JP2017116667A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッドアップディスプレイ装置の輝度の低下を抑制する【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置１は、表示器３、平面鏡４および凹面鏡５と、低位相差板６，７とを備える。表示器３、平面鏡４および凹面鏡５は、表示する画像を表す表示光を、車両のウインドシールドへ向けて照射する。低位相差板６，７は、表示光がウインドシールドに至るまでに通過する経路上に配置されて、表示光における互いに垂直な２つの偏光成分の間で位相差を生じさせる。そして、低位相差板６，７によって表示光における２つの偏光成分の間で生じる位相差の総和がπ［ｒａｄ］未満である。また、表示光が低位相差板６，７の全てを通過する前後で、表示光における直線偏光の偏光方向が変化する。【選択図】図１

Description

本発明は、移動体に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置に関する。

ヘッドアップディスプレイ装置の輝度は、ヘッドアップディスプレイ装置が照射する表示光が移動体のウインドシールドで反射するときの反射率に大きく依存する。ウインドシールドでの反射はフレネル反射であるため、表示光がウインドシールドで反射するときの反射率は、表示光がウインドシールドで反射する前における表示光の偏光状態によって決定される。

このため、従来、例えば特許文献１のように、表示光が直線偏光である場合において、２分の１波長板を用いることで直線偏光の偏光方向を回転させて反射率を調整する方法が知られている。

特開２００７−５２３８３号公報

直線偏光の偏光方向が２分の１波長板によって回転する角度は、２分の１波長板の速軸と直線偏光の偏光方向との成す角度（以下、方位角）で決定される。しかし、２分の１波長板の製造条件の変化、および、２分の１波長板をヘッドアップディスプレイ装置に組み付けるときの組み付け誤差などの原因によって方位角がずれるおそれがある。そして、方位角がずれると、直線偏光の偏光方向が２分の１波長板によって回転する角度が、方位角のずれの２倍の角度分ずれてしまい、ヘッドアップディスプレイ装置の輝度が低下してしまう。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、ヘッドアップディスプレイ装置の輝度の低下を抑制することを目的とする。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置（１）は、照射部（３，４，５）と、複数の光学素子（６，７，１６，１７，２４，２６，２７，２９）とを備える。
照射部は、表示する画像を表す表示光を、移動体のウインドシールドへ向けて照射する。複数の光学素子は、表示光がウインドシールドに至るまでに通過する経路上に配置されて、表示光における互いに垂直な２つの偏光成分の間で位相差を生じさせる。

そして、複数の光学素子によって表示光における２つの偏光成分の間で生じる位相差の総和が、π［ｒａｄ］未満である。また、表示光が複数の光学素子の全てを通過する前後で、表示光における直線偏光の偏光方向が変化する。

このように構成された本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、１個の２分の１波長板を用いる場合と同様に、表示光における直線偏光の偏光方向を変化させることができる。また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、上記位相差の総和がπ［ｒａｄ］未満であるため、複数の光学素子のずれに起因した直線偏光の偏光方向のずれを、２分の１波長板のずれに起因した直線偏光の偏光方向のずれよりも小さくすることができる。

これにより、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、直線偏光の偏光方向のずれに起因にしたヘッドアップディスプレイ装置の輝度の低下を抑制することができる。
なお、この欄および特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として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って、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

第１実施形態のＨＵＤ装置１の構成を示す図である。 低位相差板６，７の速軸の方向を示す図である。 第１実施形態の偏光状態ＰＣ１〜３を表示するポアンカレ球を示す図である。 低位相差板６，７の速軸が５度ずれた場合における偏光状態ＰＣ１〜３を表示するポアンカレ球を示す図である。 ２枚の４分の１波長板を使用した場合における偏光状態ＰＣ１〜３を表示するポアンカレ球を示す図である。 ２枚の４分の１波長板の速軸が５度ずれた場合における偏光状態ＰＣ１〜３を表示するポアンカレ球を示す図である。 ２分の１波長板９の速軸の方向を示す図である。 第２実施形態のＨＵＤ装置１の構成を示す図である。 低位相差板１６，１７の速軸の方向を示す図である。 第２実施形態の偏光状態ＰＣ４〜６を表示するポアンカレ球を示す図である。 低位相差板１６，１７の速軸が５度ずれた場合における偏光状態ＰＣ４〜６を表示するポアンカレ球を示す図である。 ２分の１波長板１９の速軸の方向を示す図である。 変形例１のＨＵＤ装置１の構成を示す図である。 位相差に相当する波長と直線偏光の偏光方向の最大回転角との関係を示すグラフである。 変形例３のＨＵＤ装置１の構成を示す図である。 変形例４のＨＵＤ装置１の構成を示す図である。 変形例５のＨＵＤ装置１の構成を示す図である。

［第１実施形態］
以下に本発明の第１実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１（以下、ＨＵＤ装置１）は、車両に搭載されており、図示しないウインドシールドの下方に設置される。ＨＵＤは、Head-Up Displayの略である。

ＨＵＤ装置１は、ウインドシールドの下方からウインドシールドに向けて、画像を表示するための表示光を照射する。これにより、ウインドシールドに虚像が投影され、車室内の運転席に着座する運転者は、その投影された虚像を車両前方の実際の風景に重ねて視認することができる。

ＨＵＤ装置１は、図１に示すように、筐体２、表示器３、平面鏡４、凹面鏡５、低位相差板６，７および防塵窓８を備える。
筐体２は、表示器３、平面鏡４、凹面鏡５および低位相差板６，７を収容する。筐体２は、自動車のダッシュボード内に配置される。

表示器３は、バックライトからの光を、液晶パネル、カラーフィルタおよび偏光フィルタを通過させることで、直線偏光の表示光を照射する周知の液晶ディスプレイである。本実施形態では、表示器３から照射される表示光の波長は５６０ｎｍである。

平面鏡４は、表示器３から照射された表示光を凹面鏡５へ向けて反射する。
凹面鏡５は、平面鏡４で反射された表示光によって形成される表示像を拡大するための鏡である。凹面鏡５は、平面鏡４で反射された表示光を、筐体２の開口部２ａに向けて反射する。筐体２の開口部２ａは、ウインドシールドと凹面鏡５との間に配置されるように形成されている。このため、凹面鏡５で反射された光は、ウインドシールドに照射される。

低位相差板６，７は、その速軸に対して平行な偏光成分と垂直な偏光成分との間で位相差を生じさせる部材である。本実施形態の低位相差板６，７は、表示光の波長である５６０ｎｍに対して１１０ｎｍに相当する位相差（すなわち、１１０×２π／５６０＝０．３９π［ｒａｄ］）を生じさせる。このため、低位相差板６，７に入射した表示光は、速軸に対して平行な偏光成分と垂直な偏光成分との間で上記の位相差が生じた状態で、低位相差板６，７から出力される。

低位相差板６は、表示器３から照射された表示光が平面鏡４に至るまでに通過する経路上に配置される。低位相差板７は、低位相差板６から出力された表示光が平面鏡４に至るまでに通過する経路上に配置される。

防塵窓８は、表示光を透過可能な部材で形成されており、筐体２の開口部２ａを塞ぐように設置される。
図２に示すように、表示光の進行方向に垂直なｘｙ平面のｘ軸と、直線偏光の表示光の電場が振動する振動方向ＤＥとの成す角度θｐ（以下、方位角θｐ）が１３５度であるとする。この場合において、低位相差板６は、その速軸ＦＡ１がｘ軸に対して１６３．３２度傾くように設置される。また低位相差板７は、その速軸ＦＡ２がｘ軸に対して１３６．６８度傾くように設置される。これにより、低位相差板７から出力される表示光は、方位角θｐが１６５度の直線偏光となる。以下、振動方向ＤＥを、直線偏光の偏光方向ともいう。

図３は、第１実施形態のＨＵＤ装置１における偏光状態ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３を表示するポアンカレ球を示す図である。偏光状態ＰＣ１は、表示光が低位相差板６に入射する前の偏光状態である。偏光状態ＰＣ２は、表示光が低位相差板７に入射する前の偏光状態である。偏光状態ＰＣ２は、表示光が低位相差板７から出力された後の偏光状態である。

図３に示すように、偏光状態ＰＣ１は、方位角θｐが１３５度の直線偏光である。偏光状態ＰＣ２は、楕円偏光である。偏光状態ＰＣ３は、方位角θｐが１６５度の直線偏光である。

図４は、第１実施形態のＨＵＤ装置１において低位相差板６の速軸ＦＡ１および低位相差板７の速軸ＦＡ２がそれぞれ５度ずれた場合における偏光状態ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３を表示するポアンカレ球を示す図である。

図４に示すように、偏光状態ＰＣ１は、方位角θｐが１３５度の直線偏光である。偏光状態ＰＣ２は、楕円偏光である。偏光状態ＰＣ３は、方位角θｐが１５８度の直線偏光である。すなわち、速軸ＦＡ１および速軸ＦＡ２がそれぞれ５度ずれることによる方位角θｐのずれは、１６５−１５８＝７［度］である。

図５は、低位相差板６，７の代わりに２枚の４分の１波長板を使用した場合における偏光状態ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３を表示するポアンカレ球を示す図である。
図５に示すように、偏光状態ＰＣ１は、方位角θｐが１３５度の直線偏光である。偏光状態ＰＣ２は、円偏光である。偏光状態ＰＣ３は、方位角θｐが１６５度の直線偏光である。

図６は、図５における２枚の４分の１波長板の速軸がそれぞれ５度ずれた場合における偏光状態ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３を表示するポアンカレ球を示す図である。
図６に示すように、偏光状態ＰＣ１は、方位角θｐが１３５度の直線偏光である。偏光状態ＰＣ２は、楕円偏光である。偏光状態ＰＣ３は、方位角θｐが１５５度の直線偏光である。すなわち、２枚の４分の１波長板の速軸がそれぞれ５度ずれることによる方位角θｐのずれは、１６５−１５５＝１０［度］である。

また、図７に示すように、低位相差板６，７の代わりに１枚の２分の１波長板９を使用して、２分の１波長板９の速軸ＦＡ３がｘ軸に対して１５０度傾くように設置した場合には、２分の１波長板９から出力される表示光は、方位角θｐが１６５度の直線偏光となる。そして、２分の１波長板９の速軸ＦＡ３が５度ずれることによる方位角θｐのずれは、２枚の４分の１波長板の速軸がそれぞれ５度ずれた場合と同様に、１０度である。

このように構成されたＨＵＤ装置１は、表示器３、平面鏡４および凹面鏡５と、低位相差板６，７とを備える。
表示器３、平面鏡４および凹面鏡５は、表示する画像を表す表示光を、車両のウインドシールドへ向けて照射する。低位相差板６，７は、表示光がウインドシールドに至るまでに通過する経路上に配置されて、表示光における互いに垂直な２つの偏光成分の間で位相差を生じさせる。

そして、低位相差板６，７によって表示光における２つの偏光成分の間で生じる位相差の総和が、０．３９π×２＝０．７８π［ｒａｄ］であり、π［ｒａｄ］未満である。また、表示光が低位相差板６，７の全てを通過する前後で、表示光における直線偏光の偏光方向が１３５度から１６５度へ変化する。

このようにＨＵＤ装置１は、１個の２分の１波長板を用いる場合と同様に、表示光における直線偏光の偏光方向を変化させることができる。また、ＨＵＤ装置１は、上記位相差の総和がπ［ｒａｄ］未満であるため、低位相差板６，７のずれに起因した直線偏光の偏光方向のずれを、２分の１波長板のずれに起因した直線偏光の偏光方向のずれよりも小さくすることができる。これにより、ＨＵＤ装置１は、直線偏光の偏光方向のずれに起因にしたＨＵＤ装置１の輝度の低下を抑制することができる。

また低位相差板６，７は、互いに接触していない状態で設置される。このため、低位相差板６，７をＨＵＤ装置１に組み付けるときの組み付け誤差に起因した速軸のずれが、低位相差板６，７の両方で同時に発生する可能性を低減することができる。直線偏光の偏光方向のずれは、速軸のずれが低位相差板６，７の両方で発生する場合よりも、低位相差板６，７の何れか一方で発生する場合のほうが小さい。これにより、ＨＵＤ装置１は、直線偏光の偏光方向のずれに起因にしたＨＵＤ装置１の輝度の低下を更に抑制することができる。

以上説明した実施形態において、表示器３と平面鏡４と凹面鏡５は照射部、低位相差板６，７は複数の光学素子、車両は移動体に相当する。
［第２実施形態］
以下に本発明の第２実施形態を図面とともに説明する。なお第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分を説明する。また、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

第２実施形態のＨＵＤ装置１は、図８に示すように、低位相差板６，７の代わりに低位相差板１６，１７を備える点が第１実施形態と異なる。
低位相差板１６は、表示光の波長である５６０ｎｍに対して１２０ｎｍに相当する位相差を生じさせる。

低位相差板１７は、表示光の波長である５６０ｎｍに対して８０ｎｍに相当する位相差を生じさせる。
図９に示すように、低位相差板１６は、その速軸ＦＡ４がｘ軸に対して７１．４６度傾くように設置される。また低位相差板１７は、その速軸ＦＡ５がｘ軸に対して２２．９３度傾くように設置される。これにより、低位相差板１７から出力される表示光は、方位角θｐが１５５度の直線偏光となる。

図１０は、第２実施形態のＨＵＤ装置１における偏光状態ＰＣ４，ＰＣ５，ＰＣ６を表示するポアンカレ球を示す図である。偏光状態ＰＣ４は、表示光が低位相差板１６に入射する前の偏光状態である。偏光状態ＰＣ５は、表示光が低位相差板１７に入射する前の偏光状態である。偏光状態ＰＣ６は、表示光が低位相差板１７から出力された後の偏光状態である。

図１０に示すように、偏光状態ＰＣ４は、方位角θｐが１３５度の直線偏光である。偏光状態ＰＣ５は、楕円偏光である。偏光状態ＰＣ６は、方位角θｐが１５５度の直線偏光である。

図１１は、第２実施形態のＨＵＤ装置１において低位相差板１６の速軸ＦＡ４および低位相差板１７の速軸ＦＡ５がそれぞれ５度ずれた場合における偏光状態ＰＣ４，ＰＣ５，ＰＣ６を表示するポアンカレ球を示す図である。

図１１に示すように、偏光状態ＰＣ４は、方位角θｐが１３５度の直線偏光である。偏光状態ＰＣ５は、楕円偏光である。偏光状態ＰＣ６は、方位角θｐが１５１度の直線偏光である。すなわち、速軸ＦＡ４および速軸ＦＡ５がそれぞれ５度ずれることによる方位角θｐのずれは、１５５−１５１＝４［度］である。

また、図１２に示すように、低位相差板１６，１７の代わりに１枚の２分の１波長板１９を使用して、２分の１波長板１９の速軸ＦＡ６がｘ軸に対して１４５度傾くように設置した場合には、２分の１波長板１９から出力される表示光は、方位角θｐが１５５度の直線偏光となる。そして、２分の１波長板１９の速軸ＦＡ６が５度ずれることによる方位角θｐのずれは、１０度である。

このように構成されたＨＵＤ装置１は、表示器３、平面鏡４および凹面鏡５と、低位相差板１６，１７とを備える。
低位相差板１６，１７は、表示光がウインドシールドに至るまでに通過する経路上に配置されて、表示光における互いに垂直な２つの偏光成分の間で位相差を生じさせる。そして、低位相差板１６，１７によって表示光における２つの偏光成分の間で生じる位相差の総和がπ［ｒａｄ］未満である。また、表示光が低位相差板１６，１７の全てを通過する前後で、表示光における直線偏光の偏光方向が１３５度から１５５度へ変化する。

これにより、第２実施形態のＨＵＤ装置１は、第１実施形態と同様に、直線偏光の偏光方向のずれに起因にしたＨＵＤ装置１の輝度の低下を抑制することができる。
また、ＨＵＤ装置１では、低位相差板１６，１７は互いに、表示光に対して生じさせる位相差が異なる。このように構成されたＨＵＤ装置１は、表示光に対して生じさせる位相差が低位相差板１６と低位相差板１７とで同じ場合と比較して、直線偏光の偏光方向のずれを小さくすることができる。

以上説明した実施形態において、低位相差板１６，１７は複数の光学素子に相当する。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。

［変形例１］
例えば上記第１実施形態では、低位相差板６，７を用いて位相差を生じさせるものを示したが、低位相差板の代わりに誘電体多層膜を用いて位相差を生じさせるようにしてもよい。また、３個以上の低位相差板を用いて位相差を生じさせるようにしてもよい。例えば図１３に示すように、平面鏡４の代わりに誘電体多層膜２４を備え、低位相差板６，７の代わりに低位相差板２６，２７，２９を備えるようにするとよい。

誘電体多層膜２４は、表示器３から照射された表示光を凹面鏡５へ向けて反射する。また誘電体多層膜２４は、Ｐ偏光とＳ偏光との間で位相差を生じさせる。
低位相差板２６は、表示器３から照射された表示光が誘電体多層膜２４に至るまでに通過する経路上に配置される。低位相差板２７は、誘電体多層膜２４で反射された表示光が凹面鏡５に至るまでに通過する経路上に配置される。低位相差板２９は、凹面鏡５で反射された表示光がウインドシールドに至るまでに通過する経路上に配置される。そして、誘電体多層膜２４と低位相差板２６，２７，２９によって表示光における２つの偏光成分の間で生じる位相差の総和は、π［ｒａｄ］未満である。誘電体多層膜２４と低位相差板２６，２７，２９は複数の光学素子に相当する。

［変形例２］
また上記第１実施形態では、低位相差板６，７によって表示光における２つの偏光成分の間で生じる位相差の総和が０．７８π［ｒａｄ］であるものを示した。図１４は、同じ位相差を生じさせる低位相差板を用いた場合において直線偏光の偏光方向を回転させることができる最大値（以下、最大回転角）を示すグラフである。図１４に示すように、１１０ｎｍに相当する位相差を生じさせる低位相差板を２枚用いた場合において直線偏光の偏光方向の最大回転角は約３０度である。なお、直線偏光の偏光方向の最大回転角は、位相差が小さくなるほど小さい。

また、７０ｎｍに相当する位相差を生じさせる低位相差板を２枚用いた場合において、直線偏光の偏光方向の最大回転角は約１０度である。現実的には、複数の低位相差板を用いて、直線偏光の偏光方向を１０度以上回転させる必要がある。そして、７０ｎｍに相当する位相差を生じさせる低位相差板によって表示光における２つの偏光成分の間で生じる位相差の総和は、２×７０×２π／５６０＝０．５π［ｒａｄ］である。

このため、ＨＵＤ装置１では、低位相差板６，７によって表示光における２つの偏光成分との間で生じる位相差の総和が、π／２［ｒａｄ］以上であるようにするとよい。
［変形例３］
また上記第１実施形態では、低位相差板６，７が互いに接触していない状態で設置されるものを示した。しかし、図１５に示すように、低位相差板６において表示光が出力される面と、低位相差板７において表示光が入射される面とが接触するようにして低位相差板６と低位相差板７とが互いに重ねられた状態で設置されるようにしてもよい。これにより、ＨＵＤ装置１は、低位相差板６と低位相差板７の間に空気を挟まないようにすることができるため、表示光が低位相差板７に入射するときに表示光が反射するのを抑制することができる。このため、ＨＵＤ装置１は、ＨＵＤ装置１の輝度の低下を抑制することができる。

［変形例４］
また上記第１実施形態では、低位相差板６，７において表示光が入射される面が、表示光の進行方向に対して垂直になるものを示した。しかし、図１６に示すように、低位相差板６，７の少なくとも一方において、表示光が入射される面が、表示光の進行方向に対して斜めに傾けた状態で配置されるようにしてもよい。図１６では、低位相差板６，７のうち低位相差板７を斜めに傾けたものを示している。これにより、筐体２の外側から筐体２の内部に入射した外光が低位相差板７で反射した場合に、この反射光の通過経路が表示光の通過経路と一致してしまい反射光と表示光が同時にウインドシールドに照射されてしまう事態の発生を抑制することができる。このため、ＨＵＤ装置１は、表示光により形成される画像を運転者が視認し難くなる事態の発生を抑制することができる。

［変形例５］
また上記第１実施形態では、低位相差板６，７を備えるものを示した。しかし、低位相差板６，７は、ＨＵＤ装置１に組み付けるときに速軸がずれ易い箇所に設置すればよい。すなわち、ＨＵＤ装置１に組み付けるときに速軸がずれ難い箇所であれば、低位相差板ではなく、２分の１波長板を設置するようにしてもよい。例えば図１７に示すように、図１３に示すＨＵＤ装置１において、低位相差板２６，２９の代わりに、２分の１波長板３６，３９を備えるようにするとよい。誘電体多層膜２４および低位相差板２７は複数の光学素子に相当する。

また、上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加または置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

上述したＨＵＤ装置１の他、当該ＨＵＤ装置１を構成要素とするシステムなど、種々の形態で本発明を実現することもできる。

１…ヘッドアップディスプレイ装置、３…表示器、４…平面鏡、５…凹面鏡、６，７，１６，１７，２６，２７，２９…低位相差板、２４…誘電体多層膜

Claims (6)

1. 表示する画像を表す表示光を、移動体のウインドシールドへ向けて照射する照射部（３，４，５）と、
   前記表示光が前記ウインドシールドに至るまでに通過する経路上に配置されて、前記表示光における互いに垂直な２つの偏光成分の間で位相差を生じさせる複数の光学素子（６，７，１６，１７，２４，２６，２７，２９）とを備え、
   前記複数の光学素子によって前記表示光における前記２つの偏光成分の間で生じる前記位相差の総和が、π［ｒａｄ］未満であり、
   前記表示光が前記複数の光学素子の全てを通過する前後で、前記表示光における直線偏光の偏光方向が変化する
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置（１）。
2. 前記複数の光学素子によって前記表示光における前記２つの偏光成分との間で生じる前記位相差の総和が、π／２［ｒａｄ］以上である
   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。
3. 前記複数の光学素子（６，７）はそれぞれ、他の光学素子と接触していない状態で設置される
   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。
4. 前記複数の光学素子のうちの少なくとも２個の光学素子（６，７）は、互いに重ねられた状態で設置される
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記複数の光学素子のうちの少なくとも１個の光学素子（７）は、速軸に対して平行な偏光成分と垂直な偏光成分との間で前記位相差を生じさせる位相差板であり、
   前記位相差板は、前記表示光が入射する平面を前記表示光の進行方向に対して斜めに傾けた状態で配置される
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記複数の光学素子（１６，１７）は互いに、前記表示光に対して生じさせる前記位相差が異なる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。