JP6830222B2 - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Description

本開示は、自動車等の車両に搭載されるヘッドアップディスプレイに関する。

特許文献１は、ヘッドアップディスプレイの基本的な構成を開示している。具体的には、特許文献１は、表示器３０（光学変調素子）で変調された光をレンズ４０（投写レンズ）を介して結像部材５０（スクリーン）上に実像（中間像）として結像させ、前記実像（中間像）を反射鏡６０，７０（ミラー）を介してウインドシールド（コンバイナ）で反射させることで虚像として運転者に視認させるヘッドアップディスプレイを開示している。

特許文献２は、ヘッドアップディスプレイにおいて、透過型スクリーン１８（スクリーン）の法線を光軸ＡＸに対して傾けて配置することで、外光の入射による虚像の視認性の低下を抑制する技術を開示している。

特開２００４−１２６２２６号公報 特開２０１４−１４９４０５号公報

特許文献２のヘッドアップディスプレイでは、透過型スクリーン１８の法線は、レンズ１７の光軸に対して平行でなく、傾いている。そのため、ＤＭＤ１５（光学変調素子）から出射された映像光が透過型スクリーン１８に適切に結像しない可能性がある。

本開示は、外光の入射による虚像の視認性の低下を抑制しつつ、光学変調素子から出射された映像光を、スクリーンに適切に結像させることができるヘッドアップディスプレイを提供する。

本開示のヘッドアップディスプレイは、光学変調素子で変調された光を投写レンズを介してスクリーン上に中間像として結像させ、中間像をミラーを介してコンバイナで反射させることで虚像を利用者に視認させる。
スクリーンの法線が投写レンズの光軸に対して傾斜している。
光学変調素子の出射面が、スクリーンと投写レンズの主面とに関してシャインプルーフの条件を満たすように、傾斜している。

本開示におけるヘッドアップディスプレイによれば、外光の入射による虚像の視認性の低下を抑制しつつ、光学変調素子から出射された映像光を、スクリーンに適切に結像させることができる。

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイが搭載される車両の部分模式図 実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図 実施の形態１に係る投写型映像表示ユニットの構成を示す模式図 実施の形態１に係る投写型映像表示装置内の要部を示す部分模式図 シャインプルーフの条件を説明するための図 シャインプルーフの条件を満たす具体例における各パラメータの数値表 シャインプルーフの条件を満たす具体例の横収差図 シャインプルーフの条件を満たす具体例のディストーションを表す図 ヘッドアップディスプレイの映像領域を示す模式図 実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
以下、図１〜図９を用いて、本開示の実施の形態１を説明する。

［１−１．全体構成］
図１は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤとも言う）１０１が搭載された車両１００の部分模式図である。

ヘッドアップディスプレイ１０１は、図１に示すようにダッシュボード１０３の内部に配置される。ヘッドアップディスプレイ１０１は、映像光Ｂを開口部１０４を介して出射し、出射した映像光Ｂをウインドシールド１０２により反射させることで、虚像Ｉを運転者Ｄ（利用者）に視認させるようにした映像表示装置である。

ウインドシールド１０２は、コンバイナの一例である。コンバイナは、背景である第２の画像と、ヘッドアップディスプレイ１０１から出射される映像光Ｂによる第１の画像を重畳する役割をもつ半透過型光学素子である。本実施形態では、第２の画像は運転者Ｄからウインドシールド１０２を通して見える前方の景色である。この前方の景色にヘッドアップディスプレイ１０１からの映像光Ｂによる虚像Ｉがウインドシールド１０２により重畳され、運転者Ｄは重畳された映像を視認することができる。なお、本実施の形態では、コンバイナは、車両１００の構成部材であるウインドシールド１０２であるが、ウインドシールド１０２とは別途に設けたハーフミラーなどで構成してもよい。

［１−２．ＨＵＤの構成］
図２は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１０１を車両の側方からみた模式図である。ヘッドアップディスプレイ１０１は、投写型映像表示ユニット２００と、スクリーン２１０と、虚像表示ユニット３００とを有する。

図３は、投写型映像表示ユニット２００の構成の一例を示す模式図である。投写型映像表示ユニット２００は、光源２０１Ｒ、２０１Ｇ、２０１Ｂ、コリメートレンズ２０２Ｒ、２０２Ｇ、２０２Ｂ、ダイクロイックミラー２０３Ｒ、２０３Ｇ、２０３Ｂ、インテグレータ光学系２０４、ミラー２０６、光学変調素子２０７、及び投写レンズ２０８を有する。

光源２０１Ｒは、赤色光を出射する。光源２０１Ｇは、緑色光を出射する。光源２０１Ｂは、青色光を出射する。光源２０１Ｒ、２０１Ｇ、２０１Ｂは、ＬＥＤ、半導体レーザ等により構成可能である。

コリメートレンズ２０２Ｒ、２０２Ｇ、２０２Ｂは、光源２０１Ｒ、２０１Ｇ、２０１Ｂに対応させて設けられ、光源２０１Ｒ、２０１Ｇ、２０１Ｂから出射された光をそれぞれ平行光化する。

ダイクロイックミラー２０３Ｒ、２０３Ｇ、２０３Ｂは、それぞれ、特定波長範囲の光を反射し、それ以外の波長の光を透過させるミラーである。ダイクロイックミラー２０３Ｂは、コリメートレンズ２０２Ｂを透過した青色光を反射する。ダイクロイックミラー２０３Ｇは、コリメートレンズ２０２Ｇを透過した緑色光を反射し、ダイクロイックミラー２０３Ｂで反射された青色光を透過する。ダイクロイックミラー２０３Ｒは、コリメートレンズ２０２Ｒを透過した赤色光を反射し、ダイクロイックミラー２０３Ｇを透過した青色光及びダイクロイックミラー２０３Ｇで反射された緑色光を透過する。

インテグレータ光学系２０４は、ロッド、凸レンズ等により構成され、入射した光を均一化して出射する。

ミラー２０６は、インテグレータ光学系２０４から出射された光を反射する。

光学変調素子２０７は、入射した光を光学的に変調し、かつ反射する。光学変調素子２０７は、例えば、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）により構成可能である。

投写レンズ２０８は、光学変調素子２０７で反射された光を所定の拡大率で拡大して投写する。

このような投写型映像表示ユニット２００によると、光源２０１Ｒ、２０１Ｇ、２０１Ｂから出射された光は、コリメートレンズ２０２Ｒ、２０２Ｇ、２０２Ｂにより略平行光化され、ダイクロイックミラー２０３Ｒ、２０３Ｇ、２０３Ｂによって合成される。合成された光は、インテグレータ光学系２０４により均一化され、ミラー２０６により反射され、光学変調素子２０７に入射する。入射した光は、光学変調素子２０７により光学的に変調され、かつ反射され、投写レンズ２０８から映像光として投写される。

図２に戻り、スクリーン２１０は、投写型映像表示ユニット２００から投写される映像光の結像位置付近に配置され、投写型映像表示ユニット２００からの投写光を拡散させる。スクリーン２１０は、例えば、拡散板や、マイクロレンズアレイなどの透過型拡散素子により構成可能である。

虚像表示ユニット３００は、凹面のミラー３０１を有する。ミラー３０１は、正パワーを持つ反射型光学素子であり、例えば回転対称性を持たない自由曲面形状を有する。

図４は、投写型映像表示ユニット２００における光学変調素子２０７と、投写レンズ２０８と、スクリーン２１０と、ミラー３０１との位置関係を説明するための図である。

スクリーン２１０より出射する映像光Ｂの中心に位置する主光線Ｒ１と光学変調素子２０７より出射する映像光Ｂの中心に位置する主光線Ｒ２は共に投写レンズ２０８の光軸ＡＸと平行である。

スクリーン２１０の法線Ｌ１は、投写レンズ２０８の光軸ＡＸに対して角度θ傾斜している。また、光学変調素子２０７の出射面２０７ａは、スクリーン２１０と投写レンズ２０８の主面とに関してシャインプルーフの条件を満たすように、投写レンズ２０８の光軸ＡＸに対して角度φ傾斜している。

図５は、シャインプルーフの条件を説明するための図である。シャインプルーフの条件とは、レンズ（本実施形態では投写レンズ２０８に対応する）の主面２２１に対して仮想面２２０（本実施形態では光学変調素子２０７の出射面に対応する）が角度φ傾いて配置される場合において、これらの面を延長して交わった点Ｐを通るように仮想面２２２（本実施形態ではスクリーン２１０の受光面に対応する）を角度θ傾けて配備すれば、仮想面２２２と仮想面２２０とは結像関係を有するというものである。

図６は、シャインプルーフの条件を満たす値の一例を示す図である。
ここで、
φ：レンズの光軸と仮想面２２０の法線との成す角度
θ：レンズの光軸と仮想面２２２の法線との成す角度
ｆ：レンズの焦点距離ｆ
Ｌ１：仮想面２２０の中心からレンズの主面２２１の中心までの距離
Ｌ２：レンズの主面２２１の中心から仮想面２２２の中心までの距離

図７は、図６の値を用いた図５の光学系における、仮想面２２２での横収差図である。横軸は入射瞳座標、縦軸は横収差を示す。図７によれば、仮想面２２２上では横収差が十分に抑えられており、仮想面２２２と仮想面２２０が結像関係にあることが分かる。

図８は、図６の値を用いた図５の光学系における、仮想面２２２でのディストーションを示す図である。図５の光学系によると、仮想面２２０で矩形形状に表示されていた映像は、仮想面２２２では台形形状に表示される。台形形状に表示された中間像は、虚像表示ユニット３００にて再び矩形に補正して、運転者Ｄに視認させてもよいし、台形形状のまま視認させてもよい。図９は、台形形状のまま視認させる場合における、視認映像の一例を示す図である。運転者Ｄからウインドシールド１０２越しに視認される背景（図９では図示せず）は、通常、道路に沿う方向において遠方側の物体ほど小さくなり、かつ視野の上側に位置する。そのため、ウインドシールド１０２を介して視認される虚像Ｉに関しても、運転者Ｄから見て、道路に沿う方向において遠方側ほど視野の上側に位置し、かつ小さくなることがのぞましい。したがって、虚像Ｉは、台形の上底が下底よりも短くなるように表示されることがのぞましい。

［１−３．効果等］
本開示のヘッドアップディスプレイ１０１は、光学変調素子２０７で変調された光を投写レンズ２０８を介してスクリーン２１０上に中間像として結像させ、中間像をミラー３０１を介してウインドシールド１０２（コンバイナ）で反射させることで虚像を運転者Ｄ（利用者）に視認させる。
スクリーン２１０の法線が投写レンズ２０８の光軸ＡＸに対して傾斜している。
光学変調素子２０７の出射面が、スクリーン２１０と投写レンズ２０８の主面とに関してシャインプルーフの条件を満たすように、傾斜している。

本開示におけるヘッドアップディスプレイ１０１によれば、外光の入射による虚像の視認性の低下を抑制しつつ、光学変調素子２０７から出射された映像光を、スクリーン２１０に適切に結像させることができる。

本実施形態において、
スクリーン２１０が透過型スクリーンであり、
光学変調素子２０７より出射する映像光Ｂの中心に位置する主光線とスクリーン２１０より出射する映像光Ｂの中心に位置する主光線は、投写レンズ２０８の光軸ＡＸと平行である。

これにより、投写型映像表示ユニット２００からの投写光を効率よく虚像表示ユニット３００に入射させるため、明るさの低下を防ぎながら、光学変調素子２０７から出射された映像光を、スクリーン２１０に結像させることができる。

本実施形態において、
前記中間像は、虚像において上となる側が上底となり、上底よりも下底が長い台形形状を有する、

これにより、ウインドシールド１０２を通して視認される背景と類似の形状で虚像を表示することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１０１について説明する。図１０は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１０１の構成を示す模式図である。本実施の形態では、実施の形態１との相違点を中心に説明する。また、実施の形態１と同一の構成要素については、同一符号を付している。

［２−１．ＨＵＤの構成等］
実施の形態２ではスクリーン２１０として反射型拡散素子を用い、この点が実施形態１とは異なる。スクリーン２１０としての反射型拡散素子は、例えば透過型拡散素子にＡｌ蒸着（アルミニウム蒸着）を施した素子により構成できる。虚像表示ユニット３００は、凹面を有する２枚のミラー３０２、３０３で構成されている。２枚のミラー３０２、３０３は共に、入射光に対し偏心して配置される。なお、ミラー３０２、３０３は、凹面に限らず他の面形状であってもよい。

本実施形態においても、実施形態１同様、光学変調素子２０７の出射面は、投写レンズ２０８とスクリーン２１０とに対してシャインプルーフの条件を満たすように傾いている。

また、本実施形態では、投写型映像表示ユニット２００の光学変調素子２０７とスクリーン２１０との間の光路と、虚像表示ユニット３００内のミラー３０２とミラー３０３との間の光路とが、ほぼ直交する状態で交差している。

上記のような構成により、投写型映像表示ユニット２００から出射された投写光は、スクリーン２１０で拡散反射され、虚像表示ユニット３００に入射する。スクリーン２１０からの拡散反射光は、虚像表示ユニット３００内のミラー３０２、３０３により反射され、映像光Ｂとしてウインドシールド１０２に入射する。

特に、本実施の形態では、投写型映像表示ユニット２００（の光学変調素子２０７）とスクリーン２１０との間の光路と、虚像表示ユニット３００内のミラー３０２とミラー３０３との間の光路とが、上述のように交差している。そのため、ヘッドアップディスプレイ１０１の体積を、光路が重畳する分、小型化できる。また、スクリーン２１０の背面に開口部１０４が位置しているが、スクリーン２１０として反射型拡散素子を用い、その反射面が下を向いているため、ヘッドアップディスプレイ１０１外からスクリーン２１０上の中間像が直視されず、品位が損なわれない。

［２−２．効果等］
本実施形態において、
スクリーン２１０が反射型スクリーンであり、
その反射面が下を向いている。

これにより、ヘッドアップディスプレイ１０１外からスクリーン２１０上の中間像が直視されず、品位が損なわれない。

本実施形態において、
スクリーン２１０が反射型スクリーンである。
ミラーは、スクリーン２１０からの反射光が入射するミラー３０２（第１ミラー）と、ミラー３０２（第１ミラー）からの反射光をウインドシールド１０２（コンバイナ）に向けて反射するミラー３０３（第２ミラー）と、を含む。
投写レンズ２０８とスクリーン２１０との間の光路とミラー３０２（第１ミラー）とミラー３０３（第２ミラー）との間の光路とがほぼ直交状態で交差している。

これにより、ヘッドアップディスプレイ１０１における投写レンズ２０８の光軸方向の長さを実施形態１の場合よりも短くして、小型化できる。

（その他の実施の形態）
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、自動車等の車両に搭載されるヘッドアップディスプレイに適用可能である。

１００ 車両
１０１ ヘッドアップディスプレイ
１０２ ウインドシールド
１０３ ダッシュボード
１０４ 開口部
２００ 投写型映像表示ユニット
２０１Ｂ、２０１Ｇ、２０１Ｒ 光源
２０２Ｂ、２０２Ｇ、２０２Ｒ コリメートレンズ
２０３Ｂ、２０３Ｇ、２０３Ｒ ダイクロイックミラー
２０４ インテグレータ光学系
２０６ ミラー
２０７ 光学変調素子
２０８ 投写レンズ
２１０ スクリーン
２２０ 仮想面
２２１ 主面
２２２ 仮想面
３００ 虚像表示ユニット
３０１、３０２、３０３ ミラー

Claims (7)

1. 光源からの光が光学変調素子で変調されることで生成される映像が投写レンズを介してスクリーン上に中間像として結像され、前記中間像をミラーを介して反射部で反射させることで虚像として利用者に視認させるヘッドアップディスプレイであって、
   前記スクリーンの法線が前記投写レンズの光軸に対して傾斜し、
   前記光学変調素子の出射面が、前記スクリーンと前記投写レンズの主面とに関してシャインプルーフの条件を満たすように、傾斜している、
   ヘッドアップディスプレイ。
2. 前記中間像は、上底よりも下底が長い台形形状を有し、
   前記中間像の上底は、利用者に視認される状態における前記虚像の上側に対応する、
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
3. 前記スクリーンは、前記中間像の上底が結像されるスクリーン上部と前記中間像の下底が結像されるスクリーン下部とを含み、
   前記光学変調素子と前記スクリーン下部との間の光路長は、前記光学変調素子と前記スクリーン上部との間の光路長よりも長い、
   請求項１または２に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 前記スクリーン下部に結像した前記中間像は、前記虚像の下部に対応する、
   請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 前記スクリーンが反射型スクリーンであり、
   反射面が下を向いている、
   請求項１から４のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
6. 前記スクリーンが反射型スクリーンであり、
   前記ミラーは、前記スクリーンからの反射光が入射する第１ミラーと、前記第１ミラーからの反射光を前記反射部に向けて反射する第２ミラーと、を含み、
   前記投写レンズと前記スクリーンとの間の光路と前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間の光路とが交差している、
   請求項１から５のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
7. 前記スクリーンは透過型スクリーンであり、
   前記スクリーンより出射する映像光の中心に位置する主光線と、前記光学変調素子より出射する映像光の中心に位置する主光線とは、前記投写レンズの前記光軸と平行である、
   請求項１から４のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。

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