JP2017049371A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１非球面鏡等の第１光学素子の大型化を防止するとともに、第２非球面鏡等の第２光学素子に入射した太陽光のヘッドアップディスプレイ装置外での集光を防止するヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置は、投射ユニット１１と、拡大ユニット１２と、を有する。投射ユニット１１は、プロジェクタと、第１の凹面鏡と、を有する。拡大ユニット１２は、第２の凹面鏡と、第２の凹面鏡を内蔵する第２の外装と、を有する。第２の凹面鏡の焦点は、第２の外装の内部に存在する。プロジェクタが生成した映像光Ｌは、第１の凹面鏡、第２の凹面鏡、フロントガラス２の順に反射され、運転者に映像が表示される。【選択図】図１

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

車両用のヘッドアップディスプレイ(HUD: Head Up Display) 装置が、特許文献１と２に開示されている。特許文献１に記載されている表示装置は、車両の天井に配置されたプロジェクタと、車両の天井に配置された第１非球面鏡と、車両のダッシュボード（インストルメントパネル）に配置された第２非球面鏡から構成されている。特許文献１に記載されている表示装置は、プロジェクタが投影する映像光を第１非球面鏡、第２非球面鏡、フロントガラスの順に反射することによって、運転者に映像を表示する。また、特許文献２に記載されている画像再生装置は、第１非球面鏡の代わりに、凸レンズを用いる。

特表２００３−５１７９７１号公報 特開平０１−２０８２３７号公報

しかし、特許文献１に記載の表示装置においては、第１非球面鏡と第２非球面鏡との間の距離が長いため、第１非球面鏡が大型化するという問題がある。特許文献２に記載の画像再生装置は、第１非球面鏡に代えて凸レンズを用い、中間像を形成して大型化を防止している。しかし、中間像を形成する光学系においては、太陽光等の外光が入射すると、外光がコリメータ等の光学素子で反射され、インストルメントパネル（インパネ）の上に集光し、その付近が高温になるという問題が生じる。

本発明は、前記問題点を解消し、第１非球面鏡等の第１光学素子の大型化を防止するとともに、第２非球面鏡等の第２光学素子に入射した太陽光のヘッドアップディスプレイ装置外での集光を防止するヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、
投射ユニットと、拡大ユニットと、を有するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記投射ユニットは、
映像を投射するプロジェクタと、
前記プロジェクタによる映像光を反射又は透過する正の焦点距離を有する第１光学素子と、を有し、
前記拡大ユニットは、
前記第１光学素子によって反射され又は当該第１光学素子を透過した映像光が入射する正の焦点距離を有する第２光学素子と、
前記第２光学素子を内蔵する外装と、を有し、
前記第２光学素子は、前記第１光学素子からの映像光を反射又は透過し、当該反射又は透過した後の映像光によって前記プロジェクタが生成した映像が視認者に提示され、
前記第２光学素子の焦点は、前記外装の内部に存在する、
ことを特徴とする。

本発明は、以下の効果を有する。

まず、第１光学素子によって反射された光は、第２光学素子との間に中間像を結像するため、第１光学素子を小型化することができる。

また、太陽光がヘッドアップディスプレイ装置の内部に入射しても、反射光の集光点は第２光学素子を内蔵する外装の内部に位置するため、ヘッドアップディスプレイ装置の外部が集光して高温になることがない。

本発明の第１の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の全体構成図である。 図１に示すヘッドアップディスプレイ装置の投射ユニットの内部構造を示す説明図である。 図１に示すヘッドアップディスプレイ装置の拡大ユニットの内部構造を示す説明図である。 図１に示すヘッドアップディスプレイ装置を構成する光学部品の機能と光学経路を示す説明図である。 従来のヘッドアップディスプレイ装置における外光の作用を示す説明図である。 図１に示すヘッドアップディスプレイ装置における外光の作用を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の全体構成図である。 図７に示す図１に示すヘッドアップディスプレイ装置の液溜まり防止の説明図である。

以下に、本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を、添付図面に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１は、図１に示すように、投射ユニット１１と拡大ユニット１２とを有し、フロントガラス２に画像を投影する装置である。

投射ユニット１１は、車両の天井に設置され、運転者に視認される映像の基となる映像光を拡大ユニット１２に射出する。拡大ユニット１２は、例えば、車両のインストルメントパネル内に設置され、投射ユニット１１からの映像光をフロントガラス２に拡大して投影する。

投射ユニット１１は、図２に示すように、プロジェクタ１１ｃと、スクリーン１１ｄと、平面鏡１１ｅと、第１の凹面鏡（補正鏡）１１ｆと、開口部１１ｂを備える第１の外装１１ａと、を有する。

プロジェクタ１１ｃは、電源、発光ダイオード(LED: Light Emitting Diode)等の光源、透過液晶等の表示素子、レンズ群を有する。プロジェクタ１１ｃは、光源の光を表示素子に照射して映像を生成し、レンズ群を介して、スクリーン１１ｄに映像を投射する。

スクリーン１１ｄは、プロジェクタ１１ｃの投射光を、一定の角度範囲に拡散することにより、映像光Ｌを生成するものであり、例えば、ポリカーボネート製の拡散フィルムから構成される。

平面鏡１１ｅは、スクリーン１１ｄによって拡散され、生成された映像光Ｌを、第１の凹面鏡１１ｆの方へ反射する。平面鏡１１ｅは、例えば、ポリカーボネートの樹脂を金型成形し、アルミ等の金属を真空蒸着したものから構成される。

第１の凹面鏡１１ｆは、平面鏡１１ｅが反射した映像光Ｌを、拡大ユニット１２の後述する第２の凹面鏡１２ｃに向けて反射する。すなわち、第１の凹面鏡１１ｆは、光線を伝送するリレー光学系の一部として機能する。第１の凹面鏡１１ｆは、例えば、ポリカーボネートの樹脂を金型成形し、アルミ等の金属を真空蒸着したものから構成される。

第１の外装１１ａは、映像光Ｌを通過させる開口部１１ｂを備える。開口部１１ｂは、第１の外装１１ａにおいて、第１の凹面鏡１１ｆから射出される映像光を遮らないような位置、大きさ、形状に設計される。また、開口部１１ｂは、投射ユニット１１の内部へ異物が侵入することを避けるために、透明度と強度を有する材料、例えば、透明なポリカーボネート板によって保護されている。

図１に示す拡大ユニット１２は、図３に示すように、第２の凹面鏡１２ｃと、開口部１２ｂを備える第２の外装１２ａと、を有する。

第２の凹面鏡１２ｃは、投射ユニット１１の第１の凹面鏡１１ｆが反射した映像光Ｌを、開口部１２ｂから取り込んで反射し、開口部１２ｂから再び投射する。第２の凹面鏡１２ｃは、例えば、ポリカーボネートの樹脂を金型成形し、アルミ等の金属を真空蒸着したものから構成される。

第２の外装１２ａは、映像光Ｌをフロントガラス２へ投射するための開口部１２ｂを備える。第２の外装１２ａは、例えば、光非透過性の材料から形成されている。開口部１２ｂは、拡大ユニット１２に入射する映像光Ｌと、第２の凹面鏡１２ｃによって反射された映像光Ｌとを遮らずに、フロントガラス２に投射するような位置、大きさ、形状となるように設計される。開口部１２ｂは、拡大ユニット１２の内部へ異物が侵入することを避けるために、透明度と強度を有する材料、例えば、透明なポリカーボネート板によって保護されている。

第１の凹面鏡１１ｆと第２の凹面鏡１２ｃと第２の外装１２ａは、後述するように、第１の凹面鏡１１ｆと第２の凹面鏡１２ｃとがその間に実像である第１の中間像Ｍ１を形成するよう、実験などに基づいて設計されている。また、第２の凹面鏡１２ｃは、その焦点が拡大ユニット１２の第２の外装１２ａ内となるように設計されている。
また、第１の凹面鏡１１ｆ、第２の凹面鏡の１２ｃ、拡大ユニット１２及びフロントガラス２は、これらが形成する光学経路が運転者、その他の障害物によって遮られることがないように設計される。
ここで、第１の凹面鏡１１ｆ及び第２の凹面鏡の１２ｃの詳細な表面形状は、スクリーン１１ｄ、平面鏡１１ｅ、フロントガラス２、アイボックスＢ間の位置関係と、フロントガラス２の曲率、要求される表示距離、表示画角等のデータに依存する運転者の視点ＰがアイボックスＢ内で移動しても表示像の位置が変化しないという制約条件の下で、表示像の歪が最小となるように、例えば、光学設計ソフトに、スクリーン１１ｄ、平面鏡１１ｅ、フロントガラス２、アイボックスＢ間の位置関係と、フロントガラス２の曲率、要求される表示距離、表示画角等のデータを投入して、表示像の歪が最小となるように設計される。

次に、図４を参照して、投射ユニット１１、拡大ユニット１２を構成する光学部品、フロントガラス２、運転者の視点Ｐの位置関係及び映像光Ｌの進路を説明する。

理解を容易にするため、プロジェクタ１１ｃ、スクリーン１１ｄ及び平面鏡１１ｅは、図４に図示していない。図４において、各光学経路における実像又は虚像の向きと大きさは、一例として、それぞれ、スクリーン上の像Ｓ、第１の中間像Ｍ１、第２の中間像Ｍ２、虚像Ｖを表す矢印の向きと長さによって示される。

プロジェクタ１１ｃは、スクリーン１１ｄに光を投影し、スクリーン上の像Ｓを生成する。スクリーン１１ｄは、プロジェクタ１１ｃの投射光を一定の角度範囲に拡散する部材から構成されている。そのため、スクリーン１１ｄ上の像Ｓから、散乱光として、映像光Ｌが射出される。映像光Ｌは、第１の凹面鏡１１ｆで反射及び拡大され、第１の中間像Ｍ１として結像する。
第１の中間像Ｍ１として結像した映像光Ｌは、さらに、第２の凹面鏡１２ｃで反射・拡大され、第２の中間像Ｍ２として結像する。第２の中間像Ｍ２として結像した映像光Ｌは、最後に、フロントガラス２で反射され、運転者の視点Ｐにおいて、虚像Ｖとして観察される。

上記構成を有するヘッドアップディスプレイ装置１によれば、映像光Ｌは、第１の凹面鏡１１ｆによって反射される。凹面鏡は、入射する光線を内側、すなわち、光軸に集中しようとする性質を有するから、効率よく光を集めることができる。映像光Ｌは、第１の凹面鏡１１ｆに反射され、第１の凹面鏡１１ｆと第２の凹面鏡１２ｃとの間に第１の中間像Ｍ１を結像する。第１の凹面鏡１１ｆは、第１の中間像Ｍ１を結像する凹面鏡であり、スクリーン１１ｄの発した散乱光を効率よく集めることができる。

したがって、ヘッドアップディスプレイ装置１によれば、スクリーン１１ｄが投射する散乱光を受ける第１の凹面鏡１１ｆのサイズを小さくできる。また、これに伴って、ヘッドアップディスプレイ装置１の小型化を図ることができ、車内という限られたスペースを有効に活用できる上、ヘッドアップディスプレイ装置１を構成する投射ユニット１１の配置の自由度も向上する。

また、上記構成によれば、第２の凹面鏡１２ｃで反射された外光が、インストルメントパネル付近に集光し、その周囲が高温になるという問題を回避することができる。この点を、図５及び図６を参照して説明する。
図５は、第２の凹面鏡１２ｃの焦点が拡大ユニット１２の外部にある場合、図６は、第２の凹面鏡１２ｃの焦点が拡大ユニット１２の内部にある場合に、外光Ｅが集光する位置を示す説明図である。

ヘッドアップディスプレイ装置１に入射する太陽光等の外光Ｅはほぼ平行光で、その入射の角度は様々であるため、集光点Ｆの位置も変化する。しかし、外光Ｅの光源の位置が変化した場合でも、集光点Ｆの移動する範囲は焦点を中心とする一定の範囲に限られる。したがって、ヘッドアップディスプレイ装置１に入射する太陽光等の外光Ｅの影響を考える場合には、第２の凹面鏡１２ｃの焦点と集光点Ｆを同一視しても差し支えない。

図５においては、第２の凹面鏡１２ｃの焦点が拡大ユニット１２の外部に存在する。このため、太陽光等の外光Ｅがヘッドアップディスプレイ装置１に入射すると、当該凹面鏡の焦点の周囲に集光する。第２の凹面鏡１２ｃの焦点が車両のインストルメントパネルの上に存在すれば、その付近が高温になるおそれがある。

これに対し、図６に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１では、第２の凹面鏡１２ｃの焦点が拡大ユニット１２の第２の外装１２ａの内部にあるため、第２の凹面鏡１２ｃの集光点Ｆは、拡大ユニット１２の内部に位置する。

したがって、太陽光等の外光Ｅがヘッドアップディスプレイ装置１の外部から入射しても、拡大ユニット１２の内部で集光するから、車内が高温になるのを防止することができる。また、拡大ユニット１２に冷却装置、例えば、ファンや水冷装置を配置することで、車両の室内の温度制御とは別途、拡大ユニット１２の温度上昇は抑制される。

以上から、ヘッドアップディスプレイ装置１によれば、第１の凹面鏡１１ｆの大型化を防止するとともに、車両のインストルメントパネル上部付近が高温になることを防止し、車内環境を快適に保つことができる。

（第２の実施の形態）
図７を参照して、本発明の第２の実施の形態の手法を説明する。

図７に示すように、本発明の第２の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１は、第１の実施の形態と同様に、投射ユニット１１と、拡大ユニット１２を備えるが、拡大ユニット１２が開口部１２ｂに加えて入射開口部１２ｄをも有する点において、第１の実施の形態と異なる。その他は、図１乃至６における、同一の符号を付した構成要素と同様である。

入射開口部１２ｄは、ここから入射した映像光Ｌを第２の凹面鏡１２ｃに反射させるために、第２の外装１２ａに設けられている。入射開口部１２ｄは、ヘッドアップディスプレイ装置１の内部へ異物が侵入することを避けるために、透明度と強度を有する材料、例えば、透明なポリカーボネート板によって保護されている。

入射開口部１２ｄを、開口部１２ｂとは別に設けることで、太陽光等の外光Ｅが拡大ユニット１２の内部で集光するように、すなわち、第２の凹面鏡１２ｃの焦点が第２の外装１２ａの内部となるように、ヘッドアップディスプレイ装置１を設計することが容易になる。

本発明の実施の形態では、図７に示すように、拡大ユニット１２は、運転者から見てメータフード３の奥に配置されている。メータフード３は、車両のメータ等を保護するために、車両のインストルメントパネル面に配置される。外光Ｅの反射を避けるために、図７に示した拡大ユニット１２に対するフード表面３ａは、反射防止材により成型される。また、フード表面３ａは、反射防止塗装が施される。

図７に示すように、入射開口部１２ｄの付近には、映像光Ｌが通る空間が設けられる。拡大ユニット１２をメータフード３に接近して設けることにより、インストルメントパネル周辺の空間を有効に活用することができる。しかし、雨の吹き込みや結露、飲料の滴等により、映像光Ｌが通るための空間に水その他の液体が溜まり、車両Ａ又はヘッドアップディスプレイ装置１の機能を害する可能性がある。

このような事態を避けるための手法を、図８を参照しながら説明する。液溜まり防止の一例として、拡大ユニット１２に、液体を車両外部に排出する切欠き１２ｅを設ける。切欠き１２ｅは、拡大ユニット１２内に液体が滞留しないような位置、大きさ及び形状で設計される。また、切欠き１２ｅは、内部に侵入又は発生した液体が車両Ａの加減速等により自然に排出されるように、又は、ファンによる吸排気により強制的に排出されるように設計される。さらに、拡大ユニット１２ではなく、メータフード３に、排水孔３ｂや切欠き３ｃを設けることにより、メータフード３内に液体が滞留することを防止できる。

なお、本発明は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。

以上の実施例の説明においては、車両用のヘッドアップディスプレイ装置１について説明したが、本発明によれば、投射ユニット１１、拡大ユニット１２及びガラスの配置には自由度があるため、車両以外の用途、例えば、航空機、船舶にも適用することができる。

ここで、本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１は、典型的には、車両のフロントガラス２に映像光Ｌを反射させるが、投射ユニット１１又は拡大ユニット１２の配置の柔軟性から、車両のフロントガラス２以外の反射部材（コンバイナと称される）に映像光Ｌを反射させ、又は、運転者以外の者に映像を提示することができる。

また、第１の凹面鏡１１ｆ又は第２の凹面鏡１２ｃの一方又は両方を、正の焦点距離を有する他の光学素子、例えば、凸レンズで代替することができる。
凸レンズを用いた場合、凹面鏡を用いた異なり、光を反射するのではなく、透過させることとなる。したがって、例えば、第１の凹面鏡１１ｆを凸レンズで代替する場合には、当該凸レンズを透過した映像光Ｌが第１の中間像Ｍ１を結び、第２の凹面鏡１２ｃで反射されるように、当該凸レンズ、平面鏡１１ｅ及び第２の凹面鏡１２ｃの位置関係を定める。また、第２の凹面鏡１２ｃを凸レンズで代替する場合には、当該凸レンズを透過した映像光Ｌがフロントガラス２で反射され、運転者に到達するように、当該凸レンズとフロントガラス２の位置関係を定める。

１ ヘッドアップディスプレイ装置
１１ 投射ユニット
１１ａ 第１の外装
１１ｂ 開口部
１１ｃ プロジェクタ
１１ｄ スクリーン
１１ｅ 平面鏡
１１ｆ 第１の凹面鏡（補正鏡）
１２ 拡大ユニット
１２ａ 第２の外装
１２ｂ 開口部
１２ｃ 第２の凹面鏡
１２ｄ 入射開口部
１２ｅ 切欠き
２ フロントガラス
３ メータフード
３ａ フード表面
３ｂ 排水孔
３ｃ 切欠き
Ａ 自動車
Ｂ アイボックス
Ｅ 外光
Ｆ 集光点（第２の凹面鏡の焦点）
Ｌ 映像光
Ｍ１ 第１の中間像
Ｍ２ 第２の中間像
Ｐ 運転者の視点
Ｓ スクリーン上の像
Ｖ 虚像

Claims (5)

1. 投射ユニットと、拡大ユニットと、を有するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記投射ユニットは、
   映像を投射するプロジェクタと、
   前記プロジェクタによる映像光を反射又は透過する正の焦点距離を有する第１光学素子と、を有し、
   前記拡大ユニットは、
   前記第１光学素子によって反射され又は当該第１光学素子を透過した映像光が入射する正の焦点距離を有する第２光学素子と、
   前記第２光学素子を内蔵する外装と、を有し、
   前記第２光学素子は、前記第１光学素子からの映像光を反射又は透過し、当該反射又は透過した後の映像光によって前記プロジェクタが生成した映像が視認者に提示され、
   前記第２光学素子の焦点は、前記外装の内部に存在する、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記第１光学素子と前記第２光学素子の少なくともいずれかは凹面鏡である、
   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. 前記第２光学素子を反射又は透過した後の映像光は、さらに反射部材によって反射され、視認者に前記プロジェクタが生成した映像が提示される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記反射部材が自動車のフロントガラスであり、前記視認者が当該自動車の運転者である、
   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. 前記拡大ユニットは自動車のインストルメントパネル内に設けられ、前記投射ユニットは当該インストルメントパネル外に設けられる、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

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