JP5831434B2

JP5831434B2 - ヘッドアップディスプレイ装置

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Publication number: JP5831434B2
Application number: JP2012268619A
Authority: JP
Inventors: 孝啓南原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: US20150338649A1; JP2014115417A; US9423616B2; DE112013005835B4; WO2014087608A1; DE112013005835T5; KR101681856B1; KR20150082470A

Description

本発明は、表示光像の虚像を乗員から視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置（以下、「ＨＵＤ装置」という）に関する。

従来、ＨＵＤ装置としては、車両等の移動体にて室外の外界像を室内の乗員から視認可能に透過させる表示部材と、当該表示部材に表示光像を投射する投射器とを備えたものが、知られている。

こうしたＨＵＤ装置の一種として特許文献１に開示のものでは、室内側にて表示光像を反射することにより虚像を生成する表反射面と、室内外側にて表示光像を反射することにより虚像を生成する裏反射面とが、表示部材に設けられている。ここで、表示部材の断面形状により、表反射面と裏反射面からそれぞれ乗員のアイポイントへ向かう光軸は、互いに重畳している。その結果、各反射面による虚像の視認ずれ（二重視認）を抑制して、表示光像の視認性を向上することが可能となっている。

特開２０１２−５８６８８号公報

しかし、特許文献１に開示のＨＵＤ装置では、凸面状の裏反射面の曲率半径が凹面状の表反射面の曲率半径よりも小さくなっているため、凸レンズ効果により、外界像の結像位置は、各反射面による虚像の結像位置よりも近くなる。その結果として乗員は、各反射面による虚像位置に視点を合わせると、結像位置の近い外界像を同時には視認し難くなってしまうため、望ましくない。

本発明は、以上説明した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、表示光像及び外界像の同時視認性を向上させるＨＵＤ装置を、提供することにある。

本発明は、移動体（２）において室外の外界像（７）を室内の乗員（８）から視認可能に透過させる表示部材（２０）と、表示部材に表示光像（４）を投射する投射器（１０）とを、備え、投射器から表示部材への表示光像の投射により当該表示光像の虚像を乗員から視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、表示部材は、室内側にて表示光像を反射することにより虚像としての表面虚像（４Ｉ）を生成する凹面状の表反射面（２１）と、室外側にて表示光像を反射することにより虚像としての裏面虚像（４Ｉ’）を生成する凸面状の裏反射面（２２）とを、有し、乗員のアイポイントとして予め想定される想定アイポイント（９ａ）へ向かって、表反射面と裏反射面とからそれぞれ延伸する光軸は、互いに重畳し、表反射面の曲率半径（Ｒ）は、裏反射面の曲率半径（Ｒ’）よりも小さく、表反射面と裏反射面とは、それぞれ光軸上の反射点（Ｐ，Ｐ’）を通る接線（Ｃ，Ｃ’）間に楔角を挟む構成下、
表面虚像の結像位置における端部（Ｅ）から想定アイポイントへ向かう主光線と、裏面虚像の結像位置における端部（Ｅ’）から想定アイポイントへ向かう主光線とは、互いに重畳すると共に、表反射面と裏反射面とからそれぞれ延伸して、互いに重畳の光軸に対して等しい角度を挟むように、構成するために、
表示部材の屈折率をｎとし、楔角をΔθとし、投射器から表反射面の反射点（Ｐ）へ入射する光軸上の表反射面での入射角をθｉとし、投射器から裏反射面の反射点（Ｐ’）へ入射する光軸上の表反射面での入射角をθｉ’とし、裏反射面の反射点（Ｐ’）での反射角をθｒｅｆとし、投射器から表反射面の反射点（Ｐ）までの距離をＬａとし、裏反射面の反射点（Ｐ’）へ出射する光軸上の表反射面での屈折点（Ｐ”）を経由した、投射器から裏反射面の反射点（Ｐ’）までの空気換算距離をＬａ’とし、表反射面の反射点（Ｐ）から表面虚像の結像位置までの距離をＬｂとし、表反射面の反射点（Ｐ）と裏反射面の反射点（Ｐ’）との間の距離を屈折率で割った値を、表反射面の反射点（Ｐ）から裏面虚像の結像位置までの距離より差し引いてなる空気換算距離をＬｂ’とし、表面虚像の結像位置から想定アイポイントまでの距離をＬｃとし、裏面虚像の結像位置から想定アイポイントまでの距離をＬｃ’とし、屈折点と表反射面の反射点（Ｐ）との間の距離をＤとし、裏反射面の反射点（Ｐ’）から表反射面への垂点（Ｈ）と、裏反射面の反射点（Ｐ’）との間の距離をｄとし、投射器と裏面虚像とが共役となる焦点距離をｆ’とすると、裏反射面の曲率半径（Ｒ’）は、以下の三つの式から求められる前記焦点距離を満たすように、設定されることを特徴とする。
１／ｆ’＝１／Ｌａ’＋１／Ｌｂ’
Ｌａ’＝ｄ／｛ｃｏｓ（θｒｅｆ−Δθ）・ｎ｝＋（Ｌａ−Ｄ・ｓｉｎθｉ）／ｃｏｓ（θｉ−θｉ’）
（Ｌｂ／Ｌａ）／Ｌｃ＝（Ｌｂ’／Ｌａ’）／Ｌｃ’

この本発明では、表示部材のうち室内側の表反射面と室外側の裏反射面とから、それぞれ乗員の想定アイポイントへ向かって延伸する光軸同士は、互いに重畳するので、各反射面での反射により視認される表面虚像と裏面虚像との視認ずれは、重畳した光軸上にて抑制され得る。それと共に本発明では、凹面状の表反射面の曲率半径が凸面状の裏反射面の曲率半径よりも小さいので、表示部材を透過して視認される外界像の結像位置は、凹レンズ効果により、表面虚像及び裏面虚像の各結像位置よりも遠くなる。その結果として乗員は、表面虚像及び裏面虚像の各結像位置に視点を合わせながら、結像位置の遠い外界像を同時視認することが容易となる。以上によれば、表面虚像及び裏面虚像として表示される表示光像と外界像との同時視認性を、向上させることが可能である。

さらに本発明によると、表反射面及び裏反射面での反射により視認される表面虚像及び裏面虚像の各端部から想定アイポイントへ向かう主光線同士は、互いに重畳するので、結像倍率の違いによる表面虚像及び裏面虚像の視認ずれは、それら主光線上にて抑制され得る。故に、外界像と同時視認される表示光像の視認性の向上効果を、高めることが可能である。

本発明の一実施形態によるＨＵＤ装置を示す構成図である。図１のＨＵＤ装置による表示状態を示す模式図である。図１のＨＵＤ装置の特徴部分を示す断面図である。図１のＨＵＤ装置の特性を説明するための模式図である。図１のＨＵＤ装置（ａ）と比較例（ｂ）との差異を説明するための模式図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１，２に示すように、本発明の一実施形態によるＨＵＤ装置１は、「移動体」としての車両２に搭載され、インストルメントパネル３内に収容されている。ＨＵＤ装置１は、投射器１０と、「表示部材」としてのコンバイナ２０を備えている。

図１に示すように投射器１０は、液晶パネル等の表示器１２に、ミラー及びレンズ等の光学系１４を組み合わせてなる。表示器１２に表示される画像は、表示光像４として光学系１４に入射されることで、当該系１４を通して車両２の室内領域２ａに投射される。

コンバイナ２０は、透光性樹脂により板状に形成され、室内領域２ａにおいてウインドシールド５よりも運転席６側に配置されている。本実施形態のコンバイナ２０は、ウインドシールド５から運転席６側に離間して設けられているが、ウインドシールド５に装着されるものであってもよい。こうした構成によりコンバイナ２０は、車両２前方の室外領域２ｂにおける外界像７（図２参照）を、室内領域２ａにおける運転席６上の乗員８から視認可能に、透過させる。

コンバイナ２０は、室内領域２ａ側の表反射面２１と室外領域２ｂ側の裏反射面２２とを、有している。コンバイナ２０は、投射器１０から投射される表示光像４の光軸上に位置することで、各反射面２１，２２により当該光像４を反射する。その結果、表反射面２１による反射光像４は、乗員８の瞳９に入射することで、コンバイナ２０よりも前方（運転席６と反対側）に結像される表面虚像４Ｉとして、乗員８から視認可能に表示される。それと共に、裏反射面２２による反射光像４は、瞳９に入射することで、コンバイナ２０よりも前方に結像されて表面虚像４Ｉと重畳する裏面虚像４Ｉ’として、乗員８から視認可能に表示される。

＜反射面形状＞
図３に示すように、表面虚像４Ｉを生成する表反射面２１は、運転席６と反対側に向かって凹となる凹面状に、非球面等の自由曲面によって形成されている。また一方、裏面虚像４Ｉ’を生成する裏反射面２２は、運転席６と反対側に向かって凸となる凸面状に、非球面等の自由曲面によって形成されている。

＜楔角設定＞
図３に示す上下方向の断面、即ち表示光像４の光軸を通る縦断面において、表反射面２１と裏反射面２２とは、それぞれ光軸上の反射点Ｐ，Ｐ’を通る接線Ｃ，Ｃ’間に、斜め上方に向かって拡がる楔角Δθを挟んでいる。かかる楔角Δθを反射面２１，２２間に挟むコンバイナ２０は、下端から上端へ向かうほど肉厚が連続的に増大する楔状を、呈している。ここで特に本実施形態では、所定の想定アイポイント９ａへと向かって各反射面２１，２２からそれぞれ延伸する光軸を、図３の一点鎖線の如く反射点Ｐから想定アイポイント９ａ側にて互いに重畳（一致）させるように、楔角Δθが設定されている。尚、想定アイポイント９ａとは、運転席６上の乗員８に関して、車両２の仕様等に応じて予め想定される瞳９の中心位置である。

具体的に楔角Δθ（°）は、裏反射面２２の反射点Ｐ’から表反射面２１の反射点Ｐへ入射する光軸上の入射角θｒと、反射点Ｐ’での反射角θｒｅｆとの間に、下記式（１）を満たしている。それと共に楔角Δθは、反射点Ｐ’へ向かう光軸上の表反射面２１での屈折角θｒ’と、反射点Ｐ’での反射角θｒｅｆとの間に、下記式（２）を満たしている。したがって、下記式（１），（２）を整理することで、下記式（３）が導出される。
θｒ＝θｒｅｆ＋Δθ …（１）
θｒ’＝θｒｅｆ−Δθ …（２）
Δθ＝（θｒ−θｒ’）／２ …（３）

また、スネルの法則により入射角θｒ及び屈折角θｒ’は、投射器１０から反射点Ｐ，Ｐ’へ入射する光軸上の入射角θｉ，θｉ’と、コンバイナ２０の屈折率ｎの間に、下記式（４）を満たしている。
ｎ＝ｓｉｎθｉ／ｓｉｎθｒ＝／ｓｉｎθｉ’／ｓｉｎθｒ’ …（４）

ここで、反射点Ｐ’へ出射する光軸上の表反射面２１での屈折点Ｐ”と、反射点Ｐとの間の距離をＤ、反射点Ｐ’から表反射面２１への垂点Ｈと同点Ｐ’との間の距離をｄとすると、距離Ｄ，ｄの間には、下記式（５）が成立する。また、投射器１０から反射点Ｐまでの距離をＬａとすると、距離Ｄ，Ｌａの間には、下記式（６）が成立する。したがって、下記式（５），（６）を整理することで、下記式（７）が導出される。
Ｄ＝ｄ・（ｔａｎθｒ＋ｔａｎθｒ’） …（５）
Ｄ／ｓｉｎ（θｉ−θｉ’）＝Ｌａ／ｓｉｎ（θｉ’＋９０°） …（６）
ｄ・（ｔａｎθｒ＋ｔａｎθｒ’）＝Ｌａ・ｓｉｎ（θｉ−θｉ’）／ｃｏｓθｉ’ …（７）

ここまでの知見によれば、上記各変数のうち距離Ｌａ，ｄと入射角θｉと屈折率ｎとが与えられることで、上記式（４），（７）から入射角θｒ及び屈折角θｒ’を求めて、さらに上記式（３）から楔角Δθの設定が可能となる。

＜曲率設定＞
図３において二点鎖線は、表面虚像４Ｉの結像位置における上端部Ｅと裏面虚像４Ｉ’の結像位置における上端部Ｅ’とから、それぞれ想定アイポイント９ａへと向かう主光線を、示している。本実施形態では特に、それら各主光線を図３の如く互いに重畳（一致）させるように、各反射面２１，２２の反射点Ｐ，Ｐ’における曲率半径Ｒ，Ｒ’が設定されている。

具体的に、投射器１０と表面虚像４Ｉとが共役となる焦点距離をｆ、反射点Ｐから表面虚像４Ｉの結像位置までの距離をＬｂとすると、距離ｆ，Ｌｂの間には、下記式（８）が成立する。
１／ｆ＝１／Ｌａ＋１／Ｌｂ …（８）

また、投射器１０と裏面虚像４Ｉ’とが共役となる焦点距離をｆ’、反射点Ｐ，Ｐ’間の距離を屈折率ｎで割った値を、反射点Ｐから裏面虚像４Ｉ’の結像位置までの距離より差し引いてなる空気換算距離をＬｂ’とすると、距離Ｆ’，Ｌｂ’の間には、下記式（９）が成立する。ここで、下記式（９）のＬａ’は、屈折点Ｐ”を経由した投射器１０から反射点Ｐ’までの空気換算距離であり、下記式（１０）にて表される。
１／ｆ’＝１／Ｌａ’＋１／Ｌｂ’ …（９）
Ｌａ’＝ｄ／｛ｃｏｓ（θｒｅｆ−Δθ）・ｎ｝＋（Ｌａ−Ｄ・ｓｉｎθｉ）／ｃｏｓ（θｉ−θｉ’） …（１０）

さらに、各虚像４Ｉ，４Ｉ’の上端部Ｅ，Ｅ’から想定アイポイント９ａへ向かう主光線を重畳させるには、各反射面２１，２２からそれぞれ延伸して互いに重畳した光軸に対し、各主光線が挟む角度φ，φ’を等しく設定すればよいので、下記の式（１１）が成立する。ここで、下記式（１１）のＬｃは、表面虚像４Ｉの結像位置から想定アイポイント９ａまでの距離であり、下記式（１１）のＬｃ’は、裏面虚像４Ｉ’の結像位置から想定アイポイント９ａまでの距離である。
（Ｌｂ／Ｌａ）／Ｌｃ＝（Ｌｂ’／Ｌａ’）／Ｌｃ’ …（１１）

以上の知見によれば、距離Ｌａ，Ｌｂが与えられることで、上記式（８）から表面反射での焦点距離ｆを求めて、当該距離ｆを満たす曲率半径Ｒを表反射面２１に設定可能となる。それと共に、求めた焦点距離ｆに加えて、距離Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｃ’と上記楔角設定での各変数とが与えられることで、上記式（９），（１０），（１１）から裏面反射での焦点距離ｆ’を求めて、当該距離ｆ’を満たす曲率半径Ｒ’を裏反射面２２に設定可能となる。

こうして式（１１）を成立させる本実施形態では、図３，４の如く凹面状表反射面２１の曲率半径Ｒが、凸面状裏反射面２２の曲率半径Ｒ’よりも小さく設定される。その結果、凹レンズ効果が発揮されることになるので、コンバイナ２０を透過して視認される外界像７の結像位置は、表面虚像４Ｉ及び裏面虚像４Ｉ’の各結像位置よりも遠くなるのである。

（作用効果）
以上説明したＨＵＤ装置１の作用効果を説明する。

ＨＵＤ装置１では、コンバイナ２０のうち室内側の表反射面２１と室外側の裏反射面２２とから、それぞれ乗員８の想定アイポイント９ａへ向かって延伸する光軸同士は、互いに重畳する。故に、各反射面２１，２２での反射により視認される表面虚像４Ｉと裏面虚像４Ｉ’との視認ずれは、重畳した光軸上にて抑制され得る。それと共にＨＵＤ装置１では、凸面状の表反射面２１の曲率半径Ｒが凹面状の裏反射面２２の曲率半径Ｒ’よりも小さいので、コンバイナ２０を透過して視認される外界像７の結像位置は、凹レンズ効果により、表面虚像４Ｉ及び裏面虚像４Ｉ’の各結像位置よりも遠くなる。その結果として乗員８は、虚像４Ｉ，４Ｉ’の各結像位置に視点を合わせながら、結像位置の遠い外界像７を同時に視認することが容易となる。以上によれば、虚像４Ｉ，４Ｉ’として表示される表示光像４と外界像７との同時視認性を、向上させることが可能である。

また、ＨＵＤ装置１によると、表反射面２１及び裏反射面２２での反射により視認される表面虚像４Ｉ及び裏面虚像４Ｉ’の各上端部Ｅ，Ｅ’から想定アイポイント９ａへ向かう主光線同士は、互いに重畳する。その結果、結像倍率の違いによる虚像４Ｉ，４Ｉ’の視認ずれは、それら主光線上にて抑制され得る。ここで、主光線同士が互いに重畳しない図５（ｂ）の比較例に対して、主光線同士が互いに重畳する図５（ａ）のＨＵＤ装置１では、裏面虚像４Ｉ’の結像位置が表面虚像４Ｉの結像位置と正しく重畳され得るのである。故に、外界像７と同時視認される表示光像４の視認性の向上効果を、高めることが可能である。

さらに、ＨＵＤ装置１によると、各反射面２１，２２にて光軸上の反射点Ｐ，Ｐ’を通る接線Ｃ，Ｃ’間には、楔角Δθが挟まれる。故に、それら各反射面２１，２２から想定アイポイント９ａへ向かう光軸同士を互いに確実に重畳させて、重畳した光軸上での虚像４Ｉ，４Ｉ’の視認ずれを抑制できるのである。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、当該実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。

具体的に変形例１では、凹面状表反射面２１の曲率半径Ｒが凸面状裏反射面２２の曲率半径Ｒ’よりも小さくなる限りで各虚像４Ｉ，４Ｉ’の端部Ｅ，Ｅ’から想定アイポイント９ａへ向かう主光線が互いにずれていてもよい。また、変形例２では、ウインドシールド５とは別体のコンバイナ２０により「表示部材」を構成する以外にも、ウインドシールド５の一部により「表示部材」を構成してもよい。さらに変形例３では、車両２以外の船舶乃至は飛行機等の各種移動体（輸送機器）に、本発明を適用してもよい。

１ＨＵＤ装置、２車両、２ａ室内領域、２ｂ室外領域、４表示光像・反射光像、４Ｉ表面虚像、４Ｉ’ 裏面虚像、５ウインドシールド、６運転席、７外界像、８乗員、９瞳、９ａ想定アイポイント、１０投射器、２０コンバイナ、２１表反射面、２２裏反射面

Claims

移動体（２）において室外の外界像（７）を室内の乗員（８）から視認可能に透過させる表示部材（２０）と、前記表示部材に表示光像（４）を投射する投射器（１０）とを、備え、前記投射器から前記表示部材への前記表示光像の投射により当該表示光像の虚像を前記乗員から視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記表示部材は、前記室内側にて前記表示光像を反射することにより前記虚像としての表面虚像（４Ｉ）を生成する凹面状の表反射面（２１）と、前記室外側にて前記表示光像を反射することにより前記虚像としての裏面虚像（４Ｉ’）を生成する凸面状の裏反射面（２２）とを、有し、
前記乗員のアイポイントとして予め想定される想定アイポイント（９ａ）へ向かって、前記表反射面と前記裏反射面とからそれぞれ延伸する光軸は、互いに重畳し、
前記表反射面の曲率半径（Ｒ）は、前記裏反射面の曲率半径（Ｒ’）よりも小さく、
前記表反射面と前記裏反射面とは、それぞれ光軸上の反射点（Ｐ，Ｐ’）を通る接線（Ｃ，Ｃ’）間に楔角を挟む構成下、
前記表面虚像の結像位置における端部（Ｅ）から前記想定アイポイントへ向かう主光線と、前記裏面虚像の結像位置における端部（Ｅ’）から前記想定アイポイントへ向かう主光線とは、互いに重畳すると共に、前記表反射面と前記裏反射面とからそれぞれ延伸して、互いに重畳の光軸に対して等しい角度を挟むように、構成するために、
前記表示部材の屈折率をｎとし、
前記楔角をΔθとし、
前記投射器から前記表反射面の反射点（Ｐ）へ入射する光軸上の前記表反射面での入射角をθｉとし、
前記投射器から前記裏反射面の反射点（Ｐ’）へ入射する光軸上の前記表反射面での入射角をθｉ’とし、
前記裏反射面の反射点（Ｐ’）での反射角をθｒｅｆとし、
前記投射器から前記表反射面の反射点（Ｐ）までの距離をＬａとし、
前記裏反射面の反射点（Ｐ’）へ出射する光軸上の前記表反射面での屈折点（Ｐ”）を経由した、前記投射器から前記裏反射面の反射点（Ｐ’）までの空気換算距離をＬａ’とし、
前記表反射面の反射点（Ｐ）から前記表面虚像の結像位置までの距離をＬｂとし、
前記表反射面の反射点（Ｐ）と前記裏反射面の反射点（Ｐ’）との間の距離を前記屈折率で割った値を、前記表反射面の反射点（Ｐ）から前記裏面虚像の結像位置までの距離より差し引いてなる空気換算距離をＬｂ’とし、
前記表面虚像の結像位置から前記想定アイポイントまでの距離をＬｃとし、
前記裏面虚像の結像位置から前記想定アイポイントまでの距離をＬｃ’とし、
前記屈折点と前記表反射面の反射点（Ｐ）との間の距離をＤとし、
前記裏反射面の反射点（Ｐ’）から前記表反射面への垂点（Ｈ）と、前記裏反射面の反射点（Ｐ’）との間の距離をｄとし、
前記投射器と前記裏面虚像とが共役となる焦点距離をｆ’とすると、
前記裏反射面の曲率半径（Ｒ’）は、以下の三つの式から求められる前記焦点距離を満たすように、設定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。
１／ｆ’＝１／Ｌａ’＋１／Ｌｂ’
Ｌａ’＝ｄ／｛ｃｏｓ（θｒｅｆ−Δθ）・ｎ｝＋（Ｌａ−Ｄ・ｓｉｎθｉ）／ｃｏｓ（θｉ−θｉ’）
（Ｌｂ／Ｌａ）／Ｌｃ＝（Ｌｂ’／Ｌａ’）／Ｌｃ’