JP2016031478A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 表示領域の黒輝度と背景の黒輝度の差によって生じる境界を視認させないようにする。【解決手段】 ヘッドアップディスプレイ装置１０は、光源１２と、光源１２からの光の透過率を制御して、画像を表示部材１５に表示する液晶表示素子１３と、環境照度を測定する照度センサー１８と、照度センサー１８の測定結果を用いて、光源１２の輝度を制御する制御回路２０とを含む。制御回路２０は、液晶表示素子１３によって表示部材１５に表示される表示領域の黒輝度と、表示領域の周囲の背景の黒輝度との差によって生じる境界が視認されないように、光源１２の輝度を制御する。【選択図】 図７

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に係り、特に液晶表示素子を用いたヘッドアップディスプレイ装置に関する。

車両のフロントガラスなどの表示部材に液晶表示素子からの表示光を投射して虚像を表示させるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）が知られている。このヘッドアップディスプレイでは、例えば、バックライトからの照明光が液晶表示素子を透過した表示光を反射鏡（又は凹面鏡）で反射させ、この反射光をフロントガラス又はコンバイナーなどの表示部材に投射することで、運転者が表示部材に表示された虚像を視認するようになっている。これにより、運転者が運転状態からほとんど視野を動かすことなく情報を読み取ることができる。

暗所でヘッドアップディスプレイを使用する場合、ヘッドアップディスプレイによる表示領域の黒輝度と、表示領域の周囲の背景の黒輝度とに差が生じる。この時、これらの輝度差に起因して表示領域と背景との境界が観察者に視認されてしまう。

人間の目のダイナミックレンジは、例えば、８０デシベル程度である。完全な暗所において境界が視認されないためには、１００００：１以上のコントラスト比が必要である。一般的に、液晶表示素子のコントラスト比は、１００：１〜２０００：１程度なので、完全な暗所で境界を消すことは難しい。

特開平１０−２２１６９１号公報

本発明は、表示領域の黒輝度と背景の黒輝度の差によって生じる境界を視認させないようにすることが可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供する。

本発明の一態様に係るヘッドアップディスプレイ装置は、光源と、前記光源からの光の透過率を制御して、画像を表示部材に表示する液晶表示素子と、環境照度を測定する照度センサーと、前記照度センサーの測定結果を用いて、前記光源の輝度を制御する制御回路とを具備する。前記制御回路は、前記液晶表示素子によって前記表示部材に表示される表示領域の黒輝度と、前記表示領域の周囲の背景の黒輝度との差によって生じる境界が視認されないように、前記光源の輝度を制御することを特徴とする。

また、本発明の一態様に係るヘッドアップディスプレイ装置は、光源と、前記光源からの光の透過率を制御して、画像を表示部材に表示する液晶表示素子と、環境照度を測定する照度センサーと、前記照度センサーの測定結果を用いて、前記光源の輝度を制御する制御回路とを具備する。前記液晶表示素子は、前記表示部材に表示される表示領域のうち第１領域に黒を表示し、前記第１領域以外の第２領域に黒以外の色を表示する。前記制御回路は、前記第１領域の黒輝度と、前記表示領域の周囲の背景の黒輝度との差によって生じる境界が視認されないように、前記第２領域の輝度及び／又は面積を特定値以上に制御することを特徴とする。

また、本発明の一態様に係るヘッドアップディスプレイ装置は、光源と、前記光源からの光の透過率を制御して、画像を表示部材に表示する液晶表示素子と、環境照度を測定する照度センサーと、前記照度センサーの測定結果を用いて、前記光源の輝度を制御する制御回路とを具備する。前記制御回路は、前記液晶表示素子によって前記表示部材に表示される表示領域の黒輝度と、前記表示領域の周囲の背景の黒輝度との差が視認されないように、前記表示領域の周縁部に、黒以外の色の枠を表示することを特徴とする。

本発明によれば、表示領域の黒輝度と背景の黒輝度の差によって生じる境界を視認させないようにすることが可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。

ヘッドアップディスプレイ装置の表示領域と背景との境界を説明する図。 環境照度と表示領域及び背景の黒輝度との関係を示すグラフ。 背景に対する表示領域の輝度比及び輝度差を示すグラフ。 図３の環境照度を常用対数表示したグラフ。 バックライトの輝度と環境照度との関係を示すグラフ。 第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を模式的に示した断面図。 ヘッドアップディスプレイ装置のブロック図。 液晶表示素子の断面図。 環境照度とバックライト輝度の上限値との関係を説明する図。 第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の表示領域の平面図。 第２実施形態に係る表示領域の黒輝度と背景の黒輝度との境界における弁別輝度差を示すグラフ。 ヘッドアップディスプレイ装置１０が表示する情報の一例を示す図。 第３実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の画面上の表示領域の平面図。 表示部材において視認される背景及びヘッドアップディスプレイ装置の表示領域の平面図。 グラデーション領域の透過率を示すグラフ。 第３実施形態に係る表示領域の黒輝度と背景の黒輝度との境界における弁別輝度差を示すグラフ。 フィルムを用いてグラデーション領域を形成する手法を説明する図。 ブラックマトリクスを用いてグラデーション領域を形成する手法を説明する図。 第４実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の表示領域の平面図。 表示部材において視認される背景及びヘッドアップディスプレイ装置の表示領域の平面図。 第４実施形態に係る表示領域の黒輝度と背景の黒輝度との弁別輝度差を示すグラフ。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［第１実施形態］
［１］原理
ヘッドアップディスプレイ装置では、液晶表示素子から出射された表示光が、車両のフロントガラスやコンバイナーなどの表示部材に投射される。そして、観察者は、表示部材からの表示光の反射によって得られる虚像を背景に重畳させて観察する。従って、ヘッドアップディスプレイ装置によって表示される文字や図形が背景から浮き出るようにすると、より高級感が増す。夜間などの暗所（環境照度が低い場所）、すなわち背景が暗い状況でヘッドアップディスプレイ装置を使用する場合、背景の黒輝度に表示領域の黒輝度を合わせることで、表示部材に表示される情報が背景から浮き出るようにすることができる。しかしながら、図１に示すように、背景の黒輝度と表示領域の黒輝度とに差が生じて、その境界が観察者に視認されてしまう問題がある。このように、ヘッドアップディスプレイ装置の表示領域と背景との境界が観察者に視認されると、ヘッドアップディスプレイ装置の表示に対する高級感が低減してしまう。

発明者らは、背景の黒輝度と表示領域の黒輝度との境界が観察者に視認されない条件について実験を行った。図２は、環境照度と表示領域及び背景の黒輝度との関係を示すグラフである。図２には、背景の黒輝度に関するグラフと、ヘッドアップディスプレイ装置の表示領域の黒輝度に関するグラフとを載せている。図２の横軸が環境照度（ルクス：ｌｘ）、図２の縦軸が黒輝度（ｃｄ／ｍ^２）である。

図３は、背景に対する表示領域の輝度比及び輝度差を示すグラフである。図３の横軸が環境照度（ｌｘ）、図３の縦軸が輝度比及び輝度差（ｃｄ／ｍ^２）である。図３のグラフは、図２のグラフに基づいて算出している。背景の輝度Ｌ_０、ヘッドアップディスプレイ装置の表示領域の輝度Ｌ_１とすると、輝度比Ｌ_１／Ｌ_０、輝度差“Ｌ_１−Ｌ_０”である。また、表示領域の輝度Ｌ_１＞０である。

図３に示すように、環境照度１００ｌｘ付近に変曲点があり、１００ｌｘ以上の環境照度では、境界が視認される輝度比はほぼ一定である。背景に対する表示領域の輝度比が１．０１２以上１．０１６以下の範囲にあれば、境界が視認されないことが分かる。

また、１００ｌｘ未満の環境照度では、境界が視認される輝度差が環境照度によって変わる。図４は、図３の環境照度を常用対数表示したグラフである。図４に示すように、１００ｌｘ未満の環境照度では、境界が視認される輝度差と環境照度の常用対数とに１次関数の関係があることが分かる。

背景と表示領域との境界の視認性に環境照度依存性があることから、境界が視認されないためには、環境照度に応じて液晶表示素子の光源であるバックライトの輝度（ＢＬ輝度）を特定値より低くする必要がある。

以下に、暗所と明所とを区別するための特定の環境照度を境界にして、暗所と明所とにおけるＢＬ輝度の制御手法について説明する。本実施形態では、ヘッドアップディスプレイ装置を使用する条件において、暗所と明所とを区別するための特定の環境照度を、図３の実験結果に基づいて、１００ｌｘと規定する。なお、暗所と明所とを区別するための特定の環境照度は、被験者の目の感度、及びヘッドアップディスプレイ装置の構成及び光学系などによって変動する。

［１−１］暗所（１００ｌｘ未満）でのＢＬ輝度
上記の考察に鑑みて、暗所（１００ｌｘ未満）でのＢＬ輝度の条件について説明する。暗所では、ＢＬ輝度を下げることで、背景の黒輝度と表示領域の黒輝度との差を小さくすることができる。

図３及び図４から、環境照度が概略１００ｌｘ未満では、背景の黒輝度と表示領域の黒輝度との差が以下の式（１）を満たす場合、境界は視認されない。“ｌｏｇ”は、１０を底とする常用対数である。

Ｌ_１−Ｌ_０≦０．５・ｌｏｇＩ−０．４ ・・・（１）
Ｌ_０：背景の黒輝度（ｃｄ／ｍ^２）
Ｌ_１：表示領域の黒輝度（ｃｄ／ｍ^２）
Ｉ：環境照度（ｌｘ）
輝度差“Ｌ_１−Ｌ_０”は、以下の式（２）で表される。ここでいうスクリーンは、液晶表示素子から出射された表示光が投射される表示部材（車両のフロントガラスやコンバイナーなど）であり、パネルは、液晶表示素子である。

Ｌ_１−Ｌ_０＝（ＢＬ輝度）×（黒表示時のパネル透過率）×（スクリーン反射率）
・・・（２）
黒表示時のパネル透過率、及びスクリーン反射率は、ヘッドアップディスプレイ装置の構成によって変わってくる。一例として、黒表示時のパネル透過率を０．００６％、スクリーン反射率を３０％とすると、境界が視認されない条件を満たすＢＬ輝度は、以下の式（３）で表される。

ＢＬ輝度≦（０．５・ｌｏｇＩ−０．４）／（０．００００６×０．３）
≦５６０００（０．５・ｌｏｇＩ−０．４） ・・・（３）
例えば、環境照度Ｉ＝１００ｌｘの場合、ＢＬ輝度は、３３，０００ｃｄ／ｍ^２以下となり、環境照度Ｉ＝１０ｌｘの場合、ＢＬ輝度は、５，６００ｃｄ／ｍ^２以下となる。

［１−２］明所（１００ｌｘ以上）でのＢＬ輝度
次に、明所（１００ｌｘ以上）でのＢＬ輝度の条件について説明する。図３及び図４から、環境照度が概略１００ｌｘ以上では、輝度比Ｌ_１／Ｌ_０≦１．０１２を満たす場合、境界は視認されない。

輝度比Ｌ_１／Ｌ_０は、以下の式（４）のように変形できる。

Ｌ_１／Ｌ_０＝１＋（Ｌ_１−Ｌ_０）／Ｌ_０ ・・・（４）
また、今回の実験条件では、環境照度Ｉ（ｌｘ）との間に、“Ｌ_０＝０．４Ｉ”の関係がある。よって、式（２）及び（４）より、境界が視認されない条件を満たすＢＬ輝度は、以下の式（５）で表される。

ＢＬ輝度≦（１．０１２−１）×０．４Ｉ／（０．００００６×０．３）
≦２７０Ｉ ・・・（５）
例えば、環境照度Ｉ＝１０００ｌｘの場合、ＢＬ輝度は、２７０，０００ｃｄ／ｍ^２以下となり、環境照度Ｉ＝１００００ｌｘの場合、ＢＬ輝度は、２７００，０００ｃｄ／ｍ^２以下となる。

図５は、ＢＬ輝度と環境照度との関係を示すグラフである。図５の横軸は環境照度（ｌｘ）の常用対数表示、図５の縦軸はバックライト輝度（ｃｄ／ｍ^２）である。環境照度に応じて液晶表示素子のバックライト輝度を図５のグラフの数値以下に制御することで、背景の黒輝度と表示領域の黒輝度との境界が観察者に視認されないようにすることが可能である。

なお、暗所と明所との境界の照度（本実施形態では１００ｌｘ）、及び図２乃至図５に記載された輝度に関する数値は、観察者の目の感度、観察者による輝度の分解能、光学系の構成及び特性、表示部材の反射率、及び表示部材上の表示領域のサイズなどによって変わってくる。よって、より多くの被験者による実験結果を統計し、平均的な数値を算出することが望ましい。

［２］ヘッドアップディスプレイ装置の構成
次に、ヘッドアップディスプレイ装置の構成について説明する。図６は、本発明の第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０を模式的に示した断面図である。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、表示ユニット１１、反射部材（反射鏡）１４、及び表示部材１５を備える。表示ユニット１１は、光源部（バックライト）１２、及び液晶表示素子１３を備える。

バックライト１２は、例えば面形状を持つ光源（面光源）から構成され、液晶表示素子１３に照明光を供給する。バックライト１２に含まれる発光素子としては、例えば白色の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）が用いられる。すなわち、バックライト１２は、白色光を放射する。液晶表示素子１３は、バックライト１２からの照明光を透過して光変調を行う。そして、液晶表示素子１３は、車速等の運転情報を示す画像を表示する。

反射鏡１４は、平面鏡、又は凹面鏡などから構成される。反射鏡１４は、液晶表示素子１３からの表示光を表示部材１５に向けて反射する。反射鏡１４として凹面鏡を用いた場合、凹面鏡は、液晶表示素子１３からの表示光を所定の拡大率で拡大する。

表示部材１５は、液晶表示素子１３から出射される表示光を投射するために使用され、表示光を運転者へ反射することで、表示光を虚像（表示像）１７として表示させる。表示部材１５は、例えば車両のフロントガラスである。また、表示部材１５は、ヘッドアップディスプレイ装置１０専用に設けられた半透明なスクリーン（コンバイナー）であってもよい。コンバイナーは、例えば、車両のダッシュボード上に配置されたり、観察者（運転者）１６の前方に配置されたルームミラーに装着されたり、フロントガラスの上部に設置されたサンバイザーに装着されて使用される。コンバイナーは、例えば、曲面を有する板状の合成樹脂製の基材からなり、その基材の表面には酸化チタン、酸化シリコンなどからなる蒸着膜が施され、この蒸着膜によって半透過の機能を備える。

図６の矢印で示すように、バックライト１２から出射された照明光は、液晶表示素子１３を透過するとともに光変調される。液晶表示素子１３を透過した表示光は、反射鏡１４によって反射され、表示部材１５に投射される。この表示部材１５への表示光の投射によって得られる虚像１７が観察者１６に視認される。これにより、観察者１６は、運転席の正面前方に表示される虚像１７を背景と重畳させて観察することができる。

図７は、ヘッドアップディスプレイ装置１０のブロック図である。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、さらに照度センサー１８を備える。照度センサー１８は、表示部材１５近辺に取り付けられ、表示部材１５近辺の環境照度を測定する。照度センサー１８によって測定された環境照度は、表示ユニット１１に送られる。

表示ユニット１１は、さらに、記憶回路１９及び制御回路２０を備える。記憶回路１９は、例えば不揮発性メモリから構成される。記憶回路１９は、ヘッドアップディスプレイ装置１０の動作に必要な各種データを格納する。また、記憶回路１９は、バックライト１２の輝度を制御するために必要な各種データを格納する。

制御回路２０は、照度センサー１８から環境照度の測定データを受け、この測定データ及び記憶回路１９のデータに基づいて、バックライト１２の輝度を制御する。また、制御回路２０は、外部から画像データを受け、この画像データに基づいて、液晶表示素子１３を駆動する。

（液晶表示素子１３の構成）
次に、液晶表示素子１３の構成の一例について説明する。図８は、液晶表示素子１３の断面図である。

液晶表示素子１３は、スイッチングトランジスタ及び画素電極等が形成されるＴＦＴ基板２１と、カラーフィルター及び共通電極が形成されかつＴＦＴ基板２１に対向配置されるカラーフィルター基板（ＣＦ基板）２２と、ＴＦＴ基板２１及びＣＦ基板２２間に挟持された液晶層２３とを備える。ＴＦＴ基板２１及びＣＦ基板２２の各々は、透明基板（例えば、ガラス基板）から構成される。ＣＦ基板２２は、バックライト１２に対向配置され、バックライト１２からの照明光は、ＣＦ基板２２側から液晶表示素子１３に入射する。ＴＦＴ基板２１のバックライト１２とは反対側の面が液晶表示素子１３の表示面である。

液晶層２３は、ＴＦＴ基板２１及びＣＦ基板２２間を貼り合わせるシール材（図示せず）によって封入された液晶材料により構成される。液晶材料は、ＴＦＴ基板２１及びＣＦ基板２２間に印加された電界に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。液晶モードとしては、例えばＶＡ（Vertical Alignment）モードが用いられるが、勿論、ＴＮ（Twisted Nematic）モードやホモジニアスモードなど他の液晶モードであってもよい。

ＴＦＴ基板２１の液晶層２３側には、複数のスイッチングトランジスタ２４が設けられる。スイッチングトランジスタ２４としては、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）が用いられる。スイッチングトランジスタ２４は、走査線（図示せず）に電気的に接続されるゲート電極と、ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられた半導体層（例えばアモルファスシリコン層）と、半導体層上に離間して設けられたソース電極及びドレイン電極とを備える。ソース電極は、信号線（図示せず）に電気的に接続される。

スイッチングトランジスタ２４上には、絶縁層２５が設けられる。絶縁層２５上には、複数の画素電極２６が設けられる。絶縁層２５内かつスイッチングトランジスタ２４のドレイン電極上には、画素電極２６に電気的に接続されたコンタクトプラグ２７が設けられる。

ＣＦ基板２２の液晶層２３側には、カラーフィルター２８が設けられる。カラーフィルター２８は、複数の着色フィルター（着色部材）を備え、具体的には、複数の赤フィルター２８−Ｒ、複数の緑フィルター２８−Ｇ、及び複数の青フィルター２８−Ｂを備える。一般的なカラーフィルターは光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）で構成される。隣接したＲ、Ｇ、Ｂの三色のセットが表示の単位（ピクセル、又は画素と呼ぶ）となっており、１つの画素中のＲ、Ｇ、Ｂのいずれか単色の部分はサブピクセル（サブ画素）と呼ばれる最小駆動単位である。スイッチングトランジスタ２４及び画素電極２６は、サブピクセルごとに設けられる。

赤フィルター２８−Ｒ、緑フィルター２８−Ｇ、及び青フィルター２８−Ｂの境界部分、及び画素（サブピクセル）の境界部分には、遮光用のブラックマトリクス（遮光膜）ＢＭが設けられる。すなわち、ブラックマトリクスＢＭは、網目状に形成される。ブラックマトリクスＢＭは、例えば、着色部材間の不要な光を遮蔽し、コントラストを向上させるために設けられる。

カラーフィルター２８及びブラックマトリクスＢＭ上には、共通電極２９が設けられる。共通電極２９は、液晶表示素子１３の表示領域全体に平面状に形成される。

円偏光板３０、３１は、ＴＦＴ基板２１及びＣＦ基板２２を挟むように設けられる。円偏光板３０、３１はそれぞれ、直線偏光子と１／４波長板とから構成される。

画素電極２６、コンタクトプラグ２７、及び共通電極２９は、透明電極から構成され、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。絶縁層２５としては、透明な絶縁材料が用いられ、例えば、シリコン窒化物（ＳｉＮ）が用いられる。

［３］動作
次に、上記のように構成されたヘッドアップディスプレイ装置１０の動作について説明する。液晶表示素子１３は、運転情報などの画像を表示部材１５に投射する。観察者１６は、液晶表示素子１３によって表示部材１５に表示される表示領域を、表示部材１５を介して視認される背景に重畳して観察する。さらに、ヘッドアップディスプレイ装置１０が暗所で使用される場合、液晶表示素子１３は、黒以外の輝度で表示される運転情報以外の領域を暗所と同じ黒で表示する。

さらに、本実施形態では、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、背景の黒輝度と表示領域の黒輝度との境界（図１を参照）が観察者に視認されないように、バックライト１２の輝度を制御する。具体的には、制御回路２０は、照度センサー１８から送られる環境照度の測定データに基づいて、バックライト１２の輝度を制御する。

図３乃至図５に示すように、暗所と明所とを区別するための特定の環境照度（本実施形態では、１００ｌｘ）を基準とし、環境照度が１００ｌｘ未満（暗所）である場合、制御回路２０は、表示領域の黒輝度と背景の黒輝度との差に応じてバックライト１２の輝度を変える。すなわち、制御回路２０は、照度センサー１８によって測定される環境照度が増加するにつれて表示領域の黒輝度と背景の黒輝度との差が単調増加する関数以下になるように、バックライト１２の輝度を制御する。この時、表示領域の黒輝度と背景の黒輝度との差は、環境照度の常用対数の一次関数である。

また、環境照度が１００ｌｘ以上（明所）である場合、制御回路２０は、背景の黒輝度に対する表示領域の黒輝度の比に応じてバックライト１２の輝度を変える。すなわち、制御回路２０は、背景の黒輝度に対する表示領域の黒輝度の比が一定値以下になるように、バックライト１２の輝度を制御する。

以下に、式を用いて、バックライト１２の輝度の制御動作を説明する。環境照度が１００ｌｘ未満（暗所）である場合、背景の黒輝度と表示領域の黒輝度との差が以下の式（６）を満たす場合、境界は視認されない。

Ｌ_１−Ｌ_０≦ｄ_１・ｌｏｇＩ＋ｄ_２ ・・・（６）
また、環境照度が１００ｌｘ以上（明所）である場合、背景の黒輝度に対する表示領域の黒輝度の輝度比が以下の式（７）を満たす場合、境界は視認されない。

Ｌ_１／Ｌ_０≦ｄ_３ ・・・（７）
Ｌ_０：背景の黒輝度（ｃｄ／ｍ^２）
Ｌ_１：表示領域の黒輝度（ｃｄ／ｍ^２）
Ｉ：環境照度（ｌｘ）
ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３：定数
式（６）及び（７）をそれぞれバックライトの輝度ＢＬの条件に変換すると、以下の式（８）及び（９）となる。

ＢＬ≦Ｃ_１・ｌｏｇＩ＋Ｃ_２ ・・・（８）
ＢＬ≦Ｃ_３・Ｉ ・・・（９）
Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３：定数
本実施形態では、環境照度は観察者の位置にスクリーン方向に向いた状態で配置された照度センサーによって照度測定を行っており、黒表示時における液晶表示素子の透過率が０．００６％、液晶表示素子を出射した表示光の３０％が有効利用される光学系（表示部材の反射率が３０％）を用いており、各定数の値は、Ｃ_１＝２８０００、Ｃ_２＝−２２４００、Ｃ_３＝２７０である。図９は、環境照度Ｉ（ｌｘ）とバックライト輝度の上限値との関係を説明する図である。

照度測定環境、液晶表示素子の黒表示時の透過率、及び光学系の光利用効率等が異なる場合には各定数は上記と異なる値となる。上記手法に従ってバックライト輝度を制御することにより、背景の黒輝度と表示領域の黒輝度とに差により生じる境界を弁別閾値以下にすることができ、また、境界が観察者に視認されないようにすることができる。

［４］効果
以上詳述したように第１実施形態では、ヘッドアップディスプレイ装置１０（具体的には、制御回路２０）は、液晶表示素子１３によって表示部材１５に表示される表示領域の黒輝度と、表示領域の周囲の背景の黒輝度との差によって生じる境界が視認されないように、バックライト１２の輝度を制御する。すなわち、制御回路２０は、照度センサー１８によって測定される測定結果が暗所と明所とを区別するための特定の環境照度未満である場合、測定結果が増加するにつれて表示領域の黒輝度と背景の黒輝度との差が単調増加する関数以下になるように、バックライト１２の輝度を制御する。また、制御回路２０は、測定結果が特定の環境照度以上である場合、背景の黒輝度に対する表示領域の黒輝度の比が一定値以下になるように、バックライト１２の輝度を制御する。

従って第１実施形態によれば、環境照度が変化した場合でも、表示領域の黒輝度と背景の黒輝度の差によって生じる境界を視認させないようにすることが可能なヘッドアップディスプレイ装置１０を実現できる。これにより、より高級感のある情報表示を行うことができる。

［第２実施形態］
黒表示される表示領域のうち一部の領域の表示を、表示領域と背景との境界の周囲光として捉えることで、人間が認識できる輝度範囲を広げることができる。その結果、人間が識別できる輝度の分解能を下げることができる。第２実施形態は、ヘッドアップディスプレイ装置１０の表示領域に黒以外の階調を有するウィンドウを表示させる。そして、このウィンドウの視覚効果により、表示領域の黒輝度と背景の黒輝度との境界の弁別閾値を高くすることで、境界を視認されづらくするようにしている。

図１０は、本発明の第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０の表示領域４０の平面図である。図１０の表示領域４０は、表示部材１５に投射された表示を表している。図１０の数値は、階調をパーセントで表したものであり、白が１００％、黒が０％である。

ヘッドアップディスプレイ装置１０の表示領域４０内に、例えば２５％の面積を有するウィンドウ４１を設ける。表示領域４０を黒表示にしつつ、ウィンドウ４１の階調を１００％（白）から０％（黒）まで変化させる。この実験により、ウィンドウ４１の階調（輝度）を高くするほど、ヘッドアップディスプレイ装置１０の表示領域の黒輝度と背景の黒輝度との境界の弁別閾値を高くすることができる。

図１１は、第２実施形態に係る表示領域４０の黒輝度と背景の黒輝度との境界における弁別輝度差を示すグラフである。弁別輝度差とは、表示領域４０の黒輝度と背景の黒輝度とを観察者が識別できる輝度差である。図１１の横軸は環境照度（ｌｘ）の常用対数表示、図１１の縦軸は弁別輝度差（ｃｄ／ｍ^２）である。図１１には、ウィンドウ４１の階調が１００％（白）、５４％（グレー）、２０％（グレー）、及び０％（黒）の４種類のグラフを載せている。

環境照度が約１０ｌｘ以上５０ｌｘ以下の範囲における各階調の弁別輝度差Ｄと環境照度Ｉとの近似式を求めると、以下のようになる。

ウィンドウ（１００％）：Ｄ＝０．３２５ｌｏｇＩ−０．２４８
ウィンドウ（５４％） ：Ｄ＝０．２９７ｌｏｇＩ−０．２５２
ウィンドウ（２０％） ：Ｄ＝０．２５７ｌｏｇＩ−０．２２６
ウィンドウ（０％） ：Ｄ＝０．２４９ｌｏｇＩ−０．２３２
図１１及び上記式から、Ｄ＞０の領域では、ウィンドウ４１の輝度と弁別輝度差Ｄとが単調増加の関係にあることが分かる。また、図１１から、ウィンドウ４１の階調を変えることで、観察者が境界を認識できる弁別輝度差が変化することが分かる。さらに、ウィンドウ４１の階調（輝度）が高くなるほど、弁別輝度差が大きくなる、すなわち、境界が視認されづらくなる。第２実施形態は、特に、環境照度が低い、例えば概略１０ｌｘ以上５０ｌｘ以下の範囲において有効である。

本実施形態では、実験を簡略化するために、黒以外の画像領域を四角形のウィンドウ４１で構成している。しかし、実際には、ヘッドアップディスプレイ装置１０が表示する情報としての画像の総面積をウィンドウ４１に置き換えることができる。すなわち、ウィンドウ４１の形状は、四角に限定されず、任意の形状を適用できる。また、ウィンドウ４１の面積は、任意に設定可能であるが、ウィンドウ４１の面積が大きくなるほど、弁別輝度差を大きくできる。

図１２は、ヘッドアップディスプレイ装置１０が表示する情報４１の一例を示す図である。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、表示部材１５に運転情報４１を表示する。運転情報４１の合計面積は、前述したウィンドウの面積に対応する。表示領域４０のうち運転情報４１以外の領域は、黒表示である。図１２（ａ）は、運転情報４１の面積が小さい例であり、図１２（ｂ）は、運転情報４１の面積が大きい例である。運転情報４１の合計面積は、表示領域４０の黒輝度と、表示領域４０の周囲の背景の黒輝度との差によって生じる境界が視認されないように、特定値以上に設定される。さらに、運転情報４１は、図１０のウィンドウと同様に、最適な階調に設定される。

制御回路２０は、照度センサー１８によって測定された環境照度を用いて、表示領域４０の黒輝度と、表示領域４０の周囲の背景の黒輝度との差によって生じる境界が視認されないように、ウィンドウ４１の輝度及び／又は面積を特定値以上に制御する。すなわち、制御回路２０は、弁別輝度差が図１１に示すグラフ以下の数値になるように、ウィンドウ４１の輝度及び／又は面積を制御する。具体的には、図１１に示すように、境界が視認されない輝度差の閾値は、環境照度の常用対数が増加するにつれて単調増加する。よって、制御回路２０は、弁別輝度差が図１１の閾値以下になるように、ウィンドウ４１の輝度及び／又は面積を制御する。さらに、制御回路２０は、弁別輝度差が図１１の閾値以下になるように、表示領域４０の黒輝度を制御する。

従って第２実施形態によれば、黒以外のウィンドウ４１の輝度及び／又は面積によって、知覚できる分解能を下げることができる。これにより、表示領域の黒輝度と背景の黒輝度の差によって生じる境界を視認させないようにすることが可能なヘッドアップディスプレイ装置１０を実現できる。

［第３実施形態］
第３実施形態は、ヘッドアップディスプレイ装置１０の表示領域の周縁部に、外側に向かって白から黒になるグラデーション領域を設ける。そして、このグラデーション領域による視覚効果により、表示領域の黒輝度と背景の黒輝度との境界を視認されづらくするようにしている。

図１３は、本発明の第３実施形態に係る液晶表示素子１３の画面の平面図である。液晶表示素子１３は、画像が表示される表示領域４０と、表示領域４０の周囲を囲む矩形の額縁４４とを備える。額縁４４は、画像が表示されない領域であり、また、液晶を制御する周辺回路が配置される領域である。額縁４４は、例えばブラックマトリクスＢＭで覆われ、黒で視認される。

液晶表示素子１３の表示領域４０の周縁部には、枠状のグラデーション領域４２が設けられる。グラデーション領域４２は、画面の外側に向かって白から黒になる。

図１４は、表示部材１５において視認される背景及びヘッドアップディスプレイ装置１０の表示領域４０の平面図である。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、表示部材１５に表示領域４０を表示し、この表示領域４０の周縁部には、枠状のグラデーション領域４２が設けられる。グラデーション領域４２は、外側に向かって白から黒になる。具体的には、液晶表示素子１３の画面に設けられたグラデーション領域が表示部材１５に表示されることで、図１４のグラデーション領域４２が実現される。

液晶表示素子１３の画面上におけるグラデーション領域４２の幅は、概略２．５ｍｍである。図１５は、グラデーション領域４２の透過率を示すグラフである。図１５の縦軸は透過率Ｔ（％）であり、図１５の横軸は相対座標Ｘである。図１５の記号Ａ、Ｂはそれぞれ、図１４の記号Ａ、Ｂの位置に対応する。すなわち、記号Ａ、Ｂ間の距離が概略２．５ｍｍである。

例えば、グラデーション領域４２は、ガンマ値γ＝３である。グラデーション領域４２のガンマ値は任意に設定可能である。

図１６は、第３実施形態に係る表示領域４０の黒輝度と背景の黒輝度との境界における弁別輝度差を示すグラフである。図１６の横軸は環境照度（ｌｘ）の常用対数表示、図１６の縦軸は弁別輝度差（ｃｄ／ｍ^２）である。図１６では、グラデーション領域４２以外の表示領域４０の階調が１００％（白）である。

図１６に示すように、表示領域４０の周縁部にグラデーション領域４２を設けることで、表示領域４０の黒輝度と背景の黒輝度との境界における弁別輝度差を上げることができる。環境照度が約１０ｌｘ以上５０ｌｘ以下の範囲におけるグラデーションあり／なしでの弁別輝度差Ｄと環境照度Ｉとの近似式を求めると、以下のようになる。

グラデーションなし：Ｄ＝０．２４９１ｌｏｇＩ−０．２３２
グラデーションあり：Ｄ＝０．８８８ｌｏｇＩ−０．７０６
図１６及び上記式から、Ｄ＞０の領域では、グラデーションありの方がグラデーションなしよりも弁別輝度差Ｄが大きくなる。このように、表示領域４０の周縁部にグラデーション領域４２を設けることで、弁別輝度差を大きくすることができ、すなわち、境界を視認されづらくすることができる。第３実施形態のみでも境界を視認されづらくすることができるが、第３実施形態を他の実施形態を適用することで、境界をより視認されづらくすることができる。

グラデーションを設ける手法としては、（１）グラデーションを設けたフィルムを画面の表示領域４０の周縁部に配置又は貼る、（２）ＴＦＴ基板にトランジスタ及び配線を形成するＴＦＴ工程において、遮光性を有する配線メタルの開口のサイズを調整してグラデーションを形成する、（３）カラーフィルター及びブラックマトリクスを形成するＣＦ工程において、ブラックマトリクスの開口のサイズを調整してグラデーションを形成する、など様々な手法を適用できる。

図１７は、フィルム４５を用いてグラデーション領域４２を形成する手法を説明する図である。グラデーション領域４２を有するフィルム４５を、液晶表示素子（ＬＣＤ）１３の画面に貼ることで、図１３に示すグラデーション領域４２を実現できる。

図１８は、ブラックマトリクスＢＭを用いてグラデーション領域４２を形成する手法を説明する図である。グラデーション領域４２において、ブラックマトリクスＢＭは、表示領域４０の外側に向かうほど面積が小さくなる複数の開口部４３を備える。このように、ブラックマトリクスＢＭの開口部４３の面積を調整することで、表示領域４０の周縁部にグラデーションを形成することができる。

［第４実施形態］
第４実施形態では、ヘッドアップディスプレイ装置１０の表示領域の周縁部に、表示すべき情報と関係しない又は関係する、黒以外の色を１色以上含む枠を表示する。そして、この枠の視覚効果により、表示領域の黒輝度と背景の黒輝度との弁別閾値を高くすることで、表示領域の黒輝度と背景の黒輝度との差が視認されないようにしている。

図１９は、本発明の第４実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０の表示領域４０の平面図である。図２０は、表示部材１５において視認される背景及びヘッドアップディスプレイ装置１０の表示領域４０の平面図である。

表示領域４０の周縁部には、黒以外の色からなる枠４０Ａが制御回路２０によって表示される。枠４０Ａは、黒以外の色を１色以上含んでいれば単一色でなくてもよく、また、枠４０Ａは、破線形状等の黒を含む図形であってもよい。枠４０Ａの形状及び色は、表示を行っている間は常に同じでも良く、また、枠４０Ａの内側に表示すべき内容、環境照度、その他の要因に応じて変えても良い。

縦方向の枠４０Ａの幅は、１ドット以上かつ表示領域４０の縦ドット数の１／４以下である任意のドット数に設定される。また、横方向の枠４０Ａの幅は、１ドット以上かつ表示領域４０の横ドット数の１／４以下である任意のドット数に設定される。表示領域のドットの幅は、表示領域のラインの幅と同意である。

図２１は、第４実施形態に係る表示領域４０の黒輝度と背景の黒輝度との弁別輝度差を示すグラフである。図２１の横軸は環境照度（ｌｘ）の常用対数表示、図２１の縦軸は弁別輝度差（ｃｄ／ｍ^２）である。図２１には、枠あり及び枠なしのグラフを載せている。

図２１では、表示領域４０の縦ドット数が２４０、横ドット数が４８０のヘッドアップディスプレイ装置１０を用いている。また、環境照度が約１０ｌｘ以上５０ｌｘ以下の範囲において、枠４０Ａとして２ドット幅の白を表示させ、枠４０Ａ以外の領域４０Ｂに黒を表示させる。そして、背景の黒輝度と、表示領域４０のうち枠４０Ａ以外の領域４０Ｂの黒輝度との弁別輝度差を調べている。また、比較例として表示領域４０全体に黒を表示させた場合における表示領域４０の黒輝度と背景の黒輝度との弁別輝度差を実施形態と同一被験者により調べている。環境照度が約１０ｌｘ以上５０ｌｘ以下の範囲における枠あり／なしでの弁別輝度差Ｄと環境照度Ｉとの近似式を求めると、以下のようになる。

枠なし：Ｄ＝０．３００ｌｏｇＩ−０．２８５
枠あり：Ｄ＝１．６６ｌｏｇＩ−１.００
制御回路２０は、液晶表示素子１３によって表示部材１５に表示される表示領域４０（領域４０Ａ）の黒輝度と、表示領域４０の周囲の背景の黒輝度との差が視認されないように、表示領域４０の周縁部に、黒以外の色の枠４０Ａを表示する。また、制御回路２０は、照度センサー１８によって測定された環境照度を用いて、領域４０Ｂの黒輝度と背景の黒輝度との差が視認されないように、領域４０Ｂの黒輝度を制御する。具体的には、図２１に示すように、領域４０Ｂの黒輝度と背景の黒輝度との差が視認されない閾値（弁別輝度差）は、環境照度の常用対数が増加するにつれて単調増加する。よって、制御回路２０は、照度センサー１８によって測定された環境照度を用いて、領域４０Ｂの黒輝度と背景の黒輝度との差が図２１に示すグラフ（Ｄ＝０．３００ｌｏｇＩ−０．２８５）以下になるように、領域４０Ｂの黒輝度を制御する。さらに、制御回路２０は、領域４０Ｂの黒輝度と背景の黒輝度との差が視認されないように、枠４０Ａの輝度及び又は幅を制御する。

このように、表示領域４０に黒以外の色を含む枠４０Ａを表示することで、背景の黒輝度と、表示領域４０のうち枠４０Ａ以外の領域４０Ｂの黒輝度と弁別輝度差を大きくすることができ、すなわち背景の黒と表示領域の黒と輝度差を認識しにくくすることができる。また、枠４０Ａの輝度を高くするほど、弁別輝度差を大きくすることができ、さらに、枠４０Ａの幅を大きくするほど、弁別輝度差を大きくすることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施観察者１６形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

１０…ヘッドアップディスプレイ装置、１１…表示ユニット、１２…バックライト、１３…液晶表示素子、１４…反射部材、１５…表示部材、１６…観察者、１７…虚像、１８…照度センサー、１９…記憶回路、２０…制御回路、２１，２２…基板、２３…液晶層、２４…スイッチングトランジスタ、２５…絶縁層、２６…画素電極、２７…コンタクトプラグ、２８…カラーフィルター、２９…共通電極、３０，３１…円偏光板、４０…表示領域、４１…ウィンドウ、４２…グラデーション領域。

Claims (10)

1. 光源と、
   前記光源からの光の透過率を制御して、画像を表示部材に表示する液晶表示素子と、
   環境照度を測定する照度センサーと、
   前記照度センサーの測定結果を用いて、前記光源の輝度を制御する制御回路と、
   を具備し、
   前記制御回路は、前記液晶表示素子によって前記表示部材に表示される表示領域の黒輝度と、前記表示領域の周囲の背景の黒輝度との差によって生じる境界が視認されないように、前記光源の輝度を制御することを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記制御回路は、
   前記測定結果が暗所と明所とを区別するための第１環境照度未満である場合、前記表示領域の黒輝度と前記背景の黒輝度との差に応じて前記光源の輝度を変え、
   前記測定結果が前記第１環境照度以上である場合、前記背景の黒輝度に対する前記表示領域の黒輝度の比に応じて前記光源の輝度を変える
   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. 前記制御回路は、
   前記測定結果が暗所と明所とを区別するための第１環境照度未満である場合、前記測定結果が増加するにつれて前記表示領域の黒輝度と前記背景の黒輝度との差が単調増加する関数以下になるように、前記光源の輝度を制御し、
   前記測定結果が前記第１環境照度以上である場合、前記背景の黒輝度に対する前記表示領域の黒輝度の比が一定値以下になるように、前記光源の輝度を制御する
   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。
4. 前記表示領域の黒輝度と前記背景の黒輝度との差は、前記環境照度の常用対数の一次関数であることを特徴とする請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記液晶表示素子は、前記表示領域の周縁部に設けられ、外側に向かって白から黒になるグラデーション領域を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 光源と、
   前記光源からの光の透過率を制御して、画像を表示部材に表示する液晶表示素子と、
   環境照度を測定する照度センサーと、
   前記照度センサーの測定結果を用いて、前記光源の輝度を制御する制御回路と、
   を具備し、
   前記液晶表示素子は、前記表示部材に表示される表示領域のうち第１領域に黒を表示し、前記第１領域以外の第２領域に黒以外の色を表示し、
   前記制御回路は、前記第１領域の黒輝度と、前記表示領域の周囲の背景の黒輝度との差によって生じる境界が視認されないように、前記第２領域の輝度及び／又は面積を特定値以上に制御することを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
7. 前記境界が視認されない輝度差の閾値は、前記環境照度の常用対数が増加するにつれて単調増加し、
   前記制御回路は、前記輝度差が前記閾値以下になるように、前記第２領域の輝度及び／又は面積を制御することを特徴とする請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
8. 光源と、
   前記光源からの光の透過率を制御して、画像を表示部材に表示する液晶表示素子と、
   環境照度を測定する照度センサーと、
   前記照度センサーの測定結果を用いて、前記光源の輝度を制御する制御回路と、
   を具備し、
   前記制御回路は、前記液晶表示素子によって前記表示部材に表示される表示領域の黒輝度と、前記表示領域の周囲の背景の黒輝度との差が視認されないように、前記表示領域の周縁部に、黒以外の色の枠を表示することを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
9. 前記表示領域の黒輝度と前記背景の黒輝度との差が視認されない輝度差の閾値は、前記環境照度の常用対数が増加するにつれて単調増加し、
   前記制御回路は、前記表示領域の黒輝度と前記背景の黒輝度との差が前記閾値以下になるように、前記表示領域の黒輝度を制御することを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
10. 前記枠の色は、白であることを特徴とする請求項８又は９に記載のヘッドアップディスプレイ装置。