The optical unit includes a display for displaying the video information, a prism sheet provided on an optical path between the display and the reflection unit, and a position adjustment unit for adjusting a position of the prism sheet. A head-up display comprising:

光学ユニットから投射される映像情報を反射手段で反射させて、前記映像情報を前記反射手段による虚像として表示するようにしたヘッドアップディスプレイにおいて、
前記光学ユニットは、前記映像情報を表示するための表示器と、前記表示器と前記反射手段との光路上に設けたプリズムシートを備え、
前記プリズムシートは、前記反射手段に対して映像情報を投射する為に前記光学ユニットに開けられた開口部を防塵するための防塵カバーを兼用すること
を特徴とするヘッドアップディスプレイ。In a head-up display that reflects the video information projected from the optical unit by a reflection unit and displays the video information as a virtual image by the reflection unit,
The optical unit includes a display for displaying the video information, and a prism sheet provided on an optical path of the display and the reflection unit,
The head-up display, wherein the prism sheet also serves as a dust-proof cover for dust-proofing an opening formed in the optical unit for projecting image information to the reflection unit.

請求項１〜３，５〜７のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイにおいて、さらに、当該請求項以外の請求項１〜３，５〜７の少なくともいずれか１に記載の構成を備えること
を特徴とするヘッドアップディスプレイ。The head-up display according to any one of claims 1 to 3 and 5 to 7, further comprising a configuration according to at least one of claims 1 to 3 and 5 to 7 other than the claim. And head-up display.

請求項１〜８のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイにおいて、
前記プリズムシートは、前記反射手段に対して映像情報を投射する為に前記光学ユニットに開けられた開口部に設けること
を特徴とするヘッドアップディスプレイ。The head-up display according to any one of claims 1 to 8,
The head-up display, wherein the prism sheet is provided in an opening formed in the optical unit for projecting image information on the reflection unit.