JP2018036463A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッドアップディスプレイ装置において、小型化を達成し、かつ光学的な諸収差を良好に補正して高性能化を実現する。
【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置１０は、画像表示面１７に表示された画像を、観察者Ｐと対向する位置に配置された反射光学面１３に投写し、観察者Ｐに拡大された画像を虚像１６として視認させる投写光学系２０を備える。画像表示面１７の中心から出射し、アイボックス１５の中心１５ａに到達する光路を光軸としたとき、投写光学系２０は、画像表示面１７側から順に、光軸近傍で負のパワーを有する第１ミラー１８と、光軸近傍で正のパワーを有する第２ミラー１９とを備え、条件式（１）（２）を満足するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の移動体用のヘッドアップディスプレイ装置に関し、特に大型車両用のヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。

従来より、自動車等の運転者に対して方向指示や注意喚起、走行速度等の情報を表示する装置として、ヘッドアップディスプレイ装置が知られている。ヘッドアップディスプレイ装置は、表示する画像の虚像をフロントウィンドウやコンバイナ等の反射光学面に映し出して、運転者が視界から目をそらすことなく自動車等の運転に必要な情報を認識することができるようにするためのものである。このようなヘッドアップディスプレイ装置として、特許文献１が提案されている。特許文献１には、乗用車等の車両に搭載された画像形成装置を、運転者の前方に配置することにより、運転者が、第１ミラー、第２ミラー及び反射光学面により、画像表示面に形成された２次元像の拡大された虚像を視認できることが開示されている。

特開２０１３−６１５５４号公報

このようなヘッドアップディスプレイ装置は、安全性や運転者の眼の疲労防止のために、ヘッドアップディスプレイ装置の表示情報を確認する際の運転者の視線の移動を少なくすることが望まれており、運転者の視線の移動を少なくするためには、虚像の焦点位置が運転者からなるべく遠くにあることが好ましく、そのような構成とするためにはヘッドアップディスプレイ装置内の画像表示面から反射光学面までの光路長を長くとる必要がある。

一方、近年では、乗用車のみではなく、バスやトラック、船舶、重機等の大型車両に搭載するためのヘッドアップディスプレイ装置の開発が望まれている。上記大型車両においては、ヘッドアップディスプレイ装置を配置可能な空間が乗用車とは異なり、運転席の後ろ側や天井等にもヘッドアップディスプレイ装置を配置可能であり、このような態様とすることでヘッドアップディスプレイ装置内の画像表示面から、観察者の前方に配置される反射光学面までの光路長を長くとることが可能となり、虚像の焦点位置を運転者から遠くに離すことが容易となる。
しかしながら、上記のようにヘッドアップディスプレイ装置の配置の自由度を高くするためには、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化が必要とされる。
また、ヘッドアップディプレイ装置においては、さらなる高性能化が要求されており、高性能化のために光学的な諸収差を良好に補正することが望まれている。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、小型化を達成し、かつ光学的な諸収差を良好に補正して高性能化を実現できる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ものである。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、
画像表示面に表示された画像を、観察者と対向する位置に配置された反射光学面に投写し、観察者に拡大された画像を虚像として視認させる投写光学系を備えたヘッドアップディスプレイ装置であって、
画像表示面の中心から出射し、アイボックスの中心に到達する光路を光軸としたとき、
投写光学系は、画像表示面側から順に、
光軸近傍で負のパワーを有する第１ミラーと、
光軸近傍で正のパワーを有する第２ミラーとを備え、
下記条件式（１）及び下記条件式（２）を満足するものである。
−５０＜φ_１／｜φ_１２｜＜−６・・・（１）
３．５＜φ_２／｜φ_１２｜＜５０・・・（２）
ただし、
φ_１ ：第１ミラーの光軸近傍におけるパワー
φ_２ ：第２ミラーの光軸近傍におけるパワー
φ_１２：第１ミラーと第２ミラーの合成光学系のパワー
とする。

本発明において「アイボックス」とは、ヘッドアップディスプレイ装置を固定した状態で観察者が適正に虚像を観察できる範囲を意味する。

また、本発明において「画像表示面」とは、画像表示素子そのものの画像表示面のみならず、アイボックスを拡大するために、画像表示素子に表示された画像をディフューザー等の拡散部材に一旦投影するものについて、この拡散部材の画像表示面を上記の「画像表示面」と見做す場合も含む。

ここで、条件式（１）（２）について詳細に説明を行う。本発明において、第１ミラー及び第２ミラーの反射面の形状は、下記式(４)で表す。
ただし、
ｘ，ｙ，ｚ：面頂点を原点とした各座標
Ｃ_{_ｋ}：曲率半径の逆数
Ｄ_{ｉｊ_k}：自由曲面係数
とする。なおｋはミラーの番号を示しており、本発明においてはｋ＝１〜３とする。またｉとｊはそれぞれ正の整数を示しており、本発明においてはｉｊ＝１〜８とする。また式中の＊すなわちアスタリスクは×すなわち掛け算を意味する。

ｘｚ断面内における面形状は、上記式（４）のｙ＝０として、下記式（５）で表される。
上記式（５）のｚをｚ＝ｆ（ｘ）としたとき、
となる。

一方、ｆ（ｘ）をマクローリン級数展開すると、
となるが、光軸近傍ではｘが非常に小さいため、上記式（８）において３次以上の項を無視した近似を行うと、下記式（９）となる。

上記式（９）は、ｘｚ断面内における面形状が、曲率がＣ_{_ｋ}＋２＊Ｄ_{２０_ｋ}の放物面であることを表している。反射光学面のパワーφはφ＝−２＊（曲率）で表されるので、ｘｚ断面内におけるパワーφ_ｘは下記式（１０）で表される。
φ_ｘ＝−２＊（Ｃ_{_ｋ}＋２＊Ｄ_{２０_ｋ}） ・・・（１０）
同様に、ｙｚ断面内におけるパワーφ_ｙは下記式（１１）で表される。
φ_ｙ＝−２＊（Ｃ_{_ｋ}＋２＊Ｄ_{０２_ｋ}） ・・・（１１）
で表される。これらφ_ｘとφ_ｙの平均をとったものを各ミラーのパワーφ_ｋとして下記式（１２）で定義する。
φ_ｋ＝−２＊（Ｃ_{_ｋ}＋Ｄ_{２０_ｋ}＋Ｄ_{０２_ｋ}） ・・・（１２）

上記式（１２）から第１ミラー及び第２ミラーの光軸近傍におけるパワーφ_１，φ_２は下記式（１３）（１４）でそれぞれ表される。
φ_１＝−２＊（Ｃ_{_１}＋Ｄ_{２０_１}＋Ｄ_{０２_１}） ・・・（１３）
φ_２＝−２＊（Ｃ_{_２}＋Ｄ_{２０_２}＋Ｄ_{０２_２}） ・・・（１４）

また第１ミラーと第２ミラーとの光軸上の間隙をＬ_２とすると、第１ミラーと第２ミラーの合成光学系のパワーφ_１２は下記式（１５）で表される。
φ_１２＝φ_１＋φ_２−Ｌ_２＊φ_１＊φ_２ ・・・（１５）

上記により定義されるφ_１，φ_２，φ_１２を使用して上記条件式（１）（２）の値は算出される。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、以下の条件式（１−１）〜（３−１）のいずれかを満足することが好ましい。なお、好ましい態様としては、条件式（１−１）〜（３−１）のいずれか一つを満足するものでもよく、あるいは任意の組合せを満足するものでもよい。
−３５＜φ_１／｜φ_１２｜＜−８・・・（１−１）
４＜φ_２／｜φ_１２｜＜２０・・・（２−１）
０．２＜φ_３／｜φ_１２｜＜５・・・（３）
０．４＜φ_３／｜φ_１２｜＜２・・・（３−１）
ただし、
φ_３ ：反射光学面の光軸近傍におけるパワー
とする。

なお上記式（１２）から反射光学面の光軸近傍におけるパワーφ_３は下記式（１６）で表される。
φ_３＝−２＊（Ｃ_{_３}＋Ｄ_{２０_３}＋Ｄ_{０２_３}） ・・・（１６）

本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、反射光学面が、光軸近傍で正のパワーを有することが好ましい。

また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、第１ミラー及び第２ミラーから選択する少なくとも１枚のミラーを動かすことにより、
投写光学系から反射光学面に向かう光束の角度を可変とすることが好ましい。

また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、第１ミラー及び第２ミラーのうち、アイボックスの中心から最も近い位置に配置されたミラーを動かすことにより、
投写光学系から反射光学面に向かう光束の角度を可変とすることがさらに好ましい。

なお本発明において、「ミラーを動かす」とは、ミラー自体を移動すること、ミラーの傾きを変えること、ミラーを光軸を中心として回転させること等、ミラーに動きの変化があることを意味する。

また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、上記画像は、画像情報に基づいて光学系により中間像として形成した画像であってもよい。

この場合、中間像の形成位置である画像表示面に、ディフューザーを備えることができる。

なお本発明において、「投写光学系」は画像表示面から第２ミラーまでの光学系を意味し、「光学系」は、画像表示面を介して第１ミラー及び第２ミラーとは反対側に位置する光学系を意味する。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、画像表示面に表示された画像を、観察者と対向する位置に配置された反射光学面に投写し、観察者に拡大された画像を虚像として視認させる投写光学系を備えたヘッドアップディスプレイ装置であって、画像表示面の中心から出射し、アイボックスの中心に到達する光路を光軸としたとき、投写光学系は、画像表示面側から順に、光軸近傍で負のパワーを有する第１ミラーと、光軸近傍で正のパワーを有する第２ミラーとを備え、下記条件式（１）及び下記条件式（２）を満足するように構成したので、小型化を達成し、かつ光学的な諸収差を良好に補正して高性能化を実現可能なヘッドアップディスプレイ装置とすることができる。
−５０＜φ_１／｜φ_１２｜＜−６・・・（１）
３．５＜φ_２／｜φ_１２｜＜５０・・・（２）

本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を搭載したバスの運転席の模式図 本発明の実施例１のヘッドアップディスプレイ装置のＸ軸方向からみた概略構成図 本発明の実施例１のヘッドアップディスプレイ装置のＹ軸方向からみた概略構成図 本発明の実施例１のヘッドアップディスプレイ装置のＺ軸方向からみた概略構成図 本発明の実施例２のヘッドアップディスプレイ装置のＸ軸方向からみた概略構成図 本発明の実施例２のヘッドアップディスプレイ装置のＹ軸方向からみた概略構成図 本発明の実施例２のヘッドアップディスプレイ装置のＺ軸方向からみた概略構成図 本発明の実施例３のヘッドアップディスプレイ装置のＸ軸方向からみた概略構成図 本発明の実施例３のヘッドアップディスプレイ装置のＹ軸方向からみた概略構成図 本発明の実施例３のヘッドアップディスプレイ装置のＺ軸方向からみた概略構成図 本発明の実施例４のヘッドアップディスプレイ装置のＸ軸方向からみた概略構成図 本発明の実施例４のヘッドアップディスプレイ装置のＹ軸方向からみた概略構成図 本発明の実施例４のヘッドアップディスプレイ装置のＺ軸方向からみた概略構成図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を搭載したバスの運転席の模式図、図２は実施例１のヘッドアップディスプレイ装置のｘ軸方向からみた概略構成図、図３は実施例１のヘッドアップディスプレイ装置のｙ軸方向からみた概略構成図、図４は実施例１のヘッドアップディスプレイ装置のｚ軸方向からみた概略構成図である。なお本実施形態においては便宜上、実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の図を使用して説明するが、実施例２〜４のヘッドアップディスプレイ装置においても、本実施形態と同様の説明をすることができる。

また、以下に説明する実施形態においては、ヘッドアップディスプレイ装置は、バスに搭載するものとして説明するが、本発明はバスに限られるものではなく、トラック、船舶及び重機等の大型車両に搭載することができる。

図１に示すように、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０は、バス１１の内部空間に配置されるものであり、バス１１の天井や運転席の後ろや側方等に配置されて、ヘッドアップディスプレイ装置１０内から射出した走行速度等の情報を示す画像をダッシュボード１２の上面に立設されたコンバイナ（反射光学面）１３で反射させ、観察者（運転者）Ｐのフロントウィンドウ１４越し前方に虚像１６として拡大表示するものである。

なお本実施形態においては、画像をコンバイナ１３で反射させているが、フロントウィンドウ１４を反射光学面とすることにより、フロントウィンドウ１４で画像を直接反射させるようにしてもよい。

図２〜４に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、画像を表示する画像表示面１７と、光軸近傍で負のパワーを有する第１ミラー１８と、光軸近傍で正のパワーを有する第２ミラー１９とからなる投写光学系２０を有している。なお本実施形態では、画像表示面１７の中心から出射し、アイボックス１５の中心１５ａに到達する光路を光軸とする。すなわち画像表示面１７の中心から出射し、コンバイナ１３で反射してアイボックス１５の中心１５ａに到達する光路Ａと、図１に示すように、コンバイナ１３を透過して虚像１６に到達する光路Ｂとを光軸とする。なお、本実施形態において、アイボックス１５は、ヘッドアップディスプレイ装置１０を固定した状態で観察者Ｐが適正に虚像１６を観察できる範囲を意味し、アイボックス１５の中心１５ａは虚像１６を観察できる範囲の中心を意味する。

ヘッドアップディスプレイ装置１０は、画像表示面１７から射出された表示光が、第１ミラー１８、第２ミラー１９の順に反射し、コンバイナ１３に到達するように構成されている。画像表示面１７、第１ミラー１８及び第２ミラー１９からなる投写光学系２０は、装置筐体内部に配設されており、装置筐体に形成された開口から上記画像の表示光を通過させている。なお図２〜４において装置筐体の図示は省略している。

画像表示面１７に表示する画像は、画像情報に基づいて上記投写光学系２０よりも手前側すなわち光軸上において画像表示面１７を介して第１ミラー１８及び第２ミラー１９とは反対側に位置する光学系（図示は省略）によって中間像として形成した画像であってもよい。この場合、中間像の形成位置である画像表示面１７に、ディフューザーを備えてもよく、そのような態様とすれば、アイボックス１５の範囲を拡大することができる。

本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０においては、第１ミラー１８を光軸近傍で負のパワーを有するものとし、第２ミラー１９を光軸近傍で正のパワーを有するものとすることにより、第１ミラー１８と第２ミラー１９の合成光学系のパワーが強くなり過ぎるのを防止して第１ミラー１８と第２ミラー１９の合成光学系のパワーを好適に設定することができるので、投写光学系２０を小型化し、かつ投写光学系２０の諸収差を良好に補正することができる。第１ミラー１８と第２ミラー１９の合成光学系のパワーが強くなり過ぎるのを防止することにより、画像表示面１７からコンバイナ１３までの光路長を適切に確保することができる。

また第１ミラー１８と第２ミラー１９の光軸近傍におけるパワー及び第１ミラー１８と第２ミラー１９の合成光学系のパワーについては、下記条件式（１）（２）を満足するように構成されている。
−５０＜φ_１／｜φ_１２｜＜−６・・・（１）
３．５＜φ_２／｜φ_１２｜＜５０・・・（２）
ただし、
φ_１ ：第１ミラー１８の光軸近傍におけるパワー
φ_２ ：第２ミラー１９の光軸近傍におけるパワー
φ_１２：第１ミラー１８と第２ミラー１９の合成光学系のパワー
とする。

ここで、条件式（１）（２）について詳細に説明を行う。本実施形態において、第１ミラー１８及び第２ミラー１９の反射面の形状は、下記式(４)で表す。
ただし、
ｘ，ｙ，ｚ：面頂点を原点とした各座標
Ｃ_{_ｋ}：曲率半径の逆数
Ｄ_{ｉｊ_k}：自由曲面係数
とする。なおｋはミラーの番号を示しており、本実施形態においてはｋ＝１〜３とする。またｉとｊはそれぞれ正の整数を示しており、本実施形態においてはｉｊ＝１〜８とする。また式中の＊すなわちアスタリスクは×すなわち掛け算を意味する。

ｘｚ断面内における面形状は、上記式（４）のｙ＝０として、下記式（５）で表される。
上記式（５）のｚをｚ＝ｆ（ｘ）としたとき、
となる。

一方、ｆ（ｘ）をマクローリン級数展開すると、
となるが、光軸近傍ではｘが非常に小さいため、上記式（８）において３次以上の項を無視した近似を行うと、下記式（９）となる。

上記式（９）は、ｘｚ断面内における面形状が、曲率がＣ_{_ｋ}＋２＊Ｄ_{２０_ｋ}の放物面であることを表している。反射光学面のパワーφはφ＝−２＊（曲率）で表されるので、ｘｚ断面内におけるパワーφ_ｘは下記式（１０）で表される。
φ_ｘ＝−２＊（Ｃ_{_ｋ}＋２＊Ｄ_{２０_ｋ}） ・・・（１０）
同様に、ｙｚ断面内におけるパワーφ_ｙは下記式（１１）で表される。
φ_ｙ＝−２＊（Ｃ_{_ｋ}＋２＊Ｄ_{０２_ｋ}） ・・・（１１）
で表される。これらφ_ｘとφ_ｙの平均をとったものを各ミラーのパワーφ_ｋとして下記式（１２）で定義する。
φ_ｋ＝−２＊（Ｃ_{_ｋ}＋Ｄ_{２０_ｋ}＋Ｄ_{０２_ｋ}） ・・・（１２）

上記式（１２）から第１ミラー１８及び第２ミラー１９の光軸近傍におけるパワーφ_１，φ_２は下記式（１３）（１４）でそれぞれ表される。
φ_１＝−２＊（Ｃ_{_１}＋Ｄ_{２０_１}＋Ｄ_{０２_１}） ・・・（１３）
φ_２＝−２＊（Ｃ_{_２}＋Ｄ_{２０_２}＋Ｄ_{０２_２}） ・・・（１４）

また第１ミラー１８と第２ミラー１９との光軸上の間隙をＬ_２とすると、第１ミラー１８と第２ミラー１９の合成光学系のパワーφ_１２は下記式（１５）で表される。
φ_１２＝φ_１＋φ_２−Ｌ_２＊φ_１＊φ_２ ・・・（１５）

上記により定義されるφ_１，φ_２，φ_１２を使用して条件式（１）（２）の値は算出される。

条件式（１）は、第１ミラー１８と第２ミラー１９の合成光学系のパワーφ_１２の絶対値に対する第１ミラー１８のパワーφ_１の比の好ましい数値範囲を規定するものである。
条件式（１）の下限以下とならないように第１ミラー１８と第２ミラー１９のパワーφ_１，φ_２及び第１ミラー１８と第２ミラー１９との光軸上の間隙Ｌ_２をそれぞれ設定することで、諸収差を良好に補正することができる。条件式（１）の上限以上とならないように第１ミラー１８と第２ミラー１９のパワーφ_１，φ_２及び第１ミラー１８と第２ミラー１９との光軸上の間隙Ｌ_２をそれぞれ設定することで、投写光学系２０の小型化を実現することができる。なお、下記条件式（１−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。
−３５＜φ_１／｜φ_１２｜＜−８・・・（１−１）

条件式（２）は、第１ミラー１８と第２ミラー１９の合成光学系のパワーφ_１２の絶対値に対する第２ミラー１９のパワーφ_２の比の好ましい数値範囲を規定するものである。条件式（２）の下限以下とならないように第１ミラー１８と第２ミラー１９のパワーφ_１，φ_２及び第１ミラー１８と第２ミラー１９との光軸上の間隙Ｌ_２をそれぞれ設定することで、投写光学系２０の小型化を実現することができる。条件式（２）の上限以上とならないように第１ミラー１８と第２ミラー１９のパワーφ_１，φ_２及び第１ミラー１８と第２ミラー１９との光軸上の間隙Ｌ_２をそれぞれ設定することで、諸収差を良好に補正することができる。なお、下記条件式（２−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。
４＜φ_２／｜φ_１２｜＜２０・・・（２−１）

なお本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０においては、コンバイナ１３が、光軸近傍で正のパワーを有することが好ましい。このような構成とすることで、視野角（虚像表示サイズ）を大きくすることができる。

また第２ミラー１９の光軸近傍におけるパワー及び第１ミラー１８と第２ミラー１９の合成光学系のパワーについては、下記条件式（３）を満足することが好ましく、下記条件式（３−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。
０．２＜φ_３／｜φ_１２｜＜５・・・（３）
ただし、
φ_３ ：コンバイナ１３の光軸近傍におけるパワー
とする。

なお上記式（１２）からコンバイナ１３の光軸近傍におけるパワーφ_３は下記式（１６）で表される。
φ_３＝−２＊（Ｃ_{_３}＋Ｄ_{２０_３}＋Ｄ_{０２_３}） ・・・（１６）
上記により定義されるφ_３を使用して条件式（３）の値は算出される。

条件式（３）は、第１ミラー１８と第２ミラー１９の合成光学系のパワーφ_１２の絶対値に対するコンバイナ１３の光軸近傍におけるパワーφ_３の比の好ましい数値範囲を規定するものである。条件式（３）の下限以下とならないように第１ミラー１８と第２ミラー１９のパワーφ_１，φ_２、コンバイナ１３のパワーφ_３及び第１ミラー１８と第２ミラー１９との光軸上の間隙Ｌ_２をそれぞれ設定することで、投写光学系２０を小型化しつつ、諸収差を良好に補正することができる。条件式（３）の上限以上とならないように第１ミラー１８と第２ミラー１９のパワーφ_１，φ_２、コンバイナ１３のパワーφ_３及び第１ミラー１８と第２ミラー１９との光軸上の間隙Ｌ_２をそれぞれ設定することで、投写光学系２０を小型化しつつ、諸収差を良好に補正することができる。なお、下記条件式（３−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。
０．４＜φ_３／｜φ_１２｜＜２・・・（３−１）

本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０においては、第１ミラー１８及び第２ミラー１９から選択する少なくとも１枚のミラーを動かすことにより、投写光学系２０からコンバイナ１３に向かう光束の角度を可変とすることが好ましい。このような構成とすることで、観察者（運転者）Ｐが投写光学系２０の製造誤差による光束角度のズレを補正することができる。なお投写光学系２０を設置した後に上記ミラーを動かせば、観察者（運転者）Ｐは虚像１６を見ながら光束角度のズレを補正することができる。

また、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０においては第１ミラー１８及び第２ミラー１９のうち、アイボックス１５の中心１５ａから最も近い位置に配置されたミラーを動かすことにより、投写光学系２０からコンバイナ１３に向かう光束の角度を可変とすることが好ましい。このような構成とすることで、投写光学系２０を設置した後に光束角度のズレを補正することができる。また観察者（運転者）Ｐが着座位置から物理的に最も近いミラーを操作することができるので、操作のし易さを向上できる。

なお本実施形態において、上記光束の角度を可変する場合、ミラー自体を移動してもよいし、ミラーの傾きを変えてもよいし、ミラーを光軸を中心として回転させてもよいし、これらを組み合わせてミラーを動かしてもよい。

本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０においては、画像表示面１７に表示された画像を、観察者Ｐと対向する位置に配置されたコンバイナ１３に投写し、観察者Ｐに拡大された画像を虚像１６として視認させる投写光学系２０を備え、画像表示面１７の中心から出射し、アイボックス１５の中心１５ａに到達する光路を光軸としたとき、投写光学系２０は、画像表示面１７側から順に、光軸近傍で負のパワーを有する第１ミラー１８と、光軸近傍で正のパワーを有する第２ミラー１９とを備え、下記条件式（１）及び下記条件式（２）を満足するように構成したので、小型化を達成し、かつ光学的な諸収差を良好に補正して高性能化を実現可能なヘッドアップディスプレイ装置とすることができる。
−５０＜φ_１／｜φ_１２｜＜−６・・・（１）
３．５＜φ_２／｜φ_１２｜＜５０・・・（２）

次に、本発明のヘッドアップディスプレイ装置の数値実施例について説明する。まず、実施例１のヘッドアップディスプレイ装置について説明する。

表１にヘッドアップディスプレイ装置を構成する各要素の配置座標データを示す。ここでは、図２〜４に示した画像表示面１７の中心を原点とする絶対座標系と、第１ミラー１８、第２ミラー１９及びコンバイナ１３の各要素の面上に設定されたローカル座標系を組み合わせて記述する。

なお、ローカル座標系の設定は下記の通りである。各ローカル座標系の原点とｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の成分ベクトルをそれぞれ絶対座標系で（ｘ，ｙ，ｚ）、（Ｖｘ_ｘ，Ｖｘ_ｙ，Ｖｘ_ｚ）、（Ｖｙ_ｘ，Ｖｙ_ｙ，Ｖｙ_ｚ）、（Ｖｚ_ｘ，Ｖｚ_ｙ，Ｖｚ_ｚ）とする。ｘ軸は、ｘ軸に直交する平面(ｙｚ平面)を各要素の基準面とし、各基準面の法線ベクトルはローカル座標系のｘ軸と一致する。ｙ軸は、ｙ軸に直交する平面(ｘｚ平面)を各要素の基準面とし、各基準面の法線ベクトルはローカル座標系のｙ軸と一致する。ｚ軸は、ｚ軸に直交する平面(ｘｙ平面)を各要素の基準面とし、各基準面の法線ベクトルはローカル座標系のｚ軸と一致する。

また、第１ミラー１８，第２ミラー１９及びコンバイナ１３はパワーを有するミラーであり、各ミラーの反射面の形状に関するデータを表２に示す。各ミラーの反射面の形状は、下記式（４）で表される。なお下記式（４）において、第１ミラー１８をｋ＝１、第２ミラー１９をｋ＝２、コンバイナ１３をｋ＝３とするが、表３においては各ミラー毎に各値を記載しているため、ｋの値は記載していない。

ただし、
ｘ，ｙ，ｚ：面頂点を原点とした各座標（ｍｍ）
Ｃ_{_ｋ}：曲率半径の逆数（１／ｍｍ）
Ｄ_{ｉｊ_k}：自由曲面係数
とする。

上記の実施例１の説明で述べた各データの記号、意味、及び記載方法は、特に断りがない限り以下の実施例のものについても同様であるので、以下では重複説明を省略する。

次に、実施例２のヘッドアップディスプレイ装置について説明する。実施例２のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図を図５〜７に示す。また、実施例２のヘッドアップディスプレイ装置の各要素の配置座標データを表３に、各ミラーの反射面の形状に関するデータを表４に示す。

次に、実施例３のヘッドアップディスプレイ装置について説明する。実施例３のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図を図８〜１０に示す。また、実施例３のヘッドアップディスプレイ装置の各要素の配置座標データを表５に、各ミラーの反射面の形状に関するデータを表６に示す。

次に、実施例４のヘッドアップディスプレイ装置について説明する。実施例４のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図を図１１〜１３に示す。また、実施例４のヘッドアップディスプレイ装置の各要素の配置座標データを表７に、各ミラーの反射面の形状に関するデータを表８に示す。

実施例１〜４のヘッドアップディスプレイ装置の条件式（１）〜（３）に対応する値を表９に示す。

以上のデータから、実施例１〜４のヘッドアップディスプレイ装置は、全て条件式（１）〜（３）を満たしており、小型化を達成し、かつ光学的な諸収差を良好に補正して高性能化を実現可能なヘッドアップディスプレイ装置であることが分かる。

なお、ここで特許文献１に記載されたヘッドアップディスプレイ装置の条件式（１）〜（３）に対応する値を比較例として表１０に示す。

以上のデータから、比較例１〜３のヘッドアップディスプレイ装置は、全て条件式（１）（２）を満たしていないので、本発明と同等の効果を得ることはできない。また比較例２のヘッドアップディスプレイ装置は、条件式（３）を満たしてはいるが、条件式（１）（２）を満たしていないので、本発明と同等の効果を得ることはできない。

以上、実施形態及び実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、ヘッドアップディスプレイ装置を構成する各要素の位置や大きさについては、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

１０ ヘッドアップディスプレイ装置
１１ バス
１２ ダッシュボード
１３ コンバイナ（反射光学面）
１４ フロントウィンドウ
１５ アイボックス
１５ａ アイボックスの中心
１６ 虚像
１７ 画像表示面
１８ 第１ミラー
１９ 第２ミラー
２０ 投写光学系
Ｐ 観察者（運転者）

Claims (10)

1. 画像表示面に表示された画像を、観察者と対向する位置に配置された反射光学面に投写し、観察者に拡大された前記画像を虚像として視認させる投写光学系を備えたヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記画像表示面の中心から出射し、アイボックスの中心に到達する光路を光軸としたとき、
   前記投写光学系は、前記画像表示面側から順に、
   前記光軸近傍で負のパワーを有する第１ミラーと、
   前記光軸近傍で正のパワーを有する第２ミラーとを備え、
   下記条件式（１）及び下記条件式（２）を満足するヘッドアップディスプレイ装置。
   −５０＜φ_１／｜φ_１２｜＜−６・・・（１）
   ３．５＜φ_２／｜φ_１２｜＜５０・・・（２）
   ただし、
   φ_１ ：前記第１ミラーの前記光軸近傍におけるパワー
   φ_２ ：前記第２ミラーの前記光軸近傍におけるパワー
   φ_１２：前記第１ミラーと前記第２ミラーの合成光学系のパワー
   とする。
2. 前記反射光学面が、前記光軸近傍で正のパワーを有する請求項１記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 下記条件式（３）を満足する
   請求項１または２記載のヘッドアップディスプレイ装置。
   ０．２＜φ_３／｜φ_１２｜＜５・・・（３）
   ただし、
   φ_３ ：前記反射光学面の前記光軸近傍におけるパワー
   とする。
4. 前記第１ミラー及び前記第２ミラーから選択する少なくとも１枚のミラーを動かすことにより、
   前記投写光学系から前記反射光学面に向かう光束の角度を可変とする請求項１〜３のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記第１ミラー及び前記第２ミラーのうち、前記アイボックスの中心から最も近い位置に配置されたミラーを動かすことにより、
   前記投写光学系から前記反射光学面に向かう光束の角度を可変とする請求項１〜４のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記画像は、画像情報に基づいて光学系により中間像として形成した画像である請求項１〜５のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ装置。
7. 前記中間像の形成位置である前記画像表示面に、ディフューザーを備える請求項６記載のヘッドアップディスプレイ装置。
8. 下記条件式（１−１）を満足する
   請求項１〜７のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ装置。
   −３５＜φ_１／｜φ_１２｜＜−８・・・（１−１）
9. 下記条件式（２−１）を満足する
   請求項１〜８のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ装置。
   ４＜φ_２／｜φ_１２｜＜２０・・・（２−１）
10. 下記条件式（３−１）を満足する
    請求項１〜９のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ装置。
    ０．４＜φ_３／｜φ_１２｜＜２・・・（３−１）
    ただし、
    φ_３ ：前記反射光学面の前記光軸近傍におけるパワー
    とする。