JP2017120388A - 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移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でありながら、大画面の虚像を提示することができるヘッドアップディスプレイを提供する。【解決手段】観察者Ｄの視点領域３００において、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させるヘッドアップディスプレイ１００であって、表示面１１１ａを有し、表示面１１１ａに画像を表示させる表示デバイス１１０と、凹面鏡１２１と、凹面鏡１２１と表示面１１１ａとの間に配置された集光作用を有するレンズ１２３と、を有し、表示面１１１ａから出射した光線を、レンズ１２３と凹面鏡１２１とを介して結像させて、画像を拡大した中間像Ｍを形成する第１の光学系１２０と、を備えたヘッドアップディスプレイ１００。【選択図】図２

Description

本開示は、観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイと、このヘッドアップディスプレイを搭載した移動体に関する。

特許文献１は、立体表示を可能とする表示装置を開示する。この表示装置は、像を形成する像形成部である表示パネルと、像形成部により形成された像を結像させる結像光学系と、結像光学系の入射側に設けられ、結像光学系により結像させた像の位置を変化させる結像位置可変部と、を備える。結像位置可変部は、像形成部及び結像光学系の間に中間像を形成するリレー光学系を備え、リレー光学系により中間像の位置を変化させることで、像形成部によって順次切り替えられる複数の像の位置をそれぞれ変化させる。

特開２００８−１８０７５９号公報

本開示は、小型でありながら、大画面の虚像を提示することができるヘッドアップディスプレイと、このヘッドアップディスプレイを搭載した移動体とを提供する。

本開示のヘッドアップディスプレイは、観察者の視点領域において、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る。ヘッドアップディスプレイは、表示デバイスと、第１の光学系とを備える。表示デバイスは、表示面を有し、表示面に画像を表示させる。第１の光学系は、凹面鏡と、凹面鏡と表示面との間に配置された集光作用を有するレンズとを有する。第１の光学系は、表示面から出射した光線を、レンズと凹面鏡とを介して結像させて、画像を拡大した中間像を形成する。

本開示の移動体は、上記ヘッドアップディスプレイと、ウィンドシールドと、を備える。

本開示におけるヘッドアップディスプレイは、小型でありながら、大画面の虚像を提示することができる。

図１は、本開示のヘッドアップディスプレイを搭載した移動体の断面を示す模式図である。 図２は、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光学断面図である。 図３は、実施の形態１におけるスクリーンと第１の光学系の構成を示す光学断面図である。 図４は、スクリーンの表示面から出射する光線の出射角度と虚像Ｉの関係を示す図である。 図５は、スクリーンの表示面から出射する光線の出射角度と虚像Ｉの関係を示す図である。 図６は、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光学断面図である。 図７は、実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における各面の偏心データを示す図である。 図８は、実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における各面の曲率半径を示す図である。 図９は、実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図である。 図１０は、実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図である。 図１１は、実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図である。 図１２は、実施例２（実施の形態２に対応）の光学系における各面の偏心データを示す図である。 図１３は、実施例２（実施の形態２に対応）の光学系における各面の曲率半径を示す図である。 図１４は、実施例２（実施の形態２に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図である。 図１５は、実施例２（実施の形態２に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図である。 図１６は、実施例２（実施の形態２に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図である。 図１７は、実施の形態１および２のヘッドアップディスプレイのデータを示す図である。

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〜図５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および移動体の全体構成］
図１は、本開示のヘッドアップディスプレイ１００を搭載した移動体としての車両２００の断面を示す模式図である。車両２００は、ダッシュボード２１０と、ウィンドシールド２２０とを備えている。ダッシュボード２１０は、ウィンドシールド２２０の下部に配置されている。車両２００には、観察者Ｄが乗っている。

図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、ダッシュボード２１０の内部に配置される。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス（図２の１１０）が表示する画像からの光線を、ウィンドシールド２２０を介して反射させ、観察者Ｄの視点領域３００に導いて虚像Ｉを提示するものである。つまり観察者Ｄは、ヘッドアップディスプレイ１００がウィンドシールド２２０に投射する画像を、虚像Ｉとして視認する。なお、視点領域３００とは、アイボックスと称される場合もある。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、観察者Ｄの視点の位置する領域である。本開示においては、特に断りがない限り、観察者Ｄの視点は、視点領域３００の中心に位置する。

［１−１−２．ヘッドアップディスプレイの構成］
図２は、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ１００の構成を示す光学断面図である。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、第１の光学系１２０と、第２の光学系１３０とを備える。

表示デバイス１１０は、スクリーン１１１と、駆動部１１２と、走査型レーザ１１３と、制御部と、を備える。

スクリーン１１１は表示面１１１ａを有する。表示面１１１ａには、種々の表示画像情報が表示される。表示画像情報としては、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、現在の車速などが挙げられる。表示面の材料は、拡散特性を有する光学材料である。

走査型レーザ１１３は、表示デバイス１１０の光源である。走査型レーザ１１３は、スクリーン１１１の後方に配置される。走査型レーザ１１３は、スクリーン１１１の表示面１１１ａを走査することで、表示面１１１ａ上に表示画像を形成する。表示デバイス１１０の光源として、走査型レーザ１１３以外にも、スクリーン１１１に画像を投影するプロジェクタを用いてもよい。

駆動部１１２は、スクリーン１１１を駆動させる。ここで、スクリーン１１１から出射する光線の内、視点領域３００の中心に到達する光線を主光線Ｌとする。またスクリーン１１１から出射する光線の内、虚像Ｉの中心部を通り、視点領域３００の中心に到達する光線を基準主光線Ｌｃとする。駆動部１１２は、基準主光線Ｌｃに沿ってスクリーン１１１を移動させる。スクリーン１１１を基準主光線Ｌｃに沿って移動させることで、観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離を調整することができる。例えば、スクリーン１１１を第１の光学系１２０に対して遠ざける方向に移動させることで、虚像Ｉを観察者Ｄに対して遠ざけて提示することができる。

また、駆動部１１２は、走査型レーザ１１３の走査位置に応じてスクリーン１１１を移動させる。これにより、スクリーン１１１の基準主光線Ｌｃの出射角によらず虚像Ｉを任意の平面上に描くことができる。例えば、走査型レーザ１１３の描写周期と、スクリーン１１１の揺動周期を同期させることで、虚像Ｉを観察者Ｄに対して傾いた平面上に描写することができる。これにより、いわゆるＡｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ：ＡＲとよばれる技術を実現できる。すなわち、例えば実際の風景に、風景に合った遠近感のある虚像Iを重畳させて描写できる。また、スクリーン１１１を数十Ｈｚで基準主光線Ｌｃの方向に前後に移動させることにより、虚像Ｉを立体表示させることもできる。

なお、駆動部１１２はスクリーン１１１を光軸方向に移動させるだけでなく、スクリーン１１１を回転させたり傾けたりできる構成としても良い。

第１の光学系１２０は、スクリーン１１１の画像から出射した光線を結像させて、画像を拡大した中間像Ｍを形成する。第１の光学系１２０は、レンズ１２３と、第１ミラー１２１と、第２ミラー１２２と、を備える。スクリーン１１１から中間像Ｍまでの光路上に、レンズ１２３、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２、の順に配置されている。

レンズ１２３は、例えば、両凸レンズや平凸レンズである。その他、レンズ１２３は、正のパワーを有するメニスカス形状を有するレンズであってもよい。レンズ１２３は集光作用を有する形状であればよい。これにより、スクリーン１１１の画像を中間結像させるための集光作用を担うことができるとともに、第１ミラー１２１を小型にすることができる。また、レンズ１２３の形状を、集光作用を有する形状とすることで、第１ミラー１２１のパワーを緩めることができ、モノづくりにおける取付け誤差に対する感度を低減することができる。レンズ１２３は、図３に示すように、スクリーン１１１からの光線が入射する入射面１２３ａと、光線が出射する出射面１２３ｂとを有する。

第１ミラー１２１は凹面鏡である。第１ミラー１２１の反射面の形状は、凹面形状である。第１ミラー１２１の形状を凹面形状とすることで、スクリーン１１１の画像を中間結像させるように集光できる。第１ミラー１２１のパワーは、レンズ１２３のパワーよりも大きい。これにより、レンズ１２３のパワーを抑え、レンズ１２３で発生する色収差を抑制することができる。

また、第２ミラー１２２は凸面鏡である。第２ミラー１２２の反射面の形状は、凸面形状である。第２ミラー１２２の反射面の形状を凸面形状とすることで、第１ミラー１２１で発生する非対称な偏心歪曲を良好に補正することができる。

中間像Ｍは、スクリーン１１１上に表示される画像よりも拡大して形成される。これにより、スクリーン１１１のサイズを小型にしつつ、後述する第２の光学系１３０の第４ミラー１３２の正のパワーを弱くすることができる。その結果、ウィンドシールド２２０に投射される虚像Ｉの歪みを抑制できる。具体的には、以下の条件（１）を満たすように、第１の光学系１２０のパワーを設定することが望ましい。

１．４ ＜ β ＜ ４．０ ・・・（１）
ここで、
β：第１の光学系１２０の横倍率
である。

中間像Ｍは、中間像Ｍが形成される位置に良好な点として結像される必要はなく、球面収差、コマ収差、像面湾曲、非点収差を有していてもよい。

また、第１の光学系１２０の構成要素としては、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２、レンズ１２３の３つの素子に限定されることはなく、第１ミラー１２１とレンズ１２３の２つの素子だけで構成されても良いし、４つ以上の素子で構成されても良い。

第２の光学系１３０は、中間像Ｍをウィンドシールド２２０に投射する。第２の光学系１３０は、第３ミラー１３１と、第４ミラー１３２とを備える。第３ミラー１３１は、凸面鏡である。第３ミラー１３１の反射面の形状は、凸面形状である。また、第４ミラー１３２は、凹面鏡である。第４ミラー１３２の反射面の形状は、凹面形状である。第３ミラー１３１の形状を凸面の形状とすることで、第４ミラー１３２で発生する非対称な偏心歪曲を良好に補正することができる。また、第４ミラー１３２の形状を凹面形状とすることで、中間像Ｍよりも拡大された虚像Ｉを観察者Ｄに視認させることができる。

本実施の形態において、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２、レンズ１２３、第３ミラー１３１、第４ミラー１３２の形状は、いずれも自由曲面形状である。これは反射で生じる虚像のひずみを、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。しかし、たとえば第１ミラー１２１または第２ミラー１２２のどちらか一方が自由曲面ミラーであってもよく、他方が平面ミラーであってもよい。この場合は、集光作用のある自由曲面ミラーを凹面鏡として用いる。また同様に、第３ミラー１３１または第４ミラー１３２のどちらか一方が自由曲面ミラーであってもよく、他方が平面ミラーであってもよい。

［１−１−３．光路］
スクリーン１１１から出射し、観察者Ｄの視点領域３００へ到達する光線の光路について、以下に説明する。

スクリーン１１１に表示された画像から出射した光線は、レンズ１２３を介して第１ミラー１２１に入射し、第１ミラー１２１で反射されて、次に第２ミラー１２２で反射されて、中間像Ｍを形成する。中間像Ｍは、空中に形成される。第１の光学系１２０によって形成された中間像Ｍは、第３ミラー１３１で反射されて、次に第４ミラー１３２で反射されて、ウィンドシールド２２０に投射される。ウィンドシールド２２０に投射された中間像Ｍは、観察者Ｄの視点領域３００に届き、観察者Ｄに、虚像Ｉとして視認される。

ここで、基準主光線Ｌｃは、スクリーン１１１に描画される画像の中心から出射し、レンズ１２３を介して第１ミラー１２１に入射する。そして基準主光線Ｌｃは、第１ミラー１２１で反射され、第２ミラーを介して中間像Ｍの中心に到達する。さらに基準主光線Ｌｃは、第３ミラー１３１で反射され、第４ミラー１３２に入射する。そして基準主光線Ｌｃは、第４ミラー１３２で反射され、ウィンドシールド２２０に投射される。そして基準主光線Ｌｃは、ウィンドシールド２２０に投射された虚像Ｉの中心を通り、観察者Ｄの視点領域３００の中心に到達する。

また主光線Ｌは、スクリーン１１１に描画される画像の任意の点から出射し、レンズ１２３を介して第１ミラー１２１に入射する。そして主光線Ｌは、第１ミラー１２１で反射され、第２ミラーを介して中間像Ｍのスクリーン１１１に描画された画像に対応する点に到達する。さらに主光線Ｌは、第３ミラー１３１で反射され、第４ミラー１３２に入射する。そして主光線Ｌは、第４ミラーで反射され、ウィンドシールド２２０に投射される。そして主光線Ｌは、ウィンドシールド２２０に投射された虚像Ｉの任意の中心を通り、観察者Ｄの視点領域３００の中心に到達する。

［１−１−４．配置構成］
以下、表示デバイス１１０と、第１の光学系１２０と、第２の光学系１３０の主な構成要素の配置構成について説明する。なお、この配置構成を説明する際に、図１〜図３に示すＺ軸の正の方向（矢印方向）を上方向、負の方向を下方向とし、Ｘ軸の正の方向（矢印方向）を左方向、負の方向を右方向として説明する。

（全体の配置構成）
図２に示すように、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００では、表示デバイス１１０の位置を第１の光学系１２０と第２の光学系１３０よりも下方に配置している。

第１ミラー１２１から第２ミラー１２２までの基準主光線Ｌｃの光路長（間隔）は、第３ミラー１３１から第４ミラー１３２までの基準主光線Ｌｃの光路長（間隔）よりも短い。こうすることで、ヘッドアップディスプレイ１００のサイズを小さくすることができる。

また、スクリーン１１１から第１ミラー１２１までの基準主光線Ｌｃの光路長（間隔）は、第１ミラー１２１から中間像Ｍまでの基準主光線Ｌｃの光路長（間隔）よりも短い。こうすることで、第１ミラー１２１の小型化を図ることができ、ヘッドアップディスプレイ１００のサイズも小さくすることができる。

また、第１ミラー１２１の反射面の上端は、第４ミラー１３２の反射面の下端よりも上に位置する。図２の点線Ｈは、第１ミラー１２１の上端の位置を示す。点線Ｈは、第４ミラー１３２の下端よりも上方に位置する。このように第１ミラー１２１と第４ミラー１３２とを配置することで、ヘッドアップディスプレイ１００のサイズの小型化が図れる。

また本実施の形態では、レンズ１２３のパワーを調整し、第１の光学系１２０の射出瞳位置、すなわち第１ミラー１２１の中心部分を、できるだけスクリーン１１１から遠ざけている。これにより、スクリーン１１１の表示画像領域の中心部から周辺部に亘って、スクリーン１１１から出射した直後の主光線Ｌと基準主光線Ｌｃとの出射角の差を小さくできる。すなわちスクリーン１１１出射直後の主光線Ｌと基準主光線Ｌｃとを実質的に平行にできる。この効果については、後述の条件（３）と合わせて説明する。

（スクリーンの配置構成）
図３に示すように、実施の形態１では、表示デバイス１１０のスクリーン１１１の表示面１１１ａをレンズ１２３の方向に向けている。このとき、スクリーン１１１から出射する基準主光線Ｌｃは、スクリーン１１１の表示面１１１ａに対して傾いていることが望ましい。これにより、筐体内に進入した外光がスクリーン１１１に反射した場合に、その反射光が、スクリーン１１１で表示された画像の光線に混入して迷光となるのを抑制できる。

（レンズの配置構成）
レンズ１２３は、表示デバイス１１０よりも第１ミラー１２１側に配置される。表示デバイス１１０のスクリーン１１１から出射した光は、レンズ１２３の入射面１２３ａに入射し、レンズ１２３の出射面１２３ｂから第１ミラー１２１に向けて出射する。

レンズ１２３は、基準主光線Ｌｃに対して傾いていることが望ましい。具体的には、図３に示すように、出射面１２３ｂにおいて基準主光線Ｌｃが通過する点での仮想の接平面を接平面（仮想接平面）ＶＰとする場合に、接平面ＶＰが基準主光線Ｌｃに対して直交しないで交差するように、レンズ１２３が傾いている事が好ましい。さらに具体的には、接平面ＶＰは、基準主光線Ｌｃよりも下方を向くように傾いていることが望ましい。これにより、外光が筺体内に進入して、レンズ１２３の入射面１２３ａ、または出射面１２３ｂに反射した場合であっても、その反射光が第１ミラー１２１に入射するのを抑制できる。すなわち、外光が、スクリーン１１１から出射して中間像Ｍを形成する光線に混入し、迷光となるのを抑制できる。また、接平面ＶＰが第１ミラー１２１の下方に傾くようにレンズ１２３を配置することで、外光がレンズ１２３に入射した場合であっても、第１ミラー以外の反射ミラー、すなわち第２ミラー１２２、第３ミラー１３１、第４ミラー１３２にも入射しにくくなる。したがって、迷光を低減できる。また、レンズ１２３の入射面１２３ａおよび出射面１２３ｂの少なくとも一方の形状は、自由曲面形状である。これにより、スクリーン１１１から出射直後の主光線Ｌと基準主光線Ｌｃとを平行とすることが容易となる。

（第１ミラーの配置構成）
第１ミラー１２１は、表示デバイス１１０よりも上方、且つ観察者Ｄ側に配置されている。すなわち、図２の図面における上下左右方向を用いて説明すれば、第１ミラー１２１は、表示デバイス１１０の斜め右上に配置される。第１ミラー１２１は、表示デバイス１１０で表示される画像がレンズ１２３を介して入射し、かつその画像が第１ミラー１２１を反射して第２ミラー１２２に映るように、その反射面を偏心させて配置されている。

（第２ミラーの配置構成）
第２ミラー１２２は、第１ミラー１２１よりも下方、且つ虚像Ｉ側に配置されている。すなわち図２の上下左右方向を用いて説明すれば、第２ミラー１２２は、第１ミラー１２１の斜め左下に配置される。第２ミラー１２２は、第１ミラー１２１で反射された光線を入射し、かつその光線を反射して第３ミラー１３１に映すように、その反射面を偏心させて配置されている。

ここで、第１の光学系１２０では、以下の条件（２）を満たすよう、スクリーン１１１と第１ミラー１２１とレンズ１２３を配置することが望ましい。

２ ＜ Ａ ／ Ｂ ＜ ２００ ・・・（２）
ここで、
Ａ：出射面１２３ｂから第１ミラー１２１までの基準主光線Ｌｃの光路長
Ｂ：表示面１１１ａからレンズ１２３の入射面１２３ａまでの基準主光線Ｌｃの光路長
である。

条件（２）はスクリーン１１１と第１ミラー１２１とレンズ１２３の位置を規定する条件である。この条件を満足することで、第１の光学系１２０を小型化することが可能となる。条件（２）の上限を上回ると、第１ミラー１２１がスクリーン１１１から離れすぎて第１ミラー１２１が大型化してしまい、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（２）の下限を下回ると、レンズ１２３がスクリーン１１１から離れすぎてレンズ１２３が大型化してしまい、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（２−１）を満足することで、上記の効果をさらに奏功させることができる。

４ ＜ Ａ ／ Ｂ ＜ ７５ ・・・（２−１）
また、さらに条件（２−２）を満足することで、上記の効果をさらに奏功させることができる。

５ ＜ Ａ ／ Ｂ ＜ ５０ ・・・（２−２）
また、スクリーン１１１の表示面１１１ａからレンズ１２３の入射面１２３ａに到達するまでの光路上において、主光線Ｌと基準主光線Ｌｃとが成す角度は、以下の条件（３）を満足することが望ましい。

θｍａｘ ＜ ５ ・・・（３）
ここで、
θｍａｘ：スクリーン１１１の表示面１１１ａから入射面１２３ａに到達するまでの光路上において、主光線Ｌと基準主光線Ｌｃとが成す角度［ｄｅｇ］の最大値
である。

条件（３）は、観察者Ｄが視点領域３００の中心から虚像Ｉを観察する場合のスクリーン１１１から出射される光線を規定する条件である。条件（３）は、主光線Ｌと基準主光線Ｌｃとが、スクリーン１１１の表示面１１１ａから出射した直後に、実質的に平行であることを示す。主光線Ｌと基準主光線Ｌｃとがこの条件（３）を満足することで、スクリーン１１１を基準主光線Ｌｃに沿って移動しても、観察者Ｄが虚像Ｉを視認する視野角は一定となる。したがって、観察者Ｄは形状変動が少ない、良好な虚像Ｉを視認することができる。また、たとえば実際の風景に合わせた遠近感のある虚像Ｉを提示できる。

また、条件（３−１）を満足することで、上記の効果をさらに奏功させることができる。

θｍａｘ ＜ ２ ・・・（３−１）
また、さらに、条件（３−２）を満足することで、上記の効果をさらに奏功させることができる。

θｍａｘ ＜ １ ・・・（３−２）
図４および図５は、スクリーン１１１の表示面１１１ａから出射する光線の出射角度と虚像Ｉの関係を示す図である。図４は、主光線Ｌと、基準主光線Ｌｃとの成す角度の最大値が条件（３）を満たし、主光線Ｌが、基準主光線Ｌｃとほぼ平行となるように、レンズ１２３を構成したときの、スクリーン１１１の位置と虚像Ｉの関係を示す図である。

図４に示すように、スクリーン１１１から出射した直後の主光線Ｌを基準主光線Ｌｃと平行にすることで、駆動部１１２でスクリーン１１１の位置を基準主光線Ｌｃに平行に移動させたとき、観察者Ｄが虚像Ｉを視認する視野角は一定である。したがって、観察者Ｄが視認する虚像Ｉの形状変動を抑制できる。また、たとえば実際の風景に合わせた遠近感のある虚像Ｉを提示できる。

他方、図５は、条件（３）を満たさず、主光線Ｌが基準主光線Ｌｃに対して平行でない場合を示す。駆動部１１２でスクリーン１１１の位置を基準主光線Ｌｃに沿って移動したとき、観察者Ｄが虚像Ｉを視認する時の視野角が変化する。したがって、観察者Ｄで視認される虚像Ｉの形状が変動してしまう。その結果、良好な虚像Ｉを視認することが困難となる。また、実際の風景に合わせた遠近感のある虚像Ｉを提示することは困難である。

以上のように、視点領域３００の中心に到達する光線のうち、スクリーン１１１から出射される主光線Ｌは、基準主光線Ｌｃに対して平行であることが望ましい。

（第３ミラーの構成）
第３ミラー１３１は、第１ミラー１２１よりも上方に配置されている。第３ミラー１３１は、第２ミラー１２２で反射された光線を第４ミラー１３２に映すように、その反射面を偏心させて配置されている。

（第４ミラーの配置構成）
第４ミラー１３２は、第３ミラー１３１よりも虚像Ｉ側に配置されている。すなわち図２の上下左右方向では、第４ミラー１３２は、第３ミラーの斜め左上に配置されている。第４ミラー１３２は、第３ミラー１３１からの反射光をウィンドシールド２２０に映すように、その反射面を偏心させて配置されている。

［１−２．効果等］
以上のように、本実施の形態において、ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０と、第１の光学系１２０と、第２の光学系１３０と、を備える。第１の光学系１２０によって結像する中間像Ｍは、表示デバイス１１０がスクリーン１１１上で表示する表示画像よりも大きい。これにより、第１の光学系１２０および第２の光学系１３０を小型化でき、表示デバイス１１０全体の小型化を実現することができる。また、第１の光学系１２０は、レンズ１２３と第１ミラー１２１と第２ミラー１２２とを有するため、画面歪みを良好に補正しながら、スクリーン１１１を小型化できる。また、第１の光学系１２０は、レンズ１２３を有するため、第１ミラー１２１を小型化できる。そして第１の光学系１２０を備えることで、第２の光学系１３０の正のパワーを抑えることができる。

また、スクリーン１１１を虚像Ｉに対して小型にできるため、虚像Ｉと観察者Ｄの距離を調整するにあたって、スクリーン１１１の移動量を減らすことができ、駆動部１１２を小型に構成できる。

なお、本実施の形態では、スクリーン１１１の移動量に対して、中間像Ｍの移動量の方が大きい。これは、第１の光学系１２０の横倍率βが１よりも大きいからである。このとき、スクリーン１１１の移動量に対して、中間像Ｍの移動量は、β^２倍となる。実施の形態１では、中間像Ｍではなく、スクリーン１１１を移動させるため、移動量を少なくでき、駆動部１１２を小型化できる。

さらに本実施の形態では、表示面１１１ａから出射した直後の主光線Ｌと基準主光線Ｌｃとを平行にできるように、レンズ１２３のパワーを設計している。これにより表示面１１１ａを基準主光線Ｌｃに沿って移動させたとき、虚像Ｉを視認する観察者Ｄの視野角を一定にできる。したがって、形状変動の少ない虚像Ｉを提示できる。また実際の風景と合わせた遠近感のある虚像Ｉを提できる。

（実施の形態２）
以下、図６を用いて、実施の形態２を説明する。なお、本実施の形態においては、第１の光学系１２０の配置位置が実施の形態１と異なり、その他の構成は実施の形態１と同様である。そのため、以下、異なる点を中心に説明をし、同様の構成については説明を省略する。

実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイ１００の第１ミラー１２１は、実施の形態１と異なる場所に配置されている。実施の形態２の第１ミラー１２１は、表示デバイス１１０よりも図６の鉛直方向において上方（Ｚ軸の正の方向）、かつ、虚像Ｉ側（Ｘ軸の正の方向）に配置されている。

実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００において、スクリーン１１１の表示面１１１ａは車両の進行方向を向いている。こうすることで、走査型レーザ１１３を観察者Ｄ側に配置することができ、車両前方の構造物との干渉を避けることができる。

（数値実施例）
以下、図７から図１７を用いて、実施の形態１および実施の形態２に対応する数値実施例を示す。

以下、本技術による表示デバイスについて、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１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、ｒは面を定義する軸の原点における曲率半径、ｃは面を定義する軸の原点における曲率、ｋはコーニック定数、Ｃｊは単項式ｘ^ｍｙ^ｎの係数である。

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１１１ａ）の中心であり、図７、図１２の表中では、表示面１１１ａの横方向をＸ軸、縦方向をＹ軸、表示面１１１ａに対して垂直方向をＺ軸として示している。

また、トロイダル面は、以下の数式２で定義されるｘｚ平面での輪郭を、原点から曲率半径ｒｙ分だけ離れた位置までｘ軸に平行移動した軸で回転させたときの軌跡で形成される。

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。

［実施例１］
図７〜図１１は、実施例１（実施の形態１）のヘッドアップディスプレイ１００の光学系のデータである。実施例１は、実施の形態１の構成を採る場合の例である。具体的な光学系のデータを図７〜図１１に示す。図７は、ヘッドアップディスプレイ１００の各光学要素における各面の偏心データを示す。面番号１は、スクリーン１１１の表示面の番号である。面番号２は、レンズ１２３の入射面１２３ａの番号であり、面番号３は、レンズ１２３の出射面１２３ｂの番号である。面番号４は、第１ミラー１２１の反射面の番号である。面番号５は、第２ミラー１２２の反射面の番号である。面番号６は、第３ミラー１３１の反射面の番号である。面番号７は、第４ミラー１３２の反射面の番号である。面番号８は、ウィンドシールド２２０の投射面の番号である。面番号９は、観察者Ｄの視点領域３００の中心の番号である。図８は、各面の曲率半径を示す。図９〜図１１は、各面の自由曲面の形状を表す多項式係数である。

［実施例２］
図１２〜図１６は、実施例２（実施の形態２）のヘッドアップディスプレイ１００の光学系のデータである。数値実施例２は、実施の形態２の構成を採る場合の例である。具体的な光学系のデータを図１２〜図１６に示す。図１２は、ヘッドアップディスプレイ１００の各光学要素における各面の偏心データを示す。各面番号の付け方は、数値実施例１と同様である。図１３は、各面の曲率半径を示す。図１４〜１６は、各面の自由曲面の形状を表す多項式係数である。

図１７は、実施例１および実施例２の虚像Ｉの大きさと、観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離を示すデータである。図１７に示すＸおよびＹは、ウィンドシールド２２０の面を規定する方向である。Ｘ方向を横（水平）方向とし、Ｙ方向を縦方向とする。

以下の表１に、実施の形態１から実施の形態２までの条件式（１）〜（３）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１〜２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１〜２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および実施の形態２において、表示デバイス１１０には、スクリーン１１１に画像を投影するプロジェクタや走査型レーザを用いて説明した。しかしながら、プロジェクタや走査型レーザを用いず、スクリーン１１１として、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。

実施の形態１および実施の形態２において、第２の光学系１３０は第３ミラー１３１、第４ミラー１３２のミラー２枚で構成される他に、同様の作用を持ったレンズ素子などの屈折光学素子で構成されても良いし、第４ミラー１３２だけで構成されても良い。

実施の形態１および実施の形態２において、第３ミラー１３１として、回転非対称な形状を有するミラーを用いたが、Ｘ方向とＹ方向とで曲率の符号が異なる、いわゆる鞍型の面形状を有するミラーを用いても良い。

実施の形態１および実施の形態２において、第２ミラー１２２として、回転非対称な形状を有するミラーを用いたが、Ｘ方向とＹ方向とで曲率の符号が異なる、いわゆる鞍型の面形状を有するｎミラーを用いても良い。

実施の形態１および実施の形態２において、レンズ１２３として回転非対称な自由曲面形状を有するレンズを用いたが、これに限定されるものではなく、球面形状、非球面形状、シリンドリカル形状、トロイダル面形状、アナモルフィック面形状、フレネル形状を有するレンズを用いても良い。要は、スクリーン１１１出射直後の主光線Ｌと基準主光線Ｌｃとを平行にできるようなレンズ１２３であればよい。

実施の形態１および実施の形態２において、レンズ１２３は屈折作用を用いて説明したが、回折作用を用いても良い。

実施の形態１および実施の形態２において、レンズ１２３は集光作用を有する形状を用いて説明したが、レンズ面全体において集光作用を有する必要はなく、一部分において発散作用を有する面形状でも良い。

実施の形態１および実施の形態２において、スクリーン１１１を基準主光線Ｌｃの方向に前後に移動させて説明したが、必ずしも基準主光線Ｌｃの方向と一致させる必要はなく、基準主光線Ｌｃの方向ベクトルを含めば良い。

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、反射型透過部材に投映するヘッドアップディスプレイに適用可能である。具体的には、ウィンドシールドを有する移動体に搭載される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 スクリーン
１１１ａ 表示面
１１２ 駆動部
１１３ 走査型レーザ
１２０ 第１の光学系
１２１ 第１ミラー
１２２ 第２ミラー
１２３ レンズ
１２３ａ 入射面
１２３ｂ 出射面
１３０ 第２の光学系
１３１ 第３ミラー
１３２ 第４ミラー
２００ 車両
２１０ ダッシュボード
２２０ ウィンドシールド
３００ 視点領域
Ｄ 観察者
Ｌ 主光線
Ｌｃ 基準主光線
Ｍ 中間像
ＶＰ 接平面

Claims (12)

1. 観察者の視点領域において、前記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、
   表示面を有し、前記表示面に画像を表示させる表示デバイスと、
   凹面鏡と、前記凹面鏡と前記表示面との間に配置された集光作用を有するレンズと、を有し、前記表示面から出射した光線を、前記レンズおよび前記凹面鏡を介して前記画像を拡大した中間像として結像させる第１の光学系と、
   を備えたヘッドアップディスプレイ。
2. 前記レンズは、前記光線が入射する入射面と、前記光線が出射する出射面と、を有し、
   前記レンズと前記凹面鏡とは、前記光線の光路上で隣接し、前記表示面から前記入射面までの距離は、前記出射面から前記凹面鏡までの距離よりも小さい、
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
3. 前記レンズは、前記光線が入射する入射面と、前記光線が出射する出射面とを有し、
   前記レンズと前記凹面鏡とは、前記光線の光路上で隣接し、
   前記光線の内、前記虚像の中心を通り、前記視点領域の中心に到達する光線を基準主光線とする場合に、
   以下の条件（２）を満足する請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ：
   ２ ＜ Ａ／Ｂ ＜ ２００ ・・・（２）
   ここで、
   Ａ：前記出射面から前記凹面鏡までの前記基準主光線の光路長
   Ｂ：前記表示面から前記入射面までの前記基準主光線の光路長
   である。
4. 前記凹面鏡の光学パワーは、前記レンズの光学パワーよりも強い、
   請求項１から３のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 前記レンズは、前記光線が出射する出射面を有し、
   前記光線の内、前記虚像の中心を通り、前記視点領域の中心に到達する光線を基準主光線とし、
   前記出射面における前記基準主光線が通過する点で、前記出射面に接する仮想の面を仮想接平面とする場合に、
   前記仮想接平面は、前記基準主光線に対して傾いている、
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
6. 前記中間像が形成されている位置を、前記レンズの上方とする場合に、
   前記仮想接平面は、前記基準主光線より下方を向いている、
   請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ。
7. 前記レンズは、前記光線が入射する入射面を有し、
   前記光線の内、前記視点領域の中心に到達する光線を主光線とし、
   前記光線の内、前記虚像の中心を通り、前記視点領域の中心に到達する光線を基準主光線とする場合に、
   以下の条件（３）を満足する請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ：
   θｍａｘ ＜ ５ ・・・（３）
   ここで、
   θｍａｘ：前記表示面から出射直後の、前記主光線と前記基準光線とが成す角度［ｄｅｇ］の最大値
   である。
8. 前記レンズは、前記光線が入射する入射面を有し、
   前記光線の内、前記視点領域の中心に到達する光線を主光線とし、
   前記光線の内、前記虚像の中心を通り、前記視点領域の中心に到達する光線を基準主光線とする場合に、
   前記表示面から前記入射面に到達するまでの光路上において、前記主光線と前記基準主光線とが平行となるように、前記レンズは構成される、
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
9. 前記中間像は空中に形成される、請求項１から８に記載のヘッドアップディスプレイ。
10. 前記中間像から前記視点領域に至る前記光線の光路上に配置され、前記中間像を投射する第２の光学系をさらに備え、
    前記第２の光学系に投射された画像は、前記視点領域において、前記観察者に前記虚像として視認される、
    請求項１から９のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
11. 前記表示面は、前記基準主光線に沿って移動する、請求項１から１０のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイと、ウィンドシールドとを備えた移動体。

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