JP2020057006A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】虚像の視認性が高いＨＵＤ装置を提供する。【解決手段】ＨＵＤ装置は、車両に搭載され、ウインドシールドへ画像を投影することにより、画像を乗員により視認可能に虚像表示する。ＨＵＤ装置は、互いに配列され、照明光を発する複数の発光素子１２と、照明対象面３２を有し、各発光素子１２からの照明光がそれぞれ照明対象面３２のうち対応領域を照明することにより、画像を形成する画像形成部３０と、各発光素子１２からの照明光を集光して照明対象面３２に入射させる集光部１４と、を備える。集光部１４は、各発光素子１２と対をなすように複数設けられたレンズ素子であって、照明光を集光する集光面１７が設けられた集光レンズ素子１５ａが、互いに配列されて形成されている集光レンズアレイ１５を有する。集光面１７は、ｘ方向の曲率とｙ方向の曲率とが互いに異なる凸面状に形成されたアナモルフィック面である。【選択図】図２

Description

本発明は、移動体に搭載され、画像を乗員により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（以下、ＨＵＤ装置を略称とする）に関する。

従来、移動体に搭載され、画像を乗員により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、複数の発光素子と、画像形成部と、集光部と、を備えている。複数の発光素子は、互いに配列され、照明光を発する。画像形成部は、照明対象面を有し、各発光素子からの照明光が当該照明対象面を照明することにより、画像を形成するようになっている。集光部は、照明光を集光して照明対象面に入射させる。

ここで、集光部は、縦方向と横方向との曲率が異なるトロイダル面が設けられた集光レンズを有している。ここで、トロイダル面は、アナモルフィック面の一種である。

特許第５３５３２０３号公報

しかしながら、特許文献１のトロイダル面は、集光レンズにおいて、照明対象面と同等の大きさの単一の凸面状の面となっている。したがって、例えば大きな曲率を設定することができない等の設計の制約が生じる。さらに、このトロイダル面は、各発光素子からの照明光をまとめて集光するものであるため、各発光素子の配列に合わせた効率的な集光を行なうことができなかった。したがって、画像形成部が形成する画像の投影部材への投影による虚像において、視認性を十分に高められないことが懸念されていた。

本発明は、以上説明した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、虚像の視認性が高いＨＵＤ装置を提供することにある。

開示された発明は、移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、画像を乗員により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、
互いに配列され、照明光を発する複数の発光素子（１２，２１２）と、
照明対象面（３２，２３２）を有し、各発光素子からの照明光がそれぞれ照明対象面のうち対応領域を照明することにより、画像を形成する画像形成部（３０，２３０）と、
各発光素子からの照明光を集光して照明対象面に入射させる集光部（１４，２１４）と、を備え、
集光部は、各発光素子と対をなすように複数設けられたレンズ素子であって、照明光を集光する集光面（１７，２１７）が設けられた集光レンズ素子（１５ａ，２１５ａ）が、互いに配列されて形成されている集光レンズアレイ（１５，２１５）を有し、
集光面の面頂点（１７ａ）と、対をなす発光素子とを結ぶ方向としてｚ方向を定義し、ｚ方向と直交する仮想平面上において互いに直交するｘ方向及びｙ方向を定義すると、
集光レンズ素子と発光素子との対は、ｘ方向及びｙ方向のうち少なくとも一方を配列方向（ＡＤ）として配列され、
各集光面は、ｘ方向の曲率とｙ方向の曲率とが互いに異なる凸面状に形成されたアナモルフィック面であり、
ｘ方向及びｙ方向のうち一方を配列方向とし、他方を他方向（ＳＤ）とすると、
照明対象面は、配列方向に対応した照明対象面上の方向の寸法をＬａとし、他方向に対応した照明対象面上の方向の寸法をＬｓとする矩形状に形成され、
配列方向における集光レンズ素子と発光素子との対の配列個数をＮａとすると、
Ｌａ／Ｎａ＜Ｌｓであり、配列方向の曲率は、他方向の曲率よりも大きい。
また、開示された別発明は、移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、画像を乗員により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、
互いに配列され、照明光を発する複数の発光素子（１２，２１２）と、
照明対象面（３２，２３２）を有し、各発光素子からの照明光がそれぞれ照明対象面のうち対応領域を照明することにより、画像を形成する画像形成部（３０，２３０）と、
各発光素子からの照明光を集光して照明対象面に入射させる集光部（１４，２１４）と、を備え、
集光部は、各発光素子と対をなすように複数設けられたレンズ素子であって、照明光を集光する集光面（１７，２１７）が設けられた集光レンズ素子（１５ａ，２１５ａ）が、互いに配列されて形成されている集光レンズアレイ（１５，２１５）を有し、
集光面の面頂点（１７ａ）と、対をなす発光素子とを結ぶ方向としてｚ方向を定義し、ｚ方向と直交する仮想平面上において互いに直交するｘ方向及びｙ方向を定義すると、
集光レンズ素子と発光素子との対は、ｘ方向及びｙ方向のうち少なくとも一方を配列方向（ＡＤ）として配列され、
各集光面は、ｘ方向の曲率とｙ方向の曲率とが互いに異なる凸面状に形成されたアナモルフィック面であり、
ｘ方向及びｙ方向のうち一方を配列方向とし、他方を他方向（ＳＤ）とすると、
照明対象面は、配列方向に対応した照明対象面上の方向の寸法をＬａとし、他方向に対応した照明対象面上の方向の寸法をＬｓとする矩形状に形成され、
配列方向における集光レンズ素子と発光素子との対の配列個数をＮａとすると、
Ｌａ／Ｎａ＞Ｌｓであり、配列方向の曲率は、他方向の曲率よりも小さい。
さらに、開示された別発明は、移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、画像を乗員により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、
互いに配列され、照明光を発する複数の発光素子（１２，２１２）と、
照明対象面（３２，２３２）を有し、各発光素子からの照明光がそれぞれ照明対象面のうち対応領域を照明することにより、画像を形成する画像形成部（３０，２３０）と、
各発光素子からの照明光を集光して照明対象面に入射させる集光部（１４，２１４）と、を備え、
集光部は、各発光素子と対をなすように複数設けられたレンズ素子であって、照明光を集光する集光面（１７，２１７）が設けられた集光レンズ素子（１５ａ，２１５ａ）が、互いに配列されて形成されている集光レンズアレイ（１５，２１５）を有し、
集光面の面頂点（１７ａ）と、対をなす発光素子とを結ぶ方向としてｚ方向を定義し、ｚ方向と直交する仮想平面上において互いに直交するｘ方向及びｙ方向を定義すると、
集光レンズ素子と発光素子との対は、ｘ方向及びｙ方向のうち少なくとも一方を配列方向（ＡＤ）として配列され、
各集光面は、ｘ方向の曲率とｙ方向の曲率とが互いに異なる凸面状に形成されたアナモルフィック面であり、
ｘ方向及びｙ方向の両方を配列方向とすると、
照明対象面は、ｘ方向に対応した照明対象面上の方向の寸法をＬｘとし、ｙ方向に対応した照明対象面上の方向の寸法をＬｙとする矩形状に形成され、
集光レンズ素子と発光素子との対は、ｘ方向にＮｘ個配列されると共に、ｙ方向にＮｙ個配列され、
Ｌｘ／Ｎｘ＜Ｌｙ／Ｎｙであり、ｘ方向の曲率は、ｙ方向の曲率よりも大きい。
またさらに、開示された別発明は、移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、画像を乗員により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、
互いに配列され、照明光を発する複数の発光素子（１２，２１２）と、
照明対象面（３２，２３２）を有し、各発光素子からの照明光がそれぞれ照明対象面のうち対応領域を照明することにより、画像を形成する画像形成部（３０，２３０）と、
各発光素子からの照明光を集光して照明対象面に入射させる集光部（１４，２１４）と、を備え、
集光部は、各発光素子と対をなすように複数設けられたレンズ素子であって、照明光を集光する集光面（１７，２１７）が設けられた集光レンズ素子（１５ａ，２１５ａ）が、互いに配列されて形成されている集光レンズアレイ（１５，２１５）を有し、
集光面の面頂点（１７ａ）と、対をなす発光素子とを結ぶ方向としてｚ方向を定義し、ｚ方向と直交する仮想平面上において互いに直交するｘ方向及びｙ方向を定義すると、
集光レンズ素子と発光素子との対は、ｘ方向及びｙ方向のうち少なくとも一方を配列方向（ＡＤ）として配列され、
各集光面は、ｘ方向の曲率とｙ方向の曲率とが互いに異なる凸面状に形成されたアナモルフィック面であり、
ｘ方向及びｙ方向の両方を配列方向とすると、
照明対象面は、ｘ方向に対応した照明対象面上の方向の寸法をＬｘとし、ｙ方向に対応した照明対象面上の方向の寸法をＬｙとする矩形状に形成され、
集光レンズ素子と発光素子との対は、ｘ方向にＮｘ個配列されると共に、ｙ方向にＮｙ個配列され、
Ｌｘ／Ｎｘ＞Ｌｙ／Ｎｙであり、ｘ方向の曲率は、ｙ方向の曲率よりも小さい。

このような発明によると、ｘ方向の曲率とｙ方向との曲率とが互いに異なる凸面状に形成されたアナモルフィック面が、集光レンズ素子の集光面として、形成されている。集光レンズ素子は、集光部の集光レンズアレイにおいて互いに配列されているので、例えば照明対象面に対して大きな曲率を設定することが可能となる。集光レンズ素子は、発光素子とそれぞれ対をなしているので、各方向の曲率を集光面に設定して、各発光素子の配列に合わせた効率的な集光を行なうことができる。以上により、各発光素子は、照明対象面のうち対応領域を効率的に照明可能となるので、画像形成部が形成する画像の投影部材への投影による虚像を、視認性の高いものとすることができるのである。

なお、括弧内の符号は、記載内容の理解を容易にすべく、後述する実施形態において対応する構成を例示するものに留まり、発明の内容を限定することを意図したものではない。

第１実施形態におけるＨＵＤ装置の車両への搭載状態を示す模式図である。 第１実施形態における発光素子、集光部、及び画像形成部を示す図であって、配列方向及びｚ方向を含む断面を示す断面図である。 第１実施形態における発光素子、集光部、及び画像形成部を示す図であって、他方向及びｚ方向を含む断面を示す断面図である。 第１実施形態における発光素子の放射角度分布を示すグラフである。 第１実施形態における複合レンズアレイを示す斜視図である。 第１実施形態における複合レンズアレイの集光フレネル面を説明するための図である。 第１実施形態における複合レンズアレイの複合面を説明するための図である。 第１実施形態における発光素子と照明対象面との関係を説明するための図である。 第２実施形態における発光素子、集光部、及び画像形成部を示す図である。 第２実施形態における図８に対応する図である。 第２実施形態における複合レンズアレイを示す図であって、ｙ方向及びｚ方向を含む断面を示す断面図である。 第２実施形態における複合レンズアレイを示す図であって、ｘ方向及びｚ方向を含む断面を示す断面図である。 変形例７における図２に対応する図である。 変形例９のうち一例における発光素子、集光部、及び画像形成部を示す図である。 変形例１７における図３に対応する図である。

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。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、本発明の第１実施形態によるＨＵＤ装置１００は、移動体の一種である車両１に搭載され、インストルメントパネル２内に収容されている。ＨＵＤ装置１００は、車両１の投影部材としてのウインドシールド３へ画像を投影する。これにより、ＨＵＤ装置１００は、画像を車両１の乗員により視認可能に虚像表示する。すなわち、ウインドシールド３に反射される画像の光が、車両１の室内において乗員のアイポイントＥＰに到達し、乗員が当該光を知覚する。そして、乗員は、虚像ＶＩ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ＶＩとして表示される各種情報としては、例えば、車速、燃料残量等の車両状態値、又は道路情報、視界補助情報等の車両情報が挙げられる。

車両１のウインドシールド３は、透光性のガラスないしは合成樹脂により板状に形成されている。ウインドシールド３において、室内側の面は、画像が投影される投影面３ａを滑らかな凹面状又は平面状に形成している。なお、投影部材として、ウインドシールド３の代わりに、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、当該コンバイナへ画像を投影するものであってもよい。

このようなＨＵＤ装置１００の具体的構成を、図２〜８に基づいて、以下に説明する。ＨＵＤ装置１００は、複数の発光素子１２、集光部１４、画像形成部３０、平面鏡４０、及び凹面鏡４２を備えており、これらはハウジング５０に収容され、保持されている。

図２，３に示す複数の発光素子１２は、互いに配列されている。各発光素子１２は、発熱の少ない発光ダイオード素子である。各発光素子１２は、光源用回路基板上に配置され、当該基板上の配線パターンを通じて、電源と電気的に接続されている。より詳細に、各発光素子１２は、チップ状の青色発光ダイオード素子を、透光性を有する合成樹脂に黄色蛍光剤を混合した黄色蛍光体により封止することにより形成されている。青色発光ダイオード素子から電流量に応じて発せられる青色光により、黄色蛍光体が励起されて黄色光を発光し、青色光と黄色光との合成により疑似白色の照明光が発せられる。

ここで図４に示すように、各発光素子１２は、発光強度が最大となるピーク方向ＰＤから乖離するに従って発光強度が相対的に低下する放射角度分布にて、照明光を発する。

集光部１４は、図２，３に示すように、集光レンズアレイ１５及び複合レンズアレイ１８を有している。集光部１４は、これら両レンズアレイ１５，１８により、各発光素子１２からの照明光を集光により平行化して、画像形成部３０の照明対象面３２に入射させるようになっている。ここで本実施形態における平行化とは、照明光が発光素子１２から放射状に発せられた状態よりも平行光束に近づいた状態となることを意味し、照明光が完全に平行光束となっている必要はない。

本実施形態の画像形成部３０は、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、ＴＦＴ）を用いた液晶パネルであって、例えば２次元方向に配列された複数の液晶画素から形成されるアクティブマトリクス型の液晶パネルである。画像形成部３０では、一対の偏光板及び一対の偏光板に挟まれた液晶層等が積層されている。偏光板は、電場ベクトルが所定方向の光を透過させ、電場ベクトルが所定方向と実質垂直な方向の光を吸収する性質を有し、一対の偏光板は、当該所定方向を実質直交して配置されている。液晶層は、液晶画素毎の電圧印加により、印加電圧に応じて液晶層に入射する光の偏光方向を回転させることが可能となっている。

したがって、画像形成部３０は、パネルの集光部１４側表面である照明対象面３２への光の入射により、液晶画素毎の当該光の透過率を制御して、画像を形成することが可能となっている。隣り合う液晶画素には、互いに異なる色（例えば、赤、緑、及び青）のカラーフィルタが設けられており、これらの組み合わせにより、様々な色が実現されるようになっている。

さらに画像形成部３０は、集光部１４側表面において、拡散部３４を有している。拡散部３４は、照明対象面３２に沿って配置され、例えばフィルム状に形成される。あるいは拡散部３４は、例えば照明対象面３２に微小な凹凸を設けることにより形成されてもよい。こうした拡散部３４は、平行化された照明光を画像形成部３０を透過する直前で拡散する。画像形成部３０により形成された画像の光は、平面鏡４０に入射する。

図１に示す平面鏡４０は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、反射面４１としてアルミニウムを蒸着させること等により形成されている。反射面４１は、滑らかな平面状に形成されている。そして、平面鏡４０は、画像形成部３０からの画像の光を、凹面鏡４２へ向けて反射する。

凹面鏡４２は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に反射面４３としてアルミニウムを蒸着させること等により形成されている。反射面４３は、凹面鏡４２の中心が凹む凹面として、滑らかな曲面状に形成されている。そして、凹面鏡４２は、平面鏡４０からの画像の光を、ウインドシールド３へ向けて反射する。

凹面鏡４２とウインドシールド３との間において、ハウジング５０に窓部が設けられている。窓部を、透光性の防塵カバー５２が塞いでいる。したがって、凹面鏡４２からの画像の光は、当該防塵カバー５２を透過して、ウインドシールド３に反射される。こうして乗員がウインドシールド３に反射された光を虚像ＶＩとして視認可能となるのである。

このようなＨＵＤ装置１００における発光素子１２、集光部１４、及び画像形成部３０の詳細を、以下に説明する。

集光部１４において集光レンズアレイ１５は、図２，３に示すように、透光性の合成樹脂ないしはガラス等からなる複数の集光レンズ素子１５ａが互いに配列されて、形成されている。各集光レンズ素子１５ａは、それぞれ個別に各発光素子１２と対をなすように、発光素子１２と同数設けられたレンズ素子である。各集光レンズ素子１５ａは、対をなす各発光素子１２からの照明光を集光する集光面１７を有している。特に本実施形態では、各集光面１７は、画像形成部３０側を向き、照明光を射出する射出側表面として、設けられている。一方、照明光が入射する入射側表面１６は、各集光レンズ素子１５ａ間で共通の滑らかな平面状を呈した単一平面となっている。

ここで、集光面１７の面頂点１７ａと、当該集光面１７と対をなす発光素子１２とを結ぶ方向としてｚ方向を定義する。そして、ｚ方向と直交する仮想平面上において、互いに直交するｘ方向及びｚ方向を定義する。本実施形態では、入射側表面１６の法線方向がｚ方向に沿うように配置されるので、仮想平面は実質的に入射側表面１６に置き換えて考えることができる。

本実施形態では、互いに配列された発光素子１２同士の配列間隔と、互いに配列された集光レンズ素子１５ａにおいて集光面１７の面頂点１７ａ同士の間隔とは、実質等しくなっている。面頂点１７ａにおける集光面１７の法線方向は、ｚ方向に沿ったものとなっている。さらに各発光素子１２と、対をなす集光レンズ素子１５ａにおける面頂点１７ａとの距離は、各対において実質等距離となっている。

本実施形態では、集光レンズ素子１５ａと発光素子１２との対が、ｘ方向及びｙ方向とのうちｘ方向を配列方向ＡＤとして配列されている。すなわち、集光レンズ素子１５ａと発光素子１２との対は、ｘ方向の１方向に配列されている。配列方向ＡＤにおける集光レンズ素子１５ａと発光素子１２との対の配列個数をＮａとする。

このような各集光レンズ素子１５ａにおいて、各集光面１７は、ｘ方向の曲率とｙ方向の曲率とが互いに異なる滑らかな凸面状に形成されたアナモルフィック面となっている。本実施形態では、面頂点１７ａ及びその近傍においてｘ方向の曲率がｙ方向の曲率よりも大きくなっている。ここで本実施形態における面頂点１７ａの近傍とは、例えば集光面の各方向の寸法に対して面頂点１７ａからの距離が寸法の半値程度の範囲をいうこととする。

今、ｘ方向が配列方向ＡＤであり、ｙ方向が配列のない他方向ＳＤであるから、配列方向ＡＤ及び他方向ＳＤを用いて換言すると、各集光面１７の配列方向ＡＤの曲率と他方向ＳＤの曲率とが互いに異なっている。面頂点１７ａ及びその近傍において配列方向ＡＤの曲率が他方向ＳＤの曲率よりも大きくなっている。

さらに詳細に、本実施形態の各集光面１７のサグ量ｚは、面頂点１７ａを原点としたとき、

となっている。ここで、ｘはｘ方向の座標、ｙはｙ方向の座標、ｃｘは面頂点１７ａにおけるｘ方向の曲率、ｃｙは面頂点１７ａにおけるｙ方向の曲率、ｋｘはｘ方向のコーニック定数、ｋｙはｙ方向のコーニック定数である。

まず、上述の曲率の大小関係を当該数１に倣って換言すると、本実施形態ではｃｘ＞ｃｙの関係となっている。

また、配列方向ＡＤのコーニック定数は、他方向ＳＤのコーニック定数よりも小さく設定されており、すなわちｋｘ＜ｋｙとなっている。特に配列方向ＡＤのコーニック定数は、０よりも小さく設定すること、すなわちｋｘ＜０であることが好ましい。さらに配列方向ＡＤのコーニック定数は、−１以下に設定すること、すなわちｋｘ＜−１であることがより好ましい。

特に本実施形態では、ｋｘ＝−１、ｋｙ＝０に設定されている。これにより、ｃｘ＞ｃｙであっても、集光面１７の外周部におけるｘ方向のサグ量とｙ方向のサグ量との差は当該曲率差程生じない。

すなわち、配列方向ＡＤ及びｚ方向を含む断面（本実施形態ではｘｚ断面）において、各集光面１７は、放物線状に形成されている（図２を参照）。一方、他方向ＳＤ及びｚ方向を含む断面（本実施形態ではｙｚ断面）において、各集光面１７は、円弧状に（特に本実施系では半円状に）形成されている（図３を参照）。

また、互いに配列された各集光レンズ素子１５ａにおいて、隣接する集光面１７は、境界部において凹状の凹部を形成しつつ、互いに接続されている。

こうして、集光レンズアレイ１５に入射する照明光は、配列方向ＡＤと他方向ＳＤとで集光の度合を異ならせつつ各集光レンズ素子１５ａを透過した後、複合レンズアレイ１８に入射する。

集光部１４において複合レンズアレイ１８は、集光レンズアレイ１５と照明対象面３２との間の光路上に設けられ、透光性の合成樹脂ないしはガラス等からなる複数の複合レンズ素子１８ａが互いに配列されて、形成されている。各複合レンズ素子１８ａは、集光レンズ素子１５ａと発光素子１２との対に対応して、発光素子１２及び集光レンズ素子１５ａと同数設けられたレンズ素子である。すなわち本実施形態では、特に図２に示すように、複合レンズ素子１８ａが配列個数Ｎａと同数、配列方向ＡＤに配列されている。図５に示すように、各複合レンズ素子１８ａは、集光レンズアレイ１５側を向き、照明光が入射する入射側表面として、集光フレネル面１９が配列されたフレネル構造を有している。一方、画像形成部３０側を向き、照明光を射出する射出側表面は、複合面２０となっている。なお、図５では、一部形状が簡略化されて示されている。

集光フレネル面１９は、図６に詳細を示すように、仮想の集光仮想面Ｓｉｐを他方向ＳＤ（本実施形態ではｙ方向）に所定の分割幅Ｗｓで領域分割した一分割領域として、形成されている。ここで、集光仮想面Ｓｉｐは、集光レンズアレイ１５の集光レンズ素子１５ａ側に凸となる凸面として滑らかな曲面状となっている。ここで、集光フレネル面１９の分割領域における分割幅Ｗｓは、略一定値に設定されている。こうした集光フレネル面１９は、集光レンズアレイ１５からの照明光を屈折によりさらに集光して、複合面２０側に透過させる。

複合面２０は、図７に詳細を示すように、平行化面２１と、偏向面２２とが交互に連なる交互配列構造を、形成している。

平行化面２１は、仮想の平行化仮想面Ｓｉｃを配列方向ＡＤ（本実施形態ではｘ方向）に所定の分割幅Ｗａで領域分割した一分割領域として、形成されている。ここで、平行化仮想面Ｓｉｃは、画像形成部３０側に凸となる凸面として滑らかな曲面状となっている。平行化仮想面Ｓｉｃの曲率は、集光仮想面Ｓｉｐの曲率と略等しく設定されている。

偏向面２２は、仮想の偏向仮想面Ｓｉｄを配列方向ＡＤ（本実施形態ではｘ方向）に所定の分割幅Ｗａで領域分割した一分割領域として、形成されている。偏向仮想面Ｓｉｄは、平行化仮想面Ｓｉｃの面頂点に対応する箇所で逆勾配に変わる複数の斜面Ｓｉｓにより構成されており、本実施形態において各斜面Ｓｉｓは、滑らかな平面状となっている。ここで、各斜面Ｓｉｓの勾配は、平行化仮想面Ｓｉｃの対応する箇所の勾配とは逆側の勾配となるように設定されている。

ここで、平行化面２１及び偏向面２２の分割領域における分割幅Ｗａは、様々に設定されているが、各面２１，２２間でサグ量がおよそ一定となるように設定されることで、複合レンズアレイ１８全体の厚みを一定化している。これら平行化面２１と偏向面２２とが交互に配列されることで、平行化仮想面Ｓｉｃのうち一部の形状、及び偏向仮想面Ｓｉｄのうち一部の形状が抽出されて、複合面２０上に再現されている。

こうした平行化面２１は、集光フレネル面１９からの照明光を屈折により集光して、平行化するようになっている。また偏向面２２は、照明光を平行化面２１による屈折とは逆側に偏向するようになっている。

各平行化面２１のうち、平行化仮想面Ｓｉｃの面頂点を含む平行化面２１において面頂点２１ａは、発光素子１２と集光レンズ素子１５ａの集光面１７の面頂点１７ａとを結ぶｚ方向に沿った直線ＳＬ上に配置されている（図２も参照）。上述の分割幅Ｗａは、この面頂点２１ａを含む平行化面２１において最も大きく設定されている。そして、当該面頂点２１ａから配列方向ＡＤに離れる程、平行化面２１に対して偏向面２２の面積の割合が大きくなるように、分割幅Ｗａが変化している。

こうして、図２に示すように、１つの発光素子１２と１つの集光レンズ素子１５ａが対をなし、さらにこの対に対応する１つの複合レンズ素子１８ａが設けられることで、１つの照明ユニットＩＵが構成されている。ここで、照明ユニットＩＵにおいて、集光部１４の構成要素である集光レンズ素子１５ａ及び複合レンズ素子１８ａを総称して、改めてレンズ素子群１４ａと呼ぶこととする。本実施形態では、互いに配列された各照明ユニットＩＵが同様の構成となっている。

各照明ユニットＩＵのレンズ素子群１４ａ毎に、集光レンズ素子１５ａの集光面１７、複合レンズ素子１８ａの集光フレネル面１９及び平行化面２１により、合成焦点（以下、レンズ素子群１４ａの合成焦点という）が規定され得る。ここで、アナモルフィック面である集光面１７により、配列方向ＡＤ及びｚ方向を含む断面（本実施形態ではｘｚ断面）におけるレンズ素子群１４ａの合成焦点の焦点位置ＦＰａと、他方向ＳＤ及びｚ方向を含む断面（本実施形態ではｙｚ断面）におけるレンズ素子群１４ａの合成焦点の焦点位置ＦＰｓとは、ｚ方向にずれたものとなっている。

より詳細には、本実施形態において集光面１７の配列方向ＡＤの曲率が他方向ＳＤの曲率よりも大きくなっているため、焦点位置ＦＰａの方が焦点位置ＦＰｓよりも集光部１４側に位置している。

そして、各発光素子１２は、それぞれ対応するレンズ素子群１４ａについての焦点位置ＦＰａと焦点位置ＦＰｓとの間に配置されている。特に本実施形態では、焦点位置ＦＰａと焦点位置ＦＰｓとの中間位置ＭＰに配置されている。

各照明ユニットＩＵにおいて、レンズ素子群１４ａは、対応する発光素子１２の照明光のうちピーク方向ＰＤの光を含む一部放射束を取り込むようになっている。取り込まれた照明光の一部放射束は、前述のように集光により平行化され得る。ここで本実施形態では、ピーク方向が直線ＳＬ、すなわちｚ方向に沿うように発光素子１２の向きが設定されている。

ここで、発光素子１２の発光強度がピーク方向ＰＤに対して、第１所定割合（本実施形態では５０％）以上である分布範囲の照明光を一部放射束として集光可能とするＦ値をＦｍｉｎとする。また、発光素子１２の発光強度がピーク方向ＰＤに対して、第２所定割合（本実施形態では９０％）以上である分布範囲の照明光を一部放射束として集光可能とするＦ値をＦｍａｘとする。各照明ユニットＩＵにおいて、レンズ素子群１４ａのＦ値は、ｘｚ断面及びｙｚ断面の両方において、Ｆｍｉｎ以上、かつ、Ｆｍａｘ以下に設定されるのが好ましい。

本実施形態の放射角度分布の発光素子１２について言えば、Ｆｍｉｎの場合、図４の相対発光強度が０．５となる角度を参照すると、約±６０度となっているので、レンズ素子群１４ａは、対応する発光素子１２からの照明光のうち−６０度〜＋６０度の範囲を一部放射束として取り込むこととなる。Ｆｍａｘの場合、図４の相対発光強度が０．９となる角度を参照すると、約±２５度となっているので、レンズ素子群１４ａは、照明光のうち−２５度〜＋２５度の範囲を一部放射束として取り込むこととなる。

Ｆ値がＦｍｉｎに近ければ、発光素子１２の少ない配列個数Ｎａで照明対象面３２を照明可能となる一方、虚像ＶＩの輝度ムラは比較的大きくなる。Ｆ値がＦｍａｘに近ければ、虚像ＶＩの輝度ムラは比較的小さくなる一方、照明対象面３２を照明するために必要な発光素子１２の配列個数Ｎａは多くなる。

このように互いに配列された各発光素子１２からの照明光が、集光部１４において、対となる集光レンズ素子１５ａを含むレンズ素子群１４ａにて集光により平行化されつつ、それぞれ照明対象面３２のうち対応領域を照明する。

ここで図８に示すように、画像形成部３０の照明対象面３２は、配列方向ＡＤに対応した当該照明対象面３２上の寸法をＬａとし、他方向ＳＤに対応した当該照明対象面３２上の寸法をＬｓとする矩形状に形成されている。本実施形態では、照明対象面３２が直線ＳＬに対して略垂直に延設されているので、寸法Ｌａは、実質的に配列方向ＡＤの寸法となり、寸法Ｌｓは、実質的に他方向ＳＤの寸法となる。

照明対象面３２の全体を効率的に照明するために、当該照明対象面３２を、配列方向ＡＤに配列個数Ｎａで分割すると、１つの発光素子１２からの照明光が照明すべき照明範囲ＩＲとなる。すなわち本実施形態において、照明範囲ＩＲは、配列方向ＡＤの寸法がＬａ／Ｎａであり、他方向ＳＤの寸法がＬｓである矩形状の範囲となる。ここで照明範囲ＩＲの配列方向ＡＤの寸法と、他方向ＳＤの寸法とを比較する。Ｌａ／Ｎａ＜Ｌｓの場合には、配列方向ＡＤが照明範囲ＩＲにおける短手方向となり、これに対応して、集光面１７において、配列方向ＡＤの曲率は、他方向ＳＤの曲率よりも大きく設定されるべきである。一方、Ｌａ／Ｎａ＞Ｌｓの場合には、配列方向ＡＤが照明範囲ＩＲにおける長手方向となり、これに対応して、集光面１７において、配列方向ＡＤの曲率は、他方向ＳＤの曲率よりも小さく設定されるべきである。すなわち、照明範囲ＩＲの寸法に対応して、長手方向に対応する方向の曲率は、短手方向に対応する方向の曲率よりも小さく設定されるのである。

本実施形態ではＬａ／Ｎａ＜Ｌｓであるので、照明範囲ＩＲにおいて、配列方向ＡＤが短手方向となり、他方向ＳＤが長手方向となっている。この照明範囲ＩＤに対応して、集光面１７の配列方向ＡＤの曲率は、他方向ＳＤの曲率よりも大きくなっているのである。

具体的な実施例として、寸法Ｌａが４０ｍｍであり、かつ、寸法Ｌｓが２０ｍｍである矩形状の照明対象面３２を、配列個数Ｎａが３つである発光素子１２を用いて照明する場合を説明する。照明範囲ＩＲについて、配列方向ＡＤの寸法はＬａ／Ｎａ＝１３．３ｍｍとなり、他方向ＳＤの寸法はＬｓ＝２０ｍｍとなる。すなわち、照明範囲ＩＲは、配列方向ＡＤが短手方向、他方向ＳＤが長手方向となっている。

ここで仮想的に、集光面１７を球面とし、各照明ユニットＩＵにおいてレンズ素子群１４ａの合成焦点距離を１４．５ｍｍとし、当該合成焦点の位置に発光素子１２を配置して、発光素子１２が上述の照明範囲ＩＲを照明するように、レンズ素子群１４ａが構成されたものとする。すると、レンズ素子群１４ａのＦ値は、配列方向ＡＤにおいて１．１６となり、他方向ＳＤにおいて０．７２５となる。すなわち、配列方向ＡＤでは発光素子１２の発光強度がピーク方向ＰＤに対して約９０％以上である分布範囲の一部放射束が取り込まれることとなる。一方、他方向ＳＤでは、発光素子１２の発光強度がピーク方向ＰＤに対して約７２％以上である分布範囲の一部放射束が取り込まれることとなる。他方向ＳＤでは、レンズ素子群１４ａが対応する発光素子１２から発せられた照明光のうち発光強度が相対的に低い方向の照明光を取り込んでしまうこととなるので、配列方向ＡＤよりも大きな輝度ムラが虚像ＶＩにおいて生じ得る。

そこで、両方向ＡＤ，ＳＤのＦ値を合わせるように、集光面１７を球面ではなくアナモルフィック面とし、配列方向ＡＤの曲率に対して、他方向ＳＤの曲率を０．７２／０．９すなわち１．２５分の１とすれば、両方向ＡＤ，ＳＤの輝度ムラを同程度にしつつ、各発光素子１２が照明する対応領域を矩形状の照明範囲ＩＲに合わせることができる。

（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説明する。

第１実施形態によると、ｘ方向の曲率とｙ方向との曲率とが互いに異なる凸面状に形成されたアナモルフィック面が、集光レンズ素子１５ａの集光面１７として、形成されている。集光レンズ素子１５ａは、集光部１４の集光レンズアレイ１５において互いに配列されているので、例えば照明対象面３２に対して大きな曲率を設定することが可能となる。集光レンズ素子１５ａは、発光素子１２とそれぞれ対をなしているので、各方向の曲率を集光面１７に設定して、各発光素子１２の配列に合わせた効率的な集光を行なうことができる。以上により、各発光素子１２は、照明対象面３２のうち対応領域を効率的に照明可能となるので、画像形成部３０が形成する画像のウインドシールド３への投影による虚像ＶＩを、視認性の高いものとすることができるのである。

また、第１実施形態によると、Ｌａ／Ｎａ＜Ｌｓである場合、配列方向ＡＤの曲率は、他方向ＳＤの曲率よりも大きく、Ｌａ／Ｎａ＞Ｌｓである場合、配列方向ＡＤの曲率は、他方向ＳＤの曲率よりも小さい。すなわち、照明対象面３２の発光素子１２の１個当たりの寸法における両方向ＡＤ，ＳＤの大小に合わせて、集光面１７の両方向ＡＤ，ＳＤの曲率の大小が設定されている。

ここで、凸面状に形成されたアナモルフィック面である集光面１７を用いて、１つの発光素子１２により照明される照明対象面３２の対応領域について、曲率が小さい方向の照明の幅は、曲率が大きい方向の照明の幅よりも広く構成可能となる。この関係を利用することで、両方向ＡＤ，ＳＤの照明の幅が、照明対象面３２の発光素子１２の１個当たりの寸法の両方向ＡＤ，ＳＤの大小に合ったものとなる。故に、各発光素子１２からの照明光が照明する対応領域の範囲が適正化され、照明対象面３２の全体が効率的に照明される。したがって、虚像ＶＩの視認性を高めることができる。

また、第１実施形態によると、集光面１７のサグ量ｚが式のようになっているので、ｘ方向の曲率とｙ方向の曲率とが互いに異なる凸面状に形成されたアナモルフィック面としての集光面１７を容易に実現することができる。

また、第１実施形態によると、配列方向ＡＤのコーニック定数は、−１以下である。このようにすることで、配列方向ＡＤに集光レンズ素子１５ａが配列された集光レンズアレイ１５において、集光レンズ素子１５ａの隣接箇所近傍で集光面１７の法線方向がｚ方向と垂直となる可能性を排除して、当該近傍での集光面１７の勾配をなだらかにできる。したがって、勾配の大きな集光面１７同士が向かい合う形状により発生し得る照明光の損失を、確実に抑制することができるので、照明対象面３２の全体が効率的に照明される。したがって、虚像ＶＩの視認性を高めることができる。

また、第１実施形態によると、配列方向ＡＤのコーニック定数は、他方向ＳＤのコーニック定数ｋｙよりも小さい。このようにすることで、曲率を配列方向ＡＤと他方向ＳＤとで異ならせつつも、配列方向ＡＤに集光レンズ素子１５ａが配列された集光レンズアレイ１５において、集光レンズ素子１５ａの隣接箇所近傍での集光面１７の勾配を比較的なだらかにできる。したがって、勾配の大きな集光面１７同士が向かい合う形状により発生し得る照明光の損失を、抑制することができるので、照明対象面３２の全体が効率的に照明される。したがって、虚像ＶＩの視認性を高めることができる。

また、第１実施形態によると、各集光面１７は、配列方向ＡＤ及びｚ方向を含む断面において、放物線状に形成されている。このようにすることで、配列方向ＡＤに集光レンズ素子１５ａが配列された集光レンズアレイ１５において、集光レンズ素子１５ａの隣接箇所近傍で集光面１７の法線方向がｚ方向と垂直となる可能性を排除して、当該近傍での集光面１７の勾配をなだらかにできる。したがって、勾配の大きな集光面１７同士が向かい合う形状により発生し得る照明光の損失を、確実に抑制することができるので、照明対象面３２の全体が効率的に照明される。したがって、虚像ＶＩの視認性を高めることができる。

また、第１実施形態によると、複合面２０が設けられた複合レンズとしての複合レンズアレイ１８は、集光レンズアレイ１５と照明対象面３２との間の光路上に配置されている。ここで複合面２０は、照明光を屈折により平行化する平行化面２１と、照明光を平行化面２１の屈折とは逆側に偏向する偏向面２２とが、交互に連なる交互配列構造を、形成している。この配列構造では、発光素子１２から対となる集光レンズ素子１５ａに集光された照明光は、一部が平行化面２１により平行化される一方、他部が偏向面２２により平行化面２１との屈折とは逆側に屈折する。これにより、アナモルフィック面としての集光面１７により発光素子１２の配列に合わせた効率的な照明を実現しつつ、さらに、照明光を一部と他部との間で混ぜ合わせることで、虚像ＶＩの輝度ムラを低減することができる。したがって、虚像ＶＩの視認性を高めることができる。

（第２実施形態）
図９，１０に示すように、本発明の第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実施形態の集光部２１４は、図９に示すように、第１実施形態と同様に、アナモルフィック面である集光面２１７が設けられた集光レンズ素子２１５ａが、互いに配列されて形成されている集光レンズアレイ２１５を有している。なお、図９では、集光レンズ素子２１５ａ及び発光素子２１２の一部にのみ符号が付されている。

第２実施形態において、集光レンズ素子２１５ａと発光素子２１２との対は、ｘ方向及びｙ方向の両方を配列方向として配列されている。ここで、集光レンズ素子２１５ａと発光素子２１２との対は、ｘ方向にＮｘ個配列されると共に、ｙ方向にＮｙ個配列されている。特に本実施形態では、配列個数Ｎｘが３個、配列個数Ｎｙが２個の場合が図示されている。

ここで図１０に示すように、画像形成部２３０の照明対象面２３２は、ｘ方向に対応した当該照明対象面２３２上の寸法をＬｘとし、ｙ方向に対応した当該照明対象面２３２上の寸法をＬｙとする矩形状に形成されている。第１実施形態と同様に、照明対象面２３２が直線に対して略垂直に延設されているので、寸法Ｌｘは、実質的にｘ方向の寸法となり、寸法Ｌｙは、実質的にｙ方向の寸法となる。

照明対象面２３２の全体を効率的に照明するために、当該照明対象面２３２を、ｘ方向に配列個数Ｎｘで分割し、ｙ方向に配列個数Ｎｙで分割すると、１つの発光素子２１２からの照明光が照明すべき照明範囲ＩＲとなる。すなわち本実施形態において、照明範囲ＩＲは、ｘ方向の寸法がＬｘ／Ｎｘであり、ｙ方向の寸法がＬｙ／Ｎｙである矩形状の範囲となる。ここで照明範囲ＩＲのｘ方向の寸法と、ｙ方向の寸法とを比較する。Ｌｘ／Ｎｘ＜Ｌｙ／Ｎｙの場合には、ｘ方向が照明範囲ＩＲにおける短手方向となり、これに対応して、集光面２１７において、ｘ方向の曲率は、ｙ方向の曲率よりも大きく設定されるべきである。一方、Ｌｘ／Ｎｘ＞Ｌｙ／Ｎｙの場合には、ｘ方向が照明範囲ＩＲにおける長手方向となり、これに対応して、集光面２１７において、ｘ方向の曲率は、ｙ方向の曲率よりも小さく設定されるべきである。すなわち、照明範囲ＩＲに対応して、長手方向に対応する方向の曲率は、短手方向に対応する方向の曲率よりも小さく設定されるのである。

本実施形態ではＬｘ／Ｎｘ＞Ｌｘ／Ｎｙであるので、照明範囲ＩＲにおいて、ｘ方向が長手方向となり、ｙ方向が短手方向となっている。この照明範囲ＩＤに対応して、集光面１７のｘ方向の曲率は、ｙ方向の曲率よりも小さくなっているのである。

また、第２実施形態の集光部２１４において複合レンズアレイ２１８は、第１実施形態と同様に、集光レンズアレイ２１５と照明対象面２３２との間の光路上に設けられ、複数の複合レンズ素子２１８ａが互いに配列されて、形成されている。各複合レンズ素子２１８ａは、集光レンズ素子２１５ａと発光素子２１２との対に対応して、発光素子２１２及び集光レンズ素子２１５ａと同数設けられたレンズ素子である。すなわち本実施形態では、複合レンズ素子２１８ａが、ｘ方向にＮｘ個配列されると共に、ｙ方向にＮｙ個配列されている。図１１に示すように、各複合レンズ素子２１８ａは、集光レンズアレイ２１５側を向き、照明光が入射する入射側表面として、入射側複合面２２３を有している。一方、図１２に示すように、画像形成部２３０側を向き、照明光を射出する射出側表面として、各複合レンズ素子２１８ａは射出側複合面２２６を有している。

図１１に示すように、入射側複合面２２３は、平行化面２２４と、偏向面２２５とが交互に連なる交互配列構造を、形成している。

入射側複合面２２３の平行化面２２４は、仮想の平行化仮想面Ｓｉｃ１をｙ方向に所定の分割幅Ｗｙで領域分割した一分割領域として、形成されている。平行化仮想面Ｓｉｃ１は、集光レンズアレイ２１５の集光レンズ素子２１５ａ側に凸となる凸面として滑らかな曲面状に形成されている。

入射側複合面２２３の偏向面２２５は、仮想の偏向仮想面Ｓｉｄ１をｙ方向に所定の分割幅Ｗｙで、領域分割した一分割領域として、形成されている。ここで、偏向仮想面Ｓｉｄ１は、平行化仮想面Ｓｉｃ１の面頂点に対応する箇所で逆勾配に変わる複数の斜面Ｓｉｓ１により構成されており、本実施形態において各斜面Ｓｉｓ１は、滑らかな平面状となっている。ここで、各斜面Ｓｉｓ１の勾配は、平行化仮想面Ｓｉｃ１の対応する箇所の勾配とは逆側の勾配となっている。

これら平行化面２２４と偏向面２２５とが交互に配列されることで、平行化仮想面Ｓｉｃ１のうち一部の形状、及び偏向仮想面Ｓｉｄ１のうち一部の形状が抽出されて、入射側複合面２２３上に再現されている。入射側複合面２２３についてその他の詳細構成は、第１実施形態の複合面２０を参照することができる。

図１２に示すように、射出側複合面２２６は、平行化面２２７と、偏向面２２８とが交互に連なる交互配列構造を、形成している。

射出側複合面２２６の平行化面２２７は、仮想の平行化仮想面Ｓｉｃ２をｘ方向に所定の分割幅Ｗｘで領域分割した一分割領域として、形成されている。平行化仮想面Ｓｉｃ２は、画像形成部２３０側に凸となる凸面として滑らかな曲面状となっている。射出側複合面２２６の平行化面２２７の曲率は、入射側複合面２２３の平行化面２２４の曲率と、略等しく設定されている。

射出側複合面２２６の偏向面２２８は、仮想の偏向仮想面Ｓｉｄ２をｘ方向に所定の分割幅Ｗｘで、領域分割した一分割領域として、形成されている。ここで、偏向仮想面Ｓｉｄ２は、平行化仮想面Ｓｉｃ２の面頂点に対応する箇所で逆勾配に変わる複数の斜面Ｓｉｓ２により構成されており、本実施形態において各斜面Ｓｉｓ２は、滑らかな平面状となっている。ここで、各斜面Ｓｉｓ２の勾配は、平行化仮想面Ｓｉｃ２の対応する箇所の勾配とは逆側の勾配となっている。

これら平行化面２２７と偏向面２２８とが交互に配列されることで、平行化仮想面Ｓｉｃ２のうち一部の形状、及び偏向仮想面Ｓｉｄ２のうち一部の形状が抽出されて、射出側複合面２２６上に再現されている。射出側複合面２２６についてその他の詳細構成は、第１実施形態の複合面２０を参照することができる。

こうした各平行化面２２４，２２７は、集光レンズアレイ２１５からの照明光を屈折により集光して、平行化するようになっている。また、各偏向面２２５，２２８は、照明光を平行化面２２４，２２７による屈折とは逆側に偏向するようになっている。

各複合面２２３，２２６において、交互配列構造は、複合レンズアレイ２１８の光路上の全域において、複合レンズ素子２１８ａ間の境界が分からないような状態で形成されている。しかし、入射側複合面２２３と射出側複合面２２６とで、上述のように分割方向が互いに実質直交していることで、ｘ方向及びｙ方向に配列された複合レンズ素子２１８ａとしての機能が発揮される。

このような第２実施形態においても、集光面２１７は、ｘ方向の曲率とｙ方向の曲率とが互いに異なるアナモルフィック面であるので、第１実施形態に準じた作用効果を奏することが可能となる。

また、第２実施形態によると、Ｌｘ／Ｎｘ＜Ｌｙ／Ｎｙである場合、ｘ方向の曲率は、ｙ方向の曲率よりも大きく、Ｌｘ／Ｎｘ＞Ｌｙ／Ｎｙである場合、ｘ方向の曲率は、ｙ方向の曲率よりも小さい。すなわち、照明対象面２３２の発光素子２１２の１個当たりの寸法における両方向の大小に合わせて、集光面２１７の両方向の曲率の大小が設定されている。

ここで、凸面状に形成されたアナモルフィック面である集光面２１７を用いて、１つの発光素子２１２により照明される照明対象面２３２の対応領域について、曲率が小さい方向の照明の幅は、曲率が大きい方向の照明の幅よりも広く構成可能となる。この関係を利用することで、両方向ＡＤ，ＳＤの照明の幅が、照明対象面２３２の発光素子２１２の１個当たりの寸法の両方向の大小に合ったものとなる。故に、各発光素子２１２からの照明光が照明する対応領域の範囲が適正化され、照明対象面２３２の全体が効率的に照明される。したがって、虚像ＶＩの視認性を高めることができる。

（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、変形例１としては、集光面１７において、コーニック定数ｋｘ，ｋｙは、それぞれ任意に設定することができる。例えば第１実施形態に関して、配列方向ＡＤのコーニック定数が他方向ＳＤのコーニック定数よりも以上であってもよく、また、配列方向ＡＤのコーニック定数が０以上であってもよい。

変形例２としては、集光面１７は、ｘ方向の曲率とｙ方向の曲率とが互いに異なる凸面状に形成されたアナモルフィック面であればよく、集光面１７のサグ量ｚは、べき級数の多項式曲面で表されるものであってもよい。

変形例３としては、集光面１７は、配列方向ＡＤ及びｚ方向を含む断面において、放物線状以外の、双曲線状、楕円弧状、又は円弧状等に形成されていてもよい。

第１実施形態に関する変形例４としては、集光面１７は、他方向ＳＤ及びｚ方向を含む断面において、円弧状以外の、双曲線状、放物線状、又は楕円弧状等に形成されていてもよい。

変形例５としては、集光面１７は、発光素子１２側を向き、照明光を入射させる入射側表面として、設けられていてもよい。

変形例６としては、発光素子１２は、レンズ素子群１４ａの合成焦点の焦点位置ＦＰａに配置されていてもよい。また発光素子１２は、レンズ素子群１４ａの合成焦点の焦点位置ＦＰｓに配置されていてもよい。

変形例７としては、図１３に示すように、互いに配列された発光素子１２同士の配列間隔と、互いに配列された集光レンズ素子１５ａにおいて集光面１７の面頂点１７ａ同士の間隔とは、異なっていてもよい。この条件では、集光面１７の面頂点１７ａと対をなす発光素子１２とを結ぶ方向とが、集光レンズ素子１５ａと発光素子１２との各対の間で異なり得る。こうした場合、各対のうち、例えば中央にある対によって代表してｚ方向を定義することができる。あるいは、集光面１７の面頂点１７ａと対をなす発光素子１２とを結ぶ方向を、各対間で平均した方向を、ｚ方向として定義することができる。

第１実施形態に関する変形例８としては、複合レンズアレイ１８において、集光フレネル面１９を形成する集光仮想面Ｓｉｐの曲率と、平行化面２１を形成する平行化仮想面Ｓｉｃの曲率とは、異なっていてもよい。この例として、集光仮想面Ｓｉｐの曲率と平行化仮想面Ｓｉｃの曲率とを異ならせることにより、レンズ素子群１４ａの合成焦点の焦点位置ＦＰａと焦点位置ＦＰｓとを一致させるように、集光部１４が構成されていてもよい。

第２実施形態に関する変形例９としては、複合レンズアレイ２１８において、入射側複合面２２３における平行化面２２４及び偏向面２２５の分割方向と、射出側複合面２２６における平行化面２２７及び偏向面２２８の分割方向とが入れ替わっていてもよい。

第２実施形態に関する変形例１０としては、複合レンズアレイ２１８において、入射側複合面２２３及び射出側複合面２２６のうち一方は、他の面形状に置き換えることができる。他の面形状としては、第１実施形態のような集光フレネル面や、各複合レンズ素子２１８ａ間で共通の滑らかな曲面状に設けられた単一の凸面等が挙げられる。

変形例１１としては、集光部１４において、複合レンズアレイ１８を、例えば単一の集光レンズ等の他の光学部材に置き換えてもよい。ここで、図１４に示すように、当該光学素子が例えば反射鏡９１８等の照明光の向きを変えるものである場合、ｘ方向に対応した照明対象面３２上の方向ｘｄ又はｙ方向に対応した照明対象面３２上の方向ｙｄは、照明光の向きの変更に合わせて、ｘ方向又はｙ方向と異なっていてもよい。

変形例１２としては、集光部１４は、集光レンズアレイ１５のみにより構成されていてもよい。また集光部１４は、集光レンズアレイ１５及び複合レンズアレイ１８に、他の光学部材を追加したものであってもよい。

変形例１３としては、照明対象面３２の寸法Ｌａと寸法Ｌｓとが一致していてもよい。

変形例１４としては、照明対象面３２は、矩形状以外の、三角形状又は円形状等であってもよい。また照明対象面３２は、平面状以外の、曲面状であってもよい。

変形例１５としては、画像形成部３０は、拡散部３４を有していなくてもよい。

変形例１６としては、ｘ方向及びｙ方向のうちｙ方向のみを、配列方向ＡＤとしてもよい。

変形例１７としては、画像形成部３０において、照明対象面３２は、直線ＳＬに対して垂直に延設されていなくてもよい。例えば図１５に示すように、透過型かつ平板状の液晶パネルである画像形成部３０は、照明対象面３２の法線方向を、直線ＳＬに対して傾斜させた状態で配置されていてもよい。具体的に、照明対象面３２の法線方向が直線ＳＬに対して例えば１０〜２５度程度の角度（図１５ではθと表記）をなすことが好ましい。画像形成部３０内の液晶画素には光を偏向させる要素が基本的にないので、画像形成部３０により形成された画像の光もまた、直線ＳＬに沿って射出する（ただし、一部は拡散部３４の拡散作用を受ける）。

より詳細に、画像形成部３０は、照明対象面３２の長手方向（すなわち配列方向ＡＤ）を回転軸として傾斜している。したがって、画像形成部３０は、照明対象面３２を他方向ＳＤ（すなわちｙ方向）に対して傾斜させた状態で配置されている。この配置の結果、他方向ＳＤ及びｚ方向を含む断面（すなわちｙｚ断面）において、複合レンズアレイ１８と画像形成部３０との間隔は、位置により異なったものとなっている。

こうした画像形成部３０では、平面鏡４０と対向する側に、例えばガラス基板の表面として構成された鏡面によって、平面状の反射面３９が形成されている。例えば太陽光等の外光がウインドシールド３を透過して凹面鏡４２及び平面鏡４０に反射されて画像形成部３０に到達すると、当該外光は直線ＳＬに沿って画像形成部３０に入射する可能性が高い。ここで、照明対象面３２と略平行な反射面３９により、外光は、直線ＳＬとは別の方向に反射される。したがって、反射面３９に反射された外光が画像の光と一緒にアイポイントＥＰに到達することを抑制することができる。

画像形成部３０の傾斜方向又は角度は、平面鏡４０、凹面鏡４２、及びウインドシールド３の配置角度を考慮して、シャインプルーフの条件を満足するように、又は当該条件に近くなるように、設定されることが好ましい。こうした傾斜方向及び角度によれば、アイポイントＥＰから見た虚像ＶＩが傾斜して視認されることを抑制することができる。

また、図１５のように、直線ＳＬに対して法線方向が例えば配列方向ＡＤを回転軸としてθ度傾斜した照明対象面３２の場合、他方向ＳＤに対応した当該照明対象面３２上の寸法Ｌｓとして、照明対象面３２の他方向ＳＤ及びｚ方向を含む断面（すなわちｙｚ断面）における実寸法Ｌｓ０に、ｃｏｓθを乗じて得られた値を採用することが可能である。

また仮に、直線ＳＬに対して法線方向が例えば他方向ＳＤを回転軸としてφ度傾斜した照明対象面の場合では、配列方向ＡＤに対応した当該照明対象面上の寸法Ｌａとして、照明対象面の配列方向ＡＤ及びｚ方向を含む断面（すなわちｘｚ断面）における実寸法に、ｃｏｓφを乗じて得られた値を採用することが可能である。

第２実施形態のようにｘ方向及びｙ方向の両方が配列方向である場合の寸法Ｌｘ，Ｌｙの値の採用についても、こうした寸法Ｌａ，Ｌｓにおける値の採用と同様の考え方を適用可能である。

変形例１８としては、複合レンズアレイ１８において、平行化面２１及び偏向面２２の領域分割における分割幅Ｗａは、各箇所において実質的に同じ幅に設定されていてもよい。

変形例１９としては、複合レンズアレイ１８における複合面２０は、平行化面２１の形状を、傾斜した平面状に置き換えた構成であってもよい。

変形例２０としては、車両１以外の船舶ないしは飛行機等の各種移動体（輸送機器）に、本発明を適用してもよい。

１００ ＨＵＤ装置、１ 車両（移動体）、３ ウインドシールド（投影部材）、１２，２１２ 発光素子、１４，２１４ 集光部、１５，２１５ 集光レンズアレイ、１５ａ，２１５ａ 集光レンズ素子、１７，２１７ 集光面、１７ａ 面頂点、１８ 複合レンズアレイ（複合レンズ）、２０，２２３，２２６ 複合面、２１，２２４，２２７ 平行化面、２２，２２５，２２８ 偏向面、３０ 画像形成部、３２ 照明対象面、ＡＤ 配列方向、ＳＤ 他方向

開示された発明は、移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、画像を乗員により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、
照明対象面（３２，２３２）を有し、複数の発光素子（１２，２１２）が発する照明光が照明対象面を照明することにより、画像を形成する画像形成部（３０，２３０）と、
各発光素子からの照明光を集光して照明対象面に入射させる集光部（１４，２１４）と、を備え、
照明対象面は、互いに直交する方向に互いに異なる第１寸法（Ｌａ，Ｌｘ）及び第２寸法（Ｌｓ，Ｌｙ）を有する矩形状に形成され、
集光部は、第１寸法に対応する方向のＦ値と第２寸法に対応する方向のＦ値とを合わせるようなアナモルフィック面（１７，２１７）を有する。
また、開示された別発明は、移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、画像を乗員により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、
互いに配列され、照明光により照明を行なう複数の照明ユニット（ＵＩ）と、
照明対象面（３２，２３２）を有し、各照明ユニットからの照明光がそれぞれ照明対象面のうち対応領域を照明することにより、画像を形成する画像形成部（３０，２３０）と、を備え、
照明対象面は、互いに直交する方向に互いに異なる第１寸法（Ｌａ，Ｌｘ）及び第２寸法（Ｌｓ，Ｌｙ）を有する矩形状に形成され、
各照明ユニットにおける第１寸法に対応する方向のＦ値と第２寸法に対応する方向のＦ値とを合わせるように、アナモルフィック面（１７，２１７）が各照明ユニットに設けられている。
さらに、開示された別発明は、移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、画像を乗員により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、
互いに配列され、照明光により照明を行なう複数の照明ユニット（ＵＩ）と、
照明対象面（３２，２３２）を有し、各照明ユニットからの照明光がそれぞれ照明対象面のうち対応領域を照明することにより、画像を形成する画像形成部（３０，２３０）と、を備え、
各対応領域は、長手方向の寸法が短手方向の寸法よりも大きな矩形状に形成され、
各照明ユニットにおける長手方向に対応する方向のＦ値と短手方向に対応する方向のＦ値とを合わせるように、アナモルフィック面（１７，２１７）が各照明ユニットに設けられている。

これらの発明によると、アナモルフィック面が形成されている。画像形成部が形成する画像の投影部材への投影による虚像を、視認性の高いものとすることができるのである。

Claims (9)

1. 移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、前記画像を乗員により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、
   互いに配列され、照明光を発する複数の発光素子（１２，２１２）と、
   照明対象面（３２，２３２）を有し、各前記発光素子からの前記照明光がそれぞれ前記照明対象面のうち対応領域を照明することにより、前記画像を形成する画像形成部（３０，２３０）と、
   各前記発光素子からの前記照明光を集光して前記照明対象面に入射させる集光部（１４，２１４）と、を備え、
   前記集光部は、各前記発光素子と対をなすように複数設けられたレンズ素子であって、前記照明光を集光する集光面（１７，２１７）が設けられた集光レンズ素子（１５ａ，２１５ａ）が、互いに配列されて形成されている集光レンズアレイ（１５，２１５）を有し、
   前記集光面の面頂点（１７ａ）と、対をなす前記発光素子とを結ぶ方向としてｚ方向を定義し、前記ｚ方向と直交する仮想平面上において互いに直交するｘ方向及びｙ方向を定義すると、
   前記集光レンズ素子と前記発光素子との対は、前記ｘ方向及び前記ｙ方向のうち少なくとも一方を配列方向（ＡＤ）として配列され、
   各前記集光面は、前記ｘ方向の曲率と前記ｙ方向の曲率とが互いに異なる凸面状に形成されたアナモルフィック面であり、
   前記ｘ方向及び前記ｙ方向のうち一方を前記配列方向とし、他方を他方向（ＳＤ）とすると、
   前記照明対象面は、前記配列方向に対応した前記照明対象面上の方向の寸法をＬａとし、前記他方向に対応した前記照明対象面上の方向の寸法をＬｓとする矩形状に形成され、
   前記配列方向における前記集光レンズ素子と前記発光素子との対の配列個数をＮａとすると、
   Ｌａ／Ｎａ＜Ｌｓであり、前記配列方向の曲率は、前記他方向の曲率よりも大きいヘッドアップディスプレイ装置。
2. 移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、前記画像を乗員により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、
   互いに配列され、照明光を発する複数の発光素子（１２，２１２）と、
   照明対象面（３２，２３２）を有し、各前記発光素子からの前記照明光がそれぞれ前記照明対象面のうち対応領域を照明することにより、前記画像を形成する画像形成部（３０，２３０）と、
   各前記発光素子からの前記照明光を集光して前記照明対象面に入射させる集光部（１４，２１４）と、を備え、
   前記集光部は、各前記発光素子と対をなすように複数設けられたレンズ素子であって、前記照明光を集光する集光面（１７，２１７）が設けられた集光レンズ素子（１５ａ，２１５ａ）が、互いに配列されて形成されている集光レンズアレイ（１５，２１５）を有し、
   前記集光面の面頂点（１７ａ）と、対をなす前記発光素子とを結ぶ方向としてｚ方向を定義し、前記ｚ方向と直交する仮想平面上において互いに直交するｘ方向及びｙ方向を定義すると、
   前記集光レンズ素子と前記発光素子との対は、前記ｘ方向及び前記ｙ方向のうち少なくとも一方を配列方向（ＡＤ）として配列され、
   各前記集光面は、前記ｘ方向の曲率と前記ｙ方向の曲率とが互いに異なる凸面状に形成されたアナモルフィック面であり、
   前記ｘ方向及び前記ｙ方向のうち一方を前記配列方向とし、他方を他方向（ＳＤ）とすると、
   前記照明対象面は、前記配列方向に対応した前記照明対象面上の方向の寸法をＬａとし、前記他方向に対応した前記照明対象面上の方向の寸法をＬｓとする矩形状に形成され、
   前記配列方向における前記集光レンズ素子と前記発光素子との対の配列個数をＮａとすると、
   Ｌａ／Ｎａ＞Ｌｓであり、前記配列方向の曲率は、前記他方向の曲率よりも小さいヘッドアップディスプレイ装置。
3. 移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、前記画像を乗員により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、
   互いに配列され、照明光を発する複数の発光素子（１２，２１２）と、
   照明対象面（３２，２３２）を有し、各前記発光素子からの前記照明光がそれぞれ前記照明対象面のうち対応領域を照明することにより、前記画像を形成する画像形成部（３０，２３０）と、
   各前記発光素子からの前記照明光を集光して前記照明対象面に入射させる集光部（１４，２１４）と、を備え、
   前記集光部は、各前記発光素子と対をなすように複数設けられたレンズ素子であって、前記照明光を集光する集光面（１７，２１７）が設けられた集光レンズ素子（１５ａ，２１５ａ）が、互いに配列されて形成されている集光レンズアレイ（１５，２１５）を有し、
   前記集光面の面頂点（１７ａ）と、対をなす前記発光素子とを結ぶ方向としてｚ方向を定義し、前記ｚ方向と直交する仮想平面上において互いに直交するｘ方向及びｙ方向を定義すると、
   前記集光レンズ素子と前記発光素子との対は、前記ｘ方向及び前記ｙ方向のうち少なくとも一方を配列方向（ＡＤ）として配列され、
   各前記集光面は、前記ｘ方向の曲率と前記ｙ方向の曲率とが互いに異なる凸面状に形成されたアナモルフィック面であり、
   前記ｘ方向及び前記ｙ方向の両方を前記配列方向とすると、
   前記照明対象面は、前記ｘ方向に対応した前記照明対象面上の方向の寸法をＬｘとし、前記ｙ方向に対応した前記照明対象面上の方向の寸法をＬｙとする矩形状に形成され、
   前記集光レンズ素子と前記発光素子との対は、前記ｘ方向にＮｘ個配列されると共に、前記ｙ方向にＮｙ個配列され、
   Ｌｘ／Ｎｘ＜Ｌｙ／Ｎｙであり、前記ｘ方向の曲率は、前記ｙ方向の曲率よりも大きいヘッドアップディスプレイ装置。
4. 移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、前記画像を乗員により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、
   互いに配列され、照明光を発する複数の発光素子（１２，２１２）と、
   照明対象面（３２，２３２）を有し、各前記発光素子からの前記照明光がそれぞれ前記照明対象面のうち対応領域を照明することにより、前記画像を形成する画像形成部（３０，２３０）と、
   各前記発光素子からの前記照明光を集光して前記照明対象面に入射させる集光部（１４，２１４）と、を備え、
   前記集光部は、各前記発光素子と対をなすように複数設けられたレンズ素子であって、前記照明光を集光する集光面（１７，２１７）が設けられた集光レンズ素子（１５ａ，２１５ａ）が、互いに配列されて形成されている集光レンズアレイ（１５，２１５）を有し、
   前記集光面の面頂点（１７ａ）と、対をなす前記発光素子とを結ぶ方向としてｚ方向を定義し、前記ｚ方向と直交する仮想平面上において互いに直交するｘ方向及びｙ方向を定義すると、
   前記集光レンズ素子と前記発光素子との対は、前記ｘ方向及び前記ｙ方向のうち少なくとも一方を配列方向（ＡＤ）として配列され、
   各前記集光面は、前記ｘ方向の曲率と前記ｙ方向の曲率とが互いに異なる凸面状に形成されたアナモルフィック面であり、
   前記ｘ方向及び前記ｙ方向の両方を前記配列方向とすると、
   前記照明対象面は、前記ｘ方向に対応した前記照明対象面上の方向の寸法をＬｘとし、前記ｙ方向に対応した前記照明対象面上の方向の寸法をＬｙとする矩形状に形成され、
   前記集光レンズ素子と前記発光素子との対は、前記ｘ方向にＮｘ個配列されると共に、前記ｙ方向にＮｙ個配列され、
   Ｌｘ／Ｎｘ＞Ｌｙ／Ｎｙであり、前記ｘ方向の曲率は、前記ｙ方向の曲率よりも小さいヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記面頂点を原点とし、前記ｘ方向の座標をｘとし、前記ｙ方向の座標をｙとし、前記面頂点における前記ｘ方向の曲率をｃｘとし、前記面頂点における前記ｙ方向の曲率をｃｙとし、前記ｘ方向のコーニック定数をｋｘとし、前記ｙ方向のコーニック定数をｋｙとすると、
   前記集光面のサグ量ｚは、
   

   

   
   となっている請求項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. 前記配列方向のコーニック定数は、−１以下である請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
7. 前記面頂点を原点とし、前記ｘ方向の座標をｘとし、前記ｙ方向の座標をｙとし、前記面頂点における前記ｘ方向の曲率をｃｘとし、前記面頂点における前記ｙ方向の曲率をｃｙとし、前記ｘ方向のコーニック定数をｋｘとし、前記ｙ方向のコーニック定数をｋｙとすると、
   前記集光面のサグ量ｚは、
   

   

   
   となっており、
   前記配列方向のコーニック定数は、前記他方向のコーニック定数よりも小さい請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
8. 各前記集光面は、前記配列方向及び前記ｚ方向を含む断面において、放物線状に形成されている請求項１から７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。
9. 前記集光部は、前記集光レンズアレイと前記照明対象面との間の光路上に、複合面（２０，２２３，２２６）が設けられた複合レンズ（１８，２１８）をさらに有し、
   前記複合面は、前記照明光を屈折により平行化する平行化面（２１，２２４，２２７）と、前記照明光を前記平行化面の屈折とは逆側に偏向する偏向面（２２，２２５，２２８）とが、交互に連なる交互配列構造を、形成している請求項１から８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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