JP2019184920A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】虚像についての位置調整機能と、体格増大の抑制とを両立するＨＵＤ装置を提供する。【解決手段】ＨＵＤ装置は、結像部に画像の表示光を反射させることにより、画像を視認可能に虚像表示する。ＨＵＤ装置は、画像の表示光を投射するプロジェクタユニット１０と、プロジェクタユニット１０が投射した表示光の光束を拡張すると共に、表示光を結像部側へ導く導波路３０と、導波路３０への表示光の入射角を変更する入射角変更部５２と、を備える。【選択図】図１０

Description

この明細書による開示は、ヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置を略称とする）に関する。

従来、結像部に画像の表示光を反射させることにより、画像を視認可能に虚像表示するＨＵＤ装置が知られている。特許文献１に開示のＨＵＤ装置は、画像の表示光を射出する表示光投射部及び当該表示光投射部から射出された表示光を結像部側へ反射する凹面鏡を有している。表示光投射部は、光を拡散する拡散板を有し、凹面鏡は、拡散板により拡散された後の光を反射する。また、凹面鏡を回動する回動機構が設けられている。

特開２０１７−１８１６４５号公報

しかしながら、特許文献１のＨＵＤ装置にて凹面鏡は、拡散板により拡散された後の拡がった状態の光を反射するために、大きな体格を要する。そして、このような凹面鏡を回動させるために、さらに大きな空間が必要となり、ＨＵＤ装置自体の体格も増大してしまう。このように、虚像についての位置調整機能と、体格増大の抑制とを両立することは、困難であった。

開示されるひとつの目的は、虚像についての位置調整機能と、体格増大の抑制とを両立するＨＵＤ装置を提供することにある。

ここに開示された態様は、結像部（３ａ）に画像の表示光を反射させることにより、画像を視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
画像の表示光を投射する表示光投射部（１０）と、
表示光投射部が投射した表示光の光束を拡張すると共に、表示光を結像部側へ導く導波路（３０）と、
導波路への表示光の入射角を変更する入射角変更部（５２）と、を備える。

このような態様によると、入射角変更部は、導波路への表示光の入射角を変更する。すなわち、表示光を結像部側へ導く導波路は、その入射角の変更に対応して表示光の射出角を変更する。この射出角の変更の結果、結像部での表示光の反射位置、延いては結像部に反射された後の表示光の到達範囲を調整することができる。故に、入射角変更部により、虚像についての位置調整機能が円滑に発揮される。

そして、本態様における表示光投射部から投射される表示光の角度変更は、導波路が表示光の光束を拡張する前の光路上にて実施されるので、光束の径が十分に小さな状態で、角度変更することができる。故に、表示光の角度変更のための大型部材や、当該大型部材を動かすための大きな空間を用意することを回避することができる。したがって、ＨＵＤ装置の体格増大を抑制することができる。以上により、虚像についての位置調整機能と、体格増大の抑制とを両立するＨＵＤ装置を提供することができる。

なお、括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。

第１実施形態のＨＵＤ装置の車両への搭載状態を示す図である。 第１実施形態のＨＵＤ装置の斜視図である。 第１実施形態のＨＵＤ装置の上面図である。 第１実施形態のＨＵＤ装置の側面図である。 第１実施形態のプロジェクタユニットを示す図である。 第１実施形態の回折格子構造を説明するための図である。 第１実施形態の拡張ポートにおける回折格子構造を説明するための図である。 第１実施形態の導波路の機能を説明するための図である。 第１実施形態の制御ユニットの構成図である。 第１実施形態の導波路への入射角の変更を説明するための図である。 第１実施形態の制御ユニットによるフローチャートである。 第２実施形態のホログラム素子を説明するための図である。 第３実施形態のＨＵＤ装置の側面図である。 第４実施形態のプロジェクタユニットを示す図である。 第５実施形態のＨＵＤ装置の側面図である。 第６実施形態の画像素子を示す図である。 変形例５のハーフミラー型導波路を示す図である。

以下、複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、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１実施形態）
図１に示すように、本開示の第１実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置１００は、車両１に用いられ、当該車両１のインストルメントパネル２内に収容されることにより、当該車両１に搭載されている。ＨＵＤ装置１００は、車両１のウインドシールド３に設定された結像部３ａへ向けて画像の表示光を射出する。これによりＨＵＤ装置１００は、画像を、視認者としての乗員により視認可能に虚像表示する。すなわち、結像部３ａにて反射される画像の表示光が、車両１の室内に設定された視認領域ＥＢに到達することにより、視認領域ＥＢにアイポイントＥＰが位置する乗員が当該表示光を虚像ＶＲＩとして知覚する。そして、乗員は、虚像ＶＲＩとして表示される各種情報を認識することができる。虚像表示される各種情報としては、例えば車速、燃料残量等の車両１の状態を示す情報、又は視界補助情報、道路情報等のナビゲーション情報が挙げられる。

以下において、特に断り書きが無い限り、前方、後方、前後方向、上方、下方、上下方向、左方、右方、及び左右方向の表記は、水平面ＨＰ上の車両１を基準として記載される。

車両１のウインドシールド３は、例えばガラスないしは合成樹脂により透光性の板状に形成され、インストルメントパネル２よりも上方に配置されている。ウインドシールド３は、下方から上方へ向かう程、より後方となるように傾斜して配置されている。ウインドシールド３は、画像が投影される結像部３ａを、滑らかな凹面状又は平面状に形成している。なお、結像部３ａは、ウインドシールド３に設けられていなくてもよい。例えば車両１と別体となっているコンバイナを車両１内に設置して、当該コンバイナに結像部３ａが設定されていてもよい。

視認領域ＥＢは、ＨＵＤ装置１００により表示される虚像ＶＲＩが所定の規格（例えば虚像ＶＲＩ全体を所定の輝度以上で視認できる）を満たすように視認可能となる空間領域であって、アイボックスとも称される。視認領域ＥＢは、典型的には、車両１に設定されたアイリプスと重なるように設定される。アイリプスは、乗員のアイポイントＥＰの空間分布を統計的に表したアイレンジに基づいて、楕円体状に設定されている。

このようなＨＵＤ装置１００の具体的構成を、図２〜１１も用いて、以下に説明する。ＨＵＤ装置１００は、図２〜４に示すように、プロジェクタユニット１０、可動ミラー２０、導波路３０、及び制御ユニット５０等により構成されている。これら構成要素は、例えば、中空形状に形成された遮光性を有するハウジング６の内部に、収容されている。

プロジェクタユニット１０は、画像の表示光（以下、単に表示光という）を投射する表示光投射部となっている。プロジェクタユニット１０は、図５に示すように、光源部１１、画像素子１２及び投射レンズ部１３等により構成され、これらはケーシング１０ａに収容されている。プロジェクタユニット１０の具体的構成の一例を、以下に説明する。

光源部１１には、例えば複数のレーザ発振器が採用される。各レーザ発振器は、例えば半導体レーザを採用しており、可視領域にて波長が互いに異なるレーザ光を発振する。レーザ発振器が３つ設けられる場合には、例えばピーク波長が４９０〜５３０ｎｍの範囲、好ましくは５１５ｎｍである緑色のレーザ光を発振するレーザ発振器と、例えばピーク波長が４３０〜４７０ｎｍの範囲、好ましくは４５０ｎｍである青色のレーザ光を発振するレーザ発振器と、例えばピーク波長が６００〜６５０ｎｍの範囲、好ましくは６４０ｎｍである赤色のレーザ光を発振するレーザ発振器とが、採用され得る。

画像素子１２には、例えばＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）等のシリコン基板上に液晶層が設けられて形成された反射型液晶素子が採用される。反射型液晶素子は、例えば各レーザ発振器がそれぞれ発する各波長の光に個別に対応するように複数設けられる。各反射型液晶素子は、画素電極が２次元に配列されることにより構成された液晶画素毎に、入射する光の反射率を制御することができる。各反射型液晶素子は、反射率の制御によって、各波長に対応した画像を生成することが可能となる。その後、各波長に対応した画像がダイクロイックプリズムを用いて互いに合成され、表示光が投射レンズに入射することとなる。また、ＨＵＤ装置１００による光学系において画像素子１２と虚像ＶＲＩとが共役関係となる。

投射レンズ部１３は、画像素子１２からの表示光を集光して、プロジェクタユニット１０の外部（特に本実施形態では可動ミラー２０）へ投射する。投射レンズ部１３は、全体の光学パワーが正となるレンズ群を構成するように、複数の投射レンズ素子１３ａを有している。各投射レンズ素子１３ａは、画像素子１２から射出された表示光を屈折して、当該表示光の投射状態を調整する。具体的に、投射レンズ部１３により、画像が拡大され、収差が補正される。

このようにして、プロジェクタユニット１０は、図２，４に示すように、車両１の前方から後方へ向かって表示光を投射する。

可動ミラー２０は、表示光による光路上において、導波路３０よりもプロジェクタユニット１０側、すなわちプロジェクタユニット１０と導波路３０との間に配置される。可動ミラー２０は、プロジェクタユニット１０よりも後方に配置されている。可動ミラー２０は、例えば合成樹脂ないしはガラスからなる基材の表面に、アルミニウムの金属蒸着等により、反射面２１を形成した反射鏡である。反射面２１は、例えば滑らかな平面状に形成されている。プロジェクタユニット１０から可動ミラー２０に入射した表示光は、導波路３０の入力ポート３３へ向けて反射される。ここで図４に示すように、可動ミラー２０は、可動機構を有しており、基材上に設定されて左右方向に伸びる回転軸２２まわりに、回動可能となっている。

可動ミラー２０に入射する表示光の光束（ビームともいう）は、導波路３０から射出された後よりも十分に径が小さな状態であるため、可動ミラー２０の反射面２１の面積は、導波路３０の表面積に対して十分に小さく設定することができる。

導波路３０は、図３，４に示すように、例えばガラスないしは合成樹脂により透光性の板状基材３１の板表面３１ａ，３１ｂに、入力ポート３３、拡張ポート３５、及び出力ポート３７が設けられて平板状に形成されている。導波路３０は、プロジェクタユニット１０及び可動ミラー２０よりも上方において、前後方向及び左右方向に輪郭を矩形状に延設されており、入力ポート３３を可動ミラー２０と上下方向に対向させている。換言すると、入力ポート３３は、板状基材３１のうち下方を向く板表面３１ａに設けられている。

一方、拡張ポート３５及び出力ポート３７は、板状基材３１のうち上方を向く板表面３１ｂ、換言すると、板表面３１ａとは反対側の板表面３１ｂに設けられている。拡張ポート３５は、入力ポート３３に対して前方にずれた位置に、入力ポート３３とは板厚方向（本実施形態では上下方向）の重なりを避けるように、配置されている。出力ポート３７は、拡張ポート３５に対して、左方又は右方にずれた位置に、入力ポート３３及び拡張ポート３５とは板厚方向の重なりを避けるように、配置されている。

このような導波路３０の板表面３１ａ，３１ｂに沿う仮想平面上にて、入力ポート３３と拡張ポート３５とを結ぶ方向Ｄ１（第１方向ともいう）が、前後方向に沿うように定義され、拡張ポート３５と出力ポート３７とを結ぶ方向Ｄ２（第２方向ともいう）が、左右方向に沿うように定義される。方向Ｄ１と方向Ｄ２とは、実質的に９０度の角度をなしている。

板状基材３１における入力ポート３３側の板表面３１ａと、拡張ポート３５及び出力ポート３７側の板表面３１ｂとは、互いに実質平行に配置されると共に、各々平面状かつ表示光を反射によって導光可能な鏡面状に形成されている。

入力ポート３３は、拡張ポート３５及び出力ポート３７よりも、表面積が小さくなるように、矩形状、より詳細には正方形状に形成されている。入力ポート３３は、板状基材３１よりも薄く形成され、板表面３１ａに対して接合されている。入力ポート３３には、プロジェクタユニット１０により投射された表示光が可動ミラー２０を介して入射され、入力ポート３３は、当該表示光を導波路３０の内部へと導入する。本実施形態の入力ポート３３には、回折光学素子（Diffractive Optical Element；ＤＯＥ）の一種である回折格子構造３４が採用されている。

回折格子構造３４は、図６に拡大して示すように、方向Ｄ１とは直交する直交方向に直線状に延伸したプリズム状の延伸構造３４ａが方向Ｄ１に沿って周期的に配列されることで、格子状に形成されている。回折格子構造３４は、延伸構造３４ａの配列ピッチ及び構造の高さを、表示光の各波長を考慮して適切に設定すると共に、ブレーズ化されていることで、回折次数が１次である１次回折光の回折効率が他の次数の回折光の回折効率よりも高くなるように形成されている。そして、表示光が回折格子構造３４に入射した際に、１次回折光は、板表面３１ａ，３１ｂにて全反射される角度で、板状基材３１の内部かつ拡張ポート３５側へ向けて回折される。そして、１次回折光は、板表面３１ａ，３１ｂの間を全反射されながら往復し、拡張ポート３５へと逐次到達する。

拡張ポート３５は、図３に示すように、入力ポート３３から遠ざかるように、方向Ｄ１に沿って延伸すると共に、入力ポート３３から遠ざかる程、方向Ｄ１とは直交する直交方向に拡幅する台形状に形成されている。拡張ポート３５は、板状基材３１よりも薄く形成され、板表面３１ｂに対して接合されている。本実施形態の拡張ポート３５には、回折光学素子の一種である回折格子構造３６が採用されている。

回折格子構造３６は、図６に拡大して示すように、方向Ｄ１に対して斜めに交差する方向Ｄ３に直線状に延伸したプリズム状の延伸構造３６ａが当該方向Ｄ３とは直交する直交方向に周期的に配列されることで、格子状に形成されている。例えば方向Ｄ１と方向Ｄ２とが９０度の角度をなす本実施形態では、方向Ｄ３は、９０度の半角である４５度の角度を、なしている。回折格子構造３６は、入力ポート３３の回折格子構造３４と同様に、１次回折光の回折効率が他の次数の回折光の回折効率よりも高くなるように形成されている。

そして、表示光が入射ポート３３から拡張ポート３５の回折格子構造３４に入射した際に、１次回折光は、板表面３１ａ，３１ｂにて全反射される角度で、板状基材３１の内部へ向けて回折される。このとき、方向Ｄ３が入力ポート３３からの表示光が進む方向Ｄ１に対して交差していることで、１次回折光は、板状基材３１の内部において、実質的に、方向Ｄ２に沿って出力ポート３７へ向かう成分と、方向Ｄ１に沿って拡張ポート３５のうち入射ポート３３からより遠ざかる成分とに実質的に分かれる。この結果、表示光が、その光束を拡張ポート３５にて方向Ｄ１に拡張されると共に、方向Ｄ２に偏向されていく。

方向Ｄ２に偏向された光は、入力ポート３３での回折と同様に、板表面３１ａ，３１ｂにて全反射される角度に進むことで、板表面３１ａ，３１ｂの間を全反射されながら往復し、拡張ポート３５へと逐次到達する。

出力ポート３７は、図３，４に示すように、拡張ポート３５から遠ざかるように、方向Ｄ２に沿って延伸することによって、方向Ｄ２を長手方向とする矩形状（長方形状）に形成されている。この出力ポート３７の形状が視認領域ＥＢの形状に概ね対応している。出力ポート３７は、板状基材３１よりも薄く形成され、板表面３１ｂに対して接合されている。本実施形態の出力ポート３７には、回折光学素子の一種である回折格子構造３８が採用されている。

回折格子構造３８は、図７に拡大して示すように、方向Ｄ１に沿って延伸するプリズム状の突起構造３８ａが互いに間隔を空けて周期的に配列されている。各突起構造３８ａの間には、突起構造３８ａの先端とは段差をなす平面状の平面構造３８ｂが形成されていることにより、突起構造３８ａと平面構造３８ｂとがストライプ状に交互配置されている。回折格子構造３８にて、突起構造３８ａの配列ピッチ及び突起構造３８ａの高さを表示光の各波長を考慮して適切に設定される。これにより、回折次数が０次である０次回折光と、回折次数が１次である１次回折光とが、異なる方向に所定の比率で分岐されるように、各々の回折効率が設定されている。

より詳細に、回折格子構造３８は、拡張ポート３５により導光された表示光が入射した際に、０次回折光を、板状基材３１の内部かつより拡張ポート３５から遠ざかる方向Ｄ２へ回折させる。この０次回折光は板表面３１ａに全反射されて、出力ポートにおいて拡張ポート３５からより遠い位置に到達する。その一方で、回折格子構造３８は、１次回折光を、板状基材３１の外部、すなわち導波路３０の外部へ向けて回折させる。この結果、表示光は、出力ポート３７にてその光束を０次回折光によって方向Ｄ２に拡張されると共に、出力ポート３７の各箇所から１次回折光によって導波路３０の外部である結像部３ａへ向けて射出される。

このようにして、図８に示すように、光（電磁波）の伝送路としての導波路３０は、表示光の光束を方向Ｄ１及び方向Ｄ２に拡張すると共に、当該表示光を光路上の結像部３ａ側へ導く。換言すると、導波路３０は、ＨＵＤ装置１００による光学系の射出瞳を拡大する射出瞳拡大素子として、機能している。

導波路３０から射出された表示光が出力ポート３７から上方のウインドシールド３へ向けて進むこととなる。このとき、車両１の左右方向を長手方向とする出力ポート３７により、表示光の光束は、車両１の左右方向の径が車両１の前後方向の径よりも大きな状態で、ウインドシールド３の結像部３ａへ入射する。そして、表示光の光束が結像部３ａにて反射されると、表示光の進行方向が車両１の後方へ偏向され、車両１の左右方向の径が車両１の上下方向の径よりも大きな状態で、例えば乗員の座席の上方に位置する視認領域ＥＢへと到達することとなる。したがって、視認領域ＥＢは、車両１の左右方向の径が車両１の上下方向の径よりも大きな矩形状に形成される。

図９に示す制御ユニット５０は、少なくとも１つのプロセッサ、メモリ装置、入出力インターフェースを含む電子回路を主体として構成されている。プロセッサは、メモリ装置に記憶されているコンピュータプログラムを実行する演算回路である。メモリ装置は、例えば半導体メモリ等によって提供され、プロセッサによって読み取り可能なコンピュータプログラムを非一時的に格納するための非遷移的実体的記憶媒体である。

制御ユニット５０は、プロジェクタユニット１０、調整スイッチ８及び可動ミラー２０と通信可能に接続されており、また、ＨＵＤ装置１００に対する外部機器（例えば車両１の電子制御装置）と通信可能に接続されている。この通信には、有線通信、無線通信を問わず各種の好適な通信方式が採用され得る。制御ユニット５０は、コンピュータプログラムをプロセッサによって実行することにより、画像制御部５１及び入射角変更部５２等の機能部を有する。

画像制御部５１は、例えば外部機器からの入力される信号によって取得された情報に応じて、プロジェクタユニット１０により実現される画像を、制御する。

入射角変更部５２は、調整スイッチ８から入力される信号に応じて、可動ミラー２０の角度を制御するための制御信号を、当該可動ミラー２０に対して出力する。ここで調整スイッチ８は、例えば車両１のステアリングハンドル等に設置され、乗員により操作可能となっている。調整スイッチ８は、例えばプッシュ式の等の２種類のスイッチ８ａ，８ｂを有している。具体的に、ダウンスイッチ８ａは、虚像ＶＲＩの表示位置を下方に移動させるための操作部材である。アップスイッチ８ｂは、虚像ＶＲＩの表示位置を上方に移動させるための操作部材である。

入射角変更部５２は、例えばダウンスイッチ８ａ又はアップスイッチ８ｂのプッシュ操作時間に基づいて虚像ＶＲＩの下方又は上方への移動量を算出し、当該移動量に対応した可動ミラー２０の変更角度を算出する（図１１のステップＳ１も参照）。そして、入射角変更部５２は、この変更角度に応じた制御信号を出力し（図１１のステップＳ２も参照）、図１０に示すように、可動ミラー２０の回転軸２２を変更角度分、回転させる。

この結果、可動ミラー２０の反射面２１の向きが回転軸２２まわりに変更され、これに対応してプロジェクタユニット１０からの表示光を可動ミラー２０により反射する反射方向が変更される（図１２）。可動ミラー２０による反射方向の変更は、反射された表示光が入力ポート３３に確実に入射する範囲で実施される。反射方向の変更に伴って、導波路３０の入力ポート３３への表示光の入射角が変更される（図１１のステップＳ３も参照）。入力ポート３３への表示光の入射角の変更機能は、実際的には、入射角変更部５２と、入射角変更部５２が制御するハードウエア部材である可動ミラー２０との協調によって実現される。

入力ポート３３への表示光の入射角が変更されると、これに連動して、入力ポート３３での１次回折光の回折方向、拡張ポート３５での１次回折光の回折方向、及び出力ポート３７での０次回折光の回折方向が変化する。出力ポート３７からの０次回折光の回折方向が変化するので、導波路３０からウインドシールド３の結像部３ａへ向けて射出される表示光の光束の射出角が変更される。

本実施形態では、可動ミラー２０が左右方向に沿って配置された回転軸２２まわりに回動するようになっているので、入射角の角度変更方向ＤＳＩ（すなわち表示光の光束を振る方向）は、前後方向であって、方向Ｄ１に沿った方向となっている。ここでいう「沿った方向」とは、方向が厳密に一致することを意味せず、±３０度程度のずれを許容していることを意味する。

方向Ｄ１に沿って角度変更方向ＤＳＩが設定されているため、入射ポート３３にて回折された１次回折光の方向は、方向Ｄ１から逸れることが抑制されつつ、導波路３０の板厚方向と方向Ｄ１を含む断面上での板表面３１ａ，３１ｂに対する角度が変化する。故に、角度変更方向ＤＳＩが方向Ｄ１に沿っている本実施形態の場合、表示光の光束を振っても、拡張ポート３５において、当該拡張ポート３５の幅方向に表示光の光束が拡散され難い。したがって、入射角の変更機能に対応して拡張ポート３５の幅を拡張する必要性は、減少する。

そして、方向Ｄ１に沿った入射角の変更に伴って、出力ポート３７での１次回折光の回折方向も、方向Ｄ１に沿って変化する。すなわち、ウインドシールド３へ向けて射出される表示光の光束の射出角の角度変更方向ＤＳＯも方向Ｄ１に沿ったものとなる。したがって、表示光の光束の結像部３ａにおける入射位置が上下方向にずれ、虚像ＶＲＩの表示位置が上下方向に沿って移動すると共に、視認領域ＥＢも上下方向に沿って移動する。

（作用効果）
以上説明した第１実施形態の作用効果を以下に改めて説明する。

第１実施形態によると、入射角変更部５２は、導波路３０への表示光の入射角を変更する。すなわち、表示光を結像部３ａ側へ導く導波路３０は、その入射角の変更に対応して表示光の射出角を変更する。この射出角の変更の結果、結像部３ａでの表示光の反射位置、延いては結像部３ａに反射された後の表示光の到達範囲を調整することができる。故に、入射角変更部５２により、虚像ＶＲＩについての位置調整機能が円滑に発揮される。

そして、本形態における表示光投射部としてのプロジェクタユニット１０から投射される表示光の角度変更は、導波路３０が表示光の光束を拡張する前の光路上にて実施されるので、光束の径が十分に小さな状態で、角度変更することができる。故に、表示光の角度変更のための大型部材や、当該大型部材を動かすための大きな空間を用意することを回避することができる。したがって、ＨＵＤ装置１００の体格増大を抑制することができる。以上により、虚像ＶＲＩについての位置調整機能と、体格増大の抑制とを両立するＨＵＤ装置１００を提供することができる。

また、第１実施形態によると、入射角変更部５２が入射角を変更する角度変更方向ＤＳＩは、入力ポート３３と拡張ポート３５とを結ぶ方向Ｄ１に沿っている。方向Ｄ１に沿った角度変更では、表示光の角度を振っても拡張ポート３５の方向Ｄ１とは交差する幅方向に表示光が拡がり難いので、拡張ポート３５のサイズの増大を抑制することができる。

また、第１実施形態によると、入射角変更部５２が入射角を変更する角度変更方向ＤＳＩは、入射角の変更に伴って、車両１の上下方向に沿って視認領域ＥＢが移動するように設定されている。視認領域ＥＢが上下方向に移動するので、乗員の身長差に合わせて、虚像ＶＲＩについての位置調整をすることができる。

また、第１実施形態によると、入射角変更部５２は、可動ミラー２０を回転させることにより、導波路３０への入射角を変更する。プロジェクタユニット１０と導波路３０との間の光路上に配置された可動ミラー２０を入射角の変更に利用するので、容易に導波路３０が表示光の光束を拡張する前に、角度変更を実施することができる。

（第２実施形態）
図１２に示すように、第２実施形態は第１実施形態の変形例である。第２実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。

第２実施形態の入力ポート３３には、回折格子構造３４に代えて、回折光学素子の一種であるホログラム素子（Holographic Optical Element；ＨＯＥ）２３４が採用されている。ホログラム素子２３４は、例えば合成樹脂ないしはガラス等の一対の透光基板層２３９に、ホログラム層２３４ａが挟まれることによって薄い平板状に形成されている透過型のホログラム素子である。ホログラム層２３４ａは、例えば合成樹脂からなる組成物により透光性に形成されて、縞状の屈折率分布を有する。ホログラム層２３４ａの屈折率は、方向Ｄ１に沿って周期的に変化している。ホログラム層２３４ａにおいて、方向Ｄ１に直交する方向には、屈折率の変化は実質的に認められない。

そして、ホログラム素子２３４は、第１実施形態と同様に、表示光を回折するようになっている。ホログラム素子２３４は、回折次数が１次である１次回折光の回折効率が他の次数の回折光の回折効率よりも高くなるように形成されている。そして、表示光がホログラム素子２３４に入射した際に、１次回折光は、板表面３１ａ，３１ｂにて全反射される角度で、板状基材３１の内部かつ拡張ポート３５側へ向けて回折される。

入力ポート３３と同様に、第２実施形態の拡張ポート３５及び出力ポート３７にもホログラム素子２３６，２３８が採用されている。拡張ポート３５のホログラム素子２３６は、反射型のホログラム素子であり、表示光を回折する。ホログラム素子２３６のホログラム層２３６ａは、方向Ｄ１と方向Ｄ２とがなす角度の半分だけ、方向Ｄ１に対して交差する方向に沿って、屈折率が周期的に変化するような屈折率分布を有している。ホログラム素子２３６は、１次回折光の回折効率が他の次数の回折光の回折効率よりも高くなるように形成されている。１次回折光は、板表面３１ａ，３１ｂにて全反射される角度で、板状基材３１の内部へ向けて回折される。

出力ポート３７のホログラム素子２３８も、表示光を回折する。ホログラム素子２３８のホログラム層２３８ａは、方向Ｄ２に沿って、屈折率が周期的に変化するような屈折率分布を有している。ホログラム素子２３８は、回折次数が０次である０次回折光と、回折次数が１次である１次回折光とが、異なる方向に所定の比率で分岐されるように、各々の回折効率が設定されている。ホログラム素子２３８は、０次回折光を、板状基材３１の内部かつより拡張ポート３５から遠ざかる方向Ｄ２へ回折させる。その一方で、ホログラム素子２３８は、１次回折光を、板状基材３１の外部、すなわち導波路３０の外部へ向けて回折させる。この結果、表示光は、出力ポート３７にて０次回折光によって方向Ｄ２に拡張されると共に、出力ポート３７の各箇所から１次回折光によって結像部３ａへ向けて射出される。

以上説明した第２実施形態によると、入力ポート３３、拡張ポート３５、及び出力ポート３７のうち少なくとも１つは、ホログラム素子２３４，２３６，２３８である。ホログラム素子２３４，２３６，２３８では、凹凸構造の形成が規制されている。このため、熱膨張により凹凸構造の寸法が変化してポート３３，３５，３７の回折特性が変質してしまう事態を回避することができる。

特に、ウインドシールド３を通じて、太陽光等の外光が導波路３０に入射し得る本実施形態のＨＵＤ装置１００においては、当該導波路３０が熱膨張しても、ホログラム素子２３４，２３６，２３８の採用により、光学性能の維持が容易となる。

（第３実施形態）
図１３に示すように、第３実施形態は第１実施形態の変形例である。第３実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。

第３実施形態のプロジェクタユニット１０は、導波路３０の入力ポート３３と上下方向に対向して設けられており、表示光を、上方の入力ポート３３へ向けて直接的に投射するようになっている。すなわち、第３実施形態では、可動ミラー２０が設けられていない。

そして、プロジェクタユニット１０は、可動機構を有しており、ケーシング１０ａごと可動するようになっている。具体的に、プロジェクタユニット１０は、導波路３０の入力ポート３３上に設定された仮想の回転軸ＡＸまわりに、回動可能に形成されている。この回動は、例えば、円弧状に延伸するガイドレールに沿ってプロジェクタユニット１０をスライドさせることによって実現可能であるが、他の種々の形態を採用することができる。

第３実施形態の入射角変更部５２は、調整スイッチ８から入力される信号に応じて、プロジェクタユニット１０の位置を制御するための制御信号を、当該プロジェクタユニット１０に対して出力する。入射角変更部５２は、調整スイッチ８の操作に基づいて虚像ＶＲＩの下方又は上方への移動量を算出し、当該移動量に対応したプロジェクタユニット１０の変更角度を算出する。そして、入射角変更部５２は、この変更角度に応じた制御信号を出力し、プロジェクタユニット１０を変更角度分、回転させる。

この結果、プロジェクタユニット１０の投射位置及び投射方向が変更され、この変更に伴って、導波路３０の入力ポート３３への表示光の入射角が変更される。プロジェクタユニット１０が、入力ポート３３の特に回転軸ＡＸの位置に向けて表示光を投射するように配置されていることで、入射角が変更されても、入力ポート３３における表示光の入射位置のずれは抑制されるようになっている。故に、入射角の変更機能に対応して入力ポート３３のサイズを拡張する必要性は、減少する。

以上説明した第３実施形態によると、入射角変更部５２は、プロジェクタユニット１０を回転させることにより、導波路３０への入射角を変更する。プロジェクタユニット１０自体を回転させるので、角度変更のための光学部材の追加を抑制することができる。

また、第３実施形態によると、入射角変更部５２は、プロジェクタユニット１０を、当該プロジェクタユニット１０よりも入力ポート３３側に設定された回転軸ＡＸまわりに回転させることにより、入力ポート３３への入射角を変更する。このようにすると、角度変更に伴う入力ポート３３上の表示光の入射位置のずれを抑制することができるので、入力ポート３３のサイズの増大を抑制することができる。

また、回転軸ＡＸを入力ポート３３上に設定すると、表示光の入射位置のずれは殆ど生じなくなるので、入力ポート３３のサイズの増大の抑制効果が高まる。

（第４実施形態）
図１４に示すように、第４実施形態は第１実施形態の変形例である。第４実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。

第４実施形態では、可動ミラー２０に代えて、可動機構が設けられていない折り返しミラーが設けられている。折り返しミラーは、第１実施形態の可動ミラー２０と同様の反射面を有している。

一方、第４実施形態のプロジェクタユニット１０において、投射レンズ部１３が有する各投射レンズ素子１３ａのうちの１つは、可動機構を有しており、可動するようになっている。この投射レンズ素子１３ａは、例えば正の光学パワーを有し、レンズの径方向に沿って平行移動可能に、すなわち光軸に対して偏心可能に、形成されている。

第４実施形態の入射角変更部５２は、調整スイッチ８から入力される信号に応じて、投射レンズ素子１３ａの位置を制御するための制御信号を、当該プロジェクタユニット１０に対して出力する。入射角変更部５２は、調整スイッチ８の操作に基づいて虚像ＶＲＩの下方又は上方への移動量を算出し、当該移動量に対応した投射レンズ素子１３ａの偏心量を算出する。この偏心量の算出においては、投射レンズ素子１３ａの光学パワーの値が用いられる。そして、入射角変更部５２は、この変更角度に応じた制御信号を出力し、投射レンズ素子１３ａを偏心量分、平行移動させる。

この結果、投射レンズ素子１３ａに入射する表示光の屈折角が変更され、この変更に伴って、導波路３０の入力ポート３３への表示光の入射角が変更される。

以上説明した第４実施形態によると、入射角変更部５２は、投射レンズ素子１３ａの偏心量を変更することにより、導波路３０への入射角を変更する。角度変更にプロジェクタユニット１０の部品を利用するので、光学部材の追加を抑制することができる。

（第５実施形態）
図１５に示すように、第５実施形態は第１実施形態の変形例である。第５実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。

第５実施形態では、可動ミラー２０に代えて、プロジェクタユニット１０と導波路３０との間の光路上に、楔形状のウエッジプリズム５２０が設けられている。ウエッジプリズム５２０は、例えばガラスないしは合成樹脂により形成され、可視領域に対して正常分散を示す透光性のプリズム素子となっている。ウエッジプリズム５２０は、可動機構を有しており、基材上に設定されて左右方向に伸びる回転軸５２２まわりに、回動可能となっている。

第５実施形態の入射角変更部５２は、ウエッジプリズム５２０と通信可能となっている。入射角変更部５２は、調整スイッチ８から入力される信号に応じて、ウエッジプリズム５２０の角度を制御するための制御信号を、当該ウエッジプリズム５２０に対して出力する。入射角変更部５２は、調整スイッチ８の操作に基づいて虚像ＶＲＩの下方又は上方への移動量を算出し、当該移動量に対応したウエッジプリズム５２０の変更角度を算出する。そして、入射角変更部５２は、この変更角度に応じた制御信号を出力し、ウエッジプリズム５２０の回転軸５２２を変更角度分、回転させる。

この結果、ウエッジプリズム５２０に入射する表示光の屈折角が変更され、この変更に伴って、導波路３０の入力ポート３３への表示光の入射角が変更される。

以上説明した第５実施形態によると、入射角変更部５２は、ウエッジプリズム５２０を回転させることにより、導波路３０への入射角を変更する。プロジェクタユニット１０と導波路３０との間の光路上に配置されたウエッジプリズム５２０を入射角の変更に利用するので、容易に導波路３０が表示光の光束を拡張する前に、角度変更を実施することができる。

（第６実施形態）
図１６に示すように、第６実施形態は第１実施形態の変形例である。第６実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。

第６実施形態のプロジェクタユニット１０の画像素子１２には、走査ミラー６１２が採用されている。走査ミラー６１２は、微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems；ＭＥＭＳ）を用い、レーザ光を時間的に走査可能に構成されたＭＥＭＳミラーである。走査ミラー６１２は、アルミニウムの金属蒸着等により、反射面６１２ａを形成している。反射面６１２ａは、当該反射面６１２ａに沿って互いに実質直交する２つの回転軸まわりに、回動可能となっている。

このような走査ミラー６１２は、制御ユニット５０と電気的に接続されており、その走査信号に従って回動することで、反射面６１２ａの向きを変えることができる。

走査ミラー６１２の反射面６１２ａには、光源部１１における各レーザ発振器からのレーザ光が互いに重ね合された状態で、光束状に入射されて提供されるようになっている。そして、走査ミラー６１２が制御ユニット５０により制御されることで、各レーザ発振器と連動して、例えばレーザ光の反射面６１２ａへの入射箇所である偏向点ＬＴを起点として、時間的にレーザ光の投射方向を偏向走査することが可能となっている。こうしたレーザ光が走査ミラー６１２の振れ角に応じた走査角度範囲ＲＧに走査されるによって、虚像ＶＲＩとして表示される画像を描画して生成することが可能となる。

偏向点ＬＴでの偏向によって走査ミラー６１２に走査されたレーザ光は、プロジェクタユニット１０から導波路３０の入射ポート３３へ向けて表示光として投射される。

入射角変更部５２は、調整スイッチ８から入力される信号に応じて、走査ミラー６１２の走査角度範囲ＲＧを制御するための駆動信号を、当該走査ミラー６１２に対して出力する。入射角変更部５２は、調整スイッチ８の操作に基づいて虚像ＶＲＩの下方又は上方への移動量を算出し、当該移動量に対応した走査角度範囲ＲＧの変更角度を算出する。そして、入射角変更部５２は、この変更角度に応じた駆動信号を出力し、走査ミラー６１２の振れ角を全体的にオフセットし、走査角度範囲ＲＧを全体的に移動させる。

この結果、導波路３０の入力ポート３３への表示光の入射角が変更される。走査角度範囲ＲＧの移動方向は、方向Ｄ１に沿っているため、入力ポート３３への入射角を変更する角度変更方向ＤＳＩは、方向Ｄ１に沿ったものとなっている。

以上説明した第６実施形態によると、入射角変更部５２は、走査角度範囲ＲＧが移動するように、走査部としての走査ミラー６１２を制御することにより、導波路３０への入射角を変更する。すなわち、角度変更のために追加の可動機構を設けることが抑制され、画像の描画制御の延長線上で導波路３０への入射角を変更することができる。故に、虚像ＶＲＩについての位置調整機能と、体格増大の抑制とを両立するＨＵＤ装置１００を、容易に実現することができる。

（他の実施形態）
以上、複数の実施形態について説明したが、本開示は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本開示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。

具体的に変形例１としては、光源部１１において、レーザ光を発するレーザ発振器に代えて、発光ダイオード素子を採用することができる。

変形例２としては、プロジェクタユニット１０として、ＤＬＰ（Digital Light Processing；登録商標）方式を採用することができ、画像素子１２として、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を採用することができる。

変形例３としては、プロジェクタユニット１０の投射レンズ部１３は、１つの投射レンズ素子１３ａにより構成されていてもよい。

変形例４としては、導波路３０において入力ポート３３、拡張ポート３５及び出力ポート３７が導光に用いる回折光は、１次回折光よりも高次の回折光であってもよい。

変形例５としては、図１７に示すように、導波路３０として、板状基材３１の内部にハーフミラー９３０ａを配列し、当該ハーフミラー９３０ａによる表示光の透過光及び反射光への分岐によって、当該表示光の光束を拡張するハーフミラー型導波路が採用されてもよい。

変形例６としては、入射角変更部５２は、調整スイッチ８から入力される信号に応じて、導波路３０への表示光の入射角を変更するものに限られない。例えば、調整スイッチ８に代えて、タッチ操作が入力されるタッチパネル装置、又はジェスチャ操作が入力されるジェスチャ検出装置等の種々の入力装置を採用することができる。また例えば、入射角変更部５２は、乗員のアイポイントＥＰの位置についての情報に基づき、自動的に導波路３０への表示光の入射角を変更して、アイポイントＥＰが視認領域ＥＢ内に収まるようにするものであってもよい。

変形例７としては、ソフトウエアとハードウエア部材とが協調されて、入射角変更部５２の機能が実現されるものに限られない。例えば、乗員が調整スイッチ８に対応するネジを操作すると、当該ネジと機械的に連結された可動ミラー２０の回転軸２２が回転するようにすることで、入射角変更部５２の機能がソフトウエアを用いずに実現されてもよい。

変形例８としては、角度変更方向は、車両の上下方向以外の方向に視認領域ＥＢが移動するように設定されていてもよい。

変形例９としては、ＨＵＤ装置１００は、航空機、船舶、あるいはゲーム筐体等の移動しない筐体等の各種の乗り物に適用することができる。

１００ ＨＵＤ装置、３ａ 投影部、１０ プロジェクタユニット（表示光投射部）、３０ 導波路、５２ 入射角変更部

Claims (12)

1. 結像部（３ａ）に画像の表示光を反射させることにより、前記画像を視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記画像の表示光を投射する表示光投射部（１０）と、
   前記表示光投射部が投射した前記表示光の光束を拡張すると共に、前記表示光を前記結像部側へ導く導波路（３０）と、
   前記導波路への前記表示光の入射角を変更する入射角変更部（５２）と、を備えるヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記導波路は、
   前記表示光投射部が投射した前記表示光を前記導波路の内部へ入射させる入力ポート（３３）と、
   前記入力ポートから遠ざかる方向（Ｄ１）へ延伸し、前記入力ポートにより導光された前記表示光を入射させ、前記表示光の光束を拡張する拡張ポート（３５）と、を有し、
   前記入射角変更部が前記入射角を変更する角度変更方向（ＤＳＩ）は、前記入力ポートと、前記拡張ポートとを結ぶ前記方向に沿っている請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記導波路は、
   前記表示光投射部が投射した前記表示光を前記導波路の内部へ入射させる入力ポート（３３）と、
   前記入力ポートから遠ざかる第１方向（Ｄ１）へ延伸し、前記入力ポートにより導光された前記表示光の光束を、前記第１方向へ拡張すると共に、前記第１方向とは交差する第２方向（Ｄ２）へ偏向する拡張ポートと、
   前記拡張ポートから遠ざかる前記第２方向へ延伸し、前記拡張ポートにより導光された前記表示光の光束を、前記第２方向へ拡張すると共に、前記結像部側へ射出する出力ポート（３７）と、を有し、
   前記入射角変更部が前記入射角を変更する角度変更方向は、前記入力ポートと、前記拡張ポートとを結ぶ前記第１方向に沿っている請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 車両（１）に搭載されるように構成され、前記画像が視認領域（ＥＢ）から視認可能に虚像表示されるように構成される請求項１から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であって、
   前記入射角変更部が前記入射角を変更する角度変更方向は、前記入射角の変更に伴って、前記車両の上下方向に沿って前記視認領域が移動するように設定されている請求項１から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. 前記表示光投射部と前記導波路との間の光路上に配置され、可動することにより前記表示光の反射方向を変更可能に形成された可動ミラー（２０）を、さらに備え、
   前記入射角変更部は、前記可動ミラーを回転させることにより、前記入射角を変更する請求項１から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. 前記入射角変更部は、前記表示光投射部を回転させることにより、前記入射角を変更する請求項１から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。
7. 前記導波路は、前記表示光投射部が投射した前記表示光を前記導波路の内部へ入射させる入力ポートを有し、
   前記表示光投射部は、前記入力ポートへ向けて前記表示光を直接投射し、
   前記入射角変更部は、前記表示光投射部を、前記表示光投射部よりも前記入力ポート側に設定された回転軸（ＡＸ）まわりに回転させることにより、前記入射角を変更する請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
8. 前記回転軸は、前記入力ポート上に設定されている請求項７に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
9. 前記表示光投射部は、
   前記画像を生成する画像素子（１２）と、
   前記画像素子から射出された前記表示光を屈折して投射状態を調整する投射レンズ素子（１３ａ）と、を有し、
   前記入射角変更部は、前記投射レンズ素子の偏心量を変更することにより、前記入射角を変更する請求項１から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。
10. 前記表示光投射部と前記導波路との間の光路上に配置され、楔形状のプリズム素子（５２０）を、さらに備え、
    前記入射角変更部は、前記プリズム素子を回転させることにより、前記入射角を変更する請求項１から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。
11. 前記表示光投射部は、
    前記光束を提供する光源部（１１）と、
    前記光源部からの前記光束を走査角度範囲（ＲＧ）に走査することにより、前記画像を描画する走査部（６１２）と、を有し、
    前記入射角変更部は、前記走査角度範囲が移動するように前記走査部を制御することにより、前記入射角を変更する請求項１から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。
12. 前記入力ポート、前記拡張ポート及び前記出力ポートのうち少なくとも１つは、凹凸構造の形成が規制されたホログラム素子（２３４，２３６，２３８）である請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

Images