JP2006091104A - 車両用ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 車両用ヘッドアップディスプレイにおいて外形サイズを小型化すると共に、画像を拡大表示することを第１の目的とし、表示画像の揺れを防止することを第２の目的とする。
【解決手段】 画像投影器１００は、収納部材であって車両のインストルメントパネルの裏面側に配置されると共に上部に画像の画像光を射出する開口部を有するハウジング１０と、ハウジング１０に収納されると共にフロントウィンドシールドＷＳの表示部５０に表示する画像の画像光を射出する表示器２０と、ハウジング１０に収納されると共に表示器２０から直接入射される画像を拡大して反射する凹面鏡３０と、ハウジング１０の開口部に配置されると共にハウジング１０の内部を閉塞して凹面鏡３０から入射された画像を拡大してフロントウィンドシールドＷＳの表示部５０に出力するレンズ４０と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外形をコンパクトにして光源から照射される画像光の光路長を縮小した画像投影器を備える車両用ヘッドアップディスプレイに関する。

従来より、ドライバに対して車速やナビゲーション情報などの車両に関する情報を認識させる装置として、車両用ヘッドアップディスプレイが知られている。図５は、従来の車両用ヘッドアップディスプレイの概略図であり、（ａ）は画像投影器の上視図、（ｂ）は車両用ヘッドアップディスプレイの使用時における模式図である。

図５（ａ）、（ｂ）に示されるように、車両用ヘッドアップディスプレイは、画像の画像光を投影する画像投影器２００と、画像投影器２００から射出された画像を画像表示する表示部５０と、を備え構成されている。

画像投影器２００は、この画像投影器２００の外形をなすハウジング１１と、光源および透過型液晶パネル（以下、液晶パネルと記す）で構成される表示器２０と、表示器２０から射出される画像光を反射させる平面鏡ＭＲと、平面鏡ＭＲにて反射される画像光を拡大反射する凹面鏡３０と、を有し構成されている。これら表示器２０、平面鏡ＭＲ、凹面鏡３０はハウジング１１に収納されると共に車両のインストルメントパネル内に設置されている。なお、凹面鏡３０は画像を例えば４．０〜５．５倍拡大する機能を有している。

また、車両のフロントウィンドシールドＷＳには、上記画像投影器２００から射出される画像光を画像表示する表示部５０が設けられている。

上記構成を有する車両用ヘッドアップディスプレイにおいては、表示器２０の液晶パネルにて表示される画像のサイズがフロントウィンドシールドＷＳの表示部５０の画像表示サイズよりも小さい。このため、ドライバが視認できるサイズの画像を表示部５０に拡大表示する必要がある。そこで、上記車載用ヘッドアップディスプレイでは、凹面鏡３０の拡大機能に加え、表示器２０から射出される画像光の光路長を長くとることで画像サイズを拡大している。

具体的には、図５（ａ）に示されるように、平面鏡ＭＲを介して表示器２０から射出される画像光を凹面鏡３０に導くようにしている。このように、凹面鏡３０の拡大機能に加え、平面鏡ＭＲを用いて表示器２０から凹面鏡３０までの光路長を確保することで、表示器２０から射出される画像を表示部５０に拡大表示できるようになっている。なお、表示器２０から凹面鏡３０までの光路長は例えば２００〜２４０ｍｍである。

このような車両用ヘッドアップディスプレイでは、表示器２０において光源から発せられた光が液晶パネルに照射され、液晶パネルに表示された画像が画像光として投射される。そして、表示器２０から投射された画像光は、図５（ａ）、（ｂ）に示されるように、平面鏡ＭＲおよび凹面鏡３０にて反射されて、ハウジング１１およびインストルメントパネル上部に設けられた開口部（図示しない）から射出され、フロントウィンドシールドＷＳの内表面上に結像される。具体的には、凹面鏡３０は液晶パネルの画像を虚像として形成し、この虚像をフロントウィンドシールドＷＳの内表面上に結像させている。これにより、ドライバはフロントウィンドシールドＷＳの表示部５０に表示される画像を視認できるようになっている。

近年では、インストルメントパネル内に配備される部品や部材によって、車両用ヘッドアップディスプレイの画像投影器２００が設置されるスペースが減少している。しかしながら、図５（ａ）に示される車両用ヘッドアップディスプレイでは、表示器２０から凹面鏡３０に導かれる画像光の光路長を確保するため、画像投影器２００の外形をなすハウジング１１自体が大型になってしまっている。

また、表示器２０から凹面鏡３０までの光路長が長い場合や凹面鏡３０の拡大率が高い場合、フロントウィンドシールドＷＳの表示部５０に表示される画像（表示像）が揺れる。この表示像の揺れは、ドライバの視線移動によって発生するものであり、画像のサイズを拡大すればするほど表示像の移動量、表示像の歪みが大きく変化する。このような表示像の揺れにより、ドライバの表示像に対する視認性を悪化させていた。

本発明は、上記点に鑑み、車両用ヘッドアップディスプレイにおいて画像投影器の外形サイズを小型化すると共に、画像を拡大表示することを第１の目的とし、表示画像の揺れを防止することを第２の目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、画像の画像光を投影する画像投影器（１００）と、車両のフロントウィンドシールド（ＷＳ）に設けられると共に画像を画像表示する表示部（５０）と、を備えた車両用ヘッドアップディスプレイにおいて、画像投影器は、収納部材であって、車両のインストルメントパネルの裏面側に配置されると共に、上部に画像の画像光を射出する開口部を有するハウジング（１０）と、ハウジングに収納されると共に、フロントウィンドシールドの表示部に表示する画像の画像光を射出する表示器（２０）と、ハウジングに収納されると共に、表示器から直接入射される画像を拡大して反射する拡大鏡（３０）と、ハウジングの開口部に配置されると共にハウジング内部を閉塞し、拡大鏡から入射された画像を拡大してフロントウィンドシールドの表示部に出力するレンズ（４０）と、を備えることを特徴としている。

このように、画像投影器において、表示器から射出される画像光を直接拡大鏡に入射する。これにより、表示器から拡大鏡までの光路長を縮小化することができる。また、レンズを介して拡大鏡から画像光をフロントウィンドシールドの表示部に射出する。これにより、画像を拡大鏡およびレンズで拡大することができる。この際、画像の拡大倍率を拡大鏡およびレンズに分散することができるので、拡大鏡の拡大率を従来よりも下げることができる。したがって、ドライバの視線移動時に、画像の揺れを抑えることができる。このようにして、ハウジングを小型化、すなわち画像投影器を小型化でき、かつ、表示される画像の揺れを抑えて画像を拡大表示することができる。

また、レンズはハウジングの開口部に配置されることで、ハウジング内部を閉塞している。これにより、ハウジングの内部に塵やほこりが侵入することを防止できる。すなわち、レンズは防塵機能を有していると言える。

請求項２に記載の発明では、レンズは、少なくとも両凸レンズ（４１）または平凸レンズ（４２）のいずれか一方であることを特徴としている。このように、拡大機能を持った両凸レンズまたは平凸レンズを採用することができ、画像のサイズを拡大することができる。

請求項３に記載の発明では、画像の画像光を投影する画像投影器（１００）と、車両のフロントウィンドシールド（ＷＳ）に設けられると共に画像を画像表示する表示部（５０）と、を備えた車両用ヘッドアップディスプレイにおいて、画像投影器は、収納部材であって、車両のインストルメントパネルの裏面側に配置されると共に、上部に画像の画像光を射出する開口部を有するハウジング（１０）と、ハウジングに収納されると共に、フロントウィンドシールドの表示部に表示する画像の画像光を射出する表示器（２０）と、ハウジングに収納されると共に、表示器から直接入射される画像を拡大して反射する拡大鏡（３０）と、ハウジングの開口部に配置されると共にハウジング内部を閉塞し、画像を拡大・縮小する機能および画像を歪み補正する機能を有しており、拡大鏡から入射された画像の画像光をフロントウィンドシールドの表示部に出力するレンズ（４５）と、を備えることを特徴としている。

このように、画像投影器において、表示器から射出される画像光を直接拡大鏡に入射する。これにより、表示器から拡大鏡までの光路長を縮小化することができる。画像のサイズにおいては、拡大鏡の拡大率を高く設定することでドライバが視認できるサイズに拡大することができる。また、拡大鏡にて拡大された画像を歪み補正するレンズを介してフロントウィンドシールドの表示部に表示する。これにより、ドライバの視線移動時に画像の揺れが生じたとしても、歪み補正機能を有するレンズによって、表示部に表示される画像の揺れを防止することができる。こうして、ハウジングを小型化、すなわち画像投影器を小型化することができ、さらに拡大鏡にて画像のサイズを拡大しつつ画像の揺れを抑えることができる。

また、レンズはハウジングの開口部に配置されることで、ハウジング内部を閉塞する防塵機能も有している。これにより、ハウジングの内部に塵やほこりが侵入することを防止できる。

請求項４に記載の発明では、レンズは、少なくとも両凹レンズ（４６）または平凹レンズ（４７）のいずれか一方であることを特徴としている。このように、歪み補正機能を持った両凹レンズまたは平凹レンズを採用することができ、表示部に表示される画像の揺れを抑制することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。以下では、図５（ａ）、（ｂ）に示される構成要素と同一のものには、同一符号を記してある。

図１は、本発明の第１実施形態に係る車両用ヘッドアップディスプレイの概略構成図であり、（ａ）は画像投影器１００の上視図、（ｂ）は車両用ヘッドアップディスプレイの使用時における模式図である。図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、車両用ヘッドアップディスプレイは、画像の画像光を投影する画像投影器１００と、画像投影器１００から射出された画像を画像表示する表示部５０と、を備え構成されている。

画像投影器１００は、フロントウィンドシールドＷＳの表示部５０に画像表示するための画像光を射出するものであり、ハウジング１０と、表示器２０と、凹面鏡３０と、レンズ４０と、を備えて構成されている。

ハウジング１０は、画像投影器１００の外形をなすものである。このハウジング１０は、後述する表示器２０、凹面鏡３０を収納すると共に、車両のインストルメントパネルの裏面側に配置される。

表示器２０は、フロントウィンドシールドＷＳの表示部５０に表示されるコンテンツに応じた画像光を射出するものである。このような表示器２０は、光源と、画像を表示する液晶パネルと、ケースと、を有し構成されている（図示しない）。

光源は、光を発する周知のものであり液晶パネルのバックライトとして機能するものである。このような光源には、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）が採用される。

液晶パネルは、２枚のガラス板の間に液晶が注入されて素子パターン、すなわち配線にて区間されたドット（画素）が形成され、この各画素が薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）で制御されて画像表示がなされる周知の画像表示装置である。この液晶パネルは、外部のＥＣＵ等と電気的に接続された状態とされ、外部のＥＣＵ等から画像信号が入力されると共に、その画像信号に応じた画像が表示されるようになっている。

上記のような表示器２０は、図１（ａ）に示されるように、画像光の光軸が凹面鏡３０の鏡面に対して垂直に入射しない位置に配置されている。つまり、表示器２０において、光軸および液晶パネルが軸外しの配置となるようにハウジング１０に収納されている。 ケースは、箱形の表示器２０の外形をなすものであり、光源、液晶パネルを収納する収納部材である。このケースの一側面には、液晶パネルに表示された画像の画像光を射出するための開口部が設けられている。

上記のような構成を有する表示器２０においては、光源から光が発せられ、外部のＥＣＵ等から液晶パネルに画像信号が入力されると、液晶パネルから画像光が射出されると共に、その画像光がケースの開口部から射出されるようになっている。

凹面鏡３０は、表示器２０から直接入射される画像を拡大し、拡大した画像の画像光を後述するレンズ４０を介してフロントウィンドシールドＷＳに導くものである。このような凹面鏡３０は、画像のサイズを例えば２倍に拡大する。なお、凹面鏡３０は、本発明の拡大鏡に相当する。

レンズ４０は、光の屈折作用を利用して入射される画像を拡大する透明体である。図２は、レンズ４０の断面形状を示した図であり、（ａ）は両凸レンズ４１、（ｂ）は平凸レンズ４２の断面図である。

図２（ａ）、（ｂ）に示されるレンズ４０は、いずれも画像を拡大射出するものであり、倍率は例えば３倍である。本実施形態では、図２（ａ）に示される両凸レンズ４１をレンズ４０として採用することとする。そして、表示器２０から射出される画像のサイズは、凹面鏡３０で２倍、図２（ａ）の両凸レンズ４１で３倍され、合計６倍された画像が表示部５０に表示されることとなる。このように、画像を拡大する拡大率を、凹面鏡３０とレンズ４０とに分散させている。

このレンズ４０は、図１（ｂ）に示されるように、ハウジング１０の上部に設けられた開口部分に固定される。つまり、レンズ４０は、ハウジング１０の開口部に設置されることで、ハウジング１０内に塵やほこりが入り込まないようにするための防塵機能も果たす。そして、レンズ４０は、凹面鏡３０に反射した画像光を拡大してフロントウィンドシールドＷＳの表示部５０に導く。

表示部５０は、画像投影器１００から射出される画像光を結像させて画像として表示するものであり、フロントウィンドシールドＷＳの内表面に設けられる画像表示領域（いわゆるコンバイナ）である。限定するものではないが、フロントウィンドシールドＷＳの表示部５０には、例えば車速やナビゲーション（矢印、交差点の形状、交差点までの距離）等の車両情報や、夜間において赤外線カメラで撮影された車両前方の映像などが表示される。以上が、車両用ヘッドアップディスプレイの構成である。

上記画像投影器１００の構成において、表示器２０から凹面鏡３０までの光路長は８０〜１００ｍｍになっており、この光路長は従来の約半分になっている。したがって、光路長に応じてハウジング１０のサイズを設計することができるので、ハウジング１０の外形サイズ、すなわち画像投影器１００の外形サイズを縮小化できる。

次に、車両用ヘッドアップディスプレイの画像表示について説明する。まず、画像投影器１００において表示器２０の光源から光が発せられるとその光が液晶パネルに照射され、液晶パネルに表示された画像の画像光が表示器２０の開口部から投射される。そして、表示器２０から射出される画像光は、直接凹面鏡３０に入射される。

続いて、凹面鏡３０にて拡大された画像の画像光は、ハウジング１０の上部に固定されたレンズ４０を介して射出される。この際、画像はレンズ４０の拡大率に応じて拡大される。このように拡大されて射出された画像の画像光は、フロントウィンドシールドＷＳの内表面上に結像される。具体的には、凹面鏡３０において液晶パネルの画像が虚像として形成され、この虚像がフロントウィンドシールドＷＳの内表面上に結像される。このようにしてフロントウィンドシールドＷＳの表示部５０に画像が表示される。

また、上述のように、ハウジング１０において画像光を車室に射出する開口部には、拡大機能を持ったレンズ４０が固定されている。したがって、レンズ４０は、車室とハウジング１０内の空間とを遮断することとなる。

以上、説明したように、本実施形態では、画像投影器１００において表示器２０から射出される画像光を直接凹面鏡３０に反射させ、レンズ４０を介して凹面鏡３０にて反射された画像光を表示部５０に導いている。このように、表示器２０から射出される画像光を直接凹面鏡３０に入射することにより、表示器２０から凹面鏡３０までの光路長を縮小化できる。さらに、レンズ４０を介して凹面鏡３０から画像光をフロントウィンドシールドＷＳの表示部５０に射出しているので、画像を凹面鏡３０およびレンズ４０で拡大することができる。こうして、ハウジング１０を小型化、すなわち画像投影器１００を小型化でき、かつ、画像を拡大表示することができる。

また、表示器２０から射出される画像を凹面鏡３０およびレンズ４０にて拡大している。これにより、画像の拡大率を凹面鏡３０、レンズ４０に分散させることができ、凹面鏡３０の拡大率を従来の場合よりも下げることができる。これにより、凹面鏡３０の高い拡大率によってドライバの視線移動時に起こる画像の揺れを抑制することができる。

このようなレンズ４０としては、図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、拡大機能を持った両凸レンズ４１または平凸レンズ４２を採用することで画像のサイズを拡大することができる。

また、このレンズ４０はハウジング１０の開口部に配置され、ハウジング１０の内部を閉塞している。これにより、レンズ４０は防塵レンズとして機能するので、ハウジング１０の内部に塵やほこりが侵入することを防止できる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、凹面鏡の拡大率が第１実施形態の場合よりも高く、レンズの両面または片面が凹面になっているものを採用していることが第１実施形態と異なる。なお、図１に示される構成要素と同一のものには、同一符号を記してある。

図３は、本発明の第２実施形態に係る車両用ヘッドアップディスプレイの模式図である。この図に示されるように、車両用ヘッドアップディスプレイは、画像の画像光を射出する画像投影器１００と、画像投影器１００から射出された画像光を画像表示する表示部５０と、を備えて構成されている。

画像投影器１００は、第１実施形態と同様に、ハウジング１０と、表示器２０と、凹面鏡３０と、レンズ４５と、を備えて構成されている。ハウジング１０、表示器２０、表示部５０は、第１実施形態と同様のものである。

凹面鏡３０は、第１実施形態と同様に、表示器２０から直接入射される画像を拡大するものである。本実施形態では、凹面鏡３０の拡大率は第１実施形態のものよりも高く、例えば６倍である。

レンズ４５は、画像を拡大・縮小する機能および画像を歪み補正する機能を有する透明体である。図３は、レンズ４５の断面形状を示した図であり、（ａ）は両凹レンズ４６、（ｂ）は平凹レンズ４７の断面図である。図３（ａ）、（ｂ）に示されるレンズ４５は、いずれも光の歪み補正を行うものであり、倍率は例えば−２倍である。ここで、歪みとは、画像の表示位置が揺れるという意味を指す。また、歪み補正とは、画像の表示位置の揺れを防止する機能を指す。本実施形態では、図３（ａ）に示される両凹レンズ４６をレンズ４５として採用することとする。以上が、本実施形態の車両用ヘッドアップディスプレイの構成である。

次に、車両用ヘッドアップディスプレイの画像表示について説明する。第１実施形態と同様に、画像投影器１００において画像光が表示器２０から凹面鏡３０に直接照射され、凹面鏡３０にて画像のサイズが拡大される。これにより、表示器２０から凹面鏡３０までの光路長を縮小化することができる。また、画像のサイズにおいては、凹面鏡３０の拡大率を高く設定することでドライバが視認できるサイズに拡大することができる。

続いて、凹面鏡３０にて拡大された画像の画像光は、ハウジング１０の上部に固定されたレンズ４５を介して表示部５０に射出される。このように拡大されて射出された画像の画像光は、フロントウィンドシールドＷＳの内表面上に結像され、フロントウィンドシールドＷＳの表示部５０に画像が表示される。

このように表示部５０に画像が表示される際にドライバの視線移動が起こると、凹面鏡３０から射出される画像光が揺れ、表示部５０に表示される画像の表示位置が揺れる。しかしながら、本実施形態では、ハウジング１０の揺れによって表示器２０から射出される画像光の光軸が揺れても、この光軸の揺れはレンズ４５の歪み防止機能によって抑えられるため、表示部５０に表示される画像の表示位置が大きく変わることを防止できる。

また、本実施形態では、レンズ４５の拡大率がマイナスであるが、その拡大率を凹面鏡３０の拡大率でカバーすることにより、フロントウィンドシールドＷＳの表示部５０に表示される画像のサイズを確保している。そして、第１実施形態と同様に、レンズ４５が防塵カバーとしての役割を果たしている。

以上、説明したように、本実施形態では、凹面鏡３０にて拡大された画像を歪み補正するレンズ４５を介してフロントウィンドシールドＷＳの表示部５０に表示している。これにより、ドライバの視線移動によって、表示器２０から射出される画像光の光軸が振動しても、歪み補正機能を有するレンズ４５によって表示部５０に表示される画像の揺れを防止することができる。こうして、ハウジング１０を小型化、すなわち画像投影器１００を小型化しつつ画像を拡大表示することができ、画像の揺れも抑制することができる。

また、歪み補正機能を持ったレンズ４５として、図４（ａ）、（ｂ）に示される両凹レンズ４６または平凹レンズ４７を採用することで、表示部５０に表示される画像の揺れを抑制することができる。このようなレンズ４５は、ハウジング１０の開口部に配置されることで、ハウジング１０の内部を閉塞する防塵機能も有している。したがって、ハウジング０の内部に塵やほこりが侵入することを防止できる。

（他の実施形態）
第１、第２実施形態で示される車両用ヘッドアップディスプレイの構成は一例を示すものであって、これらに限定されることはない。

第１、第２実施形態では、レンズ４０、４５を単体で用いたが、例えばレンズ４０、４５を複数個組み合わせてハウジング１０に固定しても良い。

本発明の第１実施形態に係る車両用ヘッドアップディスプレイの概略構成図であり、（ａ）は画像投影器の上視図、（ｂ）は車両用ヘッドアップディスプレイの使用時における模式図である。 第１実施形態におけるレンズの断面形状を示した図であり、（ａ）は両凸レンズ、（ｂ）は平凸レンズの断面図である。 本発明の第２実施形態に係る車両用ヘッドアップディスプレイの使用時における模式図である。 第２実施形態におけるレンズの断面形状を示した図であり、（ａ）は両凹レンズ、（ｂ）は平凹レンズの断面図である。 従来の車両用ヘッドアップディスプレイの概略構成図を示した図であり、（ａ）は画像投影器の上視図、（ｂ）は車両用ヘッドアップディスプレイの使用時における模式図である。

符号の説明

１００、２００…画像投影器、１０…ハウジング、２０…表示器、３０…凹面鏡、
４０、４５…レンズ、４１…両凸レンズ、４２…平凸レンズ、４６…両凹レンズ、
４７…平凹レンズ、５０…表示部、ＷＳ…フロントウィンドシールド。

Claims (4)

1. 画像の画像光を投影する画像投影器（１００）と、車両のフロントウィンドシールド（ＷＳ）に設けられると共に前記画像を画像表示する表示部（５０）と、を備えた車両用ヘッドアップディスプレイにおいて、
   前記画像投影器は、
   収納部材であって、前記車両のインストルメントパネルの裏面側に配置されると共に、上部に前記画像の画像光を射出する開口部を有するハウジング（１０）と、
   前記ハウジングに収納されると共に、前記フロントウィンドシールドの前記表示部に表示する前記画像の画像光を射出する表示器（２０）と、
   前記ハウジングに収納されると共に、前記表示器から直接入射される前記画像を拡大して反射する拡大鏡（３０）と、
   前記ハウジングの前記開口部に配置されると共に前記ハウジング内部を閉塞し、前記拡大鏡から入射された前記画像を拡大して前記フロントウィンドシールドの前記表示部に出力するレンズ（４０）と、を備えることを特徴とする車両用ヘッドアップディスプレイ。
2. 前記レンズは、少なくとも両凸レンズ（４１）または平凸レンズ（４２）のいずれか一方であることを特徴とする請求項１に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ。
3. 画像の画像光を投影する画像投影器（１００）と、車両のフロントウィンドシールド（ＷＳ）に設けられると共に前記画像を画像表示する表示部（５０）と、を備えた車両用ヘッドアップディスプレイにおいて、
   前記画像投影器は、
   収納部材であって、前記車両のインストルメントパネルの裏面側に配置されると共に、上部に前記画像の画像光を射出する開口部を有するハウジング（１０）と、
   前記ハウジングに収納されると共に、前記フロントウィンドシールドの前記表示部に表示する前記画像の画像光を射出する表示器（２０）と、
   前記ハウジングに収納されると共に、前記表示器から直接入射される前記画像を拡大して反射する拡大鏡（３０）と、
   前記ハウジングの前記開口部に配置されると共に前記ハウジング内部を閉塞し、前記画像を拡大・縮小する機能および前記画像を歪み補正する機能を有しており、前記拡大鏡から入射された前記画像の画像光を前記フロントウィンドシールドの前記表示部に出力するレンズ（４５）と、を備えることを特徴とする車両用ヘッドアップディスプレイ。
4. 前記レンズは、少なくとも両凹レンズ（４６）または平凹レンズ（４７）のいずれか一方であることを特徴とする請求項３に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ。

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