特開 2022-188796 ヘッドアップディスプレイ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022188796

(43)【公開日】2022-12-22

(54)【発明の名称】ヘッドアップディスプレイ

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/01 20060101AFI20221215BHJP

   B60R 11/02 20060101ALI20221215BHJP

【ＦＩ】

G02B27/01

B60R11/02 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021097006

(22)【出願日】2021-06-10

(71)【出願人】

【識別番号】000231512

【氏名又は名称】日本精機株式会社

(72)【発明者】

【氏名】江塚 敏晴

【テーマコード（参考）】

2H199

3D020

【Ｆターム（参考）】

2H199DA03

2H199DA12

2H199DA15

2H199DA18

2H199DA26

2H199DA28

2H199DA29

2H199DA30

2H199DA42

2H199DA43

3D020BA05

3D020BB01

3D020BC03

3D020BD03

(57)【要約】

【課題】 ヘッドアップディスプレイの虚像の表示品位の低下を抑制する。
【解決手段】 本開示のヘッドアップディスプレイＨは、レーザ光ＳＬを出射する光源部１１と、前記レーザ光ＳＬの光軸に対して第１角度θで傾斜する様態で配置され前記レーザ光ＳＬで照明されるスクリーン１３と、前記光源部１１と前記スクリーン１３の間の前記レーザ光ＳＬの光路上に配置される光学部１２と、を備え、前記スクリーン１３から出射された表示光ＰＬをホログラフィック光学素子ＨＯＥに投射して虚像Ｖを表示するヘッドアップディスプレイＨである。また、前記光学部１２は、前記第１角度θに対応する非球面係数の非球面レンズ１２６を有する。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を出射する光源部と、
前記レーザ光の光軸に対して第１角度で傾斜する様態で配置され前記レーザ光で照明されるスクリーンと、
前記光源部と前記スクリーンの間の前記レーザ光の光路上に配置される光学部と、
を備え、前記スクリーンから出射された表示光をホログラフィック光学素子に投射して虚像を表示するヘッドアップディスプレイであって、
前記光学部は、前記第１角度に対応する非球面係数の非球面レンズを有する、
ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。

【請求項2】

前記非球面レンズは、前記第１角度の大きさに反比例して前記非球面係数が小さく設定された奇数次の非球面レンズである、
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。

【請求項3】

前記非球面レンズは、前記第１角度の大きさに比例して前記非球面係数が大きく設定された偶数次の非球面レンズを有する、
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。

【請求項4】

前記スクリーンから出射される前記表示光は、
散乱角が±３ｄｅｇの範囲にある光の強度が前記レーザ光の強度の８０％以上であり、
散乱角が±４．５ｄｅｇの範囲外にある光の強度が前記レーザ光の強度の４０％未満である、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。

【請求項5】

前記スクリーンは、液晶パネルであり、
前記非球面レンズは、レンチキュラレンズである、
ことを特徴とする請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、車両情報を表示するヘッドアップディスプレイに関する。

【背景技術】

【0002】

ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ：Holographic Optical Element）で回折された光の虚像によって、車両情報を表示するヘッドアップディスプレイが特許文献１に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平７－９２８９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ホログラフィック光学素子は、干渉縞が形成されており、設定再生光（干渉縞に対応する波長の光）を照射することで所望の回折光を得るものである。従って、設定再生光の波長から外れた光がホログラフィック光学素子に照射されると、迷光（不必要な光の反射や散乱）が生じて、ヘッドアップディスプレイの虚像の表示品位が低下する。

【0005】

本開示は、ヘッドアップディスプレイの虚像の表示品位の低下を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示は、以下の構成のヘッドアップディスプレイによって、上記目的を達成する。
本開示のヘッドアップディスプレイは、
レーザ光を出射する光源部と、
前記レーザ光の光軸に対して第１角度で傾斜する様態で配置され前記レーザ光で照明されるスクリーンと、
前記光源部と前記スクリーンの間の前記レーザ光の光路上に配置される光学部と、
を備え、前記スクリーンから出射された表示光をホログラフィック光学素子に投射して虚像を表示するヘッドアップディスプレイであって、
前記光学部は、前記第１角度に対応する非球面係数の非球面レンズを有する。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、ヘッドアップディスプレイの虚像の表示品位の低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】ヘッドアップディスプレイの構成を示す図。

【図2】画像表示部の構成を示す図。

【図3】異なる傾き角度θで配置された液晶パネルの配光特性の比較図。

【図4】非球面レンズを適用前（Ｂｅｆｏｒｅ）と適用後（Ａｆｔｅｒ）の画像表示部の配光特性の比較図。

【図5】「液晶パネルの傾き角度θ」と「非球面レンズの非球面係数」との関係を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

添付図面を参照して本開示のヘッドアップディスプレイＨを以下に説明する。このヘッドアップディスプレイＨは、車両のインストルメントパネルに内蔵されており、車両の走行速度や経路案内情報などの各種車両情報を表示する車載計器である。

【0010】

添付図面の説明を補足する。符号Ｙで図示された方向は、車両の上下方向（鉛直方向）に対応する。符号Ｚで図示された方向は、車両の前後方向に対応する。

【0011】

図１を参照する。ヘッドアップディスプレイＨは、画像表示部１、反射鏡２、ハウジング３、を備える。ヘッドアップディスプレイＨは、画像表示部１が出力した表示光ＰＬを車両のウインドシールドＷＳに設けられたホログラフィック光学素子ＨＯＥに投射する。ホログラフィック光学素子ＨＯＥは、車両の搭乗者Ｐに向けて表示光ＰＬを回折した回折光を反射する。これにより、搭乗者ＰはウインドシールドＷＳの前方に車両情報を示す虚像Ｖを視認することができる。

【0012】

画像表示部１は、車両情報を数値や図などによって表した画像を表示し、この画像から表示光ＰＬを出射する表示器である。画像表示部１の詳細構成については、後述する。

【0013】

反射鏡２は、例えば、凹面鏡である。反射鏡２は、画像表示部１が出射する表示光ＰＬを反射して光をハウジング３内で折り返して表示光ＰＬの光路長を長くし、その結果として虚像ＶをウインドシールドＷＳの遠方に結像することができる。また、反射鏡２は、ウインドシールドＷＳの湾曲形状による虚像Ｖの歪みを相殺する自由曲面形状を有し、ウインドシールドＷＳの湾曲形状による虚像Ｖの歪みの影響を抑制する。尚、反射鏡２は、１つの凹面鏡に限らず、平面鏡と凹面鏡の２つの鏡によって光を折り返すようにしてもよい。

【0014】

ハウジング３は、表示光ＰＬを出射する出射口が形成されたケースである。ハウジング３は、画像表示部１、反射鏡２、制御回路基板を収容する。ハウジング３は、例えば、黒色の不透明な樹脂や金属で成形されている。ハウジング３の出射口は、厚さ０．５～２ｍｍ（ミリメートル）の透光性防塵カバー３１で覆われている。透光性防塵カバー３１は、例えば、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂などの樹脂製のフィルムである。また、ハウジング３の出射口近傍の内部には、出射口から入射した外光（主に太陽光）ＥＬが直接画像表示部１に直接的に入射することを防ぐ遮光壁３２が形成されている。

【0015】

ホログラフィック光学素子ＨＯＥは、特定の波長に対応する干渉縞が記録された反射型のホログラフィックフィルムである。ホログラフィック光学素子ＨＯＥは、ウインドシールドＷＳに設けられている。特定の波長とは、青色、赤色、緑色の光の３原色の波長である。以降、青色とは、中心波長が約６３２ｎｍの光を指す。赤色とは、中心波長が約４８８ｎｍの光を指す。緑色とは、中心波長が約５３２ｎｍの光を指す。

【0016】

（画像表示部１の構成）
図２を参照する。画像表示部１は、光源部１１と、光学部１２と、液晶パネル（スクリーン）１３と、を備える。

【0017】

光源部１１は、液晶パネル１３を照明するバックライトである。光源部１１は、レーザ光源１１１～１１３と、合成部と、を備える。合成部は、後述する第１合成部１１４、第２合成部１１５、第３合成部１１６から構成される。

【0018】

レーザ光源１１１は、青色レーザ光Ｂを出射するレーザダイオードである。レーザ光源１１１は、第１合成部１１４に向けて青色レーザ光Ｂを出射する。

【0019】

レーザ光源１１２は、赤色レーザ光Ｒを出射するレーザダイオードである。レーザ光源１１２は、第２合成部１１５に向けて赤色レーザ光Ｒを出射する。

【0020】

レーザ光源１１３は、緑色レーザ光Ｇを出射するレーザダイオードである。レーザ光源１１３は、第３合成部１１６に向けて緑色レーザ光Ｇを出射する。

【0021】

第１合成部１１４は、青色光のみを反射するダイクロイックミラーである。第１合成部１１４は、レーザ光源１１１が出射した青色レーザ光Ｂを第２合成部１１４に向けて反射する。

【0022】

第２合成部１１５は、赤色光を反射し青色光を透過するダイクロイックミラーである。第２合成部１１５は、第１合成部１１４が反射した青色レーザ光Ｂを第３合成部１１６に向けて透過し、レーザ光源１１２が出射した赤色レーザ光Ｒを第３合成部に向けて反射する。

【0023】

第３合成部１１６は、緑色光を反射し、赤色光及び青色光を透過するダイクロイックミラーである。第３合成部１１６は、第２合成部が透過した青色レーザ光Ｂと第２合成部が反射した赤色レーザ光Ｒを透過し、レーザ光源１１３が出射した緑色レーザ光Ｇを反射する。

【0024】

光源部１１は、以上の構成により、レーザ光源１１１～１１３が出射したレーザ光Ｒ、Ｇ、Ｂを合成部１１４～１１６によって合成したレーザ光である合成光ＳＬを光学部１２に向けて出射する。

【0025】

光学部１２は、光源部１１が出射した合成光ＳＬが液晶パネル１３に至る過程で、合成光ＳＬを反射、屈折、収斂、発散する光学部材である。光学部１２は、光源部１１側に配置された順に述べると、走査ミラー１２１と、ビームステアリング部１２２と、フライアイレンズ１１３と、コンデンサレンズ１１４と、フィールドレンズ１１５と、レンチキュラレンズ１１６と、拡散板１１７と、から構成される。

【0026】

走査ミラー１２１は、光源部１１が出射した合成光ＳＬをビームステアリング部１２２に向けて二次元走査するように反射するミラーである。走査ミラー１２１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーや、ＶＣＭ（Voice Coil Mirror）などの二次元走査ミラーである。

【0027】

ビームステアリング部１２２は、入射した合成光ＳＬを屈折してフライアイレンズ１１３に照射するレンズである。ビームステアリング部１２２は、一対のウェッジプリズムと、これらウェッジプリズムを回転させる回転機構から構成される。ウェッジプリズムを回転させることにより、合成光ＳＬの屈折角を制御する。

【0028】

フライアイレンズ（インテグレータレンズ）１２３は、複数のレンズをマトリクス状に配列したレンズである。フライアイレンズ１２３は、構成するレンズの数だけ多重像を生じさせることにより、光源部１１の点光源の光を均一な面照明の照度分布に近づける。

【0029】

コンデンサレンズ１２４及びフィールドレンズ１２５は、ケーラー照明を構成する対となるレンズである。これらコンデンサレンズ１２４及びフィールドレンズ１２５も、フライアイレンズ１２３と同様に、均一な面照明の照度分布に近づけるためのレンズである。

【0030】

レンチキュラレンズ１２６は、所定の非球面レンズを有するレンズであり、後述する液晶パネルの傾斜角θによる配光特性の悪影響を抑制する。非球面レンズの詳細は、後述する。

【0031】

拡散板１２７は、レンチキュラレンズ１２６を通過した合成光ＳＬの光を分散させ、光のホットスポットが生じることを防ぐ。

【0032】

液晶パネル１３は、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）型の液晶パネルである。液晶パネル１３は、車両情報を表す図形や数字を画像として表示し、背面から合成光ＳＬで照明されることにより、表示した画像から表示光ＰＬを出射する。

【0033】

液晶パネル１３は、光源部１１が出射する合成光ＳＬの絞りの中心をとおる主光線に対しＹ方向に傾いて配置される。この傾き角を第１角度θと定義する。

【0034】

第１角度θは、反射鏡２に反射された外光ＥＬが液晶パネル１３で反射した後にハウジング３の遮光壁の裏面に向かうように設定されている。これにより、反射鏡２に反射された外光ＥＬが液晶パネル１３で反射した後に、再び反射鏡２に反射されてハウジング３の出射口から出射されることを防ぐ。液晶パネル１３が傾斜配置されていない（第１角度θが０°）場合、反射鏡２に反射された外光ＥＬが液晶パネル１３で反射した後に、再び反射鏡２に反射されてハウジング３の出射口から出射されて迷光となる。この迷光は、表示光ＰＬと共にホログラフィック光学素子ＨＯＥに照射されるため、虚像Ｖの表示品位の低下を招く。

【0035】

上述したように、液晶パネル１３は、外光ＥＬを起因とする迷光を防ぐために傾斜配置されている。

【0036】

第１角度θ＝０°の例示Ａと、第１角度θ＝３０°の例示Ｂの配光特性を比較したものを図３に示す。図３において、縦軸は光源部１１が出射した合成光ＳＬの強度を１００％としたときの液晶パネル１３が出射する表示光ＰＬの強度比を示し、横軸は散乱角を示すものである。

【0037】

図３に示すように、本開示の発明者は、第１角度θが大きいほど液晶パネル１３が出射する表示光ＰＬの強度の低下と散乱角の増加が生じることを発見した。特に、本開示の発明者は、散乱角が増加すると、ホログラフィック光学素子ＨＯＥに形成された干渉縞に対応する波長の光から外れた光を表示光ＰＬが多く含むようになるため、ホログラフィック光学素子ＨＯＥから出射する回折光に迷光（不必要な光の反射や散乱）が生じて、ヘッドアップディスプレイの虚像の表示品位が低下するという課題を発見した。

【0038】

上述した液晶パネル１３の傾斜配置に起因する迷光を抑制するために、液晶パネル１３の第１角度θに基づいて、レンチキュラレンズ１２６の非球面レンズの非球面係数を設定した。尚、この非球面レンズの非球面係数は、液晶パネル１３の傾き方向と直交する方向におけるレンズのレンズ形状に関するものである。この非球面レンズは、出射面が液晶パネル１３の傾斜と逆方向になるように面全体を非対称になる様態となる。

【0039】

上述した非球面レンズにより、図４に示すように、非球面レンズを適用する前の構成（Ｂｅｆｏｒｅ）に対し、液晶パネル１３の第１角度θに基づいてレンチキュラレンズ１２６の非球面レンズの非球面係数を設定した構成（Ａｆｔｅｒ）の配光特性は改善した。具体的には、光源部１１が出射した合成光ＳＬの強度を１００％としたときの液晶パネル１３が出射する表示光ＰＬの強度比（Relative Power）が上昇した。また、液晶パネル１３が出射する表示光ＰＬの散乱角が小さくなった。

【0040】

レンチキュラレンズ１２６の非球面レンズの非球面係数は、液晶パネル１３の第１角度θに応じて図５に示すような非球面係数とすることで、液晶パネル１３の傾斜配置に起因する迷光を抑制できる。

【0041】

図５のＡＣ（３ｔｈ）に示すように、三次非球面とする場合は、第１角度θに反比例して三次非球面係数が小さくなるように設定することで配光特性が改善できる。つまり、奇数次の非球面係数を第１角度θに反比例して小さく設定することが好ましい。

【0042】

図５のＡＣ（４ｔｈ）に示すように、四次非球面とする場合は、第１角度θに比例して四次非球面係数が大きくなるように設定することで配光特性が改善できる。つまり、偶数次の非球面係数を第１角度θに比例して大きく設定することが好ましい。

【0043】

レンチキュラレンズ１２６の非球面レンズの非球面係数は、光源部１１が出射した合成光ＳＬの強度を１００％としたときの液晶パネル１３が出射する表示光ＰＬの強度比が、散乱角が±３ｄｅｇの範囲内であるときに８０％以上、散乱角が±４．５ｄｅｇの範囲外であるときに４０％未満であることが好ましい。このような条件を満たす非球面係数とすることで、液晶パネル１３の傾斜配置に起因する迷光を抑制できる。

【0044】

以上が、本開示のヘッドアップディスプレイＨの実施形態の説明である。本開示のヘッドアップディスプレイＨは上述した形態に限定されず、以下の変形をしてもよい。

【0045】

本実施形態では、レンチキュラレンズ１２６が第１角度θに基づく非球面レンズを有した構成であるが、これに限定されない。例えば、フライアイレンズ１２３などのレンズがこのような非球面レンズを有する構成としてもよい。好ましくは、光学部１２のレンズ群のうち、本実施形態のように液晶パネル１３の背面に最も近いレンズに適用することが好ましい。

【0046】

また、レンチキュラレンズ１２６は、液晶パネル１３と同様に、光源部１１が出射する合成光ＳＬの絞りの中心をとおる主光線に対しＹ方向に第１角度θ傾いて配置されていてもよい。つまり、液晶パネル１３と略平行に配置されていてもよい。この場合、レンチキュラレンズ１２６の第１角度θに基づく非球面レンズの設計において、液晶パネル１３を均一に照明しやすくなる。

【符号の説明】

【0047】

Ｈ …ヘッドアップディスプレイ
１ …画像表示部
１１ …光源部
１２ …光学部
１２１ …走査ミラー
１２２ …ビームステアリング部
１２３ …フライアイレンズ
１２４ …コンデンサレンズ
１２５ …フィールドレンズ
１２６ …非球面レンズを有するレンチキュラレンズ
１２７ …拡散板
１３ …液晶パネル（スクリーン）
２ …反射鏡
３ …ハウジング
３１ …透光性防塵カバー
３２ …遮光壁
ＷＳ …ウインドシールド
ＨＯＥ…ホログラフィック光学素子
Ｐ …搭乗者
ＰＬ …表示光
ＳＬ …合成光（合成したレーザ光）
Ｖ …虚像

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】