JP2019045605A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】虚像を１０インチ以上の大画面サイズで、高輝度、高画質に表示でき、しかも装置の大型化を回避したヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】発光源１と表示面２とを有し前記発光源１からの光を前記表示面２の各点から画像光Ｌ０として出射させる表示装置９と、前記表示面２を拡大するレンズ系３を含む光学系４と、を具備し、さらに、前記画像光Ｌ０が前記光学系を通過後ウインドシールド５で反射した光である反射画像光Ｌ２による虚像を目視する運転者の両目位置に設定した固定絞り６を、前記反射画像光Ｌ２のほぼ全部が通過するように、前記画像光Ｌ０の主光線方向からの拡散角を制御する拡散手段７、または、前記拡散手段７に加えて前記画像光Ｌ０の主光線方向を制御する主光線変向手段８を、前記表示装置９の発光源１と表示面２との間に具備した。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の車両（以下、単に車両ともいう）の運転上必要な諸情報を、ウインドシールドの前方視野内に光学的な虚像として映し出し運転者に視認させるいわゆるヘッドアップディスプレイの分野において、特に、運転者の両目位置の空間に固定絞り（前記虚像を作る光を通過させる開口領域）を設定し、表示装置から放射される画像光が、前記ウインドシールドで反射し、この反射光のほぼすべてが前記固定絞りを通過するようにして、前記ウインドシールドの前方視野内に均一な明るさで高輝度の虚像を表示する、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

自動車の自動運転技術の実用化に伴い、自動運転の情報を運転者に安全に伝える手段として、ヘッドアップディスプレイのニーズが高まっている。従来、種々のヘッドアップディスプレイが提案されているが、ウインドシールド越しにスピードなどの数字や標識などの簡便な図形を表示できるものがほとんどで、虚像の大きさも１０インチ以下と小画面サイズであり、例えば、特許文献１や２に開示されている。

特許文献１には、図８に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１１１の液晶表示装置１１５のバックライト（背面を照射する光）を生成する手段として、液晶パネル１１８の入射側に設置したＬＥＤ発光源１２２からの光をコンデンサレンズ１２１で集め、この集めた光をレンチキュラーレンズ１２０で縦方向と横方向に拡散させ、この拡散により拡がった光を、集光レンズ１１９で集光して、液晶パネル１１８の背面へ入射させるという簡単な構成のバックライト出射手段１６０が開示されている。液晶パネル１１８から出射した画像光Ｌ１は、凹面鏡１３０で反射され、ウインドシールド（図示せず）で反射されて運転者（図示せず）の目に届く。
また、特許文献１および２において、拡大した虚像を作る光学的手段は凹面鏡１枚である。
なお、特許文献３には、照明装置が開示しており、後述の本発明の一部において用いられる。

特許第５３５３２０３号公報 特開２００９−１５０９４７号公報 特開２０１７−０９８０８４号公報

しかしながら、近年、ヘッドアップディスプレイへの要望は、数字や図形情報だけでなく、前方や後方の景色の実画像、およびナビゲーション用の地図情報なども、運転者が一瞬で認識できるように表示できる、高輝度で高画質な表示へと変化している。画面サイズも１０インチ乃至１７インチの大画面サイズが要望されている。

ところが、図８のヘッドアップディスプレイ装置の構成では、液晶パネル１１８の大きさが、３〜５インチ程度と小画面サイズであり、レンチキュラーレンズ１２０により輝度均一化を図るために拡散された拡散光の内、中心付近のほぼ輝度均一となる拡散光だけを、集光レンズ１１９で集光してバックライトとして用い、中心付近よりも暗くなる周辺部の光を使用しないで捨てている。このような光の使い方では、大画面サイズになると、無駄に捨てられる光が多くなって、省電力の点で大きな不利益を招くこととなる。

また、特許文献１および２では、虚像を作る光学手段が凹面鏡１枚であるので、収差が問題にならない拡大倍率２倍程度であり、大型（図８に示した従来の５インチの２倍のサイズである１０インチあるいはそれ以上の大画面サイズ）の虚像を実現するには、液晶表示装置の液晶パネルや凹面鏡を大きくする必要があり、装置全体の省電力化・小型化を実現することが難しい。

そこで、本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、虚像を１０インチ以上の大画面サイズで、高輝度、高画質に表示でき、しかも装置の大型化を回避した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。

本発明者は、上記課題を解決するために検討を重ね、その結果、光の無駄をなくすには表示装置のバックライトを周辺部まで輝度均一なものとし、さらに、虚像の均一な輝度を実現するためには、
（ａ）表示装置の表示面の各点から出射される画像光を、ほぼ同じ強さで、かつ表示面に対してほぼ垂直な主光線方向をもつようにすること、かつ、
（ｂ）表示装置の表示面の各点から出射される画像光の主光線方向からの拡散角も、運転者の目の周辺のみにウインドシールドで反射した画像光（反射画像光）が集まるように制御すること、
が重要であることを知見し、本発明をなすに至った。すなわち、本発明は、以下の発明（１）乃至発明（７）のうちの少なくともいずれかである。

発明（１）は、
発光源と表示面とを有し前記発光源からの光を前記表示面の各点から画像光として出射させる表示装置と、
前記表示面を拡大するレンズ系を含む光学系と、
を具備し、さらに、
前記画像光が前記光学系を通過後ウインドシールドで反射した光である反射画像光による虚像を目視する運転者の両目位置に設定した固定絞りを、前記反射画像光のほぼ全部が通過するように、前記表示面の各点から出射する画像光の主光線方向からの拡散角を制御する拡散手段、または、前記拡散手段に加えて前記表示面の各点から出射する画像光の主光線方向を制御する主光線変向手段を、前記表示装置の発光源と表示面との間に具備した
ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置である。

発明（２）は、発明（１）において、
前記発光源をＬＥＤ発光源、前記表示装置を液晶表示装置、前記表示面を液晶パネルとし、
前記液晶表示装置が、前記拡散手段の入射面または前記主光線変向手段の入射面へ、主光線方向が前記液晶パネルとほぼ直角で、前記拡散手段の入射面または前記主光線変向手段の入射面内での輝度がほぼ均一であるバックライトを出射するバックライト出射手段を有し、
前記バックライト出射手段が、
前記ＬＥＤ発光源からの光を入射させ整形して出射させる光整形ロッドと、
前記光整形手段からの光を入射させる複合レンズからなる第１集光光学系と、
前記第１集光光学系からの光を反射させる反射ミラー系からなる第２集光光学系と、
前記第２集光光学系から反射した光を光路変更し、前記バックライトとして出射する反射型プリズムシートと、
を具備したことを特徴とする。

発明（３）は、発明（１）または（２）において、
前記表示面を拡大するレンズ系を、１つまたは複数の凸フレネルレンズとしたことを特徴とする。

発明（４）は、発明（１）〜（３）のいずれか１つにおいて、
前記表示面を拡大するレンズ系を、凸フレネルレンズ、凹フレネルレンズ、および凸フレネルレンズとしたことを特徴とする。

発明（５）は、発明（１）〜（４）のいずれか１つにおいて、
前記表示装置の表示面を画像Ｖ１の表示用と画像Ｖ２の表示用との２分割とし、前記表示面内の画像Ｖ１、Ｖ２から、該画像Ｖ１、Ｖ２とそれぞれ同形で前記表示面に垂直な方向に離間した画像Ｖ１ａ、Ｖ２ａを生成する、平面ミラーとハーフミラーの組み合わせからなる画像位置変換手段を具備したことを特徴とする。

発明（６）は、発明（１）において、
前記表示面をスクリーンの出射面とし、
前記スクリーンは前記拡散手段と、前記主光線変向手段とを、積層または貼合した構造を有し、
前記表示装置が、前記発光源からの光を前記スクリーンの入射面に投射するプロジェクターを具備した
ことを特徴とする。

発明（７）は、発明（１）〜（６）のいずれか１つにおいて、
前記ウインドシールド越しに前記運転者を撮像する撮像手段と、
ネットワークを介して、前記撮像手段の撮像した画像情報を遠隔地に送信し、かつ遠隔地から送信された画像情報を受信し、前記表示装置に表示させる手段と
を有することを特徴とする。

本発明によれば、虚像を１０インチ以上の大画面サイズで、高輝度、高画質に、しかも装置の大型化を伴わずに、表示できるヘッドアップディスプレイ装置が実現するという優れた効果を奏する。

発明（１）の実施形態の１例を示す模式図である。 発明（２）の実施形態の１例を示す模式図である。 発明（３）の実施形態の１例を示す模式図である。 発明（４）の実施形態の１例を示す模式図である。 発明（５）の実施形態の１例を示す模式図である。 発明（６）の実施形態の１例を示す模式図である。 発明（７）の実施形態の１例を示す模式図である 従来のヘッドアップディスプレイ装置の１例を示す模式図である。 発明（２）に係るバックライト出射手段の模式的側面図である。 発明（２）に係るバックライト出射手段の模式的平面図である。

まず、発明（１）の実施形態について説明する。
発明（１）の実施形態では、例えば図１に示すように、発光源１と表示面２とを有し前記発光源１からの光を、例えば光の進路を調整する光路調整手段９０にて前記表示面２の入射側へ到達させ、前記表示面２の各点から画像光Ｌ０として出射させる表示装置９と、前記表示面２を拡大するレンズ系３を含む光学系４とを具備し、さらに、前記光学系４を通過後の前記画像光がウインドシールド５で反射した光である反射画像光Ｌ２による虚像（図示せず）を視認する運転者の両目位置に設定した固定絞り６を、前記反射画像光Ｌ２のほぼ全部（例えば８０％以上）が通過するように、前記表示面２の各点から出射する画像光Ｌ０の主光線方向からの拡散角を制御する拡散手段７、または、前記拡散手段７に加えて前記表示面２の各点から出射する画像光Ｌ０の主光線方向を制御する主光線変向手段８を、前記表示装置の発光源１と表示面２との間に具備している。ここで、「変向」とは進行方向を変えることを意味する（以下同じ）。

図１では、拡散手段７、主光線変向手段８をこの順に、表示面２に近い側から配置する配置順序としているが、この逆の配置順序としてもよい。

発明（１）では、前記拡散手段７あるいはさらに主光線変向手段８を具備したことにより、表示面２の各点から出射した画像光Ｌ０が、表示面２を拡大するレンズ系３を通過後、ウインドシールド５で反射し、反射画像光Ｌ２となって運転者の両目に入り、運転者が、表示面２内の画像の拡大された虚像を見るとき、前記反射画像光Ｌ２のほぼ全部が、運転者の両目位置の空間に設定された固定絞り６を通過することとなり、したがって、無駄に捨てられる光が大幅に削減できて、虚像を高輝度、高画質に表示することができる。また、拡大した虚像を得る原理が、従来の凹面鏡とは違って、表示面２を拡大するレンズ系３であるため、装置全体の大型化を伴わずに虚像を１０インチ以上の大画面サイズで表示できる。

なお、図１では、光学系４が、レンズ系３の入射側で画像光Ｌ０の光路を変向する平面ミラー１０を含んでいるが、この平面ミラー１０は、レンズ系３の入射側で画像光Ｌ０の光路を変向しない場合には、省略することができる。

拡散手段７は、等方性または異方性の拡散フィルムで構成することができる。前記拡散フィルムは、虚像の明るさを確保するために、全光線透過率が約８５％以上のものが好ましく、また、拡散角の制御性の観点から、表面形状に依存した拡散特性を有するいわゆる表面形状依存性の拡散フィルムが好ましい。表面形状依存性とは、表面に設けた凹凸形状に依存する性質を意味する。拡散手段７は、レンチキュラーレンズで構成してもよいが、レンチキュラーレンズは拡散方向が一方向のみであるため、直交２方向の拡散角を制御するには２枚必要である。これに対し、拡散フィルムは１枚で直交２方向の拡散角を制御することができる。

拡散手段７により制御する拡散角の、主光線方向両側の角度範囲は、小さすぎると固定絞り６が運転者の両目位置の空間より小さくなり両目で虚像を同時に見ることができなくなり、大きすぎると固定絞り６が運転者の両目位置の空間より大きくなり、画像光の無駄が多くなるため、固定絞り６の大きさが直径１８〜２０ｃｍ程度になる±１０°〜±３０°が好ましい。

主光線変向手段８は、フレネルレンズで構成することができる。主光線変向手段８により制御する表示面２からの主光線方向の角度範囲は、反射画像光Ｌ２のほぼ全部を固定絞り６を通過するようにするため、表示面２とほぼ直角（例えば９０度±１０度以内）とするのが好ましい。なお、主光線変向手段８がなくても表示面２からの主光線方向が表示面２とほぼ直角であれば、主光線変向手段８は具備しなくてもかまわない。

前記虚像を作る光を通過させる開口領域として設定される固定絞り６の形状は、運転者の両目間の中点を中心とし視線方向に垂直な円または矩形（矩形の長辺が両目間隔方向に平行）の領域とするのが好ましい。なお、矩形の４つの角部に丸みをつけた形状でもよい。人の両目間隔および瞼の開口サイズからすれば、前記円の直径は１８０ｍｍ以上２００ｍｍ以下が好適である。また、前記矩形の長辺は１８０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、短辺は９０ｍｍ以上１００ｍｍ以下が好適である。固定絞り６の設定位置としては、例えば、運転者の視線方向における両目位置の変域の中心位置を採用できる。

設定した固定絞り６に反射画像光Ｌ２のほぼ全部を通過させるような、拡散手段７による画像光Ｌ０の主光線方向からの拡散角の角度値および主光線変向手段８による画像光Ｌ０の主光線方向の角度値は、光学シミュレーションにより導出できる。

例えば、運転者の両目位置がウインドシールド５までの視線方向距離で５００ｍｍの位置であるとし、この位置に直径１８０ｍｍの円形の固定絞り６を設定し、焦点距離が３００ｍｍのレンズ系３が、画面サイズ４．４インチの表示面２を２．８倍に拡大し、ウインドシールドから前方に７９０ｍｍ離れた位置に虚像を作り、主光線変向手段８により画像光Ｌ０の主光線方向を表示面と直角にするとした場合において、反射画像光Ｌ２の全体に対する固定絞り６を通過した分の割合（固定絞り通過率という）が１００％、８０％、６０％となるように拡散手段７により制御した画像光Ｌ０の主光線方向からの拡散角の角度値は、光学シミュレーションでそれぞれ２２度、１９度、１７度と導出される。また、光学シミュレーションにより虚像の輝度（ｃｄ／ｍ^２）も導出でき、前記固定絞り通過率が１００％、８０％、６０％となる場合に光学シミュレーションで導出した虚像の輝度は、固定絞り透過率１００％の場合を１００とした相対値でそれぞれ、１００、４８、３６であり、反射画像光Ｌ２のほぼ全部（８０％以上）が固定絞り６を通過するようにすることで、高輝度の虚像が得られることがわかる。なお、ここでの拡散手段７は、例えば、前記表面形状依存性の拡散フィルムとした。

また、拡大した虚像を作る光学手段が凹面鏡１枚である従来と比べ、当該光学手段がレンズ系３である発明（１）では、グリッドディストーションで評価した同じ拡大倍率の虚像の周辺部の歪みが大幅に軽減し、高画質の虚像が得られることがわかる。ここで、グリッドディストーションとは、格子状の模様を被写体とし、該被写体の光学器械による撮影像とを等倍で重ね合わせて、被写体からの撮影像の歪み具合を捉える手法である。

なお、レンズ系３は、表示面２を１以上の倍率で拡大するレンズ系であり、倍率を１とする場合は、焦点距離が無限大のレンズ（例えば平板ガラス）とするか、あるいは具備せずともよい。

次に、発明（２）の実施形態について説明する。発明（２）の実施形態では、例えば図２に示すように、発明（１）において前記発光源１（図１）をＬＥＤ発光源１１（図２）とし、前記表示装置９（図１）を液晶表示装置９Ａ（図２）とし、前記表示面２（図１）を液晶パネル２Ａ（図２）、詳しくは液晶パネル２Ａの出射面、とした。

前記液晶表示装置９Ａは、前記拡散手段７の入射面または前記主光線変向手段８の入射面へ、主光線方向が前記液晶パネル２Ａとほぼ直角（例えば、９０度±１０度以内）で、前記拡散手段７の入射面内または前記主光線変向手段８の入射面内での輝度がほぼ均一（例えば、前記入射面の全域から周辺部を除いた残りの面積が９０％以上の部分において、光強度の範囲が平均値±２０％以内）であるバックライトを出射するバックライト出射手段２０を有する。

前記バックライト出射手段２０は、特許文献３に開示された照明装置の適用により構成でき、例えば図２のように、前記ＬＥＤ発光源１１からの光を入射させ整形して出射させる光整形ロッド１２と、前記光整形手段からの光を入射させる複合レンズからなる第１集光光学系１３と、前記第１集光光学系からの光を反射させる反射ミラー系からなる第２集光光学系１５と、前記第２集光光学系１５から反射した光を光路変更し、前記バックライトとして出射する反射型プリズムシート１４とを具備する。前記光整形ロッド１２は、光整形ロッド１２内で光を全反射させることにより光整形を行う。光整形ロッド１２の出射側端面は２次元光源になる。

図９、図１０はそれぞれ、バックライト出射手段２０の模式的側面図、模式的平面図であり、第１集光光学系１３の光軸方向をＺ方向とし、前記拡散手段７の入射面（図２）または前記主光線変向手段８の入射面（図２）であるバックライト入射面との直交方向をＹ方向とし、ＹＺ平面との直交方向をＸ方向としている。ＬＥＤ発光源１１から出て光整形ロッド１２で整形され次いで第１集光光学系１３を通過した光である１次光Ｌが第２集光光学系１５で反射して２次光Ｌ_Ｒとなり、２次光Ｌ_Ｒが、反射型プリズムシート１４の所定の光路変更域Ｗｚで光路変更されてバックライトＬｒとなる。このときバックライトＬｒの主光線方向がＹ方向とほぼ一致し、かつバックライト入射面の面内で輝度がほぼ均一となるための好適条件は次の（ア）、（イ）および（ウ）のとおりである。
（ア） 前記光整形ロッド１２の入射側端面の面積を出射側端面（２次元光源）の面積より小とする。
（イ） 前記２次元光源と前記第１集光光学系１３の前方主点の間隔Ｓ１（図１０に示す）と、前記第１集光光学系１３と前記第２集光光学系１５との互いに対向する主点（第１集光光学系１３をなす複合レンズの後側主点と第２集光光学系１５をなす反射ミラー系の前側主点との２つの主点同士）の間隔Ｓ２（図１０に示す）と、前記第１集光光学系１３の焦点距離ｆ１と、前記第２集光光学系１５の焦点距離ｆ２とが、下記（Ａ１）式および（Ａ２）式を満たす。
１/ｆ１＝１/Ｓ１＋１/Ｓ２ ‥‥（Ａ１）
Ｓ２≒ｆ２ ‥‥（Ａ２）
ただし、（Ａ２）式は、ｆ２×０．９≦Ｓ２≦ｆ２×１．１、を意味する。
（ウ） 前記第２集光光学系１５から反射した光（２次光Ｌ_Ｒ）の反射方向が、前記第１集光光学系１３を通過した光（１次光Ｌ）の光軸に対して傾斜する（この傾斜の傾斜角度２θを図９に示す）。前記２θにおいてθ＝０．７度〜４度が好適である。

発明（２）では、前記バックライト出射手段２０を内蔵した液晶表示装置９Ａを具備したことで、主光線変向手段８を具備せずとも、液晶パネル２Ａからの画像光Ｌ０の主光線方向を液晶パネル２Ａにほぼ直角とすることが可能である。

次に、発明（３）の実施形態について説明する。発明（３）の実施形態では、発明（１）または（２）において、前記表示面２を拡大するレンズ系３（図１、図２）を、１つまたは複数の凸フレネルレンズで構成した。これによれば、発明（１）、（２）と比べ、レンズ系３の薄型化およびレンズの収差による画像の歪みの低減が可能である。

発明（３）の１例として、発明（１）において、レンズ系３を２つの凸フレネルレンズ３１、３２で構成し、図３に示した。ここで車両の前後方向をｚ方向、車高方向をｙ方向、車幅方向をｘ方向としている（以下同じ）。図３において例３−１として、４．４インチの画面サイズの表示面２の各点からの画像光Ｌ０が平面ミラー１０で反射後２つの凸フレネルレンズ３１、３２（焦点距離はそれぞれ６００ｍｍ、６００ｍｍ）を通過し、ウインドシールド５で反射してなる反射画像光Ｌ２の１００％が直径１８０ｍｍの固定絞り６を通過して運転者の両目に入り、その際、反射画像光Ｌ２による表示面２の虚像２Ｚが、表示面２の２．８倍の画面サイズとなる設計とした。なお、ウインドシールド５と固定絞り６との中心同士間のｚ方向距離は５００ｍｍとし、ウインドシールド５と虚像２Ｚとの中心同士間のｚ方向距離は７９０ｍｍとした。例３−１では、光学シミュレーションによるスポットダイヤグラム（図示省略）のサイズ（３色光のスポット全部を含む最小の円の直径）は、５ｍｍである。

また、例３−１において前記２つの凸フレネルレンズ３１、３２に代えて１つの凸フレネルレンズ（焦点距離は３０３．６ｍｍ）とした以外は例３−１と同様とした例３−２では、前記スポットダイヤグラムのサイズは６ｍｍである。また、例３−２において前記１つの凸フレネルレンズに代えて１つの凸レンズ（焦点距離は３０３．６ｍｍ）とした以外は例３−２と同様とした例３−３では、前記スポットダイヤグラムのサイズは６ｍｍである。なお、例３−２では凸フレネルレンズ厚みは２．３ｍｍ、例３−３では凸レンズ厚みは２２ｍｍであり、例３−２は例３−３と比べ、レンズ系３が薄型化できている。

次に、発明（４）の実施形態について説明する。発明（４）の実施形態では、発明（１）〜（３）のいずれかにおいて、前記表示面２を拡大するレンズ系３（図１、図２）を、凸フレネルレンズ、凹フレネルレンズ、および凸フレネルレンズで構成した。これによれば、発明（１）〜（３）と比べ、色収差のさらなる低減が可能である。

発明（４）の１例として、発明（１）において、レンズ系３を、凸フレネルレンズ３３、凹フレネルレンズ３４、凸フレネルレンズ３５で構成し、図４に示した。なお、図４では、ｘ、ｙ、ｚの各方向を図３と同様にとった。図４において例４−１として、前記例３−１において凸フレネルレンズ３１、３２（図３）に代えて、凸フレネルレンズ３３、凹フレネルレンズ３４、凸フレネルレンズ３５（図４）とし、これらの各焦点距離を３６０ｍｍ、−３３７ｍｍ、３６０ｍｍとし、これら以外は前記例３−１と同様となる設計とした。

前記例４−１では、前記スポットダイヤグラムのサイズは２．５ｍｍであり、前記例３−１の場合（５ｍｍ）よりも小さい。すなわち前記例４−１では、前記例３−１よりも色収差が低減している。

また、発明（４）では、発明（３）と比べ、同程度の色収差となる条件下で、虚像のサイズをより大きくすることが可能である。

例えば、前記例４−１において、ウインドシールド５と虚像２Ｚとの中心同士間のｚ方向距離を７９０ｍｍとし、凸フレネルレンズ３３、凹フレネルレンズ３４、凸フレネルレンズ３５の各焦点距離を３６０ｍｍ、−３３７ｍｍ、３６０ｍｍとし、これら以外は前記例４−１と同様となる設計とした例４−２では、前記例３−１と比べ、前記スポットダイヤグラムのサイズが同程度（２．５ｍｍ程度）、すなわち色収差が同程度となり、虚像のサイズが約２．４倍の１０．６インチの画面サイズとなる。

次に、発明（５）の実施形態について説明する。発明（５）の実施形態では、発明（１）〜（４）のいずれか１つにおいて、前記表示装置の表示面を画像Ｖ１の表示用と画像Ｖ２の表示用との２分割とし、前記表示面内の画像Ｖ１、Ｖ２から、該画像Ｖ１、Ｖ２とそれぞれ同形で前記表示面に垂直な方向に離間する画像Ｖ１ａ、Ｖ２ａを生成する、平面ミラーとハーフミラーの組み合わせからなる画像位置変換手段を具備した。これによれば、表示面内で離間した２つの画像を運転者の視線方向で離間した２つの虚像として表示できるから、運転者は視線方向に離間した物体を見るときと同様な立体感をもって虚像を見ることができる。

図５に示す発明（５）の実施形態の１例において、表示装置９は、発明（２）に係る液晶表示装置９Ａであり、液晶パネル２Ａが表示面２をなしている。液晶パネル２Ａの入射側の拡散手段７へ、バックライト出射手段２０からバックライトが表示面２とほぼ直角な主光線方向で入射されるため、前記主光線変向手段８（図２）は省略された。前記表示面２を拡大するレンズ系３は発明（３）に係る１つの凸フレネルレンズ３０で構成されている。

図５の例では、表示装置９（液晶表示装置９Ａ）の表示面２（液晶パネル２Ａ）を、ｘ方向に互いに離間した画像Ｖ１の表示用と画像Ｖ２の表示用との２分割とし、画像Ｖ２からの画像光ＬＶ２（画像Ｖ２中心からの出射光で代表した）が、平面ミラー１０ａでの９０度変向する反射、ハーフミラー１７での透過、平面ミラー１０ｂでの９０度変向する反射を、順次経過し、一方、画像Ｖ１からの画像光ＬＶ１（画像Ｖ１中心からの出射光で代表した）が、ハーフミラー１７での９０度変向する反射、平面ミラー１０ｂでの９０度変向する反射を、順次経過するように、前記平面ミラー１０ａ、１０ｂおよび前記ハーフミラー１７を組み合わせた手段を具備している。この手段は、前記画像光ＬＶ１、ＬＶ２のそれぞれ２度の前記反射により、前記表示面２内の画像Ｖ１、Ｖ２から、該画像Ｖ１、Ｖ２とそれぞれ同形で前記表示面に垂直な方向（ｚ方向）に離間した虚像である画像Ｖ１ａ、Ｖ２ａを生成する、いわゆる画像位置変換手段である。画像Ｖ１ａ、Ｖ２ａのｚ方向の離間距離は、画像Ｖ１、Ｖ２のｘ方向の離間距離とほぼ等しい。

さらに、画像光ＬＶ１、ＬＶ２の平面ミラー１０ｂからの反射光をレンズ系３（凸フレネルレンズ３０）に通過させ、次いで平面ミラー１０ｃでｚ方向からｙ方向へ９０度変向する反射をさせて、ウインドシールド（図示せず）へ向かわせることにより、運転者（図示せず）は、ウインドシールド越しに、画像Ｖ１ａ、Ｖ２ａの拡大した虚像を見ることができる。

次に、発明（６）の実施形態について説明する。発明（６）の実施形態では、発明（１）において、前記表示面をスクリーンの出射面とし、前記スクリーンは前記拡散手段と、前記主光線変向手段とを、積層または貼合した構造を有し、前記表示装置が、前記発光源からの光を前記スクリーンの入射面に投射するプロジェクターを具備した。

これによれば、発明（１）に係るヘッドアップディスプレイ装置の表示装置として、液晶表示装置の代わりに、透過型スクリーンとプロジェクターとからなる比較的簡素な構成の装置を用いることができる。

図６に示す発明（６）の実施形態の１例において、前記表示装置９の表示面２はスクリーン４０の出射面である。スクリーン４０は、例えば等方性または異方性の拡散フィルムからなる前記拡散手段７と、例えばフレネルレンズからなる前記主光線変向手段８とを、積層または貼合した構造を有する。前記拡散手段７と前記主光線変向手段８との光路方向位置は互いに交換可能である。前記表示装置９は、前記発光源１からの光を前記スクリーン４０の入射面に投射するプロジェクター４１を具備している。

なお、プロジェクター４１は、元来、スクリーン４０の入射面への入射光の輝度が前記入射面内でほぼ均一になるように設計されているが、前記入射光の主光線方向は放射状であり、前記入射面にほぼ直角とはならない。したがって、発明（２）において前記バックライト出射手段２０を有する液晶表示装置９Ａを用いて前記液晶パネル２Ａへの入射光の主光線方向を前記液晶パネル２Ａにほぼ直角にできて前記主光線変向手段８が省略可能である場合があるのとは違って、発明（６）においては、前記主光線変向手段８は必須である。なお、図６の例では、プロジェクター４１からの光を平面ミラー１０ｄでほぼ９０度変向しているが、このような変向の必要がない場合には平面ミラー１０ｄは省略される。

表示面２から出射した画像光Ｌ０は、発明（１）、（２）の場合と同様、レンズ系３を含む光学系４を通過し、ウインドシールド５で反射し、反射画像光Ｌ２となってそのほぼ全部が固定絞り６を通過し、運転者の両目に達する。

なお、発明（６）に係るレンズ系３は、発明（３）の場合と同様、１つまたは複数の凸フレネルレンズで構成してもよく、また、発明（４）の場合と同様、凸フレネルレンズ、凹フレネルレンズ、および凸フレネルレンズで構成してもよい。

最後に、発明（７）の実施形態について説明する。発明（７）の実施形態では、発明（１）〜（６）のいずれか１つにおいて、前記ウインドシールド越しに前記運転者を撮像する撮像手段と、ネットワークを介して、前記撮像手段の撮像した画像情報を遠隔地に送信し、かつ遠隔地から送信された画像情報を受信し、前記表示装置に表示させる手段とを有する。これによれば、２つの車両のうちいずれか一方の車両の運転者は当該車両のウインドシールド越しに他方の車両の運転者の顔面の虚像を見ることができるから、２つの車両の各運転者同士で、互いに相手の虚像の目を見ながらの対話、すなわち目線一致状態での対話が可能である。

図７に示す発明（７）の実施形態の１例において、運転者Ｄ１、Ｄ２は互いに遠距離を隔てた車両の運転席にいる。運転者Ｄ１、Ｄ２双方の側には、発明（６）の実施形態と同様、前記プロジェクター４１からの光を前記平面ミラー１０ｄで変向し、前記スクリーン４０に入射し、前記スクリーン４０内で、前記主光線変向手段８による主光線方向制御および前記拡散手段７による拡散角制御を経て、前記表示面（スクリーン４０の出射面）から出射し、前記表示面を拡大するレンズ系３を含む光学系４を通過後、前記ウインドシールド５で反射してなる前記反射画像光のほぼ全部が、運転者Ｄ１、Ｄ２の各両目位置に設定しておいた前記固定絞り６を通過するよう構成した、前記プロジェクター４１および前記スクリーン４０を有する表示装置を具備したヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ７という）が設置されている。なお、図７のレンズ系３は１つの凸フレネルレンズで構成した。

運転者Ｄ１、Ｄ２双方の側において、前記ＨＵＤ７は、ウインドシールド５越しに運転者Ｄ１を撮像する例えばデジタルカメラからなる撮像手段４５を具備し、さらに、インターネットなどのネットワーク５００を介して、前記撮像手段４５の撮像した画像情報を遠隔地に送信し、かつ遠隔地から送信された画像情報を受信し、該受信した画像情報を前記ＨＵＤ７の表示装置に表示させる手段であるコミュニケーションユニット４００を有する。

前記ＨＵＤ７によれば、運転者Ｄ１の画像情報を運転者Ｄ２側のＨＵＤ７の表示装置に表示させる場合、運転者Ｄ１側の撮像装置４５による撮像で得られた運転者Ｄ１の画像情報を運転者Ｄ１側のコミュニケーションユニット４００が、ネットワーク５００を介して遠隔地の運転者Ｄ２側のコミュニケーションユニット４００へ送信し、該送信された運転者Ｄ１の画像情報を受信した運転者Ｄ２側のコミュニケーションユニット４００が、前記受信した運転者Ｄ１の画像情報を運転者Ｄ２側のＨＵＤ７の表示装置に表示させる。

また、運転者Ｄ２の画像情報を運転者Ｄ１側のＨＵＤ７の表示装置に表示させる場合も同様で、運転者Ｄ２側の撮像装置４５による撮像で得られた運転者Ｄ２の画像情報を運転者Ｄ２側のコミュニケーションユニット４００が、ネットワーク５００を介して遠隔地の運転者Ｄ１側のコミュニケーションユニット４００へ送信し、該送信された運転者Ｄ２の画像情報を受信した運転者Ｄ１側のコミュニケーションユニット４００が、前記受信した運転者Ｄ２の画像情報を運転者Ｄ１側のＨＵＤ７の表示装置に表示させる。

運転者Ｄ１、Ｄ２の双方がそれぞれの側の撮像手段４５の撮像視野の中心を見るときに、相手と目が合って、視線一致の状態となる。

１ 発光源
２ 表示面
２Ａ 液晶パネル
２Ｚ 虚像
３ レンズ系
４ 光学系
５ ウインドシールド
６ 固定絞り
７ 拡散手段
８ 主光線変向手段
９ 表示装置
９Ａ 液晶表示装置
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 平面ミラー
１１ ＬＥＤ発光源
１２ 光整形ロッド
１３ 第１集光光学系
１４ 反射型プリズムシート
１５ 第２集光光学系
１７ ハーフミラー
２０ バックライト出射手段
３０、３１、３２、３３、３５ 凸フレネルレンズ
３４ 凹フレネルレンズ
４０ スクリーン
４１ プロジェクター
４５ 撮像手段
９０ 光路調整手段
４００ コミュニケーションユニット
５００ ネットワーク
Ｌ０ 画像光
Ｌ２ 反射画像光

Claims (7)

1. 発光源と表示面とを有し前記発光源からの光を前記表示面の各点から画像光として出射させる表示装置と、
   前記表示面を拡大するレンズ系を含む光学系と、
   を具備し、さらに、
   前記画像光が前記光学系を通過後ウインドシールドで反射した光である反射画像光による虚像を目視する運転者の両目位置に設定した固定絞りを、前記反射画像光のほぼ全部が通過するように、前記表示面の各点から出射する画像光の主光線方向からの拡散角を制御する拡散手段、または、前記拡散手段に加えて前記表示面の各点から出射する画像光の主光線方向を制御する主光線変向手段を、前記表示装置の発光源と表示面との間に具備した
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記発光源をＬＥＤ発光源、前記表示装置を液晶表示装置、前記表示面を液晶パネルとし、
   前記液晶表示装置が、前記拡散手段の入射面または前記主光線変向手段の入射面へ、主光線方向が前記液晶パネルとほぼ直角で、前記拡散手段の入射面または前記主光線変向手段の入射面内での輝度がほぼ均一であるバックライトを出射するバックライト出射手段を有し、
   前記バックライト出射手段が、
   前記ＬＥＤ発光源からの光を入射させ整形して出射させる光整形ロッドと、
   前記光整形手段からの光を入射させる複合レンズからなる第１集光光学系と、
   前記第１集光光学系からの光を反射させる反射ミラー系からなる第２集光光学系と、
   前記第２集光光学系から反射した光を光路変更し、前記バックライトとして出射する反射型プリズムシートと、
   を具備した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. 前記表示面を拡大するレンズ系を、１つまたは複数の凸フレネルレンズとしたことを特徴とする請求項１または２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記表示面を拡大するレンズ系を、凸フレネルレンズ、凹フレネルレンズ、および凸フレネルレンズとしたことを特徴とする請求項１〜３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。
5. 前記表示装置の表示面を画像Ｖ１の表示用と画像Ｖ２の表示用との２分割とし、前記表示面内の画像Ｖ１、Ｖ２から、該画像Ｖ１、Ｖ２とそれぞれ同形で前記表示面に垂直な方向に離間した画像Ｖ１ａ、Ｖ２ａを生成する、平面ミラーとハーフミラーの組み合わせからなる画像位置変換手段を具備したことを特徴とする請求項１〜４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。
6. 前記表示面をスクリーンの出射面とし、
   前記スクリーンは前記拡散手段と、前記主光線変向手段とを、積層または貼合した構造を有し、
   前記表示装置が、前記発光源からの光を前記スクリーンの入射面に投射するプロジェクターを具備した
   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。
7. 前記ウインドシールド越しに前記運転者を撮像する撮像手段と、
   ネットワークを介して、前記撮像手段の撮像した画像情報を遠隔地に送信し、かつ遠隔地から送信された画像情報を受信し、前記表示装置に表示させる手段と
   を有することを特徴とする請求項１〜６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。

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