JP5333782B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、プロジェクタ装置による投影像を利用し、自動車などの操縦者に対して計器情報などの各種情報を視覚的に提供す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、自動車などの移動体において、液晶ディスプレイなどにより形成された計器情報、ナビゲーション装置における地図情報などの各種情報映像を、フロントウィンドウに投影し、操縦者に情報を伝達するヘッドアップディスプレイ装置が知られている。特許文献１から特許文献３には、車両にこのようなヘッドアップディスプレイ装置を用いることについての開示がみられる。

特許文献１には、グラフィック表示可能な透過型ドットマトリックス液晶表示パネルの背後に配置される調光用スクリーンと、該調光用スクリーンの背後に配置されたバックライト光源とを備え、フロントガラス又はフロントガラス手前に設けた透光性反射板に情報表示を反射させる表示器を備えたヘッドアップディスプレー装置が開示されている。このヘッドアップディスプレー装置によれば、表示器の表示像を運転席の前方視野内に配設された透光性反射板（コンバイナ）に投影表示する車両用ヘッドアップ装置における表示器のウォッシュアウト現象を防ぐとともに、その表示器を透過照明するのに用いられるバックライトの耐久性の向上を図ることができる。

また、特許文献２には、運転席上方に位置するルーフパネルの車室内側に、各種走行データ等の表示像を放射する放射機構を含んだ発光表示源を配し、インストルメントパネルの所定部位に、発光表示源から放射される表示像を運転席前方のフロントウインドパネルに投影するミラーを配設した車両用ヘッドアップディスプレイが開示されている。この車両用ヘッドアップディスプレイによれば、車両のインストルメントパネル内方に大きな設置スペースを必要とせずレイアウトが容易となる。

さらに、特許文献３には、ヘッドアップディスプレイ装置におけるコンバイナとして、反射回折により拡散光を再生する透明なホログラムを用いることが開示されている。このようなホログラムを用いたコンバイナを用いることで、非常に高い平面性が要求されることなく、ボケが少なく、しかも明るい再生像を観察できるコンバイナ、そして、ヘッドアップディプレイ装置を提供することが可能となる。

ここで、図９、図１０を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置の一実施形態を簡単に紹介する。図９はヘッドアップディスプレイ装置の各種構成をインストルメントパネル内に組み込んだ場合の実施形態である。液晶表示パネル上には、車両の計器情報や、ナビゲーション装置からの地図情報などの映像情報が出力表示される。液晶表示パネル背面には光源としてのバックライトが設置され、液晶表示パネルを背面から照射することで、光学系拡大素子としての凹面ミラーに液晶表示パネルに形成される映像を照射する。凹面ミラーで反射、拡大された映像はフロントウィンドウ又はフロントウィンドウ上に設けた透過性反射板の内側に投影される。

操縦者は、フロントウィンドウ前方に位置する表示像（虚像）を車外の景色と同時に視認することができる。また、表示像までの距離（距離Ｌ）をできるだけ遠方にすることで、操縦者は少ない焦点位置の移動量で計器情報や地図情報などの映像情報を確認することができる。

図１０は、車両運転席背後からの様子を示した図であり、フロントウィンドウの破線で囲んだ表示範囲内に各種の映像情報が映し出され、運転者はインストルメントパネル内に配置されている各種計器類などに視線を落とさなくても、車両の運転に注意を払いながら映像による各種情報を取得することができる。

特開２０００−１３１６４２号公報 実公平６−２９０９５号公報 特開平９−１７９０５８号公報

近年の情報端末機器の高度化、通信インフラの整備に伴って、車両の運転者に対して供給できる情報量は格段に増加している。前述したヘッドアップディスプレイ装置においても、多量の情報量を視覚的に伝達するためには、表示範囲を大きくすることが望ましい。特に、車両の操縦を行いつつ表示される情報を視認する必要があるヘッドアップディスプレイ装置では、文字、アイコン、スピードメーターなどの各種パーツなど、表示する情報にもある程度の大きさを持たせておく方が見やすさの点においては好ましい。

ヘッドアップディスプレイ装置において、１台のプロジェクタ装置で表示範囲を大きくとることは、プロジェクタ装置の照射角度の点から困難であるため、複数台のプロジェクタ装置を用いて広範な表示範囲を確保することが検討される。

図１は、このように表示範囲を分割することで広範囲表示を行う場合のイメージ図である。このように表示範囲１、表示範囲２にて形成された広範囲な表示範囲によれば、運転席に座る観察者に対して提供する情報量を増大させることが可能になるとともに、表示する文字、アイコンなど各種情報を大きく表示することが可能となり、観察者にとって見やすい情報を提供することが可能となる。

図２は、このような広範囲表示を従来のヘッドアップディスプレイ装置で想定した場合の模式図である。ここでは、２台のプロジェクタ装置から出力される入射光１、入射光２をそれぞれ凹面鏡１５Ｒ、１５Ｌにて反射させた後、観察者に対して回折光１、回折光２を形成することを仮定している。各入射光は、凹面鏡１５Ｒ、１５Ｌにて反射、拡大され、フロントウィンドウ２１の内側で表面反射する。

観察者の正面、すなわち、凹面鏡１５Ｒ、並びに、これに入射光１を入射させるプロジェクタ装置については実装上の問題は少ない。しかしながら、表面反射は、入射角と反射角が等しくなる反射であるため、観察者となる運転者がフロントウィンドウ２１の左右どちらかに偏って着座する環境においては、凹面鏡１５Ｌにおける入射光２と回折光２が形成する角度αを浅く設定する必要があり、凹面鏡１５Ｌ、並びに、これに入射光２を入射させるプロジェクタ装置を実装することは困難である。

上記課題を解決するため、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、観察位置に対向して配設される透明基材と、前記透明基材の前記観察位置前方に配設された第１のホログラフィック光学素子と、前記透明基材の前記観察位置側方に配設された第２のホログラフィック光学素子と、第１のホログラフィック光学素子に第１の映像を投影する第１のプロジェクタ部と、第２のホログラフィック光学素子に第２の映像を投影する第２のプロジェクタ部とを備え、前記第１のホログラフィック光学素子と前記第２のホログラフィック光学素子は、前記第１の映像と、前記第２の映像を前記観察位置の方向に回折させる角度選択性を有し、前記観察位置に遠方に結像する虚像を形成することを特徴としている。

さらに、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、前記第１の映像と前記第２の映像を接合して１つの映像を形成することを特徴としている。
さらに、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、前記第１のホログラフィック光学素子と、前記第２のホログラフィック光学素子は、一部が互いに重ね合わされた状態で前記透明基材に配設されていることを特徴としている。

さらに、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、前記第１のホログラフィック光学素子と、前記第２のホログラフィック光学素子の少なくとも一方は、光学拡大機能を有することを特徴としている。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置によれば、観察位置に対向して配設された透明基材に第１のホログラフィック光学素子と第２のホログラフィック光学素子とを配設し、第１のプロジェクタ装置と、第２のプロジェクタ装置が投影する映像を観察位置の方向に回折させるようにしたことで、観察者に対して広範にわたって情報を提供することが可能となる。

表示範囲を分割することで広範囲表示を行う場合のイメージ図。 従来の形式を採用した場合における問題を説明するための図。 本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を示す図。 本発明の実施形態に係るプロジェクタ装置を示す図。 ホログラフィック光学素子によるレンズ機能を説明するための図。 本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の光路を示す図。 ヘッドアップディスプレイ装置の実装の様子を示す図。 他の実施形態に係るホログラフィック光学系の貼り合わせ構成を示す図。 従来のヘッドアップディスプレイ装置を示す図。 ヘッドアップディスプレイ装置による車室内での画像表示の様子を示す図。

図３は、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の一部を示す図であって、自動車に採用された場合が示されている。なお、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、自動車に限らず、各種乗り物の操縦者に対する表示装置、あるいは、ゲーム機、シミュレーション装置に採用することが可能である。

観察者の観察方向には、自動車のフロントウィンドウ２１が配置されており、内側にはホログラフィック光学系２０が貼付されている。ホログラフィック光学系２０は、外界光を損なわないシースルー（透明）性を有するとともに、回折機能を有する光学部材であって、物体光と参照光の干渉パターンを記録することで作成される。本実施形態では、観察位置において、車室外の景色とプロジェクタ装置１０の映像情報を重畳して提供するコンバイナとして機能する。

プロジェクタ装置１０（本発明でいう「プロジェクタ部」）は、入力される各種映像情報に基づいて映像を投影する装置であって、液晶プロジェクタ、ＤＬＰプロジェクタ、ＬＣＯＳプロジェクタなど各種の方式を用いることが可能である。プロジェクタ装置１０から投影された映像は、ホログラフィック光学系２０で回折し、観察者の観察位置にて遠方に結像する虚像として観察される。観察者、すなわち、操縦者は視線を変動することなく
、車室外の景色とプロジェクタ装置１０による映像情報を視認可能となる。また、本実施形態では、プロジェクタ装置１０の焦点距離を可変することにより、結像距離を変化させることが可能となる。これにより、前方車両が近くにある場合などでは結像距離を短く、前方車両が無い、あるいは遠い場合は結像距離を長く伸ばすなど、状況により操縦者の焦点距離を大きく変動させずに映像情報を視認可能にさせる。

図４は、本発明の実施形態に係るプロジェクタ装置を示す図である。本実施形態では、光源にレーザーを用いるとともに、画像を形成する画像形成部に液晶表示素子を用いた構成としている。レーザー光源１１は、レーザー半導体１１２、発散光学系１１１などを含んで構成される光源装置であって、レーザー半導体１１２から放射された出力光を、発散光学系１１１にて所定の照射断面形状に揃えて外部に出力する。

レーザー光源１１から出力された出力光は、ビームエキスパンダ１２にて、バックライトとして必要な面積に調整された後、画像形成部１３の背後に照射される。本実施形態では、この画像形成部１３として、液晶表示素子１３１を用いた液晶表示手段が採用されている。レーザー光源１１の出力光は、拡散板１３２にて強度分布が均一となるように調整された後、液晶表示素子１３１に形成された画像を背後から照射して、プロジェクション光学系１４を介して投影像を形成する。

観察者は、この投影像をホログラフィック光学系２０を介して観察することとなる。これは、ホログラフィック光学系２０が有する偏光機能により可能となるものであるが、ホログラフィック光学系２０にレンズ機能（光学拡大機能）を持たせることで、観察者に大きな映像を提供することができるとともに、プロジェクタ装置１０内のプロジェクション光学系１４の小型化を図り、プロジェクタ装置１０自体の小型化を図ることも可能となる。

図５は、ホログラフィック光学系を説明するための図である。ホログラフィック光学系２０は、高いシースルー性を有しているため、外来光はほとんど損失のないままこのホログラフィック光学系２０を透過する。一方、プロジェクタ装置１０から発せられた入射光（再生光）は、ホログラフィック光学系２０にて所定方向に回折する（角度選択性）。回折光が集光点に向けて回折するようホログラフィック光学系２０を製作することでレンズ機能（光学拡大機能）を持たせることも可能となる。

図６は、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を上面からみた光路を示す図である。本実施形態では、図３で説明したヘッドアップディスプレイ装置を複数、使用することで、観察者に対し広範な可視範囲を提供することを可能としている。

本実施形態では、透明基材で形成されたフロントウィンドウ２１の内面に第１のホログラフィック光学素子２０ａと第２のホログラフィック光学素子２０ｂを有する光学系２０が貼着されている。なお、フロントガラス２１に対するホログラフィック光学系２０の配設方法については、このように内面に貼着することの他、フロントウィンドウ２１の外面に貼着したり、２枚の透明基材に挟むなど適宜方法が採用できる。また、ホログラフィック光学系２０の配設対象についても、フロントウィンドウ２１のみならず、フロントウィンドウ２１とは別途設けられた透明基材とするものであってもよい。

第１のホログラフィック光学素子２０ａと第２のホログラフィック光学素子２０ｂは、線分Ａ−Ａ’を境界として隣接して配設される。第１のプロジェクタ装置１０ａから放射された入射光１は、第１のホログラフィック光学素子２０ａにて観察者の観察位置方向に回折光１として回折し、観察位置にて観察像を形成する。一方、第２のプロジェクタ装置１０ｂから放射された入射光２は、第２のホログラフィック光学素子２０ｂにて、同じく
観察者の観察位置方向に回折光２として回折し、観察位置にて観察像を形成する。

特に、本実施形態では、第２のホログラフィック光学素子２０ｂにおいて、ホログラフィック光学素子が有する優れた角度選択性により、第２のプロジェクタ装置１０ｂからの入射光２を急峻な角度で回折させ、観察者の方向に導くことが可能となっている。

第１のホログラフィック光学素子２０ａと、第２のホログラフィック光学素子２０ｂは、距離を離して配設してもよいが、プロジェクタ装置１０ａが投影する映像とプロジェクタ装置１０ｂが投影する映像を接合して１つの映像を作る場合には、隙間無く隣接させておくことで、接合部における違和感を抑えることが可能となる。

図７は、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の実装の様子を示した図である。このように本実施形態では、表示範囲１と表示範囲２からなる広範な表示範囲を形成することができ、観察者に対して多くの情報を提供することが可能となるとともに、提供する情報の見やすさを確保することが可能となる。

以上、本実施形態では、観察位置に対向して配設されたフロントウィンドウ２１（透明基材）に第１のホログラフィック光学素子２０ａと第２のホログラフィック光学素子２０ｂとを配設し、第１のプロジェクタ装置１０ａと、第２のプロジェクタ装置１０ｂが投影する映像を観察位置の方向に回折させるようにしたことで、観察者に対し広範な可視範囲を提供できるヘッドアップディスプレイ装置を可能としている。

特に、観察者から離れた側に配設されるプロジェクタ装置１０ｂについては、ホログラフィック光学素子の優れた角度選択性により、光路を確保するための配慮を必要とせず、自由なレイアウトで配置することが可能となる。

本実施形態では、第１、第２のプロジェクタ装置１０ａ、１０ｂ、及び、それに対応する第１、第２のホログラフィック光学素子２０ａ、２０ｂについて説明したが、プロジェクタ装置、並びに、ホログラフィック光学素子の数は、互いに対応付けられた関係であれば、２つに限定されるものではなく、３以上とすることも可能である。

第１のホログラフィック光学素子２０ａと、第２のホログラフィック光学素子２０ｂの隣接について、例えば、映像を接合して１つの映像を作成する場合などにおいては、第１のホログラフィック光学素子２０ａと、第２のホログラフィック光学素子２０ｂを隙間無く隣接して配設することが好ましいことを述べたが、隙間無く隣接して配設することは非常に困難である。

図８は、本発明の実施形態に係るホログラフィック光学素子２０ａ、２０ｂの隣接部付近の様子を示した図であって、図８（ａ）には側面断面図が、図８（ｂ）には正面図が示されている。本実施形態では、隣接部において、第１のホログラフィック光学素子２０ａと、第２のホログラフィック光学素子２０ｂの一部を互いに貼り合わすこととで、上記隣接の際の問題点の解消を図っている。

図８（ａ）の側面断面図には、フロントウィンドウ２１の内側（車室側）にて、第１のホログラフィック光学素子２０ａと、第２のホログラフィック光学素子２０ｂが、線分Ａ−Ａ’で示される隣接部において互いに貼り合わされる様子が示されている。

図８（ｂ）の正面図には、２枚のホログラフィック光学素子２０ａ、２０ｂが高さ方向（Ｙ軸方向）において互いに貼り合わされる様子が示されている。本実施形態では、左方に位置するホログラフィック光学素子２０ｂに右方に位置するホログラフィック光学素子
２０ａが重なるように貼り合わされる形態となっている。

２枚のホログラフィック光学素子２０ａ、２０ｂは、互いに重なるように貼り合わされることで重複領域が形成されることになる。各ホログラフィック光学素子２０ａ、２０ｂは、元々、１枚毎で機能するように光学特性が与えられているため、この重複領域においては、本来の光学特性とは異なることとなってしまう。しかしながら、図３で説明したように、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は、十分遠方で結像する像を観察するよう構成されているため、２つの光学特性が重なった場合であっても視覚的な違和感は少ない。

したがって、本実施形態のように、隣接部において第１のホログラフィック光学素子２０ａと第２のホログラフィック光学素子２０ｂとを互いに重ね合わせておくことで、プロジェクタ装置１０ａ、１０ｂからの映像を接合させた場合であっても、隣接部における違和感を抑え、連続性の高い映像を提供することが可能となる。

なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１０…プロジェクタ装置、１０ａ…第１のプロジェクタ装置、１０ｂ…第２のプロジェクタ装置、１１…レーザー光源、１１１…発散光学系、１１２…レーザー半導体、１２…ビームエキスパンダ、１３…画像形成部、１３１…ＬＣＤ、１３２…拡散板、１４…プロジェクション光学系、１５Ｒ、１５Ｌ…凹面鏡、２０…ホログラフィック光学系、２０ａ…第１のホログラフィック光学素子、２０ｂ…第２のホログラフィック光学素子、２１…フロントウィンドウ

Claims (4)

1. 観察位置に対向して配設される透明基材と、
   前記透明基材の前記観察位置前方に配設された第１のホログラフィック光学素子と、
   前記透明基材の前記観察位置側方に配設された第２のホログラフィック光学素子と、
   第１のホログラフィック光学素子に第１の映像を投影する第１のプロジェクタ部と、
   第２のホログラフィック光学素子に第２の映像を投影する第２のプロジェクタ部とを備え、
   前記第１のホログラフィック光学素子と前記第２のホログラフィック光学素子は、前記第１の映像と、前記第２の映像を前記観察位置の方向に回折させる角度選択性を有し、前記観察位置に遠方に結像する虚像を形成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の映像と前記第２の映像は、接合されて１つの映像を形成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装置。
3. 前記第１のホログラフィック光学素子と、前記第２のホログラフィック光学素子は、一部が互いに重ね合わされた状態で前記透明基材に配設されていることを特徴とする
   請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記第１のホログラフィック光学素子と、前記第２のホログラフィック光学素子の少なくとも一方は、光学拡大機能を有することを特徴とする
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

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