JP6363576B2

JP6363576B2 - ヘッドアップディスプレイ装置

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Publication number: JP6363576B2
Application number: JP2015191343A
Authority: JP
Inventors: 恵介原田
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Current assignee: Fujifilm Corp
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Filing date: 2015-09-29
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Description

本発明は、自動車等の移動体用のヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。

従来より、自動車等の運転者に対して方向指示や注意喚起、走行速度等の情報を表示する装置として、ヘッドアップディスプレイ装置が知られている。ヘッドアップディスプレイ装置は、表示する画像の虚像をフロントウィンドウやコンバイナ等の画像反射面に映し出して、運転者が視界から目をそらすことなく自動車等の運転に必要な情報を認識することができるようにするためのものである。このようなヘッドアップディスプレイ装置として、特許文献１、２が提案されている。

特開平４−２４７４８９号公報特開２００７−２７２０６１号公報

このようなヘッドアップディスプレイ装置は、自動車等の移動体の運転席周りの限られた空間に設置しなければならないため、小型であることが要求される。

また、安全性や運転者の眼の疲労防止のために、ヘッドアップディスプレイ装置の表示情報を確認する際の運転者の視線の移動を少なくするためには、虚像の焦点位置が運転者からなるべく遠くにあることが好ましく、そのような構成とするためにはヘッドアップディスプレイ装置内の画像表示素子から画像反射面までの光路長を長くとる必要があるが、これは装置の小型化の要求とは相反するものである。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、画像表示素子から画像反射面までの光路長を確保しつつ小型化を達成した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ものである。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、観察者と対向する画像反射面において画像表示素子からの表示光を観察者側に反射させる反射光学系を備え、画像反射面越しに画像表示素子に表示された画像を虚像として拡大表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、反射光学系は、画像表示素子から射出された光線に沿って、画像表示素子側から順に連続して、第ｌミラー、第ｍミラー、第ｎミラーの少なくとも３枚以上のミラーを有し、第ｎミラーはパワーを有し全てのミラーの中で最も画像反射面側に配され、画像表示素子から射出された光線は、第ｌミラー、第ｍミラー、第ｎミラーの順に反射し、第ｎミラーから射出された光線は、第ｌミラーと第ｍミラーとの間を通り抜けて画像反射面へ到達し、下記条件式（１）〜（６）を満足することを特徴とする。
０．１８＜ β×Ｈ１／αｍ＜０．３３ …（１）
３．５０＜ αｍ／（αｎ×ｓｉｎθｎ）＜５．００ …（２）
１．００＜ αｍ／（Ｌ^２−（αｎ×ｃｏｓθｎ）^２）^１／２＜２．００ …（３）
π／３６＜ θｎ＜ π／９ …（４）
−π／１５＜（π／２）−（２×θｍ＋θｎ）＜ π／１５ …（５）
−π／１５＜（π／２）−（θｌ＋θｍ＋θｎ）＜ π／１５ …（６）

ただし、画像表示素子の中心位置から画像表示素子の表示面に垂直な方向に射出される光線を中心光線とし、中心光線と第ｌミラーとの交点をＰｌ、中心光線と第ｍミラーとの交点をＰｍ、中心光線と第ｎミラーとの交点をＰｎとし、交点Ｐｌ、交点Ｐｍ、交点Ｐｎを含む平面をＵとしたとき、
β：第ｎミラーの近軸倍率
Ｈ１：平面Ｕにおける画像表示素子の表示領域の中心から端までの距離
αｍ：交点Ｐｌから交点Ｐｍまでの距離
αｎ：交点Ｐｍから交点Ｐｎまでの距離
θｌ：交点Ｐｌにおける中心光線の入射角度もしくは反射角度
θｍ：交点Ｐｍにおける中心光線の入射角度もしくは反射角度
θｎ：交点Ｐｎにおける中心光線の入射角度もしくは反射角度
Ｌ：交点Ｐｌから交点Ｐｎまでの距離

ここで、第ｎミラーの近軸倍率βは、Ａｎを画像表示素子の中心位置から交点Ｐｎまでの中心光路長としたとき、下記式で表される。
β＝｜Ｂ／（−Ａｎ）｜
上記式において「Ｂ」は、Ｒを第ｎミラーの近軸曲率半径（凸面を正符号、凹面を負符号）としたとき、下記式から導かれる像距離である。
（１／（−Ａｎ））＋（１／Ｂ）＝（２／Ｒ）

なお、条件式（１）〜（６）を満足した上で、さらに下記条件式（１−１）〜（６−１）のいずれか１つあるいは複数の組合せを満足することが好ましく、下記条件式（１−２）〜（６−２）のいずれか１つあるいは複数の組合せを満足すればより好ましい。
０．２１＜ β×Ｈ１／αｍ＜０．３２ …（１−１）
０．２２＜ β×Ｈ１／αｍ＜０．３０ …（１−２）
３．８０＜ αｍ／（αｎ×ｓｉｎθｎ）＜４．５０ …（２−１）
３．９０＜ αｍ／（αｎ×ｓｉｎθｎ）＜４．３０ …（２−２）
１．２０＜ αｍ／（Ｌ^２−（αｎ×ｃｏｓθｎ）^２）^１／２＜１．８０ …（３−１）
１．２５＜ αｍ／（Ｌ^２−（αｎ×ｃｏｓθｎ）^２）^１／２＜１．７０ …（３−２）
π／２２＜ θｎ＜ π／１０ …（４−１）
π／２０＜ θｎ＜ π／１１ …（４−２）
−π／１８＜（π／２）−（２×θｍ＋θｎ）＜ π／１８ …（５−１）
−π／２２＜（π／２）−（２×θｍ＋θｎ）＜ π／２２ …（５−２）
−π／１８＜（π／２）−（θｌ＋θｍ＋θｎ）＜ π／１８ …（６−１）
−π／２２＜（π／２）−（θｌ＋θｍ＋θｎ）＜ π／２２ …（６−２）

本発明のヘッドアップディスプレイ装置においては、画像表示素子から射出された光線を拡散投影させるための拡散部材を有し、画像表示素子から射出された光線が拡散部材を介して画像反射面に投影されるヘッドアップディスプレイ装置であって、画像表示素子から射出された光線は、画像表示素子から射出された光線に沿って画像表示素子から第ｎミラーまでの間において隣接した２枚のミラーの間を通り抜け、下記条件式（７）を満足するように構成してもよい。この場合、下記条件式（７−１）さらには下記条件式（７−２）を満足することがより好ましい。
０．２０＜２×Ｈ２／ατ ＜０．４０ …（７）
０．２２＜２×Ｈ２／ατ ＜０．３８ …（７−１）
０．２４＜２×Ｈ２／ατ ＜０．３６ …（７−２）
ただし、隣接した２枚のミラーを、画像表示素子側から順に第σミラー、第τミラーとし、中心光線と第σミラーとの交点をＰσ、中心光線と第τミラーとの交点をＰτとしたとき、
Ｈ２：平面Ｕにおける拡散部材の表示領域の中心から端までの距離
ατ：交点Ｐσから交点Ｐτまでの距離

ここで、図１０に条件式（１）の各記号が示す内容を表示した説明図、図１１に条件式（２）の各記号が示す内容を表示した説明図、図１２に条件式（３）の各記号が示す内容を表示した説明図、図１３に条件式（４）の各記号が示す内容を表示した説明図、図１４に条件式（５）の各記号が示す内容を表示した説明図、図１５に条件式（６）の各記号が示す内容を表示した説明図、図１６に条件式（７）の各記号が示す内容を表示した説明図を示す。

図１０〜図１６では、画像表示素子Ｄの中心Ｏから射出された光線が、第ｌミラーＭｌ、第ｍミラーＭｍ、第ｎミラーＭｎの順に反射し、第ｎミラーＭｎから射出された光線が、第ｌミラーＭｌと第ｍミラーＭｍとの間を通り抜けて不図示の画像反射面へ到達する状態を示している。ただし、図１６は投射光学系Ｓに含まれる画像表示素子から射出された光線を一旦ディフューザー等の拡散部材Ｅに投影させる態様を示している。

なお、上記各条件式において、Ｈ、αｍ、αｎ、Ｌ、ατの単位はｍｍとし、θｌ、θｍ、θｎの単位はｒａｄ（ラジアン）とする。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、画像表示素子から射出された光線の光路を少なくとも３枚のミラーで折り曲げるとともに、この３枚のミラーの配置位置や配置角度について、下記条件式（１）〜（６）を満足するように構成したので、画像表示素子から画像反射面までの光路長を確保しつつ小型化を達成したヘッドアップディスプレイ装置とすることができる。
０．１８＜ β×Ｈ１／αｍ＜０．３３ …（１）
３．５０＜ αｍ／（αｎ×ｓｉｎθｎ）＜５．００ …（２）
１．００＜ αｍ／（Ｌ^２−（αｎ×ｃｏｓθｎ）^２）^１／２＜２．００ …（３）
π／３６＜ θｎ＜ π／９ …（４）
−π／１５＜（π／２）−（２×θｍ＋θｎ）＜ π／１５ …（５）
−π／１５＜（π／２）−（θｌ＋θｍ＋θｎ）＜ π／１５ …（６）

本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の運転席の模式図本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系の概略構成図（実施例１と共通）本発明の実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系の別態様の概略構成図本発明の実施例２のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系の概略構成図本発明の実施例２のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系の別態様の概略構成図本発明の実施例３のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系の概略構成図本発明の実施例３のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系の別態様の概略構成図本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の投射光学系の概略構成図条件式（１）の各記号が示す内容を表示した説明図条件式（２）の各記号が示す内容を表示した説明図条件式（３）の各記号が示す内容を表示した説明図条件式（４）の各記号が示す内容を表示した説明図条件式（５）の各記号が示す内容を表示した説明図条件式（６）の各記号が示す内容を表示した説明図条件式（７）の各記号が示す内容を表示した説明図本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の各構成要素の配置態様を示す説明図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の運転席の模式図、図２はこのヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０は、自動車１１のダッシュボード１２内に配置され、装置内から射出した走行速度等の情報を示す画像をフロントウィンドウ（画像反射面）１３で反射させ、運転者（観察者）１４のフロントウィンドウ１３越し前方に虚像Ｖとして拡大表示するものである。

図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、筐体２０の内部に画像表示素子２１からの表示光を運転者１４側に反射させる反射光学系３０を備えている。なお、筐体２０には、画像表示素子２１からの表示光をフロントウィンドウ１３へ通過させるための開口２０ａが設けられている。ダッシュボード１２についても同様に、画像表示素子２１からの表示光をフロントウィンドウ１３へ通過させるための開口１２ａが設けられている。

反射光学系３０は、画像表示素子２１から射出された光線に沿って、画像表示素子２１側から順に連続して、第ｌミラー、第ｍミラー、第ｎミラーの少なくとも３枚以上のミラーを有し、第ｎミラーはパワーを有し全てのミラーの中で最もフロントウィンドウ（画像反射面）１３側に配され、画像表示素子２１から射出された光線は、第ｌミラー、第ｍミラー、第ｎミラーの順に反射し、第ｎミラーから射出された光線は、第ｌミラーと第ｍミラーとの間を通り抜けて画像反射面へ到達するように構成されている。

また、第ｌミラー、第ｍミラー、第ｎミラーの３枚のミラーの配置位置や配置角度について、下記条件式（１）〜（６）を満足するように構成されている。
０．１８＜ β×Ｈ１／αｍ＜０．３３ …（１）
３．５０＜ αｍ／（αｎ×ｓｉｎθｎ）＜５．００ …（２）
１．００＜ αｍ／（Ｌ^２−（αｎ×ｃｏｓθｎ）^２）^１／２＜２．００ …（３）
π／３６＜ θｎ＜ π／９ …（４）
−π／１５＜（π／２）−（２×θｍ＋θｎ）＜ π／１５ …（５）
−π／１５＜（π／２）−（θｌ＋θｍ＋θｎ）＜ π／１５ …（６）

ここで、条件式（１）について詳細に説明を行う。図１０は条件式（１）の各記号が示す内容を表示した説明図である。条件式（１）は、第ｌミラーＭｌと第ｍミラーＭｍの間隔と虚像の高さの比率範囲を定めたものであり、具体的には、第ｎミラーＭｎから射出された光線について、第ｌミラーＭｌと第ｍミラーＭｍで反射されて通る光線に重なって通りながら第ｌミラーＭｌと第ｍミラーＭｍの間を通り抜ける際、第ｌミラーＭｌと第ｍミラーＭｍで光線が遮られることなく、かつ虚像の高さに対応した射出光束径に合わせて第ｌミラーＭｌと第ｍミラーＭｍの間隔を決めるためのものである。

この条件式（１）の下限以下とならないようにすることで、虚像の高さに対応した射出光束径に対して第ｌミラーＭｌと第ｍミラーＭｍの間隔が大きくなり過ぎるのを抑えることができるため、上記射出光束径が極力大きい状態のまま、第ｌミラーＭｌと第ｍミラーＭｍの間隔と射出光束径との差分に相当する余裕量を極力小さく取ることができる。従って、ダッシュボード１２および筐体２０に設ける開口１２ａおよび２０ａの大きさを極力小さくすることができるため、筐体２０内への外光の入射や、埃や煙草のヤニ等の侵入を抑えることができる。

また、条件式（１）の上限以上とならないようにすることで、虚像の高さに対応した射出光束径に対して第ｌミラーＭｌと第ｍミラーＭｍの間隔が小さくなり過ぎるのを抑えることができるため、第ｎミラーＭｎから射出された光線が第ｌミラーＭｌや第ｍミラーＭｍで遮られるのを防ぐことができる。

次に、条件式（２）について詳細に説明を行う。図１１は条件式（２）の各記号が示す内容を表示した説明図、図１７は本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の各構成要素の配置態様を示す説明図である。条件式（２）は、第ｍミラーＭｍと第ｎミラーＭｎの間隔を定めたものである。この条件式（２）を満足することで、第ｎミラーＭｎから射出された光線について、第ｌミラーＭｌと第ｍミラーＭｍの間の中心付近を通る光路を形成することができる。これにより、第ｎミラーＭｎで反射後の中心光路をベクトルＶｎとしたとき、反射光学系のミラー配置領域におけるベクトルＶｎに対して垂直な方向の長さ（図１７中Ｓ２表示）を抑えることができるため、装置の小型化を図ることができる。

なお、この条件式（２）の下限以下とならないようにすることで、第ｎミラーＭｎから射出された光線が第ｌミラーＭｌと第ｍミラーＭｍの間を通り抜ける際に第ｌミラーＭｌ側に寄り過ぎないようにできるため、この光線が第ｌミラーＭｌで遮られるのを防ぐことができる。また、条件式（２）の上限以上とならないようにすることで、第ｎミラーＭｎから射出された光線が第ｌミラーＭｌと第ｍミラーＭｍの間を通り抜ける際に第ｍミラーＭｍ側に寄り過ぎないようにできるため、この光線が第ｍミラーＭｍで遮られるのを防ぐことができる。

次に、条件式（３）について詳細に説明を行う。図１２は条件式（３）の各記号が示す内容を表示した説明図である。条件式（３）は、第ｌミラーＭｌと第ｎミラーＭｎの間隔を定めたものである。この条件式（３）を満足することで、第ｎミラーＭｎの法線ベクトルＷｎに対して、交点Ｐｌと交点Ｐｍを結ぶ線が略垂直となるような光路を形成することができる。これにより、反射光学系のミラー配置領域におけるベクトルＷｎ方向の長さ（図１７中Ｓ１表示）を極力小さくとることができるため、装置の小型化を図ることができる。

なお、この条件式（３）の下限以下とならないようにすることで、第ｌミラーＭｌと第ｎミラーＭｎの間隔が空き過ぎるのを抑えることができるため、装置の小型化を図ることができる。また、条件式（３）の上限以上とならないようにすることで、第ｌミラーＭｌと第ｎミラーＭｎの間隔が近くなり過ぎるのを抑えることができるため、第ｌミラーＭｌに到達する前の光線と、第ｎミラーＭｎで反射した後の光線とが近づき、いずれかの光線が反射光学系３０を構成するミラーや画像表示素子２１によって遮られるのを防止することができる。

次に、条件式（４）について詳細に説明を行う。図１３は条件式（４）の各記号が示す内容を表示した説明図である。条件式（４）は、第ｎミラーＭｎ上の交点Ｐｎを通る中心光路における光線の反射角度θｎを定めるためのものである。この条件式（４）の下限以下とならないようにすることで、反射角度θｎが小さくなり過ぎるのを抑えることができるため、第ｎミラーＭｎで反射した光線が第ｍミラーＭｍで遮られるのを防ぐことができる。また、第ｎミラーＭｎはパワーを有するミラーであるため、条件式（４）の上限以上とならないようにすることで、反射角度θｎが大きくなり過ぎるのを抑えることができるため、歪曲の少ない虚像とすることができる。

次に、条件式（５）について詳細に説明を行う。図１４は条件式（５）の各記号が示す内容を表示した説明図である。条件式（５）は、θｎに対してθｍを定めたものであり、第ｎミラーＭｎの法線ベクトルＷｎに対して、交点Ｐｌと交点Ｐｍを結ぶ線が略垂直となるような光路を形成するように第ｍミラーＭｍの設置角度を決めるためのものである。

この条件式（５）の下限以下とならないようにすることで、第ｎミラーＭｎの法線ベクトルＷｎに対して、交点Ｐｌと交点Ｐｍを結ぶ線が略垂直となるような光路を形成することができる。これにより法線ベクトルＷｎ方向の長さを極力小さくすることができるため、装置の小型化を図ることができ、また第ｍミラーＭｍ上の反射角度が小さくなり過ぎるのを抑えることができるため、第ｍミラーＭｍと第ｎミラーＭｎが対向する設置角度となるのを解消し、第ｎミラーＭｎで反射した光線が第ｍミラーＭｍで遮られるのを防ぐことができる。また、条件式（５）の上限以上とならないようにすることで、第ｎミラーＭｎの法線ベクトルＷｎに対して、交点Ｐｌと交点Ｐｍを結ぶ線が略垂直となるような光路を形成することができる。これにより法線ベクトルＷｎ方向の長さを極力小さくすることができるため、装置の小型化を図ることができる。

次に、条件式（６）について詳細に説明を行う。図１５は条件式（６）の各記号が示す内容を表示した説明図である。条件式（６）は、θｍおよびθｎに対してθｌを定めたものであり、第ｎミラーＭｎから射出する光線と第ｌミラーＭｌに入射する光線が略平行になるような光路を形成するように第ｌミラーＭｌの設置角度を決めるためのものである。

この条件式（６）の下限以下とならないようにすることで、第ｌミラーＭｌ上の反射角度が小さくなり過ぎるのを抑えることができるため、第ｌミラーＭｌに到達する前の光線と、第ｎミラーＭｎで反射した後の光線とが近づき、いずれかの光線が反射光学系３０を構成するミラーや画像表示素子２１によって遮られるのを防止することができる。また、条件式（６）の上限以上とならないようにすることで、第ｌミラーＭｌ上の反射角度が大きくなり過ぎるのを抑えることができ、反射光学系のミラー配置領域におけるベクトルＶｎに対して垂直な方向の長さ（図１７中Ｓ２表示）を抑えることができるため、装置の小型化を図ることができる。

なお、条件式（１）〜（６）を満足した上で、さらに下記条件式（１−１）〜（６−１）のいずれか１つあるいは複数の組合せ、さらには下記条件式（１−２）〜（６−２）のいずれか１つあるいは複数の組合せを満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。
０．２１＜ β×Ｈ１／αｍ＜０．３２ …（１−１）
０．２２＜ β×Ｈ１／αｍ＜０．３０ …（１−２）
３．８０＜ αｍ／（αｎ×ｓｉｎθｎ）＜４．５０ …（２−１）
３．９０＜ αｍ／（αｎ×ｓｉｎθｎ）＜４．３０ …（２−２）
１．２０＜ αｍ／（Ｌ^２−（αｎ×ｃｏｓθｎ）^２）^１／２＜１．８０ …（３−１）
１．２５＜ αｍ／（Ｌ^２−（αｎ×ｃｏｓθｎ）^２）^１／２＜１．７０ …（３−２）
π／２２＜ θｎ＜ π／１０ …（４−１）
π／２０＜ θｎ＜ π／１１ …（４−２）
−π／１８＜（π／２）−（２×θｍ＋θｎ）＜ π／１８ …（５−１）
−π／２２＜（π／２）−（２×θｍ＋θｎ）＜ π／２２ …（５−２）
−π／１８＜（π／２）−（θｌ＋θｍ＋θｎ）＜ π／１８ …（６−１）
−π／２２＜（π／２）−（θｌ＋θｍ＋θｎ）＜ π／２２ …（６−２）

本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０は、画像表示素子２１から射出された光線の光路を少なくとも３枚のミラーで折り曲げるとともに、この３枚のミラーの配置位置や配置角度について、条件式（１）〜（６）を満足するように構成したので、画像表示素子から画像反射面までの光路長を確保しつつ小型化を達成したヘッドアップディスプレイ装置とすることができる。

図１６に示すように、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０において、画像表示素子から射出された光線を拡散投影させるための拡散部材を有し、画像表示素子から射出された光線が拡散部材を介して画像反射面に投影されるヘッドアップディスプレイ装置であって、画像表示素子から射出された光線は、画像表示素子から射出された光線に沿って画像表示素子から第ｎミラーまでの間において隣接した２枚のミラーの間を通り抜け、下記条件式（７）を満足するように構成してもよい。

ここで、条件式（７）について詳細に説明を行う。図１６は条件式（７）の各記号が示す内容を表示した説明図である。なお、図１６は投射光学系Ｓに含まれる画像表示素子から射出された光線を一旦ディフューザー等の拡散部材Ｅに投影させる態様を示している。条件式（７）は、隣接する２枚のミラー（第σミラーＭσおよび第τミラーＭτとする）の間隔と拡散部材Ｅに入射する光線の光線幅の比率範囲を定めたものであり、具体的には、画像表示素子から射出された光線が第σミラーＭσと第τミラーＭτの間を通り抜ける際、第σミラーＭσと第τミラーＭτで光線が遮られることなく、かつ拡散部材Ｅの表示領域全域に光を照射するのに必要な射出光束径に合わせて第σミラーＭσと第τミラーＭτの間隔を決めるためのものである。

この条件式（７）の下限以下とならないようにすることで、拡散部材Ｅに入射する光線の光線幅に対して第σミラーＭσと第τミラーＭτの間隔が大きくなり過ぎるのを抑えることができるので、照射光学系と反射光学系を合わせた空間の大きさを小さく抑えることができる。また、条件式（７）の上限以上とならないようにすることで、拡散部材Ｅに入射する光線の光線幅に対して第σミラーＭσと第τミラーＭτの間隔が小さくなり過ぎるのを抑えることができるので、画像表示素子から射出された光線が第σミラーＭσもしくは第τミラーＭτで遮られることなく、必要な光線を通すことができるようになる。

なお、下記条件式（７−１）さらには下記条件式（７−２）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。
０．２０＜２×Ｈ２／ατ ＜０．４０ …（７）
０．２２＜２×Ｈ２／ατ ＜０．３８ …（７−１）
０．２４＜２×Ｈ２／ατ ＜０．３６ …（７−２）
ただし、隣接した２枚のミラーを、画像表示素子側から順に第σミラー、第τミラーとし、中心光線と第σミラーとの交点をＰσ、中心光線と第τミラーとの交点をＰτとしたとき、
Ｈ２：平面Ｕにおける拡散部材の表示領域の中心から端までの距離
ατ：交点Ｐσから交点Ｐτまでの距離

なお、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０において、画像表示素子は、透過型の画像表示素子としてもよいし、反射型の画像表示素子としてもよい。透過型の画像表示素子とした場合には、画像表示素子と光源であるバックライトが一体化されたものとしてもよいし、画像表示素子と光源の間隔が離れたものとしてもよい。

次に、本発明のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系の数値実施例について説明する。まず、実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系について説明する。図３は実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系の概略構成図である。

実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系は、第１ミラー３１（第ｌミラーに相当）、第２ミラー３２（第ｍミラーに相当）、第３ミラー３３（第ｎミラーに相当）の３枚のミラーを備えている。

平面Ｕにおける画像表示素子２１、第１ミラー３１（第ｌミラーに相当）、第２ミラー３２（第ｍミラーに相当）、第３ミラー３３（第ｎミラーに相当）、フロントウィンドウ（画像反射面）１３の座標を表１に示す。なお、表１では、中心光線と第ｎミラーとの交点を原点、第ｎミラーの法線ベクトルＷｎをＹ軸とし、平面ＵにおいてＹ軸と直交する方向をＸ軸としている。また、各部品位置における番号については、「−０」が中心位置を表し、「−１」が両端のうちＹ軸成分が正方向に大きい方の端部を表し、「−２」が両端のうちＹ軸成分が正方向に小さい方の端部を表している。

図３においては、運転者の瞳位置が一点の場合のみを示しているが、実際には運転者の瞳位置が移動することが想定される。瞳位置が移動すると光束領域も移動するため、表１の座標で示した各ミラーの端点によるミラーサイズと実際のミラーサイズは必ずしも同じである必要はなく、瞳位置の移動を考慮して実際のミラーサイズを表１の座標で示した各ミラーの端点によるミラーサイズよりも大きめに構成してもよい。

また、第３ミラー３３（第ｎミラーに相当）はパワーを有するミラーであり、第３ミラー３３の自由曲面係数を表２に示す。自由曲面係数は、下記式で表される自由曲面式における回転非対称非球面係数Ｃ（ｉ，ｊ）の値である。なお、表２で特に記述しない回転非対称非球面係数は０である。
ただし、
Ｘ，Ｙ，Ｚ：面頂点を原点とした各座標
Ｃ（ｉ，ｊ）：回転非対称非球面係数 ( ｉ＋ｊ＝ｋ，ｋ＝１〜８ )

また、実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系の各寸法を表３に示す。
ここで、
αｉ：交点Ｐｉから交点Ｐｉ−１までの距離（ｉ：ミラー番号、ただしＰ０は画像表示素子の中心位置）
Ａｉ：画像表示素子の中心位置から交点Ｐｉまでの中心光路長（ｉ：ミラー番号）
β：第ｎミラーの近軸倍率
Ｈ１：平面Ｕにおける画像表示素子の表示領域の中心から端までの距離
Ｈ２：平面Ｕにおける拡散部材の表示領域の中心から端までの距離
Ｋｉ：第ｉミラーからの射出光束径の半値（ｉ：ミラー番号）
Ｒ：第ｎミラーの近軸曲率半径（凸面を正符号、凹面を負符号）
Ｂ：結像関係から導かれる像距離
Ｃ：中心光路に沿って、第ｎミラーから画像反射面までの距離
Ｄ：中心光路に沿って、画像反射面から瞳までの距離
Ｌｉ：交点Ｐｉから交点Ｐｎまでの距離（ｉ：ミラー番号）
Ｌω：交点Ｐｎから交点Ｐ１〜Ｐｎ−１までの各距離のうち、ベクトルＷｎに平行な成分の最大長
Ｌν：交点Ｐｎから交点Ｐ１〜Ｐｎ−１までの各距離のうち、ベクトルＶｎ（交点Ｐｎから交点Ｆ（中心光線と画像反射面との交点）へ向かうベクトル）に垂直な成分の最大長
φ：ベクトルＶｌ（交点Ｐｌから交点Ｐｍへ向かうベクトル）とベクトルＶｎ（交点Ｐｎから交点Ｆ（中心光線と画像反射面との交点）へ向かうベクトル）との間の角度
θｉ：交点Ｐｉにおける中心光線の入射角度もしくは反射角度（ｉ：ミラー番号）

次に、実施例１のヘッドアップディスプレイ装置において、画像表示素子から射出された光線を一旦ディフューザー等の拡散部材に投影させる場合の反射光学系の概略構成図を図４に示す。なお、拡散部材を介さずに虚像を投影した場合、虚像の鮮鋭度は高くなるものの虚像が明確に確認できる瞳位置の範囲が極めて狭い範囲に限られるため、画像反射面に対して運転者の頭が動いてしまうと視認性が低下するおそれがある。このような問題を解消するため、図４に示すようにディフューザー等の拡散部材２２を介して虚像Ｖを投影することにより、虚像Ｖが明確に確認できる瞳位置の範囲を拡大することができる。

実施例１のヘッドアップディスプレイ装置に拡散部材を組み合わせる場合、拡散部材２２と、画像表示素子から射出された光線を拡散部材２２へ投射するための投射光学系４０およびミラー４１が追加される。ここで、この投射光学系４０について詳細に説明を行う。図９は図４に示す投射光学系４０を図４中のＡ矢示方向から見たときの概略構成図である。

投射光学系４０は、光源５１と、照明光学系５２と、画像表示素子としてのＤＭＤ（Digital Micromirror Device：登録商標）５３と、投写レンズ５４と、ミラー５５から構成されている。なお、図９では上記の各構成要素を概略的に図示している。光源５１より射出された光線は、不図示のカラーホイールによって、３原色光（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の各光に時系列的に選択変換され、照明光学系５２によって光線の光軸と垂直な断面における光量分布の均一化が図られた後、ＤＭＤ５３に入射する。ＤＭＤ５３においては、入射光の色の切り替わりに応じて、その色光用への変調切替が行われる。ＤＭＤ５３により光変調された光は、投写レンズ５４に入射する。なお、照明光学系５２の射出瞳位置と投写レンズ５４の入射瞳位置（投写レンズ５４の縮小側瞳位置に対応）とが実質的に一致するように構成されている。投写レンズ５４より射出された光線は、ミラー５５およびミラー４１で反射し、拡散部材２２へ投射される。なお、投射光学系４０は、上記の構成に限られるものではなく、原色毎にＤＭＤを設ける態様や、透過型の画像表示素子を用いて画像表示素子の背面から光線を入射させる態様とする等、種々の態様とすることができる。

本実施例では、投射光学系４０から射出された光線が第２ミラー３２と第３ミラー３３の間を通り抜けるように構成されており、第２ミラー３２が条件式（７）における第σミラーに、第３ミラー３３が条件式（７）における第τミラーに相当する。

なお、表中の記号の意味や投射光学系の構成について、実施例１のものを例にとり説明したが、実施例２、３についても基本的に同様であるため、以後の説明は省略する。

次に、実施例２のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系について説明する。図５は実施例２のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系の概略構成図である。実施例２のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系は、第１ミラー３１、第２ミラー３２（第ｌミラーに相当）、第３ミラー３３（第ｍミラーに相当）、第４ミラー３４（第ｎミラーに相当）の４枚のミラーを備えている。

平面Ｕにおける画像表示素子２１、第１ミラー３１、第２ミラー３２（第ｌミラーに相当）、第３ミラー３３（第ｍミラーに相当）、第４ミラー３４（第ｎミラーに相当）、フロントウィンドウ（画像反射面）１３の座標を表４に示す。

また、第４ミラー３４（第ｎミラーに相当）はパワーを有するミラーであり、第４ミラー３４の自由曲面係数を表５に示す。

また、実施例２のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系の各寸法を表６に示す。

また、実施例２のヘッドアップディスプレイ装置において、画像表示素子から射出された光線を一旦拡散部材に投影させる場合の反射光学系の概略構成図を図６に示す。

実施例２のヘッドアップディスプレイ装置に拡散部材を組み合わせる場合は、拡散部材２２と投射光学系４０が追加される。本実施例では、投射光学系４０から射出された光線が第３ミラー３３と第４ミラー３４の間を通り抜けるように構成されており、第３ミラー３３が条件式（７）における第σミラーに、第４ミラー３４が条件式（７）における第τミラーに相当する。

次に、実施例３のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系について説明する。図７は実施例３のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系の概略構成図である。実施例３のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系は、第１ミラー３１、第２ミラー３２、第３ミラー３３（第ｌミラーに相当）、第４ミラー３４（第ｍミラーに相当）、第５ミラー３５（第ｎミラーに相当）の５枚のミラーを備えている。

平面Ｕにおける画像表示素子２１、第１ミラー３１、第２ミラー３２、第３ミラー３３（第ｌミラーに相当）、第４ミラー３４（第ｍミラーに相当）、第５ミラー３５（第ｎミラーに相当）、フロントウィンドウ（画像反射面）１３の座標を表７に示す。

また、第５ミラー３５（第ｎミラーに相当）はパワーを有するミラーであり、第５ミラー３５の自由曲面係数を表８に示す。

また、実施例３のヘッドアップディスプレイ装置の反射光学系の各寸法を表９に示す。

また、実施例３のヘッドアップディスプレイ装置において、画像表示素子から射出された光線を一旦拡散部材に投影させる場合の反射光学系の概略構成図を図８に示す。

実施例３のヘッドアップディスプレイ装置に拡散部材を組み合わせる場合は、拡散部材２２と、投射光学系４０およびミラー４１が追加される。本実施例では、投射光学系４０から射出された光線が第２ミラー３２と第３ミラー３３の間および第４ミラー３４と第５ミラー３５の間を通り抜けるように構成されている。この場合、条件式（７）の計算対象となるミラーの組合せは２通りとなり、１つ目の組合せは、第２ミラー３２が条件式（７）における第σミラーに、第３ミラー３３が条件式（７）における第τミラーに相当する。また、２つ目の組合せは、第４ミラー３４が条件式（７）における第σミラーに、第５ミラー３５が条件式（７）における第τミラーに相当する。

実施例１〜３のヘッドアップディスプレイ装置の条件式（１）〜（７）に対応する値を表１０に示す。

以上のデータから、実施例１〜３のヘッドアップディスプレイ装置は、全て条件式（１）〜（７）を満たしており、画像表示素子から画像反射面までの光路長を確保しつつ小型化を達成したヘッドアップディスプレイ装置であることが分かる。

以上、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、画像表示素子や各ミラー、光源等の位置や大きさについては、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

１０ヘッドアップディスプレイ装置
１１自動車
１２ダッシュボード
１３フロントウィンドウ
１４運転者
２０筐体
２１画像表示素子
３１〜３５ミラー
４０投射光学系
４１ミラー
５１光源
５２照明光学系
５３ＤＭＤ
５４投写レンズ
５５ミラー
Ｖ虚像

Claims

観察者と対向する画像反射面において画像表示素子からの表示光を前記観察者側に反射させる反射光学系を備え、前記画像反射面越しに前記画像表示素子に表示された画像を虚像として拡大表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記反射光学系は、前記画像表示素子から射出された光線に沿って、前記画像表示素子側から順に連続して、第ｌミラー、第ｍミラー、第ｎミラーの少なくとも３枚以上のミラーを有し、前記第ｎミラーはパワーを有し全てのミラーの中で最も前記画像反射面側に配され、
前記画像表示素子から射出された光線は、前記第ｌミラー、前記第ｍミラー、前記第ｎミラーの順に反射し、前記第ｎミラーから射出された光線は、前記第ｌミラーと前記第ｍミラーとの間を通り抜けて前記画像反射面へ到達し、
下記条件式（１）〜（６）を満足する
ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置
０．１８＜ β×Ｈ１／αｍ＜０．３３ …（１）
３．５０＜ αｍ／（αｎ×ｓｉｎθｎ）＜５．００ …（２）
１．００＜ αｍ／（Ｌ^２−（αｎ×ｃｏｓθｎ）^２）^１／２＜２．００ …（３）
π／３６＜ θｎ＜ π／９ …（４）
−π／１５＜（π／２）−（２×θｍ＋θｎ）＜ π／１５ …（５）
−π／１５＜（π／２）−（θｌ＋θｍ＋θｎ）＜ π／１５ …（６）
ただし、
前記画像表示素子の中心位置から前記画像表示素子の表示面に垂直な方向に射出される光線を中心光線とし、該中心光線と前記第ｌミラーとの交点をＰｌ、前記中心光線と前記第ｍミラーとの交点をＰｍ、前記中心光線と前記第ｎミラーとの交点をＰｎとし、前記交点Ｐｌ、前記交点Ｐｍ、前記交点Ｐｎを含む平面をＵとしたとき、
β：前記第ｎミラーの近軸倍率
Ｈ１：前記平面Ｕにおける前記画像表示素子の表示領域の中心から端までの距離
αｍ：前記交点Ｐｌから前記交点Ｐｍまでの距離
αｎ：前記交点Ｐｍから前記交点Ｐｎまでの距離
θｌ：前記交点Ｐｌにおける前記中心光線の入射角度もしくは反射角度
θｍ：前記交点Ｐｍにおける前記中心光線の入射角度もしくは反射角度
θｎ：前記交点Ｐｎにおける前記中心光線の入射角度もしくは反射角度
Ｌ：前記交点Ｐｌから前記交点Ｐｎまでの距離
前記画像表示素子から射出された光線を拡散投影させるための拡散部材を有し、前記画像表示素子から射出された光線が前記拡散部材を介して前記画像反射面に投影されるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記画像表示素子から射出された光線は、前記画像表示素子から射出された光線に沿って前記画像表示素子から前記第ｎミラーまでの間において隣接した２枚のミラーの間を通り抜け、
下記条件式（７）を満足する
請求項１記載のヘッドアップディスプレイ装置。
０．２０＜２×Ｈ２／ατ ＜０．４０ …（７）
ただし、
前記隣接した２枚のミラーを、前記画像表示素子側から順に第σミラー、第τミラーとし、前記中心光線と前記第σミラーとの交点をＰσ、前記中心光線と前記第τミラーとの交点をＰτとしたとき、
Ｈ２：前記平面Ｕにおける前記拡散部材の表示領域の中心から端までの距離
ατ：前記交点Ｐσから前記交点Ｐτまでの距離
下記条件式（１−１）〜（６−１）のうち少なくとも１つを満足する
請求項１記載のヘッドアップディスプレイ装置。
０．２１＜ β×Ｈ１／αｍ＜０．３２ …（１−１）
３．８０＜ αｍ／（αｎ×ｓｉｎθｎ）＜４．５０ …（２−１）
１．２０＜ αｍ／（Ｌ^２−（αｎ×ｃｏｓθｎ）^２）^１／２＜１．８０ …（３−１）
π／２２＜ θｎ＜ π／１０ …（４−１）
−π／１８＜（π／２）−（２×θｍ＋θｎ）＜ π／１８ …（５−１）
−π／１８＜（π／２）−（θｌ＋θｍ＋θｎ）＜ π／１８ …（６−１）
下記条件式（１−２）〜（６−２）のうち少なくとも１つを満足する
請求項１記載のヘッドアップディスプレイ装置。
０．２２＜ β×Ｈ１／αｍ＜０．３０ …（１−２）
３．９０＜ αｍ／（αｎ×ｓｉｎθｎ）＜４．３０ …（２−２）
１．２５＜ αｍ／（Ｌ^２−（αｎ×ｃｏｓθｎ）^２）^１／２＜１．７０ …（３−２）
π／２０＜ θｎ＜ π／１１ …（４−２）
−π／２２＜（π／２）−（２×θｍ＋θｎ）＜ π／２２ …（５−２）
−π／２２＜（π／２）−（θｌ＋θｍ＋θｎ）＜ π／２２ …（６−２）
下記条件式（７−１）を満足する
請求項２記載のヘッドアップディスプレイ装置。
０．２２＜２×Ｈ２／ατ ＜０．３８ …（７−１）
下記条件式（７−２）を満足する
請求項２記載のヘッドアップディスプレイ装置。
０．２４＜２×Ｈ２／ατ ＜０．３６ …（７−２）