(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
近年、画像表示装置として、LEDや半導体レーザー光源を利用したいわゆるヘッドアップディスプレイが開発されている。ヘッドアップディスプレイはコンバイナと呼ばれる光学素子を備えている。このコンバイナは、車外から入る光を透過すると共に、投射された画像表示光に係る画像をユーザに虚像として表示させる。このコンバイナを介して、ユーザは実際に見ている風景に虚像を重畳して認識することができる。
【0003】
上述したようなヘッドアップディスプレイは、運転者が視線方向や目の焦点位置を殆んど変更させることなく、車外の風景と各種情報を表示する画像を認識することができるため、車両用の表示装置として近年注目を集めている。そして、運転者の視線方向等に対して適切な虚像を提示するための技術開発も盛んに行われている。
【0004】
例えば特許文献1には、コンバイナに向かって画像を投影するミラーの角度を調整する事で、運転者の目の位置に上下方向の違いが生じても虚像が認識できる方法が提案されている。また特許文献2には、コンバイナと画像生成部全体を一体として角度調整する方法が提案されている。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【0013】
[全体構成]
以下に画像表示装置の一例として車両用のヘッドアップディスプレイをあげ、このヘッドアップディスプレイを実施形態として説明する。
図1は、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ10について、このヘッドアップディスプレイ10が取り付けられたルームミラー600から車両の図示しないウィンドシールドの方に向かう視野により観察した態様を示す斜視図である。
【0014】
ヘッドアップディスプレイ10は、図示しない把持機構等により車両内部のルームミラー600のミラー面に取付けられて使用される。ダッシュボードの上方面の広さなど、ヘッドアップディスプレイ10を搭載可能なスペースは車種によって様々である。本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ10は、ルームミラーに取り付けることができるため、ルームミラー600を備えてさえいれば、車種を問わずに適切に搭載することができる。
【0015】
なお、以後の説明において、前方・後方、左方・右方及び上方・下方の各方向は以下の通りとする。前方・後方は、ヘッドアップディスプレイ10が搭載された車両の前方向及び後方向とする。左方・右方は、ヘッドアップディスプレイ10が搭載された車両の左側方向及び右側方向とする。上方・下方は、ヘッドアップディスプレイ10が搭載された車両が位置する路面に垂直で、その路面に対し車両側の方向及びその反対方向を意味する。
【0016】
ヘッドアップディスプレイ10は、コンバイナ400に虚像として表示される画像に係る画像信号を生成し、その生成された画像信号を出力する回路基板(不図示)を備える。この回路基板は、ナビゲーション装置やメディア再生装置などの図示しない外部装置から出力された画像信号が入力された場合に、その入力された信号に対して所定の処理を行った後、出力することもできる。
【0017】
ヘッドアップディスプレイ10は、上記回路基板から出力された画像信号に基づく画像表示光を生成するための、光源231及び反射型の液晶表示パネルであるLCOS(Liquid Crystal On Silicon)等の画像表示素子240、及び各種光学レンズ等を含む画像生成部50を備える。なお、本実施形態では画像表示素子240として反射型液晶表示パネルであるLCOS(Liquid crystal on silicon)を用いる場合を例示するが、画像表示素子240としてDMD(Digital Micromirror Device)を用いてもよい。その場合、適用する表示素子に応じた光学系及び駆動回路で構成するものとする。また、光源231及び画像表示素子240は、
図2を参照して後に詳述する。
【0018】
ヘッドアップディスプレイ10は、実像が結像される中間像スクリーン及び各種投射ミラーを含み、生成された画像表示光の投射方向を決定する投射部300を有する。さらに、ヘッドアップディスプレイ10は、投射された画像表示光を虚像450として表示させるための、略凹面形状を有するコンバイナ400と、コンバイナ400と投射部300とを接続するコンバイナ支持アーム420と、を有している。画像生成部50は、運転者側の面に、ルームミラーのミラーの代わりとなる代替ミラー52を備え、ルームミラーの役割を果たしている。なお
図1において、投射部300から投射された画像表示光がコンバイナ400に至るまでの光路が投射軸320として示されている。
【0019】
コンバイナ400は、コンバイナ支持アーム420を介して画像生成部50に対して上方及び下方に回動可能となっている。また、投射部300は画像生成部50に対してコンバイナ400と一体的に左方及び右方に回動可能に設けられている。したがって、この投射部300を回動させることで、コンバイナ支持アーム420を介してコンバイナ400を回動させることができる。以上の構成によって、ユーザは、コンバイナの向きを自分の目線や好みにあわせて調整することができる。
【0020】
画像生成部50は、運転者側の面にルームミラーのミラーの代わりとなる代替ミラー52を備え、この代替ミラー52がルームミラー600が有する後方確認のための役割を果たしている。ヘッドアップディスプレイ10をルームミラー600のミラーを覆うように装着していても、ユーザはこの代替ミラー52により車両後方を確認しながら運転を行うことができる。
【0021】
[光学系]
次にヘッドアップディスプレイ10の内部構成について説明する。
図2及び
図3は共に画像生成部50の内部構成を光の経路と共に示す図である。
図2は画像生成部50の内部構成、及び投射部300の内部構成の一部を光路とともに示す図である。
図3は投射部300の内部構成、及び画像生成部50の内部構成の一部を、コンバイナ400まで投射される光の光路とともに示す図である。
【0022】
まず
図2を参照して画像生成部50の光学系の内部構成及び画像表示光に係る光路について説明する。画像生成部50の光学系は、光源231、コリメートレンズ232、UV−IR(UltraViolet-Infrared Ray)カットフィルタ233、偏光子234、フライアイレンズ235、反射鏡236、フィールドレンズ237、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ238、1/4波長板239、画像表示素子240、検光子241、投射レンズ群242、及びヒートシンク243を備える。
【0023】
光源231は白色、又は青色、緑色、及び赤色の三色の光を発する発光ダイオードからなる。光源231には発光にともない発生する熱を放冷するためのヒートシンク243が取り付けられている。光源231が発光した光は、コリメートレンズ232によって平行光に変えられる。UV−IRカットフィルタ233は、コリメートレンズ232を通過した平行光から紫外光及び赤外光を吸収し除去する。偏光子234は、UV−IRカットフィルタ233を通過した光を乱れのないP偏光へと変える。そしてフライアイレンズ235が、偏光板を通過した光の明るさを均一に整える。
【0024】
反射鏡236は、フライアイレンズ235の各セルを通過した光の光路を90度変更する。反射鏡236で反射された光はフィールドレンズ237によって集光される。フィールドレンズ237が集光した光は、P偏光を透過するワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ238及び1/4波長板239を介して、画像表示素子240に照射される。
【0025】
画像表示素子240は、画素毎に赤色、緑色、及び青色のカラーフィルタを備えている。画像表示素子240に照射された光は、各画素に対応する色となり、画像表示素子240の備える液晶組成物によって変調が施され、S偏光の画像表示光となってワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ238に向けて射出される。射出されたS偏光の画像表示光はワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ238で反射され、光路を変えて検光子241を通過した後に投射レンズ群242へ入射される。
【0026】
投射レンズ群242を透過した画像表示光は、画像生成部50を出て投射部300に入る。そして投射部300が備える第1投射ミラー351が、入ってきた画像表示光の光路を変更する。
【0027】
次に
図3を参照して投射部300の内部構成及び画像表示光の光路について説明する。投射部300は、第1投射ミラー351、第2投射ミラー352、第3投射ミラー353、及び中間像スクリーン360を備える。
【0028】
投射部300の第1投射ミラー351で折り曲げられた画像表示光の光路は、第2投射ミラー352で下方に折り曲げられた後、第3投射ミラー353で斜め下方かつ車両前方に折り曲げられた後、中間像スクリーン360で実像を結像させる。結像した実像は、投射軸320に沿って前方に配置されたコンバイナ400に投射される。運転者は、コンバイナ400に投射された画像表示光に基づく画像を虚像として風景に重畳させて視認する。
【0029】
上述した通り、投射部300は画像生成部50に対して左右方向に回動可能な構成となっている。そして、コンバイナ400は投射部300に対して上下方向に回動可能となっている。さらに投射部300はギアボックス等の図示しない回動機構を備えており、このギアボックスは、投射部300又はコンバイナ400の回動にあわせて、第1投射ミラー351、第2投射ミラー352、第3投射ミラー353、及び中間像スクリーン360を回動させる。この第1投射ミラー351、第2投射ミラー352、第3投射ミラー353、及び中間像スクリーン360の回動の詳細については、後に詳述する。
【0030】
図4は、ルームミラー600に取り付けられたヘッドアップディスプレイ10について説明するための上面図である。この図においては、コンバイナ400は、ルームミラー600に対して運転者側に傾けられていない。このとき、投射部300からコンバイナ400への画像表示光の投射方向は、運転者(ユーザ)がコンバイナ400をみるときの視線方向とずれている。したがって、投射部300から射出された画像表示光がコンバイナ400で反射され、ユーザがその画像表示光に基づいて虚像を認識することができる視認可能領域が運転者からの眼の位置からずれてしまう。そのため、この場合は、画像表示光に基づく虚像を運転者が適切に視認することができない。特に反射光により後方を確認するためのルームミラー600のユーザに対する向きと、運転中のユーザの視線方向にあわせた調整を行わなければならないコンバイナ400のユーザに対する向きとは、通常互いに一致しない。
【0031】
そこで本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ10では、コンバイナ400の向きだけを調整できるとともに、その向きの調整に基づいてコンバイナ400に投射される画像表示光の方向を適切に調整し、画像表示光に基づく虚像を運転者に適切に視認させることができる構成となっている。以下、その構成について詳述する。
【0032】
図5は、ヘッドアップディスプレイ10が右ハンドルの車両に搭載され、コンバイナ400の向きが角度θだけ左方に変更された場合のコンバイナ400及び光学系の一部について示す図である。以下ではコンバイナ400を左方又は右方に回動させる場合の回動部331の回動軸に垂直な平面を水平面とよぶ。水平面は、車両の底面に対し平行な面となる。また、コンバイナ400を上方又は下方に回動させる場合の回動軸に垂直な平面を垂直面とよぶ。垂直面は、車両の底面に対して垂直な面に平行な面となる。
【0033】
ルームミラー600に取り付けられるヘッドアップディスプレイでは、ルームミラーの向きによっては水平面が車両の底面とは平行にならず、また垂直面は車両の底面に垂直な面とは平行にならないことがある。説明及び理解の容易のため、ルームミラー600が、そのミラーの光軸が車両の底面に対し平行でかつステアリングが切られていない場合の車両の進行方向と平行な状態にあるときに、ヘッドアップディスプレイ10を取り付けた際のコンバイナ400の調整に対し、上記のようなルームミラーの向きの変更を考慮して、水平面を車両の底面に対し略平行な面とし、垂直面を車両の底面に対して垂直な面に略平行な面として以下説明する。
【0034】
運転者がコンバイナ400を水平面上で角度θだけ回動させると、
図4には図示しないコンバイナ支持アーム420を介して投射部300が画像生成部50に対して同じ方向に角度θだけ回動する。投射部300が備える第2投射ミラー352、第3投射ミラー353、及び中間像スクリーン360は、この投射部300の回動にあわせて、水平面と平行な面に沿って、コンバイナ400の回動と同じ回転軸で、同じ方向に角度θだけ回動することになる。これらの回動の回動軸は第1投射ミラー351の主光線の反射点を通るように各部が構成されている。
【0035】
一方で、同じく投射部300が備える第1投射ミラー351は、角度調整機構の一つである第1投射ミラーギアボックス341により、水平面と平行な面に沿って、コンバイナ400の回動と同じ回転軸で、同じ方向に角度θ/2だけ回転するように調整される。これにより、中間像スクリーン360を通過してコンバイナ400に向かう画像表示光の投射方向とコンバイナ400との相対的な位置関係は、コンバイナ400が回動される前のものと同じとなる。したがって、ユーザは、コンバイナ400を回動させて、そのユーザに対する向きを変更させた場合も、コンバイナ上に虚像として認識される画像を歪みのない画像とすることができる。
【0036】
以上のように、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ10によれば、車両内の設置スペースに制約がある場合であっても、装置全体を動かすことなくコンバイナ400の向き及びコンバイナ400に投射される画像表示光の方向を調整することができる。そしてヘッドアップディスプレイ10では、コンバイナ400のみではなく、投射される画像表示光の投射方向も併せて適切に調整できるため、ユーザは調整後も歪みのない適切な画像を視認することができる。
【0037】
図6は、上述したコンバイナ400、第1投射ミラー351、第2投射ミラー352、第3投射ミラー353、及び中間像スクリーン360の回転角及び減速比の関係を示す表である。この表に示されるように、コンバイナ400が水平面上を角度θだけ回転された場合、第1投射ミラー351は角度θ/2だけ回転され、第2投射ミラー352、第3投射ミラー353及び中間像スクリーン360は角度θだけ回転される。ユーザがコンバイナ400の向きを変更する際の回転角と、各投射ミラー及び中間像スクリーン360の回転角度の関係を上述のようにすることで、コンバイナの向きの変更に応じて、投射される画像表示光の投射方向が適切に変更されることになる。
【0038】
図7は、ヘッドアップディスプレイ10が左ハンドルの車両に搭載されコンバイナ400の向きが角度−θだけ右方に変更された場合のコンバイナ400及び光学系の一部について示す図である。この場合であっても、
図5及び
図6で説明したのと同様に、第1投射ミラー351が角度−θ/2だけ回動され、第2投射ミラー352、第3投射ミラー353及び中間像スクリーン360がそれぞれ角度−θだけ回動される。
【0039】
以上のようにヘッドアップディスプレイ10は、運転席と助手席の間に設けられるルームミラーに取り付けられ、水平面上でコンバイナ400を回動でき、その回動にあわせて画像表示光の投射方向が適切に変更できる。したがって、右ハンドル用の車両で使用するユーザ、及び左ハンドル用の車両で使用するユーザの両方に適切な虚像を提示することができる。
【0040】
次にコンバイナ400が垂直面で回動される場合について説明する。ユーザは上述したコンバイナ支持アーム420を介してコンバイナ400を上方又は下方に回動させることができる。このときコンバイナは回動軸に垂直な垂直面上で回動することになる。コンバイナ400が垂直面上で角度φだけ回動されると、投射部300が有するギアボックスにより、第2投射ミラーが角度φ/2だけ、第3投射ミラーが角度φだけ、中間像スクリーン360が角度φだけ、同じく垂直面上で回動される。これらの回動とコンバイナ400の回動とは、水平面の回動と同様に回動軸が同じになるように各部が構成されている。
【0041】
したがって、ヘッドアップディスプレイ10では、コンバイナ400のみではなく、投射される画像表示光の投射方向も併せて適切に調整できるため、ユーザは調整後も歪みのない適切な画像を視認することができる。これにより、運転者の座高や姿勢により目線の高さが変化する場合でも、運転者は歪みのない適切な虚像を認識することができる。
【0042】
上述の実施形態におけるコンバイナ400の回動機構は例示にすぎず、コンバイナ400を水平面又は垂直面で回動できるものであればいかなるものを採用してもよい。また、上述の実施形態で説明した投射ミラー等の各光学素子の回動機構についても例示にすぎず、コンバイナの回動に基づいて画像表示光のコンバイナへの投射方向を変更できるものであれば、いかなるものを採用してもよい。
【0043】
更に、上述の実施形態においては、水平面及び垂直面で回動することとしたが、互いに垂直に交わる2つの平面である第1平面および第2平面の面内でそれぞれ回動する機構で、対応する投射ミラーを有するものであれば、各投射ミラーに上述した角度θ及び角度φの回動の角度を適用することができる。