JP2020060683A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両への搭載性と、虚像の視認性とを両立した虚像表示装置を提供する。
【解決手段】虚像表示装置としてのＨＵＤ装置１００は、表示器２０と、光路を形成する導光部３０と、を備える。導光部３０は、光路上に配置され、表示光を、投影部３ａへ向けて、回折によって反射する回折反射素子３５と、光路上において表示器２０と回折反射素子３５との間に配置され、表示器２０からの表示光を、回折反射素子３５へ向けて、回折によって反射する回折反射素子３１と、を有する。回折反射素子３５が投影部３ａへ向けて回折によって反射する射出角をθ１と、回折反射素子３１から回折反射素子３５に入射する入射角をθ２と、回折反射素子３１が回折反射素子３５へ向けて回折によって反射する射出角をθ３と、表示器２０から回折反射素子３１に入射する入射角をθ４と、定義する。θ１がθ２よりも小さく、かつ、θ３がθ４よりも大きい。
【選択図】図２

Description

この明細書による開示は、虚像表示装置に関する。

従来、車両に搭載されるように構成され、投影部に画像を投影することにより、画像を視認可能に虚像表示する虚像表示装置が知られている。特許文献１に開示の装置は、表示器及び導光部を備えている。導光部は、表示器から発せられた表示光を投影部へと導光する光路を形成している。

導光部は、第１のホログラム及び第２のホログラムを有している。第１のホログラムは、回折像をｘ方向に拡大し、第２のホログラムは、回折像をｘ方向と略垂直なｙ方向に拡大する。

特開平７−２８５３５７号公報

特許文献１では、導光部にホログラムを採用することにより、導光部の小型化を試みている。しかしながら、第１のホログラムで回折像をｘ方向に拡大すると、ｘ方向の色収差が発生し、第２のホログラムで回折像をｙ方向に拡大すると、ｙ方向の色収差が発生する。この結果、虚像においてｘ方向にもｙ方向にも色収差が多く残存した状態となっており、虚像の視認性が良好ではなかった。

開示されるひとつの目的は、車両への搭載性と、虚像の視認性とを両立した虚像表示装置を提供することにある。

ここに開示されたひとつの態様は、車両（１）に搭載されるように構成され、投影部（３ａ）に画像を投影することにより、画像を視認可能に虚像（ＶＲＩ）として表示する虚像表示装置であって、
画像の表示光を、基準波長の光と、基準波長とは異なる別波長の光とを含むように発する表示器（２０，２２０，３２０）と、
表示器から発せられた表示光を投影部へと導光する光路を形成する導光部（３０）と、を備え、
導光部は、
光路上に配置され、表示光を、投影部へ向けて、入射角と射出角とが互いに異なるように回折によって反射する投影部側回折反射素子（３５，２３５，３３５）と、
光路上において表示器と投影部側回折反射素子との間に配置され、表示器からの表示光を、投影部側回折反射素子へ向けて、入射角と射出角とが互いに異なるように回折によって反射する表示器側回折反射素子（３１，２３１，３３１）と、を有し、
車両の鉛直面に沿った断面上に定義される角度として、
投影部側回折反射素子が投影部へ向けて回折によって反射する基準波長の光の射出角をθ１と、
表示器側回折反射素子から投影部側回折反射素子に入射する基準波長の光の入射角をθ２と、
表示器側回折反射素子が投影部側回折反射素子へ向けて回折によって反射する基準波長の光の射出角をθ３と、
表示器から表示器側回折反射素子に入射する基準波長の光の入射角をθ４と、定義すると、
θ１がθ２よりも小さく、かつ、θ３がθ４よりも大きい。

このような態様によると、第１に、表示器側回折反射素子での表示光の反射において、θ３がθ４よりも大きい。要するに、θ３が正反射よりも大きな角度であるので、別波長が基準波長よりも長波長であれば、別波長の光の反射角がθ３よりも大きくなるように色ずれし、別波長が基準波長よりも短波長であれば、別波長の光の反射角がθ３よりも小さくなるように色ずれする。

第２に、投影部側回折反射素子での表示光の反射において、θ１がθ２よりも小さい。要するに、θ１が正反射よりも小さな角度であるので、別波長が基準波長よりも長波長であれば、別波長の光の反射角がθ１よりも小さくなるように色ずれし、別波長が基準波長よりも短波長であれば、別波長の光の反射角がθ１よりも大きくなるように色ずれする。

すなわち、表示器側回折反射素子での表示光の反射における別波長の基準波長に対する色ずれと、投影部側回折反射素子での表示光の反射における別波長の基準波長に対する色ずれとは、逆方向への色ずれとなる。故に、両回折反射素子での反射において、鉛直面に沿った断面での色収差の少なくとも一部が相殺されるので、虚像においても上下方向の色収差を低減することができる。故に、虚像の視認性を高めることができる。

さらには、投影部側回折反射素子での表示光の反射において、θ２がθ１よりも大きなことにより、θ１で反射された表示光の光路幅に対して、θ２で入射する表示光の光路幅を小さくすることができる。このような光路幅の圧縮効果により、光路上において、投影部側回折反射素子よりも表示器側に配置された表示器側回折反射素子のサイズを比較的小さくすることができるので、ＨＵＤ装置の体格増大を抑制し、車両への搭載性を良好なものとすることができる。

以上により、車両への搭載性と、虚像の視認性とを両立した虚像表示装置を提供することができる。

ここに開示された他のひとつの態様は、車両（１）に搭載されるように構成され、投影部（３ａ）に画像を投影することにより、画像を視認可能に虚像（ＶＲＩ）として表示する虚像表示装置であって、
画像の表示光を、基準波長の光と、基準波長とは異なる別波長の光とを含むように発する表示器（２２０，３２０）と、
表示器から発せられた表示光を投影部へと導光する光路を形成する導光部（３０）と、を備え、
導光部は、
光路上に配置され、表示光を、投影部へ向けて、入射角と射出角とが互いに異なるように回折によって反射する投影部側回折反射素子（２３５，３３５）と、
光路上において表示器と投影部側回折反射素子との間に配置され、表示器からの表示光を、投影部側反射素子へ向けて、入射角と射出角とが互いに異なるように回折によって反射する表示器側回折反射素子（２３１，３３１）と、を有し、
車両の水平面に沿った断面上に定義される角度として、
投影部側回折反射素子が投影部へ向けて回折によって反射する基準波長の光の射出角をθ５と、
表示器側回折反射素子から投影部側回折反射素子に入射する基準波長の光の入射角をθ６と、
表示器側回折反射素子が投影部側回折反射素子へ向けて回折によって反射する基準波長の光の射出角をθ７と、
表示器から表示器側回折反射素子に入射する基準波長の光の入射角をθ８と、定義すると、
θ５がθ６よりも小さく、かつ、θ７がθ８よりも小さい。

このような態様によると、第１に、表示器側回折反射素子での表示光の反射において、θ７がθ８よりも小さい。要するに、θ７が正反射よりも小さな角度であるので、別波長が基準波長よりも長波長であれば、別波長の光の反射角がθ７よりも小さくなるように色ずれし、別波長が基準波長よりも短波長であれば、別波長の光の反射角がθ７よりも大きくなるように色ずれする。

第２に、投影部側回折反射素子での表示光の反射において、θ５がθ６よりも小さい。要するに、θ５が正反射よりも小さな角度であるので、別波長が基準波長よりも長波長であれば、別波長の光の反射角がθ５よりも小さくなるように色ずれし、別波長が基準波長よりも短波長であれば、別波長の光の反射角がθ５よりも大きくなるように色ずれする。

すなわち、表示器側回折反射素子での表示光の反射における別波長の基準波長に対する色ずれと、投影部側回折反射素子での表示光の反射における別波長の基準波長に対する色ずれとは、逆方向への色ずれとなる。故に、両回折反射素子での反射において、水平面に沿った断面での色収差の少なくとも一部が相殺されるので、虚像においても左右方向の色収差を低減することができる。故に、虚像の視認性を高めることができる。

さらには、投影部側回折反射素子での表示光の反射において、θ６がθ５よりも大きなことにより、θ５で反射された表示光の光路幅に対して、θ６で入射する表示光の光路幅を小さくすることができる。このような光路幅の圧縮効果により、光路上において、投影部側回折反射素子よりも表示器側に配置された表示器側回折反射素子のサイズを比較的小さくすることができるので、ＨＵＤ装置の体格増大を抑制し、車両への搭載性を良好なものとすることができる。

以上により、車両への搭載性と、虚像の視認性とを両立した虚像表示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ＹＺ断面を模式的に示す断面図である。 第１実施形態の投影部側の回折反射素子における色ずれを説明するための図である。 第１実施形態の表示器側の回折反射素子における色ずれを説明するための図である。 第１実施形態のＨＵＤ装置における色ずれの補正を説明するための図である。 第１実施形態における光路幅の圧縮を説明するための図である。 第２実施形態のＨＵＤ装置のＹＺ断面を部分的かつ模式的に示す部分側面断面図である。 第２実施形態の表示器及び両回折反射素子のＸＹ断面を説明するための模式的な上面図である。 第２実施形態のＨＵＤ装置における色ずれの補正を説明するための図である。 第３実施形態のＨＵＤ装置のＸＹ平面を部分的かつ模式的に示す部分上面断面図である。

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実施形態による虚像表示装置は、車両１としての自動車に搭載されるように構成され、当該車両１のインストルメントパネル２内に収容されているヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置）１００となっている。ここで車両とは、自動車、鉄道車両の他、航空機、船舶、移動しないゲーム用筐体等の各種乗り物を含むように広義に解される。

ＨＵＤ装置１００は、車両１のウインドシールド３に設定された投影部３ａへ向けて画像の表示光を投射する。これにより、ＨＵＤ装置１００は、画像を、視認者としての車両１の乗員により視認可能に虚像表示する。すなわち、投影部３ａにて反射される表示光が、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の状態を表す情報、又は視界補助情報、道路情報等のナビゲーション情報等が挙げられる。

以下において、特に断り書きが無い限り、前、後、上、下、左及び右が示す各方向は、水平面上の車両１を基準として表記される。そして、図面上に記載されているように、Ｘ軸が左右方向に沿い、Ｙ軸が前後方向に沿い、Ｚ軸が上下方向に沿うように、３次元座標が定義される。

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、前方から後方へ向かう程、インストルメントパネル２に対して離間するように傾斜している。ウインドシールド３は、表示光が投影される投影部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インストルメントパネル２の上面に設置して、投影部３ａが当該コンバイナに設けられていてもよい。

視認領域ＥＢは、ＨＵＤ装置１００により表示される虚像ＶＲＩが所定の規格を満たすように（例えば虚像ＶＲＩ全体が所定の輝度以上となるように）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も用いて、以下に説明する。ＨＵＤ装置１００は、筐体１０、表示器２０、及び導光部３０等により構成されている。

筐体１０は、例えば合成樹脂により遮光性の壁部１１により内部空間ＩＳを形成した中空箱状を呈している。筐体１０は、表示器２０、表示器２０を制御する制御基板、及び導光部３０等を、内部空間ＩＳに収容すると共に保持している。筐体１０において投影部３ａと上下方向に対向する上部には、表示光を透過させるために光学的に開口している窓部１２が設けられている。窓部１２は、物理的に開口していてもよく、透光性の薄板状に形成された防塵シートによって覆われていてもよい。

表示器２０は、虚像ＶＲＩとして結像されることとなる画像を実像面２１上に表示する。表示器２０としては、透過型又は反射型の液晶パネルを用いて画像を表示する液晶表示器、エレクトロルミネッセンスを用いて自発光するＥＬ表示器、レーザスキャナ方式の表示器、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いたＤＬＰ（Digital Light Processing；登録商標）方式の表示器等を採用することができる。ここで特に本実施形態の表示器２０は、カラー画像を表示し、赤色光、緑色光、及び青色光が組み合わされた表示光を導光部へと射出する。また表示器２０は、可視域の各波長を含む白色光を、表示光として射出してもよい。

本実施形態の表示器２０は、筐体１０の内部空間ＩＳにおいて下側に配置され、上方かつ後方である斜め方向に、表示光を発するようになっている。

導光部３０は、表示器２０から発せられた表示光を、装置外部の投影部３ａへと導光する光路を形成している。本実施形態の導光部３０は、２つの回折反射素子３１，３５を有している。なお、回折反射素子３１を表示器側回折反射素子とも称し、回折反射素子３５を投影部側回折反射素子とも称する。

各回折反射素子３１，３５は、回折構造を有し、表示光を回折によって反射可能に形成されている。例えば本実施形態の各回折反射素子３１，３５は、その媒質中に周期的な屈折率分布をもつ素子である。各回折反射素子３１，３５は、ホログラム層を、一対の透光基板層によって挟むことにより、薄板状に、特に平板状に形成されたホログラム素子となっている。ホログラム層での周期的な屈折率分布が、回折構造として機能する。なお、ホログラム素子としては、回折効率及び波長依存性を考慮して、体積型のホログラム素子が採用されることが好適である。

一対の透光基板層は、例えば合成樹脂ないしはガラス等により透光性を有する薄板状に形成され、ホログラム層を保護し、補強している。

ホログラム層は、予め、ホログラム材料に、物体光の振幅及び位相の情報を、参照光との干渉縞として記録した状態で形成されている。ここでいう干渉縞とは、上述の周期的な屈折率分布により具現された干渉縞である。ホログラム材料には、合成樹脂を主体とした材料、ゼラチン感光材料、又は銀塩感光材料等、屈折率の空間的な変調によって物体光の振幅及び位相の情報を記録可能な材料が選択的に採用され得る。

回折反射素子３１は、光路上において、回折反射素子３５よりも表示器２０側、すなわち表示器２０と回折反射素子３５との間に配置されている。回折反射素子３１のホログラム層には、表示光をブラッグ反射させるような干渉縞が形成されている。例えば、当該干渉縞において屈折率が変調する変調方向は、回折反射素子３１の表面３２とは斜めに交差する方向に設定される。これにより、回折次数のうち回折効率が最も高い１次の回折光（以下、１次回折光という）にて、当該表面３２の法線を基準とした入射角と射出角とは、互いに異なったものとなる。

回折反射素子３５は、光路上において、回折反射素子３１よりも投影部３ａ側、すなわち回折反射素子３１と窓部１２の間に配置されている。回折反射素子３５のホログラム層にも、表示光をブラッグ反射させるような干渉縞が形成されている。例えば、当該干渉縞において屈折率が変調する変調方向は、回折反射素子３５の表面３６とは斜めに交差する方向に設定される。これにより、１次回折光にて、当該表面３６の法線を基準とした入射角と射出角とは、互いに異なったものとなる。

こうして表示器２０から発せられた表示光は、導光部３０により形成された光路を、回折反射素子３１、回折反射素子３５の順に回折によって反射されて、投影部３ａへ投影されることとなる。

本実施形態において、回折反射素子３１と回折反射素子３５とは、互いの表面３２，３６が正対することを避けるように、表面３２，３６の接線方向に沿ってずれて配置されている。回折反射素子３１は、表示器２０と上下方向に対向し、回折反射素子３５は、投影部３ａと上下方向に対向している。表示器２０からの表示光は、回折反射素子３１において下方かつ前方の斜め方向を向く表面３２に入射し、当該表面３２から回折反射素子３５へ向けて射出される。その後、表示光は、回折反射素子３５において上方かつ後方の斜め方向を向く表面３６に入射し、当該表面３６から投影部３ａへ向けて射出される。

そして、表示器２０の実像面２１、回折反射素子３１の表面３２、及び回折反射素子３５の表面３６は、左右方向へ傾斜することを避けるように配置されている。回折反射素子３１における車両１の前後方向に沿った鉛直面に沿った断面（すなわちＹＺ断面）上では、回折反射素子３１に対して表示光が斜めに入射するように構成されている。また、回折反射素子３５におけるこうしたＹＺ断面上では、回折反射素子３５に対して表示光が斜めに入射するように構成されている。

ここで、図２に示されるＹＺ断面上において定義される各角度θ１〜θ４の関係について説明する。回折反射素子３１におけるＹＺ断面上において、回折反射素子３５が投影部３ａへ向けて回折によって反射する基準波長の光の射出角をθ１とする。また、こうしたＹＺ断面上において、回折反射素子３１から回折反射素子３５に入射する基準波長の光の入射角をθ２とする。また、回折反射素子３１におけるＹＺ断面上において、回折反射素子３１が回折反射素子３５へ向けて回折によって反射する基準波長の光の射出角θ３とする。また、こうしたＹＺ断面上において、表示器２０から回折反射素子３１に入射する基準波長の光の入射角をθ４とする。本実施形態の各角度θ１〜θ４は、表面３２，３６を基準として定義される。

なお、角度θ１，θ３にて反射される基準波長の光は、本実施形態では、上述の通り１次回折光となっている。基準波長の光と基準波長とは異なる別波長の光を含むように発せられる表示器２０の表示光のうち、任意の波長を基準波長として定めることが可能であるが、本実施形態では、各色の波長の中央値に最も近い緑色光の波長を基準波長と定めて以下の説明を行なう。

基準波長の光は、回折反射素子３１，３５により、ＹＺ断面上においてジグザグ状に進むように反射されていく。そして本実施形態では、θ１がθ２よりも小さくなるように、回折反射素子３５の干渉縞が形成され、かつ、θ３がθ４よりも大きくなるように、回折反射素子３１の干渉縞が形成されている。

図３に示すように、回折反射素子３５における反射において、基準波長の緑色光は、θ２で入射し、θ１で反射される。すなわち、射出角θ１は、回折を伴わない正反射における反射角よりも小さな角度である。この場合に、基準波長よりも長波長の光は、θ１よりも小さな射出角にて反射され、基準波長よりも短波長の光は、θ１よりも大きな射出角にて反射される。

したがって、回折反射素子３５に、緑色光よりも長波長の赤色光がθ２で入射すると、赤色光は、θ１よりも小さな射出角にて反射される。また仮に、回折反射素子３５に、緑色光よりも短波長の青色光がθ２で入射すると、青色光は、θ１よりも大きな射出角にて反射される。

また、図４に示すように、回折反射素子３１における反射において、基準波長の緑色光は、θ４で入射し、θ３で反射される。すなわち、射出角θ３は、回折を伴わない正反射における反射角よりも大きな角度である。この場合に、基準波長よりも長波長の光は、θ３よりも大きな射出角にて反射され、基準波長よりも短波長の光は、θ３よりも小さな射出角にて反射される。

したがって、仮に、回折反射素子３１に、緑色光よりも長波長の赤色光がθ４で入射すると、赤色光は、θ３よりも大きな射出角にて反射される。また仮に、回折反射素子３１に、緑色光よりも短波長の青色光がθ４で入射すると、青色光は、θ３よりも小さな射出角にて反射される。

このように、回折反射素子３５での反射にて生じる色ずれの方向と、回折反射素子３１での反射にて生じる色ずれの方向とが、逆方向の色ずれとなる。故に、図５に示すように、表示器２０の略同じ箇所（画素）から発せられた各色の表示光が、回折反射素子３１、回折反射素子３５の順に反射されると、その間に、鉛直面方向（虚像ＶＲＩとして表示されたときには、上下方向が対応する）の色ずれが相殺される。表示光は、最終的に鉛直面方向の色ずれの少ない状態で導光部３０から射出される。

また、本実施形態の表示器２０の実像面２１、回折反射素子３１の表面３２、及び回折反射素子３５の表面３６は、左右方向へ傾斜することを避けるように配置されている。回折反射素子３１における水平面に沿った断面（すなわちＸＹ平面）上では、回折反射素子３１に対して表示光が略垂直に入射するように構成されている。また、回折反射素子３５におけるＸＹ断面上では、回折反射素子３５に対して表示光が略垂直に入射するように構成されている。したがって、水平面方向（すなわち虚像ＶＲＩとして表示されたときには、左右方向が対応する）の色ずれの発生が抑制されている。また、θ２とθ３との差を小さく設定することにより、色ずれの相殺、すなわち色収差の低減効果を高めることができる。

さらに、本実施形態では、θ２がθ３よりも小さくなっている。したがって、回折反射素子３１がより寝た姿勢となるように（表面３２がより下方を向くように）、配置できる。したがって、θ４を小さくしても、表示器２０と回折反射素子３５とは、干渉しないように、離間して配置可能となる。

（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、第１に、回折反射素子３１での表示光の反射において、θ３がθ４よりも大きい。要するに、θ３が正反射よりも大きな角度であるので、別波長が基準波長よりも長波長であれば、別波長の光の反射角がθ３よりも大きくなるように色ずれし、別波長が基準波長よりも短波長であれば、別波長の光の反射角がθ３よりも小さくなるように色ずれする。

第２に、光路上において回折反射素子３１よりも投影部３ａ側に配置された回折反射素子３５での表示光の反射において、θ１がθ２よりも小さい。要するに、θ１が正反射よりも小さな角度であるので、別波長が基準波長よりも長波長であれば、別波長の光の反射角がθ１よりも小さくなるように色ずれし、別波長が基準波長よりも短波長であれば、別波長の光の反射角がθ１よりも大きくなるように色ずれする。

すなわち、回折反射素子３１での表示光の反射における別波長の基準波長に対する色ずれと、回折反射素子３５での表示光の反射における別波長の基準波長に対する色ずれとは、逆方向への色ずれとなる。故に、両回折反射素子３１，３５での反射において、鉛直面に沿った断面での色収差の少なくとも一部が相殺されるので、虚像ＶＲＩにおいても上下方向の色収差を低減することができる。故に、虚像ＶＲＩの視認性を高めることができる。

さらには、回折反射素子３５での表示光の反射において、θ２がθ１よりも大きなことにより、図６に示すように、θ１で反射された表示光の光路幅に対して、θ２で入射する表示光の光路幅を小さくすることができる。このような光路幅の圧縮効果により、光路上において、回折反射素子３５よりも表示器２０側に配置された回折反射素子３１のサイズを比較的小さくすることができるので、ＨＵＤ装置１００の体格増大を抑制し、車両１への搭載性を良好なものとすることができる。

以上により、車両１への搭載性と、虚像ＶＲＩの視認性とを両立した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、θ２がθ３よりも小さい。このようにすると、θ４がθ３よりも小さい状況下であっても、θ３をθ２よりも大きくすることで、回折反射素子３１に対して表示器２０を必要以上に遠ざけなくても、表示器２０を回折反射素子３５から遠ざける配置が可能となる。回折反射素子３１に対して表示器２０を必要以上に遠ざけないことにより、ＨＵＤ装置１００の車両１への搭載性を高めることができる。これと共に、表示器２０と回折反射素子３５とが近づき過ぎて光学的に干渉することが抑制できるので、虚像ＶＲＩの視認性を高めることができる。

（第２実施形態）
図７〜９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実施形態では、第１実施形態で説明したθ１〜θ４の関係を成立させつつ（図７参照）、さらにＸＹ断面上で以下のようなθ５〜θ８の関係が成立するように、表示器２２０、回折反射素子２３１，２３５が配置されている。

具体的に、表示器２２０の実像面２２１は、法線方向が概ね上方かつ右方である斜め方向を向き、上方かつ右方である斜め方向に、表示光を発する。回折反射素子２３１は、表示器２２０と概ね上下かつ左右の斜め方向に対向し、その表面２３２は、下方かつ左方の斜め方向を向いている。光路上において回折反射素子２３１よりも投影部３ａ側に配置された回折反射素子２３５は、表示器２２０に対して前方かつ上方かつ右方に位置すると共に、回折反射素子２３１に対して前方かつ左方に位置している。回折反射素子２３５の表面２３６は、後方かつ上方の斜め方向を向いている。

このように、第２実施形態において表示器２２０の実像面２２１及び回折反射素子２３１の表面２３２は、前後方向に加えて、左右方向にも傾斜するように配置されている。回折反射素子２３１におけるＸＹ断面上では、回折反射素子２３１に対して表示光が斜めに入射するように構成されている。また、回折反射素子２３５におけるＸＹ断面上では、回折反射素子２３５に対して表示光が斜めに入射するように構成されている。

ここで、図８に示されるＸＹ断面上において定義される各角度θ５〜θ８の関係について説明する。回折反射素子２３５におけるＸＹ断面上において、回折反射素子２３５が投影部３ａへ向けて回折によって反射する基準波長の光の射出角をθ５とする。また、こうしたＸＹ断面上において、回折反射素子２３１から回折反射素子２３５に入射する基準波長の光の入射角をθ６とする。また、回折反射素子２３１におけるＸＹ断面上において、回折反射素子２３１が回折反射素子２３５へ向けて回折によって反射する基準波長の光の射出角θ７とする。また、こうしたＸＹ断面上において、表示器２２０から回折反射素子２３１に入射する基準波長の光の入射角をθ８とする。本実施形態の各角度θ５〜θ８は、表面２３２，２３６を基準として定義される。

なお、角度θ５，θ７にて反射される基準波長の光は、角度θ１，θ３と同様の１次回折光であって、例えば緑色光の波長の光として扱うことができる。

基準波長の光は、回折反射素子２３１，２３５により、ＸＹ断面上においてＵ字状に進むように（旋回するように）反射されていく。そして本実施形態では、θ５がθ６よりも小さくなるように、回折反射素子２３５の干渉縞が形成され、かつ、θ７がθ８よりも小さくなるように、回折反射素子２３１の干渉縞が形成されている。このようにすると、図９に示すように、回折反射素子２３１での反射にて拡がるように色ずれする各波長の表示光が、回折反射素子２３５での反射にて、拡がりを縮小するように射出される。例えば各波長の表示光が平行に近づく。したがって、水平面方向の色ずれが相殺できる。また、θ６とθ７との差を小さく設定することにより、色ずれの相殺、すなわち色収差の低減効果を高めることができる。

さらに、本実施形態では、θ６がθ５よりも大きくなっている。したがって、回折反射素子２３１が回折反射素子２３５の正面から外れた位置に配置することができる。そのため表示器２２０と回折反射素子２３５とは、干渉しないように、離間して配置可能となる。

また、各回折反射素子２３１，２３５に入射する表示光のうち一部には、回折の影響を受けずに、表面２３２，２３６で、正反射される表示光（以下、０次光という）が存在する。

回折反射素子２３１に反射された０次光は、θ４及びθ８の角度で反射されることとなる。表示器２２０及び回折反射素子２３５は、θ４及びθ８での反射方向を避けた位置に配置されている。互いに離間した表示器２２０と回折反射素子２３５との間には、０次光処理用空間ＺＳが形成されている。こうした配置により、回折反射素子２３１に反射された０次光は、０次光処理用空間ＺＳを抜けて遮光性の壁部１１で吸収処理される。

回折反射素子２３５に反射された０次光は、θ２及びθ６の角度で反射されることとなる。そうすると、回折反射素子２３５に反射された０次光は、ウインドシールド３において投影部３ａ以外の箇所に向かうようになっている。当該箇所でさらに反射された０次光は、視認領域ＥＢの外部ないしアイリプスの外部へ向かうようになっている。

このようにして、表示光のうち、回折反射素子２３１に反射された０次光及び回折反射素子２３５に反射された０次光は、それぞれ光路外へと分離されるようになっている。

なお、図７において、表示器２２０及び回折反射素子２３１は、側面を示しており、表示器２２０及び回折反射素子２３１中に記載された太線がＹＺ断面における断面形状を模式的に示している。一方、回折反射素子２３５及び筐体１０は、ＹＺ断面における断面形状を模式的に示している。

またなお、図８において、表示器２２０及び回折反射素子２３１，２３５は、上面を示しており、表示器２２０及び回折反射素子２３１，２３５中に記載された太線がＸＹ断面における断面形状を模式的に示している。筐体１０の図示は省略されている。

以上説明した第２実施形態によると、第１に、回折反射素子２３１での表示光の反射において、θ７がθ８よりも小さい。要するに、θ７が正反射よりも小さな角度であるので、別波長が基準波長よりも長波長であれば、別波長の光の反射角がθ７よりも小さくなるように色ずれし、別波長が基準波長よりも短波長であれば、別波長の光の反射角がθ７よりも大きくなるように色ずれする。

第２に、光路上において回折反射素子２３１よりも投影部３ａ側に配置された回折反射素子２３５での表示光の反射において、θ５がθ６よりも小さい。要するに、θ５が正反射よりも小さな角度であるので、別波長が基準波長よりも長波長であれば、別波長の光の反射角がθ５よりも小さくなるように色ずれし、別波長が基準波長よりも短波長であれば、別波長の光の反射角がθ５よりも大きくなるように色ずれする。

すなわち、回折反射素子２３１での表示光の反射における別波長の基準波長に対する色ずれと、回折反射素子２３５での表示光の反射における別波長の基準波長に対する色ずれとは、逆方向への色ずれとなる。故に、両回折反射素子２３１，２３５での反射において、水平面に沿った断面での色収差の少なくとも一部が相殺されるので、虚像ＶＲＩにおいても左右方向の色収差を低減することができる。故に、虚像ＶＲＩの視認性を高めることができる。

さらには、回折反射素子２３５での表示光の反射において、θ６がθ５よりも大きなことにより、θ５で反射された表示光の光路幅に対して、θ６で入射する表示光の光路幅を小さくすることができる。このような光路幅の圧縮効果により、光路上において、回折反射素子２３５よりも表示器２２０側に配置された回折反射素子２３１のサイズを比較的小さくすることができるので、ＨＵＤ装置１００の体格増大を抑制し、車両１への搭載性を良好なものとすることができる。

以上により、車両１への搭載性と、虚像ＶＲＩの視認性とを両立したＨＵＤ装置１００を提供することができる。

また、第２実施形態によると、θ６がθ５よりも大きくなっている。したがって、回折反射素子２３１が回折反射素子２３５の正面から外れた位置に配置することができる。そのため表示器２２０と回折反射素子２３５とは、干渉しないように、離間して配置可能となる。回折反射素子２３１に対して表示器２２０を必要以上に遠ざけないことにより、ＨＵＤ装置１００の車両１への搭載性を高めることができる。これと共に、表示器２２０と回折反射素子２３５とが近づき過ぎて光学的に干渉することが抑制できるので、虚像ＶＲＩの視認性を高めることができる。

また、第２実施形態によると、表示器２２０及び回折反射素子２３５は、回折反射素子２３１に対して、表示光が回折反射素子２３１によって反射される０次光の反射方向を、避けた位置に配置されている。回折反射素子２３１の０次光が表示器２２０又は回折反射素子２３５と干渉して光路を導光されることが抑制され、回折反射素子２３１の０次光を光路から分離することができる。故に、虚像ＶＲＩが０次光の影響を受け難くなり、虚像ＶＲＩの視認性を高めることができる。

また、第２実施形態によると、回折反射素子２３５は、表示光のうち０次光を、装置外部において視認領域ＥＢの外部へ向かうように反射する。回折反射素子２３５の０次光が視認領域ＥＢにおいて虚像ＶＲＩと共に感知されてしまうことが抑制されるので、虚像ＶＲＩの視認性を高めることができる。

（第３実施形態）
図１０に示すように、第３実施形態は第２実施形態の変形例である。第３実施形態について、第２実施形態とは異なる点を中心に説明する。

第３実施形態の筐体３１０は、壁部３１１において、表示器３２０を配置するための収容部３１３を有している。また、筐体３１０は、光路上において回折反射素子３３５よりも表示器３２０側の回折反射素子３３１を配置するための収容部３１４を有している。収容部３１３と収容部３１４とは、内部空間ＩＳを挟んで対向方向（本実施形態では左右方向）に対向するように配置されている。

収容部３１３は、筐体３１０の左側方の壁部３１１ａを貫通する貫通穴状に形成されている。表示器３２０は、実像面３２１が内部空間ＩＳ側を向くように、かつ、収容部３１３を塞ぐように、配置されている。より詳細に、収容部３１３内に配置された実像面３２１は、上方かつ右方の斜め方向、換言すると回折反射素子３３１への方向を向いている。表示器３２０において実像面３２１とは反対側の部位を装置外部へ露出させることにより、表示器３２０で発生する熱を効率的に装置外部へ放出することができる。

収容部３１４は、筐体３１０の右側方の壁部３１１ｂにおいて、内部空間ＩＳ側から装置外部側へと凹む有底の凹穴状に形成されている。回折反射素子３３１は、表面３３２が内部空間ＩＳ側を向くように、配置されている。より詳細に、収容部３１４内に配置された表面３３２は、前方かつ下方かつ左方の斜め方向を向くように配置されている。

このような配置により、第３実施形態では、回折反射素子３３１におけるＸＹ断面上では、θ７がθ８よりも小さくなるように設定されている。例えば、角度θ６とθ７とθ８の和は９０度程度に設定されている。

さらに、第３実施形態の筐体３１０は、前側の壁部３１１ｃにおいて、回折反射素子３３５を配置するための収容部３１５を有している。収容部３１５は、内部空間ＩＳのうち収容部３１３と収容部３１４との対向によって表示器３２０と回折反射素子３３１との間に挟まれた対向空間ＩＳＴに対して、対向方向とは垂直な方向（本実施形態では前方）にずれた位置に設けられている。回折反射素子３３５の表面３３６は、上方かつ後方の斜め方向を向いている。そして、角度θ６も４５度程度に設定されている。

したがって、ＸＹ断面を切り取ると、回折反射素子３３５の表面３３６は、表示器３２０の実像面３２１及び回折反射素子３３１の表面３３２に対して、略垂直な方向を向くように配置されている。

筐体３１０の後方の壁部３１１ｄにおいて、対向空間ＩＳＴとは後方にずれた位置、すなわち回折反射素子３３５と前後方向に対向する位置には、外光処理部３１１ｅが設けられている。外光（例えば太陽光）が、上方から下方へ、ウインドシールド３を透過し、窓部１２を介して筐体３１０内の回折反射素子３３５に入射すると、外光の少なくとも一部は、回折の影響を受けずに、表面３３６にて正反射される。そうすると、外光は後方へ向かうように向きを変え、外光処理部３１１ｅに入射することとなる。外光処理部３１１ｅは、例えば、壁部３１１ｄの表面をシボ加工等により粗面状に形成すること、当該表面にフェルトを貼り付けること、又は当該表面に外光を吸収する塗料を塗布すること等により、外光の吸収率又は拡散率が高くなるように構成されている。

ここで、導光部３０による光路を、投影部３ａから表示光とは逆向きに進む仮想光線を定義する。仮想光線は、θ１及びθ５の入射角にて回折反射素子３３５に入射する。そうすると、仮想光線のうち一部には、回折の影響を受けずに、表面２３２，２３６で、正反射される０次光が存在する。この仮想光線の０次光は、回折反射素子３３５からθ１及びθ５の射出角にて反射される。そうすると、本実施形態において、表示器３２０及び回折反射素子３３１は、仮想光線の０次光の反射方向を避けた位置に配置されている。そして、仮想光線の０次光の反射方向には、上述の外光処理部３１１ｅが位置していることになる。

なお、図９において、表示器３２０及び回折反射素子３３１，３３５は、上面を示しており、表示器３２０及び回折反射素子３３１，３３５中に記載された太線がＸＹ断面における断面形状を模式的に示している。一方、筐体３１０は、ＹＺ断面における断面形状を模式的に示している。

以上説明した第３実施形態によると、表示器３２０及び回折反射素子３３１は、回折反射素子３３５に対して、上述の仮想光線が回折反射素子３３５によって反射される０次光の反射方向を、避けた位置に配置されている。これによれば、例えば太陽光等の外光が光路を逆行する形態で当該光路へ浸入しても、当該外光が表示器３２０又は回折反射素子３３１と干渉して光路を投影部３ａ側へ導光されることが抑制され、光路から分離することができる。故に、虚像ＶＲＩが外光の影響を受け難くなり、虚像ＶＲＩの視認性を高めることができる。

また、第３実施形態によると、壁部３１１ｄは、回折反射素子３３５に対して、上述の仮想光線が回折反射素子３３５によって反射される０次光の反射方向に位置し、装置外部から入射する外光を吸収及び拡散のうち少なくとも一方によって処理する外光処理部３１１ｅを有する。外光処理部３１１ｅにより外光が処理されることにより、外光が筐体１０内で反射されて光路に戻る事態を抑制することができる。故に、虚像ＶＲＩが外光の影響を受け難くなり、虚像ＶＲＩの視認性を高めることができる。

（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、回折反射素子３１，３５は、露光によって作製されたホログラム素子でなくてもよい。例えば、露光以外の方法で、媒質中に屈折率分布をもたせた素子であってもよい。また例えば、凹凸等の機械的構造を用いた回折格子によって、回折反射素子３１，３５が実現されていてもよい。

変形例２としては、回折反射素子３１，３５は、平板状以外、例えば滑らかな曲面状の表面３２，３６を有する湾曲板状に形成されていてもよい。

変形例３としては、回折反射素子３１，３５は、正の光学パワー又は負の光学パワーを有していてもよい。

変形例４としては、回折反射素子３１，３５による色ずれ相殺の作用が発揮可能な態様にて、導光部３０に、レンズ、ミラー、プリズム、偏光板、位相差板、光学フィルタ等が追加されてもよい。

変形例５としては、表示器２０及び回折反射素子３１，３５等の配置は、第１〜３実施形態に対して、例えば前後反転すること、左右反転すること、全体を回転すること等、ＨＵＤ装置１００と投影部３ａとの位置関係に適した配置となるように、適宜変更することができる。

変形例６としては、基準波長としては、緑色光の波長以外を選択することが可能である。例えば、表示器２０が赤色光、緑色光及び青色光を組み合わせた表示光を発する場合に、赤色光の波長又は青色光の波長を基準波長として定めることができる。表示器２０が赤色光及び青色光を組み合わせた表示光を発する場合には、赤色光の波長又は青色光の波長を基準波長として定めることができる。表示器２０が白色光を発する場合には、白色光に含まれるいずれかの波長を、基準波長として定めることができる。表示光に含まれる全ての波長に対してではなく、表示光に含まれる１つの基準波長に対して、上述のθ１がθ２よりも小さく、かつ、θ３がθ４よりも大きな関係が成立してさえいれば、車両１への搭載性を向上させることができ、虚像ＶＲＩの視認性を高めることができることは言うまでもない。

第１実施形態に関する変形例７としては、θ２がθ３以上に設定されていてもよい。

第２実施形態に関する変形例８としては、回折反射素子２３１に反射された０次光及び回折反射素子２３５に反射された０次光のうち少なくとも一方が、光路内に留まる構成であってもよい。

第３実施形態に関する変形例９としては、収容部３１３が有底の凹穴状に形成されていてもよい。収容部３１４が貫通穴状に形成されていてもよい。

第２，３実施形態に関する変形例１０としては、θ７がθ８よりも小さく、かつ、θ５がθ６よりも小さいというθ５〜θ８の関係を満たしていれば、θ１がθ２よりも小さく、かつ、θ３がθ４よりも大きいというθ１〜θ４の関係を満たしていなくてもよい。

１００ ＨＵＤ装置（虚像表示装置）、１ 車両、３ａ 投影部、２０，２２０，３２０ 表示器、３１，２３１，３３１ 回折反射素子（表示器側回折反射素子）、３５，２３５，３３５ 回折反射素子（投影部側回折反射素子）、ＶＲＩ 虚像

Claims (8)

1. 車両（１）に搭載されるように構成され、投影部（３ａ）に画像を投影することにより、前記画像を視認可能に虚像（ＶＲＩ）として表示する虚像表示装置であって、
   前記画像の表示光を、基準波長の光と、前記基準波長とは異なる別波長の光とを含むように発する表示器（２０，２２０，３２０）と、
   前記表示器から発せられた前記表示光を前記投影部へと導光する光路を形成する導光部（３０）と、を備え、
   前記導光部は、
   前記光路上に配置され、前記表示光を、前記投影部へ向けて、入射角と射出角とが互いに異なるように回折によって反射する投影部側回折反射素子（３５，２３５，３３５）と、
   前記光路上において前記表示器と前記投影部側回折反射素子との間に配置され、前記表示器からの前記表示光を、前記投影部側回折反射素子へ向けて、入射角と射出角とが互いに異なるように回折によって反射する表示器側回折反射素子（３１，２３１，３３１）と、を有し、
   前記車両の鉛直面に沿った断面上に定義される角度として、
   前記投影部側回折反射素子が前記投影部へ向けて回折によって反射する前記基準波長の光の射出角をθ１と、
   前記表示器側回折反射素子から前記投影部側回折反射素子に入射する前記基準波長の光の入射角をθ２と、
   前記表示器側回折反射素子が前記投影部側回折反射素子へ向けて回折によって反射する前記基準波長の光の射出角をθ３と、
   前記表示器から前記表示器側回折反射素子に入射する前記基準波長の光の入射角をθ４と、定義すると、
   θ１がθ２よりも小さく、かつ、θ３がθ４よりも大きな虚像表示装置。
2. θ２がθ３よりも小さな請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記車両の水平面に沿った断面上に定義される角度として、
   前記投影部側回折反射素子が前記投影部へ向けて回折によって反射する前記基準波長の光の射出角をθ５と、
   前記表示器側回折反射素子から前記投影部側回折反射素子に入射する前記基準波長の光の入射角をθ６と、
   前記表示器側回折反射素子が前記投影部側回折反射素子へ向けて回折によって反射する前記基準波長の光の射出角をθ７と、
   前記表示器から前記表示器側回折反射素子に入射する前記基準波長の光の入射角をθ８と、定義すると、
   θ５がθ６よりも小さく、かつ、θ７がθ８よりも小さい請求項１又は２に記載の虚像表示装置。
4. 車両（１）に搭載されるように構成され、投影部（３ａ）に画像を投影することにより、前記画像を視認可能に虚像（ＶＲＩ）として表示する虚像表示装置であって、
   前記画像の表示光を、基準波長の光と、前記基準波長とは異なる別波長の光とを含むように発する表示器（２２０，３２０）と、
   前記表示器から発せられた前記表示光を前記投影部へと導光する光路を形成する導光部（３０）と、を備え、
   前記導光部は、
   前記光路上に配置され、前記表示光を、前記投影部へ向けて、入射角と射出角とが互いに異なるように回折によって反射する投影部側回折反射素子（２３５，３３５）と、
   前記光路上において前記表示器と前記投影部側回折反射素子との間に配置され、前記表示器からの前記表示光を、前記投影部側回折反射素子へ向けて、入射角と射出角とが互いに異なるように回折によって反射する表示器側回折反射素子（２３１，３３１）と、を有し、
   前記車両の水平面に沿った断面上に定義される角度として、
   前記投影部側回折反射素子が前記投影部へ向けて回折によって反射する前記基準波長の光の射出角をθ５と、
   前記表示器側回折反射素子から前記投影部側回折反射素子に入射する前記基準波長の光の入射角をθ６と、
   前記表示器側回折反射素子が前記投影部側回折反射素子へ向けて回折によって反射する前記基準波長の光の射出角をθ７と、
   前記表示器から前記表示器側回折反射素子に入射する前記基準波長の光の入射角をθ８と、定義すると、
   θ５がθ６よりも小さく、かつ、θ７がθ８よりも小さい虚像表示装置。
5. 前記表示器及び前記投影部側回折反射素子は、前記表示器側回折反射素子に対して、前記表示光が前記表示器側回折反射素子によって反射される０次光の反射方向を、避けた位置に配置されている請求項１から４のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
6. 前記投影部側回折反射素子は、前記表示光のうち０次光を、装置外部において前記虚像を視認可能な視認領域（ＥＢ）に対する外部へ向かうように反射する請求項１から５のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
7. 前記投影部から前記光路を前記表示光とは逆向きに進む仮想光線を定義すると、
   前記表示器及び前記表示器側回折反射素子は、前記投影部側回折反射素子に対して、前記仮想光線が前記投影部側回折反射素子によって反射される０次光の反射方向を、避けた位置に配置されている請求項１から６のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
8. 前記表示器、前記表示器側回折反射素子及び前記投影部側回折反射素子を収容する筐体（３１０）を、さらに備え、
   前記筐体は、前記投影部側回折反射素子に対して、前記仮想光線が前記投影部側回折反射素子によって反射される０次光の反射方向に位置し、装置外部から入射する外光を吸収及び拡散のうち少なくとも一方によって処理する外光処理部（３１１ｅ）を有する請求項７に記載の虚像表示装置。

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