JP2019194731A - 虚像生成素子及びヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】利用者に虚像を適切に視認させることが可能な虚像生成素子などを提供する。【解決手段】虚像生成素子は、例えばコンバイナであり、第１光学素子と、第２光学素子とを有する。第１光学素子には、円偏光の画像光が入射する。第２光学素子は、円偏光二色性を有し、第１光学素子を透過した画像光が入射する。第１光学素子の面は、第２光学素子の面に対して傾斜している。第２光学素子は、第１光学素子を透過した画像光を反射させ、かつ、当該反射された画像光が第１光学素子により反射された光を透過させる。【選択図】図４

Description

本発明は、虚像として画像を視認させる技術分野に関する。

従来から、虚像として画像を視認させるヘッドアップディスプレイ（以下では適宜「ＨＵＤ」と表記する。）などの表示装置が知られている（例えば特許文献１及び２参照）。通常、ＨＵＤでは、実像表示装置で形成された実像（各種ディスプレイの画面やプロジェクタで投影されたスクリーン上の画像）を、運転者の視界前方に置かれたコンバイナと呼ばれるハーフミラーによって虚像として運転者に視認させる。これにより、運転者は、前方を見たまま視線を下げることなく、計器類やナビゲーション情報等を景色に重畳した状態で視認することができる。また、特許文献３には、波長依存性を有する平面ミラーと凹面ハーフミラーを組み合わせた光学視準装置により虚像を認識させる技術が開示されている。

特開平６−２７０７１６号公報 特開２００２−０５２９５３号公報 特許第２９０５４８６号

ここで、運転者が視認する虚像の最大視野角は、コンバイナのサイズを固定すると、コンバイナと運転者との距離に応じて決まる。つまり、コンバイナが運転者に近ければ視野角は大きくなり、コンバイナが運転者に遠ければ視野角は小さくなる。したがって、できるだけ大きな虚像を視認させるためには、コンバイナをできるだけ運転者に近付けることが望ましいが、設置場所の関係からコンバイナはダッシュボード上に設けられることが多い（例えば特許文献１参照）。

これに対して、近年、視野角を大きくするために、天井付近（サンバイザの近傍）にコンバイナを設置するＨＵＤが提案されている（例えば特許文献２参照）。このＨＵＤでは、実像の反射光を眼に入射させるため、実像表示装置をコンバイナよりも運転者側に設置する必要があり、基本的には、実像表示装置は天井に取り付けられる。この場合、運転者に圧迫感を与えてしまうといった課題や、天井まで電源を引き回さなければならず、取り付けが面倒であるといった課題があった。また、特許文献３に記載の構造を用いた場合、虚像の輝度が過度に減衰してしまうという課題があった。

本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが一例として挙げられる。本発明は、利用者に虚像を適切に視認させることが可能な虚像生成素子などを提供することを主な目的とする。

請求項に記載の発明では、外部装置によって形成された画像を虚像として視認させる虚像生成素子であって、前記画像に対応する円偏光の画像光が入射する第１光学素子と、円偏光二色性を有し、前記第１光学素子を透過した画像光が入射する第２光学素子と、を備え、前記第１及び第２光学素子は、前記外部装置からの光を当該光の入射角度に応じて反射させ、前記第１光学素子の面は、前記第２光学素子の面に対して傾いており、前記第２光学素子は、前記第１光学素子を透過した前記画像光を反射させ、かつ、当該反射された画像光が前記第１光学素子により反射された光を透過させることを特徴とする。

実施例に係るＨＵＤの基本構成を示す。 実施例に係るコンバイナの構成を示す。 実施例に係る誘電体多層膜が有する特性を示す。 信号光がコンバイナに実像表示光と同一の入射角度により入射する場合のコンバイナの断面図を示す。 コレステリック液晶層に代えて、誘電体多層膜を設けた場合の比較例に係るコンバイナの断面図を示す。 変形例１に係るコンバイナの構成を示す。 変形例３に係るコンバイナの構成を示す。 変形例６に係るコンバイナの構成を示す。 図８中の破線領域を拡大表示したコンバイナの側面図を示す。 変形例７に係るコンバイナの構成を示す。 変形例６と変形例２とを組み合わせたコンバイナの構成を示す図である。 ヘルメット型のコンバイナの例を示す。

本発明の１つの好適な実施形態では、外部装置によって形成された画像を虚像として視認させる虚像生成素子であって、前記画像に対応する円偏光の画像光が入射する第１光学素子と、円偏光二色性を有し、前記第１光学素子を透過した画像光が入射する第２光学素子と、を備え、前記第１及び第２光学素子は、前記外部装置からの光を当該光の入射角度に応じて反射させ、前記第１光学素子の面は、前記第２光学素子の面に対して傾いており、前記第２光学素子は、前記第１光学素子を透過した前記画像光を反射させ、かつ、当該反射された画像光が前記第１光学素子により反射された光を透過させる。

上記の虚像生成素子は、例えばコンバイナであり、第１光学素子と、第２光学素子とを有する。第１光学素子には、円偏光の画像光が入射する。第２光学素子は、円偏光二色性を有し、第１光学素子を透過した画像光が入射する。また、第１及び第２光学素子は、画像光を当該光の入射角度に応じて反射させる。第１光学素子は、第２光学素子に対して傾斜して配置されている。例えば、第１及び第２光学素子が平板の場合、これらが非平行に配置される。第２光学素子は、第１光学素子を透過した画像光を反射させ、かつ、当該反射された画像光が第１光学素子により反射された光を透過させる。これにより、虚像生成素子は、画像光を直接観察者の目に入射させることなく、虚像を好適に観察者に視認させることができる。

上記虚像生成素子の一態様では、前記第２光学素子は、前記第１光学素子を透過した前記画像光のうち特定の旋回方向の円偏光成分のみを反射する特性を有する。一方、前記第１光学素子は、前記第２光学素子によって反射された円偏光をその旋回方向を反転させて反射する。これにより、第２光学素子は、好適に、第１光学素子を透過した画像光を反射させ、かつ、当該反射された画像光が第１光学素子により反射された光を透過させることができる。

上記虚像生成素子の他の一態様では、前記第１光学素子の反射率のピーク値は、特定の反射率である。これにより、第１光学素子は、信号表示の光などの背景光の少なくとも一部を観察者の目に到達させることができる。

上記虚像生成素子の他の一態様では、前記第１光学素子は、前記画像光に対応する波長を有する光を、当該光の入射角度に応じて一部反射させ、前記画像光に対応する波長以外の波長を有する光を透過させる特性を有する。この態様により、虚像生成素子は、第２光学素子で反射された画像光を第１光学素子で反射させて観察者に到達させ、かつ、画像光と同一波長を有する背景光の少なくとも一部を観察者の目に到達させることができる。

上記虚像生成素子の他の一態様では、前記第１光学素子は、前記第２光学素子の面に対して傾いた複数の面を有する鋸歯形状に構成されている。この態様により、虚像生成素子の厚みを好適に薄くすることができる。

上記虚像生成素子の他の一態様では、前記第１光学素子は、曲面を有しており、前記画像光に対してレンズ作用を付与する。これにより、倍率を有した虚像生成素子を実現することができ、虚像距離を遠くにしたり近くにしたりすることが可能となる。

上記虚像生成素子の他の一態様では、前記第１光学素子は、誘電体多層膜である。これにより、第１光学素子は、画像光を選択的に反射する波長選択性及び入射角度によって反射率を異ならせる入射角度依存性を有し、観察者に虚像及び背景を好適に視認させることができる。

上記虚像生成素子の他の一態様では、前記第２光学素子は、前記画像光の波長に対応する螺旋ピッチを有するコレステリック液晶を積層した構造、又は、当該構造と同一機能を有するフィルムである。これにより、第２光学素子は、外部装置からの画像光を反射させ、かつ、第１光学素子でさらに反射して戻ってきた光を透過して観察者に虚像を視認させることができる。

本発明の他の好適な実施形態では、ヘッドアップディスプレイは、外部装置と、前記外部装置によって形成された画像を虚像として視認させる上記記載の虚像生成素子と、を備える。この構成により、ヘッドアップディスプレイは、画像光を直接観察者の目に入射させることなく、虚像を好適に観察者に視認させることができる。

上記ヘッドアップディスプレイの一態様では、外部装置は、直接円偏光の画像光を出射するか、直線偏光の画像光を出射する発光部と、前記発光部が出射した画像光を直線偏光から円偏光に変換する変換部とを有するとよい。これにより、円偏光の画像光を虚像生成素子に入射させることができる。

上記ヘッドアップディスプレイの他の一態様では、前記外部装置は、車両のダッシュボード付近に設けられ、前記虚像生成素子は、前記車両の天井付近に設けられる。これにより、ヘッドアップディスプレイは、観察者に圧迫感や違和感を生じさせることなく所望の虚像を適切に視認させることができる。

上記ヘッドアップディスプレイの他の一態様では、前記外部装置は、２輪車のダッシュボードもしくはメーター付近に設けられ、前記虚像生成素子は、ヘルメット型に構成されている。この場合であっても、ヘッドアップディスプレイは、画像光を直接観察者の目に入射させることなく、虚像を好適に観察者に視認させることができる。また、信号表示の光などの背景光の少なくとも一部を観察者の目に到達させることができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。

［ヘッドアップディスプレイの構成］
図１は、本実施例に係るＨＵＤ３００の基本構成を示している。図１に示すように、本実施例では、実像表示装置２００をダッシュボード上に設置し、コンバイナ１００のみを天井付近（サンバイザの近傍）に設置するといった構成を採用する。また、本実施例では、このような構成を適切に実現すべく、実像に対応する光を反射させる反射型のコンバイナではなく、実像に対応する光を透過させる透過型のコンバイナ１００を用いる。具体的には、本実施例に係るコンバイナ１００は、実像表示装置２００からの光（以下では適宜「実像表示光」と呼ぶ。）に対してのみ光学的作用を付与することで、実像表示光を屈折させることにより運転者の頭部に導き、実像表示光以外の光（車両の前方風景に対応する光などであり、以下では適宜「背景光」と呼ぶ。）に対する光学的作用を最小限にして、背景光をなるべく透過させる。

本実施例に係るＨＵＤ３００によれば、運転者が視認する虚像の視野角を確保することができる。また、天井に虚像表示装置２００を設置する場合と比較して、ＨＵＤ３００によれば、運転者に与える圧迫感を抑制することができると共に、天井まで電源を引き回す必要がないため、容易に取り付けることができる。

なお、図１に示したように実像表示装置２００をダッシュボード上に設けることに限定はされず、実像表示装置２００をインスツルメントパネルやセンターコンソールに設けても良い。つまり、実像表示装置２００をオンダッシュ型に構成することに限定はされず、実像表示装置２００をインダッシュ型に構成しても良い。

なお、コンバイナ１００は、本発明における「虚像生成素子」の一例に相当し、実像表示装置２００は、本発明における「外部装置」の一例に相当する。

以下では、上記したような本実施例に係るコンバイナ１００の具体例について提示する。以後では、一例として、実像表示装置２００は、３原色（ＲＧＢ）の光により構成された実像表示光を出射するものとする。

［コンバイナの構成］
図２は、コンバイナ１００の構成を示す図である。図２では、実像表示装置２００からの光（即ち、実像表示光）の進行方向に沿って切断した、コンバイナ１００の一部分についての断面図を示している。なお、後述するコンバイナの図についても同様とする。

図２に示すように、コンバイナ１００は、実像表示光が入射される側から順に、透明の基板２３と、誘電体多層膜２１と、透明の基板２４と、コレステリック液晶層２２とを有する。

誘電体多層膜２１は、反射特性として、実像表示光と同一の波長を有する光を選択的に反射する波長選択性及び入射角度によって反射率を異ならせる入射角度依存性を有する。また、後述するように、誘電体多層膜２１は、反射率のピーク（最大値）が約５０％になるように設計されている。これにより、誘電体多層膜２１は、図２に示すように、所定角度「α’」により入射した光を透過させ、その後に所定角度「β’」により入射するコレステリック液晶層２２の反射光の一部を反射させる。誘電体多層膜２１は、本発明における「第１光学素子」の一例である。

コレステリック液晶層２２は、反射特性として、波長選択性及び円偏光２色性を有する。具体的には、コレステリック液晶層２２は、図２に示すように、異なる螺旋ピッチを有する螺旋構造のコレステリック液晶２７Ａ〜２７Ｃがガラス基板２８によって三層に分けられた構成を有する。コレステリック液晶２７Ａ〜２７Ｃは、螺旋のねじれと同じ方向の円偏光成分であって、螺旋ピッチと等しい波長を有する光のみを選択的に反射する。ここでは、コレステリック液晶２７Ａ〜２７Ｃは、それぞれ、赤色光（Ｒ）の波長（６５０ｎｍ）、緑色光（Ｇ）の波長（５３２ｎｍ）、及び青色光（Ｂ）の波長（４５０ｎｍ）と同じ長さの螺旋ピッチを有するものとし、かつ、右円偏光のみを選択的に反射するものとする。これにより、コレステリック液晶層２２は、図２に示すように、所定角度「θ_ｉｎ’」により入射した右円偏光を１００％反射させ、その後に所定角度「θ_ｏｕｔ’」により入射する誘電体多層膜２１の反射光である左円偏光を１００％透過させる。コレステリック液晶層２２は、本発明における「第２光学素子」の一例である。

なお厳密には、コレステリック液晶層２２の螺旋ピッチを「ｐ」，実像表示光の波長を「λ」、入射角度を「θ」、コレステリック液晶層の平均屈折率を「n」とすると、コレステリック液晶層２２が反射する光の波長は「ｐ×ｎ×cosθ」であるので、それを考慮して実像表示光の波長が反射されるようにコレステリック液晶層２２の螺旋ピッチを決定するのが望ましい。

また、コンバイナ１００では、誘電体多層膜２１とコレステリック液晶層２２とが非平行になるように配置されている。具体的には、コレステリック液晶層２２はコンバイナ１００における水平面に沿って配置されているのに対して、誘電体多層膜２１はコンバイナ１００における水平面に対して角度φだけ傾斜して配置されている。つまり、誘電体多層膜２１とコレステリック液晶層２２との成す角度は「φ」となっている。

さらに、実像表示装置２００の発光面には、λ／４板フィルム２５０が貼り付けられている。これにより、実像表示装置２００の発光面から発せられた直線偏光は、λ／４板フィルム２５０により右円偏光に変えられてコンバイナ１００に入射する。

次に、図３を参照して、上記のような誘電体多層膜２１の光学的作用を実現させるために、誘電体多層膜２１に具備させる特性について説明する。

図３（ａ）は、横軸に入射波長［ｎｍ］を示し、縦軸に反射率［％］を示しており、誘電体多層膜２１の波長選択性反射特性を示している。具体的には、誘電体多層膜２１に入射角度β（基板内部ではβ’）で入射する光に対する反射率の波長依存性を示している。図３（ａ）に示すように、誘電体多層膜２１は、ＲＧＢ光である実像表示光（即ち、波長が４５０、５３２、６５０ｎｍ近傍の光）にのみ、光学的作用（具体的には５０％の反射率による正反射作用）を与えるように構成されている。これにより、上記の３波長以外の光は、誘電体多層膜２１による光学的作用を受けることはない。

図３（ｂ）は、横軸に入射角度［°］を示し（この入射角度は、空気との界面反射に換算した角度である）、縦軸に反射率［％］を示しており、誘電体多層膜２１の実像表示光に対する反射率の入射角度依存性を示している。具体的には、実線のグラフＧ２１は誘電体多層膜２１の入射角度依存性を示している。なお、図３（ｂ）は、角度αが４０．９［°］であり、角度βが１９．８［°］である場合について例示している。

グラフＧ２１に示すように、誘電体多層膜２１は、角度αで最初に入射する実像表示光を約１００％透過し、コレステリック液晶層２２で反射されて角度βで入射する実像表示光を約５０％の反射率で反射するように構成されている。なお、誘電体多層膜２１は、角度αで入射する実像表示光を透過し、角度βで入射する実像表示光を反射するといった特性を具備していれば、それ以外の角度ではどのような特性を具備していても良い。例えば、破線で表されたグラフＧ２１’で示すような特性を具備していても良い。

［光学的作用の詳細］
コンバイナ１００は、波長選択性及び入射角度依存性を有する最大反射率が約５０％の誘電体多層膜２１及び円偏光二色性を有するコレステリック液晶層２２を備える。これにより、コンバイナ１００は、実像表示光の減衰率を約５０％に抑えて運転者に視認させつつ、実像表示光と同一波長を有する信号機の光についても好適に運転者に視認させる。

以下では、実像表示光への光学的作用と、信号機から発する光のうち実像表示光と同一波長の光（「信号光」とも呼ぶ。）への光学的作用とに分けて説明する。

（１）実像表示光への光学的作用
誘電体多層膜２１及びコレステリック液晶層２２は、図２中の矢印Ｂ１〜Ｂ４に示すように、下方から入射角θ_ｉｎでコンバイナ１００に入射する実像表示光に対し、所定の光学的作用を付与することで、約５０％の明るさを保ったまま出射角θ_ｏｕｔ（θ_ｏｕｔ≠θ_ｉｎ）でコンバイナ１００から出射させて運転者の頭部に導く。

具体的には、λ／４板フィルム２５０により右円偏光に変換された実像表示光は、入射角θ_ｉｎでコンバイナ１００に入射後、基板２３で屈折して角度θ_ｉｎ’となり、入射角度α’により誘電体多層膜２１へ入射する。ここで、誘電体多層膜２１は、入射角度α（基板内部ではα’）で入射する光に対する反射率が約０％であるため（図３参照）、矢印Ｂ１に示すように、入射光を１００％の透過率により透過させ、入射角と同じ出射角α’で右円偏光のまま出射する。

この後、誘電体多層膜２１の透過光は、入射角θ_ｉｎ’でコレステリック液晶層２２に入射する。ここで、上述の入射光は、コレステリック液晶２７Ａ〜２７Ｃのいずれかの螺旋ピッチと波長が一致し、かつ、螺旋のねじれ方向と同一の方向（右方向）の円偏光になっている。従って、コレステリック液晶層２２の入射光は、矢印Ｂ２に示すように、反射角θ_ｉｎ’でコレステリック液晶層２２にて約１００％の反射率により正反射される。このように、コレステリック液晶層２２は、約１００％の反射率により上述の入射光を反射することで、実像表示装置２００が表示する実像からの直接光が運転者の目に入射するのを好適に抑制する。また、このとき、コレステリック液晶層２２は、上述の右円偏光である入射光を、そのまま右円偏光として反射する。

そして、コレステリック液晶層２２で正反射した右円偏光は、入射角β’で誘電体多層膜２１に入射する。ここで、誘電体多層膜２１は、入射角度β’（基板内部ではβ’）で入射する光に対する反射率が約５０％であるため（図３参照）、矢印Ｂ３に示すように、上述の入射光を、約５０％の反射率により正反射する。このとき、誘電体多層膜２１は、上述の右円偏光である入射光を、左円偏光に変換して反射する。この後、誘電体多層膜２１で反射した左円偏光は、入射角θ_ｏｕｔ’でコレステリック液晶層２２に入射する。ここで、上述の入射光は、コレステリック液晶２７Ａ〜２７Ｃの螺旋のねじれ方向（右方向）と反対方向に回転する左円偏光であるため、矢印Ｂ４に示すように、コレステリック液晶層２２を約１００％の透過率により透過し、出射角θ_ｏｕｔでコンバイナ１００から出射される。

このように、コンバイナ１００は、実像表示装置２００から出射された実像表示光を、約５０％の減衰率に抑制しつつ、運転者に虚像を視認させることができる。

ここで、実像表示光の入射角度θ_ｉｎ及び出射角度θ_ｏｕｔと、誘電体多層膜２１の傾斜角度φとの関係について説明する。

入射角θ_ｉｎは、実像表示装置２００とコンバイナ１００との設置位置から決まり、出射角θ_ｏｕｔは、頭部と虚像の表示位置とから決まる。角度θ_ｉｎ’、θ_ｏｕｔ’は、それぞれ角度θ_ｉｎ、θ_ｏｕｔの基板内部での角度であり、スネルの法則より式（１）、（２）から求められる。

θ_ｉｎ’＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ_ｉｎ／ｎ） 式（１）
θ_ｏｕｔ’＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ_ｏｕｔ／ｎ） 式（２）
また、上記した角度α’、β’φは、それぞれ、角度θ_ｉｎ’、θ_ｏｕｔ’を用いて、式（３）、（４）、（５）で表される。

α’＝（３θ_ｉｎ’−θ_ｏｕｔ’）／２ 式（３）
β’＝（θ_ｉｎ’＋θ_ｏｕｔ’）／２ 式（４）
φ＝（θ_ｉｎ’−θ_ｏｕｔ’）／２ 式（５）
更に、角度α’、β’は、スネルの法則を用いて空気中での角度α、βに変換すると、式（６）、（７）で表される。

α＝ｓｉｎ^−１（ｎ・ｓｉｎα’） 式（６）
β＝ｓｉｎ^−１（ｎ・ｓｉｎβ’） 式（７）
図２の例では、角度θ_ｉｎとして３０［°］を用い、角度θ_ｏｕｔとして１０［°］を用いている。この場合、式（１）、（２）から角度θ_ｉｎ’、θ_ｏｕｔ’を得て、角度θ_ｉｎ’、θ_ｏｕｔ’を式（３）に代入することで「α’≒２５．９［°］」が得られ、また、角度θ_ｉｎ’、θ_ｏｕｔ’を式（４）に代入することで「β’≒１３．１［°］」が得られる。そして、当該角度α’を式（６）に代入することで「α≒４０．９［°］」が得られ、当該角度β’を式（７）に代入することで「β≒１９．８［°］」が得られる。更に、角度θ_ｉｎ’、θ_ｏｕｔ’を式（５）に代入することで「φ≒６．４［°］」が得られる。よって、上記の例では、誘電体多層膜２１を誘電体多層膜２２に対して６．４［°］だけ傾斜させて配置すれば良い。

このように、角度θ_ｉｎ及び角度θ_ｏｕｔを定めると、誘電体多層膜２１の傾斜角度φを一意に決定することができる。なお、誘電体多層膜２１及びコレステリック液晶層２２は光を正反射させるため（つまり入射角と反射角とが等しくなるため）、そのような誘電体多層膜２１及びコレステリック液晶層２２によって、入射角θ_ｉｎで入射された光を当該入射角θ_ｉｎとは異なる出射角θ_ｏｕｔで出射させるといった光学的機能を実現すべく、誘電体多層膜２１をコレステリック液晶層２２に対して傾斜させている。

（２）信号光への光学的作用
次に、信号光への光学的作用について、図４を参照して説明する。図４は、上方から信号光がコンバイナ１００に実像表示光と同一の入射角度θ_ｉｎにより入射する場合のコンバイナ１００の断面図を示す。

誘電体多層膜２１及びコレステリック液晶層２２は、図４中の矢印Ｂ５〜Ｂ６に示すように、上方から入射角θ_ｉｎでコンバイナ１００に入射する信号光に対して、所定の光学的作用を付与することで、約２５％の明るさを保ちつつ出射角θ_ｏｕｔでコンバイナ１００から出射させて運転者の頭部に導く。

具体的には、ランダム偏光である信号光は、入射角θ_ｉｎでコンバイナ１００に入射後、基板２３で屈折して角度θ_ｉｎ’となり、入射角度β’により誘電体多層膜２１へ入射する。ここで、誘電体多層膜２１は、入射角度β（基板内部ではβ’）で入射する光に対する反射率がピークの反射率（約５０％）であるため（図３参照）、矢印Ｂ５に示すように、入射光を約５０％の透過率により透過させ、入射角と同じ出射角β’でランダム偏光のまま出射する。

この後、誘電体多層膜２１を透過した光は、入射角θ_ｉｎ’でコレステリック液晶層２２に入射する。ここで、上述の入射光は、コレステリック液晶２７Ａ〜２７Ｃのいずれかの螺旋ピッチと波長が一致し、かつ、ランダムに偏光している。従って、この場合、矢印Ｂ６に示すように、上述の入射光の約５０％に相当する左円偏光成分の光がコレステリック液晶層２２を透過し、出射角θ_ｉｎでコンバイナ１００から出射される。

このように、誘電体多層膜２１及びコレステリック液晶層２２は、実像表示光と同一の入射角度θ_ｉｎにより上方から入射する信号光を、それぞれ約５０％ずつ減衰させ、約２５％の明るさにより運転者に信号機の表示を視認させる。従って、コンバイナ１００は、実像表示装置２００から出射された実像表示光を、約５０％の減衰率に抑制して運転者に虚像を視認させ、かつ、実像表示光と同一の入射角度θ_ｉｎにより上方から入射する信号光についても好適に運転者の目に到達させることができる。

なお、信号機から発する光のうち実像表示光とは異なる波長の光については、実像表示光と同じ入射角度（即ち、角度θ_ｉｎ）でコンバイナ１００に入射したとしても誘電体多層膜２１、コレステリック液晶層２２ともに反射率が約０％に設定されているため、ほぼ減衰することなく運転者に視認させることができる。

さらに、実像表示光と異なる入射角度（即ち、角度θ_ｉｎ以外の角度）でコンバイナ１００に入射する信号光についても同様に、誘電体多層膜２１の反射率は約０％に設定されているため、コレステリック液晶層２２によってのみ約５０％に減衰され、運転者に視認させることができる。

［効果］
次に、本実施形態に係るコンバイナ１００の効果について、図５を参照して補足説明する。

図５は、コレステリック液晶層２２に代えて、誘電体多層膜２２ｘを設けた場合の比較例に係るコンバイナ１００ｘの断面図を示す。ここで、誘電体多層膜２２ｘは、ＲＧＢ光の各波長の近傍の波長を有する光のみを反射させ、かつ、角度θ_ｏｕｔ（基板内部ではθ_ｏｕｔ’）で入射する光を約１００％の透過率で透過し、角度θ_ｉｎ（基板内部ではθ_ｉｎ’）で入射する光を約５０％の最大反射率により反射するといった特性を具備しているものとする。また、比較例では、実像表示装置２００には、λ／４板フィルム２５０が貼り付けられていない。

図５に示す比較例に係るコンバイナ１００ｘは、角度θ_ｉｎで上方から入射した信号光（信号機から発する光のうち実像表示光と同じ波長の光）を誘電体多層膜２１で約５０％透過させ、その後に角度θ_ｉｎ’で誘電体多層膜２２ｘに入射した光を約５０％透過させる。このように、コンバイナ１００ｘは、コンバイナ１００と同様に、信号光に基づく信号表示を２５％以上の明るさにより運転者に視認させている。

一方、実像表示光が入射角度θ_ｉｎによりコンバイナ１００ｘに入射した場合、誘電体多層膜２１を１００％の透過率により透過した実像表示光は、誘電体多層膜２２ｘで約５０％の反射率により反射される。その結果、比較例の場合、実施例の場合の半分である約２５％の実像表示光しか運転者の目に到達せず、運転者が視認する虚像が暗くなってしまう。さらに、比較例の場合、誘電体多層膜２２ｘに入射する実像表示光の約５０％は透過するため、その透過光である実像表示光が直接運転者の目に入射する。この場合、運転者の目に入射する実像表示光は、約５０％の明るさを保っているため、虚像の明るさ（約２５％）よりも明るくなり、視認性が悪化することになる。

また、他の比較例として、上述の比較例に係る誘電体多層膜２１及び誘電体多層膜２２ｘの反射率のピークを約１００％にした場合について考察する。この場合、実像表示光が直接運転者の目に入射せず、虚像の明るさを保つことができる一方、実像表示光と同一角度θ_ｉｎにより上方から入射する信号光は、誘電体多層膜２１及び誘電体多層膜２２ｘの両方で約１００％反射されてしまう。従って、この場合、信号表示への視認性が著しく低下する。

以上を勘案し、本実施例に係るコンバイナ１００は、波長選択性及び入射角度依存性を有する最大反射率が約５０％の誘電体多層膜２１と、円偏光二色性を有するコレステリック液晶層２２とを備える。これにより、コンバイナ１００は、実像表示光の減衰率を約５０％に抑制して運転者に虚像を視認させつつ、実像表示光と同一の波長を有する信号光についても好適に運転者の目に到達させることができる。

［変形例］
次に、実施例の変形例について説明する。なお、下記の変形例は、任意に組み合わせて実施することができる。

（変形例１）
図６は、変形例１に係るコンバイナ１００ａの構成を示す図である。図６に示すように、コンバイナ１００ａは、誘電体多層膜２１の代わりに、鋸歯形状を有する誘電体多層膜２１ａを用いる点で、コンバイナ１００と異なる。この誘電体多層膜２１ａは、複数の傾斜面２１ａを有し、上記した誘電体多層膜２１と同様の機能を実現することが可能である。例えば、誘電体多層膜２１ａが有する傾斜面２１ａの傾きを、誘電体多層膜２１の面と同様の傾きに設定すれば良い。つまり、コレステリック液晶層２２の面に対して角度φだけ傾いた傾斜面２１ａを適用すれば良い。

このように、変形例１では、全体が傾いた誘電体多層膜２１の代わりに、それ自体は傾いていない誘電体多層膜２１ａを用いることで、コンバイナ１００ａの厚みを上記したコンバイナ１００の厚みよりも薄くすることができる。

（変形例２）
変形例２は、上記したコンバイナ１００に対して、実像表示光に与える光学的作用としてレンズ作用を更に具備させる。例えば、光の集光機能や拡散機能などをコンバイナ１００に具備させる。そのようなコンバイナ１００は、誘電体多層膜２１の面（即ち、基板内部に存在する反射面）を緩やかな曲面にて構成することで実現することができる。そして、変形例２によれば、倍率を有したコンバイナ１００を実現することができ、虚像距離を遠くにしたり近くにしたりすることが可能となる。

なお、上記のように緩やかな曲面にて構成した誘電体多層膜２１に対して、変形例１を更に適用しても良い。つまり、誘電体多層膜２１を、曲面にて構成すると共に、鋸歯形状に構成しても良い。その場合、誘電体多層膜２１は、フレネルレンズ形状になる。

（変形例３）
図７は、変形例３に係るコンバイナ１００ｂの構成を示す図である。図７に示すように、変形例３に係るコンバイナ１００ｂは、上記した誘電体多層膜２１に対応する誘電体多層膜２１ｂをコンバイナ１００ｂの表面に形成し、上記したコレステリック液晶層２２に対応するコレステリック液晶層２２ｂをコンバイナ１００ｂの内部に形成している点で、実施例に係るコンバイナ１００と異なる。具体的には、このコンバイナ１００ｂでは、誘電体多層膜２１ｂはコンバイナ１００ｂの入射面としてコンバイナ１００ｂに沿って配置されているのに対して、コレステリック液晶層２２ｂはコンバイナ１００ｂ及び誘電体多層膜２１ｂに対して角度φだけ傾斜して配置されている。

なお、変形例３は、変形例１及び／又は変形例２と組み合わせて実施しても良い。つまり、コレステリック液晶層２２ｂを、曲面にて構成したり、鋸歯形状に構成したりしても良い。コレステリック液晶層２２ｂを曲面にて構成すると共に鋸歯形状に構成した場合には、当該コレステリック液晶層２２ｂはフレネルレンズ形状になる。

また、更に他の例では、誘電体多層膜２１及びコレステリック液晶層２２の両方を、コンバイナ１００の内部に形成しても良い。その場合、誘電体多層膜２１及びコレステリック液晶層２２の一方のみをコンバイナ１００に対して傾斜させることに限定はされず、誘電体多層膜２１及びコレステリック液晶層２２の両方をコンバイナ１００に対して傾斜させても良い。

（変形例４）
変形例４では、上記した誘電体多層膜２１の代わりに、体積型ＨＯＥ（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）を用いる。その場合、図３（ａ）及び（ｂ）に示したような特性を体積型ＨＯＥに具備させれば良い。また、光学的作用として正反射作用を実像表示光に対して付与するように、体積型ＨＯＥを構成すれば良い。

（変形例５）
上記した実施例では、波長選択透過膜又は波長選択性反射膜として誘電体多層膜２１を用いる例を示した。これに代えて、誘電体多層膜以外の種々の波長選択透過膜又は波長選択性反射膜を、誘電体多層膜２１に代えて用いてもよい。

同様に、実施例では、コレステリック液晶層２２は、螺旋ピッチの異なるコレステリック液晶２７Ａ〜２７Ｃが三層に重なって形成されていた。これに代えて、反射特性としてコレステリック液晶層２２と同様の円偏光二色性及び波長選択性を有するフィルムを、コレステリック液晶層２２に代えて用いてもよい。このようなフィルムとして、例えば、国際公開番号ＷＯ２０１１／０７８０５５に記載されているコレステリック液晶フィルムを用いるとよい。

（変形例６）
誘電体多層膜２１とコレステリック液晶層２２とを基板２３、２４と共に一体に成形するのに代えて、誘電体多層膜２１とコレステリック液晶層２２との相対位置が変更自在となるように、これらを別々の部材として構成してもよい。

図８は、変形例６に係るコンバイナ１００ｃの構成を示す図である。図８に示すように、変形例６に係るコンバイナ１００ｃは、誘電体多層膜２１ｃと、コレステリック液晶層２２ｃと、透明の基板３３、３４と、保持部３５、３６と、を有する。誘電体多層膜２１ｃは、実像表示光が入射される面と反対側の基板３３の面に形成されており、コレステリック液晶層２２ｃは、実像表示光が入射される側の基板３４の面に形成されている。基板３３、３４は、平行平板として構成されている。

誘電体多層膜２１ｃ及び基板３３は保持部３５によって保持されており、コレステリック液晶層２２ｃ及び基板３４は保持部３６によって保持されている。保持部３５と保持部３６とは、共通の軸を用いて回転可能に取り付けられている。これにより、保持部３５によって保持された誘電体多層膜２１ｃ及び基板３３は矢印Ａｒ１で示す方向に回動し、保持部３６によって保持されたコレステリック液晶層２２ｃ及び基板３４は矢印Ａｒ２で示す方向に回動する。そのため、誘電体多層膜２１ｃとコレステリック液晶層２２ｃとの成す角度φを適宜変えることが可能となる。

なお、誘電体多層膜２１ｃ及びコレステリック液晶層２２ｃの両方が回動するようにコンバイナ１００ｃを構成することに限定はされず、誘電体多層膜２１ｃ及びコレステリック液晶層２２ｃの一方を固定し、誘電体多層膜２１ｃ及びコレステリック液晶層２２ｃの他方のみが回動するようにコンバイナ１００ｃを構成しても良い。

図９は、図８中の破線領域Ｒ１を拡大表示したコンバイナ１００ｃの側面図を示している。図９に示す誘電体多層膜２１ｃは、ＲＧＢ光の各波長の近傍の波長を有する光のみを反射させ、かつ、角度「θ_ｉｎ＋φ」で入射する光を透過し、角度「θ_ｉｎ−φ」で入射する光を最大反射率である約５０％の反射率により反射するといった特性を具備する。

本変形例でも、図９中の矢印Ｃ１〜Ｃ４に示すように、実像表示光に対して誘電体多層膜２１ｃ及びコレステリック液晶層２２ｃによって所定の光学的作用を付与することで、実像表示装置２００から入射角「θ_ｉｎ＋φ」でコンバイナ１００ｃに入射された実像表示光を、出射角θ_ｏｕｔでコンバイナ１００ｃから出射させて、約５０％の明るさを保ったまま運転者の頭部に導く。

具体的には、実像表示装置２００から入射角「θ_ｉｎ＋φ」でコンバイナ１００ｃに入射された右円偏光は、矢印Ｃ１に示すように、誘電体多層膜２１ｃを約１００％の透過率により透過して、コレステリック液晶層２２ｃに入射する。その後、入射角θ_ｉｎでコレステリック液晶層２２ｃに入射した光は、矢印Ｃ２に示すように、反射角θ_ｉｎでコレステリック液晶層２２ｃにて約１００％の反射率にて反射する。そして、コレステリック液晶層２２ｃで正反射した光は、入射角「θ_ｉｎ−φ」で誘電体多層膜２１ｃに入射し、矢印Ｃ３に示すように、反射角「θ_ｉｎ−φ」で左円偏光に変換されて約５０％の反射率により誘電体多層膜２１ｃにて反射する。そして、誘電体多層膜２１ｃで反射した光は、矢印Ｃ４に示すようにコレステリック液晶層２２ｃを透過して、出射角θ_ｏｕｔ（θ_ｏｕｔ＝θ_ｉｎ−２φ）でコンバイナ１００ｃから出射される。

また、コンバイナ１００ｃは、実施例と同様、上方からコンバイナ１００に入射する信号光の明るさを少なくとも約２５％保ったまま、運転者の頭部に導く。従って、本変形例によっても、運転者は、虚像を視認しつつ、信号表示についても好適に視認することができる。

なお、本変形例の場合、１つの例では、角度φとして「１０±５［°］」が用いられ、入射角「θ_ｉｎ＋φ」として「４０±５［°］」が用いられ（この場合、θ_ｉｎ＝３０［°］）、出射角θ_ｏｕｔとして「１０±１０［°］」が用いられる。

ここで、本変形例の効果について説明する。コンバイナ１００ｃは、コンバイナ１００ｃからの出射角θ_ｏｕｔが「θ_ｏｕｔ＝θ_ｉｎ−２φ」となり、かつ、誘電体多層膜２１ｃとコレステリック液晶層２２ｃとの成す角度φを変えられるように構成されている。従って、コンバイナ１００ｃは、運転者の座高の高さの違いを好適に吸収することができる。つまり、本変形例によれば、運転者の座高の高さなどが変化しても、当該変化に応じて角度φを運転者等が手動により変えることで、実像表示光を運転者の頭部に適切に到達させることができる。また、本変形例によれば、誘電体多層膜２１ｃと基板３３とから成る部材（例えば平行平板）及びコレステリック液晶層２２ｃと基板３４とから成る部材（例えば平行平板）を薄く構成することができるので、コンバイナ１００ｃ自体の重量を減らすことが可能となる。

（変形例７）
変形例７は、変形例６に示すコンバイナ１００ｄ内の誘電体多層膜２１ｃ及び基板３３の配置と、コレステリック液晶層２２ｃ及び基板３４の配置とを変換した例を示す。

図１０は、変形例７に係るコンバイナ１００ｃ１〜１００ｃ３の構成を示す図である。図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、コンバイナ１００ｃ１〜１００ｃ３は、基板３３、３４において誘電体多層膜２１ｃ及びコレステリック液晶層２２ｃのそれぞれが形成されている位置が、図９に示す変形例６に係るコンバイナ１００ｃと異なる。

図１０（ａ）に示すコンバイナ１００ｃ１では、実像表示光が入射される側の基板３３の面に誘電体多層膜２１ｃが形成されており、実像表示光が入射される面と反対側の基板３４の面にコレステリック液晶層２２ｃが形成されている。図１０（ｂ）に示すコンバイナ１００ｃ２では、実像表示光が入射される面と反対側の基板３３の面に誘電体多層膜２１ｃが形成されており、実像表示光が入射される面と反対側の基板３４の面にコレステリック液晶層２２ｃが形成されている。図１０（ｃ）に示すコンバイナ１００ｃ３では、実像表示光が入射される側の基板３３の面に誘電体多層膜２１ｃが形成されており、実像表示光が入射される側の基板３４の面にコレステリック液晶層２２ｃが形成されている。

なお、変形例６、７は、変形例２と好適に組み合わせることができる。図１１は、変形例６と変形例２とを組み合わせたコンバイナ１００ｃ４の構成を示す図である。図１１に示すように、コンバイナ１００ｃ４は、平行平板で構成された誘電体多層膜２１ｃの代わりに、緩やかな曲率を有する形状（メニスカスレンズ形状）にて構成された誘電体多層膜２１ｃａを用いる点で、コンバイナ１００ｃと異なる。そのような誘電体多層膜２１ｃａを用いる場合、誘電体多層膜２１ｃａが貼り付けられる基板３３ａも、緩やかな曲率を有する形状となる。

このようなコンバイナ１００ｃ４によれば、上記したコンバイナ１００ｃが有する光学的作用に加えて、レンズ作用を実像表示光に対して更に与えることができる。したがって、図１１の例によれば、倍率を有したコンバイナ１００ｃ４を実現することができ、虚像距離を遠くにしたり近くにしたりすることが可能となる。

（変形例８）
上記した実施例では、コンバイナ１００を車両の天井付近に設けているが、その代わりに、図１２に示すように、コンバイナ１００を、２重バイザー構造をしたヘルメット型とし、運転者に装着させてもよい。

この場合、例えば、ＨＵＤ３００は、二輪車に搭載され、実像表示装置２００が二輪車のダッシュボードもしくはメーター付近に設置される。他の例では、コンバイナ１００は、実像表示装置２００とコンバイナ１００とが一体となった装着型のヘッドマウントディスプレイに用いられてもよい。これらの場合、好適には、出射角度θ_ｏｕｔが０°に設定されるように、誘電体多層膜２１とコレステリック液晶層２２との傾斜角度φを設定するとよい。

このように、眼鏡型のコンバイナ１００であっても、実施例に示した誘電体多層膜２１及びコレステリック液晶層２２を有することで、実像表示光に基づく虚像を適切な明るさで運転者に視認させつつ、実像表示光と同様の入射角度で上方から入射する信号光に基づく信号表示についても好適に運転者に視認させることができる。また、実像表示光が直接運転者の目に入射することによる視認性の悪化も好適に抑制することができる。

（変形例９）
実施例では、誘電体多層膜２１の反射率のピークが約５０％に設定されていたが、本発明が適用可能な誘電体多層膜２１の反射率の範囲は、これに限定されない。これに代えて、実際の視認性等を勘案し、実験等により０％及び１００％以外の特定の適合値に設定されてもよい。

（変形例１０）
実施例では、実像表示装置２００は、４５０、５３２、６５０ｎｍの各波長を有するＲＧＢ光からなる実像表示光を出射するものとしたが、本発明はこれに限定されない。これに代えて、実像表示光は、他の波長を有する光から構成されてもよい。この場合であっても、誘電体多層膜２１及びコレステリック液晶層２２は、実像表示光が有する波長に応じた波長選択性を有するように構成される。これにより、コンバイナ１００は、実像表示光に基づく虚像を適切な明るさで運転者に視認させつつ、実像表示光と同一波長を有する背景光を運転者の目に好適に到達させることができる。

１３、２３、２４、３３、３４ 基板
２１、２１ａ〜２１ｃ、２１ｃａ 誘電体多層膜
２２、２１ｂ〜２１ｃ コレステリック液晶層
３５、３６ 保持部
１００、１００ａ〜１００ｃ コンバイナ
２００ 実像表示装置
２５０ λ／４板フィルム
３００ ＨＵＤ

Claims (1)

1. 外部装置によって形成された画像を虚像として視認させる虚像生成素子であって、
   前記画像に対応する円偏光の画像光が入射する第１光学素子と、
   円偏光二色性を有し、前記第１光学素子を透過した画像光が入射する第２光学素子と、
   を備え、
   前記第１及び第２光学素子は、前記外部装置からの光を当該光の入射角度に応じて反射させ、
   前記第１光学素子の面は、前記第２光学素子の面に対して傾いており、
   前記第２光学素子は、前記第１光学素子を透過した前記画像光を反射させ、かつ、当該反射された画像光が前記第１光学素子により反射された光を透過させることを特徴とする虚像生成素子。

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