JP5930231B2 - 投影装置及びヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像を所定箇所に投影する投影装置と、この投影装置が投影した画像を反射透過面に映して風景とともに画像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。

従来のヘッドアップディスプレイ装置は、例えば、特許文献１に開示されるものがある。このようなヘッドアップディスプレイ装置は、第１および第２の表示器とハーフミラーから構成されており、ハーフミラーにより透過光と反射光を重複して投影することで、ユーザに異なる表示距離の表示像（虚像）を視認させるものである。

特開２００３−２３７４１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイ装置は、複数の表示器を設けているため、ヘッドアップディスプレイ装置の容量が増大してしまったり、コストが上昇してしまったりするおそれがあった。また、ハーフミラーを用いているため、表示器から出射される表示光の利用効率が低下してしまうおそれがあった。

そこで、本発明は、この問題に鑑みてなされたものであり、コンパクトで安価で光効率のよい、複数の表示距離を有する表示画像を表示可能な投影装置及びヘッドアップディスプレイ装置を提供するものである。

上記の課題を解決するため、本発明の第一の観点に係る投影装置は、表示画像を所定の位置に表示する投影光を出射する表示器と、前記表示器から出射される前記投影光を受光し、入射した前記投影光のうち少なくとも一部の前記投影光の結像距離を変えて結像距離の異なる複数の投影光に変換して反射する結像位置調整ミラーと、を備える投影装置において、第二スクリーンに前記投影光のうち結像距離が長い投影光を結像させ、前記第二スクリーンよりも前記投影装置に近い位置に配置される第一スクリーンに前記投影光のうち結像距離が短い投影光を結像させるものである。

また、本発明の第二の観点に係るヘッドアップディスプレイ装置は、投影面に表示画像を投影して前記表示画像を虚像として視認させるヘッドアップディスプレイ装置において、投影光を出射する投影部と、前記投影部から出射される前記投影光を受光し、入射した前記投影光のうち少なくとも一部の前記投影光の結像距離を変えて結像距離の異なる複数の投影光に変換して反射する結像位置調整ミラーと、前記投影光のうち結像距離が長い投影光を結像する第二スクリーンと、前記第二スクリーンより前記投影面より離れた位置に配置され、前記投影光のうち結像距離が短い投影光を結像する第一スクリーンと、を備えるものである。

コンパクトで安価で光効率のよい、複数の表示距離を有する表示画像を表示可能な投影装置及び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。

本発明の実施形態を示す概略図。 同上実施形態の第一スクリーン、第二スクリーンの構成を示す図。 本発明の変形例を示す概略図。 本発明の結像位置調整ミラーの変形例を示す図。

以下、添付図面に基づいて、本発明のヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置と記載）１００及び投影装置２０の一実施形態を説明する。

ＨＵＤ装置１００は、例えば自動車に搭載されるものであり、図１に示すように、筐体１０と、投影装置２０と、第一スクリーン（第一結像部）３０と、第二スクリーン（第二結像部）４０と、平面鏡（リレー光学系）５０と、凹面鏡（リレー光学系）６０と、制御基板（図示しない）と、を備える。ＨＵＤ装置１００は、投影装置２０が第一スクリーン３０に投影した第一表示画像Ｍ１と、同じく投影装置２０が第二スクリーン４０に投影した第二表示画像Ｍ２とを、平面鏡５０と凹面鏡６０とで車両のフロントガラス２００に向けて反射することで、ユーザＥに対して第一表示画像Ｍ１の第一虚像Ｖ１と、第二表示画像Ｍ２の第二虚像Ｖ２とを表示する。

筐体１０は、例えば黒色の遮光性合成樹脂から形成され、投影装置２０、第一スクリーン３０、第二スクリーン４０、平面鏡５０、凹面鏡６０を内部に収納し、外部に制御基板（図示しない）が取り付けられる。
筐体１０は、後述する表示光Ｎをフロントガラス２００に通過させる開口部１０ａを有し、この開口部１０ａは、透光性カバー１０ｂに覆われている。

投影装置２０は、後述する第一表示画像Ｍ１を示す第一投影光Ｌ１と、第二表示画像Ｍ２を示す第二投影光Ｌ２とを、後述する第一スクリーン３０と第二スクリーン４０とに向けて出射し、第一スクリーン３０及び第二スクリーン４０上に第一表示画像Ｍ１，第二表示画像Ｍ２を結像するものである。投影装置２０の詳細な構成については、後に詳述する。

第一スクリーン（第一結像部）３０は、投影装置２０から出射された第一投影光Ｌ１を背面で受光し、表面側に第一表示画像Ｍ１を表示する透過スクリーンであり、例えば、ホログラフィックディフューザ、マイクロレンズアレイ、拡散板等によって構成される。第一スクリーン３０が第一表示画像Ｍ１を表示すると、この第一表示画像Ｍ１を示す第一表示光Ｎ１は、後述の平面鏡５０、凹面鏡６０によりフロントガラス２００に投射され、フロントガラス２００によりユーザＥの方向（アイボックス）に反射される。これにより、ユーザＥは、フロントガラス２００の向こう側に第一虚像Ｖ１を視認することができる。なお、本実施形態において第一スクリーン３０は、図２に示すように略矩形状の外縁部分の一部を矩形状に切り抜いた切り欠き部３０ａを設けた凹状の表示エリアを有する。従って、第一虚像Ｖ１も凹状の表示エリアを有する。なお、後述する第二投影光Ｌ２は、図２に示すように第一スクリーン３０の切り欠き部３０ａを通って後述する第二スクリーン４０に到達する。

第二スクリーン（第二結像部）４０は、第一スクリーン３０の切り欠き部３０ａの略相似形状である矩形状に形成され、投影装置２０から出射された第二投影光Ｌ２を背面で受光し、表面側に第二表示画像Ｍ２を表示する透過スクリーンであり、第一スクリーン３０と同様、例えば、ホログラフィックディフューザ、マイクロレンズアレイ、拡散板等によって構成される。第二スクリーン４０が第二表示画像Ｍ２を表示すると、この第二表示画像Ｍ２を示す第二表示光Ｎ２は、後述の平面鏡５０、凹面鏡６０によりフロントガラス２００に投射され、ユーザＥから見たフロントガラス２００の向こう側に第二虚像Ｖ２を表示する。

図１に示すように、第一スクリーン３０は、第二スクリーン４０よりも投影装置２０の近くに配置される。すなわち、第一スクリーン３０からユーザＥに向けて進行する第一表示光Ｎ１の光路長は、第二スクリーン４０からユーザＥに向けて進行する第二表示光Ｎ２の光路長よりも長くなる。それゆえ、ユーザＥから第一虚像Ｖ１が表示される位置までの距離（表示距離）は、ユーザＥから第二虚像Ｖ２が表示される位置までの距離（表示距離）よりも長くなるので、本実施形態におけるＨＵＤ装置１００は、第一虚像Ｖ１が第二虚像Ｖ２よりも遠くの位置にあるように表示することができる。なお、本実施形態においては、第一虚像Ｖ１の表示距離は５ｍであり、第二虚像Ｖ２の表示距離は２ｍである。

また、第一スクリーン３０は、第一スクリーン３０からユーザＥに向かう第一表示光Ｎ１の光軸に対して所定の角度（０度も含む）を有するように配置され、そして、第二スクリーン４０も同様に、第二スクリーン４０からユーザＥに向かう第二表示光Ｎ２の光軸に対して所定の角度（０度も含む）を有するように配置されている。なお、第一スクリーン３０（第二スクリーン４０）が第一表示光Ｎ１の光軸に対して所定の角度を持つ場合においても後述する凹面鏡６０の自由曲面により、ユーザＥの前方視線に対して第一虚像Ｖ１及び第二虚像Ｖ２が概ね垂直に向かい合うように結像される。ユーザＥが第一虚像Ｖ１（第二虚像Ｖ２）を視認した際、第一虚像Ｖ１（第二虚像Ｖ２）内のどの領域でも表示距離が一定となり、ユーザＥが焦点移動をしなくても第一虚像Ｖ１（第二虚像Ｖ２）全体を視認しやすくすることができる。

平面鏡（リレー光学系）５０は、例えば合成樹脂やガラス材料からなる基材の表面に、蒸着等の手段により反射膜を形成したものであり、第一スクリーン３０，第二スクリーン４０から出射した第一表示光Ｎ１，第二表示光Ｎ２を、凹面鏡６０に向けて反射する。

凹面鏡（リレー光学系）６０は、例えば合成樹脂材料からなる基材の表面に、蒸着等の手段により反射膜を形成したものであり、平面鏡３０で反射した第一表示光Ｎ１，第二表示光Ｎ２をさらに反射させ、フロントガラス２００に向けて出射する凹状の自由曲面を有するミラーである。凹面鏡６０で反射した第一表示光Ｎ１，第二表示光Ｎ２は、筐体１０の開口部１０ａに設けられた透光性カバー１０ｂを透過して、フロントガラス２００に到達する。フロントガラス２００で反射された第一表示光Ｎ１，第二表示光Ｎ２は、フロントガラス２００の前方位置に第一虚像Ｖ１及び第二虚像Ｖ２を形成する。これにより、ＨＵＤ装置１００は、虚像Ｖ（第一虚像Ｖ１及び第二虚像Ｖ２）とフロントガラス２００の前方に実際に存在する外景等の双方を、ユーザＥに視認させることができる。なお、凹面鏡６０は拡大鏡としての機能を有し、投影装置２０に表示された表示画像Ｍを拡大してフロントガラス２００側へ反射する。すなわち、ユーザＥに視認される第一虚像Ｖ１，第二虚像Ｖ２は投影装置２０が表示する第一表示画像Ｍ１，第二表示画像Ｍ２が拡大した像である。また、凹面鏡６０は、フロントガラス２００が曲面であることに起因する第一虚像Ｖ１及び第二虚像Ｖ２の歪みを軽減する機能も有する。以下に、投影装置２０の具体的な構成を説明する。

投影装置２０は、図１に示すように、第一投影光Ｌ１，第二投影光Ｌ２を生成して出射する表示器２１と、この表示器２１から入射した第一投影光Ｌ１，第二投影光Ｌ２を反射して折り返すフォールドミラー２２と、フォールドミラー２２から入射した光の結像距離を調整する結像位置調整ミラー２３と、を備え、投影装置２０から異なる距離だけ離れた第一スクリーン３０及び第二スクリーン４０のそれぞれに第一投影光Ｌ１及び第二投影光Ｌ２を結像させる。

表示器２１は、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ ＭｉｃｒｏＭｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）やＬＣＯＳ（登録商標：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）などの反射型表示素子やＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）液晶パネルなどの透過型表示素子を有し、図示しない制御基板からの制御信号に基づき、第一表示画像Ｍ１及び第二表示画像Ｍ２を表示させるための第一投影光Ｌ１及び第二投影光Ｌ２をフォールドミラー２２に向けて出射する。なお、表示器２１は、第一スクリーン３０，第二スクリーン４０，平面鏡５０，凹面鏡６０，フロントガラス２００などを介してユーザＥに視認される際に、歪んだ虚像Ｖ（第一虚像Ｖ１，第二虚像Ｖ２）にならないように、それぞれの光学部材の光学特性及び配置などを考慮して予め歪ませた表示画像Ｍ（第一表示画像Ｍ１，第二表示画像Ｍ２）を表示するように制御される。

フォールドミラー２２は、例えば合成樹脂やガラス材料からなる基材の表面に、蒸着等の手段により反射膜を形成したものであり、表示器２１から出射された第一投影光Ｌ１及び第二投影光Ｌ２を後述する結像位置調整ミラー２３に反射する平面鏡である。フォールドミラー２２を設けることで、投影装置２０のパッケージをよりコンパクトにすることができる。なお、表示器２１から結像位置調整ミラー２３までの間にフォールドミラー２２を複数設けてもよく、またフォールドミラー２２を省略してもよい。

結像位置調整ミラー２３は、例えば合成樹脂材料やガラス材料などからなる基材の表面に蒸着等の手段により反射膜を形成したものであり、同一基材上に、第一投影光Ｌ１を受光する第一反射面２３１と、第二投影光Ｌ２を受光する第二反射面２３２とを有する。本実施形態において、第一反射面２３１は、反射面が平面で形成され、受光した第一投影光Ｌ１を、結像距離を変化させずに第一スクリーン３０に反射することで第一スクリーン３０の表面側に第一表示画像Ｍ１を結像する。また、第二反射面２３２は、反射面が凸の自由曲面で形成され、受光した第二投影光Ｌ２を、結像距離を長く変化させて第二スクリーン４０に反射することで第二スクリーン４０の表面側に第二表示画像Ｍ２を結像する。

すなわち、本実施形態における結像位置調整ミラー２３は、第一投影光Ｌ１を反射する第一反射面２３１と、第二投影光Ｌ２を反射する第二反射面２３２との曲面形状が異なるので、１つの表示器２１からの投影光Ｌを受光するだけで第一投影光Ｌ１と第二投影光Ｌ２とで結像距離を異ならせることができる。従って、ユーザＥが視認する第一虚像Ｖ１と第二虚像Ｖ２とを異なる表示距離で表示することができ、第一虚像Ｖ１として表示される情報と、第二虚像Ｖ２として表示される情報とで差別化することができ、情報の識別性を高めることができる。また、同一の表示器２１から出射される少なくとも第一投影光Ｌ１と第二投影光Ｌ２との結像距離を異ならせることができるため、表示器を複数設ける場合と比較してコストを抑えることができる。

また、結像位置調整ミラー２３における第一反射面２３１と第二反射面２３２とは、同一基材上に形成されているため、表示器２１からの投影光Ｌを結像位置調整ミラー２３に照射するだけで少なくとも第一投影光Ｌ１と第二投影光Ｌ２との結像距離を異ならせることができるため、投影光Ｌの光路を複雑化することなく省スペースを実現することができる。

また、本実施形態における結像位置調整ミラー２３は、同一基材上に第一投影光Ｌ１と第二投影光Ｌ２との結像距離を異ならせる第一反射面２３１と第二反射面２３２とを形成しているため、第一反射面２３１と第二反射面２３２との相対的な位置が組み立て誤差などでずれにくく、精度よく第一投影光Ｌ１と第二投影光Ｌ２とを第一スクリーン３０及び第二スクリーン４０に結像させることができる。

また、本実施形態における表示器２１は、結像位置調整ミラー２３の第一反射面２３１と第二反射面２３２との境界付近には画像を生成するための投影光Ｌを投射しない。斯かる構成により、投影光Ｌの結像位置調整ミラー２３に対する投影位置がＨＵＤ装置１００の組み付け誤差や振動などによってずれてしまった場合でも、第一スクリーン３０に映したい第一表示画像Ｍ１が第二スクリーン４０に映されてしまうことを防止することができる。

また、本実施形態における結像位置調整ミラー２３の一部（第一反射面２３１）は平面で形成されるため、表示器２１から投射される投射光Ｌを歪ませることなく反射させることができる。また、結像位置調整ミラー２３の設計や製造が容易になり設計製造コストを削減することができる。

以上が、本実施形態におけるＨＵＤ装置１００の説明であるが、本発明は上記実施形態及び図面によって限定されるものではない。これらに変更（構成要素の削除も含む）を加えることができるのはもちろんである。以下に変形例の一例を示す。

上記実施形態において、第一反射面２３１が平面であり、第二反射面２３２が凸の自由曲面であるものを説明したが、第一反射面２３１及び第二反射面２３２の反射面の形状は、第一投影光Ｌ１と第二投影光Ｌ２の結像距離を異ならせることができればよいので、これに限定されない。反射面を凸状にすることで結像距離を長くすることができ、一方、凹状にすることで結像距離を短くすることができる。なお、第一反射面２３１及び第二反射面２３２は、反射領域全体で同じ曲面形状を有する必要はなく、反射領域によって異なっていてもよい。

上記実施形態において、第一スクリーン３０は、第一スクリーン３０からユーザＥに向かう第一表示光Ｎ１の光軸に対して所定の角度を有するように配置され、そして、第二スクリーン４０も同様に、第二スクリーン４０からユーザＥに向かう第二表示光Ｎ２の光軸に対して所定の角度を有するように配置されていたが、これに限定されない。第一スクリーン３０または／および第二スクリーン４０を、ユーザＥに向かう第一表示光Ｎ１（第二表示光Ｎ２）の光軸に対して所定の角度以上傾けて配置してもよい。具体的には、図３に示すように、第一スクリーン３０を第一表示光Ｎ１の光軸に対して所定の角度以上傾けて配置し、傾けて配置した第一スクリーン３０と表示器２１との間の第一投影光Ｌ１の光路長を考慮して、第一反射面２３１の曲面形状を徐変することで第一投影光Ｌ１の結像距離を徐変することができる。従って、第一スクリーン３０を光軸に対して所定の角度以上傾けた場合でも第一スクリーン３０の広い範囲（全領域も含む）で第一表示画像Ｍ１を結像させることができ、ユーザＥから奥行き感があり、ぼやけていない第一虚像Ｖ１を視認させることができる。

また、第一スクリーン３０の第一投影光Ｌ１の光軸に対する傾きは、第二スクリーン４０の第二投影光Ｌ２の光軸に対する傾きと異ならせてもよい。斯かる構成により、２つの虚像間（第一虚像Ｖ１と第二虚像Ｖ２）とを立体的に差別化することができ、それぞれの情報を区別してユーザＥに認識させやすくすることができる。

また、上記実施形態では、表示器２１が出射する第一投影光Ｌ１または／および第二投影光Ｌ２の結像距離を調整する結像位置調整ミラー２３を、図４に示すように複数の結像位置調整ミラー２３ａと結像位置調整ミラー２３ｂとによって構成してもよい。

また、上記実施形態では、第一反射面２３１と第二反射面２３２を同じ基材上に配置したが、別々の基材上にそれぞれ配置されるものであってもよい。

また、第一反射面２３１と第二反射面２３２とは、連続した反射膜で形成されてもよく、第一反射面２３１と第二反射面２３２との境界付近で反射膜を形成しなくてもよい。

また、上記実施形態において、第一スクリーン３０及び第二スクリーン４０は概ね矩形状としたが、第一スクリーン３０及び第二スクリーン４０の形状は、六角形や八角形などの多角形状であってもよい。

また、以上の説明では、本発明の理解を容易にするために、重要でない公知の技術的事項の説明を適宜省略した。

１００ ＨＵＤ装置（ヘッドアップディスプレイ装置）、１０ 筐体、２０ 投影装置、２１ 表示器、２２ フォールドミラー、２３ 結像位置調整ミラー、３０ 第一スクリーン、４０ 第二スクリーン、５０ 平面鏡、６０ 凹面鏡、Ｌ 投影光、Ｌ１ 第一投影光、Ｌ２ 第二投影光、Ｍ１ 第一表示画像、Ｍ２ 第二表示画像、Ｎ１ 第一表示光、Ｎ２ 第二表示光、Ｖ 虚像Ｖ１ 第一虚像Ｖ２ 第二虚像

Claims (16)

1. 表示画像を所定の位置に表示する投影光を出射する表示器と、
   前記表示器から出射される前記投影光を受光し、入射した前記投影光のうち少なくとも一部の前記投影光の結像距離を変えて結像距離の異なる複数の投影光に変換して反射する結像位置調整ミラーと、を備える投影装置において、
   第二スクリーンに前記投影光のうち結像距離が長い投影光を結像させ、
   前記第二スクリーンよりも前記投影装置に近い位置に配置される第一スクリーンに前記投影光のうち結像距離が短い投影光を結像させる、
   ことを特徴とする投影装置。
2. 前記結像位置調整ミラーは、所定の領域に結像距離を変える曲面を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
3. 前記結像位置調整ミラーは、前記投影光の一部を、第一結像距離を有する第一投影光として所定の領域に向けて反射する第一反射面と、前記投影光の一部を、前記第一結像距離よりも短い第二結像距離を有する第二投影光として前記第一投影光とは異なる領域に向けて反射する第二反射面と、を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
4. 前記第一反射面と前記第二反射面は、同一基材上に形成される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の投影装置。
5. 前記表示器は、前記第一反射面と前記第二反射面との境界付近には前記投影光を投射しない、
   ことを特徴とする請求項３に記載の投影装置。
6. 前記第一反射面または前記第二反射面のいずれかが平面である、
   ことを特徴とする請求項３に記載の投影装置。
7. 前記第一反射面または／および前記第二反射面は、前記投影光の結像距離を前記表示画像の画角に応じて徐変する曲面を有する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の投影装置。
8. 投影面に表示画像を投影して前記表示画像を虚像として視認させるヘッドアップディスプレイ装置において、
   投影光を出射する投影部と、
   前記投影部から出射される前記投影光を受光し、入射した前記投影光のうち少なくとも一部の前記投影光の結像距離を変えて結像距離の異なる複数の投影光に変換して反射する結像位置調整ミラーと、
   前記投影光のうち結像距離が長い投影光を結像する第二スクリーンと、
   前記第二スクリーンより前記投影面より離れた位置に配置され、前記投影光のうち結像距離が短い投影光を結像する第一スクリーンと、を備える、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
9. 前記結像位置調整ミラーは、所定の領域に結像距離を変える曲面を有する、
   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. 前記結像位置調整ミラーは、前記投影光の一部を、第一結像距離を有する第一投影光として前記第一スクリーンに向けて反射する第一反射面と、前記投影光の一部を、前記第一結像距離よりも短い第二結像距離を有する第二投影光として前記第二スクリーンに向けて反射する第二反射面と、を有する、
    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。
11. 前記第一反射面と前記第二反射面は、同一基材上に形成される、
    ことを特徴とする請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
12. 前記投影部は、前記第一反射面と前記第二反射面との境界付近には前記投影光を投射しない、
    ことを特徴とする請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
13. 前記第一反射面または前記第二反射面のいずれかが平面である、
    ことを特徴とする請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
14. 前記第一スクリーンまたは／および前記第二スクリーンは、前記投影光の光軸に対して傾けて配置する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
15. 前記第一スクリーンの前記投影光の光軸に対する傾きは、前記第二スクリーンの前記投影光の光軸に対する傾きと異なる、
    ことを特徴とする請求項１４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
16. 前記第一反射面または／および前記第二反射面は、前記投影光の結像距離を前記表示画像の画角に応じて徐変する曲面を有する、
    ことを特徴とする請求項１４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
    

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