JP2022148788A - レンズ及びヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の拡散角度を維持しつつ薄型化を図ることができるレンズ及びヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】光源からの光を液晶表示パネルに向けて拡散する第３のレンズ５３は、第３のレンズ５３の面方向に沿い、かつ互いに交わるＸ方向及びＹ方向においてそれぞれ湾曲するトロイダル面を有するトロイダル領域５４Ｔと、トロイダル領域５４ＴのＸ方向の両側に形成され、フレネルレンズ形状を有するフレネル領域５４Ｌ，５４Ｒと、を備える。【選択図】図７

Description

本開示は、レンズ及びヘッドアップディスプレイ装置に関する。

例えば、特許文献１に記載の表示装置は、光源と、光源からの光が透過する第１～第３のレンズと、第１～第３のレンズを経た光を受けて表示光を出射する液晶表示パネルと、液晶表示パネルからの表示光をフロントガラス等の被投射部材に向けて反射させることにより虚像を表示する凹面鏡と、を備える。第３のレンズは、液晶表示パネルに合わせて光を拡散可能なトロイダル面を有する。

特開２０１８－８３５９３号公報

上記特許文献１に記載の第３のレンズは、光入射面の全域にわたってトロイダル面を有するため厚くなる。特に、液晶表示パネルのサイズに合わせて第３のレンズの拡散角度を大きくすると、トロイダル面の曲率を大きくする必要があり、第３のレンズが厚くなりやすい。このため、第３のレンズの薄型化が求められていた。

本開示は、上記実状を鑑みてなされたものであり、光の拡散角度を維持しつつ薄型化を図ることができるレンズ及びヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示の第１の観点に係るレンズは、光源からの光を表示パネルに向けて拡散するレンズであって、前記レンズの面方向に沿い、かつ互いに交わる第１方向及び第２方向においてそれぞれ湾曲するトロイダル面を有するトロイダル領域と、前記トロイダル領域の前記第１方向の両側に形成され、フレネルレンズ形状を有するフレネル領域と、を備える。

上記目的を達成するため、本開示の第２の観点に係るヘッドアップディスプレイ装置は、前記レンズと、前記光源と、前記レンズを透過した前記光源からの光を受けて表示光を生成する前記表示パネルと、を備える。

本開示によれば、光の拡散角度を維持しつつ薄型化を図ることができる。

本開示の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が搭載された車両の模式図である。 本開示の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の模式的な断面図である。 本開示の一実施形態に係るＸ方向に見た光線の経路を示す概略図である。 本開示の一実施形態に係るＹ方向に見た光線の経路を示す概略図である。 本開示の一実施形態に係る第３のレンズの模式的な断面図である。 本開示の一実施形態に係る第１～第３のレンズ及び基板の斜視図である。 本開示の一実施形態に係る第３のレンズの斜視図である。 本開示の一実施形態に係る第３のレンズの正面図である。 本開示の一実施形態に係る第３のレンズの平面図である。 本開示の一実施形態に係る第３のレンズの斜視図である。 図８の範囲Ａを拡大した図である。 第１比較例に係る第３のレンズと液晶表示パネルの模式図である。 第２比較例に係る第３のレンズと液晶表示パネルの模式図である。 第１比較例に係る虚像の輝度分布を示す図である。 本開示の一実施形態に係る虚像の輝度分布を示す図である。 比較例に係る虚像の輝度分布を示す図である。 本開示の一実施形態に係る虚像の輝度分布を示す図である。 第４比較例に係る等高線が示されたトロイダルレンズの平面図である。 第４比較例に係る等高線が示されたトロイダルレンズの平面図である。 第４比較例に係る等高線が示された第３のレンズの平面図である。 本開示の一実施形態に係る等高線が示された第３のレンズの平面図である。 本開示の一実施形態に係る第３のレンズを成形する金型の断面図である。 本開示の一実施形態に係る金型の第１～第３の分割部材と第３のレンズの平面図である。

本開示に係るレンズ、ヘッドアップディスプレイ装置及び金型の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１００は、例えば、車両２００のダッシュボード内に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置１００は、車両２００のウインドシールド２０１に向けて画像を表す表示光Ｌを射出し、ウインドシールド２０１で反射した表示光Ｌによって虚像Ｖを表示する。

図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１００は、表示部１０と、凹面鏡２０と、ハウジング３０と、放熱部材４０と、を備える。

ハウジング３０は、遮光性樹脂等で箱状に形成され、表示部１０及び凹面鏡２０を収納する。ハウジング３０には、ウインドシールド２０１（図１参照）に高さ方向に対向する位置に開口部３０ｃが形成されている。ハウジング３０は、開口部３０ｃに嵌め込まれ、表示光Ｌが透過するアクリル等の透光性樹脂からなる湾曲板状に形成される窓部３１を備える。

放熱部材４０は、表示部１０が発する熱を外部に放出する部材である。放熱部材４０は、例えばアルミニウム等の金属等で形成されるフィン型の構造体である。放熱部材４０は、ヘッドアップディスプレイ装置１００の外部に一部が露出するようにハウジング３０の嵌合孔部３２に嵌め込まれている。

表示部１０は、表示光Ｌを出射する。表示部１０の具体的な構成については後述する。
凹面鏡２０は、表示部１０からの表示光Ｌをウインドシールド２０１に向けて反射させる。

次に、表示部１０の具体的な構成について説明する。
図２に示すように、表示部１０は、バックライトユニット１１と、表示パネルユニット１３と、を備える。
バックライトユニット１１は、液晶表示パネル１８を照明する装置である。バックライトユニット１１は、第１～第３のレンズ５１～５３と、複数の光源１９と、基板１６と、第１のケース体１４と、を備える。基板１６及び第１～第３のレンズ５１～５３は、光源１９が発する光の進行方向に沿って並べられる。以下では、この光の進行方向はＺ方向と規定し、基板１６及び第１～第３のレンズ５１～５３におけるＺ方向に直交する長手方向をＸ方向と規定し、短手方向をＹ方向と規定する。

各光源１９は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）からなる。複数（本例では１２個）の光源１９は、基板１６の第１のレンズ５１に対向する面に設けられている。具体的には、Ｙ方向が行方向であって、Ｘ方向が列方向である場合、光源１９は２行×６列のマトリックス状に配置される。
第１のケース体１４は、遮光性樹脂等にてＺ方向に延びる矩形筒状に形成され、基板１６及び第１～第３のレンズ５１～５３を収容する。

図６に示すように、第１～第３のレンズ５１～５３は、光源１９に近い方から第１のレンズ５１、第２のレンズ５２及び第３のレンズ５３の順で配置されている。光源１９からの光は、第１のレンズ５１、第２のレンズ５２及び第３のレンズ５３の順でそれらの厚さ方向に透過する。

図３及び図４に示すように、第１のレンズ５１は、透明光学樹脂又は光学ガラスにより形成されている。第１のレンズ５１は、光源１９から放射された光をＺ方向に平行化する。第１のレンズ５１は、複数の凸レンズ部５１ａを備える。複数の凸レンズ部５１ａは、上述した光源１９と同様に２行×６列のマトリックス状に配置されている。

図３に示すように、第２のレンズ５２は、透明光学樹脂又は光学ガラスにより形成され、第１のレンズ５１を透過した光をＹ方向に拡散する機能を有する。第２のレンズ５２は、例えば、レンチキュラレンズである。詳しくは、第２のレンズ５２は、光が入射する入射面５２ｉと、第２のレンズ５２をその厚さ方向に通過した光が射出する射出面５２ｏと、を備える。

第２のレンズ５２の入射面５２ｉには、複数（本例では１１個）のシリンドリカルレンズ部５２ａが形成されている。第２のレンズ５２の射出面５２ｏには、複数（本例では１１個）のシリンドリカルレンズ部５２ｂが形成されている。各シリンドリカルレンズ部５２ａ，５２ｂは、凸状、例えば半円柱状に形成され、Ｘ方向に沿って延び、Ｙ方向に配列されている。

図７に示すように、第３のレンズ５３は、透明光学樹脂又は光学ガラスにより形成されている。第３のレンズ５３は、光源１９からの第２のレンズ５２を経た光の中心光線が通過するレンズ中心点５３Ｄに対して点対称な光学特性を示す光学面を有する。図４に示すように、第３のレンズ５３は、第２のレンズ５２を透過した光源１９からの光を液晶表示パネル１８に合わせてＸ方向に拡散させる。

詳しくは、図９に示すように、第３のレンズ５３は、レンズ本体部５４と、外枠部５５と、を備える。
外枠部５５は、レンズ本体部５４の外周を囲む枠状をなす。外枠部５５は、入射面５４ｉと同じ高さに位置する。外枠部５５は、Ｘ方向に延びる両辺それぞれに形成される凸状板部５５ｃを備える。凸状板部５５ｃは、Ｘ方向に長い長方形板状をなす。

外枠部５５は、複数のピン通過孔部５５ｂを備える。複数のピン通過孔部５５ｂは、外枠部５５の厚さ方向に貫通する孔を有する。各ピン通過孔部５５ｂには、図示しない位置決めピンが挿通される。この位置決めピンは、第１のケース体１４（図２参照）に設けられる。複数、本例ではピン通過孔部５５ｂは、各凸状板部５５ｃに１つずつ設けられる。また、各ピン通過孔部５５ｂは、第３のレンズ５３のＸ方向の中央に位置する。

図１０に示すように、外枠部５５は、複数のスペーサ５５ａを備える。複数、本例では４つのスペーサ５５ａは、外枠部５５の裏面に形成され、Ｚ方向に沿って延びる柱状をなす。図６に示すように、外枠部５５の裏面は、第２のレンズ５２に対向する面である。複数のスペーサ５５ａは、Ｘ方向においてピン通過孔部５５ｂを挟み込むように位置する。各スペーサ５５ａの先端面が第２のレンズ５２の外周枠部５２ｃに接触することにより第２のレンズ５２と第３のレンズ５３の間の距離が規定される。

図８に示すように、レンズ本体部５４は、光が入射する入射面５４ｉと、第３のレンズ５３の内部をその厚さ方向に通過した光が射出する上記光学面の一例である射出面５４ｏと、を備える。
図７に示すように、射出面５４ｏは、トロイダル領域５４Ｔと、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒと、を備える。
トロイダル領域５４Ｔは、Ｘ方向及びＹ方向に異なる曲率で形成されるトロイダル面を有する。例えば、トロイダル領域５４Ｔは、Ｘ方向に沿って凹状に湾曲しており、Ｙ方向に沿って凸状に湾曲している。トロイダル領域５４ＴにおいてＸ方向において中央部に近づくにつれてＺ方向（第３のレンズ５３の厚さ方向）に低い位置となる。トロイダル領域５４ＴにおいてＹ方向において中央部に近づくにつれてＺ方向に高い位置となる。トロイダル領域５４Ｔの最低位置Ｐ１は、トロイダル領域５４ＴのＸ方向の中心で、かつトロイダル領域５４ＴのＹ方向の両端の位置となる。トロイダル領域５４Ｔの最高位置Ｐ２は、トロイダル領域５４ＴのＹ方向の中心で、かつロイダル領域５４ＴのＸ方向の両端の位置となる。
トロイダル領域５４ＴのＸ方向の曲率は、トロイダル領域５４ＴのＹ方向の曲率よりも大きく形成されている。
図９に示すように、トロイダル領域５４Ｔは、Ｘ方向に長い略長方形で形成され、詳しくは、この略長方形のＹ方向に沿って延びる両辺が外側に湾曲した形状をなす。

フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒは、レンズ本体部５４のＸ方向の両側に位置し、フレネルレンズ形状をなす。フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒは、トロイダル領域５４Ｔを挟み込むように配置されている。フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒは、それぞれトロイダル領域５４Ｔに接する辺が凹状に湾曲した略四角形状をなす。フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒは、Ｙ方向に凸状に湾曲しており、Ｙ方向の中央にて最も高くなる。

図１１に示すように、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒは、それぞれ複数の山部５４Ｙを備える。複数の山部５４ＹはＹ方向に沿って湾曲して延び、Ｘ方向に並べられている。山部５４Ｙの横断面形状は、三角形状、本例では、直角三角形状をなす。山部５４Ｙの光学面は、Ｘ方向に傾斜した第１辺５４１と、山部５４ＹのＸ方向の外側に位置する第２辺５４２と、を備える。第２辺５４２はＺ方向に沿って延びる。

図９に示すように、フレネル領域５４Ｌの各山部５４Ｙは、中心点Ｏ１を中心とした同心円弧上に沿って延びる。フレネル領域５４Ｌの各山部５４Ｙは、中心点Ｏ１を中心とした径方向に一定間隔Ｋ毎（図１１参照）に配置される。一定間隔Ｋは、山部５４Ｙの底辺と同じ長さとなる。中心点Ｏ１は、レンズ中心点５３Ｄよりもフレネル領域５４Ｒに近い位置に設けられ、本例では、フレネル領域５４Ｒ内に位置する。詳しくは、中心点Ｏ１は、フレネル領域５４Ｒ内のＸ方向の中央よりも外側（図９の右側）に位置する。

フレネル領域５４Ｒの山部５４Ｙは、中心点Ｏ２を中心とした同心円弧上に沿って延びる。フレネル領域５４Ｒの各山部５４Ｙは、中心点Ｏ２を中心とした径方向に一定間隔Ｋ毎に配置される。中心点Ｏ２は、レンズ中心点５３Ｄよりもフレネル領域５４Ｌに近い位置に設けられ、本例では、フレネル領域５４Ｌ内に位置する。詳しくは、中心点Ｏ２は、フレネル領域５４Ｌ内のＸ方向の中央よりも外側（図９の左側）に位置する。
レンズ中心点５３Ｄは、Ｘ方向に中心点Ｏ１，Ｏ２と並ぶように位置する。

図５に示すように、入射面５４ｉは、レンチキュラ領域５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃを備える。
各レンチキュラ領域５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃは、複数のシリンドリカルレンズ部５４Ｓを備える。複数のシリンドリカルレンズ部５４Ｓは、それぞれＹ方向に沿って延びる半円柱状に形成され、Ｘ方向に配列されている。
レンチキュラ領域５４Ａは、第３のレンズ５３の表裏においてフレネル領域５４Ｌに対応する領域に形成される。レンチキュラ領域５４Ｂは、第３のレンズ５３の表裏においてフレネル領域５４Ｒに対応する領域に形成される。レンチキュラ領域５４Ｃは、第３のレンズ５３の表裏においてトロイダル領域５４Ｔに対応する領域に形成される。
レンチキュラ領域５４Ａ，５４Ｂは、Ｘ方向においてレンチキュラ領域５４Ｃを挟み込むように位置する。レンチキュラ領域５４Ｃの各シリンドリカルレンズ部５４Ｓの曲率は、レンチキュラ領域５４Ａ，５４Ｂの各シリンドリカルレンズ部５４Ｓの曲率よりも大きく設定されている。複数のシリンドリカルレンズ部５４Ｓのピッチは、各レンチキュラ領域５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃで同じに設定される。
図９に示すように、レンチキュラ領域５４Ａ，５４Ｂとレンチキュラ領域５４Ｃの境界線ＢＬ１は、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒとトロイダル領域５４Ｔの境界線ＢＬ２のうちＹ方向の中央部を通過する。なお、本例に限らず、境界線ＢＬ１は、境界線ＢＬ２のＹ方向の端部を通過してもよい。

図２に示すように、表示パネルユニット１３は、液晶表示パネル１８と、光拡散部材１７と、第２のケース体１５と、を備える。
第２のケース体１５は、光拡散部材１７及び液晶表示パネル１８を外周から保持する枠状をなし、ハウジング３０内に固定されている。
光拡散部材１７は、液晶表示パネル１８の第３のレンズ５３に対向する側に設けられている。光拡散部材１７は、第３のレンズ５３からの光を拡散して液晶表示パネル１８に出射する。

液晶表示パネル１８は、バックライトユニット１１からの照明光を受けて画像を表す表示光Ｌを凹面鏡２０に向けて射出する。液晶表示パネル１８は、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）型の液晶パネルである。
以上で、ヘッドアップディスプレイ装置１００の構成の説明を終了する。

次に、本実施形態に係る第３のレンズ５３の構成に想到するまでの経緯について説明する。
図１２に示すように、第１比較例に係る第３のレンズ１５３の光出射面１５３ｏは全域にわたってトロイダル面形状をなす。このため、第１比較例に係る第３のレンズ１５３が厚くなるという課題があった。特に、昨今、ヘッドアップディスプレイ装置では、表示光を出射する表示部をコンパクトにしつつ、虚像のサイズを大きくすることやアイボックス（虚像を視認できる空間）を大きくすることが要求されている。よって、第３のレンズ１５３を透過する光の拡散角度θを大きくするために、光出射面１５３ｏの曲率を大きくする必要があり、これにより、第３のレンズ１５３が厚くなるという課題がより顕著になっていた。
この課題を解決するために、図１３に示すように、第２比較例に係る第３のレンズ２５３の光出射面２５３ｏの外側をフレネル領域５４Ｌ，５４Ｒで形成することにより、第３のレンズ２５３の薄型化を図った。
第１比較例に係る第３のレンズ１５３の構成では、Ｘ方向の最外側の光線Ｌｚが液晶表示パネル１８を通過する。このため、図１４に示すように、視認者がアイボックスの中央から視認したときの虚像の輝度のバラツキは小さい。
一方、第２比較例に係る第３のレンズ２５３の構成では、薄型化を図った結果、光出射面２５３ｏが液晶表示パネル１８から遠ざかる。このため、最外側の光線Ｌｚが液晶表示パネル１８を超えた範囲を通過するおそれがある。このため、図１５に示すように、視認者がアイボックスの中央から視認したときの虚像の左右方向の外側の端部Ｅ１，Ｅ２の輝度が低くなり、虚像の輝度のバラツキが大きくなる。
この課題を解決するために、本実施形態では、図５に示すように、レンチキュラ領域５４Ａ，５４Ｂの各シリンドリカルレンズ部５４Ｓの曲率は、レンチキュラ領域５４Ｃの各シリンドリカルレンズ部５４Ｓの曲率よりも小さく設定されている。この構成では、最外側の光線Ｌｚの拡散角度θ（屈折量）を小さくすることができ、光線Ｌｚを液晶表示パネル１８に通過させることができる。本実施形態における虚像の輝度が図１７に示され、各シリンドリカルレンズ部の全ての曲率が同一である第３比較例の輝度が図１６に示される。図１６と図１７を比較すると、図１７に示す本実施形態の虚像の左右方向の外側の端部Ｅ１，Ｅ２の輝度を、図１６に示す第３比較例の虚像の左右方向の外側の端部Ｅ１，Ｅ２の輝度よりも高くすることができる。よって、本実施形態では、第３比較例に比べて、虚像の輝度のバラツキを小さくすることができる。

次に、本実施形態に係るフレネル領域５４Ｌ，５４Ｒの構成に想到するまでの経緯について説明する。
図１８及び図１９に示すように、第４比較例において、トロイダルレンズの理想的な光学面１９０は、Ｘ方向及びＹ方向で異なる曲率を持ち、楕円形の等高線Ｌａとなる曲面を有する。光学面１９０において、図２０に示すように、レンズ中心点１９０Ｃを中心に同心円上にフレネルの山部１９４を形成したとする。この場合には、各山部１９４における高低差が大きくなりやすい。例えば、図２０の矢印Ｊ１で示すように、山部１９４ａは、最高位置ＰＨから２つの等高線Ｌａを跨ぐ位置まで低くなっている。
そこで、本実施形態では、図９に示すように、フレネル領域５４Ｌの各山部５４Ｙとフレネル領域５４Ｒの各山部５４Ｙとで、中心点Ｏ１，Ｏ２をＸ方向にずらしている。これにより、図２１に示すように、各山部５４Ｙが等高線Ｌａに沿うため、各山部５４Ｙの高低差を小さくすることができる。これにより、各山部５４Ｙの曲率が小さくなり、図９に示すように、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒの端面幅Ｗを小さくすることができる。端面幅Ｗは、トロイダル領域５４Ｔに最も近い山部５４ＹのＸ方向の振幅である。よって、端面幅Ｗを小さくすることにより、山部５４Ｙが複数の等高線を跨ぐように形成されることが抑制され、各山部５４Ｙの高低差を小さくすることができる。また、これにより、図９に示すように、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒのトロイダル領域５４Ｔに近い角部の角度αを小さくすることができる。

次に、第３のレンズ５３の製造方法について説明する。図２２に示すように、金型３００により第３のレンズ５３が製造される。
金型３００は、第１型の一例である下型３０１と、第２型の一例である上型３０２と、を備える。
下型３０１は、金型３００のキャビティ３０８内に形成された第３のレンズ５３の入射面５４ｉに対向する位置に設けられる。上型３０２は、金型３００のキャビティ３０８内に形成された第３のレンズ５３の射出面５４ｏに対向する位置に設けられる。
上型３０２は、下型３０１に対して接近又は離間するように移動可能に構成される。
上型３０２は、ＸＹ方向に分割された第１～第３の分割部材３０３～３０５を備える。
第１の分割部材３０３は、第３のレンズ５３のフレネル領域５４Ｌを形成するための部材である。第２の分割部材３０４は、第３のレンズ５３のフレネル領域５４Ｒを形成するための部材である。第３の分割部材３０５は、第３のレンズ５３のトロイダル領域５４Ｔを形成するための部材である。

図２３に示すように、第３の分割部材３０５と第１及び第２の分割部材３０３，３０４の境界線Ｌｂは、トロイダル領域５４Ｔとフレネル領域５４Ｌ，５４Ｒの境界付近を通過するように湾曲する。
第３の分割部材３０５と第１及び第２の分割部材３０３，３０４の境界線Ｌｂに沿って第３のレンズ５３にはパーティングライン５４Ｐが形成される。パーティングライン５４Ｐは、第３の分割部材３０５と第１及び第２の分割部材３０３，３０４の分割により射出成形された第３のレンズ５３に形成される線状の凸部をいう。

例えば、図１１に示すように、パーティングライン５４Ｐは、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒそれぞれの最もトロイダル領域５４Ｔに近い位置の山部５４Ｙ１の頂点に位置する。山部５４Ｙ１の傾斜面はトロイダル領域５４Ｔの一部を構成する。パーティングライン５４Ｐは山部５４Ｙ１の頂点に沿って延びる。

（効果）
以上、説明した一実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１－１）光源１９からの光を表示パネルの一例である液晶表示パネル１８に向けて拡散するレンズの一例である第３のレンズ５３は、第３のレンズ５３の面方向に沿い、かつ互いに交わる第１方向の一例であるＸ方向及び第２方向の一例であるＹ方向においてそれぞれ湾曲するトロイダル面を有するトロイダル領域５４Ｔと、トロイダル領域５４ＴのＸ方向の両側に形成され、フレネルレンズ形状を有するフレネル領域５４Ｌ，５４Ｒと、を備える。
この構成によれば、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒをトロイダル領域５４Ｔの両側に形成することにより、第３のレンズ５３の光の拡散角度を維持しつつ薄型化を図ることができる。

（１－２）第３のレンズ５３は、第３のレンズ５３のトロイダル領域５４Ｔ及びフレネル領域５４Ｌ，５４Ｒが形成されている面の裏面に形成され、Ｙ方向に沿って延び、Ｘ方向に並べられる複数のシリンドリカルレンズ部５４Ｓを備える。複数のシリンドリカルレンズ部５４Ｓのうちトロイダル領域５４Ｔに対応するシリンドリカルレンズ部５４Ｓの曲率は、複数のシリンドリカルレンズ部５４Ｓのうちフレネル領域５４Ｌ，５４Ｒに対応するシリンドリカルレンズ部５４Ｓの曲率よりも大きく形成される。
この構成によれば、各シリンドリカルレンズ部５４Ｓの全ての曲率が同一である構成と比べて、最外側の光線Ｌｚ（図５参照）の拡散角度θを液晶表示パネル１８のサイズに合うように維持することができ、光線Ｌｚが液晶表示パネル１８を超えることが抑制され、光源１９からの光が無駄となることが抑制される。

（１－３）ヘッドアップディスプレイ装置１００は、第３のレンズ５３と、光源１９と、第３のレンズ５３を透過した光源１９からの光を受けて表示光Ｌを生成する液晶表示パネル１８と、を備える。
この構成によれば、第３のレンズ５３の薄型化を通じてヘッドアップディスプレイ装置１００の小型化を図ることができる。また、第３のレンズ５３が薄くても第３のレンズ５３を透過した光の拡散角度θが維持されるため、表示光Ｌが被投射部材の一例であるウインドシールド２０１に投射されることにより表示される虚像Ｖのサイズを維持することができる。

（２－１）第３のレンズ５３は、光源１９からの光の中心光線が通過するレンズ中心点５３Ｄに対して点対称な光学特性を示す光学面の一例である射出面５４ｏを有する。射出面５４ｏは、レンズ中心点５３Ｄを含む範囲に形成され、レンズ中心点５３Ｄを中心に湾曲する非フレネル領域の一例であるトロイダル領域５４Ｔと、トロイダル領域５４Ｔを挟んで位置し、フレネルレンズ形状をなす第１及び第２のフレネル領域の一例であるフレネル領域５４Ｌ，５４Ｒと、を有する。フレネル領域５４Ｌは、レンズ中心点５３Ｄよりもフレネル領域５４Ｒ側に位置する第１中心点の一例である中心点Ｏ１を中心とした同心円弧に沿い、中心点Ｏ１から一定間隔Ｋ毎に配置される複数の第１の山部の一例である山部５４Ｙを有する。フレネル領域５４Ｒは、レンズ中心点５３Ｄよりもフレネル領域５４Ｌ側に位置する第２中心点の一例である中心点Ｏ２を中心とした同心円弧に沿い、中心点Ｏ２から一定間隔Ｋ毎に配置される複数の第２の山部の一例である山部５４Ｙを有する。
この構成によれば、上記（１－１）に記載したように、第３のレンズ５３の薄型化を図ることができる。また、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒの端面幅Ｗ（図９参照）を小さくすることができる。これにより、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒの各山部５４Ｙの高低差を小さくすることができる。ここで、第３のレンズ５３は、金型３００により製造される。このため、山部５４Ｙの高低差が小さいと、金型３００、ひいては第３のレンズ５３の製造が容易となる。

（２－２）トロイダル領域５４Ｔは、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒが並ぶＸ方向及びＸ方向に交わるＹ方向に沿ってそれぞれ異なる曲率で湾曲する。トロイダル領域５４Ｔは、Ｙ方向よりもＸ方向に、長くかつ曲率が大きく形成される。
この構成によれば、フレネル領域５４Ｌ，５４ＲがＸ方向にトロイダル領域５４Ｔを挟み込むように位置するため、フレネル領域５４Ｌ，５４ＲがＹ方向にトロイダル領域５４Ｔを挟み込むように位置する構成に比べて、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒの各山部５４Ｙの高低差を小さくすることができる。

（２－３）中心点Ｏ１は、フレネル領域５４Ｒ内に位置する。中心点Ｏ２は、フレネル領域５４Ｌ内に位置する。
この構成によれば、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒの端面幅Ｗ、ひいてはフレネル領域５４Ｌ，５４Ｒの各山部５４Ｙの高低差を小さくすることができる。

（３－１）第３のレンズ５３は、光源１９からの光の中心光線が通過するレンズ中心点５３Ｄを含み、曲面形状を有する非フレネル領域の一例であるトロイダル領域５４Ｔと、トロイダル領域５４Ｔを挟んで位置するフレネル領域５４Ｌ，５４Ｒと、トロイダル領域５４Ｔとフレネル領域５４Ｌ，５４Ｒの間に形成されるパーティングライン５４Ｐと、を備える。
この構成によれば、パーティングライン５４Ｐがトロイダル領域５４Ｔとフレネル領域５４Ｌ，５４Ｒを横断することが抑制される。このため、第３のレンズ５３を透過する光強度のバラツキを抑制することができる。特に、第３のレンズ５３をヘッドアップディスプレイ装置１００に適用した場合には、虚像Ｖの表示品位を高めることができる。

（３－２）フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒ及びトロイダル領域５４Ｔは、第１方向の一例であるＸ方向に並べられる。フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒは、それぞれＸ方向に並べられ、Ｙ方向に湾曲して延びる複数の山部５４Ｙを有する。パーティングライン５４Ｐは、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒそれぞれの最もトロイダル領域５４Ｔに近い位置の山部５４Ｙの頂点に位置する。
この構成によれば、パーティングライン５４Ｐを山部５４Ｙの頂点に形成することにより、山部５４Ｙの頂点をより鋭くすることができる。これにより、第３のレンズ５３を透過する光強度のバラツキを抑制することができる。

（３－３）第３のレンズ５３を製造するための金型３００は、第３のレンズ５３のフレネル領域５４Ｌ，５４Ｒを形成するための第１及び第２の分割部材３０３，３０４と、トロイダル領域５４Ｔを形成するための第３の分割部材３０５と、を備える。
この構成によれば、金型３００を第１～第３の分割部材３０３～３０５に分割することにより、パーティングライン５４Ｐをトロイダル領域５４Ｔとフレネル領域５４Ｌ，５４Ｒの間に形成することができる。

なお、本開示は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本開示の要旨を変更しない範囲で、適宜、変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。以下に、変形の一例を説明する。

（変形例）
上記実施形態においては、レンチキュラ領域５４Ａ，５４Ｂの各シリンドリカルレンズ部５４Ｓの曲率はそれぞれ同一であり、レンチキュラ領域５４Ｃの各シリンドリカルレンズ部５４Ｓの曲率はそれぞれ同一であった。しかしながら、レンチキュラ領域５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃの各シリンドリカルレンズ部５４Ｓの曲率はＸ方向において中央部から外側に向かうにつれて徐々に小さくなるように形成されてもよい。この場合には、Ｘ方向の最も外側に位置するシリンドリカルレンズ部５４Ｓの曲率が最も小さくなる。この構成によれば、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒは、それぞれ外側に向かうほど、光線Ｌｚの拡散角度θが大きくなり、光線Ｌｚが液晶表示パネル１８から外れやすいため、シリンドリカルレンズ部５４Ｓの曲率を徐変させることにより、効率的に照明光を液晶表示パネル１８へ照射することができる。

上記実施形態においては、トロイダル領域５４Ｔは、Ｘ方向に沿って凹状に湾曲しており、Ｙ方向に沿って凸状に湾曲していたが、これに限らず、Ｘ方向及びＹ方向の両方向に凹状に湾曲していてもよいし、Ｘ方向及びＹ方向の両方向に凸状に湾曲していてもよい。また、トロイダル領域５４Ｔは、Ｘ方向に沿って凸状に湾曲しており、Ｙ方向に沿って凹状に湾曲していてもよい。

上記実施形態においては、中心点Ｏ１は、フレネル領域５４Ｒ内に位置し、中心点Ｏ２は、フレネル領域５４Ｌ内に位置していたが、これに限らない。例えば、中心点Ｏ１，Ｏ２は、トロイダル領域５４Ｔ内に位置していてもよいし、Ｘ方向に第３のレンズ５３から外れて位置していてもよい。
また、中心点Ｏ１，Ｏ２は、Ｙ方向においてレンズ中心点５３Ｄからずれた位置に設けられていてもよい。
また、第３のレンズ５３は表裏反対に設けられていてもよい。

上記実施形態においては、トロイダル領域５４Ｔは、Ｙ方向よりもＸ方向に、長くかつ曲率が大きく形成されていたが、これに限らず、Ｘ方向よりもＹ方向に長く形成されていてもよいし、Ｘ方向よりもＹ方向に曲率が大きく形成されていてもよい。
さらに、トロイダル領域５４Ｔは、Ｘ方向とＹ方向において互いに同じ長さで形成されてもよいし、Ｘ方向とＹ方向において互いに同じ曲率で形成されていてもよい。

上記実施形態においては、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒは、Ｘ方向においてトロイダル領域５４Ｔを挟み込むように配置されていたが、これに限らず、Ｙ方向においてトロイダル領域５４Ｔを挟み込むように配置されてもよい。また、フレネル領域５４Ｌ，５４Ｒは、Ｘ方向及びＹ方向の両方向からトロイダル領域５４Ｔを挟み込むように配置されてもよい。

上記実施形態では、第１～第３のレンズ５１～５３は長方形板状で形成されていたが、これに限らず、例えば、正方形、円、楕円又は多角形の板状で形成されてもよい。
上記実施形態において、ヘッドアップディスプレイ装置１００は、表示部１０からの表示光Ｌを凹面鏡２０に向けて反射する平面鏡又は凹面鏡を備えていてもよい。

上記実施形態では、光学面１９０の等高線Ｌａが光学面１９０の短手方向に細長い形状を示していた。しかし、等高線Ｌａは図示されるほどの細長さではなく、より円に近い形状であってもよい。この場合、第３のレンズの最高位置は、図２０に示されるように光学面１９０の短手方向中央付近には現れず、長辺上（第２方向に位置する端面付近）に現れる場合もある。逆に、等高線Ｌａは、より細長い楕円形状を示してもよい。

上記実施形態では、ヘッドアップディスプレイ装置１００は車両２００に搭載されていたが、車両２００に限らず、飛行機、船等のその他の乗り物に搭載されてもよい。表示光Ｌが投射される被投射部材はウインドシールド２０１に限らず、専用のコンバイナであってもよい。

１０ 表示部
１１ バックライトユニット
１３ 表示パネルユニット
１４ 第１のケース体
１５ 第２のケース体
１６ 基板
１７ 光拡散部材
１８ 液晶表示パネル
１９ 光源
２０ 凹面鏡
３０ ハウジング
３０ｃ 開口部
３１ 窓部
３２ 嵌合孔部
４０ 放熱部材
５１～５３ 第１～第３のレンズ
５１ａ 凸レンズ部
５２ａ，５２ｂ，５４Ｓ シリンドリカルレンズ部
５２ｃ 外周枠部
５２ｉ，５４ｉ 入射面
５２ｏ，５４ｏ 射出面
５３，１５３，２５３ 第３のレンズ
５３Ｄ，１９０Ｃ レンズ中心点
１５３ｏ，２５３ｏ 光出射面
５４ レンズ本体部
５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃ レンチキュラ領域
５４Ｌ，５４Ｒ フレネル領域
５４Ｐ パーティングライン
５４Ｔ トロイダル領域
５４Ｙ，５４Ｙ１，１９４，１９４ａ 山部
５４１ 第１辺
５４２ 第２辺
５５ 外枠部
５５ａ スペーサ
５５ｂ ピン通過孔部
５５ｃ 凸状板部
１００ ヘッドアップディスプレイ装置
１９０ 光学面
２００ 車両
２０１ ウインドシールド
３００ 金型
３０１ 下型
３０２ 上型
３０３～３０５ 第１～第３の分割部材
３０８ キャビティ
θ 拡散角度
Ｋ 一定間隔
Ｌ 表示光
Ｏ１，Ｏ２ 中心点
Ｐ１ 最低位置
Ｐ２，ＰＨ 最高位置
Ｅ１，Ｅ２ 端部
Ｖ 虚像
Ｗ 端面幅
Ｌａ 等高線
ＢＬ１，ＢＬ２，Ｌｂ 境界線
Ｌｚ 光線

Claims (4)

1. 光源からの光を表示パネルに向けて拡散するレンズであって、
   前記レンズの面方向に沿い、かつ互いに交わる第１方向及び第２方向においてそれぞれ湾曲するトロイダル面を有するトロイダル領域と、
   前記トロイダル領域の前記第１方向の両側に形成され、フレネルレンズ形状を有するフレネル領域と、を備える、
   レンズ。
2. 前記レンズの前記トロイダル領域及び前記フレネル領域が形成されている面の裏面に形成され、前記第２方向に沿って延び、前記第１方向に並べられる複数のシリンドリカルレンズ部を備え、
   前記複数のシリンドリカルレンズ部のうち前記トロイダル領域に対応する前記シリンドリカルレンズ部の曲率は、前記複数のシリンドリカルレンズ部のうち前記フレネル領域に対応する前記シリンドリカルレンズ部の曲率よりも大きく形成される、
   請求項１に記載のレンズ。
3. 前記複数のシリンドリカルレンズ部の曲率は、前記第１方向において前記レンズの中央から外側に向かうにつれて徐々に小さく形成される、
   請求項２に記載のレンズ。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載のレンズと、
   前記光源と、
   前記レンズを透過した前記光源からの光を受けて表示光を生成する前記表示パネルと、を備える、
   ヘッドアップディスプレイ装置。

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