WO2018029999A1 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

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WO2018029999A1
WO2018029999A1 PCT/JP2017/023186 JP2017023186W WO2018029999A1 WO 2018029999 A1 WO2018029999 A1 WO 2018029999A1 JP 2017023186 W JP2017023186 W JP 2017023186W WO 2018029999 A1 WO2018029999 A1 WO 2018029999A1
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display device
image
head
concave mirror
windshield
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PCT/JP2017/023186
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平田　浩二
谷津　雅彦
杉山　寿紀
一臣 金子
Original Assignee
マクセル株式会社
株式会社日立産業制御ソリューションズ
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    • G02B2027/013—Head-up displays characterised by optical features comprising a combiner of particular shape, e.g. curvature

Definitions

  • the present invention relates to a technology for a head-up display device, and particularly to a technology effective when applied to a head-up display device that projects an image on a transparent glass plate or the like.
  • HUD head-up display
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laying-Open No. 2015-194707
  • Patent Document 1 includes a device that displays an image and a projection optical system that projects the image displayed on the display device.
  • a display device that reduces screen distortion and realizes downsizing in the entire viewpoint area is described.
  • the projection optical system has a first mirror and a second mirror in the order of the optical path of the observer from the display device.
  • the incident angle in the image major axis direction of the first mirror, the incident angle in the image minor axis direction of the first mirror, the interval between the image display surface of the display device and the first mirror, and the virtual image visually recognized by the observer It is described that the size of the HUD device can be reduced by configuring so that the relationship with the width in the horizontal direction satisfies a predetermined relationship.
  • the HUD device when mounted on a vehicle such as an automobile.
  • the sunlight when exposed to strong sunlight such as midsummer, depending on the irradiation angle, the sunlight enters through the opening that projects the image light onto the windshield (windshield), and the image light passes through the reflection mirror.
  • the polarizing plate on the exit side is damaged or deteriorated by the collected sunlight.
  • part of the heat from the sunlight is dissipated to the outside. Measures such as were possible.
  • the temperature increase of the HUD casing caused by the invasion of sunlight occurs more significantly particularly when the HUD device is downsized.
  • the junction temperature of the LED which is the light source of the HUD device
  • the light emission efficiency is significantly reduced. Therefore, this measure is urgent especially for the HUD device aiming at a miniaturized configuration.
  • an object of the present invention is to provide a head-up display device that realizes further downsizing of the device and that does not damage or deteriorate the LED light source even when sunlight enters.
  • a head-up display device is a head-up display device that displays a virtual image of the image to a driver by projecting an image on a windshield of a vehicle, the LED light source And a display device that forms the image on the display device, and a virtual image that displays the virtual image in front of the vehicle by reflecting light emitted from the video display device with the windshield
  • the virtual image optical system includes a concave mirror and an optical element, and the optical axis of image light directed from the concave mirror toward the windshield is inclined in the horizontal direction on the free curved surface of the concave mirror.
  • a head-up display device that displays a virtual image of the image to a driver by projecting an image on a windshield of a vehicle
  • the LED device including an LED light source and a display element, and the image on the display element
  • a virtual image optical system that displays the virtual image in front of the vehicle by reflecting light emitted from the video display device with the windshield, and the virtual image optical system includes: A housing including a concave mirror and an optical element, and housing the video display device and the concave mirror therein, wherein a part of the housing has an opening and an optical axis inclined in a horizontal direction.
  • the formed image light is formed in a size and shape that allows the image light to pass toward the windshield, and further, the image is transmitted from the opening of the housing through the concave mirror.
  • HUD head-up display
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of an example of an operation concept of the head-up display device according to the first embodiment of the present invention.
  • an image displayed by the image display device 30 arranged in the housing 50 (or a place that can be attached to and detached from the housing 50 as will be described later) is displayed by the concave mirror 41. Reflected and projected onto the windshield 3 of the vehicle 2.
  • the member to be projected is not limited to the windshield 3 and may be another member such as a combiner as long as the image is projected.
  • the video display device 30 is configured by, for example, a projector having a backlight, an LCD (Liquid Crystal Display), or the like.
  • a self-luminous VFD (Vacuum Fluorescent Display) or the like may be used.
  • An image may be displayed on a screen by a projection device.
  • a microlens array in which microlenses are two-dimensionally arranged may be used.
  • the concave mirror 41 is constituted by, for example, a free-form surface mirror or a mirror having an optical axis asymmetric shape. More specifically, the shape of the concave mirror 41 is set so that, for example, the upper region (that is, the light beam reflected here is reflected below the windshield 3) in order to reduce the distortion of the virtual image. In the case where the distance from the viewpoint of the driver 5 is shortened), the radius of curvature is relatively decreased so that the enlargement ratio is increased. On the other hand, in the area below the concave mirror 41 (that is, the light beam reflected here is reflected above the windshield 3, the distance from the viewpoint of the driver 5 is relatively long), the enlargement ratio is small. The radius of curvature is relatively increased. By disposing the video display device 30 so as to be inclined with respect to the optical axis of the concave mirror 41, it is possible to correct the difference in image magnification as described above and obtain excellent focusing performance over the entire video display area. Become.
  • the driver 5 views the image projected as a virtual image in front of the transparent windshield 3 by viewing the image projected on the windshield 3.
  • the display position of the virtual image viewed by the driver 5 may be adjusted in the vertical direction.
  • the content displayed as a virtual image is not specifically limited, For example, vehicle information, navigation information, the image
  • the effective screen size of the video display device 30 used for the HUD is such that the screen size of the video display device 30 is determined in order to increase the size of the virtual image visually recognized by the driver 5 of the video display device to a practical size. It is necessary to increase the distance from the concave mirror 41 to the virtual image, and as a result, the size of the HUD device 1 has to be increased. In addition, since the windshield 3 on which the image is projected is normally tilted forward and backward as viewed from the driver 5, it is difficult to match the image magnification between the upper and lower portions of the virtual image.
  • an optical path folding mirror is provided between the driver 5 and the display device (the video display device 30 in this embodiment).
  • the optical path itself is lengthened to reduce the optical path difference in a region where the image magnification is partially different. Accordingly, it is possible to reduce a partial change in image magnification (image distortion) and to reduce the volume of the apparatus while securing a distance from the concave mirror 41 to the virtual image.
  • the mirror for forming a virtual image has a single concave mirror 41 as shown in FIG.
  • a distortion correction lens 43 having at least one concave surface (having negative refractive power) is disposed as a transmissive optical element.
  • the size and complexity of the HUD device 1 are suppressed, and the distortion and aberration of the virtual image visually recognized by the driver 5 are reduced to a level that causes no problem in practice, thereby improving visibility.
  • the distortion correction is performed in accordance with the shape of the concave mirror 41 by controlling the direction of light emission to the concave mirror 41 by the distortion correction lens 43.
  • the virtual image focusing performance is also corrected by setting the surface shape of the transmissive optical element as a free-form surface.
  • a plurality of distortion correction lenses 43 may be provided.
  • a distortion mirror may be reduced by arranging a curved mirror instead of correcting the distortion of the distortion correction lens 43 and controlling the incident position of the light beam on the concave mirror 41 at the same time when the optical path is turned back. .
  • an optical element optimally designed to further improve the aberration correction capability is provided between the concave mirror 41 and the image display device 30, it does not depart from the technical idea or scope of the present invention. Needless to say.
  • the free curved surface of the concave mirror 41 is designed so that the optical axis of the image light from the concave mirror 41 toward the windshield 3 is inclined (offset) in the horizontal direction.
  • sunlight enters and reaches, for example, the liquid crystal panel, which is the video display device 30 of the HUD device 1.
  • the output side polarizing plate or the like is damaged or deteriorated by the collected sunlight.
  • the optical path of the image light projected from the free-form concave mirror 41 is shown by arrows along with the mounting position of the HUD device 1 with respect to the windshield 3.
  • the light from the LED light source 31 a passes through the distortion correction lens 43 as image light via the image display device 30 made of, for example, an LCD, and is applied to the windshield 3 by the concave mirror 41.
  • the direction of heading is indicated by arrows.
  • the image light passes through an opening or a translucent member (also referred to as “anti-glare plate”) 52 formed on the upper surface of the housing 50 while being inclined (offset) in the horizontal direction. It goes to the windshield 3.
  • the opening 52 has a size and shape that allows only the image light whose optical axis is inclined (offset) in the horizontal direction by the concave mirror 41 to pass toward the windshield 3.
  • FIG. 3 is a front view of the HUD device 1 viewed from the front of the vehicle (FIG. 3A), a perspective view (FIG. 3B), and a top view of the HUD device 1 viewed from above (FIG. 3C).
  • image light source device the image light from the LED light source 31a, the image display device 30, and the distortion correction lens 43 (hereinafter also collectively referred to as “image light source device”) is horizontally directed by the concave mirror 41. Inclined (offset) to be reflected. Thereafter, the reflected image light passes through the opening 52 of the housing 50 and is then projected onto a predetermined region 31 (shown by a broken line in the drawing) of the windshield 3. In other words, the opening 52 of the housing 50 is disposed at a position offset from the concave mirror 41 in the horizontal direction.
  • the sunlight is reflected by the concave mirror 41 depending on the state of the vehicle. It may be incident at an angle close to the image light.
  • a part of the sunlight passes through the opening 52 described above and the HUD device 1.
  • the invading sunlight reversely travels the optical path of the image light through the concave mirror 41 and reaches the liquid crystal panel which is the image display device of the HUD device 1.
  • the exit side polarizing plate or the like Will be damaged or deteriorated by the concentrated sunlight.
  • the temperature rise of the HUD housing caused by the invasion of sunlight becomes more prominent when the HUD device is downsized.
  • the openings 52 may be arranged at a position offset from the concave mirror 41.
  • the concave mirror 41 cannot see the whole from the opening 52.
  • a part of the concave mirror 41 cannot be seen. You will be able to peek. That is, as shown in FIG. 2, the above-described sunlight shines from above the vehicle. For this reason, even if sunlight passes through the above-described opening 52 and enters the HUD device 1.
  • the concave mirror 41 is not reached, and it is possible to prevent the optical path of the image light from going backward through the concave mirror 41.
  • Even if sunlight reaches the concave mirror 41 it is only a part of the mirror, and it is considered that the influence of heat generation due to this is small. In other words, it is possible to prevent a situation in which sunlight is damaged or deteriorated when the vehicle is exposed to strong sunlight such as midsummer when the vehicle is stopped, which is an optical component of the HUD device. Become.
  • the structure shown in FIG. 1 and FIG. 2 that is, the concave mirror 41 with respect to the traveling direction of the vehicle
  • the image light source device including the LED light source 31a, the image display device 30, and the distortion correction lens 43 in the rear for example, as shown in FIG.
  • the optical surface of the image light directed from the concave mirror 41 toward the windshield 3 with respect to the windshield is horizontal with respect to the windshield.
  • sunlight passes through the opening 52 of the housing 50 and enters the HUD device 1, and reverses the optical path of the image light. It is possible to prevent and reduce reaching 31a. That is, even when the vehicle is stopped and exposed to strong sunlight such as midsummer, the sunlight reaches the liquid crystal panel that is the video display device of the HUD device, and the output side polarizing plate or the like is condensed. It is possible to prevent a situation where light is damaged or deteriorated.
  • FIG. 5 shows an outline of an implementation example of the video display device 30.
  • a display element 33 such as an LCD panel displays video by modulating light from a backlight based on a video signal input from a main board via a flexible cable 34.
  • Polarizing plates (not shown) are arranged on the backlight side (light incident surface) and concave mirror side (light emitting side) of the LCD panel.
  • the video displayed on the video display device 30 is output to the virtual image optical system (in this embodiment, the distortion correction lens 43 and the concave mirror 41 in FIG. 2) through the opening, and a virtual image that is visible to the driver is generated.
  • the virtual image optical system in this embodiment, the distortion correction lens 43 and the concave mirror 41 in FIG. 2
  • a relatively inexpensive and highly reliable LED (Light Emitting Diode) light source 31a is used as a solid light source.
  • the LED light source 31a is a surface-emitting type in order to increase the output. In the example of FIG. 5, it is mounted as an LED substrate. In this case, for example, the utilization efficiency of the divergent light is improved by using a technical device as will be described later.
  • the light emission efficiency with respect to the input power of the LED varies depending on the light emission color, but is about 20-30%, and most of the remainder is converted into heat.
  • the frame 35 to which the LED light source 31a is attached is provided with a heat radiation fin (heat sink 31b) made of a member having high thermal conductivity (for example, a metal member such as aluminum) to dissipate heat to the outside.
  • a heat radiation fin heat sink 31b
  • a member having high thermal conductivity for example, a metal member such as aluminum
  • the light guide 32b is used in the example of FIG.
  • a plurality of light funnels 32a composed of collimating lenses or the like are provided in order to take in the divergent light from the LED light source 31a and make it into parallel light.
  • the opening that takes in the divergent light from the LED light source 31a is a flat surface and is optically connected by inserting a medium between the LED light source 31a or condensing in a convex shape. Give action.
  • the diverging light is made as parallel light as possible, and the incident angle of the light incident on the interface of the light funnel 32a is reduced.
  • the divergence angle can be further reduced after passing through the light funnel 32a, it becomes easy to control the light source light directed to the display element 33 after being reflected by the light guide 32b.
  • polarization conversion is performed using PBS (Polarizing Beam Splitter) at the joint portion of the light funnel 32a and the light guide 32b, and the polarization direction is converted into a desired polarization direction .
  • PBS Polarizing Beam Splitter
  • the efficiency of the incident light to the display element 33 can be improved.
  • the direction of polarization rotates and passes through the display element 33, for example, it is possible to suppress the occurrence of a problem such as coloring during black display.
  • the light flux from the LED light source 31a with a reduced divergence angle is controlled by the light guide 32b, and is all provided on the slope of the light guide 32b (the surface on the exterior member 36a side in the example of FIG. 5). Reflects on the reflecting surface. Then, after being diffused by the diffusion plate 32c (diffuser) disposed between the display element 33 and the surface (outgoing surface) facing the total reflection surface in the light guide 32b, the light is transmitted to the display element 33 (LCD panel).
  • the light flux from the LED light source 31 a is diverged by disposing the diffusion plate 32 c between the light guide 32 b and the display element 33, but the configuration is not limited thereto. In place of the arrangement of the diffusion plate 32c, for example, a similar effect can be obtained by providing a fine uneven shape on the exit surface of the light guide 32b to provide a diffusion effect.
  • the HUD device 1 of the present embodiment in addition to the above-described configuration, it is preferable to provide means for blocking and reflecting sunlight that enters the housing 50.
  • this means is at least in the middle of the optical path of the video light from the video display device 30 to the opening 52 of the housing 50 through the concave mirror 41 in the housing 50.
  • It is a means for blocking or reflecting invading sunlight (hereinafter referred to as “reflector”).
  • the reflector 100 is formed with an opening 101 through which half of the surface can transmit light from the image display device 30 and the other half with a light reflector.
  • the reflecting plate 100 has a structure capable of opening and closing the optical path by moving the position thereof by driving means such as an electric motor 106, for example.
  • driving means such as an electric motor 106, for example.
  • 6 denotes a gear attached to the rotation shaft of the electric motor 106
  • 104 denotes a gear meshing with the gear 103 formed on the lower side of the reflector 100
  • 105 denotes a gear.
  • a switch B linked to an engine key or the like, and a symbol B denotes a vehicle battery, respectively.
  • the switch 105 is opened, so that the driving force from the electric motor 106 is not generated, and the reflecting plate Reference numeral 100 denotes a position indicated by a broken line in FIG. 6 (a position biased by an elastic body such as the spring 102). That is, the optical path from the video display device 30 to the opening 52 of the housing 50 via the concave mirror 41 is blocked.
  • the switch 105 is closed, and the reflecting plate 100 is positioned at the position indicated by the solid line in FIG. 6 against the biasing force of the spring 102 and the like by the driving force generated by the electric motor 106. Move to. That is, the optical path from the video display device 30 to the opening 52 of the housing 50 through the concave mirror 41 is opened.
  • the optical path in which the intruding light travels backward is blocked. More reliably, even under strong sunlight such as midsummer, the sunlight reaches the liquid crystal panel that is the video display device of the HUD device, and the polarizing plate on the exit side is damaged or deteriorated by the condensed sunlight. It becomes possible to prevent the situation.
  • the reflector 100 for preventing the sunlight from entering the video display device 30 has been described as a member whose position can be automatically moved according to the engine key.
  • the video display device 30 in the present embodiment is not limited to this, and for example, by using a liquid crystal plate or the like that changes between a transparent state and an opaque state by application of a voltage, the moving means is used. It is possible to achieve the same effect without using.
  • the reflection plate 100 is provided in the opening 52 of the housing 50, and is manually switched between a transparent state and an opaque (or reflective) state without using a moving unit, or a switch. It may be possible to operate 105 in conjunction with operations other than the engine key.
  • the present invention is not limited to this, and can be employed alone, for example.
  • a single mirror having only the concave mirror 41 is suitable for forming a virtual image, which is suitable for realizing further downsizing of the device.
  • the adoption of this configuration reaches the liquid crystal panel, which is a video display device using sunlight, which is a problem, and the polarizing plate on the output side can be prevented from being damaged or deteriorated by the condensed sunlight. It becomes.
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Abstract

ＨＵＤ装置の小型化に伴って、太陽光の侵入が映像表示装置の液晶パネルまで達し、出射側の偏光板等が集光された太陽光によって破損・劣化するのを防止する。車両のウィンドシールドに映像を投射することで、運転者に対して前記映像にかかる虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、ＬＥＤ光源および表示素子を有し、前記表示素子に前記映像を形成する映像表示装置と、前記映像表示装置から出射された光を前記ウィンドシールドで反射させることで前記虚像を前記車両の前方に表示する虚像光学系と、を有し、前記虚像光学系は、凹面ミラーと光学素子とを含み、前記凹面ミラーの自由曲面を、前記凹面ミラーから前記ウィンドシールドに向かう映像光の光軸が水平方向において傾斜するように設定した。

Description

ヘッドアップディスプレイ装置
　本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置の技術に関し、特に、透明なガラス板等に画像を投影するヘッドアップディスプレイ装置に適用して有効な技術に関するものである。
　例えば、自動車等の車両において、通常は、車速やエンジン回転数等の情報は、ダッシュボード内の計器盤（インパネ）に表示される。また、カーナビゲーション等の画面は、ダッシュボードに組み込まれもしくはダッシュボード上に設置されたディスプレイに表示される。運転者がこれらの情報を視認する場合に視線を大きく移動させることが必要となることから、視線の移動量を低減させる技術として、車速等の情報やカーナビゲーションに係る指示等の情報をフロントガラス（ウィンドシールド）等に投射して表示するヘッドアップディスプレイ（Head Up Display、以下では「ＨＵＤ」と記載する場合がある）装置が知られている。
　ＨＵＤに関連する技術として、例えば、特開２０１５－１９４７０７号公報（特許文献１）には、画像を表示するデバイスと、表示デバイスに表示された画像を投射する投射光学系とを備え、観察者の視点領域全域で画面歪みを小さくすると共に小型化を実現する表示装置が記載されている。ここでは、投射光学系は、表示デバイスから観察者の光路の順に、第１ミラーと第２ミラーを有する。そして、第１ミラーにおける画像長軸方向の入射角と、第１ミラーにおける画像短軸方向の入射角、および表示デバイスの画像表示面と第１ミラーとの間隔と、観察者によって視認される虚像の水平方向の幅との関係が、所定の関係性を満たすように構成することで、ＨＵＤ装置の小型化を実現する旨が記載されている。
特開２０１５－１９４７０７号公報
　特許文献１に記載されたような従来技術では、装置の構成を小型化することが可能であるとされるが、小型化にも制約がある。すなわち、特許文献１に記載された技術では、観察者と表示デバイスの間に２枚のミラーを配置する必要がある。このとき、第１ミラーでの反射光束が第２ミラーで遮られないようにするためにはミラーの配置の自由度は制限される。すなわち、２枚のミラーを近接配置するには制約があり、ある程度離間させて配置する必要が生じるため、その分が装置構成の小型化の支障となる。
　また、ＨＵＤ装置は、特に、自動車等の車両に搭載した場合には、以下のような問題点も指摘されている。すなわち、真夏などの強い太陽光の下にさらされた場合、照射角度によっては、映像光をフロントガラス（ウィンドシールド）に投射する開口部から当該太陽光が入射し、反射ミラーを介して映像光の光路を逆進してＨＵＤ装置の映像表示装置である液晶パネルにまで達し、最悪の場合には、出射側の偏光板が集光された太陽光によって破損・劣化させてしまう。なお、かかる太陽光の侵入に対しては、上述した従来のＨＵＤ装置のように比較的大型の筐体内に複数のミラーを取り付けた構成では、当該太陽光による熱の一部を外部に放散するなどの対策が可能であった。しかしながら、太陽光の侵入により発生するＨＵＤ筐体の温度上昇は、特に、ＨＵＤ装置を小型化した場合にはより顕著に発生する。
　このため、ＨＵＤ装置の光源であるＬＥＤのジャンクション温度が高くなると発光効率が大幅に低下するため、特に、小型化構成を目指すＨＵＤ装置にとってこの対策は急務である。
　そこで本発明の目的は、装置のさらなる小型化を実現すると共に、太陽光の侵入に対してもＬＥＤ光源を破損・劣化させてしまうことのないヘッドアップディスプレイ装置を提供することにある。
　本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
　本明細書等において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
　本発明の代表的な実施例によるヘッドアップディスプレイ装置は、車両のウィンドシールドに映像を投射することで、運転者に対して前記映像にかかる虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、ＬＥＤ光源および表示素子を有し、前記表示素子に前記映像を形成する映像表示装置と、前記映像表示装置から出射された光を前記ウィンドシールドで反射させることで前記虚像を前記車両の前方に表示する虚像光学系とを有し、前記虚像光学系は、凹面ミラーと光学素子とを含み、前記凹面ミラーの自由曲面を、前記凹面ミラーから前記ウィンドシールドに向かう映像光の光軸が水平方向において傾斜するように設定した。
　または、車両のウィンドシールドに映像を投射することで、運転者に対して前記映像にかかる虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、ＬＥＤ光源および表示素子を有し、前記表示素子に前記映像を形成する映像表示装置と、前記映像表示装置から出射された光を前記ウィンドシールドで反射させることで前記虚像を前記車両の前方に表示する虚像光学系と、を有し、前記虚像光学系は、凹面ミラーと光学素子とを含み、前記映像表示装置と前記凹面ミラーとを内部に収納した筺体を備えており、前記筺体の一部には、開口部が、その光軸が水平方向において傾斜された映像光が前記ウィンドシールドに向かって通過可能な寸法・形状で形成されており、さらに、前記筺体の前記開口部から前記凹面ミラーを介して前記映像表示装置の前記ＬＥＤ光源に至る光路の一部に、侵入する太陽光を遮断または透過する反射板を設けた。
　本明細書等において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。すなわち、ヘッドアップディスプレイ装置のさらなる小型化を実現すると共に、太陽光の侵入に対してもＬＥＤ光源を破損・劣化から防止することが可能となる。
本発明の実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置の動作概念の例について概要を示した図である。 本発明の実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置の実装形態の例について概要を示した図である。 本発明の実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成と光線について説明する図である。 本発明の他の実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成と光線について説明する図である。 本発明の実施例に係る映像表示装置の実装形態の詳細な例について示した図である。 本発明の他の実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置における太陽光の遮断・反射手段の一例を示す図である。
　以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。一方で、ある図において符号を付して説明した部位について、他の図の説明の際に再度の図示はしないが同一の符号を付して言及する場合がある。また、以下に示す各実施例では、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置が自動車等の車両に設置される場合を例として説明するが、電車や航空機等の他の乗り物にも適用可能である。また、乗り物以外の用途に用いるＨＵＤ装置にも適用可能である。
　図１は、本発明の実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の動作概念の例について概要を示した図である。本実施例のＨＵＤ装置１では、筐体５０内（もしくは、後述するように筐体５０に対して着脱可能な箇所）に配置された映像表示装置３０によって表示された映像を、凹面ミラー４１により反射させて、車両２のウィンドシールド３に投射する。
　ここで、被投射部材はウィンドシールド３に限られず、映像が投射される部材であれば、コンバイナなど他の部材とすることができる。また、映像表示装置３０は、例えば、バックライトを有するプロジェクタやＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成される。自発光型のＶＦＤ（Vacuum Fluorescent Display）等であってもよい。投射装置によりスクリーンに映像を表示するものであってもよい。このようなスクリーンとしては、例えば、マイクロレンズを２次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成してもよい。
　凹面ミラー４１は、例えば、自由曲面ミラーや光軸非対称の形状を有するミラー等により構成される。より具体的には、凹面ミラー４１の形状は、虚像の歪みを低減するために、例えば、その上部の領域（すなわち、ここで反射した光線はウィンドシールド３の下方で反射するため、相対的に運転者５の視点との距離が短くなる）では、拡大率が大きくなるように相対的に曲率半径を小さくする。一方、凹面ミラー４１の下部の領域（すなわち、ここで反射した光線はウィンドシールド３の上方で反射するため、相対的に運転者５の視点との距離が長くなる）では、拡大率が小さくなるように相対的に曲率半径を大きくする。映像表示装置３０を凹面ミラー４１の光軸に対して傾斜させて配置することで、上記のような像倍率の違いを補正して、映像表示領域全面において優れたフォーカス性能を得ることが可能となる。
　運転者５は、ウィンドシールド３に投射された映像を見ることで、透明のウィンドシールド３を通してその前方に虚像として上記映像を視認する。凹面ミラー４１の角度を調整することで、映像をウィンドシールド３に投射する位置を調整することにより、運転者５が見る虚像の表示位置を上下方向に調整可能としてもよい。なお、虚像として表示する内容は特に限定されず、例えば、車両情報やナビゲーション情報、図示しないカメラ映像（監視カメラやアラウンドビュアー等）で撮影した前方の風景の映像などを適宜表示することができる。
　ＨＵＤに使用する映像表示装置３０の有効画面サイズは、映像表示装置の運転者５が視認する虚像の大きさを実用的な寸法まで大きくするためには、映像表示装置３０の画面寸法が決まれば凹面ミラー４１から虚像までの距離を大きくする必要があり、結果として、ＨＵＤ装置１の寸法が大きくならざるを得なかった。また、映像が投射されるウィンドシールド３は運転者５から見て通常前後に傾斜して配置されているため、虚像の上部と下部で像倍率を整合させることが困難であった。
　これに対し、上述した特許文献１に記載されたような従来技術では、凹面ミラー４１に加えて、運転者５と表示デバイス（本実施例では映像表示装置３０）の間に光路折り返しミラーを設け、光路そのものを長くして像倍率が部分的に異なる領域での光路差を小さくしている。これにより、凹面ミラー４１から虚像までの距離を確保しつつ、像倍率の部分的な変化（像の歪み）の軽減と装置の容積の低減を可能とするとされている。
　一方で、凹面ミラー４１と光路折り返しミラーの２枚のミラーを必要とすることで、ミラーの配置の自由度は制限され、２枚のミラーをある程度離間させて配置する必要が生じることから、装置の小型化の支障となっている。また、運転者５が視認する虚像において発生する収差の補正については、特許文献１においてもその必要性や具体的な手段等について一切記載も考慮もされていない。
　これに対し、本実施例のＨＵＤ装置１では、装置のさらなる小型化を実現するため、図１に示すように、虚像を形成するためのミラーを凹面ミラー４１の１枚構成とする。さらに、運転者５と映像表示装置３０との間に、透過型の光学素子として、例えば、少なくとも一方の面が凹面（負屈折力を有する）の歪み等補正レンズ４３を配置する。これにより、凹面ミラー４１と映像表示装置３０の距離を短縮しても映像表示装置３０からの映像光線の出射方向を制御することで凹面ミラー４１の所望の位置に入射するように制御する。この結果、ＨＵＤ装置１を小型化しても凹面ミラーの形状により歪みを大幅に低減できる。　　　
　上述した本実施例の構成により、ＨＵＤ装置１の大型化や複雑化を抑制しつつ、運転者５が視認する虚像の歪みと収差を実用上問題のないレベルまで軽減して視認性を向上させることを可能とする。すなわち、歪み等補正レンズ４３によって凹面ミラー４１への光線の出射方向を制御することで、凹面ミラー４１の形状と合わせて歪曲収差の補正を行う。さらに、透過型の光学素子の面形状を自由曲面として虚像のフォーカス性能も併せて補正する。
　また、収差補正能力をさらに高めるために、歪み等補正レンズ４３を複数枚設けてもよい。もしくは、歪み等補正レンズ４３の歪み補正に代えて曲面ミラーを配置して、光路の折り返しと同時に凹面ミラー４１への光線の入射位置を制御することで、歪曲収差を低減するようにしてもよい。このように、収差補正能力をさらに向上させるために最適設計された光学素子を凹面ミラー４１と映像表示装置３０の間に設けても、本発明の技術的思想または範囲を逸脱するものではないことは言うまでもない。
　さらに、本実施例のＨＵＤ装置１では、凹面ミラー４１の自由曲面を、当該凹面ミラー４１からウィンドシールド３に向かう映像光の光軸が水平方向において傾斜（オフセット）するように設計する。このことにより、太陽光が侵入してＨＵＤ装置１の映像表示装置３０である例えば液晶パネルまで達し、最悪の場合には、出射側の偏光板等が集光された太陽光によって破損・劣化させてしまうことから防止する。図２および図３には、ＨＵＤ装置１のウィンドシールド３に対する取り付け位置と共に、自由曲面の凹面ミラー４１から投射される映像光の光路を矢印により示す。
　図２は、ＨＵＤ装置１内において、ＬＥＤ光源３１ａからの光が、例えばＬＣＤからなる映像表示装置３０を介して、映像光として歪み等補正レンズ４３を通過し、凹面ミラー４１によってウィンドシールド３に向かう様子が矢印により示されている。なお、このとき、映像光は、水平方向に傾斜（オフセット）しながら筐体５０の上面に形成された開口部または透光部材（さらには、「防眩板」とも言う）５２を通過してウィンドシールド３に向かうこととなる。なお、この開口部５２は、凹面ミラー４１によって光軸が水平方向において傾斜（オフセット）された映像光のみがウィンドシールド３に向かって通過可能な寸法・形状を有している。
　図３は、ＨＵＤ装置１を車両の前面から見た正面図（図３（Ａ））、斜視図（図３（Ｂ））、さらには、その上部から見た上面図（図３（Ｃ））をそれぞれ示しておいる。これらの図からも明らかなように、ＬＥＤ光源３１ａ、映像表示装置３０、歪み等補正レンズ４３（以下、総称して「映像光源装置」とも言う）からの映像光は、凹面ミラー４１によって水平方向に傾斜（オフセット）して反射される。その後、この反射された映像光は、筐体５０の開口部５２を通過した後に、ウィンドシールド３の所定の領域３１（図に破線で示す）に投射される。換言すれば、筐体５０の開口部５２は、水平方向において、凹面ミラー４１からオフセットされた位置に配置されている。
　一方、車両が日中に走行する場合には、図２にも示すように、太陽光にさらされ、既に述べたように、車両の状態によっては、太陽光が、凹面ミラー４１によって反射された映像光に近接した角度で入射する場合がある。その際、特に、車両の停止状態（駐車中等）では、例えば、真夏などの強い太陽光が当該角度で入射した場合、当該太陽光の一部が上述した開口部５２を通過してＨＵＤ装置１内に侵入する。そして、この侵入した太陽光は、凹面ミラー４１を介して映像光の光路を逆進してＨＵＤ装置１の映像表示装置である液晶パネルまで達し、最悪の場合には、出射側の偏光板等が集光された太陽光によって破損・劣化させてしまう。さらに、太陽光の侵入により発生するＨＵＤ筐体の温度上昇は、ＨＵＤ装置を小型化した場合にはより顕著になる。
　上述した太陽光の侵入を軽減するには、上記図３（Ａ）～（Ｃ）、特に、車両の上部から見た上面図（図３（Ｃ））からも明らかなように、上記開口部５２を凹面ミラー４１からオフセットされた位置へ配置するとよい。このような配置とすれば、筐体５０の開口部５２からその内部を覗いた場合、凹面ミラー４１は、開口部５２からその全体をうかがうことはできず、但し、場合によっては、その一部を覗くことできる程度となる。すなわち、上述した太陽光は、図２にも示すように、車両の上方から照り付けるものであり、そのため、例え太陽光が上述した開口部５２を通過してＨＵＤ装置１内に侵入しても、凹面ミラー４１に達することはなく、凹面ミラー４１を介して映像光の光路を逆進することを防止することが可能となる。なお、太陽光が凹面ミラー４１に達したとしても、当該ミラーの一部分にしか過ぎず、そのことによる発熱の影響は小さいものと考えられる。すなわち、停車中において、真夏などの強い太陽光の下にさらされた場合においても、太陽光がＨＵＤ装置の光学部品であるＬＥＤ光源３１ａを破損・劣化させてしまう事態を防止することが可能となる。
　また、ＨＵＤ装置１では、その他の小型化に適した構造として、各部の配置・構成によっては、上記図１や図２に示した構造（すなわち、車両の進行方向に対して、凹面ミラー４１の後方にＬＥＤ光源３１ａ、映像表示装置３０、歪み等補正レンズ４３を含む映像光源装置が配置される）に代え、例えば図４（Ａ）にも示すように、凹面ミラー４１の後方に映像光源装置が配置される構造を採用する場合も考えられる。なお、その場合においても、図４（Ｂ）にも示すように、凹面ミラー４１の自由曲面を、当該凹面ミラー４１からウィンドシールド３に向かう映像光の光軸が水平方向においてウィンドシールドに対して傾斜させるように設計することによれば、上述と同様にして、太陽光が筐体５０の開口部５２を通過してＨＵＤ装置１内に侵入して映像光の光路を逆進し、ＬＥＤ光源３１ａにまで達することを防止・低減することが可能となる。すなわち、停車中において、真夏などの強い太陽光の下にさらされた場合においても、太陽光がＨＵＤ装置の映像表示装置である液晶パネルまで達し、出射側の偏光板等が集光された太陽光によって破損・劣化させてしまう事態を防止することが可能となる。
　続いて、図５には、映像表示装置３０の実装例についての概要を示す。ここでは、モジュール化された映像表示装置３０を各部品に分解した状態を斜視図により示している。映像表示装置３０は、ＬＣＤパネル等の表示素子３３が、フレキシブルケーブル３４を介してメイン基板から入力された映像信号に基づいて、バックライトからの光を変調することで映像を表示する。ＬＣＤパネルのバックライト側（光入射面）および凹面ミラー側（光出射側）には偏光板（図示せず）を配置している。映像表示装置３０に表示された映像は、開口部を通して虚像光学系（本実施例では、図２における歪み等補正レンズ４３および凹面ミラー４１）に出力され、運転者が視認可能な虚像が生成される。
　バックライトにおける光源素子には、例えば、固体光源として比較的安価で信頼性の高いＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源３１ａを用いる。ＬＥＤ光源３１ａは、高出力化するために面発光型とする。図５の例ではＬＥＤ基板として実装している。この場合、例えば、後述するような技術的な工夫を用いて発散光の利用効率を向上させる。
　ＬＥＤの入力電力に対する発光効率は、発光色によっても異なるが、２０～３０％程度であり、残りはほとんどが熱に変換される。このため、ＬＥＤ光源３１ａを取り付けるフレーム３５には、熱伝導率の高い部材（例えば、アルミニウム等の金属部材）からなる放熱用のフィン（ヒートシンク３１ｂ）を設けて熱を外部に放散させる。これにより、ＬＥＤ光源３１ａの発光効率そのものを向上させる効果を得ることができる。特に、現在市場に出回っている赤色を発光色とするＬＥＤは、ジャンクション温度が高くなると発光効率が大幅に低下し、同時に映像の色度も変化する。したがって、ＬＥＤ光源３１ａの温度低減を優先させるため、ヒートシンク３１ｂにおける放熱フィンの面積を大きくして冷却効率を高めた構成とするのが望ましい。
　ＬＥＤ光源３１ａからの発散光を効率よく表示素子３３に導くため、図５の例では、導光体３２ｂを用いている。この場合、塵などの付着を防止するため、例えば、外装部材３６ａ、３６ｂによって導光体３２ｂや表示素子３３等の全体を覆い、映像表示装置３０としてモジュール化するのが望ましい。
　また、図５の例では、ＬＥＤ光源３１ａからの発散光を取り込んで平行光とするため、コリメートレンズ等からなる複数のライトファネル３２ａを設けている。各ライトファネル３２ａにおいてＬＥＤ光源３１ａからの発散光を取り込む開口部は、例えば、平面とした上でＬＥＤ光源３１ａとの間に媒質を挿入して光学的に接続する、もしくは、凸面形状として集光作用を持たせる。これにより、発散光を可能な限り平行光として、ライトファネル３２ａの界面に入射する光の入射角を小さくする。その結果、ライトファネル３２ａを通過後、さらに発散角を小さくすることができるため、導光体３２ｂで反射した後に表示素子３３に向かう光源光の制御が容易となる。
　さらに、ＬＥＤ光源３１ａからの発散光の利用効率を向上させるため、ライトファネル３２ａと導光体３２ｂの接合部分においてＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter）を用いて偏光変換を行い、所望の偏光方向に変換する。これにより、表示素子３３への入射光の効率を向上させることができる。このように光源光の偏光方向を揃えた場合には、さらに導光体３２ｂの素材として複屈折が少ない材料を用いるのが望ましい。これにより、偏波の方向が回転して表示素子３３を通過する場合において、例えば、黒表示時に色付き等の問題が発生するのを抑制することができる。
　このように、発散角が低減されたＬＥＤ光源３１ａからの光束は、導光体３２ｂにより制御され、導光体３２ｂの斜面（図５の例では外装部材３６ａ側の面）に設けられた全反射面において反射する。そして、導光体３２ｂにおいて当該全反射面に対向する面（出射面）と表示素子３３との間に配置された拡散板３２ｃ（ディフューザー）により拡散された後、表示素子３３（ＬＣＤパネル）に入射する。なお、図５の例では、導光体３２ｂと表示素子３３との間に拡散板３２ｃを配置することでＬＥＤ光源３１ａからの光束を発散させているが、このような構成に限られない。拡散板３２ｃの配置に代えて、例えば、導光体３２ｂの出射面に微細な凹凸形状を設けて拡散効果を持たせることでも同様の効果を得ることができる。
　さらに、本実施例のＨＵＤ装置１では、上述した構成に加え、その筐体５０内に侵入する太陽光を遮断・反射するための手段を設けることが好ましい。なお、かかる手段は、筐体５０内において、図６にも示すように、少なくとも、映像表示装置３０から凹面ミラー４１を介して筐体５０の開口部５２に至る映像光の光路の途中において、侵入する太陽光を遮断または反射するための手段である（以下、「反射板」と言う）。この反射板１００は、この図６からも明らかなように、その表面の半分には、映像表示装置３０からの光線が透過可能な開口１０１が形成されると共に、残りの半分は光の反射板または遮断板として形成されており、その一部に、例えば、バネ１０２等の弾性体が取り付けられるによって所定の位置に保持されている。加えて、この反射板１００は、例えば、電動モータ１０６等の駆動手段により、その位置を移動することにより、光路を開閉することが可能な構造となっている。なお、図６の符号１０３は、上記電動モータ１０６の回転軸に取り付けられた歯車を、符号１０４は、反射板１００の下辺に形成された当該歯車１０３と噛み合う歯車を、さらに、符号１０５は、エンジンキー等に連動したスイッチを、符号Ｂは車両のバッテリーを、それぞれ示している。
　上記の構成によれば、例えば、駐車場などに車両を停止してエンジンキーを切った状態では、スイッチ１０５は開放されていることから、電動モータ１０６からの駆動力は発生せず、反射板１００は、図６に破線で示した位置（バネ１０２等の弾性体によってバイアスされた位置）となる。すなわち、映像表示装置３０から凹面ミラー４１を介して筐体５０の開口部５２に至る光路は遮断された状態となる。一方、エンジンキーを入れた状態では、スイッチ１０５は閉止され、電動モータ１０６で発生された駆動力により、バネ１０２等のバイアス力に抗して、反射板１００は、図６に実線で示す位置に移動する。すなわち、映像表示装置３０から凹面ミラー４１を介して筐体５０の開口部５２に至る光路は開放された状態となる。
　このように、筐体５０内に上述した反射板１００を設けることによれば、侵入する太陽光が問題となる車両の停止時等においては、当該侵入光が逆進する光路を遮断することにより、より確実に、真夏などの強い太陽光の下においても、太陽光がＨＵＤ装置の映像表示装置である液晶パネルまで達し、出射側の偏光板等が集光された太陽光によって破損・劣化させてしまう事態を防止することが可能となる。
　なお、上記の例では、映像表示装置３０への太陽光の入射を防止するための反射板１００を、その位置がエンジンキーに応じて自動的に移動可能な部材として説明した。しかしながら、本実施例における映像表示装置３０はこれに限定されることなく、例えば、電圧の印加により透明な状態と不透明な状態の間で変化する液晶板などを利用することによれば、移動手段を用いることなく同様の効果を達成することが可能となる。また、上記の反射板１００を、例えば、筐体５０の開口部５２に設け、移動手段を用いずに手動で透明な状態と不透明（または、反射可能）な状態の間で切り替え、または、スイッチ１０５をエンジンキー以外の動作に連動して作動するようにすることも可能であろう。なお、上述した反射板１００による太陽光のへの入射を防止手段は、以上に述べた反射ミラーからウィンドシールドに向かう映像光の光軸の水平方向における傾斜（オフセット）と共に採用することによれば、より確実な効果を期待できるが、しかしながら、本発明はそれにのみ限定されることなく、例えば、単独で採用することも可能である。
　以上に詳述したように、本実施例に係るＨＵＤ装置１によれば、装置のさらなる小型化を実現するために好適な、虚像を形成するためのミラーを凹面ミラー４１のみの１枚の構成とすることに加え、当該構成の採用により課題となる太陽光による映像表示装置である液晶パネルまで達し、出射側の偏光板等が集光された太陽光によって破損・劣化を防止することが可能となる。すなわち、装置のさらなる小型化を実現すると共に、太陽光の侵入に対してもＬＥＤ光源を破損・劣化させてしまうことのない、実用的にも優れたヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。また、太陽光が液晶パネルまで達し、液晶パネルで反射した太陽光が運転者の視点（ＦＯＶ）に戻ることを防止できる。
　以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１…ＨＵＤ装置、２…車両、３…ウィンドシールド、３０…映像表示装置、４１…凹面ミラー、４３…歪み等補正レンズ、５０…筐体、５２…開口部、１００…反射板、１０１…開口、１０６…電動モータ、１０５…スイッチ。

Claims (8)

  1. 　車両のウィンドシールドに映像を投射することで、運転者に対して前記映像にかかる虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
    　ＬＥＤ光源および表示素子を有し、前記表示素子に前記映像を形成する映像表示装置と、
    　前記映像表示装置から出射された光を前記ウィンドシールドで反射させることで前記虚像を前記車両の前方に表示する虚像光学系と、を有し、
    　前記虚像光学系は、凹面ミラーと光学素子とを含み、
    　前記凹面ミラーの自由曲面を、前記凹面ミラーから前記ウィンドシールドに向かう映像光の光軸が水平方向において傾斜するように設定した、ヘッドアップディスプレイ装置。
  2. 　請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    　さらに、前記映像表示装置と前記凹面ミラーとを内部に収納した筺体を備えており、前記筺体の一部には、開口部が、その光軸が水平方向において傾斜された映像光が前記ウィンドシールドに向かって通過可能な寸法・形状で形成されている、ヘッドアップディスプレイ装置。
  3. 　請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    　前記開口部は、水平方向において、前記凹面ミラーと異なる位置に配置されている、ヘッドアップディスプレイ装置。
  4. 　請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    　さらに、前記筺体の前記開口部から前記凹面ミラーを介して前記表示素子に至る光路の一部に、侵入する太陽光を遮断または透過する反射板を設けた、ヘッドアップディスプレイ装置。
  5. 　車両のウィンドシールドに映像を投射することで、運転者に対して前記映像にかかる虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
    　ＬＥＤ光源および表示素子を有し、前記表示素子に前記映像を形成する映像表示装置と、
    　前記映像表示装置から出射された光を前記ウィンドシールドで反射させることで前記虚像を前記車両の前方に表示する虚像光学系と、を有し、
    　前記虚像光学系は、凹面ミラーと光学素子とを含み、
    　前記映像表示装置と前記凹面ミラーとを内部に収納した筺体を備えており、前記筺体の一部には、開口部が、その光軸が水平方向において傾斜された映像光が前記ウィンドシールドに向かって通過可能な寸法・形状で形成されており、さらに、
    　前記筺体の前記開口部から前記凹面ミラーを介して前記表示素子に至る光路の一部に、侵入する太陽光を遮断または透過する反射板を設けた、ヘッドアップディスプレイ装置。
  6. 　請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    　前記反射板を、前記筺体の開口部に設けた、ヘッドアップディスプレイ装置。
  7. 　請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    　前記反射板を、前記凹面ミラーから前記光源に至る光路の一部に設けた、ヘッドアップディスプレイ装置。
  8. 　請求項７に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    　前記反射板は、自動的に光路を開閉可能である、ヘッドアップディスプレイ装置。
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