JPH078627B2 - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.発明の目的 １） 産業上の利用分野 本発明は、鉄道車両、自動車、船舶等の乗物の操縦者が
前方外界の景色を見ながら操縦する際に、その操縦者が
見ている前方の外界の情景に種々の情報（たとえば、速
度情報、ブレーキ情報、時刻情報等）を重ねて表示する
乗物用のヘッドアップディスプレイや、前方の作業部の
情景を確認しながら作業用機械の操作部を操作する際、
操作に必要な情報を前方作業部の情景に重ねて表示する
作業用のヘッドアップディスプレイ、および、周囲の情
景に各種案内情報を重ねて表示する広告、案内用のヘッ
ドアップディスプレイ等に関する。

このようなヘッドアップディスプレイを用いれば、その
使用者は一々前方の情景から視線をそらせて計器類を見
る必要がなくなるので、前方情景から視線をそらせてい
る間に生じる不慮の事故を防いだり、作業の効率を向上
させたりすることができる。また、広告、案内用として
は周囲の情景に、その情景の説明等を重ねて表示するこ
とができるので、観光地の案内等にも使用することがで
きる。

２） 従来の技術 前記従来のヘッドアップディスプレイは、普通、その使
用者の視野前方にハーフミラーまたはホログラム素子等
のコンバイナを配置し、そのコンバイナは前方の情景か
ら出射した光線を使用者の方向に透過させるとともに、
前記コンバイナの後面に入射した情報表示光を使用者の
方向に反射または回折させるように構成されている。そ
して、前記情報表示光をコンバイナに入射させる情報投
光装置は、CRT、プラズマディスプレイまたは発光ダイ
オードディスプレイ等の光学的情報表示手段とこの光学
的情報表示手段から出射した光を前記コンバイナに入射
させる光学部材とを備えている。そして、前記光学部材
は、普通、レンズ系および反射鏡等から構成されてお
り、前記情報表示光を使用者が正面の視野の中に視認で
きるように構成されている。

３） 発明が解決しようとする課題 前記従来のヘッドアップディスプレイにおいては、コン
バイナ後方の視認位置（目の位置）からコンバイナ前方
の情景までの距離と、前記視認位置から前記表示情報が
視認される位置（表示情報の虚像の位置、すなわち、情
報表示像の位置）までの距離とが、大きく異なると、目
が疲れるので、それらの距離が同程度となるように設定
されている。

特に、鉄道車両またはバス、船舶等の乗物に使用される
ヘッドアップディスプレイは、視認位置（操縦者の目の
位置）からコンバイナ前方の情景までの距離がかなり長
いので、視認位置から表示情報の虚像（すなわち、表示
情報像）の位置までの距離も長く設定されている。この
ため、前記視認位置に到達する情報表示光は、前記光学
部材によって略コリメートされている。

このように、情報表示光を略コリメートするため従来
は、前記光学部材に縦および横方向に光学的パワーを持
たせている。このような光学的パワーを持たせるために
従来は、光学部材に球面レンズまたは球面鏡の球面光学
部材を使用していた。

このような球面光学部材は製造が面倒なので、コストが
高く付くという問題点があった。

ところで、人間は、左右の目によって生じる横方向の視
差により距離を感じている。したがって、前記視認位置
に到達する情報表示光を前方情景に近い距離からの出射
光と同程度に横方向にコリメートすれば、人間の目に
は、視認位置から前方情景までの距離と視認位置から情
報表示像までの距離とが略同じであるように感じること
になる。この場合にも人間の目はあまり疲れを感じなく
なる。そして、前述のように前記視認位置に到達する情
報表示光を前方情景に近い距離からの出射光と同程度に
横方向にコリメートするためには、横方向にのみ光学的
パワーを有する光学部材を採用すればよい。そして、横
方向にのみ光学的パワーを有する光学部材は、シリンド
リカルレンズまたはシリンドリカル凹面鏡等のシリンド
リカル光学部材によって構成することができる。このシ
リンドリカル光学部材は、前記球面光学部材に比較して
製造が容易で、コストも節約することができる。

一般的に、光学部材はパワーが大きいもの程製造が難し
く、コストも高く付くので、前記シリンドリカル光学部
材にも、強度の小さいものを使用した方がコスト的に有
利である。

ところで、電車や自動車等の乗物用のヘッドアップディ
スプレイでは、コンバイナとしてフロントガラスを利用
することが多い。すなわち、前記フロントガラス内面に
入射した情報表示光を視認位置に向けて反射させるよう
にしている。前記乗物のフロントガラス内面は横方向に
湾曲するシリンドリカル面として形成されている場合が
多い。このフロントガラス内面のシリンドリカル面を情
報表示光のシリンドリカル反射面として利用し、横方向
のパワーの一部を補助された場合、前記シリンドリカル
光学部材として横方向のパワーの小さいものを採用する
ことができ、コスト的にさらに有利となる。

本発明は、前述の事情に鑑み、情報が表示される表示面
を有する光学的情報表示手段および前記表示面から出射
した情報表示光を所定の方向に投光する光学部材を備え
た情報投光装置と、前方の情景から出射した光を後方の
視認位置に向けて透過させるとともに前記情報投光装置
から投光された情報表示光を前記視認位置に向かわせる
コンバイナとを備えたヘッドアップディスプレイにおい
て、前記光学部材として製造の容易なシリンドリカル光
学部材を用いて、視認位置からの前方情景までの距離と
視認位置から情報表示像までの距離との差に基づく目の
疲れを生じないようにすることを課題とする。

B.発明の構成 １） 課題を解決するための手段 前記課題を解決するために、本発明のヘッドアップディ
スプレイは、情報が表示される表示面を有する光学的情
報表示手段および前記表示面から出射した情報表示光を
所定の方向に投光する光学部材を備えた情報投光装置
と、 前方の情景から出射した光を後方の視認位置に向けて透
過させるとともに前記情報投光装置から投光された情報
表示光を前記視認位置に向かわせるコンバイナとを備え
たヘッドアップディスプレイにおいて、 前記光学部材は横方向にのみ光学的パワーを有するシリ
ンドリカル光学部材を有し、その光学的パワーは、前記
視認位置に到達する情報表示光を前方情景に近い距離か
らの出射光と同程度に横方向にコリメートする大きさに
設定されたことを特徴とする。

２） 作用 前述の特徴を備えた本発明のヘッドアップディスプレイ
では、前記視認位置に到達する情報表示光が前方情景に
近い距離からの出射光と同程度に横方向にコリメートさ
れるので、通常視差で距離を感じる人間の目には、視認
位置から前方情景までの距離と視認位置から情報表示像
までの距離とが略同じであるように感じることになる。
この場合、表示と前方情景とを同時に見ても人間の目は
あまり疲れを感じない。そして、前述のように前記視認
位置に到達する情報表示光を前方情景に近い距離からの
出射光と同程度に横方向にコリメートするために、横方
向にのみ光学的パワーを有するシリンドリカル光学部材
を使用している。この横方向にのみ光学的パワーを有す
るシリンドリカル光学部材はたとえば円筒面を有する型
により透明樹脂をモールド成形する等の方法によって容
易に製造できるので、球面光学部材に比較して製造が容
易で、コストも節約することができる。

３） 実施例 以下、図面により本発明の一実施例を説明する。

第1,2図において、鉄道車両１の前端部には運転室２が
設置されている。この運転室２には、左右方向の中央部
よりも左寄りの位置に操縦者Ｍ用の座席３が配設され、
その座席の前方に計器盤４が配設されている。また、前
記運転室２の前方には鉄道車両１の車体下部５と天井６
との間にコンバイナとして利用されるフロントガラスＣ
が配設されている。このフロントガラスＣは第１図に示
すように前方に行くに従って下方に傾斜するように配置
されており、その内面は第2,3,5,6A図に示すように横方
向（左右方向）に正の光学的パワーを有する反射凹面に
形成されている。

前記運転室２の計器盤４には、ヘッドアップディスプレ
イの情報情報投光装置Ｋが配設されている。情報投光装
置Ｋは第３図に示すように、上面にダストカバー嵌合用
孔10aおよび複数のダストカバー固定ねじ穴10bが形成さ
れたケーシング10を有している。このケーシング10内に
は第４図に示すように、光学部材Ａおよび光学的情報表
示手段としてのCRT（Cathode Ray Tube、陰極線管）表
示管Ｄが配設されている。このCRT表示管Ｄの表示面は
例えば512×512ドットのピクセルに分割されておい、各
々のピクセルの輝度をコントロールすることにより必要
な情報（速度情報、時刻情報等）が表示される。

なお、前記CRT表示管Ｄの代わりに、液晶ディスプレ
イ、プラズマディスプレイまたは発光ダイオードディス
プレイ等のフラットな光学的情報表示手段を採用するこ
とも可能である。

前記光学部材Ａは、横方向のパワーを有するシリンドリ
カル凹レンズA1、平面反射鏡A2、およびダストカバー兼
用のシリンドリカル凸レンズA3から構成されている。前
記シリンドリカル凸レンズA3は、裏面がシリンドリカル
に、表面が平坦に形成された透明プラスチック製であ
り、第３図に示す拡大図では、裏面が上にして示されて
いる。このシリンドリカル凸レンズA3は、第３図に示す
状態を裏返した状態で前記ダストカバー嵌合用孔10aに
嵌合されている。このシリンドリカル凸レンズA3は、小
径のシリンドリカル凸レンズ部A31大径のフランジ部A32
とから構成されており、プラスチック原料を型に流し込
んで成形した後、周辺部を切削してフランジを残すこと
により製作される。そして前記フランジ部A32は、黒く
着色されるとともに、取り付け用の複数の長孔A33が形
成されている。また前記シリンドリカル凸レンズ部A31
は、前記フロントガラスＣ反射面の前記横方向の正のパ
ワーと同じ横方向のパワーを有するように形成されてい
る。

そして、本実施例のシリンドリカル凹レンズA1、シリン
ドリカル凸レンズA3およびフロントガラスＣ内側の反射
面の横方向の合成パワーは、前記CRT表示管Ｄから出射
した情報表示光Ｌが横方向にコリメートされるように設
定されている。また、シリンドリカル凹レンズA1、シリ
ンドリカル凸レンズA3およびフロントガラスＣ内側の反
射面等の縦方向の合成パワーは、０である。

前記シリンドリカル凸レンズA3は、そのシリンドリカル
凸レンズ部A31の周側面が前記ダストカバー嵌合用孔10
に嵌合した状態でその軸回りに位置調整され、適切な位
置においてケーシング10に固定されている。そしてその
固定は、前記ダストカバー固定ねじ孔10bと長孔A33とを
図示しないねじで固定することにより行われる。

前記ダストカバー兼用のシリンドリカル凸レンズA3を固
定されたケーシング10は、前記CRT表示管Ｄから出射し
た情報表示光Ｌを前記フロントガラスＣに入射させるよ
うに配置されている。

前記フロントガラスＣは前記光学部材Ａから入射した情
報表示光Ｌの一部を透過させるとともにその円筒状凹面
は前記情報表示光Ｌの残部を視認位置（前記操縦者Ｍの
目の位置）に向けて反射させるように配置されており、
また外部の情景等から入射した外部光Ｊの一部を反射す
るとともに残部を前記操縦者Ｍに向けて透過させるよう
に配置されている。

前記ケーシング10、CRT表示管Ｄ、および光学部材Ａか
ら情報投光装置Ｋが構成されており、また、前記コンバ
イナとして機能する前記フロントガラスＣ、および前記
情報投光装置Ｋ等からヘッドアップディスプレイＨ（第
1,2,3図参照）が構成されている。

次に、前述の構成を備えた本発明の実施例の作用につい
て説明する。

第１図中左側に在る外界（すなわち前方遠方の情景）か
らフロントガラスＣに向って進んで来た外部光線Ｊは、
一部はフロントガラスＣで外界に反射し、残部はそのま
まフロントガラスＣを透過して直進し、視認位置（操縦
者Ｍの目の位置）に至る。これにより操縦者Ｍは外界の
情景（前方遠方の情景）をそのまま視認することができ
る。

一方、前記情報投光装置ＫのCRT表示管Ｄから出射した
情報表示光Ｌは光学部材Ａを透過してフロントガラスＣ
に入射する。そして、フロントガラスＣに入射した情報
表示光Ｌは、一部はフロントガラスＣを透過して外界に
出射されるが、残部は反射して視認位置（操縦者Ｍの目
の位置）に至る。その場合、第５図に示すように、CRT
表示管Ｄの表示面の１点から横方向に広がって出射した
情報表示光Ｌは、フロントガラスＣで反射して視認位置
Ｍに向かうときには平行になっている。これにより操縦
者Ｍは横方向にコリメートされた情報表示光Ｌを視認す
ることができる。その際の情報表示光Ｌの光路の平面図
は第6A図に示されており、側面図は第6B図に示されてい
る。第6A図において、前記情報表示光Ｌは、光学部材Ａ
およびフロントガラスＣの横方向の光学的パワーによっ
て横方向にコリメートされているが、第6B図に示すよう
に、前記情報表示光Ｌは、縦方向には光学的パワーを受
けない。したがって、縦方向の情報表示像の位置はCRT
表示管から視認点までの光路長に等しい距離だけ視認点
から真っ直ぐ前方に離れた位置となる。この場合、縦方
向の情報表示像の位置は前方情景の位置に比べて近くな
るが、横方向の表示像の位置は前方情景の位置とは略等
しくなっている。このような場合縦方向に視差の無い人
間の目では、情報表示像すなわち情報表示光を、前方遠
方の情景と同時に視認しても目が疲れることはない。し
たがって、操縦者Ｍは前方遠方の情景と表示情報とを同
時に楽に視認することができる。なお、このことは次の
例からも理解することができる。すなわち、たとえば10
m前方の位置に在るものと100m前方の位置に在るものと
を左右の目で視認した場合、視差による距離間からそれ
らの距離の相違は容易に判断できる。しかしながら片目
で確認する場合にはそれらの距離の相違は容易に判断で
きなくなる。これは、目の瞳孔が1.5〜3mmの直径しかな
いのに比べ、視差は約63mmあることによる。また、無限
遠方を注視しているときに50cm〜1m前方に物体を持って
きた場合、片目であれば違和感無くその両方を視認する
ことができるが、両目にしたとたんに遠方の背景を見る
ことができなくなることも同じ理由である。したがって
ヘッドアップディスプレイを両目で視認している場合、
目の瞳孔は明るさによって大きさが異なるので背景（前
方情景）が明るく瞳孔の小さい場合程、前方の情景と縦
方向の情報表示像との距離の違いは感じなくなる。

また、前述のヘッドアップディスプレイの実施例では縦
方向のパワーを有する光学部材を全く使用していないの
で、万一光軸に沿って太陽光が入射するようなことがあ
っても、太陽光が一点に集中して急激に温度上昇が生じ
るというようなことが防止される。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実
施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載
された本発明の要旨の範囲内で種々の設計変更を行うこ
とが可能である。

たとえば、前記シリンドリカル凹レンズA1およびシリン
ドリカル凸レンズA3として、円形ではなく四角形のもの
を採用することが可能である。また、前記シリンドリカ
ル凸レンズA3を透明な平板状のダストカバーに置き換え
るとともに、前記平面反射鏡A2をシリンドリカル凹面鏡
に置き換えることも可能である。さらに、本発明は鉄道
車両だけでなくバスや船舶等の乗物にも適用することが
可能であり、また、前方の作業部の情景を確認しながら
作業用機械の操作部を操作する際、操作に必要な情報を
前方作業部の情景に重ねて表示する作業用のヘッドアッ
プディスプレイに適用することも可能である。

C.発明の効果 前述の本発明のヘッドアップディスプレイは、前記表示
面から出射した情報表示光を所定の方向に投光する光学
部材が横方向にのみ光学的パワーを有するシリンドリカ
ル光学部材を有し、その光学的パワーの強度は、前記視
認位置に到達する情報表示光を前方情景に近い距離から
の出射光と同程度に横方向にコリメートする大きさに設
定されている。したがって、前記視認位置に到達する情
報表示光が前方情景に近い距離からの出射光と同程度に
横方向にコリメートされるので、人間の目には、視認位
置から前方情景までの距離と視認位置から情報表示像ま
での距離とが略同じであるように感じることになる。こ
の場合、人間の目はあまり疲れを感じない。そして、前
述のように前記視認位置に到達する情報表示光を前方情
景に近い距離からの出射光と同程度に横方向にコリメー
トするために、横方向にのみ光学的パワーを有するシリ
ンドリカル光学部材を使用している。この横方向にのみ
光学的パワーを有するシリンドリカル光学部材は、球面
光学部材に比較して製造が容易で、コストも節約するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のヘッドアップディスプレイの一実施例
の全体説明図、第２図は同実施例の部分平面図、第３図
は同実施例の要部の説明図、第４図は第３図の４−４線
断面図、第５図は表示面から横方向に広がって出射した
情報表示光の光路の斜視図、第6A図は表示面から横方向
に広がって出射した情報表示光の光路の平面図、第6B図
は表示面から縦向に広がって出射した情報表示光の光路
の側面図、である。 Ａ……光学部材、A1,A3……横方向に光学的パワーを有
する光学部材、Ｃ……コンバイナ（フロントガラス）、
Ｄ……光学的情報表示手段（CRT表示管）、Ｈ……ヘッ
ドアップディスプレイ、Ｋ……情報投光装置、Ｌ……情
報表示光、Ｍ……操縦者、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】情報が表示される表示面を有する光学的情
   報表示手段および前記表示面から出射した情報表示光を
   所定の方向に投光する光学部材を備えた情報投光装置
   と、 前方の情景から出射した光を後方の視認位置に向けて透
   過させるとともに前記情報投光装置から投光された情報
   表示光を前記視認位置に向かわせるコンバイナとを備え
   たヘッドアップディスプレイにおいて、 前記光学部材は横方向にのみ光学的パワーを有するシリ
   ンドリカル光学部材を有し、その光学的パワーは、前記
   視認位置に到達する情報表示光を前方情景に近い距離か
   らの出射光と同程度に横方向にコリメートする大きさに
   設定されたことを特徴とするヘッドアップディスプレ
   イ。