JP2021135448A - ヘッドアップディスプレイ装置及びヘッドアップディスプレイシステム - Google Patents

Abstract

【課題】虚像の表示品位を向上させる。【解決手段】ヘッドアップディスプレイシステムは、非正反射素子６５と、非正反射素子６５を配置した被投影部６０と、被投影部６０によって正反射される表示光５０の中で観察者側の上端領域２１１を含む上領域２１０へ向かう第１表示光５１を出射する位置に配置される第１表示領域３１を含む表示面３０を有する画像生成部２１と、被投影部６０によって観察者側の所定の視域２００へ正反射されるような表示光を制限する配光制限光学部材２３と、を備え、配光制限光学部材２３は、非正反射素子６５が、入射した光を入射角＜出射角の条件で視域２００へ反射又は回折するように形成される場合、少なくとも第１表示領域３１から出射される第１表示光５１の配光を、被投影部６０によって観察者側の上側に正反射されないように制限る、ように構成される。【選択図】 図６Ａ

Description

本開示は、車両などの移動体に用いられるヘッドアップディスプレイ装置及びヘッドアップディスプレイシステムに関する。

車両のウインドシールドに、特定波長領域の光に対する回折効率（反射率）が高いホログラム素子を設け、これに内部で生成した表示画像の表示光を投影することで、虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置が記載されている。

特許文献１には、ホログラム素子への光の入射角と、回折角（反射角）との差を大きくする（非正反射の程度を大きくする）ことで、ウインドシールドで正反射する光を視域に向きにくくし、ホログラム素子での回折光のみを入射させやすくする方法が提案されている。

特開２０１１−２２７２８１号公報

しかしながら、ヘッドアップディスプレイ装置で生成される表示画像の各ピクセルから出射される表示光は、所定の幅を有する出射角を有しているため、出射角の一部は、ウインドシールドで正反射され、視域に向かい、視域に目を配置した観察者は、ホログラム素子で回折された光と、ウインドシールドで正反射された光と、の２重の光（２重像）を視認することが依然として想定され、この観点で改善の余地があった。

本明細書に開示される特定の実施形態の要約を以下に示す。これらの態様が、これらの特定の実施形態の概要を読者に提供するためだけに提示され、この開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。実際に、本開示は、以下に記載されない種々の態様を包含し得る。

本開示の概要は、虚像の表示品位を向上させる。より具体的には、２重像の発生を抑制することに関する。

したがって、本明細書に開示されるヘッドアップディスプレイシステムは、非正反射素子６５と、非正反射素子６５を配置した被投影部６０と、被投影部６０によって正反射される表示光５０の中で観察者側の上端領域２１１を含む上領域２１０へ向かう第１表示光５１を出射する位置に配置される第１表示領域３１と、下端領域２２１を含む下領域２２０へ向かう第２表示光５２を出射する位置に配置される第２表示領域３２と、を含む表示面３０を有する画像生成部２１と、被投影部６０によって観察者側の所定の視域２００へ正反射されるような表示光を制限する配光制限光学部材２３と、を備え、配光制限光学部材２３は、非正反射素子６５が、入射した光を入射角＜出射角の条件で視域２００へ反射又は回折するように形成される場合、少なくとも第１表示領域３１から出射される第１表示光５１の配光を、被投影部６０によって観察者側の上側に正反射されないように制限し、非正反射素子６５が、入射した光を入射角＞出射角の条件で視域２００へ反射又は回折するように形成される場合、少なくとも第２表示領域３２から出射される第２表示光５２の配光を、被投影部６０によって観察者側の下側に正反射されないように制限する、ように構成される。

図１は、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイシステムの構成を示す図であって、自動車に採用された態様を示す。 図２は、上記実施形態のＨＵＤ装置の構成を示す。 図３は、上記実施形態の表示装置（画像生成部）の構成を示す。 図４は、図３のレーザーモジュールの構成を示す。 図５は、比較例に係るヘッドアップディスプレイシステムと、表示光の光路と、を示す。 図６Ａは、上記実施形態に係るヘッドアップディスプレイシステムと、非正反射素子で非正反射される表示光の光路と、を示す。 図６Ｂは、上記実施形態に係るヘッドアップディスプレイシステムと、非正反射素子で非正反射される表示光の光路と、を示す。 図７Ａは、比較例の表示装置の表示面における画素から出射される表示光の配光の一例を示す。 図７Ｂは、比較例の表示装置の表示面における画素から出射される表示光の配光の一例を示す。 図７Ｃは、比較例の表示装置の表示面における画素から出射される表示光の配光の一例を示す。 図８は、本実施形態に係る表示装置の表示面における画素から出射される表示光の配光の一態様を示す。 図９は、本実施形態に係る表示装置の表示面における画素から出射される表示光の配光の一態様を示す。 図１０は、本実施形態に係る表示装置の表示面における画素から出射される表示光の配光の一態様を示す。 図１１は、本実施形態に係る表示装置の表示面における画素から出射される表示光の配光の一態様を示す。 図１２は、本実施形態に係る表示装置の表示面における画素から出射される表示光の配光の一態様を示す。

以下に、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下の実施形態（図面の内容も含む）によって限定されるものではない。以下の実施形態に変更（構成要素の削除も含む）を加えることができるのはもちろんである。また、以下の説明では、本発明の理解を容易にするために、公知の技術的事項の説明を適宜省略する。

以下、図１−図４、図６Ａ、図６Ｂ、及び図８−図１２では、本実施形態におけるヘッドアップディスプレイシステム、ヘッドアップディスプレイ装置の説明を提供する。図５、図７Ａ−図７Ｃでは、比較例の説明を提供する。

図１は、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイシステムの構成を示す図であって、自動車に採用された態様が示されている。なお、本発明のヘッドアップディスプレイシステムは、自動車に限らず、移動体における表示装置に採用することが可能である。なお、本実施形態に用いる図面において、車両の左右方向をＸ軸方向（車両の前方を向いた際の左側がＸ軸正方向）とし、上下方向をＹ軸方向（路面を走行する車両の上側がＹ軸正方向）とし、車両の前後方向をＺ軸方向（車両の前方がＺ軸正方向）とする。

図１のヘッドアップディスプレイシステム１０は、車両１に搭載され、ヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置とも記載する。）２０と、ＨＵＤ装置２０を制御する表示制御装置４０と、後述する非正反射素子６５を含み、ＨＵＤ装置２０からの表示光５０を受ける被投影部６０と、から構成される。ＨＵＤ装置２０は、観察者（典型的には、車両の運転席に着座する運転者）の正面（前方、車両の進行方向とも言える。）に配置される車両のフロントウインドシールド（被投影部６０の一例。）に向けて表示光５０を投影する。

非正反射素子６５は、例えばホログラフィック素子、回折光学素子（ＤＯＥ）で構成することができる。ホログラフィック素子は、例えば，フォトポリマーや重クロム酸ゼラチンなどのホログラム材料などからなり、入射した光を所望の方向へ向けて回折する光学部材であり、物体光と参照光の干渉パターンを記録することで作成される。非正反射素子６５は、例えば、シート状であり、被投影部６０に内包され、ＨＵＤ装置２０が投影する表示光５０を車両１の内側の所定の領域である視域２００へ回折する。例えば、後述する非正反射素子６５は、ＨＵＤ装置２０から受けた表示光５０を回折することで、観察者に視認される画像（虚像）のサイズを大きくすることができる。観察者は、視域２００内に目３を配置することで、被投影部６０より遠方側に、ＨＵＤ装置２０が表示する表示画像Ｍ（図２参照。）の虚像Ｖを視認することができる。

本実施形態の説明で用いる「視域」とは、（１）領域内では表示面３０に表示される表示画像Ｍの全体が虚像Ｖとして視認でき、領域外では表示面３０に表示される表示画像Ｍの少なくとも一部分が虚像Ｖとして視認されない領域、（２）領域内では後述する表示面３０に表示される表示画像Ｍの少なくとも一部が虚像Ｖとして視認でき、領域外では表示面３０に表示される表示画像Ｍの一部分も虚像Ｖとして視認されない領域、（３）領域内では表示画像Ｍの虚像Ｖが立体的に視認でき、領域外では虚像Ｖを立体的に視認されない領域、又は（４）領域内では表示面３０に表示される少なくとも一部の表示画像Ｍの虚像Ｖが所定の輝度以上で視認でき、領域外では表示面３０に表示される表示画像Ｍの虚像Ｖの全体が前記所定の輝度未満である領域である。すなわち、観察者が目（両目）３を視域２００外に配置すると、観察者は、表示画像Ｍの虚像Ｖの全体が正常に視認できない、又は表示画像Ｍの虚像Ｖの全体の視認性が非常に低く知覚しづらい。前記所定の輝度とは、例えば、アイボックスの中心での表示画像の輝度に対して１／５０程度である。

虚像表示領域１００は、平面、曲面、又は一部曲面の領域であり、結像面とも呼ばれる。虚像表示領域１００は、ＨＵＤ装置２０の後述する表示装置（画像生成部）２１の表示面３０の虚像が結像される位置であり、すなわち、虚像表示領域１００は、ＨＵＤ装置２０の後述する表示面３０に対応し（言い換えると、虚像表示領域１００は、後述する表示装置２１の表示面３０と、共役関係となる。）、虚像表示領域１００で視認される虚像は、ＨＵＤ装置２０の後述する表示面３０に表示される表示画像Ｍに対応している、と言える。虚像表示領域１００自体は、実際に観察者に視認されない、又は視認されにくい程度に視認性が低いことが好ましい。

図２は、本実施形態のＨＵＤ装置２０の構成を示す図である。ＨＵＤ装置２０は、表示画像Ｍの表示光５０を出射する表示装置２１と、表示装置２１が出射する表示光５０を、被投影部６０に向けるリレー光学系２５と、で構成される。なお、後述する本実施形態の表示装置２１は、２Ｄ表示器であるが、３Ｄ表示器であってもよい。すなわち、ＨＵＤ装置２０は、視域２００に配置された前記アイポイント（左右の目）に対応した視差画像を表示することで、虚像表示領域１００を基準に立体画像の虚像を観察者に知覚させてもよい（なお、３Ｄ表示器は、両眼視差方式の３Ｄ表示器でなくてもよい。）。また、リレー光学系２５は、省略され得る。

リレー光学系２５は、光学的パワーを有さない平面ミラーである第１のミラー２６と、正の光学的パワーを有する凹面ミラーである第２のミラー２８と、で構成される。第１のミラー２６は、表示装置２１からの表示光５０の光路上に配置され、表示光５０を反射する。第２のミラー２８は、第１のミラー２６が反射した表示光５０の光路上に配置され、表示光５０を反射する。リレー光学系２５は、被投影部６０とともに、表示画像Ｍの虚像Ｖを結像するための虚像光学系として機能する。虚像光学系は、複数の光学部材で構成され、複数の光学部材の配置を調整すること、及び／又は１つ（又はそれ以上）の光学部材の全体の（又は一部分の）光学的パワーを調整すること、で観察者に視認させる虚像Ｖの一部又は全体のサイズ（倍率）、配置、及び／又は形状などを調整し得る。

また、本実施形態のリレー光学系２５は、表示装置２１が生成した表示画像Ｍを拡大した虚像Ｖとして結像させるための画像拡大機能（光学機能の一例）と、歪みのない（歪の少ない）虚像として結像させるための画像歪み補正機能（光学機能の一例）と、を有していてもよい。リレー光学系２５に凹面鏡の機能（画像拡大機能、及び／又は画像歪み補正機能）を持たせることで、観察者に、大きな虚像、歪の少ない虚像を提供することができるとともに、ＨＵＤ装置２０内の表示装置２１や他の光学系（リレー光学系２５も含んでもよい）の小型化を図り、延いてはＨＵＤ装置２０全体の小型化を図ることも可能となる。なお、本実施形態のリレー光学系２５は、反射光学系のみで構成されるが、これらの代わりに（又はこれらに加えて）、レンズなどの屈折光学系、ホログラムなどの回折光学系、など公知の様々な光学系を含んでいてもよい。

図３は、表示装置（画像生成部）２１の構成を示す図である。表示装置２１は、例えば、レーザー走査型表示装置であり、レーザーモジュール７１と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーからなるスキャナ７２と、スクリーン７３（表示面３０の一例）と、を備え、スクリーン７３に２次元の表示画像Ｍを表示する（表示画像Ｍの光を出射する。）。なお、表示画像Ｍは、リレー光学系２５と、被投影部６０の曲面形状より生じる歪み（湾曲）を打ち消すように、予め歪ませてスクリーン７３に表示されてもよい。この表示画像Ｍの事前歪みは、表示制御装置４０によるワーピング処理とも呼ばれる事前歪み処理と、前記レーザー走査型表示装置における光学部材の各構成の配置と、により生じてもよい。折返しミラー７１ａは、レーザーモジュール７１から出射されたレーザービーム７５の光路上に配置され、レーザービーム７５をスキャナ７２へ反射する。なお、折返しミラー７１ａは、省略されてもよい。

図４は、図３のレーザーモジュール７１の構成の例を示す図である。レーザーモジュール７１は、光源８０と、集光部８０ａと、光合成部８５と、光分岐部９０と、光センサ９５と、から主に構成される。

光源８０は、色（波長帯域）の異なるレーザー光を出射する複数のレーザー光源を有し、例えば、青色のレーザー光Ｂを出射する１つ又は複数の第１光源８１と、緑色のレーザー光Ｇを出射する１つ又は複数の第２光源８２と、赤色のレーザー光Ｒを出射する１つ又は複数の第３光源８３と、から構成される。光源８０は、例えば、各色２５６階調の光強度出力が可能であり、後述する表示制御装置（レーザー光源制御装置）４０が記憶する光源制御データに基づいて、所望の光強度のレーザー光が出射されるように各光源８１，８２，８３それぞれを階調制御する。

また、光源８０には、光源８０の温度（波長を推定可能な情報の一例。）を検出する温度センサ８０ｂが設けられていてもよい。具体的には、温度センサ８０ｂは、第１光源８１の温度を検出する第１温度センサ８１ｂと、第２光源８２の温度を検出する第２温度センサ８２ｂと、第３光源８３の温度を検出する第３温度センサ８３ｂと、を含んでいてもよい。なお、温度センサ８０ｂは、複数の光源８１，８２，８３にそれぞれに設けられず、複数の光源８１，８２，８３のいずれかの温度を検出する１つ又は２つの温度検出素子で構成されてもよい。なお、温度センサ８０ｂは、光源８０の温度を直接検出するものではなく、光源８０の周辺の雰囲気温度（波長を推定可能な情報の一例。）を検出するものであってもよく、光源８０と接続された部材（例えば、光源８０が実装された回路基板など。）の温度（波長を推定可能な情報の一例。）を検出するものであってもよい。

図３の集光部８０ａは、各光源８１，８２，８３が出射した各レーザー光Ｂ，Ｇ，Ｒを集光し、スポット径を小さくして収束光とするものであり、例えば、第１光源８１から出射される青色のレーザー光Ｂの光路上に位置し、青色のレーザー光Ｂを集光する第１集光部８１ａと、第２光源８２から出射される緑色のレーザー光Ｇの光路上に位置し、緑色のレーザー光Ｇを集光する第２集光部８２ａと、第３光源８３から出射される赤色のレーザー光Ｒの光路上に位置し、赤色のレーザー光Ｒを集光する第３集光部８３ａと、から構成される。

図３の光合成部８５は、各光源８１，８２，８３から出射され、集光部８０ａを介して到達した各レーザー光Ｂ，Ｇ，Ｒの光軸を合わせて合成レーザー光Ｃとして出射するものであり、青色のレーザー光Ｂの光軸を調整する第１光合成部８６と、緑色のレーザー光Ｇの光軸を調整する第２光合成部８７と、赤色のレーザー光Ｒの光軸を調整する第３光合成部８８と、を有する。

図３の光分岐部９０は、例えば、５％程度の反射率を有する透過性部材からなり、光合成部８５からスキャナ７２までの間の合成レーザー光Ｃの光路上に配置され、光合成部８５からの合成レーザー光Ｃの大部分をそのまま透過させるが、一部の光を部分光Ｃ１として後述する光センサ９５の方向へ反射させ、合成レーザー光Ｃの残りの光を合成レーザービーム７５としてスキャナ７２に向けて出射する。

図３の光センサ９５は、レーザー光の波長を検出するセンサを含み、例えば、エタロン分光器、ツェルニー・ターナ（Czerny−Turner）型の分光器、複数のグレーティングを使用した分光器、マルチパス化した分光器などである。光センサ９５が検出する波長は、ピーク波長、中心波長、重心波長（「平均波長」と称することもある）、半値波長などであるが、これらに限定されない。本実施形態の光センサ９５は、部分光Ｃ１を受光し、第１光源８１からの青色のレーザー光Ｂの波長、第２光源８２からの緑色のレーザー光Ｇの波長、及び第３光源８３からの赤色のレーザー光Ｒの波長、を検出し、第１光源８１、第２光源８２、第３光源８３のそれぞれのレーザー光の波長を示す情報（波長情報）を後述する表示制御装置４０に出力してもよい。光センサ９５の配置は、これに限定されず、例えば、各光源８１，８２，８３が出射するレーザー光Ｂ，Ｇ，Ｒが、合成される前に検出可能な位置に配置されてもよい。

再び、図３を参照する。図２のスキャナ７２は、例えば圧電駆動型の２軸レーザー光走査ミラーから構成される。スキャナ７２は、後述する表示制御装置４０から入力される制御信号に応じて反射面が２軸方向に揺動する。具体的には、スキャナ７２は、合成レーザービーム７５を受光し、この合成レーザービーム７５を反射させた反射光である走査ビーム７７をスクリーン７３に向ける。

スクリーン７３は、入射した走査ビーム７７を受光し、射出瞳を拡大する射出瞳拡大素子（ＥＰＥ）として機能し、例えば、複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイである。本実施形態では、スクリーン７３は、平板状であるが、一部または全体が湾曲していてもよい。また、スキャナ７２とスクリーン７３との間の走査ビーム７７の光路上のスクリーン７３の近傍に、図示しないフィールドレンズを配置してもよい。本実施形態では、スクリーン７３は、透過型スクリーンであるが、反射型スクリーンで構成されてもよい。

他の例として、表示装置（画像生成部）２１は、レーザー光を照明光と利用した液晶プロジェクタ、ＤＬＰプロジェクタ、ＬＣＯＳプロジェクタと、これらのプロジェクタの投影光を受光し、表示画像Ｍを表示するスクリーン（表示面）３０と、で構成されてもよい。また、上記レーザー走査型表示装置を含むプロジェクタは、スクリーンを有さず、後述するリレー光学部材系（表示面）に表示画像Ｍを投影してもよい。表示装置（画像生成部）２１は、コヒーレントな表示光５０を出射するものであればよく、これらに限定されない。

次に、ＨＵＤ装置２０から視域２００へ向かう表示光５０の光路について説明する。

まず、図５に、比較例に係るヘッドアップディスプレイシステム５００と、表示光５５０の光路と、を示す。

比較例に係るヘッドアップディスプレイシステム５００は、ＨＵＤ装置５２０と、ＨＵＤ装置５２０を制御する表示制御装置（不図示）と、被投影部材５６０と、から構成される。

比較例のＨＵＤ装置５２０は、表示画像Ｍの表示光５５０を出射する表示装置５２１と、表示装置５２１が出射する表示光５５０を、被投影部材５６０に向けるリレー光学系５２５と、で少なくとも構成される。比較例のＨＵＤ装置５２０では、表示装置５２１が後述する配光制限光学部材を有さない点で異なる。

図５では、被投影部材５６０は、被投影部材５６０の上から順番に連続的に配置される第１被投影領域５６１、第２被投影領域５６２、及び第３被投影領域５６３、を含む。表示光５５０は、被投影部材５６０の第１被投影領域５６１によって正反射され、観察者側（被投影部よりも移動体の乗員側）の上領域２１０へ向かう第１表示光５５１、第３被投影領域５６３によって正反射され、観察者側（被投影部よりも移動体の乗員側）の下領域２２０へ向かう第２表示光５５２、及び第２被投影領域５６２によって正反射され、観察者側（被投影部よりも移動体の乗員側）の上領域２１０と下領域２２０との間へ向かう第３表示光５５３、を含む。すなわち、比較例のＨＵＤ装置５２０では、表示装置５２１が後述する配光制限光学部材を有さないため、図５に示す例で視域２００が含まれる観察者側（被投影部よりも移動体の乗員側。）の上領域２１０に向かう第１表示光５５１が（多く）出射される。すなわち、視域２００内では、観察者は、第１被投影領域５６１と重なる位置で、第１被投影領域５６１で正反射される第１表示光５５１の光を視認する。

図６Ａ、及び図６Ｂは、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイシステム１０と、非正反射素子６５で非正反射される表示光５０の光路と、を示す。図６Ａでは、非正反射素子６５は、ＨＵＤ装置２０からの表示光５０の入射角より出射角（反射角）が大きくなるように、表示光５０を反射（回折）し、視域２００は、非正反射素子６５からの反射光が向けられる観察者側の後述する上領域２１０に配置される。一方、図６Ｂでは、非正反射素子６５は、ＨＵＤ装置２０からの表示光５０の入射角より出射角（反射角）が小さくなるように、表示光５０を反射（回折）し、視域２００は、非正反射素子６５からの反射光が向けられる観察者側の後述する下領域２２０に配置される。なお、図６Ａ、及び図６Ｂにおける第１被投影領域６１は、図５の第１被投影領域５６１に対応しており、図６Ａ、及び図６Ｂにおける第２被投影領域６２は、図５の第２被投影領域５６２に対応しており、そして、図６Ａ、及び図６Ｂにおける第３被投影領域６３は、図５の第３被投影領域５６３に対応している。すなわち、図６Ａの例では、ＨＵＤ装置２０から第１被投影領域６１に投影される表示光５０は、所定の視域２００に正反射され得る。また、図６Ｂの例では、ＨＵＤ装置２０から第３被投影領域６３に投影される表示光５０は、所定の視域２００に正反射され得る。

本実施形態に係るヘッドアップディスプレイシステム１０（ＨＵＤ装置２０）では、表示装置２１は、被投影部６０での正反射により所定の視域２００に向かう表示光５０を、減少させる（制限する）後述する配光制限光学部材２３を有する。言い換えると、後述する配光制限光学部材２３は、被投影部６０のうち、所定の視域２００に正反射してしまう領域（図６Ａの例では第１被投影領域６１であり、図６Ｂの例では第３被投影領域６３である。）に表示光５０が投射されない（投射される表示光５０が少なくなる）ようにする。これにより、被投影部６０での表面反射光が視域２００に向きにくくなり、視域２００内の目位置で表面反射光による迷光が視認されることを抑制することができる。

図６Ａの非正反射素子６５は、視域２００に正反射してしまう第１被投影領域６１よりも下側の被投影部６０（第３被投影領域６３）に配置され、ＨＵＤ装置２０からの表示光５０の入射角より出射角（反射角）が大きくなるように干渉パターン（非正反射型の干渉パターンの一例。）が記録される。具体的には、第３被投影領域６３に配置される非正反射素子６５は、正反射では視域２００の下側（下領域２２０）に向いてしまう第２表示光５２を入射し、入射した光を入射角＜出射角の条件で反射又は回折することで視域２００に向ける。これによれば、第３被投影領域６３に配置された非正反射素子６５に投影される第２表示光５２は、例え、非正反射素子６５が封入されたフロントウインドシールドの表面で表面反射されてしまった場合でも、視域２００に向かず、非正反射素子６５での回折光による像と、フロントウインドシールドの表面反射による像と、の２重像が観察者に視認されてしまうことを抑制することができ、かつ、フロントウインドシールドを透過し、非正反射素子６５で反射又は回折された光を視域２００へ向けることができる。

また、図６Ｂの非正反射素子６５は、視域２００に正反射してしまう第３被投影領域６３よりも上側の被投影部６０（第３被投影領域６３）に配置され、ＨＵＤ装置２０からの表示光５０の入射角より出射角（反射角）が小さくなるように干渉パターン（非正反射型の干渉パターンの一例。）が記録される。具体的には、第１被投影領域６１に配置される非正反射素子６５は、正反射では視域２００の上側（上領域２１０）に向いてしまう第１表示光５１を入射し、入射した光を入射角＞出射角の条件で反射又は回折することで視域２００に向ける。これによれば、第１被投影領域６１に配置された非正反射素子６５に投影される第１表示光５１は、例え、非正反射素子６５が封入されたフロントウインドシールドの表面で表面反射されてしまった場合でも、視域２００に向かず、非正反射素子６５での回折光による像と、フロントウインドシールドの表面反射による像と、の２重像が観察者に視認されてしまうことを抑制することができ、かつ、フロントウインドシールドを透過し、非正反射素子６５で反射又は回折された光を視域２００へ向けることができる。

次に、配光制限光学部材２３により制限されたＨＵＤ装置２０から視域２００へ向かう表示光５０の光路について説明する。

まず、図７Ａ、図７Ｂ、及び図７Ｃを参照し、配光制限光学部材を有さない比較例の表示装置５２１の表示面５３０の、画素５３１から出射される表示光５５１の配光、及び画素５３２から出射される表示光５５２の配光、の一例を説明する。画素５３１は、車両内の最も上側（Ｙ軸正方向）の上端領域２１１に向けられる表示光５５１を出射する画素であり、画素５３２は、車両内の最も下側（Ｙ軸負方向）の下端領域２２１に向けられる表示光５５２を出射する画素である。なお、被投影部材５６０から先の点線で示した光路は、表示光５５０が被投影部材５６０で正反射した場合の光路である。

表示光５５１は、リレー光学系５２５、及び被投影部材５６０からなる虚像光学系を介して、車両１内に向けられ、一部の表示光５５５（後述の視域に向けられた光５５９の一例。）は、所定の視域２００の上端（視域上端２０１）と、下端（視域下端２０２）との間に向けられる。ここで、表示光５５５は、上下方向（Ｙ軸方向）に所定の出射角θｐ（後述の視域に向けられた出射角θの一例。）を有する。

表示光５５２は、前記虚像光学系を介して、車両１内に向けられ、一部の表示光５５６（後述の視域に向けられた光５５９の一例。）は、所定の視域２００の上端（視域上端２０１）と、下端（視域下端２０２）との間に向けられる。ここで、表示光５５６は、上下方向（Ｙ軸方向）に出射角θｐより小さい出射角θｑ（後述の視域に向けられた出射角θの一例。）を有する。

視域に向けられた光５５９の上下方向（Ｙ軸方向）の角度（視域に向けられた出射角θ）は、表示光５５０の配光に対する視域２００の位置によって異なる。例えば、所定の視域２００の位置が、図７Ａに示すように、表示光５５０の配光に対して上側（Ｙ軸正方向）に位置する場合、車両１内の上端領域２１１の近くに配光される表示光ほど、視域に向けられる出射角θが大きくなる。具体的には、画素５３１が出射する表示光５５１の配光は、画素５３２が出射する表示光５５２の配光よりも上端領域２１１に近いため、表示光５５１のうち視域に向けられる出射角θｐは、表示光５５２のうち視域に向けられる出射角θｑより大きくなる。

逆に、例えば、所定の視域２００の位置が、図７Ｂに示すように、表示光５５０の配光に対して下側（Ｙ軸負方向）に位置する場合、車両１内の下端領域２２１の近くに配光される表示光ほど、視域に向けられる出射角θが大きくなる。具体的には、画素５３２が出射する表示光５５２の配光は、画素５３１が出射する表示光５５１の配光よりも下端領域２２１に近いため、表示光５５２のうち視域に向けられる出射角θｑは、表示光５５１のうち視域に向けられる出射角θｐより大きくなる。

図７Ａ、図７Ｂでは、比較例の表示装置５２１の表示面５３０の両端の画素５３１、５３２からの表示光５５１の一部（５５５、５５７）、表示光５５２の一部（５５６，５５８）がいずれも視域２００に投射される、すなわち、表示面５３０の両端の画素５３１、５３２の間の画素を含む表示面５３０の画素全体から出射される各表示光の一部が視域２００に向かう例を示したが、これに限らない。所定の視域２００の位置を、表示光５５０の配光に対して大きくずらす（言い換えると、表示光５５０の中心から離す）ことで、図７Ｃに示すように、例えば、表示面５３０の一部の画素（画素５３２）からの表示光５５２が、視域２００に配光されない（言い換えると、所定の光度以上の光が視域２００に配光されない）ようにすることもできる。

図８、図９、及び図１０は、本実施形態に係る表示装置２１の表示面３０における、画素３１ｐから出射される表示光５１ａの配光、及び画素３２ｑから出射される表示光５２ｑの配光、の一例を説明する。

本実施形態では、表示装置２１は、配光制限光学部材２３を有する。

配光制限光学部材２３は、入射した光の出射方向（出射角）を制御する（光の出射方向を制限する）機能を有するものである。具体的には、配光制限光学部材２３は、例えば視認される虚像の上下方向に対応する、表示面３０上の方向に沿った面内における表示光の出射方向（出射角）が、表示面３０に垂直な方向を０°として、１０°以上３５°以下の範囲内となるように構成されている。これにより、配光制限光学部材２３を出射後の表示光５０の出射角は、所定の範囲（例えば、上述の１０°以上３５°以下）の範囲内となるように制御される。

いくつかの実施形態における配光制限光学部材２３は、表示面３０（ここでは、スクリーン。）の表面（リレー光学系２５に面する面。）に配置され、画素から出射される表示光５０の出射角を制限する微小なルーバーを有する。配光制限光学部材２３としては、例えば、Ａｄｖａｎｃｅｄ−ＶＣ−Ｆｉｌｍ（信越ポリマー株式会社製）、ルーバーフィルム（大日本印刷株式会社製）等があげられ、このような光学機能層を１種類又は２種類を、１層又は２層以上に積層することで形成される。なお、配光制限光学部材２３は、表示面３０（ここでは、スクリーン。）の裏面（リレー光学系２５と反対の面。）に配置されていてもよく、スクリーンの内部に１つ又は複数の光学層で形成されてもよい。

図８の配光制限光学部材２３は、表示面３０の全域に配置され、表示面３０のいずれの画素からの表示光５０も、視域２００に配光されない（言い換えると、所定の光度以上の表示光が視域２００に配光されない）ように、視域に向けられた出射角θの最大値（図７Ａにおけるθｐ）で均一にしている。図７Ａに示したように、所定の視域２００の位置が、表示光５０の配光に対して上側（Ｙ軸正方向）に位置する場合、被投影部６０によって正反射される表示光５０の中で観察者側の上端領域２１１へ向かう表示光５５１における、視域２００に向かう表示光５５５の出射角θｐが、表示面５３０内で最大となる。したがって、本実施形態の配光制限光学部材２３は、視域に向けられる出射角θの最大値（出射角θｐ）を、表示面３０の全体で制限することで、表示面３０の全ての画素の表示光５０が、被投影部６０における正反射で視域２００に向かわないようにすることができるため、観察者による２重像の視認を防止することができる。なお、配光制限光学部材２３により表示光５１ｂ，５２ｂが制限された後にリレー光学系２５へ向かう表示光は、表示光５１ａ、５２ａである。

なお、本実施形態の配光制限光学部材２３は、被投影部６０における正反射で視域２００に向かう表示光５０を減少させればよく（言い換えると、被投影部６０における正反射で視域２００に向かう表示光５０の配光エリアを狭くできればよく）、すなわち、視域２００に向く表示光５０の一部を減少させ、視域２００に向く表示光５０の一部が残る態様を排除しない。

いくつかの実施形態では、図９に示すように、配光制限光学部材２３は、表示面３０の全域に配置され、視域２００に向く表示光５０の一部だけを減少させる（表示光５０一部は、視域２００に向く）ように、表示面３０の全体の画素からの出射角を均一に制限する。具体的には、配光制限光学部材２３は、各画素から出射する表示光５０のうち、車両１内の上側に向かう出射角θｒ（θｑ≦θｒ＜θｐ）を、視域２００に向かわないように制限する。したがって、この出射角θｒを、表示面３０の全体で制限することで、表示面３０の全ての画素からの表示光５０が視域２００に向かう配光エリアを狭くすることができるため、視域２００で観察者が２重像を視認する領域を狭くすることができる。

具体的には、図９の例では、表示光５１の視域に向けられる出射角θｐ（図７Ａ参照。）のうち、視域２００の上側に正反射される出射角θｒが制限されるため、観察者は、視域２００の一部（下側）では、画素３１ｐの虚像が視認できるが、視域２００の他部（上側）では、画素３１ｐの虚像が視認できないようにすることができる。また、表示光５２の視域に向けられる出射角θｑ（図７Ａ参照。）のうち、視域２００の上側に正反射される出射角θｒ（ここでは、θｒ＝θｑ）が制限されるため、観察者は、視域２００の全体で、画素３１ｐの虚像が視認できないようにすることができる。なお、配光制限光学部材２３により表示光５１ｂ，５２ｂが制限された後にリレー光学系２５へ向かう表示光は、表示光５１ａ、５２ａである。

また、他の実施形態における配光制限光学部材２３は、表示面３０の各画素から出射される表示光のうち制限される出射角の度合いを画素間で不均一であってもよい。

いくつかの実施形態では、図１０に示すように、配光制限光学部材２３は、表示面３０の全域に配置され、表示面３０の各画素から視域２００に向けられる表示光５９の出射角θ（視域に向けられた出射角θ）が大きいほど、制限する出射角を大きくしてもよい（不均一に制限してもよい）。具体的には、配光制限光学部材２３は、視域に向けられる出射角θが大きい画素３１ｐから出射する表示光５１のうち、車両１内の上側に向かう出射角θｐを、視域２００に向かわないように制限し、視域２００に向けられた表示光５０の出射角が小さい画素３２ｑから出射する表示光５２のうち、車両１内の上側に向かう出射角θｑ（＜θｐ）を、視域２００に向かわないように制限する。すなわち、配光制限光学部材２３は、
最も視域に向けられた出射角θが小さい画素３２ｑから、最も視域に向けられた出射角θが大きい画素３１ｐに向けて、徐々に（連続的又は断続的に）制限する出射角を大きくしてもよい。

また、いくつかの実施形態では、図１１に示すように、配光制限光学部材２３は、表示面３０の一部分に配置されてもよい（表示面３０の他部では配置されなくてもよい）。具体的には、配光制限光学部材２３は、視域２００に向けられた表示光５０の出射角が大きい画素３１ｐから出射する表示光５１のうち、車両１内の上側に向かう出射角θｐを、視域２００に向かわないように制限し、視域２００に向けられた表示光５０の出射角が小さい（又は視域２００に表示光５０が向かない）画素から出射する表示光５０の出射角を制限しない。すなわち、配光制限光学部材２３は、少なくとも視域に向けられた出射角θが最も大きい画素３１ｐから出射される表示光５１の出射角を制限し、視域に向けられた出射角θが最も小さい画素３２ｑの出射角を制限しなくてもよい。

また、いくつかの実施形態では、図１２に示すように、配光制限光学部材２３は、部分的に異なる屈折力を有し、視域２００に向けられた表示光５０の出射角（視域に向けられた出射角θ）が大きい画素３１ｐから出射する表示光５１の配光を、視域２００から離れる方向（この例では、下側（Ｙ軸負方向）。）に向けてもよい。配光制限光学部材２３は、例えば、マイクロレンズアレイなどで構成され、各微小レンズの形状を調整することで、出射する表示光５１の配光を調整することができる。配光制限光学部材２３は、表示面３０の表側に配置され、表示面３０から出射する表示光５０（又は、表示面３０の裏面側に配置され、表示面３０に入射する光）を部分的に異なる屈折力で屈折させることで、画素３１ｐから出射する表示光５１の光軸ＡＸｐが、画素３２ｑから出射する表示光５２の光軸ＡＸｑより下側に向くようにさせてもよい。すなわち、配光制限光学部材２３は、視域２００に向けられた表示光５０の出射角が大きい画素から出射する表示光５０の光軸ＡＸを、視域２００から離れる方向（この例では、下側（Ｙ軸負方向）。）に屈折させ、かつ上記で説明した他の配光制限光学部材と同様に、少なくとも最も視域に向けられた出射角θが大きい画素から出射される表示光５０の出射角を制限する機能も有していてもよい。これにより、制限する出射角を少なく抑えることができ、表示効率を上昇させることができる。

以上のとおり、本実施形態のヘッドアップディスプレイシステム１０は、非正反射素子６５と、非正反射素子６５を配置した被投影部６０と、被投影部６０によって正反射される表示光５０の中で観察者側の上端領域２１１を含む上領域２１０へ向かう第１表示光５１を出射する位置に配置される第１表示領域３１と、下端領域２２１を含む下領域２２０へ向かう第２表示光５２を出射する位置に配置される第２表示領域３２と、を含む表示面３０を有する画像生成部２１と、被投影部６０によって観察者側の所定の視域２００へ正反射されるような表示光を制限する配光制限光学部材２３と、を備え、非正反射素子６５が、図６Ａに示すように、入射した光を入射角＜出射角の条件で視域２００へ反射又は回折するように形成される場合、配光制限光学部材２３は、少なくとも第１表示領域３１から出射される第１表示光５１の配光を、被投影部６０によって観察者側の上側に正反射されないように制限するように構成されてもよい。このように、配光制限光学部材２３は、第１表示領域３１（これは、典型的には、観察者から見た虚像表示領域１００の上端、及びこの近傍に対応する表示面３０上の領域）から出射されようとする第１表示光５１の配光の一部（被投影部６０によって観察者側の上側に正反射される光）を遮断することで、視域へ正反射される表示光の出射角を制限することができ、視域２００内の目位置で表面反射光による迷光が視認されることを抑制することができる。

また、いくつかの実施形態では、配光制限光学部材２３は、被投影部６０によって観察者側の上側に正反射される出射角が大きい領域ほど、第１表示光５１において制限する出射角を大きくするように構成されてもよい。

また、いくつかの実施形態では、非正反射素子６５が、図６Ｂに示すように、入射した光を入射角＞出射角の条件で視域２００へ反射又は回折するように形成される場合、配光制限光学部材２３は、少なくとも第２表示領域３２から出射される第２表示光５２の配光を、被投影部６０によって観察者側の下側に正反射されないように制限するように構成されてもよい。このように、配光制限光学部材２３は、第２表示領域３２（これは、典型的には、観察者から見た虚像表示領域１００の下端、及びこの近傍に対応する表示面３０上の領域）から出射されようとする第２表示光５２の配光の一部（被投影部６０によって観察者側の下側に正反射される光）を遮断することで、視域へ正反射される表示光の出射角を制限することができ、視域２００内の目位置で表面反射光による迷光が視認されることを抑制することができる。

また、いくつかの実施形態では、配光制限光学部材２３は、被投影部６０によって観察者側の下側に正反射される出射角が大きい領域ほど、第２表示光５２において制限する出射角を大きくする、ように構成されてもよい。

また、いくつかの実施形態では、配光制限光学部材２３は、第１表示光５１又は第２表示光５２の出射角を、領域によらず均一に制限してもよい。

また、いくつかの実施形態では、配光制限光学部材２３は、第１表示光５１の光軸ＡＸｐを、被投影部６０によって観察者側の上側に正反射されないように向ける、又は第２表示領域３２から出射される第２表示光５２の光軸ＡＸｑを、被投影部６０によって観察者側の下側に正反射されないように向けてもよい。

また、いくつかの実施形態では、配光制限光学部材２３は、表示面の表面又は裏面に設けられる、ルーバーでああってもよい。

また、いくつかの実施形態では、表示面３０は、複数の微小レンズを有するマイクロレンズアレイで構成され、配光制限光学部材２３としても機能し、配光制限光学部材２３は、微小レンズの形状を調整することで、少なくとも第１表示領域３１から出射される第１表示光５１の配光を、被投影部６０によって観察者側の上側に正反射されないように制限する、ように構成されてもよい。

また、いくつかの実施形態では、表示面３０は、複数の微小レンズを有するマイクロレンズアレイで構成され、配光制限光学部材２３としても機能し、配光制限光学部材２３は、第２表示領域３２から出射される第２表示光５２の配光を、被投影部６０によって観察者側の下側に正反射されないように制限する、ように構成されてもよい。

なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１ ：車両
３ ：目
１０ ：ヘッドアップディスプレイシステム
２０ ：ＨＵＤ装置
２１ ：画像生成部（表示装置）
２３ ：配光制限光学部材
２５ ：リレー光学系
２６ ：第１のミラー
２８ ：第２のミラー
３０ ：表示面
３１ ：第１表示領域
３１ｐ ：画素
３２ ：第２表示領域
３２ｑ ：画素
４０ ：表示制御装置
５０ ：表示光
５１ ：第１表示光
５２ ：第２表示光
１００ ：虚像表示領域
２００ ：視域
２０１ ：視域上端
２０２ ：視域下端
２１０ ：上領域
２１１ ：上端領域
２２０ ：下領域
２２１ ：下端領域
５００ ：ヘッドアップディスプレイシステム
５２０ ：ＨＵＤ装置
５２１ ：表示装置
５２５ ：リレー光学系
５３０ ：表示面
５３１ ：画素
５３２ ：画素
５５０ ：表示光
５５１ ：第１表示光
５５２ ：第２表示光
５５３ ：第３表示光
５５５ ：表示光
５５６ ：表示光
５５９ ：光
５６０ ：被投影部材
５６１ ：第１被投影領域
５６２ ：第２被投影領域
５６３ ：第３被投影領域
ＡＸ ：光軸
Ｖ ：虚像
θ ：出射角

Claims (15)

1. 被投影部（６０）に表示光（５０）を投影することで、観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置（２０）であって、
   前記被投影部（６０）によって正反射される前記表示光（５０）の中で前記観察者側の上端領域（２１１）を含む上領域（２１０）へ向かう第１表示光（５１）を出射する位置に配置される第１表示領域（３１）と、下端領域（２２１）を含む下領域（２２０）へ向かう第２表示光（５２）を出射する位置に配置される第２表示領域（３２）と、を含む表示面（３０）を有する画像生成部（２１）と、
   少なくとも前記第１表示領域（３１）から出射される前記第１表示光（５１）の配光を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の上側に正反射されないように制限する、又は前記第２表示領域（３２）から出射される前記第２表示光（５２）の配光を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の下側に正反射されないように制限する、配光制限光学部材（２３）と、
   を備える、ヘッドアップディスプレイ装置（２０）。
2. 前記配光制限光学部材（２３）は、前記第１表示光（５１）の出射角を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の上側に正反射されないように制限する、又は前記第２表示領域（３２）から出射される前記第２表示光（５２）の出射角を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の下側に正反射されないように制限する、ように構成される、
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。
3. 前記配光制限光学部材（２３）は、
   前記被投影部（６０）によって前記観察者側の上側に正反射される前記出射角が大きい領域ほど、前記第１表示光（５１）において制限する出射角を大きくする、又は
   前記被投影部（６０）によって前記観察者側の下側に正反射される前記出射角が大きい領域ほど、前記第２表示光（５２）において制限する出射角を大きくする、ように構成される、
   請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。
4. 前記配光制限光学部材（２３）は、前記第１表示光（５１）又は前記第２表示光（５２）の出射角を、領域によらず均一に制限する、ように構成される、
   請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。
5. 前記配光制限光学部材（２３）は、前記第１表示光（５１）の光軸（ＡＸｐ）を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の上側に正反射されないように向ける、又は前記第２表示領域（３２）から出射される前記第２表示光（５２）の光軸（ＡＸｑ）を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の下側に正反射されないように向ける、ように構成される、
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。
6. 前記配光制限光学部材（２３）は、前記表示面の表面又は裏面に設けられる、ルーバーである、
   請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。
7. 前記表示面（３０）は、複数の微小レンズを有するマイクロレンズアレイで構成され、前記配光制限光学部材（２３）としても機能し、
   前記配光制限光学部材（２３）は、前記微小レンズの形状を調整することで、少なくとも前記第１表示領域（３１）から出射される前記第１表示光（５１）の配光を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の上側に正反射されないように制限する、又は前記第２表示領域（３２）から出射される前記第２表示光（５２）の配光を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の下側に正反射されないように制限する、ように構成される、
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。
8. 前記配光制限光学部材（２３）は、前記表示面（３０）の一部にのみ設けられる、
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。
9. 非正反射素子（６５）と、
   前記非正反射素子（６５）を配置した被投影部（６０）と、
   前記被投影部（６０）によって正反射される前記表示光（５０）の中で前記観察者側の上端領域（２１１）を含む上領域（２１０）へ向かう第１表示光（５１）を出射する位置に配置される第１表示領域（３１）と、下端領域（２２１）を含む下領域（２２０）へ向かう第２表示光（５２）を出射する位置に配置される第２表示領域（３２）と、を含む表示面（３０）を有する画像生成部（２１）と、
   前記被投影部（６０）によって前記観察者側の所定の視域（２００）へ正反射されるような表示光を制限する配光制限光学部材（２３）と、を備え、
   前記配光制限光学部材（２３）は、
   前記非正反射素子（６５）が、入射した光を入射角＜出射角の条件で前記視域（２００）へ反射又は回折するように形成される場合、少なくとも前記第１表示領域（３１）から出射される第１表示光（５１）の配光を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の上側に正反射されないように制限し、
   前記非正反射素子（６５）が、入射した光を入射角＞出射角の条件で前記視域（２００）へ反射又は回折するように形成される場合、少なくとも前記第２表示領域（３２）から出射される前記第２表示光（５２）の配光を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の下側に正反射されないように制限する、ように構成される、
   ヘッドアップディスプレイシステム（１０）。
10. 前記配光制限光学部材（２３）は、前記第１表示光（５１）の出射角を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の前記視域（２００）上側に正反射されないように制限する、又は前記第２表示領域（３２）から出射される前記第２表示光（５２）の出射角を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の下側に正反射されないように制限する、ように構成される、
    請求項９に記載のヘッドアップディスプレイシステム（１０）。
11. 前記配光制限光学部材（２３）は、
    前記被投影部（６０）によって前記観察者側の上側に正反射される前記出射角が大きい領域ほど、前記第１表示光（５１）において制限する出射角を大きくする、又は
    前記被投影部（６０）によって前記観察者側の下側に正反射される前記出射角が大きい領域ほど、前記第２表示光（５２）において制限する出射角を大きくする、ように構成される、
    請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイシステム（１０）。
12. 前記配光制限光学部材（２３）は、前記第１表示光（５１）又は前記第２表示光（５２）の出射角を、領域によらず均一に制限する、ように構成される、
    請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイシステム（１０）。
13. 前記配光制限光学部材（２３）は、前記第１表示光（５１）の光軸（ＡＸｐ）を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の上側に正反射されないように向ける、又は前記第２表示領域（３２）から出射される前記第２表示光（５２）の光軸（ＡＸｑ）を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の下側に正反射されないように向ける、ように構成される、
    請求項９に記載のヘッドアップディスプレイシステム（１０）。
14. 前記配光制限光学部材（２３）は、前記表示面の表面又は裏面に設けられる、ルーバーである、
    請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイシステム（１０）。
15. 前記表示面（３０）は、複数の微小レンズを有するマイクロレンズアレイで構成され、前記配光制限光学部材（２３）としても機能し、
    前記配光制限光学部材（２３）は、前記微小レンズの形状を調整することで、少なくとも前記第１表示領域（３１）から出射される前記第１表示光（５１）の配光を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の上側に正反射されないように制限する、又は前記第２表示領域（３２）から出射される前記第２表示光（５２）の配光を、前記被投影部（６０）によって前記観察者側の下側に正反射されないように制限する、ように構成される、
    請求項９に記載のヘッドアップディスプレイシステム（１０）。
    
    

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