JP2021063852A - 車両用反射式表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アイポイントの上下変動に対し、比較的安定した表示を行う。【解決手段】ウィンドシールド１０の車両後方側に配置され画像を上方に向けて表示するディスプレイ２２と、ディスプレイ２２の上方であってウィンドシールド１０後方のインパネ上面１２ａに立設され、ディスプレイ２２の表示像２４を後方に向けて反射し、車両前方側に虚像２８を形成するミラー２６と、を含む。ミラー２６は、凸面鏡である。【選択図】図１

Description

本発明は、車両のウィンドシールドの後方に設けられる車両用反射式表示装置に関する。

従来、メータ類を比較的遠方に表示するものとして、反射式の表示装置が知られている。例えば、特許文献１には、ディスプレイと、このディスプレイの表示面の表示像を拡大反射する凹面鏡と、ディスプレイと凹面鏡との間に配置されるとともに前記凹面鏡で反射された表示像の光束を乗員に向けて反射させるハーフミラーとを備えている表示装置が示されている。

これによって、ディスプレイの虚像をドライバーに見せることができ、メータなどの像を比較的遠方の表示にできる。特に、凹面鏡反射により、ディスプレイの画像をより遠方に元画像より大きな表示とできる。

特開平８−２８６６２５号公報

ここで、特許文献１では、凹面鏡反射により、より遠方に元画像より大きな表示を出せる反面、ドライバーの体格や視線の上下動による視点（＝アイポイント）の移動により像の上下動が大きくなり、視域を逸脱したり像の一部が欠ける現象が発生しやすい。このため、像位置の調整機能が必要となり、構成が複雑であり、かつ調整作業が必要となる。

本発明は、アイポイントの上下変動に対し、比較的安定した表示ができる車両用反射式表示装置を提供する。

本発明に係る車両用反射式表示装置は、ウィンドシールドの車両後方側に配置され画像を上方に向けて表示するディスプレイと、前記ディスプレイの上方であって前記ウィンドシールド後方のインパネ上面に立設され、前記ディスプレイの表示像を後方に向けて反射し、車両前方側に虚像を形成するミラーと、を含み、前記ミラーは、凸面鏡である。

前記ディスプレイは、ウィンドシールド後方のインパネ上面から下方に向けて形成された凹み（穴）の底部に配置されるとよい。

ミラーは、車両上下方向において後方に向けて凸で車両左右方向に平らな２次凸面鏡であるとよい。

ミラーは、車両上下方向および左右方向において後方に向けて凸の３次凸面鏡であるとよい。

本発明によれば、アイポイントの上下変動に対し、広い視認範囲と像自体の動き（揺れ）の少なさが得られることにより、乗員の体格や乗車姿勢などの外乱によらず、安定した表示を得ることができる。

実施形態に係る車両用反射式表示装置の構成をドライバーの表示とともに示す図である。 表示像と虚像の関係を示した図であり、（ａ）が平面鏡、（ｂ）が凹面鏡、（ｃ）が凸面鏡の場合を示す図である。 凸面鏡により視認範囲を拡げることができることを説明する模式図である。 ディスプレイと虚像の関係を説明する図であり、（ａ）は平面鏡、（ｂ）は２次凸面鏡の場合を示す。 ドライバーから見た場合の表示装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態（実施形態）について、図面を参照して説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

「全体構成」
図１は、実施形態に係る車両用反射式表示装置の構成をドライバーの表示とともに示す図である。

ウィンドシールド１０は、車両ボディーの前面上部に設けられ、前方の視界を確保するためにガラスなどの透明な材料で構成されている。ウィンドシールド１０後方側の下方には、インパネ（インストルメントパネル）１２が配置され、インパネ上面１２ａがウィンドシールド１０の下端から後方に伸びている。

インパネ１２の車両後方側の面（車室側の面）には、各種の操作用ボタンや、ナビゲーション画面などの表示パネルが配置され、インパネ上面１２ａは、ほぼ水平方向を向く、比較的平らな面になっている。

インパネ１２の後方側には、ステアリング１４が位置する。ステアリング１４は、その中心に前方斜め下方に向けて伸びるステアリングシャフト（図示省略）が固定されている。この例では、ステアリング１４はリング状である。

ステアリング１４の後方には、ドライバーシート（図示省略）が配置され、ここにドライバー１６が座る。ドライバー１６は、ステアリング１４を操作するとともに、アクセル、ブレーキなどを操作して車両を運転する。

ウィンドシールド１０の後方のインパネ上面１２ａには、インパネ上面１２ａを凹ませた穴２０が設けられ、穴２０の底部にディスプレイ２２がその表示面２２ａを上方に向けて配置される。図においては、表示される表示像２４を矢印によって模式的に示しているが、表示像２４は例えばスピードメータなどのメータ表示である。

ディスプレイ２２の上方であってインパネ上面１２ａの上方には、ミラー２６が配置されている。このミラー２６は、模式的に示すように、下方が車両前方に位置するように鏡面が斜め下向きに配置され、後方面（鏡面）が凸の凸面鏡である。なお、車幅方向は平らな２次の凸面（円筒状面）でもよいし、車幅方向も中央側が凸の３次の凸面（球面）であってもよい。また、鏡面の形状も単純Ｒ（円筒面、球面）であっても、各種収差等を吸収するための非単純Ｒ（非球面）の凸面鏡であってもよく、またフレネルレンズであってもよい。

このようなミラー２６を配置することによって、ドライバー１６が前方を見た場合に、ディスプレイ２２の表示像２４の虚像２８がミラー２６の背面側（車両前方）に見える。すなわち、ドライバーの目（アイポイント）１６ａからミラー２６への直線の延長線上に虚像２８が結像する。なお、ミラー２６は凸面鏡であるため、ディスプレイ２２の表示像２４からミラー２６までの距離に比べ、ミラー２６から虚像２８の距離の方が短く、また虚像２８の高さはディスプレイ２２の表示像２４より低くなる。

このように、本実施形態の反射式表示装置による虚像２８は、ミラー２６が平面鏡と比べて、ドライバーの視距離はやや縮まり、像の大きさも小さくなる。しかし、ドライバー１６のアイポイント１６ａの上下変動に対し、広い視認範囲と像自体の動き（揺れ）の少なさが得られる。スピードメータのような重要な表示においてはあらゆる体格の人、あらゆる乗車姿勢や外乱による瞬間的なアイポイント１６ａの移動にも常に視認できることが重要であり、本実施形態の車両用反射式表示装置が表示装置として非常に有利なものとなる。また、乗車時にドライバーの体格に合わせた表示位置の調整などが不要になる可能性もある。

「表示像と虚像の関係」
図２は、ディスプレイ２２の表示像２４とミラー２６による虚像２８の関係を示した図であり、（ａ）が平面鏡、（ｂ）が凹面鏡、（ｃ）が凸面鏡の場合を示す。

図２（ａ）は、ミラー２６として平面鏡を利用した場合を示す。参考として、直視型のディスプレイ３０を用いた場合には、ディスプレイ３０はインパネ１２の車室側の面に設けられ、表示像３２は、ドライバーのアイポイント１６ａに対し前方下側で、比較的近い位置（距離Ｃ）に位置する。

一方、インパネ上面１２ａ上には、ミラー２６が立設されており、アイポイント１６ａからミラー２６までは距離Ｂである。ミラー２６は、平面鏡であり、ディスプレイ２２からミラー２６までの距離と、ミラー２６から形成される虚像２８までの距離は同一距離Ａである。従って、ドライバーのアイポイント１６ａから虚像２８までの距離は、Ａ＋Ｂとなる。ディスプレイ２２の表示像２４の虚像２８は、ディスプレイ上の像までの距離Ａが加わり、実際に目視される。

このように、平面鏡を用いることによって、虚像２８までの視距離はＡ＋Ｂとなり一般的にＣより大きくできる（Ａ＋Ｂ＞Ｃ）。また、虚像２８の位置は、直視の場合の表示像３２に比べ上方となり、前方から虚像２８に目を移す際のアイポイントの移動量も、直視の際の表示像３２に比べ、小さくなる。

なお、平面鏡反射においては、ディスプレイ２２上の表示像２４の高さＨ０と虚像２８の高さＨ０は同一となる（Ｈ０＝Ｈ０）。

図２（ｂ）では、ミラー２６として凹面鏡を用いる。この場合、凹面鏡の拡大効果によりミラーから虚像２８の距離はＡ１に伸びる（Ａ１＞Ａ）。すなわち、ドライバーによる虚像２８の視距離は、Ａ１＋Ｂとなり平面鏡時の視距離Ａ＋Ｂより大きくなり（Ａ１＋Ｂ＞Ａ＋Ｂ）、より遠方配置の効果が得られる。

さらに、虚像２８も、ディスプレイ２２上の表示像２４の高さＨ０よりも大きなＨ１（Ｈ１＞Ｈ０）とすることができる。なお、凹面鏡については２次（円筒面）の凹面鏡であっても、３次（球面）の凹面鏡であってもよい。両者における差異は高さのみの拡大（偏倍）になるか、幅方向も含めた相似拡大になるかの違いである。

図２（ｃ）は、図１に示したミラー２６として凸面鏡を用いる場合を示している。凸面鏡を用いるためミラー２６から虚像２８の距離はＡ２に縮まる（Ａ２＜Ａ）。これによって、ドライバーによる虚像２８の視距離は、Ａ２＋Ｂとなり平面鏡時の視距離Ａ＋Ｂより小さくなる（Ａ２＋Ｂ＜Ａ＋Ｂ）。

また、虚像２８の高さＨ２は、ディスプレイ２２上の表示像２４の高さＨ０よりも小さくＨ２（Ｈ２＜Ｈ０）となる。なお、凸面鏡についても、２次（円筒面）であっても、３次（球面）であってもよい。両者における差異は高さのみの縮小（偏倍）になるか、幅方向も含めた相似縮小になるかの違いである。このように、ドライバーが視認する虚像２８は、小さくなるが、直視の場合の表示像３２よりは遠方（Ａ２＋Ｂ＞Ｃ）、上方への配置が可能であり、ドライバーの視認負荷軽減に貢献できる。

また、自動運転時における自車および他車の状況を監視するために、表示したい項目が増加している。本実施形態の表示装置は、従来からあるメータやヘッドアップディスプレイ以外の表示手段として非常に有用である。

「平面鏡、凹面鏡、凸面鏡の比較」
ここで、外乱に対する安定性（ロバスト性）は凹面鏡＜平面鏡＜凸面鏡の順になり、凸面鏡を用いると、多少の像サイズ、視距離の縮小と引き換えに、アイポイントの上下変動に対し、広い視認範囲と像自体の動き（揺れ）の少なさが得られる。このため、凸面鏡を用いることが車載ディスプレイ（反射式表示装置）として非常に有利なものとなる。

凹面鏡を用いたヘッドアップディスプレイでは、ほとんどの場合、乗車時にドライバーの体格に合わせた画像表示位置の上下調整が必要になっており、メータなどを表示する反射式表示装置においても凹面鏡や平面鏡を用いた場合には同様の調整機能が必要となる可能性が高い。一方、凸面鏡を用いた反射式表示装置ではそれが不要にできる可能性がある。

また、メータなどを表示する反射式表示装置のレイアウトにおいては、搭載スペースや意匠性の観点から扁平な縦横（アスペクト）比の表示が望ましい。これは、前方の視認性確保や搭載制約より、上下方向の制約は厳しく、横方向の制約が緩いためである。その反面、一般的なディスプレイのサイズは必要とされる縦横比よりは縦が大きい。平面鏡構成においては扁平なミラーにより上下をカットしたディスプレイの一部が視認範囲になることが多く、上下範囲がムダになる。またはそのムダ部分を用いて表示範囲をずらすなどして、前述の表示位置調整機能を織り込むことになる。凹面鏡によれば、表示像のサイズに対して、ディスプレイの寸法を小さくすることでき、スペース的に有利になる。

「凸面鏡について」
図３は、凸面鏡を用いた場合に、視認範囲を拡げることができることを説明する模式図である。図３は、簡略化のため視線を水平方向、ミラーを下向き４５°に配置し、９０°下方に光路を折り曲げている。また、ミラー２６は、平面鏡の場合と凸面鏡の場合を合成して描いている。ここで、平面鏡と凸面鏡について、図２では実車構成を想定してミラー２６〜ディスプレイ２２間の距離Ａを同一としたが、図３では作図上、虚像２８の位置と大きさを平面鏡と凸面鏡で一致させるよう、凸面鏡時はミラー２６〜ディスプレイ２２間の距離を長くし（図３）、ディスプレイ２２上の表示像２４の大きさを拡大している。

ミラーの上下端ａ点、ｂ点を合わせた場合、中点ｃの位置はわずかに凸面鏡の方が手前に来るが、その差分はわずかなため、直線で近似している。なお、図においては、凸を大きく示しているため、中点ｃは平面鏡の位置を示してある。上述したように、この凸面鏡は横方向に分割されたいわゆるフレネルミラーの凸面鏡でもよい。この場合、実際に断面はほぼ直線になる。

図３において平面鏡の場合ディスプレイ２２上の高さＨの表示像２４（矢印で表記）が高さＨの虚像２８としてミラー２６の先に観察される。虚像２８の上端ｈ１とミラー２６の上端ａを結ぶ線のアイポイント距離での着地点が像が欠けずに視認できる上端ｅ１であり、虚像２８の下端ｈ２とミラー下端ｂを結ぶ線の着地点が、像が欠けずに視認できる下端ｅ２である。従って、アイポイントの自由度はｅ１〜ｅ２間の距離となる。

図３において凸面鏡の場合、同じ位置に高さＨの虚像２８を得るためにはミラー２６〜ディスプレイ２２間距離は少し長く、表示像２４の高さも少し大きなものが必要となる。

このようにして、虚像２８の位置と大きさを合わせた場合、アイポイントｅから観察される虚像２８は位置も高さも平面鏡の場合と同じものとなる。

ところが、この状態からアイポイントｅを上昇させると反射点上下端ａ，ｂを通る光路は凸面鏡の特性により上下に開く。このため、凸面鏡の場合の上端着地点ｅ３は、平面鏡の場合の着地点ｅ１より高く、下端着地点は平面鏡の場合の着地点ｅ２より低いｅ４の点になる。すなわち、凸面鏡の場合に虚像２８が欠けずに視認できる位置はｅ１〜ｅ２間より、長いｅ３〜ｅ４間となり、アイポイントの上下に対して広い範囲で像が視認できる。

このことは、車両において像位置の調整をせずに広い体格範囲のドライバーを許容することであり、また同一のドライバーの運転中の動的なアイポイント上下動に対しても像が欠けずに安定して見えるという効果になる。

以上、像を起点とした光路で説明したが、アイポイントを起点とした場合はアイポイントの上昇に伴い虚像２８は少し下降し、アイポイントの下降に伴い像は少し上昇する動きとなって、広範囲での視認性が確保される。

図４は、ディスプレイ２２と虚像２８の関係を説明する図であり、（ａ）は平面鏡、（ｂ）は２次凸面鏡の場合を示す。前述のように必要とされる画角がディスプレイ２２より扁平な場合、図４（ａ）の平面鏡構成においては、像の高さはディスプレイ２２の表示像２４も虚像２８も同じであり、画面上下の範囲は反射して視認されない無効部として結果的にトリミングされる。

一方、図４（ｂ）の凸面鏡構成においてはディスプレイ２２の表示像２４の高さは虚像２８より大きくする必要がある。虚像２８のサイズは上下に縮小されるが、凸面鏡で同じ高さの像を構成するために使われている縦方向画素は平面鏡時よりも多くなり、縦方向に高精細な画像となる。同じ解像度のディスプレイ２２においては高精細できれいな像が得られ、逆に像の解像度が既に十分な場合においては、解像度の低い安価なディスプレイを選択することが可能になる。

図５は、ドライバーから見た場合の反射式表示装置の構成例を示す図である。ミラー２６は、インパネ上面１２ａの上部に構成された保持部材１２ｂ等で保持されている。ディスプレイ２２の表示画像がミラー２６で反射され、ドライバーに虚像２８が視認できる。ミラー２６は、図示のようにインパネ上面１２ａの上部に形成された保持部材１２ｂによって空中に保持されてもよいし、インパネ上面１２ａ自体が盛り上がってミラー２６を囲うような構造であってもよい。また、ウィンドシールド１０などから伸びる別の構造体によって空中に保持されてもよい。

１０ ウィンドシールド、１２ インパネ、１２ａ インパネ上面、１２ｂ 保持部材、１４ ステアリング、１６ ドライバー、１６ａ アイポイント、２０ 穴、２２ ディスプレイ、２２ａ 表示面、２４ 表示像、２６ ミラー、２８ 虚像。

Claims (1)

1. ウィンドシールドの車両後方側に配置され画像を上方に向けて表示するディスプレイと、
   前記ディスプレイの上方であって前記ウィンドシールド後方のインパネ上面に立設され、前記ディスプレイの表示像を後方に向けて反射し、車両前方側に虚像を形成するミラーと、
   を含み、
   前記ミラーは、凸面鏡である、
   車両用反射式表示装置。
   

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