JP2018146784A - 表示像投影装置および表示像投影システム - Google Patents

Abstract

【課題】虚像表示位置を遠方に配置したり虚像表示画面を大画面化する場合であっても装置の筐体が大型化するのを防止すること。【解決手段】ＨＵＤユニット１０の内部に自由曲面フレネルミラー１３を配置し、表示デバイス１２からの表示光をウインドシールド２０の像投影領域２１に向けて出射する。平面形状の自由曲面フレネルミラー１３が形成する自由曲面により、収差を抑制するための歪み補正機能を持たせる。像投影領域２１にフレネルミラーとして構成した拡大機能付ハーフミラー３０を配置して、拡大機能付ハーフミラー３０に拡大機能を持たせる。大きい曲率を必要とする場合でも自由曲面フレネルミラー１３の厚み方向の寸法が小さいので、ＨＵＤユニット１０を小さい筐体１１に収容できる。ウインドシールド２０側に拡大機能があるので、ＨＵＤユニット１０の表示光出射部１４の間口が小さくなる。【選択図】図１

Description

本発明は、車両などに搭載可能な表示像投影装置および表示像投影システムに関する。

例えば、特許文献１に示されているヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置は、光学ユニットから出射された表示光を、フロントウインドシールドの車室内側表面のうち、所定表示領域に投影してその一部を反射させて運転者のアイポイントへ導く。これにより、フロントウインドシールドの前方に、表示光による画像を虚像として結像し、運転者に視認させることができる。光学ユニットは、ハウジングに内蔵した表示器 、第１反射鏡および第２反射鏡からなる。

また、特許文献１においては、表示画像を拡大する場合に発生する像の歪みを抑制するために、光学系に設けた複数の反射鏡の各反射面の曲率や位置関係に特別な工夫を施すことを示している。

特開２００４−２２６４６９号公報

ところで、ＨＵＤで像を表示する場合には、ＨＵＤ光学系の特性や、その光路に含まれる車両のウインドシールドの曲面形状などの影響で収差が発生する。したがって、鮮明な表示像を得るためには、収差を補正する必要があり、特許文献１に示されているような技術が必要になる。また、一般的には自由曲面を有する非球面レンズや非球面ミラーを光学系の構成要素として採用することにより、収差の補正が可能である。

一方、近年の車両においては、ＨＵＤにおいて運転者の視点からより遠距離の位置に虚像を表示することの必要性や、虚像を表示する画面を大画面化することの必要性が高まっている。そのため、ＨＵＤ光学系に配置されるレンズやミラーの曲率を大きくして像の拡大倍率を上げることや、複数の光学系を並べて配置することが必要になる。

しかしながら、例えば湾曲の大きい非球面ミラーを一部の部品としてＨＵＤユニットの筐体内に収容するためには、非球面ミラーの厚み方向の寸法が大きいので、筐体自体を大型化しなければならない。したがって、車両内の狭い空間内にＨＵＤユニットを搭載することが困難になる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、虚像表示位置を遠方に配置したり、虚像表示画面を大画面化する場合であっても、筐体が大型化するのを避けることが可能な表示像投影装置および表示像投影システムを提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る表示像投影装置および表示像投影システムは、下記（１）〜（５）を特徴としている。
（１） 筐体と、前記筐体内に収容された表示デバイスと、前記筐体内に収容され前記表示デバイスの表示像を所定の方向に出射する投影光学系と、を有する表示像投影装置であって、
前記投影光学系がフレネルミラーを備え、
前記フレネルミラーの表面形状は、前記表示デバイスから所定のアイポイントまでの光路において発生する収差を補正するための自由曲面形状を、複数の領域に分割した状態で形成する、
ことを特徴とする表示像投影装置。

（２） 前記フレネルミラーの表面形状は、前記表示デバイスから前記アイポイントまでの光路において、結像する像を拡大する拡大光学系の機能を有する、
ことを特徴とする上記（１）に記載の表示像投影装置。

（３） 上記（１）に記載の表示像投影装置と、
車両のウインドシールドまたはその近傍に配置され、前記投影光学系が出射した光の像の少なくとも一部分を反射して前記アイポイントに導く第２のフレネルミラーとを備え、
前記第２のフレネルミラーの表面形状は、前記表示デバイスから前記アイポイントまでの光路において、結像する像を拡大する拡大光学系の機能を有する、
ことを特徴とする表示像投影システム。

（４） 前記フレネルミラーの表面形状は、円形又は楕円形状の複数の等高線がほぼ同じ中心位置を基準として並んだ形状を有し、
互いに隣接する前記複数の等高線の間に、円周の一周で深さが一定の凹部および斜面が形成され、前記斜面の角度が、円周方向の位置の違いに応じて変化する、
ことを特徴とする上記（１）に記載の表示像投影装置。

（５） 前記フレネルミラーの表面形状は、円形又は楕円形状の複数の等高線がほぼ同じ中心位置を基準として並んだ形状を有し、
互いに隣接する前記複数の等高線の間に、凹部、および角度が一定の斜面が形成され、前記凹部の深さが、円周方向の位置の違いに応じて連続的に変化する、
ことを特徴とする上記（１）に記載の表示像投影装置。

上記（１）の構成の表示像投影装置によれば、フレネルミラーの表面形状により、表示デバイスから所定のアイポイントまでの光路において発生する収差を補正できるので、鮮明な像を結像することが可能になる。また、虚像表示位置を遠方に配置したり、虚像表示画面を大画面化する場合であっても、フレネルミラーの厚みを大きくしたり大型化する必要はないので、小型の筐体に収容し、車両内の狭い空間に設置することが可能になる。

上記（２）の構成の表示像投影装置によれば、フレネルミラーが拡大光学系の機能を有しているので、外部に拡大用の特別な光学デバイスを設置しなくても、虚像表示位置を遠方に配置したり、虚像表示画面を大画面化することができる。

上記（３）の構成の表示像投影システムによれば、投影光学系が出射した光の像を反射するために平面形状である第２のフレネルミラーを利用するので、車両のウインドシールドの表面形状に顕著な変化をもたらすことなく、ＨＵＤの虚像表示を実現できる。しかも、第２のフレネルミラーが拡大光学系の機能を有しているので、表示像投影装置（本体）の内部に拡大光学系の機能を持たせる必要がない。また、表示像投影装置（本体）の内部に拡大光学系の機能を持たせる場合であっても、その拡大倍率を低下させることができる。そのため、虚像表示位置を遠方に配置したり、虚像表示画面を大画面化する場合であっても、表示像投影装置（本体）が出射する光像が通過する光路の範囲（間口）を狭めることができ、表示像投影装置を車両に搭載することが容易になる。

上記（４）の構成の表示像投影装置によれば、収差を補正するために必要な自由曲面形状を、フレネルミラーの表面に形成できるので、歪補正機能を平面形状のフレネルミラーに持たせることができる。

上記（５）の構成の表示像投影装置によれば、収差を補正するために必要な自由曲面形状を、フレネルミラーの表面に形成できるので、歪補正機能を平面形状のフレネルミラーに持たせることができる。

本発明の表示像投影装置および表示像投影システムによれば、虚像表示位置を遠方に配置したり、虚像表示画面を大画面化する場合であっても、ＨＵＤユニットの筐体が大型化するのを避けることが可能である。すなわち、フレネルミラーは平面形状であり厚みが小さいので、収差の補正のために大きい曲率を必要とする場合であっても小型の筐体に収容できる。また、表示像投影装置と、拡大光学系の機能を有する第２のフレネルミラーとを組み合わせることにより、表示像投影装置が出射する光像が通過する光路の範囲（間口）を狭めることができ、表示像投影装置を車両に搭載することが容易になる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明の実施形態における表示像投影システムの構成および光路を車両の側方から視た状態を表す光路図である。 図２は、図１に示したＨＵＤユニットの内部構造および光路を表す正面図である。 図３（ａ）は自由曲面ミラーの外観の例を示す斜視図、図３（ｂ）は自由曲面フレネルミラーの外観の例を示す斜視図である。 図４（ａ）は自由曲面フレネルミラーの平面形状、厚み方向断面形状、および曲率分布を表す模式図、図４（ｂ）は図４（ａ）中のＡ部の断面形状を表す断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）中のＢ部の断面形状を表す断面図である。 図５は、車両のウインドシールドの内部に組み込んだ拡大機能付ハーフミラーの構成を示す断面図である。 図６は、車両のウインドシールド上の拡大機能付ハーフミラーにおける拡大機能の有無に応じた光路の違いを表す光路図である。 図７は、拡大機能付ハーフミラーの取り付け構造の変形例（１）を示す断面図である。 図８は、拡大機能付ハーフミラーの取り付け構造の変形例（２）を示す断面図である。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

本発明の表示像投影装置および表示像投影システムに関する具体的な実施の形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

（第１実施形態）
まず、構成および動作の概要を説明する。
本発明の実施形態における表示像投影システムの構成の概要および光路を車両の側方から視た状態を図１に示す。また、図１に示したＨＵＤユニット１０の内部構造および光路を図２に示す。

図１に示した表示像投影システムは、車両上で運転者が視認可能なヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）を実現するものである。この表示像投影システムは、ＨＵＤユニット１０と、拡大機能付ハーフミラー３０とを備えている。

ＨＵＤユニット１０は、例えば車両の運転席前方のダッシュボード内に固定した状態で設置される。ＨＵＤユニット１０が表示光出射部１４から出射される表示光は、ダッシュボードの開口部を経由し、光路５２を通って上方にある車両のウインドシールド（窓ガラス）２０の像投影領域２１に導かれる。

図１に示した例では、ウインドシールド２０の像投影領域２１に拡大機能付ハーフミラー３０が組み込まれている。光路５２を通ってウインドシールド２０に入射した表示光は、拡大機能付ハーフミラー３０の表面で一部が反射して、光路５３を通り、運転手の眼の位置に相当するアイポイントＥＰに向かう。

したがって、この車両の運転手がウインドシールド２０の像投影領域２１の方向を視ている場合には、ウインドシールド２０よりも前方の虚像表示位置Ｐ１に存在するかのように結像される虚像４０を視認することができる。虚像４０として表示される可視情報は、ＨＵＤユニット１０が生成した表示像であり、ＨＵＤユニット１０内の表示デバイス１２の画面に表示された内容と同等の可視像である。

また、拡大機能付ハーフミラー３０は一部の光を透過するので、運転者は像投影領域２１の方向を視ているときに、虚像４０の他に、車両外部の様々な情景を虚像４０と重なった状態で視認することができる。

本実施形態では、拡大機能付ハーフミラー３０が光学的な拡大機能を有しているので、運転者はＨＵＤユニット１０が出射した光像に比べて拡大された虚像４０を視認することになる。したがって、ＨＵＤ表示の大画面化が可能になる。

図２に示した構成においては、ＨＵＤユニット１０の筐体１１の内部に、表示デバイス１２、および自由曲面フレネルミラー１３が備わっている。表示デバイス１２は、例えば二次元画面を有する液晶表示パネルや、有機ＥＬ表示パネルとして構成される。また、表示デバイス１２はバックライトのような照明機能を備えている。そのため、表示デバイス１２は、その表示画面上に表示した二次元の可視情報を含む光の像を出射することができる。

表示デバイス１２が出射した光の像は、光路５１を通り、自由曲面フレネルミラー１３の表面に入射する。自由曲面フレネルミラー１３は、入射した光の像を表面で反射して、ＨＵＤユニット１０の表示光出射部１４から出射する。

なお、表示デバイス１２と自由曲面フレネルミラー１３の間の光路中に図示しない折り返しミラーを配置してもよい。このような折り返しミラーを設けることにより、表示デバイス１２および自由曲面フレネルミラー１３の各々を配置する位置の自由度が高くなる。

＜収差の説明＞
ところで、図１に示したような表示像投影システムにおいては、様々な収差が発生する可能性がある。この収差の影響で、運転者が虚像４０として視認する可視像に、色のにじみ、ぼやけ、歪みなどが生じる。実際には、ＨＵＤユニット１０内部の光学系各部で発生する収差や、ウインドシールド２０の反射面の曲面形状等に起因する収差などが想定される。したがって、運転者が鮮明な表示像を視認できるように、上記収差の発生を回避する必要がある。

図２に示したＨＵＤユニット１０においては、上記収差の発生を回避するための歪補正機能を、自由曲面フレネルミラー１３が備えている。自由曲面フレネルミラー１３は、自由曲面として形成された反射面を有しているので、反射面の領域毎に適切な曲率を適用することにより、様々な収差の原因となる歪みを補正することができる。

但し、一般的な自由曲面ミラーの場合には、薄板状に形成した場合であっても、その全体が湾曲した形状になるため、厚み方向の全体の寸法が大きくなるのは避けられない。そのため、一般的な自由曲面ミラーをＨＵＤユニット１０の筐体１１に収容するためには、筐体１１を大型化せざるを得ない。特に、拡大倍率が高い場合や、虚像４０を遠方に結像させるような場合には、大きな曲率を実現するために自由曲面ミラーの湾曲が大きくなり、厚み方向の寸法が大きくなる。

本実施形態の自由曲面フレネルミラー１３は、自由曲面ミラーと同等の歪補正機能を、平面形状のフレネルミラーとして実現したものである。自由曲面フレネルミラー１３の詳細については以下の通りである。

＜外観の説明＞
自由曲面ミラー１９の外観の例を図３（ａ）に示し、自由曲面フレネルミラー１３の外観の例を図３（ｂ）に示す。

図３（ａ）に示した自由曲面ミラー１９においては、薄板状のミラー材料を厚み方向（Ｘ方向）に曲げて湾曲させることにより自由曲面形状の反射面１９ｂを形成してある。図３（ａ）に示した各等高線１９ａは、厚み方向の高さが等しい位置同士を結んだ線であり、実際には見えない架空の線である。

反射面１９ｂが湾曲しているので、図３（ａ）に示したように、各等高線１９ａは複数の楕円のような形状が同心円状に並んだ状態になる。実際には、反射面１９ｂの微少な領域毎に曲率を調整することにより、所定の自由曲面を形成することができる。また、この自由曲面をＨＵＤユニット１０等の光学系の光路中に配置することにより、収差を補正することができる。

但し、自由曲面ミラー１９の材料が薄板状であっても、反射面１９ｂが湾曲しているので、自由曲面ミラー１９全体の厚み方向の寸法Ｓｘは図３（ａ）に示したように大きくなる。特に、自由曲面ミラー１９の曲率が大きくなると、寸法Ｓｘも増大する。そして、このような自由曲面ミラー１９をもしもＨＵＤユニット１０に内蔵する場合には、寸法Ｓｘに応じて筐体１１を大型化する必要がある。

そこで、本実施形態では、虚像４０の歪み補正を行う目的で、自由曲面ミラー１９の代わりに、図３（ｂ）に示した自由曲面フレネルミラー１３をＨＵＤユニット１０に内蔵している。図３（ｂ）に示した自由曲面フレネルミラー１３は、湾曲しておらず平面形状なので、厚み方向の寸法はごく僅かである。したがって、自由曲面フレネルミラー１３は小さい筐体１１に容易に収容できる。

図３（ｂ）に示したように、自由曲面フレネルミラー１３の表面にも、自由曲面ミラー１９と同じような等高線１３ａが形成されている。自由曲面フレネルミラー１３上の各等高線１３ａは、自由曲面フレネルミラー１３の表面に形成されている凹凸形状の頂部又は底部を結んだ線として実際に視ることができる。また、自由曲面フレネルミラー１３は湾曲しておらず平面（平板）形状なので、各等高線１３ａの高さは、自由曲面ミラー１９の等高線１９ａとは異なる。

自由曲面ミラー１９と機能的に同等の自由曲面を自由曲面フレネルミラー１３の表面に形成するために、目的とする自由曲面を複数の領域に分割し、分割された複数領域の曲面を平面上に並べることでフレネルミラーを構成している。
＜具体的な構造の説明＞
自由曲面フレネルミラー１３の平面形状１５、厚み方向断面形状１６、および曲率分布１７を互いに対応付けた状態で図４（ａ）に模式的に示す。また、図４（ａ）中のＡ部の断面形状を図４（ｂ）に示し、図４（ａ）中のＢ部の断面形状を図４（ｃ）に示す。

図４（ａ）に示す平面形状１５のように、自由曲面フレネルミラー１３の表面（フレネル面）には、図３（ｂ）に示した等高線１３ａと同じように、同心状の複数の円又は楕円に似た模様が現れている。これらの模様は、図４（ａ）に示す厚み方向断面形状１６に現れているような鋸歯状の凹部１６ａに相当する。

実際には、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すように、微少なプリズム部１３ｂが互いに隣接する等高線１３ａの間にそれぞれ形成されている。また、各プリズム部１３ｂは斜面１３ｃおよび厚み方向に延びる垂直壁１３ｄを有している。

自由曲面を形成する各プリズム部１３ｂの形状および特性は、斜面１３ｃの傾斜角度（θ１、θ２等）、および垂直壁１３ｄの高さ（すなわち、凹部の深さ：サグ量Δｘ）で特定することができる。

図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示した自由曲面フレネルミラー１３においては、フレネル面を次に示す「仕様１」の条件に適合するように形成してある。なお、「仕様１」の代わりに「仕様２」を採用してもよい。

＜フレネル面形状の「仕様１」＞
（１）フレネル面において、垂直壁１３ｄの高さ（Δｘ）は一様ではなく、領域毎に変化する。
（２）楕円状の１つの等高線１３ａの円周方向の１周については、垂直壁１３ｄの高さ（Δｘ）は一定である。
（３）フレネル面において、斜面１３ｃの傾斜角度（θ１、θ２等）は、円周方向の位置の違いに応じて連続的に変化する。例えば、図４（ｂ）に示した位置の最外周のプリズム部１３ｂの傾斜角度（θ１）と、図４（ｃ）に示した位置の傾斜角度（θ２）とは同一ではない。

＜フレネル面形状の「仕様２」＞
（１）フレネル面において、垂直壁１３ｄの高さ（Δｘ）は一様ではなく、領域毎に変化する。
（２Ｂ）フレネル面の各プリズム部１３ｂにおいて、垂直壁１３ｄの高さ（Δｘ）は、円周方向の位置の違いに応じて連続的に変化する。
（３Ｂ）フレネル面の各プリズム部１３ｂにおいて、斜面１３ｃの傾斜角度は、楕円状の１つの等高線１３ａの円周方向の１周については一定である。

上記の「仕様１」又は「仕様２」の条件に従ってフレネル面を形成することにより、自由曲面と光学的に同等の機能を果たす自由曲面フレネルミラー１３を構成することができる。例えば、図４（ａ）に示す曲率分布１７のように、位置に応じて曲率および曲率半径（Ｒ１、Ｒ２）が変化する。これにより、収差の発生を抑制するための歪み補正機能を持たせることができる。

次に、拡大機能付ハーフミラー３０について詳細に説明する。
車両のウインドシールドの内部に組み込んだ拡大機能付ハーフミラー３０の構成例を図５に示す。

図５に示した拡大機能付ハーフミラー３０は、前述の自由曲面フレネルミラー１３と似た構造のフレネルミラーとして構成されている。但し、ウインドシールド２０の像投影領域２１においても運転者の視点位置からウインドシールド２０の外側の情景がガラスを透過して見えるように、拡大機能付ハーフミラー３０の表面（光反射面３１）はハーフミラーとして構成されている。

また、本実施形態では、拡大機能付ハーフミラー３０のフレネルミラーは表示像を光学的に拡大する機能を有し、歪み補正機能を有していない場合を例に説明しているが、第３実施形態に記載するように、自由曲面フレネルミラー１３と拡大機能付ハーフミラー３０の両方に歪み補正機能を持たせてもよい。また、拡大機能付ハーフミラー３０のフレネルミラーについては、自由曲面フレネルミラー１３のような自由曲面ではなく、一般的な構造のフレネルミラーを採用してもよい。また、ハーフミラーとして機能するように、拡大機能付ハーフミラー３０を構成する主な材料として、透明な樹脂、又はガラスを採用している。

図５に示した例では、車両のウインドシールド２０は２枚のガラス２０ａ、２０ｂと、それらに挟まれた中間膜２０ｃとで構成されている。そして、拡大機能付ハーフミラー３０は、中間膜２０ｃの一部分としてウインドシールド２０の内部に組み込まれている。

拡大機能付ハーフミラー３０は上述のようにフレネルミラーとして構成されているので、厚みが薄い平面形状（平板形状）であり、ウインドシールド２０の内部に容易に収容することができる。また、拡大機能付ハーフミラー３０の光反射面３１とガラス２０ａとの間の空いている空間は、ガラス２０ａと屈折率が同等の透明な樹脂等を充填することにより封止される。これにより、余分な反射や屈折の発生を防止できる。

＜ウインドシールド２０上の拡大機能の有無の影響＞
車両のウインドシールド上の拡大機能付ハーフミラー３０における拡大機能の有無に応じた光路の違いを図６に示す。

図１に示した表示像投影システムにおいて、虚像４０として同じ位置に同じ大きさの像を結像する条件の下で、拡大機能付ハーフミラー３０が拡大機能を有しない場合の光路５２Ａと、拡大機能付ハーフミラー３０が拡大機能を有する場合の光路５２Ｂとの間には、図６に示すような違いがある。すなわち、ＨＵＤユニット１０の表示光出射部１４近傍の光路５２Ａの光路幅Ｌ１と、光路５２Ｂの光路幅Ｌ２との関係が（Ｌ２＜Ｌ１）になる。

したがって、拡大機能付ハーフミラー３０の拡大機能をウインドシールド２０に設けることで、表示光出射部１４に相当するダッシュボードの開口部、すなわち間口を小さくすることが可能になり、ＨＵＤユニット１０の筐体１１も小型化できる。更に、ＨＵＤユニット１０内の各種光学部品の各々に必要とされる有効面積を小さくできるので、部品の小型化および筐体１１の小型化が可能になる。

＜拡大機能付ハーフミラー３０の変形例（１）＞
拡大機能付ハーフミラーの取り付け構造の変形例（１）を図７に示す。
図７に示した拡大機能付ハーフミラー３０Ｂは、上述の拡大機能付ハーフミラー３０と同等の形状および機能を有しているがウインドシールド２０への取り付け構造が異なっている。

すなわち、図７の拡大機能付ハーフミラー３０Ｂは、ウインドシールド２０の車室内側のガラス２０ａの表面に貼り付けた状態で取り付けてある。また、拡大機能付ハーフミラー３０Ｂはそのフレネル面（反射面３１Ｂ）がガラス２０ａの表面と対向する状態で配置してある。更に、拡大機能付ハーフミラー３０Ｂは、そのフレネル面とガラス２０ａの表面との間に形成されたＵＶ硬化樹脂層３２によりウインドシールド２０に接着され固定されている。ＵＶ硬化樹脂層３２は、拡大機能付ハーフミラー３０Ｂのフレネル面の凹部にも充填されている。また、余分な屈折や反射の発生を防止するために、ＵＶ硬化樹脂層３２は、屈折率がガラス２０ａと同等の材料で構成されている。

図７に示した取り付け構造を採用する場合には、ウインドシールド２０を製造した後で、その外側に必要に応じて拡大機能付ハーフミラー３０Ｂを貼り付けることができるので、後付けが可能である。

＜拡大機能付ハーフミラー３０の変形例（２）＞
拡大機能付ハーフミラーの取り付け構造の変形例（２）を図８に示す。
図８に示した拡大機能付ハーフミラー３０Ｃは、上述の拡大機能付ハーフミラー３０と同等の形状および機能を有しているがウインドシールド２０への取り付け構造が異なっている。

すなわち、図８の拡大機能付ハーフミラー３０Ｃは、ウインドシールド２０の車室内側のガラス２０ａの表面に貼り付けた状態で取り付けてある。また、拡大機能付ハーフミラー３０Ｃはそのフレネル面（反射面３１Ｂ）の反対側の面（背面）がガラス２０ａの表面と対向する状態で配置してあり、拡大機能付ハーフミラー３０Ｃの背面とガラス２０ａの表面との間は、透明な接着剤を用いて接着してある。

また、拡大機能付ハーフミラー３０Ｃのフレネル面（反射面３１Ｃ）の凹部を含む表面には透明なシール用樹脂３３を満たして平面状に形成してある。これにより、フレネル面の凹凸が外側に露出しないので、保護することができる。

図８に示した取り付け構造を採用する場合には、ウインドシールド２０を製造した後で、その外側に必要に応じて拡大機能付ハーフミラー３０Ｃを貼り付けることができるので、後付けが可能である。

（第２実施形態）
図１に示した前述の表示像投影システムにおいては、自由曲面フレネルミラー１３が歪み補正機能を有し、拡大機能付ハーフミラー３０が拡大機能を有しているが、第２実施形態では、自由曲面フレネルミラー１３が歪み補正機能の他に拡大機能も有している。

したがって、第２実施形態では、自由曲面フレネルミラー１３と、拡大機能付ハーフミラー３０との両方で像を光学的に拡大することができる。図示しないが、拡大機能を付与するために、第２実施形態における自由曲面フレネルミラー１３はフレネル面の曲率分布状態が第１実施形態とは異なる状態になる。第２実施形態における拡大機能付ハーフミラー３０の機能および構造は第１実施形態と同様である。

第２実施形態では、自由曲面フレネルミラー１３と拡大機能付ハーフミラー３０の両方に拡大機能を持たせているので、自由曲面フレネルミラー１３および拡大機能付ハーフミラー３０の各々のフレネル面における曲率をあまり大きくしなくても、虚像４０として大きな像を結像させることが可能になる。そのため、ＨＵＤ表示を大画面化する場合であっても、自由曲面フレネルミラー１３および拡大機能付ハーフミラー３０製造が比較的容易になる。

また、第２実施形態においても、拡大機能付ハーフミラー３０が拡大機能を有しているので、ＨＵＤユニット１０から出射される光像の光路５２の光路幅Ｌ２が小さくなり、ＨＵＤユニット１０の小型化が可能である。

（第３実施形態）
図１に示した前述の表示像投影システムにおいては、自由曲面フレネルミラー１３が歪み補正機能を有し、拡大機能付ハーフミラー３０が拡大機能を有しているが、第３実施形態では、自由曲面フレネルミラー１３および拡大機能付ハーフミラー３０の各々が、歪み補正機能と、拡大機能との両方を有している。

したがって、第３実施形態では、自由曲面フレネルミラー１３と、拡大機能付ハーフミラー３０との両方で像を光学的に拡大し、両方で歪み補正を行うことができる。図示しないが、拡大機能を付与するために、第３実施形態における自由曲面フレネルミラー１３はフレネル面の曲率分布状態が第１実施形態とは異なる状態になる。

また、前述の拡大機能付ハーフミラー３０はフレネルミラーとして構成してあるので、フレネル面の形状を工夫することにより、前述の自由曲面フレネルミラー１３の場合と同じように、光学的に自由曲面と同じ機能を有するフレネル面を形成することができる。そして、この自由曲面により歪み補正機能を拡大機能付ハーフミラー３０にも付与することができる。

具体例として、自由曲面フレネルミラー１３の歪み補正機能については、ＨＵＤユニット１０の内部で発生する収差の原因のみを補正するための機能を持たせる。また、拡大機能付ハーフミラー３０の歪み補正機能については、ウインドシールド２０の曲面形状などに起因して発生する収差を補正するための機能を持たせる。

このように、システム全体の歪み補正機能を自由曲面フレネルミラー１３と拡大機能付ハーフミラー３０の両方に分担させることにより、自由曲面フレネルミラー１３の種類が増えるのを避けることができる。例えば、車両の車種の違いに対応した歪み補正機能の変化を、拡大機能付ハーフミラー３０の自由曲面形状の変化で吸収することにより、共通の形状の自由曲面フレネルミラー１３を全ての車種で使用することが可能になる。

ここで、上述した本発明に係る表示像投影装置および表示像投影システムの実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］〜［５］に簡潔に纏めて列記する。
［１］ 筐体（１１）と、前記筐体内に収容された表示デバイス（１２）と、前記筐体内に収容され前記表示デバイスの表示像を所定の方向に出射する投影光学系と、を有する表示像投影装置（ＨＵＤユニット１０）であって、
前記投影光学系がフレネルミラー（自由曲面フレネルミラー１３）を備え、
前記フレネルミラーの表面形状は、前記表示デバイスから所定のアイポイント（ＥＰ）までの光路（５１，５２，５３）において発生する収差を補正するための自由曲面形状を、複数の領域に分割した状態で形成する（図４参照）、
ことを特徴とする表示像投影装置。

［２］ 前記フレネルミラー（自由曲面フレネルミラー１３）の表面形状は、前記表示デバイスから前記アイポイントまでの光路において、結像する像を拡大する拡大光学系の機能を有する、
ことを特徴とする上記［１］に記載の表示像投影装置。

［３］ 上記［１］に記載の表示像投影装置（ＨＵＤユニット１０）と、
車両のウインドシールド（２０）またはその近傍に配置され、前記投影光学系が出射した光の像の少なくとも一部分を反射して前記アイポイントに導く第２のフレネルミラー（拡大機能付ハーフミラー３０）とを備え、
前記第２のフレネルミラーの表面形状は、前記表示デバイスから前記アイポイントまでの光路において、結像する像を拡大する拡大光学系の機能を有する、
ことを特徴とする表示像投影システム。

［４］ 前記フレネルミラー（自由曲面フレネルミラー１３）の表面形状は、円形又は楕円形状の複数の等高線（１３ａ）がほぼ同じ中心位置を基準として並んだ形状を有し（図３（ｂ），図４（ａ）参照）、
互いに隣接する前記複数の等高線の間に、円周の一周で深さが一定の凹部および斜面（１３ｃ）が形成され、前記斜面の角度（θ１，θ２）が、円周方向の位置の違いに応じて変化する（前記「仕様１」に相当）、
ことを特徴とする上記［１］に記載の表示像投影装置。

［５］ 前記フレネルミラー（自由曲面フレネルミラー１３）の表面形状は、円形又は楕円形状の複数の等高線がほぼ同じ中心位置を基準として並んだ形状を有し、
互いに隣接する前記複数の等高線の間に、凹部、および角度が一定の斜面が形成され、前記凹部の深さが、円周方向の位置の違いに応じて連続的に変化する（前記「仕様２」に相当）、
ことを特徴とする上記［１］に記載の表示像投影装置。

１０ ＨＵＤユニット
１１ 筐体
１２ 表示デバイス
１３ 自由曲面フレネルミラー
１３ａ，１９ａ 等高線
１３ｂ プリズム部
１３ｃ 斜面
１３ｄ 垂直壁
１４ 表示光出射部
１５ 平面形状
１６ 厚み方向断面形状
１７ 曲率分布
１９ 自由曲面ミラー
２０ ウインドシールド
２０ａ，２０ｂ ガラス
２０ｃ 中間膜
２１ 像投影領域
３０ 拡大機能付ハーフミラー
３１ 光反射面
３２ ＵＶ硬化樹脂層
３３ シール用樹脂
４０ 虚像
５１，５２，５３ 光路
Ｐ１ 虚像表示位置
Ｒ１，Ｒ２ 曲率半径
ＥＰ アイポイント

Claims (5)

1. 筐体と、前記筐体内に収容された表示デバイスと、前記筐体内に収容され前記表示デバイスの表示像を所定の方向に出射する投影光学系と、を有する表示像投影装置であって、
   前記投影光学系がフレネルミラーを備え、
   前記フレネルミラーの表面形状は、前記表示デバイスから所定のアイポイントまでの光路において発生する収差を補正するための自由曲面形状を、複数の領域に分割した状態で形成する、
   ことを特徴とする表示像投影装置。
2. 前記フレネルミラーの表面形状は、前記表示デバイスから前記アイポイントまでの光路において、結像する像を拡大する拡大光学系の機能を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の表示像投影装置。
3. 請求項１に記載の表示像投影装置と、
   車両のウインドシールドまたはその近傍に配置され、前記投影光学系が出射した光の像の少なくとも一部分を反射して前記アイポイントに導く第２のフレネルミラーとを備え、
   前記第２のフレネルミラーの表面形状は、前記表示デバイスから前記アイポイントまでの光路において、結像する像を拡大する拡大光学系の機能を有する、
   ことを特徴とする表示像投影システム。
4. 前記フレネルミラーの表面形状は、円形又は楕円形状の複数の等高線がほぼ同じ中心位置を基準として並んだ形状を有し、
   互いに隣接する前記複数の等高線の間に、円周の一周で深さが一定の凹部および斜面が形成され、前記斜面の角度が、円周方向の位置の違いに応じて変化する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の表示像投影装置。
5. 前記フレネルミラーの表面形状は、円形又は楕円形状の複数の等高線がほぼ同じ中心位置を基準として並んだ形状を有し、
   互いに隣接する前記複数の等高線の間に、凹部、および角度が一定の斜面が形成され、前記凹部の深さが、円周方向の位置の違いに応じて連続的に変化する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の表示像投影装置。
   

Images