JP2018078122A - ヘッドアップディスプレイ装置及びその照明ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＵＤ装置において表示器の広い面積を高い照明効率にて照明する小型の照明ユニットの提供。【解決手段】照明ユニット２は、拡大光学系を挟んだ視認領域との共役位置Ｐｌに配置される光源２０と、光源２０からの光を表示器へ向かって集光する複数段の集光レンズ２１とを一組の照明単位２６として、基準方向Ｘに並ぶ複数組の照明単位２６を備える。各組の照明単位２６は、光源２０に最近接の集光レンズ２１としての初段レンズ２２と、光源２０から最離間の集光レンズ２１としての最後段レンズ２４とを含む。各組の照明単位２６において、初段レンズ２２から最後段レンズ２４まで全段の集光レンズ２１を合成した合成レンズの合成焦点Ｐｃを、想定すると、初段レンズ２２の主平面２２４は、光源２０との間にあける間隔Ｇｌを、合成焦点Ｐｃとの間にあける間隔Ｇｃ以下に設定される。【選択図】図３

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置及びその照明ユニットに関する。

従来、表示器により形成されて拡大光学系により拡大された表示像を移動体の表示部材に投影することにより、当該表示像の虚像を移動体室内のうち視認領域にて視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置（以下、「ＨＵＤ装置」という）は、広く知られている。

こうしたＨＵＤ装置において、表示器を透過照明して表示像の光を視認領域まで到達させる照明ユニットとしては、例えば特許文献１において開示される如き構造の照明ユニットがある。この照明ユニットには、光源からの放射光を表示器へ向かって集光する複数段の集光レンズとして、初段のコンデンサレンズ、中段のレンチキュラーレンズ及び最後段の集光レンズが設けられている。

特開２００９−１６９３９９号公報

さて、特許文献１の照明ユニットでは、複数の光源に対して共通となる一つの凸レンズが、最後段の集光レンズとして用いられている。このように複数光源に対して共通化される最後段の集光レンズには、それら光源からの光を有効利用して表示器の広い面積を照明するために、大きな有効径を与えておく必要がある。一般に集光レンズでは、有効径が大きいと、レンズ面の曲率を大きくし難く、それ故に焦点距離を小さくし難い。そのため、最後段の集光レンズが複数光源に対して共通化される特許文献１の照明ユニットでは、全段の集光レンズを合成した合成レンズの焦点である合成焦点は、初段のコンデンサレンズから離間することになる。

ここで、特許文献１の照明ユニットの如き構造において、各光源からの光を視認領域に結像させて照明効率を高めるには、拡大光学系を挟んで視認領域と共役な共役位置に、それら各光源を配置する必要がある。そこで、本発明者が検討した結果、コンデンサレンズが光源との間にあける間隔を、同コンデンサレンズが合成焦点との間にあける間隔に応じた特定範囲に設定すれば、視認領域との共役位置に各光源を正確に配置可能となることが、判明した。しかし、さらなる鋭意検討の結果、特許文献１の照明ユニットの如き構造では、上述の如く合成焦点がコンデンサレンズから離間することに起因して、同コンデンサレンズ及び光源の間隔も広げなければならず、大型化することも判明した。

本発明は、以上説明した知見に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＨＵＤ装置において表示器の広い面積を高い照明効率にて照明する小型の照明ユニット、並びにそうした照明ユニットを備えたＨＵＤ装置の提供にある。

まず、開示された第一発明は、表示器（５）により形成されて拡大光学系（６）により拡大された表示像（１０）を移動体（８）の表示部材（８１）に投影することにより、当該表示像の虚像（１０ａ）を移動体の室内のうち視認領域（９１）にて視認可能に表示するＨＵＤ装置（１）において、表示器を透過照明して表示像の光を視認領域まで到達させる照明ユニット（２）であって、拡大光学系を挟んで視認領域と共役な共役位置（Ｐｌ）に配置されて光を放射する光源（２０）と、光源からの光を表示器へ向かって集光する複数段の集光レンズ（２１，２０２１）とを、一組の照明単位（２６，２０２６）として、所定の基準方向（Ｘ）に並ぶ複数組の当該照明単位を、備え、各組の照明単位は、光源に最も近接して配置される集光レンズとしての初段レンズ（２２）と、光源から最も離間して配置される集光レンズとしての最後段レンズ（２４，２０２４）とを、少なくとも含み、各組の照明単位において、初段レンズから最後段レンズまで全段の集光レンズを合成した合成レンズの合成焦点（Ｐｃ）を、想定すると、初段レンズの主平面（２２４）は、光源との間にあける間隔（Ｇｌ）を、合成焦点との間にあける間隔（Ｇｃ）以下に設定されることを特徴とする。

かかる第一発明によると、基準方向に並ぶ各組の照明単位は、拡大光学系を挟んで視認領域と共役な共役位置に配置される光源からの光を、それぞれ複数段の集光レンズにより表示器へと向かって集光する。こうした集光構造を各組の照明単位により実現する照明ユニットでは、光源に最近接の初段レンズ及び同光源から最離間の最後段レンズを少なくとも含んだいずれの段の集光レンズも、複数光源に同数ずつ対応して設けられることになる。故に、各組の照明単位によれば、全段の集光レンズの有効径及び焦点距離をそれぞれ小さくしながらも、表示器の広い面積を照明できる。

しかも、各組の照明単位において初段レンズの主平面が光源の間にあける間隔は、いずれも小さな焦点距離の集光レンズを合成した合成レンズの合成焦点との間に、同主平面があける間隔以下となる。これによれば、初段レンズ主平面及び合成焦点の間隔が小さくなるのに応じて、同主平面及び光源の間隔も小さくなる。故に、照明ユニットの体格を小型化しながらも、各光源からの光を視認領域に結像させて照明効率を高めることができる。

次に、開示された第二発明は、表示器（５）により形成されて拡大光学系（６）により拡大された表示像（１０）を移動体（８）の表示部材（８１）に投影することにより、当該表示像の虚像（１０ａ）を移動体の室内のうち視認領域（９１）にて視認可能に表示するＨＵＤ装置（１）であって、第一発明の照明ユニット（２）と共に、表示器及び拡大光学系が設けられることを特徴とする。

かかる第二発明のＨＵＤ装置では、第一発明の特徴を少なくとも有した小型の照明ユニットにより、表示器の広い面積を高い照明効率にて透過照明できるので、移動体での配置自由度と共に、当該照明効率に応じた虚像の輝度も確保し得るのである。

第一実施形態によるＨＵＤ装置を示す構成図である。 第一実施形態による照明ユニットを示す斜視図である。 第一実施形態による照明用ユニットを示す正面図である。 第二実施形態による照明ユニットを示す斜視図である。 第二実施形態による照明用ユニットを示す正面図である。 第二実施形態による照明ユニットの特徴を説明するための模式図である。 第一実施形態の変形例を示す正面図である。 第二実施形態の変形例の特徴を説明するための模式図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。

（第一実施形態）
図１に示すように、本発明の第一実施形態によるＨＵＤ装置１は、「移動体」としての車両８に搭載されて、インストルメントパネル８０内に収容されている。ＨＵＤ装置１は、車両８の「表示部材」であるウインドシールド８１へ表示像１０を投影する。その結果、車両８の室内では、ウインドシールド８１により反射した表示像１０の光が視認者９のアイポイント９０に到達する。視認者９は、アイポイント９０への到達光を知覚することにより、ウインドシールド８１の前方に表示像１０の虚像１０ａを視認する。このとき虚像１０ａの視認は、アイポイント９０が車両８の室内のうち視認領域９１に位置する場合に、限られる。換言すれば、アイポイント９０が視認領域９１から外れている場合には、視認者９による虚像１０ａの視認が困難となる。

ＨＵＤ装置１には、照明ユニット２と共に、表示器５、拡大光学系６及び表示制御ユニット７が設けられている。

照明ユニット２は、一つの光源２０及び複数段の集光レンズ２１を一組の照明単位２６として、図２，３に示すように、複数組の照明単位２６を備えている。ここで、本実施形態において三組の照明単位２６は、それぞれ二段ずつ設けられる集光レンズ２１として、同一組の光源２０に最も近接して配置の初段レンズ２２と、同一組の光源２０から最も離間して配置の最後段レンズ２４とを、含んでいる。したがって、照明ユニット２において光源２０と初段レンズ２２と最後段レンズ２４とは、互いに同数となる三つずつ、それぞれ設けられている。

各組の照明単位（以下、「各組照明単位」と略記する）２６をなす光源２０はそれぞれ、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等の点状発光源からなり、拡大光学系６を挟んで視認領域９１と共役な共役位置Ｐｌ（図１参照）に配置される。各組照明単位２６において光源２０は、通電に従って発光することにより、例えば白色等の光を放射する。

各組照明単位２６をなす初段レンズ２２同士は、例えば樹脂又はガラス等の透光性材料により一体形成されることにより、全体として長方形板状の初段レンズアレイ２２ａを構成している。各組照明単位２６において初段レンズ２２は、同一組の集光レンズ２１の中で最大の正パワーを与えられた初段レンズ面２２０を有することにより、同一組の光源２０から放射された光の一部を集光する。

各組照明単位２６をなす最後段レンズ２４同士は、例えば樹脂又はガラス等の透光性材料により一体形成されることにより、全体として長方形板状の最後段レンズアレイ２４ａを構成している。各組照明単位２６において最後段レンズ２４は、同一組の初段レンズ２２よりも小さな正パワーを与えられた最後段レンズ面２４０を有することにより、当該初段レンズ２２を通した光源２０からの光を集光する。かかる集光機能により、各組照明単位２６の光源２０からの光は、図１に示す表示器５及び拡大光学系６を経て、視認領域９１に結像される。このとき各組照明単位２６の最後段レンズ２４は、同一組の光源２０からの光に対して、視認領域９１での結像位置を調整することになる。

表示器５は、例えばドットマトリクス型ＴＦＴ液晶パネル等の画像表示パネルであり、最後段レンズアレイ２４ａ（図２参照）に対応した長方形の画面５０を有している。表示器５は、画面５０を構成する複数画素の駆動により、表示像１０としてのモノクロ画像又はカラー画像を当該画面５０上に形成する。表示器５において画面５０は、最後段レンズ２４により集光した光を各組照明単位２６から受けることにより、透過照明される。ここで画面５０では、各組照明単位２６からの光による照明対象エリアが互いにずらされることにより、当該画面５０の全域という広い面積に対しての照明が可能となっている。こうした照明を受けて表示器５は、画面５０上の表示像１０を発光表示させる。尚、表示像１０は、例えば車両８の走行速度や進行方向、ウォーニング等の車両関連情報を表示する光像として、発光表示される。

拡大光学系６は、単一の凹面鏡６０を主体として、構成されている。凹面鏡６０は、例えば樹脂又はガラス等の基材にアルミニウム等の金属反射膜を蒸着させてなり、反射面６０ａを形成している。凹面鏡６０は、表示器５の画面５０から入射する光を反射面６０ａにより反射する反射機能を有しており、当該機能により反射させた光をウインドシールド８１側へと導光する。かかる導光によりウインドシールド８１には、画面５０上の表示像１０が拡大して投影されることにより、車両８の室内のうち視認領域９１では、視認者９により視認可能に当該表示像１０の虚像１０ａが表示される。したがって、視認領域９１は、凹面鏡６０の仕様及び姿勢によって決まる領域となる。尚、凹面鏡６０の姿勢については、可変とすることにより視認領域９１の移動を許容してもよいし、固定とすることにより視認領域９１の位置を不変としてもよい。また、拡大光学系６としては、複数の凹面鏡６０を有するものであってもよいし、凹面鏡６０以外の反射鏡又はレンズを有するものであってもよい。

表示制御ユニット７は、例えばマイクロコンピュータ等の電子回路であり、各組照明単位２６の光源２０と表示器５とに電気接続されている。さらに表示制御ユニット７は、車両８のうち例えば他の制御ユニット及び各種センサ等と通信可能に接続されている。表示制御ユニット７は、各組照明単位２６の光源２０に対する通電を車両関連情報に応じて制御することにより、それらの光源２０を発光させる。それと共に表示制御ユニット７は、画面５０の構成画素の駆動を車両関連情報に応じて制御することにより、画面５０上での表示像１０の表示、ひいては視認者９への虚像１０ａの表示を実現する。

（照明ユニットの詳細構成）
次に、第一実施形態による各組照明単位２６の構造を、さらに詳細に説明する。

図２，３に示すように各組照明単位２６は、所定の基準方向Ｘに並んでいる。ここで基準方向Ｘは、画面５０（図１参照）の長手方向に対応した各レンズアレイ２２ａ，２４ａの長手方向と実質一致している。また、基準方向Ｘに対する直交方向Ｙは、画面５０の短手方向に対応した各レンズアレイ２２ａ，２４ａの短手方向と実質一致している。

各組照明単位２６の光源２０は、基準方向Ｘに互いに離間して並んでいる。各組照明単位２６をなす光源２０同士では、基準方向Ｘにおける中心間距離としてのピッチΔｓが一定値に設定されている。

図３に示すように、初段レンズアレイ２２ａにおいて入射面２２ｂは、各組照明単位２６の光源２０と所定距離をあけて対向するように、平面状に形成されている。初段レンズアレイ２２ａにおいて出射面２２ｃは、各組照明単位２６の初段レンズ２２を構成するように基準方向Ｘに並んだ初段レンズ面２２０を、それぞれ形成している。このように、各組照明単位２６の初段レンズ面２２０が同一組の光源２０に対して反対側の出射面２２ｃに形成されることにより、当該光源２０からの光に対して収差の低減が可能となっている。

各組照明単位２６の初段レンズ面２２０がそれぞれ個別に定める光軸Ａｃ上には、同一組の光源２０が配置されている。これにより、初段レンズ面２２０をそれぞれ有して基準方向Ｘに並ぶ各組照明単位２６の初段レンズ２２同士では、当該方向Ｘにおける光軸間距離Δａが光源２０同士のピッチΔｓと一致している。また、各組照明単位２６において初段レンズ面２２０の主平面２２４は、光軸Ａｃ上の頂点に位置する主点を含むように、定義される。これにより各組照明単位２６では、初段レンズ２２がその光軸Ａｃに沿った一定の間隔Ｇｌを、主平面２２４と光源２０との間に確保している。

各組照明単位２６の初段レンズ面２２０は、本実施形態では、シリンドリカル型（図２参照）の凸レンズ面状に形成されている。これにより各組照明単位２６の初段レンズ面２２０は、互いに同一のレンズプロファイルとして、それぞれの定める光軸Ａｃを基準方向Ｘに挟んで線対称形となるプロファイルを、有している。それと共に各組照明単位２６の初段レンズ面２２０は、基準方向Ｘに沿う縦断面では、それぞれの定める光軸Ａｃを挟んだ両側にて少なくとも一階微分且つ二階微分が可能となるように、所定の有効径φｉ及び曲率Ｃｉを有している。こうした初段レンズ面２２０の有効径φｉ及び曲率Ｃｉに応じて各組照明単位２６では、初段レンズ２２の焦点距離ｆｉが正の値に設定されている。尚、初段レンズ面２２０については、二階微分まで可能であってもよいし、三階以上の階数での微分まで可能であってもよい。

最後段レンズアレイ２４ａは、レンズフレーム２８を介して初段レンズアレイ２２ａと組み合わされている。最後段レンズアレイ２４ａにおいて入射面２４ｂは、初段レンズアレイ２２ａの出射面２２ｃと所定距離をあけて対向するように、平面状に形成されている。これにより各組照明単位２６同士では、最後段レンズアレイ２４ａ及び初段レンズアレイ２２ａのそれぞれ形成する最後段レンズ２４及び初段レンズ２２の間にて、主平面間距離Ｄが一定値に設定されている。ここで主平面間距離Ｄとは、最後段レンズ２４の主平面２４４と初段レンズ２２の主平面２２４との間の距離である。最後段レンズアレイ２４ａにおいて出射面２４ｃは、各組照明単位２６の最後段レンズ２４を構成するように基準方向Ｘに並んだ最後段レンズ面２４０を、それぞれ形成している。

各組照明単位２６の最後段レンズ面２４０がそれぞれ個別に定める光軸Ａｃは、同一組における初段レンズ面２２０の光軸Ａｃと一致している。即ち各組照明単位２６では、初段レンズ２２から最後段レンズ２４まで全段の集光レンズ２１に共通となる光軸Ａｃ上に、光源２０が配置されている。また、各組照明単位２６において最後段レンズ面２４０の主平面２４４は、光軸Ａｃ上の頂点に位置する主点を含むように、定義される。これにより各組照明単位２６では、最後段レンズ２４がその光軸Ａｃに沿った一定の主平面間距離Ｄを、主平面２４４，２２４間に確保している。

各組照明単位２６の最後段レンズ面２４０は、本実施形態では、シリンドリカル型（図２参照）の凸レンズ面状に形成されている。これにより各組照明単位２６の最後段レンズ面２４０は、互いに同一のレンズプロファイルとして、それぞれの定める光軸Ａｃを基準方向Ｘに挟んで線対称形となるプロファイルを、有している。それと共に各組照明単位２６の最後段レンズ面２４０は、基準方向Ｘに沿う縦断面では、それぞれの定める光軸Ａｃを挟んだ両側にて少なくとも一階微分且つ二階微分が可能となるように、所定の有効径φｆ及び曲率Ｃｆを有している。尚、最後段レンズ面２４０については、二階微分まで可能であってもよいし、三階以上の階数での微分まで可能であってもよい。

ここで、各組照明単位２６において最後段レンズ面２４０の有効径φｆは、初段レンズ面２２０の有効径φｉよりも大きく設定されている。それと共に、各組照明単位２６において最後段レンズ面２４０の曲率Ｃｆは、初段レンズ面２２０の曲率Ｃｉよりも小さく設定されている。こうした最後段レンズ面２４０の有効径φｆ及び曲率Ｃｆにより各組照明単位２６では、初段レンズ２２よりも小さな正パワーが最後段レンズ２４に与えられるため、当該初段レンズ２２の正パワーが最大となっている。また、最後段レンズ面２４０の有効径φｆ及び曲率Ｃｆに応じて各組照明単位２６では、初段レンズ２２の焦点距離ｆｉよりも大きな正の値に、最後段レンズ２４の焦点距離ｆｆが設定されている。

以上の各組照明単位２６において、初段レンズ２２から最後段レンズ２４まで全段の集光レンズ２１を合成した合成レンズの焦点として、合成焦点Ｐｃを想定する。かかる想定下、初段レンズ２２の主平面２２４が光軸Ａｃに沿って合成焦点Ｐｃとの間にあける間隔Ｇｃは、式１により表される。ここで各組照明単位２６では、式１の右辺は０より大きい必要があることから、式２が成立している。さらに各組照明単位２６では、先述の拡大光学系６を挟んだ視認領域９１との共役位置Ｐｌに光源２０を位置合わせさせるため、式２の成立下、式１により表される間隔Ｇｃを用いた式３が成立している。即ち各組照明単位２６では、初段レンズ２２の主平面２２４が光源２０との間にあける間隔Ｇｌは、同主平面２２４が合成焦点Ｐｃとの間にあける間隔Ｇｃ以下に、設定されているのである。
Ｇｃ＝（ｆｆ−Ｄ）／｛１＋（ｆｆ−Ｄ）／ｆｉ｝ …（式１）
ｆｆ−Ｄ＞０ …（式２）
Ｇｌ≦Ｇｃ …（式３）

（作用効果）
ここまで説明した第一実施形態の作用効果を、以下に説明する。

第一実施形態によると、基準方向Ｘに並ぶ各組照明単位２６は、拡大光学系６を挟んで視認領域９１と共役な共役位置Ｐｌに配置される光源２０からの光を、それぞれ複数段の集光レンズ２１により表示器５へと向かって集光する。こうした集光構造を各組照明単位２６により実現する照明ユニット２では、光源２０に最近接の初段レンズ２２及び同光源２０から最離間の最後段レンズ２４を含んだいずれの段の集光レンズ２１も、複数光源２０に同数ずつ対応して設けられることになる。故に、各組照明単位２６によれば、全段の集光レンズ２１の有効径φｉ，φｆ及び焦点距離ｆｉ，ｆｆをそれぞれ小さくしながらも、表示器５の広い面積を照明できる。

しかも、各組照明単位２６において初段レンズ２２の主平面２２４が光源２０との間にあける間隔Ｇｌは、いずれも小さな焦点距離ｆｉ，ｆｆの集光レンズ２１を合成した合成レンズの合成焦点Ｐｃとの間に、同主平面２２４があける間隔Ｇｃ以下となる。これによれば、主平面２２４及び合成焦点Ｐｃの間隔Ｇｃが小さくなるのに応じて、主平面２２４及び光源２０の間隔Ｇｌも小さくなる。故に、照明ユニット２の体格を小型化しながらも、各光源２０からの光を視認領域９１に結像させて照明効率を高めることができる。

したがって、第一実施形態のＨＵＤ装置１では、以上の如き特徴を有した小型の照明ユニット２により、表示器５の広い面積を高い照明効率にて照明できるので、車両８での配置自由度と共に、当該照明効率に応じた虚像１０ａの輝度も確保し得る。

また、第一実施形態による各組照明単位２６において、正パワーが最大の集光レンズ２１となる初段レンズ２２は、最近接の光源２０から放射された光のうち可及的に多くの光を、後段の集光レンズ２１となる最後段レンズ２４へと確実に集光できる。これによれば、各組照明単位２６により表示器５へ集光される光量が確保されるので、照明効率を高め得る。

さらに第一実施形態によると、各組照明単位２６に二段ずつ設けられる集光レンズ２１のうち初段レンズ２２は、最近接光源２０からの放射光のうち可及的に多くの光を、最大の正パワーにより確実に集光できる。また、各組照明単位２６に二段ずつ設けられる集光レンズ２１のうち最後段レンズ２４は、初段レンズ２２を通した光源２０からの光に対する集光機能により当該光の結像位置を調整して、当該光の結像位置が視認領域９１からずれる事態を抑制できる。これらによれば、各組照明単位２６の構造を簡素にしながらも、高い照明効率の達成に大きく貢献し得る。

加えて、第一実施形態において各組照明単位２６の初段レンズ２２同士及び最後段レンズ２４同士は、互いに組み合わされる初段レンズアレイ２２ａ及び最後段レンズアレイ２４ａを、それぞれ構成している。このような初段レンズアレイ２２ａ及び最後段レンズアレイ２４ａによれば、初段レンズ２２及び最後段レンズ２４の主平面間距離Ｄは、それらアレイ組み合わせ時に互いにずれ難い。故に各組照明単位２６では、初段レンズ２２の主平面２２４及び光源２０の間隔Ｇｌについて、アレイ組み合わせ後の主平面間距離Ｄに応じて決まる同主平面２２４及び合成焦点Ｐｃの間隔Ｇｃに対し、正確に調整し易くなる。これによれば、主平面２２４及び光源２０の間隔Ｇｌが主平面２２４及び合成焦点Ｐｃの間隔Ｇｃよりも大きくなって、光源２０からの光の結像位置が視認領域９１からずれる事態を、抑制し得る。

また加えて、初段レンズ２２から最後段レンズ２４まで全段の集光レンズ２１に共通の光軸Ａｃ上に光源２０が配置される第一実施形態の各組照明単位２６によると、最後段レンズ２４から出射される光の表示器５への入射角度は、ばらつき難くなる。これによれば、表示器５のうち各組照明単位２６による照明対象エリア間に生じる照明ムラを、低減し得る。

（第二実施形態）
図４〜６に示すように本発明の第二実施形態は、第一実施形態の変形例である。第二実施形態による各組照明単位２０２６の二段の集光レンズ２０２１のうち、初段レンズ２２よりも後段側の最後段レンズ２０２４は、第一レンズ面部２２４０と第二レンズ面部２２４１とを交互に複数ずつ配列してなる最後段レンズ面２２４２を、有している。

図６に示すように各組照明単位２０２６の第一レンズ面部２２４０は、複数の第一仮想レンズ面２２４０ａの想定下、それぞれ対応する一つの第一仮想レンズ面２２４０ａから一部分ずつを同図の破線の如く断続的に抽出した形状となるように、形成されている。尚、図６では、照明単位２０２６と同数となる三つの第一仮想レンズ面２２４０ａのうち二つを、代表して示している。

ここで各第一仮想レンズ面２２４０ａは、それぞれ個別に対応するいずれかの光軸Ａｃを第一光軸Ａｆ１として定めるように、仮想的に規定されている。また、第二実施形態において各第一仮想レンズ面２２４０ａは、シリンドリカル型の凸レンズ面状に規定されている。これにより各第一仮想レンズ面２２４０ａは、互いに同一のレンズプロファイルとして、それぞれの定める第一光軸Ａｆ１を基準方向Ｘに挟んで線対称形となるプロファイルを、有している。それと共に各第一仮想レンズ面２２４０ａは、基準方向Ｘに沿う縦断面では、互いに並ぶ第一光軸Ａｆ１と第二光軸Ａｆ２（後に詳述）との間にて少なくとも一階微分且つ二階微分が可能となるように、所定の有効径φｆ１及び曲率Ｃｆ１を有している。尚、各第一仮想レンズ面２２４０ａについては、二階微分まで可能であってもよいし、三階以上の階数での微分まで可能であってもよい。

各組照明単位２０２６の第二レンズ面部２２４１は、複数の第二仮想レンズ面２２４１ａの想定下、それぞれ対応する二つの第二仮想レンズ面２２４１ａから一部分ずつを図６の破線の如く断続的に抽出した形状となるように、形成されている。尚、図６では、照明単位２０２６よりも一つ多い四つの第二仮想レンズ面２２４１ａのうち三つを、代表して示している。

ここで各第二仮想レンズ面２２４１ａは、基準方向Ｘにおける第一光軸Ａｆ１，Ａｆ１間の中央位置に第二光軸Ａｆ２を定めるように、仮想的に規定されている。これより、基準方向Ｘにおいて互いに光軸間距離Δａをあけて平行にのびる各第二光軸Ａｆ２は、当該方向Ｘの両側をのびる第一光軸Ａｆ１，Ａｆ１に対して、それぞれ当該距離Δａの半値分ずつ離間している。即ち各第二光軸Ａｆ２は、基準方向Ｘにおいて両側の第一光軸Ａｆ１，Ａｆ１から、光軸間距離Δａの半値をあけて偏心している。

また、第二実施形態において各第二仮想レンズ面２２４１ａは、シリンドリカル型の凸レンズ面状に規定されている。これにより各第二仮想レンズ面２２４１ａは、互いに同一のレンズプロファイルとして、それぞれの定める第二光軸Ａｆ２を基準方向Ｘに挟んで線対称形となるプロファイルを、有している。それと共に各第二仮想レンズ面２２４１ａは、基準方向Ｘに沿う縦断面では、互いに並ぶ第一光軸Ａｆ１と第二光軸Ａｆ２との間にて少なくとも一階微分且つ二階微分が可能となるように、所定の有効径φｆ２及び曲率Ｃｆ２を有している。尚、各第二仮想レンズ面２２４１ａについても、二階微分まで可能であってもよいし、三階以上の階数での微分まで可能であってもよい。

さらに、第二実施形態において各第二仮想レンズ面２２４１ａは、各第一仮想レンズ面２２４０ａと同一のレンズプロファイルを有している。これにより、各第二仮想レンズ面２２４１ａの有効径φｆ２は、初段レンズ面２２０の有効径φｉよりも大きい範囲にて、各第一仮想レンズ面２２４０ａの有効径φｆ１と等しく設定されている。それと共に、各第二仮想レンズ面２２４１ａの曲率Ｃｆ２は、初段レンズ面２２０の曲率Ｃｉよりも小さい範囲にて、各第一仮想レンズ面２２４０ａの曲率Ｃｆ１と等しく設定されている。

図４〜６に示すように各組照明単位２０２６では、以上の如き第二仮想レンズ面２２４１ａからの第二レンズ面部２２４１の抽出数は、先述した第一仮想レンズ面２２４０ａからの第一レンズ面部２２４０の抽出数に対して、同数となる六つ又八つに設定されている。また図６に示すように、各組照明単位２０２６の基準方向Ｘにおいて、第一仮想レンズ面２２４０ａからの第一レンズ面部２２４０の抽出幅Ｗ１は、第一光軸Ａｆ１に近い第一レンズ面部２２４０ほど広くなっている。一方、各組照明単位２０２６の基準方向Ｘにおいて、第二仮想レンズ面２２４１ａからの第二レンズ面部２２４１の抽出幅Ｗ２は、第二光軸Ａｆ２に近い第二レンズ面部２２４１ほど広くなっている。

さらに図５，６に示すように、各組照明単位２０２６の第一光軸Ａｆ１上では、第一レンズ面部２２４０同士が線対称に隣接している。一方、各組照明単位２０２６を両側に分けている第二光軸Ａｆ２上では、第二レンズ面部２２４１同士が線対称に隣接している。

以上の如き最後段レンズ２０２４を備える各組照明単位２０２６では、上述した各仮想レンズ面２２４０ａ，２２４１ａの設定により、初段レンズ２２よりも小さな正パワーが最後段レンズ２０２４に与えられている。故に第二実施形態においても、同一組の集光レンズ２０２１の中で初段レンズ２２の正パワーが最大となっている。また、各仮想レンズ面２２４０ａ，２２４１ａの設定により各組照明単位２０２６では、初段レンズ２２の焦点距離ｆｉより大きな正の値となるよう、第一仮想レンズ面２２４０ａの焦点距離が図５の如き最後段レンズ２０２４の焦点距離ｆｆとして設定されている。

このような各組照明単位２０２６において、初段レンズ２２から最後段レンズ２０２４まで全段の集光レンズ２０２１を合成した合成レンズの合成焦点Ｐｃに対して、初段レンズ２２の主平面２２４があける間隔Ｇｃは、第一実施形態と同様、式１により表される。また、各組照明単位２０２６では、第一実施形態と同様、式２，３が成立していることにより、初段レンズ２２の光軸Ａｃに沿う方向にて、主平面２２４及び光源２０の間隔Ｇｃが主平面２２４及び合成焦点Ｐｃの間隔Ｇｃ以下となっている。したがって、こうした第二実施形態によると、第一実施形態と同様の作用効果の発揮が可能である。

加えて、第二実施形態によると、各組照明単位２０２６の最後段レンズ２０２４は、少なくとも二階微分の可能な第一仮想レンズ面２２４０ａから一部分ずつ抽出した形状の第一レンズ面部２２４０を、複数有する。故に各組照明単位２０２６では、第一仮想レンズ面２２４０ａの定める第一光軸Ａｆ１としての光軸Ａｃ上に配置された光源２０から、初段レンズ２２を通過した光に対して、各第一レンズ面部２２４０による集光機能を発揮できる。

また加えて、第二実施形態によると、各組照明単位２０２６の最後段レンズ２０２４は、少なくとも一階微分の可能な第二仮想レンズ面２２４１ａから一部分ずつ抽出した形状の第二レンズ面部２２４１として、基準方向Ｘに第一レンズ面部２２４０と交互に配列されるレンズ面部を、複数有する。故に各組照明単位２０２６では、第一光軸Ａｆ１から基準方向Ｘに偏心して第二仮想レンズ面２２４１ａの定める第二光軸Ａｆ２上と、同方向Ｘに並ぶ光軸Ａｆ１，Ａｆ２間とにて、第二レンズ面部２２４１からの出射光を第一レンズ面部２２４０からの出射光に重畳できる。こうした光の重畳機能によれば、各組照明単位２０２６において光源２０の配置される光軸Ａｃとしての第一光軸Ａｆ１上から離間する箇所にあっても、出射光の強度が高められることになる。したがって、表示器５のうち各組照明単位２０２６による照明対象エリアのそれぞれに生じる照明ムラを、低減し得る。

さらに加えて、第二実施形態によると、仮想レンズ面２２４０ａ，２２４１ａから部分抽出したレンズ面部２２４０，２２４１を配列してなる各最後段レンズ２０２４の採用により、それらレンズ２０２４を可及的に薄く形成できる。これによれば、初段レンズ２２及び最後段レンズ２０２４の主平面間距離Ｄを小さくして、当該距離Ｄに応じて決まる間隔Ｇｃ以下の間隔Ｇｌも小さく設定し得る。故に、照明ユニット２の小型化においては特に有利となる。

（他の実施形態）
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。

具体的に、第一及び第二実施形態に関する変形例１では、初段レンズアレイ２２ａの出射面２２ｃに代えて又は加えて、同アレイ２２ａの入射面２２ｂに初段レンズ面２２０を形成してもよい。ここで、出射面２２ｃ及び入射面２２ｂにそれぞれ初段レンズ面２２０を形成する場合、それら各面２２ｃ，２２ｂにて異ならせた基準方向毎に光源２０を複数ずつ並べることにより、二次元配列構造を構築してもよい。

第一及び第二実施形態に関する変形例２では、最後段レンズアレイ２４ａの出射面２４ｃに代えて又は加えて、同アレイ２４ａの入射面２４ｂに最後段レンズ面２４０，２２４２を形成してもよい。ここで、出射面２４ｃ及び入射面２４ｂにそれぞれ最後段レンズ面２４０，２２４２を形成する場合、それら各面２４ｃ，２４ｂにて異ならせた基準方向毎に光源２０を複数ずつ並べることにより、二次元配列構造を構築してもよい。

第一及び第二実施形態に関する変形例３では、各組照明単位２６，２０２６の集光レンズ２１，２０２１については、初段レンズ２２及び最後段レンズ２４，２０２４を少なくとも含んでいれば、三段以上設けてもよい。例えば変形例３では、集光レンズ２１としての中段レンズを初段レンズ２２と最後段レンズ２４，２０２４との間に配置し、それら全段の合成焦点と初段レンズ２２の主平面２２４との間隔Ｇｃ以下に、光源２０と同主平面２２４との間隔Ｇｌを設定してもよい。尚、この場合も、各組照明単位２６，２０２６の中段レンズを、中段レンズアレイとして一体形成してもよい。

第一及び第二実施形態に関する変形例４では、同一組の中で初段レンズ２２よりも後段側の集光レンズ２１（例えば最後段レンズ２４，２０２４）に、最大の正パワーを与えてもよい。また、第一及び第二実施形態に関する変形例５では、各組照明単位２６，２０２６において初段レンズ２２及び最後段レンズ２４，２０２４を含む全段の集光レンズ２１のうち、少なくとも一段の集光レンズ２１を、互いに別体に形成してもよい。

第一及び第二実施形態に関する変形例６では、いずれかの組の照明単位２６，２０２６において、光源２０と共に、初段レンズ２２よりも後段側の集光レンズ２１（例えば最後段レンズ２４，２０２４）を、初段レンズ２２の光軸Ａｃ（第二実施形態では第一光軸Ａｆ１）から偏心させてもよい。例えば、図７に示す第一実施形態の変形例６では、表示器５（図示しない）の画角中心の周辺を通過する周辺主光線Ｒｓ上に全段の集光レンズ２１の主点が配置された複数組の照明単位２６において、光源２０を、初段レンズ２２の光軸Ａｃから基準方向Ｘに偏心させて当該周辺主光線Ｒｓ上に配置している。但し、図７に示す第一実施形態の変形例６では、表示器５（図示しない）の画角中心を通過する中心主光線Ｒｃ上に全段の集光レンズ２１の主点が配置された一組の照明単位２６においてのみ、光源２０を、初段レンズ２２の光軸Ａｃと位置合わせして当該中心主光線Ｒｃ上に配置している。

第二実施形態に関する変形例７では、第一仮想レンズ面２２４０ａのレンズプロファイルと第二仮想レンズ面２２４１ａのレンズプロファイルとを、相異ならせてもよい。例えば変形例７では、第一仮想レンズ面２２４０ａの曲率Ｃｆ１と第二仮想レンズ面２２４１ａの曲率Ｃｆ２とを相異ならせてもよい。あるいは、図８に示す変形例７のように、第一仮想レンズ面２２４０ａとは相異なるレンズプロファイルとして、基準方向Ｘに対して山形に傾斜することにより、基準方向Ｘに沿う縦断面の光軸Ａｆ１，Ａｆ２間にて一階微分までが可能なプリズムレンズ面状に、第二仮想レンズ面２２４１ａを形成してもよい。

第一及び第二実施形態に関する変形例８では、車両８の「表示部材」として、ウインドシールド８１以外の要素、例えばウインドシールド８１の室内側の面に貼りつけた又はウインドシールド８１とは別体に形成されたコンバイナ等を、採用してもよい。また、第一及び第二実施形態に関する変形例９では、車両８以外の船舶乃至は飛行機等の「移動体」に搭載されるＨＵＤ装置１の照明ユニット２に、本発明を適用してもよい。

１ ＨＵＤ装置、２ 照明ユニット、５ 表示器、６ 拡大光学系、８ 車両、１０ 表示像、１０ａ 虚像、２０ 光源、２１，２０２１ 集光レンズ、２２ 初段レンズ、２２ａ 初段レンズアレイ、２４，２０２４ 最後段レンズ、２４ａ，２０２４ａ 最後段レンズアレイ、２６，２０２６ 照明単位、８１ ウインドシールド、９１ 視認領域、２２４，２４４ 主平面、２２４０ 第一レンズ面部、２２４０ａ 第一仮想レンズ面、２２４１ 第二レンズ面部、２２４１ａ 第二仮想レンズ面、Ａｃ 光軸、Ａｆ１ 第一光軸、Ａｆ２ 第二光軸、ｆｆ，ｆｉ 焦点距離、Ｇｃ，Ｇｌ 間隔、Ｐｃ 合成焦点、Ｐｌ 共役位置、Ｘ 基準方向

まず、開示された第一発明は、表示器（５）により形成されて拡大光学系（６）により拡大された表示像（１０）を移動体（８）の表示部材（８１）に投影することにより、当該表示像の虚像（１０ａ）を移動体の室内のうち視認領域（９１）にて視認可能に表示するＨＵＤ装置（１）において、表示器を透過照明して表示像の光を視認領域まで到達させる照明ユニット（２）であって、拡大光学系を挟んで視認領域と共役な共役位置（Ｐｌ）に配置されて光を放射する光源（２０）と、光源からの光を表示器へ向かって集光する複数段の集光レンズ（２１，２０２１）とを、一組の照明単位（２６，２０２６）として、所定の基準方向（Ｘ）に並ぶ複数組の当該照明単位を、備え、各組の照明単位は、光源に最も近接して配置される集光レンズとしての初段レンズ（２２）と、光源から最も離間して配置される集光レンズとしての最後段レンズ（２４，２０２４）とを、少なくとも含み、 各組の前記照明単位において、前記初段レンズから前記最後段レンズまで全段の前記集光レンズを合成した合成レンズの合成焦点（Ｐｃ）を、想定すると、各組の照明単位における初段レンズの頂点を含むように定義される主平面（２２４）は、前記光源との間にあける間隔（Ｇｌ）を、前記合成焦点との間にあける間隔（Ｇｃ）以下に設定されることを特徴とする。

しかも、各組の照明単位における初段レンズの頂点を含むように定義される主平面が光源との間にあける間隔は、いずれも小さな焦点距離の集光レンズを合成した合成レンズの合成焦点との間に、同主平面があける間隔以下となる。これによれば、初段レンズ主平面及び合成焦点の間隔が小さくなるのに応じて、同主平面及び光源の間隔も小さくなる。故に、照明ユニットの体格を小型化しながらも、各光源からの光を視認領域に結像させて照明効率を高めることができる。

各組照明単位２６の初段レンズ面２２０がそれぞれ個別に定める光軸Ａｃ上には、同一組の光源２０が配置されている。これにより、初段レンズ面２２０をそれぞれ有して基準方向Ｘに並ぶ各組照明単位２６の初段レンズ２２同士では、当該方向Ｘにおける光軸間距離Δａが光源２０同士のピッチΔｓと一致している。また、各組照明単位２６において初段レンズ面２２０の主平面２２４は、光軸Ａｃ上の頂点を含むように、定義される。これにより各組照明単位２６では、初段レンズ２２がその光軸Ａｃに沿った一定の間隔Ｇｌを、主平面２２４と光源２０との間に確保している。

各組照明単位２６の最後段レンズ面２４０がそれぞれ個別に定める光軸Ａｃは、同一組における初段レンズ面２２０の光軸Ａｃと一致している。即ち各組照明単位２６では、初段レンズ２２から最後段レンズ２４まで全段の集光レンズ２１に共通となる光軸Ａｃ上に、光源２０が配置されている。また、各組照明単位２６において最後段レンズ面２４０の主平面２４４は、光軸Ａｃ上の頂点を含むように、定義される。これにより各組照明単位２６では、最後段レンズ２４がその光軸Ａｃに沿った一定の主平面間距離Ｄを、主平面２４４，２２４間に確保している。

第一及び第二実施形態に関する変形例６では、いずれかの組の照明単位２６，２０２６において、光源２０と共に、初段レンズ２２よりも後段側の集光レンズ２１（例えば最後段レンズ２４，２０２４）を、初段レンズ２２の光軸Ａｃ（第二実施形態では第一光軸Ａｆ１）から偏心させてもよい。例えば、図７に示す第一実施形態の変形例６では、表示器５（図示しない）の画角中心の周辺を通過する周辺主光線Ｒｓ上に全段の集光レンズ２１の頂点が配置された複数組の照明単位２６において、光源２０を、初段レンズ２２の光軸Ａｃから基準方向Ｘに偏心させて当該周辺主光線Ｒｓ上に配置している。但し、図７に示す第一実施形態の変形例６では、表示器５（図示しない）の画角中心を通過する中心主光線Ｒｃ上に全段の集光レンズ２１の頂点が配置された一組の照明単位２６においてのみ、光源２０を、初段レンズ２２の光軸Ａｃと位置合わせして当該中心主光線Ｒｃ上に配置している。

Claims (7)

1. 表示器（５）により形成されて拡大光学系（６）により拡大された表示像（１０）を移動体（８）の表示部材（８１）に投影することにより、当該表示像の虚像（１０ａ）を前記移動体の室内のうち視認領域（９１）にて視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置（１）において、前記表示器を透過照明して前記表示像の光を前記視認領域まで到達させる照明ユニット（２）であって、
   前記拡大光学系を挟んで前記視認領域と共役な共役位置（Ｐｌ）に配置されて光を放射する光源（２０）と、前記光源からの光を前記表示器へ向かって集光する複数段の集光レンズ（２１，２０２１）とを、一組の照明単位（２６，２０２６）として、所定の基準方向（Ｘ）に並ぶ複数組の当該照明単位を、備え、
   各組の前記照明単位は、前記光源に最も近接して配置される前記集光レンズとしての初段レンズ（２２）と、前記光源から最も離間して配置される前記集光レンズとしての最後段レンズ（２４，２０２４）とを、少なくとも含み、
   各組の前記照明単位において、前記初段レンズから前記最後段レンズまで全段の前記集光レンズを合成した合成レンズの合成焦点（Ｐｃ）を、想定すると、前記初段レンズの主平面（２２４）は、前記光源との間にあける間隔（Ｇｌ）を、前記合成焦点との間にあける間隔（Ｇｃ）以下に設定されることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置の照明ユニット。
2. 各組の前記照明単位において、正パワーが最大となる前記集光レンズは、前記初段レンズであ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の照明ユニット。
3. 各組の前記照明単位は、それぞれ二段ずつ設けられる前記集光レンズとして、最大の正パワーにより前記光源からの光を集光する前記初段レンズと、前記初段レンズを通した前記光源からの光を集光することにより当該光の結像位置を調整する前記最後段レンズとを、含む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の照明ユニット。
4. 各組の前記照明単位（２０２６）において、前記最後段レンズ（２０２４）は、
   第一光軸（Ａｆ１）を第二光軸（Ａｆ２）から前記基準方向に偏心させて定める仮想レンズ面として、同一組の前記照明単位における前記光源が前記第一光軸上に配置され且つ前記基準方向に並ぶ前記第一光軸と前記第二光軸との間にて少なくとも二階微分が可能な第一仮想レンズ面（２２４０ａ）から、一部分ずつ抽出した形状に形成される複数の第一レンズ面部（２２４０）と、
   前記第二光軸を定める仮想レンズ面として、前記基準方向に並ぶ前記第一光軸と前記第二光軸との間にて少なくとも一階微分が可能な第二仮想レンズ面（２２４１ａ）から、一部分ずつ抽出した形状に形成され、前記基準方向において前記第一レンズ面部と交互に配列される複数の第二レンズ面部（２２４１）とを、有することを特徴とする請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置の照明ユニット。
5. 各組の前記照明単位をなす前記初段レンズ同士は、初段レンズアレイ（２２ａ）を構成すると共に、各組の前記照明単位をなす前記最後段レンズ同士は、前記初段レンズアレイに組み合わされる最後段レンズアレイ（２４ａ）を構成することを特徴とする請求項３又は４に記載のヘッドアップディスプレイ装置の照明ユニット。
6. 各組の前記照明単位において、前記光源は、それぞれ前記初段レンズから前記最後段レンズまで全段の前記集光レンズに共通となる光軸（Ａｃ）上に、配置され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ヘッドアップディスプレイ装置の照明ユニット。
7. 表示器（５）により形成されて拡大光学系（６）により拡大された表示像（１０）を移動体（８）の表示部材（８１）に投影することにより、当該表示像の虚像（１０ａ）を前記移動体の室内のうち視認領域（９１）にて視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置（１）であって、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明ユニット（２）と共に、前記表示器及び前記拡大光学系が設けられることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。

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