JP2021128329A - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化しても太陽光が内部で反射して観察者の眼に到達することを抑制することができるヘッドアップディスプレイを提供する。
【解決手段】ヘッドアップディスプレイ１００は、虚像が投影される表示媒体１０と、画像を表示する表示部２２と、表示部２２によって表示される画像を表示媒体１０に導くことによって、表示媒体１０に対して観察者と反対側に虚像を形成する投射光学系とを備える。投射光学系は、表示部２２より上方に配置され、画像の表示光を反射する第１ミラー２３を有する。そして、第１ミラー２３の中心と表示部２２の中心とを結ぶ線分が第１ミラー２３の中心における法線ｎ１となす角をθ、第１ミラー２３の中心と表示部２２の中心とを結ぶ線分が表示部２２の中心における法線ｎ２となす角をα、第１ミラー２３における表示部２２側の端縁の第１ミラー２３の中心に対する傾斜角をφとすると、３＜α−（θ＋φ）／２＜１１．７を満たす。
【選択図】図３

Description

本開示は、例えば車両などに搭載されるヘッドアップディスプレイに関する。

従来、例えば車両などに搭載されるヘッドアップディスプレイが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１には、２枚のミラーを用いたヘッドアップディスプレイが開示されている。

国際公開第２０１９／０９３０８５号

ところで、ヘッドアップディスプレイは、ダッシュボード内に配置されることが多いが、他の機器類との配置スペースの関係上、小型化されることが望まれる。しかしながら、上記特許文献１のヘッドアップディスプレイでは、小型化すると、ヘッドアップディスプレイに入射した太陽光が内部で反射して観察者（例えば、運転車）の眼に到達する可能性があるという課題がある。

そこで、本開示は、小型化しても太陽光が内部で反射して観察者の眼に到達することを抑制することができるヘッドアップディスプレイを提供する。

本開示の一態様に係るヘッドアップディスプレイは、虚像が投影される表示媒体と、画像を表示する表示部と、前記表示部によって表示される画像を前記表示媒体に導くことによって、前記表示媒体に対して観察者と反対側に虚像を形成する投射光学系とを備え、前記投射光学系は、前記表示部より上方に配置され、前記画像の表示光を反射する第１ミラーを有し、前記第１ミラーの中心と前記表示部の中心とを結ぶ線分が前記第１ミラーの中心における第１法線となす角をθ、前記第１ミラーの中心と前記表示部の中心とを結ぶ線分が前記表示部の中心における第２法線となす角をα、前記第１ミラーにおける前記表示部側の端縁の前記第１ミラーの中心に対する傾斜角をφとすると、以下の式を満たす。

３＜α−（θ＋φ）／２＜１１．７

本開示の一態様に係るヘッドアップディスプレイによれば、小型化しても太陽光が内部で反射して観察者の眼に到達することを抑制することができる。

図１は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイを車室から見た場合の模式図である。 図２は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイの内部構成を示す図である。 図３は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイにおける太陽光の反射を抑制するための条件を説明するための図である。 図４は、太陽光の反射を抑制するための条件を満たさない場合を説明するための第１図である。 図５は、太陽光の反射を抑制するための条件を満たさない場合を説明するための第２図である。 図６は、太陽光の反射を抑制するための条件を満たさない場合を説明するための第３図である。 図７は、実施の形態における第１ミラーと表示部との第１距離、及び、第１ミラーと第２ミラーとの第２距離を示す図である。 図８は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイにおける表示部の座標系を示す概略図である。 図９は、比較例に係るヘッドアップディスプレイを説明するための模式図である。 図１０は、比較例に係るヘッドアップディスプレイにおいて太陽光が入射したときの様子を示す模式図である。

（本開示の基礎となった知見）
ヘッドアップディスプレイ等の車両に搭載される表示装置は、車両に関するあらゆる情報を、画像（例えば、数字、文字及び矢印などの図形を含む視覚情報）として当該車両を操作する運転者等のユーザに対して視認させる装置である。特に、ヘッドアップディスプレイは、例えば、車両のコックピットの前方に設置されるウインドシールド（フロントガラス）やコンバイナを表示媒体として、当該ウインドシールド等に画像を投影して反射させることによって、画像を虚像としてユーザに視認させる。この際、ウインドシールドやコンバイナが透光性を有することにより、車両の外側から入射する光は、ウインドシールド越しに見える景色として虚像とともにユーザに視認される。

図９は、比較例に係るヘッドアップディスプレイ２００を説明するための模式図である。具体的には、図９は、虚像を形成しているときの様子を示す模式図である。比較例に係るヘッドアップディスプレイ２００は、小型化されたヘッドアップディスプレイであり、例えば、「背景技術」の欄において記載した特許文献１のヘッドアップディスプレイが小型化されたヘッドアップディスプレイであってもよい。なお、ここでの小型化とは、例えば、後述する表示部２２２と第１ミラー２２３との距離を短縮することを意味する。

また、図９では、比較例に係るヘッドアップディスプレイ２００を、表示媒体２１０を通り、かつ、運転者の眼３００から見た上下方向に沿う断面で切断した図を示している。図９は、車両を側方から見たときの、表示媒体２１０と運転者の眼３００とを結んだ直線を通り、かつ、運転者の眼３００から見た上下方向に沿う断面で切断した断面図であるとも言える。ここで、図９では、表示媒体２１０はウインドシールドである例を示している。また、図９には、便宜上、ユーザに視認される虚像、及び当該虚像を形成するために投影部２２０から投影される光線を実体として図示している。なお、断面のハッチングは、便宜上、省略している。

図９に示すように、ヘッドアップディスプレイ２００は、表示媒体２１０と、投影部２２０とを有する。投影部２２０は、筐体２２１と、表示部２２２と、第１ミラー２２３と、第２ミラー２２４とを有する。筐体２２１には、表示部２２２と、第１ミラー２２３と、第２ミラー２２４とが収納され、第２ミラー２２４から表示媒体２１０に向かう光が通過する開口（図示しない）が形成されている。

比較例に係るヘッドアップディスプレイ２００では、投影部２２０が表示媒体２１０に投影して反射させた画像によって、ユーザが視認可能な虚像を形成する。ヘッドアップディスプレイ２００は、投影部２２０の表示部２２２から表示光が複数のミラー（例えば、第１ミラー２２３及び第２ミラー２２４）によって反射された反射光が表示媒体２１０により運転者の眼３００に入射するように設計される。

このようなヘッドアップディスプレイ２００において、太陽光などの外光が入射した場合について説明する。図１０は、比較例に係るヘッドアップディスプレイ２００において太陽光が入射したときの光路を示す模式図である。なお、図１０では、ヘッドアップディスプレイ２００に入射した太陽光のうち代表的な光のみを図示している。

図１０に示すように、表示媒体２１０に入射した光は、第２ミラー２２４、第１ミラー２２３及び表示部２２２の順に反射する。ここで、小型化されていないヘッドアップディスプレイであれば、表示部２２２で反射された光は、第１ミラー２２３の外部に向けて出射される。一方、小型化されたヘッドアップディスプレイ２００では表示部２２２と第１ミラー２２３との距離が近いので、表示部２２２で反射された光は、第１ミラー２２３、第２ミラー２２４及び表示媒体２１０の順に反射し、運転者の眼３００に到達する（図１０中の破線を参照）。この光は、運転者の走行上及び健康上の危険を及ぼす。

上記のように、比較例に係るヘッドアップディスプレイ２００を小型化すると、太陽光がヘッドアップディスプレイ２００の内部で反射して運転者の眼３００に到達してしまう。そのため、比較例に係るヘッドアップディスプレイ２００は、小型化に限界がある。

そこで、本願発明者らは、小型化しても太陽光が内部で反射して運転者の眼に到達することを抑制することができるヘッドアップディスプレイについて鋭意検討を行い、以下に説明するヘッドアップディスプレイを創案した。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

なお、以下で説明する実施の形態及び変形例は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態及び変形例で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付し、重複する説明は省略または簡略化される場合がある。

また、本明細書において、平行などの要素間の関係性を示す用語、及び、凹面形状などの要素の形状を示す用語、並びに、数値、及び、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。

また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方（鉛直上方）及び下方（鉛直下方）を指すものではなく、表示媒体及び投影部の相対的な位置関係により規定される用語として用いる。「上方」は、表示媒体及び投影部のうち表示媒体側を意味し、「下方」は、表示媒体及び投影部のうち投影部側を意味する。また、鉛直下方などの表現は、実質的に鉛直下方であることを含む。

（実施の形態）
［１．ヘッドアップディスプレイの構成］
まず、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイの概要について説明する。図１は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００を車室から見た場合の模式図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００は、車両３０に搭載されて虚像を形成する。この虚像は、例えば車両３０の前方外側に存在するように、車両３０の運転者に視認される。ヘッドアップディスプレイ１００は、車両３０のダッシュボード３１に埋設されるようにして搭載される。なお、図１中では、ヘッドアップディスプレイ１００が埋設されたダッシュボード３１内に投影部２０が配置されている。また、運転者は、ヘッドアップディスプレイ１００の虚像を視認する観察者の一例である。

図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、表示媒体１０と、投影部２０とを有する。

表示媒体１０は、表示媒体１０越しに視認される景色に重畳して投影された画像の虚像を運転者に視認させる。表示媒体１０は、透光性を有する部材であり、例えばウインドシールドやコンバイナにより実現される。表示媒体１０には、虚像が投影される。本実施の形態では、表示媒体１０はウインドシールドである例について説明する。また、表示媒体１０は、投影部２０より上方に配置される。

投影部２０は、表示媒体１０に投影して反射させた画像によって、運転者が視認可能な虚像を形成する。投影部２０から投影された画像は、表示媒体１０において反射されて運転者の眼３００に入射する。これにより、投影部２０は、表示媒体１０が透光性を有するため、車両３０の表示媒体１０越しに視認される景色に重畳して投影された画像の虚像を運転者に視認させる。

図２は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の内部構成を示す図である。具体的には、図２は、投影部２０の構成を示す断面図である。図２は、図９と同様の断面でヘッドアップディスプレイ１００を切断したときの断面図である。

図２に示すように、投影部２０は、筐体２１と、表示部２２と、第１ミラー２３と、第２ミラー２４とを有する。

筐体２１は、表示部２２、第１ミラー２３及び第２ミラー２４を収納する。筐体２１は、例えば樹脂成型品であって、車両３０のダッシュボード３１の内部に配置される。また、筐体２１には、第２ミラー２４から表示媒体１０に向かう光が通過する開口（図示しない）が形成されている。

表示部２２は、運転者に虚像として視認される画像を表示する。表示部２２は、例えばＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）である。なお、表示部２２は、ＬＣＤ以外のデバイス、例えば有機発光ダイオード（エレクトロルミネッセンス）、蛍光表示装置（セブンセグメント）などであってもよい。また、表示部２２は、プロジェクタ又は走査型レーザであってもよい。このような表示部２２は、筐体２１の底面側に収納されて、車両３０の後方上側に向けて画像を表示する。

第１ミラー２３及び第２ミラー２４は、投射光学系の一例である。投射光学系は、表示部２２によって表示される画像を表示媒体１０に導くことによって、表示媒体１０に対して運転者と反対側に虚像を形成する。

第１ミラー２３は、表示部２２によって表示される画像の表示光を受けると、その表示光を第２ミラー２４に向けて反射する。例えば、第１ミラー２３は、車両３０の前方側に表示光を反射する。第１ミラー２３は、表示部２２から表示媒体１０へ向かう光路において、表示部２２に最も近い側に配置されたミラーである。また、第１ミラー２３は、表示部２２より上方に配置される。

第１ミラー２３の反射面は、例えば凹面形状である。第１ミラー２３の周縁の反射面の少なくとも一部は、凹面であってもよい。言い換えると、第１ミラー２３の周縁は反射面であり、当該反射面の少なくとも一部が凹面であってもよい。

第２ミラー２４は、表示部２２からの表示光を、第１ミラー２３を介して、表示媒体１０に導く。第２ミラー２４は、第１ミラー２３から表示光を受けると、その表示光を表示媒体１０に向けて反射する。例えば、第２ミラー２４は、車両３０の後方上側に光を反射する。その結果、表示媒体１０は、第２ミラー２４から表示光を受けると、その表示光を運転者の視点に向けて反射する。これにより、運転者は、表示媒体１０を介して、車両３０の前方外側にある道路、歩行者又は構造物などのオブジェクトと共に、そのオブジェクトに重畳される虚像を視認することができる。

第２ミラー２４は、表示部２２から表示媒体１０へ向かう光路において、第１ミラー２３より表示媒体１０に近い側に配置されたミラーである。また、第２ミラー２４は、表示部２２より上方に配置される。第２ミラー２４は、例えば、当該光路において、表示媒体１０に最も近い側に配置されたミラーであってもよい。この場合、第２ミラー２４は、表示媒体１０の鉛直下方に配置される。

第２ミラー２４の反射面は、例えば凹面形状である。第２ミラー２４の中心近傍の反射面は、凹面であってもよい。なお、中心近傍は、例えば、第２ミラー２４の中心を含み、かつ、第２ミラー２４の面積の１０％程度の領域を示す。第２ミラー２４の中心は、例えば、第２ミラー２４の図心（例えば、重心位置）である。また、面積は、投影面積であってもよいし、反射面の表面積であってもよい。

ここで、投影部２０を構成する各構成要素における各種角度について図２を参照しながら説明する。なお、以下で説明する角度θ、α、φは、図２に示す断面における角度である。本実施の形態では、角度θ、α、φは、紙面上における左側が車両３０の前方（例えば、運転者が見ている方向）であり、紙面上における右側が車両３０の後方としたときに、車両３０を左側から見たときの角度である。

角度θは、第１ミラー２３の中心と、表示部２２の中心とを結ぶ線分ｓが、第１ミラー２３の中心における法線ｎ１となす角度である。なお、第１ミラー２３の中心は、例えば第１ミラー２３の図心であり、表示部２２の中心は、虚像を形成するための表示を行っている領域（例えば、後述する図８に示す表示画像４００）の中心である。表示部２２の中心は、当該表示部２２が表示光を通過する開口が形成された部材（例えば、板状の部材）で覆われている場合、当該開口の中心であってもよい。また、角度θは、法線ｎ１を基準に、当該法線ｎ１より下方に向かう方向、図２の例では反時計回りの方向（後述する図３における角度θの方向を示す矢印参照）を正とする。図２では、角度θが正である場合を示している。法線ｎ１は、第１法線の一例である。

角度αは、線分ｓが表示部２２の中心の法線ｎ２となす角度である。角度αは、法線ｎ２を基準に、当該法線ｎ２より上方に向かう方向、図２の例では反時計回りの方向を正とする。図２では、角度αが正である場合を示している。法線ｎ２は、第２法線の一例である。

角度φは、第１ミラー２３における表示部２２側の端縁（例えば、下方側の端縁）の第１ミラー２３の中心に対する傾斜角である。具体的には、角度φは、表示部２２側の端縁における接線ｔ２が第１ミラー２３の中心における接線ｔ１となす角度である。角度φは、接線ｔ１を基準に、図２の例では時計回りの方向を正とする。図２では、角度φが正である場合を示しており、図２に示すように、第１ミラー２３の反射面が凹面になるときのφを正とする。なお、第１ミラー２３における表示部２２側の端縁は、例えば、第１ミラー２３の最下部であってもよい。

角度φは、例えば、以下の式１を満たすとよい。

φ＜３ｄｅｇ （式１）

次に、太陽光がヘッドアップディスプレイ１００の内部で反射して運転者の眼３００に到達することを抑制することができる条件について説明する。図３は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００における太陽光の反射を抑制するための条件を説明するための図である。図３は、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００が備える表示部２２と第１ミラー２３とを示している。なお、図３に示す実線は、第１ミラー２３の中心に角度θで入射する太陽光の光路ＬＰを示している。光路ＬＰは、太陽光の代表的な光路を示しており、この光路ＬＰを通る太陽光がヘッドアップディスプレイ１００内部で反射して逆戻りした場合、運転者の眼３００に向かう太陽光の代表的な光路となる。また、入射角と反射角とは、等しい（正反射する）ものとする。

図３に示すように、太陽光は、第１ミラー２３の位置Ｐ１に入射すると、角度θの反射角で反射される。位置Ｐ１は、例えば、第１ミラー２３の中心である。そして、第１ミラー２３で反射された太陽光は、表示部２２の位置Ｐ２に入射する。位置Ｐ２は、例えば、表示部２２の中心である。このときの太陽光の入射角度は、角度αである。太陽光は、表示部２２の位置Ｐ２に入射すると、第１ミラー２３に向けて角度αの反射角で反射される。なお、位置Ｐ１〜位置Ｐ２までの光路ＬＰは、図２に示す線分ｓ上を通過する光路である。

そして、表示部２２で反射された太陽光は、第１ミラー２３の位置Ｐ３に入射する。位置Ｐ３は、位置Ｐ１とは異なる位置であり、かつ、位置Ｐ１より下方側の位置である。太陽光は、第１ミラー２３の位置Ｐ３に入射すると、表示部２２に向けて反射される。

ここで、位置Ｐ３で反射された太陽光の反射角は、位置Ｐ３における法線ｎ３を基準に、以下の式２で算出される。

反射角＝２α−θ−φ （式２）

ここで、反射角は、法線ｎ３を基準に、反時計回り（図３における反射角２α−θ−φの方向を示す矢印参照）を正とする。図３では、反射角が正である場合を示している。なお、法線ｎ３は、例えば、法線ｎ１と平行ではない。

そして、第１ミラー２３により式２で算出される反射角で反射された太陽光は、表示部２２の位置Ｐ４に入射する。位置Ｐ４は、位置Ｐ２とは異なる位置であり、かつ、位置Ｐ２より下方側の位置である。太陽光は、表示部２２の位置Ｐ４に入射すると、表示部２２に向けて反射される。

ここで、位置Ｐ４に入射した太陽光の反射角は、位置Ｐ４における法線ｎ４を基準に、以下の式３で算出される。

反射角＝３α−２θ−２φ （式３）

ここで、反射角は、法線ｎ４を基準に、時計回り（図３における反射角３α−２θ−２φの方向を示す矢印参照）を正とする。図３では、反射角が正である場合を示している。なお、法線ｎ４は、例えば、法線ｎ２と平行である。

また、位置Ｐ４において反射された太陽光が、第１ミラー２３の最下部に入射しないように第１ミラー２３の形状、並びに、第１ミラー２３及び表示部２２の姿勢、位置が設定されるとよい。これにより、位置Ｐ４において反射された太陽光が、第１ミラー２３で表示部２２側に再び反射されることを抑制することができる。

位置Ｐ１で太陽光が逆戻りしない条件、つまり太陽光が運転者の眼３００に到達しない条件を、以下の式４に示す。

θ＞０ （式４）

式４を満たすことで、位置Ｐ１における反射光は、下方側（例えば、表示部２２側）に反射される。

また、位置Ｐ２で太陽光が逆戻りしない条件を、以下の式５に示す。

α＞０ （式５）

式５を満たすことで、位置Ｐ２における反射光は、下方側（例えば、第１ミラー２３の最下部側）に反射される。

また、位置Ｐ３で太陽光が逆戻りしない条件を、以下の式６に示す。

２α−θ−φ＞０ （式６）

式６を満たすことで、位置Ｐ３における反射光は、下方側（例えば、表示部２２の最下部側）に反射される。なお、式６に基づいて角度αが満たす条件を、以下の式７で示す。

０＜α−（θ＋φ）／２ （式７）

角度αが式７を満たすことで、光路ＬＰを通る太陽光が位置Ｐ３で反射して運転者に向かって逆戻りすることを抑制することができる。

また、位置Ｐ４で太陽光が逆戻りしない条件を、以下の式８に示す。

３α−２θ−２φ＞０ （式８）

式８を満たすことで、位置Ｐ４における反射光は、下方側（例えば、第１ミラー２３の最下部側）に反射される。なお、式８に基づいて角度αが満たす条件を、以下の式９で示す。

０＜α−２（θ＋φ）／３ （式９）

角度αが式９を満たすことで、光路ＬＰを通る太陽光が位置Ｐ４で反射して運転者に向かって逆戻りすることを抑制することができる。

次に、上記の条件を満たさない場合について、図４〜図６を参照しながら説明する。なお、以下では、上記の式５、７及び９を満たさない場合について説明する。式４は、太陽光が表示部２２側から第１ミラー２３に入射する条件であり、現実的に起こりにくいので説明を省略する。また、図４〜図６において、入射した太陽光を実線で示し、逆戻りした太陽光を破線で示す。

図４は、太陽光の反射を抑制するための条件を満たさない場合を説明するための第１図である。具体的には、図４は、式５を満たさない場合を説明するための図である。

図４に示すように、角度αが負である場合、つまり、表示部２２ａの位置Ｐ２における法線ｎ２より位置Ｐ１と位置Ｐ２とを結んだ線分ｓが下向きとなる場合、位置Ｐ２での反射光は、逆戻りする。これにより、太陽光が運転者の眼３００に到達してしまう。

図５は、太陽光の反射を抑制するための条件を満たさない場合を説明するための第２図である。具体的には、図５は、式７を満たさない場合を説明するための図である。

図５に示すように、式７を満たさない場合、つまり、第１ミラー２３ａの位置Ｐ３における法線ｎ３より位置Ｐ３での反射光の方向が上向きとなる場合、位置Ｐ３での反射光は、逆戻りする。これにより、太陽光が運転者の眼３００に到達してしまう。

図６は、太陽光の反射を抑制するための条件を満たさない場合を説明するための第３図である。具体的には、図６は、式９を満たさない場合を説明するための図である。

図６に示すように、式９を満たさない場合、つまり、表示部２２ａの位置Ｐ４における法線ｎ４より位置Ｐ４での反射光の方向が上向きとなる場合、位置Ｐ４での反射光は、逆戻りする。これにより、太陽光が運転者の眼３００に到達してしまう。しかしながら、反射光の強度を人体への影響がないレベルまで低下させることができれば、式９を満たさなくてもよい。式９を満たさない場合であっても、複数回の反射により反射光の反射強度は低下している。さらに、ヘッドアップディスプレイ１００が反射光を減光するための減光フィルタなどを有している場合、上記式９を満たしていなくてもよい。なお、太陽光が運転者の眼３００に到達することをより抑制する、及び、減光フィルタなどの部品点数を削減する観点から、ヘッドアップディスプレイ１００は、式９を満たしていることが望ましい。

次に、上記のようなヘッドアップディスプレイ１００における、表示部２２、第１ミラー２３及び第２ミラー２４の距離について、図７を参照しながら説明する。図７は、実施の形態における第１ミラー２３と表示部２２との第１距離Ｌ１、及び、第１ミラー２３と第２ミラー２４との第２距離Ｌ２を示す図である。

図７に示すように、第１距離Ｌ１は、表示部２２の中心と第１ミラー２３の中心とを結ぶ線分の長さであり、第２距離Ｌ２は、第１ミラー２３の中心と第２ミラー２４の中心とを結ぶ線分の長さである。この場合、第１距離Ｌ１及び第２距離Ｌ２を用いると、ヘッドアップディスプレイ１００は、以下の式１０を満たすことが望ましい。

０．３＜Ｌ１／Ｌ２＜０．６ （式１０）

Ｌ１／Ｌ２が０．３以下となると、表示部２２と第１ミラー２３との距離が短くなりすぎてしまい、表示部２２と光線との干渉が発生してしまう。また、Ｌ１／Ｌ２が０．６以上となると、表示部２２と第１ミラー２３との距離が長くなるため、装置が大型化してしまう。すなわち、Ｌ１／Ｌ２が式１０を満たすことで、ヘッドアップディスプレイ１００を、表示部２２と光線との干渉が発生することを抑制しつつ小型化することができる。

また、ヘッドアップディスプレイ１００は、第１ミラー２３の長さをＤ（図７参照）、アイボックスの中心と虚像の中心とを結んだ線分の長さである虚像距離をＶＩＤ（図９参照）とすると、以下の式１１を満たすことが望ましい。

Ｄ／ＶＩＤ＜０．０４ （式１１）

なお、アイボックスは、画像の虚像が視認可能となる視認領域である。また、長さＤは、例えば、第１ミラー２３の最上部及び最下部から第１ミラー２３の中心における法線ｎ１と平行に伸びた２本の線の間隔である。

なお、上記の説明では、光路ＬＰを通る太陽光がヘッドアップディスプレイ１００内部で反射して運転者の眼３００に到達することを抑制することができる条件について述べたが、太陽光の光路としては実際には光路ＬＰ以外にも、第１ミラー２３又は表示部２２の中心を通らない光路も存在する。このような光路を通る太陽光がヘッドアップディスプレイ１００内部で反射して運転者の眼３００に到達することを抑制するためには、式７及び式９に示される条件より厳しい条件が設定されてもよい。

光路ＬＰ以外の光路を通る太陽光も考慮すると、第１ミラー２３で反射された後に表示部２２で反射され、再度第１ミラー２３に入射した太陽光が逆戻りすることを抑制するためには、以下の式１２を満たす必要がある。

３＜α−（θ＋φ）／２＜１１．７ （式１２）

α−（θ＋φ）／２が３以下となると、光路ＬＰ以外の光路を通る太陽光が第１ミラー２３で反射して逆戻りする可能性がある。また、α−（θ＋φ）／２が１１．７以上となると、αが大きくなるため、諸収差、特に像面湾曲及び歪曲収差が大きくなり、運転者から虚像が鮮明に見えず、また歪んで見えたりなどして、ヘッドアップディスプレイ１００の表示品位が悪くなってしまう。

また、光路ＬＰ以外の光路を通る太陽光も考慮すると、再度第１ミラー２３で反射されて再度表示部２２に入射した太陽光が逆戻りすることを抑制するためには、以下の式１３を満たす必要がある。

３＜α−２（θ＋φ）／３＜５．７ （式１３）

α−２（θ＋φ）／３が３以下となると、光路ＬＰ以外の光路を通る太陽光が表示部２２で反射して逆戻りする可能性がある。また、α−２（θ＋φ）／３が５．７以上となると、αが大きくなるため、諸収差、特に像面湾曲及び歪曲収差が大きくなり、運転者から虚像が鮮明に見えず、また歪んで見えたりなどして、ヘッドアップディスプレイ１００の表示品位が悪くなってしまう。

［２．効果など］
以上説明したように、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００は、虚像が投影される表示媒体１０と、画像を表示する表示部２２と、表示部２２によって表示される画像を表示媒体１０に導くことによって、表示媒体１０に対して運転者と反対側に虚像を形成する投射光学系とを備える。投射光学系は、表示部２２より上方に配置され、画像の表示光を反射する第１ミラー２３を有する。そして、第１ミラー２３の中心と表示部２２の中心とを結ぶ線分ｓが第１ミラー２３の中心における法線ｎ１となす角をθ、第１ミラー２３の中心と表示部２２の中心とを結ぶ線分ｓが表示部２２の中心における法線ｎ２となす角をα、第１ミラー２３における表示部２２側の端縁の第１ミラー２３の中心に対する傾斜角をφとすると、０＜α−（θ＋φ）／２を満たす。

ただし、図２の場合、角度θは、法線ｎ１に対して反時計回りを正とし、角度φは、第１ミラー２３の中心における接線ｔ１に対して、時計周りを正とする。

なお、運転者は、観察者の一例であり、法線ｎ１は、第１法線の一例であり、法線ｎ２は第２法線の一例である。

これにより、光路ＬＰを通り第１ミラー２３で２回反射された太陽光（位置Ｐ３で反射された太陽光）が、逆戻りすることを抑制することができる。よって、ヘッドアップディスプレイ１００は、小型化しても太陽光が内部で反射して運転者の眼３００に到達することを抑制することができる。

また、反射光の光路上に減光フィルタなどを設けることで、太陽光が内部で反射して運転者の眼３００に到達することを効果的に抑制することができる。なお、ここでの太陽光が内部で反射して運転者の眼３００に到達するとは、人体に影響がある強度の反射光が運転者に到達することを意味する。

さらに、ヘッドアップディスプレイ１００は、３＜α−（θ＋φ）／２＜１１．７を満たすことが望ましい。

これにより、光路ＬＰ以外の光路を通り第１ミラー２３で２回反射された太陽光が逆戻りすることを抑制することができる。よって、ヘッドアップディスプレイ１００は、小型化しても太陽光が内部で反射して運転者の眼３００に到達することをさらに抑制することができる。

また、ヘッドアップディスプレイ１００は、さらに０＜α−２（θ＋φ）／３を満たすことが望ましい。

これにより、光路ＬＰを通り表示部２２で２回反射された太陽光（位置Ｐ４で反射された太陽光）が、逆戻りすることを抑制することができる。よって、ヘッドアップディスプレイ１００は、小型化しても太陽光が内部で反射して運転者の眼３００に到達することをより抑制することができる。

さらに、ヘッドアップディスプレイ１００は、３＜α−２（θ＋φ）／３＜５．７を満たすことが望ましい。

これにより、光路ＬＰ以外の光路を通り表示部２２で２回反射された太陽光が逆戻りすることを抑制することができる。よって、ヘッドアップディスプレイ１００は、小型化しても太陽光が内部で反射して運転者の眼３００に到達することをさらに抑制することができる。

また、さらに、第１ミラー２３からの表示光を表示媒体１０に向けて反射する第２ミラー２４を備える。そして、表示部２２の中心と第１ミラー２３の中心とを結ぶ線分ｓの長さをＬ１、第１ミラー２３の中心と第２ミラー２４の中心とを結ぶ線分の長さをＬ２とすると、０．３＜Ｌ１／Ｌ２＜０．６を満たすことが望ましい。

これにより、表示部２２が第１ミラー２３からの表示光に干渉することを抑制し、かつ、ヘッドアップディスプレイ１００を小型化することができる。

また、第２ミラー２４の中心近傍の反射面は、凹面であることが望ましい。

これにより、光学系の主点の位置が光路に沿って表示部２２とは反対側へ移動するため、表示部２２を第１ミラー２３に近づけることができ、ヘッドアップディスプレイ１００をより小型化することができる。

また、角度φは、φ＜３（ｄｅｇ）を満たすことが望ましい。

これにより、式７又は式９において、右辺の値が小さくなるので、角度θ及びαの自由度が増す。

また、第１ミラー２３の上下方向の長さをＤ、アイボックスの中心と虚像の表示中心とを結んだ線分の長さをＶＩＤとすると、Ｄ／ＶＩＤ＜０．０４を満たすことが望ましい。

これにより、第１ミラー２３のサイズが小さくなるので、ヘッドアップディスプレイ１００をより小型化することができる。また、表示部２２で反射された太陽光を第１ミラー２３の外部に向けて出射しやすくなり、運転者の眼３００にこの反射光が到達することをより抑制できる。

また、第１ミラー２３の周縁の反射面の少なくとも一部は、凹面であることが望ましい。

これにより、光学系の主点の位置が光路に沿って表示部２２側へ移動するため、表示媒体１０（例えば、ウインドシールド）の形状、ヘッドアップディスプレイ１００の搭載位置などにより表示部２２と第１ミラー２３とが接近する場合にも、第１ミラー２３と表示部２２との距離（例えば、第１距離Ｌ１）を大きくすることができ、表示部２２が第１ミラー２３で反射された表示光に干渉することを抑制できる。

（数値実施例）
以下、本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００について、具体的な数値実施例を説明する。なお、以下で説明する数値実施例において、表中の長さの単位は（ｍｍ）であり、角度の単位は（度）である。また、自由曲面は、次の数式で定義されるものである。

ここで、ｚは面を定義する軸から（ｘ、ｙ）の位置におけるサグ量であり、ｒは、

で算出される数値であり、ｃは面を定義する軸の原点における曲率であり、ｋはコーニック定数であり、ｍ及びｎは、式１５を満たす整数であり、Ｃｊは多項式ｘ^ｍｙ^ｎの係数である。

また、各数値実施例において、基準となる座標原点は表示部２２の表示面の中心（例えば、表示画像４００の中心）であり、図８で示すようにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を定義している。図８は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００における表示部２２の座標系を示す概略図である。なお、表示部２２は、図８に示すＺ軸のマイナス方向に向けて表示光を出射する。

さらに、数値実施例中の偏心データ（以下の表１を参照）において、ＡＤＥとはＸ軸を中心にＺ軸方向からＹ軸方向に回転した量、ＢＤＥとはＹ軸を中心にＸ軸方向からＺ軸方向に回転した量、ＣＤＥとはＺ軸を中心にＸ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。例えば、ＡＤＥ、ＢＤＥ、及び、ＣＤＥは、オイラー角を示す。

数値実施例の投射光学系は、投影光学系の一例である。数値実施例の投射光学系の構成データを表１に、多項式自由曲面の係数を表２に示す。なお、表２に示すｃは、曲率を示している。

表３は、画像の表示サイズ、虚像サイズ、観察者の視認領域中央（例えば、アイボックスの中心）から虚像中央までの距離である虚像距離ＶＩＤ、アイボックスサイズの一例を示す。

なお、一例として、角度α＝３１．２０２８°であり、角度θ＝３８．００７８°であり、角度φ＝２．０９９°である。また、一例として、第１距離Ｌ１＝６５ｍｍであり、第２距離Ｌ２＝１３３ｍｍである。また、一例として、長さＤ＝７２．６９０８ｍｍであり、虚像距離ＶＩＤ＝２２００ｍｍである。

（その他の実施の形態）
以上、本開示に係るヘッドアップディスプレイについて、上記実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記の実施の形態に限定されるものではない。例えば、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。

例えば、上記実施の形態では、表示媒体１０は、ウインドシールドである例について説明したが、コンバイナであってもよい。

また、上記実施の形態では、ヘッドアップディスプレイ１００の投射光学系は、２つのミラー（第１ミラー２３及び第２ミラー２４）を有する例について説明したが、ミラーの数はこれに限定されない。投射光学系は、ミラーを１つのみ有していてもよいし、ミラーを３つ以上有していてもよい。また、投射光学系は、レンズを含んでいてもよい。

また、上記実施の形態では、第１ミラー２３及び第２ミラー２４の反射面は凹面形状である例について説明したが、これに限定されない。第１ミラー２３及び第２ミラー２４の反射面の少なくとも一方は、凸面形状であってもよい。また、第１ミラー２３及び第２ミラー２４の反射面の少なくとも一方は、自由曲面形状であってもよいし、平面状であってもよい。

また、上記実施の形態では、ヘッドアップディスプレイ１００は、車両３０に搭載される例について説明したが、車両３０以外の移動体に搭載されてもよい。ヘッドアップディスプレイ１００は、例えば、電車、飛行機などに搭載されてもよい。また、ヘッドアップディスプレイ１００は、移動体以外に搭載されてもよい。

本開示は、例えば車両などに搭載されるヘッドアップディスプレイに利用可能である。

１０、２１０ 表示媒体
２０、２２０ 投影部
２１、２２１ 筐体
２２、２２ａ、２２２ 表示部
２３、２３ａ、２２３ 第１ミラー（投射光学系）
２４、２２４ 第２ミラー（投射光学系）
３０ 車両
３１ ダッシュボード
１００、２００ ヘッドアップディスプレイ
３００ 運転者の眼
４００ 表示画像
Ｄ 長さ
ＬＰ 光路
Ｌ１ 第１距離
Ｌ２ 第２距離
ｎ１〜ｎ４ 法線
Ｐ１〜Ｐ４ 位置
ｓ 線分
ｔ１、ｔ２ 接線
ＶＩＤ 虚像距離
α、θ、φ 角度

Claims (7)

1. 虚像が投影される表示媒体と、
   画像を表示する表示部と、
   前記表示部によって表示される画像を前記表示媒体に導くことによって、前記表示媒体に対して観察者と反対側に虚像を形成する投射光学系とを備え、
   前記投射光学系は、前記表示部より上方に配置され、前記画像の表示光を反射する第１ミラーを有し、
   前記第１ミラーの中心と前記表示部の中心とを結ぶ線分が前記第１ミラーの中心における第１法線となす角をθ、前記第１ミラーの中心と前記表示部の中心とを結ぶ線分が前記表示部の中心における第２法線となす角をα、前記第１ミラーにおける前記表示部側の端縁の前記第１ミラーの中心に対する傾斜角をφとすると、以下の式１を満たす
   ３＜α−（θ＋φ）／２＜１１．７ ・・・（式１）
   ヘッドアップディスプレイ。
2. 前記αは、さらに以下の式２を満たす
   ３＜α−２（θ＋φ）／３＜５．７ ・・・（式２）
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
3. さらに、前記第１ミラーからの前記表示光を前記表示媒体に向けて反射する第２ミラーを備え、
   前記表示部の中心と前記第１ミラーの中心とを結ぶ線分の長さをＬ１、前記第１ミラーの中心と前記第２ミラーの中心とを結ぶ線分の長さをＬ２とすると、以下の式３を満たす
   ０．３＜Ｌ１／Ｌ２＜０．６ ・・・（式３）
   請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 前記第２ミラーの中心近傍の反射面は、凹面である
   請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 前記φは、以下の式４を満たす
   φ＜３（ｄｅｇ） ・・・（式４）
   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。
6. 前記第１ミラーの上下方向の長さをＤ、アイボックスの中心と前記虚像の表示中心とを結んだ線分の長さをＶＩＤとすると、以下の式５を満たす
   Ｄ／ＶＩＤ＜０．０４ ・・・（式５）
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
7. 前記第１ミラーの周縁の反射面の少なくとも一部は、凹面である
   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。

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