JP6822014B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、虚像を視認させる技術に関する。

従来から、太陽光に起因した虚像の視認性低下を抑制する技術が知られている。例えば、特許文献１には、偏光した画像光を射出して投影させるプロジェクタと、プロジェクタからの画像表示光によって中間像が形成されるスクリーンと、中間像を虚像として表示させるコンバイナと、プロジェクタとスクリーンとの間の光路中に配置される偏光板と、を備え、偏光板で反射した太陽光の光路の一部が、虚像を構成する光の光路と一致しないように、偏光板が配置されているヘッドアップディスプレイが開示されている。

特開２０１４−１０３２１号公報

特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイでは、光源から射出された画像光が偏光板を２回透過するため、そこで発生する光量減により、表示する画像の輝度が低下するという課題がある。

本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、外光の影響を低減しつつ、虚像を明確に視認させることが可能な虚像表示装置を提供することを主な目的とする。

請求項に記載の発明は、車両に搭載される虚像表示装置であって、第１偏光方向に偏光された画像光を射出する光源と、前記光源からの画像光が入射して中間像を形成するスクリーンと、前記第１偏光方向の光成分を選択的に反射する反射膜を有し、前記反射膜により前記中間像の光を反射して虚像として視認させる光学素子と、前記光学素子と前記スクリーンとの間に配置され、前記第１偏光方向の光成分を選択的に透過する偏光透過部と、を備え、前記中間像の光の光軸に一致して入射する外光は前記偏光透過部に反射されて前記車両の天井に入射することを特徴とする。

第１実施例に係るヘッドアップディスプレイの構成例である。 コンバイナから入射した太陽光の光路を示した図である。 （Ａ）変形例１に係る偏光板の断面図を示す。（Ｂ）Ｓ偏光及びＰ偏光のそれぞれに対する入射角度に応じたガラスの反射率を示す。 変形例２に係るヘッドアップディスプレイの構成例である。 変形例３に係るヘッドアップディスプレイの構成例である。 変形例４に係るヘッドアップディスプレイの構成例である。 変形例５に係るヘッドアップディスプレイの構成例である。 第２実施例に係るヘッドアップディスプレイの構成例である。

本発明の１つの好適な実施形態では、虚像表示装置は、第１偏光方向に偏光された画像光を射出する光源と、前記光源からの画像光が入射して中間像を形成するスクリーンと、前記中間像の光を反射して虚像として視認させる反射面を有する光学素子と前記スクリーンとの間に配置され、前記第１偏光方向の光成分を選択的に透過する偏光透過部と、を備え、前記偏光透過部は、前記スクリーンに入射する前記画像光の光路範囲外に配置され、且つ前記中間像の光の光軸に一致して入射する外光を前記反射面外に向けて反射する方向に傾けられている。

上記虚像表示装置は、光源と、スクリーンと、偏光透過部とを備える。光源は、第１偏光方向に偏光された画像光を射出する。スクリーンは、光源からの画像光が入射して中間像を形成する。偏光透過部は、中間像の光を反射して虚像として視認させる反射面を有する光学素子とスクリーンとの間に配置され、第１偏光方向の光成分を選択的に透過する。ここで、偏光透過部は、スクリーンに入射する画像光の光路範囲外に配置され、且つ中間像の光の光軸に一致して入射する外光を光学素子の反射面外に向けて反射する方向に傾けられている。この態様では、偏光透過部は、光学素子へ向かう画像光を透過しつつ、画像光の光軸と一致して入射する外光の一部を、光学素子で再び反射しないように光学素子外へ反射する。また、この構成では、画像光は偏光透過部を１回のみ透過する。従って、虚像表示装置は、画像光の光量減を好適に低減しつつ、外光に起因した虚像の視認性悪化を好適に低減することができる。

上記虚像表示装置の一態様では、前記光源は、前記第１偏光方向に偏光された画像光として、水平方向に対して垂直な方向に偏光された画像光を射出する。この態様により、水平方向の偏光成分をカットする偏光サングラスを観察者が着用していた場合であっても、観察者に好適に虚像を視認させることができる。

上記虚像表示装置の他の一態様では、第１偏光方向の光成分を選択的に反射する反射膜が前記外光の入射面側に配置された前記光学素子を備える。この態様により、虚像表示装置は、偏光透過部で反射されない外光の第１偏光方向の光成分を好適に反射膜により反射し、外光がスクリーン等に入射するのを抑制することができる。

上記虚像表示装置の他の一態様では、虚像表示装置は、可視光を吸収する吸収部を備え、前記偏光透過部は、前記中間像の光の光軸に一致して入射する外光を前記吸収部に向けて反射する。この態様により、虚像表示装置は、偏光透過部が反射した外光が反射を繰り返して虚像の視認性に影響を与えるのを好適に抑制することができる。

上記虚像表示装置の好適な例では、前記スクリーンは、透過型スクリーンである。上記虚像表示装置の他の好適な例では、虚像表示装置は、前記スクリーンから前記中間像の光が入射し、当該中間像の光を前記偏光透過部に向けて反射する反射部をさらに備える。

以下、図面を参照して本発明の好適な第１及び第２実施例について説明する。

＜第１実施例＞
［概略構成］
図１は、第１実施例に係るヘッドアップディスプレイの概略構成図である。ヘッドアップディスプレイは、車両などに搭載され、観察者に虚像を視認させる。ヘッドアップディスプレイは、主に、光源部１と、スクリーン２と、反射ミラー３と、偏光板４と、コンバイナ５とを備える。図１において、「Ａ１」〜「Ａ３」は、光源部１が射出する光（「画像光」とも呼ぶ。）の光軸に相当する光線を示し、「Ｒ１」〜「Ｒ４」は、画像光のコンバイナ５までの光路範囲を示す境界線である。

光源部１は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色のレーザ素子を有し、画像信号に基づいて変調されたレーザの合成光である画像光を、ＭＥＭＳミラーでスクリーン２上に走査する。本実施例では、光源部１は、水平方向に対して垂直な方向に偏光された光（「垂直偏光」とも呼ぶ。）を画像光として射出する。この場合、画像光は、後述する偏光板４に対してＰ偏光として入射する。

スクリーン２は、中間像を生成する透過型の光学部材であって、光源部１から照射された画像光の発散角を広げることで射出瞳を拡大する射出瞳拡大器（ＥＰＥ）として機能する。例えば、スクリーン２は、複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイである。スクリーン２を透過した画像光は、反射ミラー３に入射する。反射ミラー３は、スクリーン２から出射された画像光を、コンバイナ５へ向けて反射する。

偏光板（偏光透過部）４は、反射ミラー３で反射した画像光が入射する位置に設けられており、Ｐ偏光を選択的に透過し、Ｓ偏光を選択的に反射する性質を有する。ここで、図１に示すように、画像光は、垂直偏光として光源部１から射出されており、反射ミラー３で反射後に偏光板４に対してＰ偏光として入射する。よって、偏光板４は、反射ミラー３で反射した画像光を透過してコンバイナ５へ到達させる。また、偏光板４は、後述するように、偏光板４に入射する太陽光がコンバイナ５へ反射する光量を低減するように、傾きが調整されている。偏光板４の傾き調整については後述する。

また、偏光板４は、境界線Ｒ３、Ｒ４に挟まれた画像光の光路範囲と重なる位置に配置され、かつ、境界線Ｒ１、Ｒ２に挟まれた画像光の光路範囲（即ち、光源部１からスクリーン２までの光路範囲とスクリーン２から反射ミラー３までの光路範囲）に重ならない位置に設置される。このように、図１に示すヘッドアップディスプレイは、偏光板４に画像光が１回のみ通過する構成となっている。

コンバイナ（光学素子）５は、スクリーン２で生成された中間像を構成する光が投影されると共に、その投影光を観察者の目の位置へ一部反射することで虚像を観察者に視認させる。好適には、コンバイナ５の画像光の反射面は、略凹面形状を有する。これにより、コンバイナ５は、虚像を拡大表示させる。

［偏光板の傾き］
次に、偏光板４の傾きについて説明する。第１実施例では、偏光板４は、少なくとも画像光の光軸と一致して入射する太陽光を、コンバイナ５の外に向けて反射するように傾けられている。これについて、図２を参照して具体的に説明する。図２は、コンバイナ５から入射した太陽光の光路を示した図である。図２において、「Ｂ１」〜「Ｂ４」は、画像光の光軸（矢印Ａ２参照）と一致してコンバイナ５から偏光板４へ入射した太陽光線を示す。

太陽光線Ｂ１は、水平方向に偏光された光（「水平偏光」とも呼ぶ。）と垂直偏光との両方を含んだ状態でコンバイナ５に入射し、それらの少なくとも一部がコンバイナ５を透過して偏光板４に入射する。そして、この場合、偏光板４に入射する太陽光線Ｂ１のうちＳ偏光（即ち水平偏光）成分は、太陽光線Ｂ２として偏光板４により反射され、コンバイナ５に入射することなくコンバイナ５の外へ向かう。このように、偏光板４は、太陽光線Ｂ２をコンバイナ５に当たらない方向へ反射する。言い換えると、偏光板４は、画像光の光軸と一致して入射した太陽光をコンバイナ５の外に向けて反射する方向に傾けられている。これにより、偏光板４は、偏光板４で反射された太陽光がコンバイナ５に反射されるのを抑制し、ヘッドアップディスプレイの光学系内での太陽光の多重反射に基づく虚像の視認性低下を好適に低減させることができる。

一方、太陽光線Ｂ１のうち垂直偏光成分は、太陽光線Ｂ３として偏光板４を透過して反射ミラー３に入射する。そして、反射ミラー３に入射した太陽光線Ｂ３は、反射ミラー３で反射されて太陽光線Ｂ４としてスクリーン２へ到達する。なお、後述する変形例２及び第２実施例等では、このような太陽光線Ｂ３、Ｂ４の発生を好適に抑制する構成を有する。

ここで、画像光を垂直偏光とすることの効果について補足説明する。図１に示すように、観察者の目に到達する画像光線Ａ３は、垂直方向に偏光されている。また、偏光サングラスは一般的に水平方向の偏光成分（即ちＳ偏光）をカットするという性質を有する。以上のことから、第１実施例の構成では、観察者が偏光サングラスを着用していた場合であっても、画像光は、偏光サングラスを透過して好適に観察者の目に到達する。よって、観察者は、偏光サングラスを着用した場合であっても、好適に虚像を視認することができる。

以上説明したように、第１実施例に係るヘッドアップディスプレイは、垂直方向に偏光された垂直偏光成分の画像光を射出する光源部１と、光源部１からの画像光が入射して中間像を形成するスクリーン２と、中間像を構成する画像光を反射して虚像として視認させる反射面を有するコンバイナ５と、スクリーン２とコンバイナ５との間に配置され、垂直偏光成分を選択的に透過する偏光板４とを備える。そして、偏光板４は、スクリーン２に入射する画像光の光路範囲外に配置され、且つ中間像を構成する画像光の光軸に一致して入射する外光をコンバイナ５の反射面外に向けて反射する方向に傾けられている。これにより、ヘッドアップディスプレイは、画像光を観察者の目に好適に到達させつつ、太陽光による虚像の視認性低下を好適に低減させることができる。

［変形例］
次に、第１実施例に好適な変形例について説明する。これらの変形例は、任意に組み合わせて上述の第１実施例に適用してもよい。

（変形例１）
偏光板４が偏光素子と基材との重ね合わせにより構成される場合には、偏光板４は、Ｐ偏光として入射する画像光の透過率が高くなるように傾けられるとよい。

図３（Ａ）は、本変形例に係る偏光板４の断面図を示す。図３（Ａ）の例では、偏光板４は、Ｐ偏光を選択的に透過する偏光素子４１と、ガラス基材４２との二層構造を有する。このような構成では、偏光素子４１においてＰ偏光の画像光を透過した場合であっても、偏光素子４１を透過したＰ偏光の画像光をガラス機材４２が反射してしまうと虚像の視認性が低下することになる。また、一般に、入射角度によってＰ偏光に対するガラス基材４２の透過率は異なる。よって、好適には、偏光板４は、Ｐ偏光に対するガラス基材４２の透過率が高い角度で画像光が入射するように設置される。

図３（Ｂ）は、Ｓ偏光及びＰ偏光のそれぞれに対する入射角度に応じたガラスの反射率を示す。図３（Ｂ）に示すように、ガラスへの入射角度によってＰ偏光の反射率が異なり、４０度から７０度付近においてＰ偏光の反射率が低く（即ちＰ偏光の透過率が高く）なっている。

以上を勘案し、本変形例では、偏光板４は、画像光の光軸と一致する太陽光をコンバイナ５の外へ反射するような角度範囲のうち、Ｐ偏光の透過率が高くなる入射角度（例えば４０度から７０度）により画像光が入射する角度となるように、傾きが調整される。これにより、太陽光の偏光板４からの反射光がコンバイナ５に照射されるのを好適に防ぎつつ、偏光板４での画像光の反射率を低減して十分な光量の画像光を観察者の目に到達させることができる。

（変形例２）
ヘッドアップディスプレイは、偏光板４を透過する太陽光のＰ偏光成分をカットする構成をさらに有しても良い。

図４は、変形例２に係るヘッドアップディスプレイの構成例である。図４の例では、太陽光が入射するコンバイナ５の面に、太陽光のＰ偏光成分（即ち垂直偏光成分）をカットする偏光フィルタ（反射膜）５１が設けられている。この場合、画像光の光軸と一致する太陽光線Ｂ１１は、偏光フィルタ５１で反射する垂直偏光成分の太陽光線Ｂ１２と、偏光フィルタ５１及びコンバイナ５を透過する水平偏光成分の太陽光線Ｂ１３とに分かれる。その後、水平偏光成分の太陽光線Ｂ１３は、Ｓ偏光として偏光板４に入射し、偏光板４により反射される（太陽光線Ｂ１４参照）。この場合、太陽光線Ｂ１４は、コンバイナ５から外れた方向に射出される。

従って、図４の構成によれば、偏光フィルタ５１により太陽光の垂直偏光成分がカットされ、偏光板４により太陽光の水平偏光成分がカットされ、太陽光が偏光板４を透過してスクリーン２に入射するのを好適に抑制することができる。

（変形例３）
ヘッドアップディスプレイは、偏光板４が反射した太陽光を吸収する光吸収体（ライトトラップ）をさらに備えても良い。

図５は、変形例３に係るヘッドアップディスプレイの構成例である。図５の例では、ヘッドアップディスプレイは、変形例２で説明した偏光フィルタ５１に加えて、偏光板４が太陽光を反射する方向に光吸収体（吸収部）６が設けられている。光吸収体６は、可視光の反射率が低くなるように構成された黒色の部材であって、たとえばダッシュボードであってもよい。この場合、偏光フィルタ５１及びコンバイナ５を透過する水平偏光成分（即ちＳ偏光成分）の太陽光線Ｂ２１は、偏光板４に入射し、太陽光線Ｂ２２として偏光板４により反射される。この場合、太陽光線Ｂ２２は、光吸収体６に入射して吸収される。従って、図５の構成によれば、偏光板４の反射光によるヘッドアップディスプレイの光学系内での多重反射を防ぎ、虚像の視認性悪化を好適に抑制することができる。

なお、図５の例では、偏光板４は、下方に向けられていたが、これに代えて、図１、図３、図４等に示す他の構成例と同様に上方に向けられていてもよい。この場合、例えば、車両の天井などに光吸収体６が設けられる。

（変形例４）
ヘッドアップディスプレイは、反射ミラー３を有しなくとも良い。

図６は、変形例４に係るヘッドアップディスプレイの構成例である。図６の例では、光源部１とスクリーン２と偏光板４とコンバイナ５とが同一方向に並んで設けられており、光源部１から射出された画像光の光軸を示す光線Ａ３１は、スクリーン２及び偏光板４を透過してコンバイナ５に入射し、光線Ａ３２としてコンバイナ５により反射されて観察者の目に到達する。また、画像光の光軸と一致する方向からコンバイナ５に入射した太陽光線Ｂ３１は、コンバイナ５を透過し、水平偏光成分（即ちＳ偏光成分）については太陽光線Ｂ３２としてコンバイナ５から外れた方向に反射され、垂直偏光成分については太陽光線Ｂ３３として偏光板４を透過する。

このように、図６の構成においても、実施例と同様に、画像光を観察者の目に好適に到達させつつ、太陽光による虚像の視認性低下を好適に低減させることができる。

（変形例５）
スクリーン２は、透過型のスクリーンであったが、これに代えて、反射型のスクリーンであってもよい。

図７は、変形例５に係るヘッドアップディスプレイの構成例である。図７の例では、ヘッドアップディスプレイは、反射型のスクリーン２Ａを有する。スクリーン２Ａは、中間像を生成する反射型の光学部材であり、射出瞳拡大器（ＥＰＥ）として機能する。スクリーン２Ａは、例えば、光源部１からの画像光が入射される面には複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイが形成され、かつ、マイクロレンズアレイと反対側の面に反射面が形成される。この構成では、光源部１から射出された画像光は、スクリーン２Ａによりコンバイナ５に向けて反射される。そして、偏光板４は、スクリーン２Ａとコンバイナ５との間に設けられ、実施例と同様に傾きが調整される。

この構成によっても、第１実施例の構成と同様に、太陽光の偏光板４からの反射光がコンバイナ５に照射されるのを好適に防ぎつつ、偏光板４での画像光の反射率を低減して十分な光量の画像光を観察者の目に到達させることができる。

（変形例６）
ヘッドアップディスプレイは、車両のフロントガラスの一部を、コンバイナ５と同様に画像光の一部を反射して観察者の目に到達させる光学素子として機能させてもよい。この場合、画像光が照射されるフロントガラスの照射領域は、本発明における「反射面」の一例である。

＜第２実施例＞
図８は、第２実施例に係るヘッドアップディスプレイの構成例である。図８に示すヘッドアップディスプレイは、画像光を反射するコンバイナ５の面に垂直偏光反射膜５２が設けられている点で、第１実施例に係るヘッドアップディスプレイと異なる。

垂直偏光反射膜５２は、Ｐ偏光を反射し、Ｓ偏光を透過するように構成された反射膜である。図８の例では、Ｐ偏光として入射した太陽光の垂直偏光成分を反射すると共に、偏光板４からの反射光である水平偏光成分の太陽光を透過する。また、垂直偏光反射膜５２は、偏光板４を透過した画像光を反射して観察者の目に到達させる。

また、第２実施例では、偏光板４は、第１実施例と異なり、太陽光の反射方向を考慮した傾きの調整がなされておらず、図８の例では、偏光板４は、画像光の光軸と重なる太陽光をコンバイナ５へ向けて反射するように配置されている。この場合、好適には、偏光板４は、第１実施例の（変形例１）で説明したように、画像光の入射角度がＰ偏光に対する偏光板４の透過率が高くなる角度となるように、傾きが調整されるとよい。

ここで、図８の例における画像光の光路について説明する。まず、光源部１から射出された画像光の光軸を示す光線Ａ５１は、スクリーン２を透過して反射ミラー３に入射して光線Ａ５２として反射される。そして、光線Ａ５２は、Ｐ偏光として偏光板４に入射するため、偏光板４を透過して垂直偏光反射膜５２に入射する。この場合、偏光板４を透過して垂直偏光反射膜５２に入射した光線Ａ５２は、垂直偏光であるため、垂直偏光反射膜５２により光線Ａ５３として反射されて観察者の目に到達する。

次に、画像光の光軸と一致する太陽光の光路について説明する。画像光の光軸と一致する太陽光線Ｂ５１は、コンバイナ５を透過した後、垂直偏光成分については太陽光線Ｂ５２として垂直偏光反射膜５２により反射され、水平偏光成分については太陽光線Ｂ５３として垂直偏光反射膜５２を透過する。垂直偏光反射膜５２を透過した水平偏光成分の太陽光線Ｂ５３は、偏光板４に入射し、偏光板４により太陽光線Ｂ５４として反射される。ここで、太陽光線Ｂ５４は、Ｓ偏光として垂直偏光反射膜５２に入射するため、垂直偏光反射膜５２を透過する。このように、第２実施例では、太陽光が垂直偏光反射膜５２又は偏光板４のいずれかにおいて反射し、ヘッドアップディスプレイの光学系外へ導かれるため、太陽光に起因した虚像の視認性悪化を好適に抑制することができる。

以上説明したように、第２実施例に係るヘッドアップディスプレイは、垂直方向に偏光された垂直偏光成分の画像光を射出する光源部１と、光源部１からの画像光が入射して中間像を形成するスクリーン２と、中間像を構成する画像光を反射して虚像として視認させる反射面を有するコンバイナ５と、スクリーン２とコンバイナ５との間に配置され、垂直偏光成分を選択的に透過する偏光板４とを備える。コンバイナ５は、垂直偏光成分の画像光を選択的に反射する垂直偏光反射膜５２を有する。これにより、ヘッドアップディスプレイは、画像光を観察者の目に好適に到達させつつ、太陽光による虚像の視認性低下を好適に低減させることができる。

なお、第１実施例の各（変形例１）〜（変形例６）は、それぞれ第２実施例にも第１実施例と同様に適用することができる。

１ 光源部
２、２Ａ スクリーン
３ 反射ミラー
４ 偏光板
５ コンバイナ
６ 光吸収体

Claims (6)

1. 車両に搭載される虚像表示装置であって、
   第１偏光方向に偏光された画像光を射出する光源と、
   前記光源からの画像光が入射して中間像を形成するスクリーンと、
   前記中間像の光を反射して虚像として視認させる反射面を有する光学素子と前記スクリーンとの間に配置され、前記第１偏光方向の光成分を選択的に透過する偏光透過部と、を備え、
   前記偏光透過部は、前記スクリーンに入射する前記画像光の光路範囲外に配置され、且つ前記中間像の光の光軸に一致して入射する外光を前記反射面外に反射する方向に傾けられ、
   前記中間像の光の光軸に一致して入射する外光は前記偏光透過部に反射されて前記車両の天井に入射する虚像表示装置。
2. 前記光源は、前記第１偏光方向に偏光された画像光として、水平方向に対して垂直な方向に偏光された画像光を射出することを特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記第１偏光方向の光成分を選択的に反射する反射膜が前記外光の入射面側に配置された前記光学素子を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の虚像表示装置。
4. 前記中間像の光の光軸に一致して入射する外光が入射する前記天井に可視光を吸収する吸収部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
5. 前記スクリーンは、透過型スクリーンであることを特徴とする請求項1〜４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記スクリーンから前記中間像の光が入射し、当該中間像の光を前記偏光透過部に向けて反射する反射部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。