JP6681546B2 - ヘッドアップディスプレイおよびヘッドアップディスプレイを搭載した車両 - Google Patents

Description

本開示は、透過型の反射部材に投射して虚像を提示するヘッドアップディスプレイに関する。

特許文献１に開示のヘッドアップディスプレイ装置は、投影光学系と、フロントガラスとからなる。投影光学系は、画像の情報を持つ表示光を生成し、これを拡大投影する。フロントガラスは、表示光を反射して虚像を表示する。投影光学系は、液晶パネル、投影レンズ群、凹面ミラー等からなる。液晶パネルは、表示光を生成する。投影レンズ群は、正のパワーを有する。凹面ミラーは、この投影レンズ群に対して偏心して配置された非回転対称非球面の凹面ミラーである。投影光学系は、液晶パネルから出射する表示光を、投影レンズ群と凹面ミラーとでパワーを分散しながら拡大投影する。

特開２００９−１２２５８２号公報

本開示は、視認性の低下を抑制するヘッドアップディスプレイを提供する。

本開示におけるヘッドアップディスプレイは、ウインドシールドを有する車両に搭載され、ウインドシールドに画像を投射して、観察者に虚像を視認させるものである。ヘッドアップディスプレイは、表示デバイスと、プロセッサと、投射光学系と、を備える。表示デバイスは、第１の色のサブ画素と第２の色のサブ画素を含む画素を有し、画像を表示する。プロセッサは、表示デバイスの表示を制御する。投射光学系は、屈折光学系を有し、表示デバイスに表示された画像を観察者の視点領域に投射する。ここで、車両を基準に屈折光学系における外側を通過する基準外側画像端の光線の偏角と内側を通過する基準内側画像端の光線の偏角とは異なる。なお、偏角とは、屈折光学系に入射する光線のベクトルと、出射する光線のベクトルとがなす角である。プロセッサは、第１の色のサブ画素で形成される画像に対して第２の色で形成される画像の画素を所定の変移量だけ変移させ、その変移量は、中心に対して基準外側画像端側と基準内側画像端側とで非対称である。

本開示におけるヘッドアップディスプレイは、視認性の低下を抑制するのに有効である。

実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイを搭載した車両を示す模式図 実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図 実施の形態１における表示デバイスの表示画像を説明する模式図 実施の形態１における制御部の電気接続状態を説明するためのブロック図 実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの構成を説明するための模式図 実施の形態１における第２ミラーを説明するための模式図 実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図 実施例１の投射光学系のデータを示す図 実施例１の投射光学系のデータを示す図 実施例１の投射光学系のデータを示す図 実施例１の投射光学系のデータを示す図 実施例１の投射光学系のデータを示す図 実施例１の投射光学系のデータを示す図 実施例２の投射光学系のデータを示す図 実施例２の投射光学系のデータを示す図 実施例２の投射光学系のデータを示す図 実施例２の投射光学系のデータを示す図 実施例２の投射光学系のデータを示す図 実施例２の投射光学系のデータを示す図 実施例１および２の光学データを示す図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
以下、図１〜６を用いて、実施の形態１を説明する。

［１−１．構成］
［１−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
本開示のヘッドアップディスプレイ１００の具体的な実施の形態及び実施例を、図面を参照して、以下、説明する。

図１は、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００を搭載した車両２００を示す図である。図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、車両２００のウインドシールド２２０の下部にあるダッシュボード２１０内部に配置される。観察者Ｄは、ヘッドアップディスプレイ１００がウインドシールド２２０に投射する表示画像１１１（図２）を虚像Ｉとして認識する。

図２は、本実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００の構成を説明するための模式図である。図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０と、投射光学系１２０（第１レンズ１２１と、ミラー１２２と、第２レンズ１２３）と、制御部１５０と、カメラ１７０と、を備える。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０が表示する表示画像１１１を、ウインドシールド２２０を介して反射させて、観察者Ｄの視点領域３００に導いて虚像Ｉを視認させる。視点領域３００は、観察者Ｄが虚像Ｉを欠けることなく視認できる領域のことを意味する。カメラ１７０は、観察者Ｄの視点位置を検出する。

ここで、表示画像１１１の光路における虚像Ｉの中心から出射する光線を基準光線Ｌｃとする。観察者Ｄが視認する基準光線Ｌｃは、実際には表示デバイス１１０から光学系を経て観察者Ｄに到達したものである。そのため、虚像Ｉの中心から出射する基準光線Ｌｃに対応する、表示デバイス１１０から観察者Ｄに到達するまでの光線も基準光線Ｌｃと表現される。また、これらの光線に対応する光路も同様に基準光線Ｌｃと表現される。後述の基準内側光線Ｌｉおよび基準外側光線Ｌｏにおいても同様である。虚像Ｉの車両外側端を形成する表示画像１１１の光路を基準外側光線Ｌｏ、虚像Ｉの車両内側端を形成する表示画像１１１の光路を基準内側光線Ｌｉとする。ただし、観察者Ｄの視点が視点領域３００の中心にあるものとする。

図３は、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ１００に用いられる表示デバイス１１０を説明する模式図である。表示デバイス１１０は、その表示領域内において、表示画像１１１を表示する。実施の形態１では、表示画像１１１は長辺と短辺からなる長方形である。２つの短辺のうち、基準外側光線Ｌｏ、基準内側光線Ｌｉに相当する表示位置をそれぞれ、基準外側画像端Ｄｏ、基準内側画像端Ｄｉとする。また、基準光線Ｌｃに相当する位置を基準画像Ｄｃとする。

表示デバイス１１０は、画像を表示することができる装置であればよい。例えば、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）や有機発光ダイオード（エレクトロルミネッセンス）、プラズマディスプレイなどを用いることも可能である。また、表示デバイス１１０として、拡散反射可能なスクリーンにプロジェクタや走査型レーザを用いて画像を生成してもよい。本実施の形態における表示デバイス１１０は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、の３色のサブ画素からなる画素を有している。

図４は、本実施の形態に係る制御部１５０の電気接続状態を示すブロック図である。図４に示すように、制御部１５０は、ＣＰＵ１５１とメモリ１５２とを有する。ＣＰＵ１５１は、表示デバイス１１０の制御を行い、表示画像１１１を生成する。表示画像１１１としては、例えば、道路進行案内表示や、前方車両までの距離、車のバッテリー残量、現在の車速など、各種の情報を表示することができる。メモリ１５２は、表示デバイス１１０が表示する表示画像１１１を、ウインドシールド２２０や投射光学系１２０のパワーに応じて、電子的に色補正するための補正量のパラメータを記憶する。この補正量のパラメータは、ウインドシールド２２０の形状に応じて設計される第２レンズ１２３の形状に基づいて設定される、特定の色のサブ画素に対するその他のサブ画素の変位量である。また、メモリ１５２は、表示デバイス１１０が表示する表示画像１１１を、観察者Ｄの視点位置に応じて、電子的に色補正するための補正量のパラメータを記憶する。

制御部１５０は、投射光学系１２０やウインドシールド２２０で発生する歪みに応じて、あらかじめ表示画像１１１を電子的に歪ませておくことで、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることができる。また、表示デバイス１１０は、投射光学系１２０で発生する色収差に応じて、メモリ１５２にあらかじめ記憶された補正量のパラメータに基づき、複数波長の表示画素を表示位置毎にずらして表示する。また、表示デバイス１１０は、カメラ１７０が検出する観察者Ｄの視点位置に応じて、複数波長の表示画素を表示位置毎にずらして表示することもできる。

投射光学系１２０は、第１レンズ１２１と、ミラー１２２と、第２レンズ１２３とから構成される。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した表示画像１１１をウインドシールド２２０に投射する。具体的には、表示デバイス１１０が表示した表示画像１１１の画像光は、第１レンズ１２１を介してミラー１２２に入射する。ミラー１２２が反射する画像光は、第２レンズを介してウインドシールド２２０に投射される。

［１−１−２．投射光学系の構成］
以下、図５を用いて、投射光学系１２０の配置構成について説明する。

第１レンズ１２１は表示デバイス１１０よりも車両２００の前方方向であって、表示デバイス１１０の表示面に垂直な方向に対して傾けて配置している。全体として負のパワーを有する。こうすることで、表示デバイス１１０から出射する光線の角度を低減することができる。また、第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０側すなわち入射面に凹面を有する。こうすることで、表示デバイス１１０から出射する光線が、第１レンズ１２１の表示デバイス１１０側の面に入射する角度が小さくなり、偏心歪みの影響を低減することができる。また、第１レンズ１２１は、出射面が凸面である負メニスカス形状を有する。これにより、表示デバイス１１０から出射する光線が、第１レンズ１２１のレンズ面に入射する角度が小さくなり、偏心歪みの影響を低減することができる。また、第１レンズ１２１は少なくとも一方の面に自由曲面形状を採用している。これにより、ミラー１２２、第２レンズ１２３、ウインドシールド２２０で発生する非対称な画面歪みを良好に補正することができる。

ミラー１２２は第１レンズ１２１よりも車両２００の前方方向に配置され、第１レンズ１２１から出射された光線を第２レンズ１２３に向けて反射するよう、その反射面を偏心して配置している。ここで、ミラー１２２の反射面は凹面形状である。これにより、表示デバイス１１０で表示した表示画像１１１を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることが可能となる。また、ミラー１２２は自由曲面形状を採用している。これは反射で生じた虚像の歪みを、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるように補正するためである。

第２レンズ１２３は、正のパワーを持つフレネルレンズであり、ミラー１２２の上方に配置される。第２レンズ１２３は、ミラー１２２が反射する光線をウインドシールド２２０に向けて屈折する作用を持つ。また、図６に示すように、本実施の形態の第２レンズ１２３は、車両外側方向よりも車両内側方向の方が強い屈折作用を持つ非対称なレンズである。本実施の形態の第２レンズ１２３は、車両内側に大きなサグ量を持たせてパワーを大きくした非対称なレンズ形状としている。しかしながら、回転対称なレンズを、回転対称軸を車両外側にシフトして配置して、車両外側方向に強いパワーを持たせるようにしても良い。

正のパワーの第２レンズ１２３を配置することで、表示デバイス１１０で表示した表示画像１１１を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることが可能となる。さらに、ミラー１２２のサイズを小型化することが可能となる。また、第２レンズ１２３は、車両外側方向よりも車両内側方向の方が強い屈折作用を持つことで、第２レンズ１２３を水平に近い角度で配置することができ、ヘッドアップディスプレイ１００の筺体の小型化を実現することができる。通常、ウインドシールドは車両外側に強い曲率をもった自由曲面形状をしている。第２レンズ１２３の車両内側に強いパワーを持たせることで非対称な歪みを補正しつつ、第２レンズ１２３を水平に近づけて配置することができる。

また、第２レンズ１２３の出射面は、フレネル形状を有している。このフレネル面は、車両２００の前後方向に直線上に伸びる稜線を有する。これにより、第２レンズ１２３のレンズ厚を削減することができ、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。また、第２レンズ１２３は車両の前後方向よりも車両の左右方向の方が強い曲率を有している。これによって、ミラー１２２とウインドシールド２２０で発生する非対称な歪みを補正することができる。

投射光学系１２０は、表示デバイス１１０の直後に全体として負のパワーの第１レンズ１２１を配置しているため、ミラー１２２のパワーを高める（所謂テレフォト作用）ことができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。ここで、第１レンズ１２１は、ミラー１２２の反射面の下端よりも上方に配置される。こうすることで、ヘッドアップディスプレイ１００を車両２００の上下方向に薄く構成することができる。また、表示デバイス１１０と第１レンズ１２１の基準光線Ｌｃの間隔は、ミラー１２２と第１レンズ１２１の間隔よりも短い。これにより、第１レンズ１２１で発生する色収差量が視点領域３００内で変動するのを抑制することができる。

［１−１−３．電子補正］
車両外側方向よりも車両内側方向の方が強い屈折作用を持つため、第２レンズ１２３で発生する色収差は、車両外側よりも車両内側の方が大きくなる。そのため、虚像Ｉは、非対称な色収差が発生した画像として観察者Ｄに視認される。

そこで、ＣＰＵ１５１は、メモリ１５２に記憶された補正パラメータを参照して、表示画像１１１を波長毎に定められた補正量に相当する画素数だけ表示位置をずらして表示するように表示デバイス１１０を制御する。このとき、表示画像１１１における２波長以上の画素をずらして補正する。具体的には、緑色のサブ画素のみで構成される緑色画像を基準にして、赤色のサブ画素と青色のサブ画素をずらす。このとき、緑色に対して赤色と青色のずらす方向は反対方向である。また、赤色のサブ画素よりも青色のサブ画素の方が、変位量が大きい。また、メモリ１５２は、表示画像１１１の中心よりも周辺に向かうに従って大きな補正量のパラメータを有している。すなわち、メモリ１５２は、第２レンズ１２３における表示画像１１１が通る位置の屈折量の大小に応じた補正量のパラメータを有している。本実施の形態では、メモリ１５２は、表示画像１１１の中心に対して車両外側と内側とで非対称な補正量のパラメータを有している。すなわち、表示画像１１１において、基準外側画像端Ｄｏよりも基準内側画像端Ｄｉの方が、大きな変位量となる。これによって、第２レンズ１２３で発生する非対称な色収差が発生しても、色ずれを軽減した良好な虚像Ｉを観察者Ｄに視認させることができる。

また、メモリ１５２は、視点領域３００における観察者Ｄの視点の位置に応じた補正量のパラメータを有している。すなわち、メモリ１５２は、観察者Ｄの視点が、車両２００の内側に位置する場合に、基準内側画像端Ｄｉの変位量が増加し、基準外側画像端Ｄｏの変位量は減少する補正量のパラメータを備える。反対に、観察者Ｄの視点が、車両２００の外側に位置する場合に、基準内側画像端Ｄｉの変位量は減少し、基準外側画像端Ｄｏの変位量は増加する補正量のパラメータを備える。これにより、観察者Ｄの視点の位置が変化した場合であっても、良好な虚像Ｉを視認させることができる。

［１−２．効果等］
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、車両２００のウインドシールド２２０に投射して、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させるものである。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０と、ＣＰＵ１５１と、第１レンズ１２１と、第２レンズ１２３と、ミラー１２２と、を備える。表示デバイス１１０は、複数の色のサブ画素からなる画素を有し表示画像１１１を表示する。ＣＰＵ１５１は、表示デバイス１１０の表示を制御する。ここで、屈折光学系である第２レンズ１２３において、第２レンズ１２３の車両２００の外側を通過する基準外側画像端Ｄｏの光線の偏角と内側を通過する基準内側画像端Ｄｉの光線の偏角とが異なる。なお、第２レンズ１２３における偏角とは、第２レンズ１２３に入射する光線のベクトルと、出射する光線のベクトルとがなす角である。ＣＰＵ１５１は、緑色画像に対して赤色及び青色画像を表示画像１１１の左右で非対称にずらして表示する。

これにより、視点領域３００の全域で色ずれの抑制された虚像Ｉを提示することが可能である。

また、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００の第１レンズ１２１は、全体として負のパワーを有する。これにより、表示デバイス１１０から出射する光線の角度を小さくすることができ、視点領域３００の全域でコントラストの高い画像を視認することができる。

また、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０側の面が凹面形状である第１レンズ１２１を備える。これにより、表示デバイス１１０から出射した光線が第１レンズ１２１の表示デバイス１１０側面に入射する角度が小さくなり、画面歪みを良好に補正することができる。

また、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示画像１１１の長辺方向のほうが表示画像１１１の短辺方向よりもパワーが強い第１レンズ１２１を備える。これにより、横長に設定される視点領域３００全域でコントラストの高い画像を視認することができる。

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００の第２レンズ１２３は、基準光線Ｌｃに対して傾けて配置することが望ましい。これにより、第２レンズ１２３を水平に近い角度で配置することが可能となり、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００の第２レンズ１２３は、車両の左右方向に溝があるリニアフレネル形状であることが望ましい。これにより、第２レンズ１２３のレンズ厚を削減することができ、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００の第２レンズ１２３は、自由曲面形状であることが望ましい。これにより、ウインドシールド２２０で発生する画面歪みを良好に補正し、観察者Ｄの視点領域３００全域で画面歪みの少ない画像を視認することができる。

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００の第２レンズ１２３は、車両外側よりも車両内側に強いパワーをもつように、そのレンズ形状を設定、またはレンズをシフトさせて配置することが望ましい。これにより、車両外側で強い曲率をもつウインドシールド２２０で発生する画面歪みを良好に補正し、観察者Ｄの視点領域３００全域で画面歪みの少ない良好な画像を視認することができる。

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００の第２レンズ１２３は、車両の前後方向よりも車両の左右方向に強いパワーを持つことが望ましい。これにより、ウインドシールド２２０で発生する画面歪みを良好に補正し、視点領域３００の全域で画面歪みの少ない画像を視認することができる。

（実施の形態２）
以下、図７を用いて、実施の形態２を説明する。

［２−１．構成］
［２−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図７は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００の構成を説明するための模式図である。図７に示すように、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０と、投射光学系１２０（第１ミラー１２２ａと、第２ミラー１２２ｂと、第２レンズ１２３）と、を備える。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０が表示する表示画像１１１を、ウインドシールド２２０に投射して視点領域３００に導いて、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させる。

ここで、虚像Ｉの中心を形成する表示画像１１１の光路を基準光線Ｌｃとする。ただし、観察者Ｄの視点が視点領域３００の中心にあるものとする。

投射光学系１２０は、第１ミラー１２２ａと、第２ミラー１２２ｂと、第２レンズ１２３と、から構成される。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した表示画像１１１をウインドシールド２２０に投射する。具体的には、表示デバイス１１０が表示した表示画像１１１の画像光は、第１ミラー１２２ａに入射する。第１ミラー１２２ａが反射する画像光は、第２ミラー１２２ｂに入射する。第２ミラー１２２ｂが反射した画像光は、第２レンズ１２３を介してウインドシールド２２０に投射される。

［２−１−２．投射光学系の構成］
第１ミラー１２２ａは、表示デバイス１１０よりも上方に配置され、表示デバイス１１０から出射された光線を第２ミラー１２２ｂに向けて反射するよう、その反射面を偏心して配置している。ここで、第１ミラー１２２ａの反射面は凸面形状である。これにより、第２ミラー１２２ｂで発生する非対称な歪みを良好に補正することができる。ただし、第１ミラー１２２ａは凸面形状に限定されることはなく、平面形状でも凹面形状でも良い。また、第１ミラー１２２ａは自由曲面形状を採用している。これは反射で生じた虚像の歪みを、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるように補正するためである。ただし、第１ミラー１２２ａは自由曲面形状に限定されることはなく、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良い。また、これらのミラーを基準光線Ｌｃに対して偏心させて配置しても良い。

第２ミラー１２２ｂは、第１ミラー１２２ａよりも車両２００の前方方向に配置され、第１ミラー１２２ａから出射された光線をウインドシールド２２０に向けて反射するよう、その反射面を偏心して配置している。第２ミラー１２２ｂの反射面は凹面形状である。これにより、表示デバイス１１０で表示した表示画像１１１を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることが可能となる。また、第２ミラー１２２ｂは自由曲面形状を採用している。これにより、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるように、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正できる。ただし、第２ミラー１２２ｂは自由曲面形状に限定されることはなく、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良い。また、これらのミラーを基準光線Ｌｃに対して偏心して配置しても良い。

ここで、第１ミラー１２２ａの下端は、第２ミラー１２２ｂの反射面の下端よりも上方に配置される。こうすることで、ヘッドアップディスプレイ１００を車両の上下方向に薄く構成することができる。

第２レンズ１２３は、第１ミラー１２２ａ及び第２ミラー１２２ｂよりも上方に配置され、光線をウインドシールド２２０に向けて屈折する作用を持つ。また、第２レンズ１２３は基準光線Ｌｃに対して傾けて配置されている。こうすることによって、第２レンズ１２３を水平に近い角度で配置することができ、ヘッドアップディスプレイ１００の筺体の小型化を実現することができる。また、第２レンズ１２３は全体として正のパワーを持つ。これにより、表示デバイス１１０で表示した表示画像１１１を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることが可能となる。さらに、第２ミラー１２２ｂのサイズを小型化することが可能となる。また、第２レンズ１２３は自由曲面形状を採用している。これにより、ウインドシールド２２０で発生する非対称な画面歪みを補正することができる。ただし、第２レンズ１２３の面形状は自由曲面形状に限定されることはなく、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良い。また、第２レンズ１２３は車両外側方向よりも車両内側方向の方が強い屈折作用を持つように、そのレンズ形状を設定、またはそのレンズをシフトさせて配置している。例えば、レンズの形状を車両中心側に大きなサグ量を持つ非対称な形状としても良いし、回転対称なレンズを、回転対称軸を車両外側にシフトして配置しても良い。通常、自動車のウインドシールドは車両外側の曲率が大きい自由曲面形状である。そのため、第２レンズ１２３を水平に近づけて配置した場合、車両内側に強いパワーを持たせることで非対称な歪みを補正することができる。

［２−１−３．電子補正］
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、第２レンズ１２３で発生する色収差を補正するために、メモリ１５２に補正量のパラメータを持たせている。すなわち、第２レンズ１２３で発生する色収差は、車両外側方向よりも車両内側方向の方が大きくなり、虚像Ｉは非対称な色収差が発生した画像として観察者Ｄに視認される。そこで、表示デバイス１１０で表示画像１１１を表示する際には、波長毎に予め定められた補正量に相当する画素数だけ表示位置をずらして表示している。これによって、第２レンズ１２３の色収差による虚像Ｉの色ずれを軽減することができる。また、色収差を補正するために、表示デバイス１１０で電子的に画像の補正をするにあたっては、表示画像１１１の中心に対して車両外側と内側とで非対称な変位量となる。詳細には、メモリ１５２は、基準外側画像端Ｄｏよりも基準内側画像端Ｄｉの方が、大きな補正量となるパラメータを有する。これによって、第２レンズ１２３が非対称なパワーを有しても、色収差を抑制した虚像Ｉを観察者Ｄに視認させることができる。また、第２レンズ１２３の出射面は、フレネル形状を有している。また、第２レンズ１２３のフレネル面は、車両２００の前後方向に直線上に伸びる稜線を有する。これにより、第２レンズ１２３のレンズ厚を削減することができ、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。ただし、第２レンズ形状はリニアフレネル形状に限定されることはなく、円形に溝を配置したフレネル形状であっても良いし、溝のないバルクレンズ形状であっても良い。

［２−２．効果等］
実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００は、車両２００のウインドシールド２２０に投射して、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させるものである。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０と、ＣＰＵ１５１と、第１ミラー１２２ａ、第２ミラー１２２ｂと、第２レンズ１２３とを備える。表示デバイス１１０は、複数の色のサブ画素からなる画素を有し表示画像１１１を表示する。ＣＰＵ１５１は、表示デバイス１１０を制御する。ここで、屈折光学系である第２レンズ１２３において、第２レンズ１２３の車両２００の外側を通過する基準外側画像端Ｄｏの光線の偏角と内側を通過する基準内側画像端Ｄｉの光線の偏角とが異なる。なお、第２レンズ１２３における偏角とは、第２レンズ１２３に入射する光線のベクトルと、出射する光線のベクトルとがなす角である。ＣＰＵ１５１は、緑色画像に対して赤色及び青色画像を表示画像１１１の左右で非対称にずらして表示する。

これにより、視点領域３００の全域で色ずれの抑制された虚像Ｉを提示することが可能である。また、実施の形態１で用いた第１レンズ１２１を用いないため、色収差の補正が容易となる。

＜望ましい条件＞
以下、実施の形態１及び２に係るヘッドアップディスプレイ１００が満足することが望ましい条件を説明する。なお、各実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００に対して、複数の好ましい条件が規定されるが、これら複数の条件すべてを満足する構成が最も望ましい。しかしながら、個別の条件を満足することにより、それぞれ対応する効果を奏する光学系を得ることも可能である。

本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（１）を満足することが望ましい。

１．２ ＜ （θ２ｉ×θ１ｏ） ／ （θ２ｏ×θ１ｉ） ＜ ６．０ ・・・（１）
ここで、
θ１ｉ：ウインドシールド２２０に入射する基準内側光線のベクトルとウインドシールド２２０から反射する基準内側光線のベクトルがなす角度
θ１ｏ：ウインドシールド２２０に入射する基準外側光線のベクトルとウインドシールド２２０から反射する基準外側光線のベクトルがなす角度
θ２ｉ：第２レンズ１２３に入射する基準内側光線Ｌｉのベクトルと第２レンズ１２３から出射する基準内側光線Ｌｉのベクトルがなす角度
θ２ｏ：第２レンズ１２３に入射する基準外側光線Ｌｏのベクトルと第２レンズ１２３から出射する基準外側光線Ｌｏのベクトルがなす角度
である。

条件（１）は、基準外側光線Ｌｏと基準内側光線Ｌｉの第２レンズ１２３における屈折作用とウインドシールド２２０への入射角との比率を規定する条件である。条件（１）の下限を下回ると、第２レンズ１２３の車両内側の屈折作用が小さくなり、小型なヘッドアップディスプレイ１００を提供することが困難となる。

また、条件（１）の上限を上回ると、第２レンズ１２３の車両内側の屈折作用が強くなりすぎ、ウインドシールド２２０で発生する画面歪みを良好に補正することが困難となる。

また、さらに以下の条件（１）’を満足することにより上述の効果をさらに奏功させることができる。

１．６ ＜ （θ２ｉ×θ１ｏ） ／ （θ２ｏ×θ１ｉ） ＜ ４．０ ・・・（１）’
また、さらに以下の条件（１）’’を満足することにより上述の効果をさらに奏功させることができる。

２．０ ＜ （θ２ｉ×θ１ｏ） ／ （θ２ｏ×θ１ｉ） ＜ ３．０ ・・・（１）’’
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（２）を満足することが望ましい。

１．５ ≦ （Ｍｉ×θ１ｏ） ／ （Ｍｏ×θ１ｉ） ・・・（２）
ここで、
θ１ｉ：ウインドシールド２２０に入射する基準内側光線のベクトルとウインドシールド２２０から反射する基準内側光線のベクトルがなす角度
θ１ｏ：ウインドシールド２２０に入射する基準外側光線のベクトルとウインドシールド２２０から反射する基準外側光線のベクトルがなす角度
Ｍｉ：基準内側画像Ｄｉにおける緑色画素に対する青色画素の変移量
Ｍｏ：基準外側画像Ｄｏにおける緑色画素に対する青色画素の変移量
である。

条件（２）は、基準内側画像端Ｄｉと基準外側画像端Ｄｏにおけるにおける緑色画素に対する青色画素の変移量と、基準内側光線Ｌｉと基準外側光線Ｌｏのウインドシールド２２０への入射角比率を規定する条件である。通常、ウインドシールド２２０は車両外側に向かってその曲率が大きくなっている。第２レンズ１２３はウインドシールド２２０で発生する画面歪みを補償するため、車両内側の曲率を強くすることが望ましい。例えば、条件（２）のように基準内側画像端Ｄｉの変移量を大きくすることが望ましい。条件（２）の下限を下回ると、第２レンズ１２３で発生する色収差に対して基準内側画像端Ｄｉの変移量が不足し、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることが困難となる。また、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させるために第２レンズ１２３の車両内側のパワーが小さくなり、小型なヘッドアップディスプレイ１００を提供することが困難となる。

さらに、以下の条件（２）’を満足することにより上述の効果をさらに奏功させることができる。

１．５ ≦ Ｍｉ ／ Ｍｏ ≦ ６．０ ・・・（２）’
条件（２）’の上限を上回ると、第２レンズ１２３で発生する色収差に対して基準内側画像端Ｄｉの変移量が過剰となり、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることが困難となる。

また、さらに以下の条件（２）’ ’を満足することにより上述の効果をさらに奏功させることができる。

２．０ ≦ Ｍｉ ／ Ｍｏ ≦ ５．０ ・・・（２）’ ’
なお、各実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００に対して、複数の好ましい条件が規定されるが、これら複数の条件すべてを満足する構成が最も望ましい。しかしながら、個別の条件を満足することにより、それぞれ対応する効果を奏する光学系を得ることも可能である。

（数値実施例）
以下、図８Ａから図１１Ｃを用いて、実施の形態１〜２に対応する数値実施例を示す。

以下、本開示によるヘッドアップディスプレイ１００について、具体的な実施例を説明する。なお、以下で説明する実施例において、表中の長さの単位は（ｍｍ）であり、角度の単位は（度）である。また、自由曲面は、次の数式で定義されるものである。

ここで、ｚは面を定義する軸から（ｘ，ｙ）の位置におけるサグ量である。ｒは面を定義する軸の原点における曲率半径である。ｃは面を定義する軸の原点における曲率である。ｋはコーニック定数であり、多項式係数のＣ_１に相当する。Ｃｊ（ｊ＞１）は単項式ｘ^ｍｙ^ｎの係数である。ただし、ｍおよびｎは０以上の整数である。

また、各実施例において、基準となる座標原点は、表示デバイス１１０に表示された画像（表示面）の中心であり、表中では、表示面の横方向をＸ軸、縦方向をＹ軸、表示面に対して垂直方向をＺ軸として示している。また、偏心データにおいて、ＡＤＥとは、ミラーもしくはレンズをＸ軸を中心にＺ軸方向からＹ軸方向に回転した量、ＢＤＥとはＹ軸を中心にＸ軸方向からＺ軸方向に回転した量、ＣＤＥとはＺ軸を中心にＸ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。

（数値実施例１）
図８Ａ〜図９Ｃは、実施例１（実施の形態１）の投射光学系のデータである。図８Ａは、投射光学系１２０の各光学要素における各面の偏心データを示す。図８Ｂと図８Ｃは、曲率半径を示す。図９Ａから図９Ｃは、各光学要素における自由曲面の多項式係数を示す。

（数値実施例２）
図１０Ａ〜図１１Ｃは、実施例２（実施の形態２）の投射光学系のデータである。図１０Ａは、投射光学系１２０の各光学要素における各面の偏心データを示す。図１０Ｂと図１０Ｃは、曲率半径を示す。また、図１１Ａから図１１Ｃは、各光学要素における自由曲面の多項式係数を示す。

以下の表１に、実施の形態１及び２の条件式（１）、（２）の対応値を示す。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１及び２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１及び２で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

実施の形態１及び２では、第２レンズ１２３において、第２レンズ１２３における車両の外側寄りを通過する画像端の光線の偏角よりも内側寄りを通過する画像端の光線の偏角のほうが大きくなるように構成されている。これを実現するにあたり、第２レンズには、非対称な形状のレンズを用いてもよいし、偏心させた対称レンズを用いてもよい。

また、実施の形態１及び２では第２レンズ１２３はフレネルレンズやリニアレンズを使用していたが、厚みが一定ではないフレネル形状であっても良い。

また、実施の形態１及び２では投射光学系１２０に１つ、または２つのレンズ素子を使用していたが、３つ以上のレンズ素子を使用しても良い。

また、実施の形態１及び２では第２レンズ１２３は上側にフレネル面を配置していたが、下面にフレネル面を配置しても良い。

実施の形態１及び２では、第２レンズ１２３の面形状を自由曲面形状として説明したが、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良い。

また、実施の形態１及び２では、第２レンズ１２３の形状をリニアフレネル形状として説明したが、円形に溝を配置したフレネル形状であっても良いし、溝のないバルクレンズ形状であっても良い。

また、実施の形態１では、第１レンズ１２１の表示デバイス１１０側面はその全面が凹面として説明したが、一部に凸面形状を有しても良い。

また、実施の形態１では、第１レンズ１２１のレンズ面は負メニスカス形状として説明したが、平凹形状、両凹形状であっても良い。

また、実施の形態１では、第１レンズ１２１の面形状を自由曲面形状として説明したが、球面形状や非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良い。また、これらのレンズを基準光線Ｌｃに対して偏心させて配置しても良い。

また、実施の形態１では、ミラー１２２の面形状は自由曲面形状に限定されることはなく、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良い。また、ミラー１２２を基準光線Ｌｃに対して偏心させて配置しても良い。

また、実施の形態１では、表示デバイス１１０の直後に１枚の第１レンズ１２１を配置しているが、複数のレンズ素子を配置しても良い。

また、実施の形態１では、第１レンズ１２１の直後に１つのミラー１２２を配置しているが、複数のミラーを配置しても良い。

また、実施の形態１ではミラー１２２の直後に１枚の第２レンズ１２３を配置しているが、複数のレンズ素子を配置しても良いし、レンズ素子を配置しなくても良い。

また、実施の形態２では、投射光学系１２０は２つのミラーを配置しているが、３枚以上のミラーを配置しても良い。また、第１ミラー１２２ａを第２ミラー１２２ｂよりも車両後方側に配置しているが、これに限定されることはなく、第１ミラー１２２ａを第２ミラー１２２ｂよりも車両前方に配置しても良いし、車両の左右方向（図４において紙面垂直方向）に配置しても良い。また、実施の形態２では表示デバイス１１０を第１ミラー１２２ａよりも下方に配置しているが、これに限定されることはない。例えば、表示デバイス１１０を第１ミラー１２２ａよりも上方に配置しても良いし、車両後方に配置しても良いし、車両の左右方向（図４において紙面垂直方向）に配置しても良い。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、透過性の反射部材を有する車両用のヘッドアップディスプレイなどに、本開示は適用可能である。

１００ ヘッドアップディスプレイ
１１０ 表示デバイス
１１１ 表示画像
１２０ 投射光学系
１２１ 第１レンズ
１２２ ミラー
１２２ａ 第１ミラー
１２２ｂ 第２ミラー
１２３ 第２レンズ
１５０ 制御部
１５１ ＣＰＵ
１５２ メモリ
１７０ カメラ
２００ 車両
２１０ ダッシュボード
２２０ ウインドシールド
３００ 視点領域
Ｄ 観察者
Ｉ 虚像
Ｄｃ 基準画像
Ｄｉ 基準内側画像端
Ｄｏ 基準外側画像端
Ｌｃ 基準光線
Ｌｉ 基準内側光線

Claims (6)

1. ウインドシールドを有する車両に搭載され、前記ウインドシールドに画像を投射して、観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、
   第１の色のサブ画素と第２の色のサブ画素を含む画素を有し、画像を表示する表示デバイスと、
   前記表示デバイスの表示を制御するプロセッサと、
   屈折光学系を有し、前記表示デバイスに表示された前記画像を観察者の視点領域に投射する投射光学系と、を備え、
   前記屈折光学系に入射する光線のベクトルと、出射する光線のベクトルとがなす角である偏角は、前記車両を基準に前記屈折光学系における外側を通過する基準外側画像端の光線の偏角と前記車両を基準に前記屈折光学系における内側を通過する基準内側画像端の光線の偏角とが異なり、
   前記プロセッサは、前記第１の色のサブ画素で形成される画像に対して前記第２の色のサブ画素で形成される画像の画素を所定の変移量だけ変移させ、
   前記変移量は、前記画像の中心に対して前記基準外側画像端側と前記基準内側画像端側とで非対称である、
   ヘッドアップディスプレイ。
2. ウインドシールドを有する車両に搭載され、前記ウインドシールドに画像を投射して、観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、
   第１の色のサブ画素と第２の色のサブ画素を含む画素を有し、画像を表示する表示デバイスと、
   前記表示デバイスの表示を制御するプロセッサと、
   屈折光学系を有し、前記表示デバイスに表示された前記画像を観察者の視点領域に投射する投射光学系と、を備え、
   前記屈折光学系に入射する光線のベクトルと、出射する光線のベクトルとがなす角である偏角は、前記車両を基準に前記屈折光学系における外側を通過する基準外側画像端の光線の偏角と前記車両を基準に前記屈折光学系における内側を通過する基準内側画像端の光線の偏角とが異なり、
   前記プロセッサは、前記第１の色のサブ画素で形成される画像に対して前記第２の色のサブ画素で形成される画像の画素を、中心に対して前記基準外側画像端側と前記基準内側画像端側とで非対称に変移させ、
   以下の条件（１）を満足する、ヘッドアップディスプレイ：
   １．２ ＜ （θ２ｉ×θ１ｏ） ／ （θ２ｏ×θ１ｉ） ・・・（１）
   ここで、
   θ１ｉ：前記ウインドシールドに入射する基準内側光線のベクトルと前記ウインドシールドから反射する基準内側光線のベクトルがなす角度
   θ１ｏ：前記ウインドシールドに入射する基準外側光線のベクトルと前記ウインドシールドから反射する基準外側光線のベクトルがなす角度
   θ２ｉ：屈折光学系に入射する基準内側光線のベクトルと屈折光学系から出射する基準内側光線のベクトルがなす角度
   θ２ｏ：屈折光学系に入射する基準外側光線のベクトルと屈折光学系から出射する基準外側光線のベクトルがなす角度
   である。
3. 前記第１の色は緑色であり、前記第２の色は青色であって、
   以下の条件（２）を満足する、請求項１または２に記載のヘッドアップディスプレイ：
   １．５ ≦ （Ｍｉ×θ１ｏ） ／ （Ｍｏ×θ１ｉ） ・・・（２）
   ここで、
   Ｍｉ：虚像の内側に到達する画像の端部である基準内側画像における第１の色のサブ画素に対する第２の色のサブ画素の変移量
   Ｍｏ：虚像の外側に到達する画像の端部である基準外側画像における第１の色のサブ画素に対する第２の色のサブ画素の変移量
   である。
4. 前記屈折光学系は、前記車両の前後方向よりも前記車両の左右方向の方が強い曲率を有する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 前記屈折光学系は、前記画像の中心を通る基準光線に対して偏心している、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイを備えた、車両。

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