JP2014215481A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が容易なヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置１００は、像を表す表示光Ｌを出射する表示手段５と、半透過部を備えた半透過ミラー４１と反射部を備えた全反射ミラー４２とから構成される導光手段４０と、導光手段４０から出射した表示光Ｌを投影面へ反射することによって、表示光Ｌが表す像を虚像として投影面に投影する出射反射手段５０とを備える。半透過ミラー４１の半透過部と全反射ミラー４２の反射部とは平行に配置され、半透過部は表示光Ｌの一部を反射し一部を透過する第１の面と第２の面とから構成されるＶ字状の溝を有し、反射部は第１の面に対向し表示光Ｌを第１の面へ反射する第３の面と第２の面に対向する第４の面とから構成されるＶ字状の溝を有する。【選択図】図２

Description

本発明はヘッドアップディスプレイ装置に関する。

従来のヘッドアップディスプレイとして、特許文献１に開示されたヘッドアップディスプレイが知られる。このヘッドアップディスプレイは、表示デバイスと、コリメートレンズと、一対の平行に配置された平面ミラーとから構成される。一対の平面ミラーのうち、一方の平面ミラーは、入射した光の一部を反射し一部を透過する半透過ミラーである。表示デバイスから出射した光（表示光）は、コリメートレンズによって平行化され、一対の平行に配置された平面ミラーに入射する。一対の平行に配置された平面ミラーに入射した光は、平面ミラーの間で反射を繰り返す。一対の平行に配置された平面ミラーのうちの一方の平面ミラーは、半透過ミラーであるので、半透過ミラーに入射した光の一部が、半透過ミラーから出射する。この半透過ミラーから出射した光が平面透明板（いわゆるコンバイナ）で反射され、その光が観察者の眼に達する。観察者がコンバイナに投影された虚像を見ることによって、観察者は遠方に表示像があるように認識する。

国際公開第２０１０／０９２４０９号

特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイでは、一対の平行に配置された平面ミラーは、コリメートレンズから出射した光を導光するために、コリメートレンズから出射した光の光軸（コリメートレンズのレンズ光軸）に対して傾斜して配置される。したがって、特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイにおいては、一対の平行に配置された平面ミラーを配置するために広いスペースが必要となり、ヘッドアップディスプレイの小型化が困難である。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、小型化が容易なヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、
投影面へ表示光を出射し、前記表示光が前記投影面で反射することによって、前記表示光が表す像を虚像として前記投影面に投影するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記像を表す表示光を出射する表示手段と、
前記表示手段から出射した表示光が入射する導光手段であって、半透過部と前記半透過部に対向して配置される反射部とを備え、前記半透過部は表示光の一部を反射し一部を透過する第１の面と第２の面とから構成されるＶ字状の溝を有し、前記反射部は前記第１の面に対向し表示光を前記第１の面へ反射する第３の面と前記第２の面に対向する第４の面とから構成されるＶ字状の溝を有する、導光手段と、
前記半透過部を透過した表示光を前記投影面へ反射することによって、前記表示光が表す像を前記虚像として前記投影面に投影する出射反射手段とを備える、
ことを特徴とする。

本発明によれば、ヘッドアップディスプレイ装置を容易に小型化できる。

本発明の実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１に係る導光手段の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係るＶ字状の溝の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る導光手段における表示光の光路を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る制御部の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態２に係る半透過ミラーの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態２に係るＶ字状の溝の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態３に係る導光手段の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態３に係るＶ字状の溝の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態３に係る導光手段における表示光の光路を示す模式図である。 本発明の実施の形態３に係る第１の面の構成を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１〜実施の形態３に係る第１の面の構成を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１〜実施の形態３に係る第２の面の構成を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１〜実施の形態３に係る第４の面の構成を説明するための模式図である。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について、図１〜図７を参照して説明する。

図１に本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００の概略を示す。ここで、車両２００の左右方向（観察者の眼１の左右方向）をＸ軸、車両２００の上下方向（観察者の眼１の上下方向）をＹ軸、Ｘ軸およびＹ軸に垂直で観察者の視線方向をＺ軸とする（図１）。
本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００は、図１に示すように、車両２００のダッシュボード内に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置１００は、出射部１０１から表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光Ｌを車両２００のフロントガラス２０１へ出射する。フロントガラス２０１に反射された表示光Ｌは、観察者の眼１に達する。観察者はフロントガラス２０１に反射された表示光Ｌが表す表示画像Ｍの虚像（フロントガラス２０１に投影された虚像）Ｖを視認する。観察者はフロントガラス２０１を通して、表示画像Ｍが遠方にあるように認識する。

図２は、ヘッドアップディスプレイ装置１００の車両２００（図１）における左右方向の断面の概略、図３は、ヘッドアップディスプレイ装置１００の車両２００（図１）における上下方向の断面の概略を示す。ここで、図１と同様に、車両２００の左右方向（観察者の眼１の左右方向）をＸ軸、車両２００の上下方向（観察者の眼１の上下方向）をＹ軸、Ｘ軸およびＹ軸に垂直で観察者の視線方向をＺ軸とする（図２、３）。

ヘッドアップディスプレイ装置１００は、図２に示すように、筐体１０２内に配置された表示手段５と、導光手段４０と、出射反射手段５０とを備える。また、ヘッドアップディスプレイ装置１００は制御部６０（図示せず）を備える。

また、表示手段５は、表示デバイス１０と、折り返しミラー２０と、コリメートレンズ３０とを備える。

表示デバイス１０から出射した表示光Ｌは、折り返しミラー２０によって反射され、コリメートレンズ３０に入射する。表示光Ｌはコリメートレンズ３０によって、平行化される。コリメートレンズ３０から出射した表示光Ｌは、導光手段４０に入射する。

図４は導光手段４０の構成を示す。導光手段４０は、半透過ミラー４１と全反射ミラー４２とから構成される。半透過ミラー４１と全反射ミラー４２は、それぞれ半透過部４３、反射部４４を備える。また、半透過ミラー４１の半透過部４３と全反射ミラー４２の反射部４４とが対向して配置される。
半透過ミラー４１の半透過部４３と全反射ミラー４２の反射部４４は、それぞれＶ字状の溝４５ｃ、Ｖ字状の溝４６ｃを有する。Ｖ字状の溝４５ｃを構成する第１の面４５ａは表示光Ｌの一部を反射し一部を透過する。Ｖ字状の溝４６ｃを構成する第３の面４６ａは表示光Ｌを第１の面４５ａへ反射する。第１の面４５ａと第３の面４６ａは対向して配置されるので、導光手段４０に入射した表示光Ｌは、半透過ミラー４１の半透過部４３と全反射ミラー４２の反射部４４との間で反射を繰り返しつつ導光手段４０内を導光し、一部の表示光Ｌは導光手段４０から出射する（半透過ミラー４１を透過する）。

半透過ミラー４１を透過した表示光Ｌは、出射反射手段５０によって反射され、出射部１０１から出射する（図３）。出射部１０１から出射した表示光Ｌはフロントガラス２０１に入射する。フロントガラス２０１は入射した表示光Ｌを反射し、反射された表示光Ｌは観察者の眼１に達する。

ヘッドアップディスプレイ装置１００の具体的な構成について説明する。なお、以下では、発明の理解を容易にするために、コリメートレンズ３０から出射したＸＺ平面に平行な光に限定して説明する。

（表示デバイス、折り返しミラー、コリメートレンズ）
本実施の形態において、表示デバイス１０は液晶表示デバイスであり、光源１１と、拡散板１２と、液晶表示パネル１３と、ヒートシンク１４とから構成される。光源１１は複数のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）から構成される。光源１１は、液晶表示パネル１３を照明する光を出射する。拡散板１２は白色に着色されたポリカーボネート等の樹脂から構成される。拡散板１２は光源１１が出射した光を拡散し、液晶表示パネル１３を均一に照明する。液晶表示パネル１３は、後述する制御部６０から送信される映像信号に従って、拡散板１２からの照明光を変調することによって、表示画像Ｍを生成する。液晶表示パネル１３からは、表示画像Ｍを表す表示光Ｌが出射される。
ヒートシンク１４はアルミニウム等の金属で構成され、光源１１で発生する熱を放散する。ヒートシンク１４は、光源１１の光を出射する面の反対面に配置される。

折り返しミラー２０は、例えば、平面アルミ蒸着ミラーであり、液晶表示パネル１３が出射した表示光Ｌを、コリメートレンズ３０へ反射する。折り返しミラー２０は、表示光Ｌを折り返して反射するために、液晶表示パネル１３の表示面に対して傾斜して配置される（図２）。

コリメートレンズ３０は、例えば、凸レンズである。コリメートレンズ３０は、折り返しミラー２０が反射した表示光Ｌの光路上に配置される（図２）。コリメートレンズ３０は、折り返しミラー２０が反射した表示光Ｌを平行化し、導光手段４０へ出射する。また、コリメートレンズ３０はレンズ光軸Ｐを有する。コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐは、コリメートレンズ３０から導光手段４０へ出射する表示光Ｌの光軸Ｑと一致する。

（導光手段）
導光手段４０は、図４に示すように、半透過ミラー４１と全反射ミラー４２とから構成される。半透過ミラー４１は板状であり、半透過部４３を備える。また、全反射ミラー４２は板状であり、反射部４４を備える。

図２に示すように、導光手段４０の全反射ミラー４２はコリメートレンズ３０の側に配置され、導光手段４０の半透過ミラー４１は出射反射手段５０の側に配置される。また、全反射ミラー４２の反射部４４は、半透過ミラー４１の半透過部４３に対向して平行に配置される。ここで、コリメートレンズ３０を出射した表示光Ｌが、最初に半透過ミラー４１の半透過部４３に入射するように、全反射ミラー４０の反射部４４は、コリメートレンズ３０を出射する表示光Ｌの光路上には配置されない。本実施の形態においては、全反射ミラー４２の外形を半透過ミラー４１の外形よりも小さくすることによって、コリメートレンズ３０を出射した表示光Ｌの光路が確保される（図２、４）。
また、半透過ミラー４１の半透過部４３と全反射ミラー４２の反射部４４は、コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に対して垂直に配置される。すなわち、導光手段４０はコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に対して垂直に配置される。

半透過ミラー４１の半透過部４３は第１の面４５ａと第２の面４５ｂとから構成されるＶ字状の溝４５ｃを有する。全反射ミラー４２の反射部４４は第１の面４５ａに対向する第３の面４６ａと第２の面４５ｂに対向する第４の面４６ｂとから構成されるＶ字状の溝４６ｃを有する。さらに、半透過部４３におけるＶ字状の溝４５ｃを構成する第１の面４５ａは、表示光Ｌの一部を反射し一部を透過する。反射部４４におけるＶ字状の溝４６ｃを構成する第３の面４６ａは、表示光Ｌを第１の面４５ａへ反射する。

図５は、半透過部４３のＶ字状の溝４５ｃと反射部４４のＶ字状の溝４６ｃの構成を示す。本実施の形態において、半透過部４３のＶ字状の溝４５ｃを構成する第１の面４５ａは、コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０と３０°（θｈｒ＝３０°）の角度をなす。また、第１の面４５ａと半透過部４４のＶ字状の溝４５ｃを構成する第２の面４５ｂは、第１の面４５ａと７０°（θ１＝７０°）の角度をなす。したがって、第２の面４５ｂは、コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０と８０°（θ２＝８０°）の角度をなす。Ｖ字状の溝４５ｃのピッチＳ１は２００μｍとする（図４）。

反射部４４のＶ字状の溝４６ｃを構成する第３の面４６ａは、半透過部４３のＶ字状の溝４５ｃを構成する第１の面４５ａと対向して配置される。また、第３の面４６ａは、コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０と３０°（θａｒ＝３０°）の角度をなす。第３の面４６ａと反射部４４のＶ字状の溝４６ｃを構成する第４の面４６ｂは、半透過部４３の第２の面４５ｂと対向して配置され、第３の面４６ａと８５°（θ３＝８５°）の角度をなす。したがって、第４の面４６ｂは、コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０と６５°（θ４＝６５°）の角度をなす。Ｖ字状の溝４６ｃのピッチＳ２は２００μｍとする（図４）。なお、本実施の形態においては、θｈｒとθａｒとは等しいが（θｈｒ＝θａｒ）、θｈｒとθａｒとは異なってもよい。

半透過ミラー４１は、例えば、射出成形によって一つの面にＶ字状の溝４５ｃを有するアクリル板を形成し、Ｖ字状の溝４５ｃを構成する第１の面４５ａに誘電体多層膜を蒸着することによって作製される。本実施の形態の第１の面４５ａにおける透過光と反射光の光量比は、透過光：反射光＝１：９とする。なお、アクリル板のＶ字状の溝４５ｃを有する面全体に誘電体多層膜を蒸着しても構わない（Ｖ字状の溝４５ｃを構成する第１の面４５ａ、第２の面４５ｂに誘電体多層膜を蒸着しても構わない）。
全反射ミラー４２は、例えば、射出成形により一つの面にＶ字状の溝４６ｃを有するアクリル板を形成し、Ｖ字状の溝４６ｃを構成する第３の面４６ａにアルミニウムを蒸着することによって作製される。全反射ミラー４２においても、アクリル板のＶ字状の溝４６ｃを有する面全体にアルミニウムを蒸着しても構わない（Ｖ字状の溝４６ｃを構成する第３の面４６ａ、第４の面４６ｂにアルミニウムを蒸着しても構わない）。

図６を参照して、導光手段４０の作用について説明する。
本実施の形態では、コリメートレンズ３０から出射した表示光Ｌは、最初に半透過ミラー４１の半透過部４３に入射する。半透過部４３の第１の面４５ａは、コリメートレンズ３０レンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に対して傾斜して配置される。また、半透過部４３の第１の面４５ａと反射部４４の第３の面４６ａは、対向して配置される。したがって、導光手段４０に最初に入射した表示光Ｌの一部は、半透過部４３の第１の面４５ａと反射部４４の第３の面４６ａとの間で反射を繰り返しつつ導光手段４０内を導光する。
また、導光手段４０に最初に入射した表示光Ｌの一部は、半透過部４３の第１の面４５ａを透過する（半透過ミラー４１を透過する）。本実施の形態では、半透過部４３の第１の面４５ａにおける透過光と反射光の光量比は１：９である。したがって、表示光Ｌが最初に半透過部４３に入射した場合、導光手段４０からの最初の出射光（半透過ミラー４１からの最初の透過光）は、光量が最初に導光手段４０に入射した表示光Ｌの１／１０の光となる（以下、表示光Ｌ１）。表示光Ｌ１は、表示光Ｌと比較して光量が異なるだけであるので、表示光Ｌ１は、表示光Ｌと同様に、表示画像Ｍ（以下、表示画像Ｍ１）を表す（ただし、本実施の形態では、表示デバイス１０と導光手段４０との間に折り返しミラー２０が設けられているので、表示画像Ｍ１は、表示画像Ｍの左右が反転した画像となる）。

一方、最初に導光手段４０に入射した表示光Ｌは、半透過部４３の第１の面４５ａ、反射部４４の第３の面４６ａの順に反射され導光手段４０内を導光し、最初に入射した半透過部４３の第１の面４５ａとは異なる半透過部４３の第１の面４５ａに入射する（２回目）。表示光Ｌが２回目に半透過部４３の第１の面４５ａに入射した場合、最初に入射した場合と同様に、導光手段４０から、表示画像Ｍ（以下、表示画像Ｍ２）を表す表示光Ｌ２が出射する。

表示光Ｌは半透過部４３の第１の面４５ａと反射部４４の第３の面４６ａとの間で反射を繰り返しつつ導光手段４０内を導光するので、表示光Ｌが半透過部４３にｎ回入射した場合、表示画像Ｍ１〜Ｍｎを表す表示光Ｌ１〜Ｌｎが導光手段４０から出射される。すなわち、導光手段４０からは、Ｘ軸方向（観察者の眼１の左右方向）に沿って、ｎ個の表示画像Ｍ（表示画像Ｍ１〜Ｍｎ）を表す表示光Ｌ（表示光Ｌ１〜Ｌｎ）が出射することとなる。

以上のように、導光手段４０に入射した表示光Ｌが導光手段４０において出射、反射を繰り返すことによって、導光手段４０から表示画像Ｍを表す表示光Ｌが観察者の左右方向の広い範囲に出射される。導光手段４０から出射した表示光Ｌは、後述のように、フロントガラス２０１に反射され、観察者はフロントガラス２０１に投影された虚像Ｖを視認する。したがって、観察者（例えば、車両２００の運転者）は、左右方向の広い範囲で、虚像Ｖを視認できる。すなわち、観察者は、左右方向の広い範囲で、表示画像Ｍが遠方にあるように認識できる。

（出射反射手段）
出射反射手段５０は、例えば、アルミニウムを蒸着した反射ミラーである。出射反射手段５０は、半透過ミラー４１を透過した表示光Ｌの光路上に配置される。出射反射手段５０は、出射部１０１を通して、半透過ミラー４１を透過した表示光Ｌを、フロントガラス２０１へ反射する。

出射反射手段５０が反射した表示光Ｌは、フロントガラス２０１に入射する。フロントガラス２０１は入射した表示光Ｌを反射する。フロントガラス２０１に反射された表示光Ｌは観察者の眼１に達する。表示光Ｌが観察者の眼１に達するので、観察者は、フロントガラス２０１に反射された表示光Ｌが表す表示画像Ｍの虚像（フロントガラス２０１に投影された虚像）Ｖを視認できる。観察者は、フロントガラス２０１を通して、表示画像Ｍが遠方にあるように認識する。

出射反射手段５０はＸ軸を回転軸とする回転部５１を備える。回転部５１をステッピングモーター５２（図示せず）で回転させることによって、フロントガラス２０１における虚像ＶのＹ軸方向（図１）の投影位置を調整することができる。

（制御部）
図７は制御部６０の構成を示す。制御部６０は、光源１１、液晶表示パネル１３、ステッピングモーター５２等を制御する。例えば、制御部６０は液晶表示パネル１３に映像信号を送信することにより、液晶表示パネル１３を制御する。制御部６０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）６１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）６２、汎用メモリ６３、ビデオメモリ６４、外部インターフェース６５等から構成される。外部インターフェース６５は、光源１１、液晶表示パネル１３、ステッピングモーター５２、車両２００に関する情報等を送受信するためのＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）バス６７と接続される。また、外部インターフェース６５は、光源１１の明るさや出射反射手段５０の角度を調整するためのキー入力を受け付ける入力手段６６と接続される。

以上のように、本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ装置１００によれば、観察者は、左右方向の広い範囲で、表示画像Ｍが遠方にあるように認識できる。本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ装置１００においては、導光手段４０（半透過ミラー４１、全反射ミラー４２）がコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に対して垂直に配置されるので、ヘッドアップディスプレイ装置１００を容易に小型化できる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について、図８、９を参照して説明する。本実施の形態においては、導光手段４０の半透過ミラー４１の構成が実施の形態１と異なる。導光手段４０の半透過ミラー４１以外の構成は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態において、導光手段４０の半透過ミラー４１は、実施の形態１と同様に半透過部４３を備える。また、導光手段４０の半透過ミラー４１は、半透過部４３を有する面に対向する面（表示光Ｌが出射する面）に、第５の面４７ａと第６の面４７ｂとから構成されるＶ字状の溝４７ｃを有する。さらに、第５の面４７ａは、半透過部４３におけるＶ字状の溝４５ｃの第１の面４５ａに平行に配置される。

本実施の形態において、半透過ミラー４１の半透過部４３は、実施の形態１と同様のＶ字状の溝４５ｃ（θｈｒ＝３０°、θ１＝７０°、θ２＝８０°、Ｓ１＝２００μｍ）を有する（図９）。半透過部４３を有する面に対向する面に配置される第５の面４７ａは、第１の面４５ａと平行であるので、第５の面４７ａはコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０と３０°（θｔ＝３０°）の角度をなす。第５の面４７ａとＶ字状の溝４７ｃを構成する第６の面４７ｂは、第５の面４７ａと７０°（θ５＝７０°）の角度をなすものとする。したがって、第６の面４７ｂは、コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０と８０°（θ６＝８０°）の角度をなす。また、Ｖ字状の溝４７ｃのピッチＳ３は２００μｍとする（図９）。

半透過ミラー４１は、実施の形態１と同様に、Ｖ字状の溝４５ｃとＶ字状の溝４７ｃを有するアクリル板を射出成形によって作製し、作製されたアクリル板の第１の面４５ａに誘電体多層膜を蒸着することによって作製される。Ｖ字状の溝４５ｃを構成する第１の面４５ａ、第２の面４５ｂに誘電体多層膜を蒸着してもよい。

半透過ミラー４１を透過する表示光Ｌは、半透過ミラー４１に入射する場合に、空気と半透過ミラー４１（例えば、第１の面４５ａ）との界面で屈折する。また、半透過ミラー４１を透過する表示光Ｌは、半透過ミラー４１から出射する場合に、半透過ミラー４１（例えば、第５の面４７ａ）と空気との界面で屈折する。表示光Ｌは半透過ミラー４１において屈折するので、半透過ミラー４１における屈折率の波長依存性によって、半透過ミラー４１を透過した表示光Ｌが表す表示画像Ｍに色ずれが生じる場合がある。本実施の形態では、半透過ミラー４１の表示光Ｌが出射する面に配置された第５の面４７ａが表示光Ｌの一部を透過する第１の面４５ａと平行であるので、半透過ミラー４１に最初に入射する表示光Ｌの光軸Ｑと半透過ミラー４１から出射する表示光Ｌの光軸は平行となり、表示光Ｌの屈折によって生じる表示画像Ｍにおける色ずれを抑制することができる。また、本実施の形態においても、実施の形態１に記載の効果と同様の効果を奏する。なお、本実施の形態では、第２の面４５ｂと第６の面４７ｂとが平行に配置されるが、第２の面４５ｂと第６の面４７ｂは平行でなくともよい。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について、図１０〜図１４を参照にして説明する。本実施の形態においては、導光手段４０が実施の形態１と異なる。導光手段４０以外の構成は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態において、導光手段４０は導光板７０から構成される。導光板７０は、実施の形態１と同様の半透過部７１を対向する一方の面に備える。また、導光板７０は実施の形態１と同様の反射部７２と、表示光Ｌが入射する表示光入射部７３とを対向する他方の面に備える。導光板７０の半透過部７１と反射部７２は平行に配置される（図１０）。

図１１に示すように、導光板７０の反射部７２はコリメートレンズ３０の側に配置され、表示光入射部７３はコリメートレンズ３０の側のコリメートレンズ３０から出射した表示光Ｌの光路上に配置される。また、導光板７０の半透過部７１は、出射反射手段５０の側に配置される。さらに、導光板７０の半透過部７１と反射部７２は、コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に対して垂直に配置される。すなわち、導光板７０はコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に対して垂直に配置される。

導光板７０の半透過部７１は、第１の面７４ａと第２の面７４ｂとから構成されるＶ字状の溝７４ｃを有する。導光板７０の反射部７２は第１の面７４ａに対向する第３の面７５ａと第２の面７４ｂに対向する第４の面７５ｂとから構成されるＶ字状の溝７５ｃを有する。さらに、半透過部７１におけるＶ字状の溝７４ｃを構成する第１の面７４ａは、表示光Ｌの一部を反射し一部を透過する。反射部７２におけるＶ字状の溝７５ｃを構成する第３の面７５ａは、表示光Ｌを第１の面７４ａへ反射する。

図１２は、半透過部７１のＶ字状の溝７４ｃと反射部７２のＶ字状の溝７５ｃの構成を示す。本実施の形態において、半透過部７１のＶ字状の溝７４ｃを構成する第１の面７４ａは、コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０と３０°（θｈｒ＝３０°）の角度をなす。また、第１の面７４ａと半透過部７１のＶ字状の溝７４ｃを構成する第２の面７４ｂは、第１の面７４ａと７０°（θ１＝７０°）の角度をなす。したがって、第２の面７４ｂは、コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０と８０°（θ２＝８０°）の角度をなす。また、Ｖ字状の溝７４ｃのピッチＳ４は２００μｍとする（図１０）。

反射部７２のＶ字状の溝７５ｃを構成する第３の面７５ａは、半透過部７１のＶ字状の溝７４ｃを構成する第１の面７４ａと対向して配置される。また、第３の面７５ａは、コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０と３０°（θａｒ＝３０°）の角度をなす。第３の面７５ａと反射部７２のＶ字状の溝７５ｃを構成する第４の面７５ｂは、半透過部７１の第２の平面７４ｂと対向して配置され、第３の面７５ａと８５°（θ３＝８５°）の角度をなす。したがって、第４の面７５ｂは、コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０と６５°（θ４＝６５°）の角度をなす。Ｖ字状の溝７５ｃのピッチＳ５は２００μｍとする（図１０）。

導光板７０の作製においては、例えば、射出成形によって対向する一方の面にＶ字状の溝７４ｃ、対向する他方の面の一部にＶ字状の溝７５ｃを有するアクリル板を形成する。そして、Ｖ字状の溝７４ｃを構成する第１の面７４ａに誘電体多層膜を、Ｖ字状の溝７５ｃを構成する第３の面７５ａにアルミニウムを蒸着することによって、導光板７０を作製することができる。なお、第２の面７４ｂにも誘電体多層膜を、第４の面７５ｂにもアルミニウムを蒸着してもよい。

導光板７０の表示光入射部７３は、コリメートレンズ３０の側のコリメートレンズ３０から出射した表示光Ｌの光路上に配置されるので、コリメートレンズ３０から出射した表示光Ｌは、表示光入射部７３を透過し、導光板７０内に入射する。そして、コリメートレンズ３０から出射した表示光Ｌは、最初に導光板７０の半透過部７１に入射する。導光板７０内に入射した表示光Ｌは、実施の形態１における導光手段４０と同様に、導光板７０内で導光しつつ導光板７０から出射する（図１３）。
本実施の形態における導光板７０の半透過部７１と反射部７２は、上述のように、実施の形態１と同様の構成を有するので、本実施の形態における導光板７０は実施の形態１における導光手段４０と同様の効果を奏する（図１３）。また、本実施の形態では、導光板７０のみで導光手段４０を構成するので、ヘッドアップディスプレイ装置１１０の部品点数を削減できる。

本実施の形態においては、第１の面７４ａに垂直な面８１とコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）とのなす角θ７（θ７＝θｈｒ）は、導光板の臨界角φより小さいことが好ましい（θ７＜φ）。すなわち、アクリル板等で構成される導光板７０の屈折率ｎ１（アクリル板の場合、ｎ１は約１．５）は、周囲の屈折率ｎ２（空気の場合、ｎ２は約１．０）より大きいので、θ７≧φの場合には、第１の面７４ａを透過する表示光Ｌを得ることができない（図１４）。したがって、θ７＜φであることが好ましい。

（第１の面とコリメートレンズのレンズ光軸に垂直な面との角度）
図１５を参照して、第１の面４５ａ、７４ａとコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０との角度θｈｒについて、実施の形態１における第１の面４５ａを例に説明する。
表示光Ｌが導光手段４０に最初に入射する場合における表示光Ｌが、導光手段４０へ入射する領域の幅（入射幅）をＷ、コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）と平行な方向におけるＶ字状の溝４５ｃとＶ字状の溝４６ｃとの距離をｄとする。この場合、第１の面４５ａ（７４ａ）とコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０とのなす角θｈｒは、２×θｈｒ≧ｔａｎ^−１（Ｗ／ｄ）を満たすことが好ましい。

第１の面４５ａ（７４ａ）とコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０との角度がθｈｒであるので、第１の面４５ａに反射された表示光Ｌとコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）とのなす角は２×θｈｒである。この場合、第１の面４５ａに反射された表示光Ｌは、導光手段４０内でＸ軸方向に距離Ｕ（Ｕ＝ｄ×ｔａｎ（２×θｈｒ））を導光する。距離Ｕが入射幅Ｗより小さい場合（Ｗ＜Ｕ＝ｄ×ｔａｎ（２×θｈｒ））、導光手段４０から出射される表示光Ｌの一部が重なるので、虚像Ｖにおける輝度の均斉度が低下する。したがって、Ｗ＞ｄ×ｔａｎ（２×θｈｒ）、すなわち、２×θｈｒ≧ｔａｎ^−１（Ｗ／ｄ）を満たすことが好ましい。

一方、距離Ｕが入射幅Ｗより非常に大きい場合（Ｕ＞＞Ｗ）、導光手段４０から出射される表示光Ｌ１〜Ｌｎが表す表示画像Ｍ１〜Ｍｎ（図６を参照）の間隔が拡がるので、観察者が虚像Ｖを視認できない位置が拡がる。したがって、距離Ｕと入射幅Ｗとの差は、観察者の瞳の大きさ（一般に５ｍｍ）以下であることが好ましい。

（第２の面とコリメートレンズのレンズ光軸に垂直な面との角度）
表示光の一部を反射し一部を透過する第１の面４５ａ、７４ａの大きさを最も大きくすることによって、表示光Ｌの利用効率を高めることができるので、第２の面４５ｂ、７４ｂとコリメートレンズ光軸Ｐに垂直な面８０との角度θ２は９０°であることが好ましい（図１６）。

（第４の面とコリメートレンズのレンズ光軸に垂直な面との角度）
図１７を参照して、第４の面４６ｂ、７５ｂとコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０とのなす角θ４について、実施の形態１における第４の面４６ｂを例に説明する。
第１の面４５ａ（７４ａ）とコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０との角度がθｈｒであるので、第１の面４５ａに反射された表示光Ｌとコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）とのなす角は２×θｈｒである。９０−θ４＜２×θｈｒの場合、第１の面４５ａ（７４ａ）に反射された表示光Ｌは、第４の面４６ｂ（７５ｂ）に入射せずに第３の面４６ａ（７５ａ）に入射するので、表示光Ｌの利用効率を高めることができる。したがって、第４の面４６ｂ（７５ｂ）とコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）に垂直な面８０とのなす角θ４は、θ４＞９０−２×θｈｒであることが好ましい。さらに、表示手段５の画角ηを考慮すると、第４の面４６ｂ（７５ｂ）に反射された表示光Ｌとコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐ（表示光Ｌの光軸Ｑ）とのなす角は２×θｈｒ±η／２であるので、θ４＞９０−２×θｈｒ＋η／２であることが好ましい。

（Ｖ字状の溝のピッチＳ）
Ｖ字状の溝４５ｃ、４６ｃ、４７ｃ、７４ｃ、７５ｃそれぞれのピッチＳ１〜Ｓ５は、観察者が虚像Ｖを視認した場合に、観察者に認識されないことが好ましい。一般に、観察者が対象物における距離Ｓ０の２点を識別できる最小見込み角（最小角度分解能）をθｅラジアンとすると、観察者と対象物との距離Ｈ０が十分大きく、θｅ＞Ｓ０／Ｈ０であれば、観察者は対象物の２点を識別できない。また、一般に理想的とされる観察者の視力は１．０（最小角度分解能が１分＝π／１０８００ラジアン）である。したがって、導光手段４０から観察者の視点までの表示光Ｌの光路長をＨ、導光手段４０の出射反射手段５０に最も近いＶ字状の溝（４５ｃ、４７ｃ、７４ｃのいずれか）のピッチをＳとした場合、Ｓ／Ｈ＜π／１０８００ラジアンを満たすことが好ましい。

上記実施の形態で説明したヘッドアップディスプレイ装置１００、１１０によれば、ヘッドアップディスプレイ装置１００、１１０を容易に小型化できる。これは、以下の構成によって実現される。

投影面へ表示光Ｌを出射し、表示光Ｌが投影面で反射することによって、表示光Ｌが表す像Ｍを虚像Ｖとして投影面に投影するヘッドアップディスプレイ装置１００、１１０であって、
像Ｍを表す表示光Ｌを出射する表示手段５と、
表示手段５から出射した表示光Ｌが入射する導光手段４０であって、半透過部４３、７１と半透過部４３、７１に対向して配置される反射部４４、７２とを備え、半透過部４３、７１は表示光Ｌの一部を反射し一部を透過する第１の面４５ａ、７４ａと第２の面４５ｂ、７４ｂとから構成されるＶ字状の溝４５ｃ、７４ｃを有し、反射部４４、７２は第１の面４５ａ、７４ａに対向し表示光Ｌを第１の面４５ａ、７４ａへ反射する第３の面４６ａ、７５ａと第２の面４５ｂ、７４ｂに対向する第４の面４６ｂ、７５ｂとから構成されるＶ字状の溝４６ｃ、７５ｃを有する、導光手段４０と、
半透過部４３、７１を透過した表示光Ｌを投影面へ反射することによって、表示光Ｌが表す像Ｍを虚像Ｖとして投影面に投影する出射反射手段５０とを備える。

導光手段４０は１つの面に半透過部４３を備える半透過ミラー４１と、１つの面に反射部４４を備える全反射ミラー４２とから構成され、半透過ミラー４１の半透過部４３と全反射ミラー４２の反射部４４とが対向して配置されてもよい。

半透過ミラー４１は、半透過部４３を有する面に対向する面に、第１の面４５ａと平行な第５の面４７ａと第６の面４７ｂとから構成されるＶ字状の溝４７ｃを有してもよい。

導光手段４０は導光板７０から構成され、導光板７０は対向する一方の面に半透過部７１を備え、対向する他方の面に反射部７２と表示光Ｌが入射する表示光入射部７３とを備えてもよい。

第１の面７４ａと第２の面７４ｂとから構成されるＶ字状の溝７４ｃを断面視した場合、導光手段４０へ入射する表示光Ｌの光軸Ｑと第１の面７４ａに垂直な面８１とのなす角θ７が、導光板の臨界角φよりも小さくてもよい。

半透過部４３、７１と反射部４４、７２とが平行に配置されてもよい。

第１の面４５ａ、７４ａと第３の面４６ａ、７５ａとが平行であってもよい。

表示手段５から出射した表示光Ｌは半透過部４３、７１に入射し、半透過部４３、７１に入射した表示光Ｌの一部は第１の面４５ａ、７４ａを透過し、半透過部４３、７１に入射した表示光Ｌの他の一部は第１の面４５ａ、７４ａによって第３の面４６ａ、７５ａへ反射され、第１の面４５ａ、７４ａによって反射された表示光Ｌは第３の面４６ａ、７５ａによって表示光Ｌの一部を透過した第１の面４５ａ、７４ａと半透過部４３、７１における位置が異なる第１の面４５ａ、７４ａへ反射されてもよい。

導光手段４０の出射反射手段５０に最も近いＶ字状の溝（４５ｃ、４７ｃ、７４ｃのいずれか）のピッチをＳ、導光手段４０と観察者の視点までの表示光Ｌの光路長をＨとした場合、Ｓ／Ｈ＜π／１０８００ラジアンの関係を満たしてもよい。

虚像Ｖが投影される投影面は、車両２００のフロントガラス２０１に限定されない。例えば、虚像Ｖが投影される投影面は、車両２００内に設けられた平面透明板（いわゆるコンバイナ）であってもよい。

出射反射手段５０は曲面形状を有する反射ミラーであってもよい。虚像Ｖが投影される投影面が曲面である場合には、曲面である投影面が反射した表示光Ｌが、平行度の高い表示光Ｌとして観察者の眼１に達するような曲面形状を有する反射ミラーを備えることによって、観察者は容易に虚像Ｖを視認できる。

ヘッドアップディスプレイ装置１００、１１０へ外光が入射することを防止するために、出射部１０１にアクリル透明樹脂板等で構成されたグレアトラップを設けてもよい。

表示手段５は、表示デバイス１０とコリメートレンズ３０とから構成することもできる。さらに、表示手段５は表示デバイス１０から構成されてもよい。

表示デバイス１０としては、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｅｎｃｅ）ディスプレイ、プロジェクション方式のディスプレイ等を用いることができる。また、表示デバイス１０にマイクロレンズアレイ等の集光手段、あるいは表示光Ｌの平行光化手段を設けてもよい。

コリメートレンズ３０は、複数の凸レンズ、凸レンズと凹レンズ等を組み合わせた光学系であってもよい。また、コリメートレンズ３０には、レンチキュラーレンズを使用することもできる。

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。

１ 観察者の眼
５ 表示手段
１０ 表示デバイス（液晶表示デバイス）
１１ 光源
１２ 拡散板
１３ 液晶表示パネル
１４ ヒートシンク
２０ 折り返しミラー
３０ コリメートレンズ
４０ 導光手段
４１ 半透過ミラー
４２ 全反射ミラー
４３、７１ 半透過部
４４、７２ 反射部
４５ａ、７４ａ 第１の面
４５ｂ、７４ｂ 第２の面
４５ｃ、７４ｃ Ｖ字状の溝
４６ａ、７５ａ 第３の面
４６ｂ、７５ｂ 第４の面
４６ｃ、７５ｃ Ｖ字状の溝
４７ａ 第５の面
４７ｂ 第６の面
４７ｃ Ｖ字状の溝
５０ 出射反射手段
５１ 回転部
５２ ステッピングモーター
６０ 制御部
６１ ＣＰＵ
６２ ＲＯＭ
６３ 汎用メモリ
６４ ビデオメモリ
６５ 外部インターフェース
６６ 入力手段
６７ ＣＡＮバス
７０ 導光板
７３ 表示光入射部
８０ コリメートレンズのレンズ光軸に垂直な面
８１ 第１の面に垂直な面
１００、１１０ ヘッドアップディスプレイ装置
１０１ 出射部
１０２ 筐体
２００ 車両
２０１ フロントガラス
ｄ コリメートレンズのレンズ光軸方向における半透過部のＶ字状の溝と反射部のＶ字状の溝との距離
Ｈ 導光手段から観察者の視点までの表示光の光路長
Ｌ 表示光
Ｍ 表示画像（像）
Ｐ コリメートレンズのレンズ光軸
Ｑ 表示光の光軸
Ｖ 虚像
Ｓ Ｖ字状の溝のピッチ
Ｕ 導光手段において表示光が導光する距離
Ｗ 表示光の導光手段への入射幅
θ 面とコリメートレンズのレンズ光軸に垂直な面とのなす角度
φ 導光板の臨界角
η 表示デバイスの画角

Claims (9)

1. 投影面へ表示光を出射し、前記表示光が前記投影面で反射することによって、前記表示光が表す像を虚像として前記投影面に投影するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記像を表す表示光を出射する表示手段と、
   前記表示手段から出射した表示光が入射する導光手段であって、半透過部と前記半透過部に対向して配置される反射部とを備え、前記半透過部は表示光の一部を反射し一部を透過する第１の面と第２の面とから構成されるＶ字状の溝を有し、前記反射部は前記第１の面に対向し表示光を前記第１の面へ反射する第３の面と前記第２の面に対向する第４の面とから構成されるＶ字状の溝を有する、導光手段と、
   前記半透過部を透過した表示光を前記投影面へ反射することによって、前記表示光が表す像を前記虚像として前記投影面に投影する出射反射手段とを備える、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記導光手段は１つの面に前記半透過部を備える半透過ミラーと、１つの面に前記反射部を備える全反射ミラーとから構成され、前記半透過ミラーの前記半透過部と前記全反射ミラーの前記反射部とが対向して配置される、
   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. 前記半透過ミラーは、前記半透過部を有する面に対向する面に、前記第１の面と平行な第５の面と第６の面とから構成されるＶ字状の溝を有する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記導光手段は導光板から構成され、前記導光板は対向する一方の面に前記半透過部を備え、対向する他方の面に前記反射部と前記表示光が入射する表示光入射部とを備える、
   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。
5. 前記第１の面と前記第２の面とから構成される前記Ｖ字状の溝を断面視した場合、前記導光手段へ入射する表示光の光軸と前記第１の面に垂直な面とのなす角が、前記導光板の臨界角よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記半透過部と前記反射部とが平行に配置される、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
7. 前記第１の面と前記第３の面とが平行である、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
8. 前記表示手段から出射した表示光は前記半透過部に入射し、前記半透過部に入射した表示光の一部は前記第１の面を透過し、前記半透過部に入射した表示光の他の一部は前記第１の面によって前記第３の面へ反射され、前記第１の面によって反射された表示光は前記第３の面によって前記表示光の一部を透過した前記第１の面と前記半透過部における位置が異なる第１の面へ反射される、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
9. 前記導光手段の前記出射反射手段に最も近いＶ字状の溝のピッチをＳ、前記導光手段と観察者の視点までの表示光の光路長をＨとした場合、Ｓ／Ｈ＜π／１０８００ラジアンの関係を満たす、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

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