JP6365174B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

所定の画像を表示する表示器として、液晶表示素子をバックライトで透過照明する構成のものが知られている。特許文献１には、このような構成の表示器を備えた、いわゆるヘッドアップディスプレイ（Head-Up Display；ＨＵＤ）装置と呼ばれる表示装置が開示されている。ＨＵＤ装置は、表示器からの表示光を車両のフロントガラスに投射することで、所定の画像を表示像（虚像）としてユーザ（主に運転者）に視認させる。

特許文献１に係る表示器では、バックライトに集光型の照明光学系が用いられており、バックライト用の光源から液晶表示素子に至る光路上に、コンデンサレンズ（平行光生成手段）と、レンズアレイと、フィールドレンズ（フォーカスレンズとも言う。集光手段）と、が配置されることで、液晶表示素子の背後にバックライトユニットが構成されている。特許文献１に係るＨＵＤ装置においては、レンズアレイによって生成される光源の多重像から発せられる光線がフィールドレンズによって屈折し、所定の角度で液晶表示素子に入射する。液晶表示素子に入射した主光線は、入射角度とほぼ等しい角度で液晶表示素子から表示光として出射し、主として凹面鏡及びフロントガラスから構成される投射光学系を経て、ユーザの視点領域（アイボックス）近傍に集光する。

特開２０１２−２０３１７６号公報

特許文献１に係るＨＵＤ装置は、集光手段の収差によって、光源の光軸から離れるほど光源の多重像から発せられる光線の液晶表示素子への照射範囲が狭くなる。これにより、液晶表示素子の表示領域への照明ムラが発生し、視点移動に伴う表示像の輝度ムラが生じるという問題がある。これに対する対策としては、集光手段のレンズ配置などの最適化が挙げられるが、バックライトの許容容積を満足する範囲での最適化には限界があり、光軸から遠い位置からの照射範囲を広げるとそれに伴って光軸付近の位置からの照射範囲も広がり、光利用効率が低下する。さらには、液晶表示素子２への配光制御が理想から外れ、ユーザのアイボックスでの集光度が低下する恐れがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、集光手段の収差に起因する表示素子の表示領域における照明ムラを抑制することが可能なＨＵＤ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、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、バックライトユニットと表示素子とを備える表示器から発せられる表示光を投射手段を介して観察者の視点領域に投射して前記表示光が表す画像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記バックライトユニットは、
前記表示素子を照明する光を出射する光源と、
複数のレンズが配置され、前記光源から出射される光を分割して前記光源の像を複数生成するレンズアレイと、
前記光源の像から出射される光を前記表示素子の表示領域に対応するように集光する集光手段と、を備え、
前記レンズアレイは、周辺におけるレンズの配光角度が中央におけるレンズの配光角度よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、集光手段の収差に起因する表示素子の表示領域における照明ムラを抑制することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の搭載態様を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の概略断面図である。 図２に示すＨＵＤ装置の表示器近傍の拡大図である。 本発明の一実施形態に係るバックライトユニットの概略分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係るバックライトユニットの機能を説明するための模式図であり、（ａ）実施形態及び比較例の横断面図、（ｂ）比較例の縦断面図、（ｃ）実施形態の縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るレンズアレイを示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る第２のフォーカスレンズを示す図である。 従来の技術に係るバックライトユニットの機能を説明するための模式図の横断面図である。 本発明の一実施形態に係るレンズアレイを示す横断面図である。 本発明の一実施形態に係るレンズアレイの別例を示す横断面図である。

本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係るＨＵＤ装置１００は、図１に示すように車両Ｃのダッシュボードに埋め込まれるようにして設けられる。ＨＵＤ装置１００は、図２に示すようにバックライトユニット１及び液晶表示素子２（表示素子）から構成される表示器３と、平面鏡４と、凹面鏡５と、筐体６と、保護部材７と、を備える。

ＨＵＤ装置１００は、表示器３から出射される表示光Ｌを車両ＣのウインドシールドＳ（フロントガラス）に投射することで、表示光Ｌが表す画像を虚像Ｖ（表示像）としてユーザＵ（主に運転者）に視認させる。表示器３から出射される表示光Ｌは、液晶表示素子２がバックライトユニット１からの光で透過照明されることで得られ、所定の画像を表す。

バックライトユニット１は、図３に示すように、光源１０と、平行光生成手段２０と、照度均一化手段３０と、レンズアレイ４０と、第１のフォーカスレンズ５１と、第２のフォーカスレンズ５２と、反射部６０と、拡散板７０と、ケース体８０と、カバー部材９０と、を備える。

平行光生成手段２０、照度均一化手段３０、レンズアレイ４０、第１のフォーカスレンズ５１、第２のフォーカスレンズ５２、反射部６０、及び拡散板７０は、光源１０が出射する光の光路上に配置されている。これらは、光源１０から液晶表示素子２に向かって、平行光生成手段２０、照度均一化手段３０、レンズアレイ４０、第１のフォーカスレンズ５１、反射部６０、第２のフォーカスレンズ５２、拡散板７０の順で配置されている。光源１０、平行光生成手段２０、レンズアレイ４０、第１のフォーカスレンズ５１及び第２のフォーカスレンズ５２は、ＨＵＤ装置１００の照明光学系を構成する。バックライトユニット１は、光源１０から発せられる光を液晶表示素子２の表示領域Ａに均等に照射させつつ、液晶表示素子２を透過した表示光Ｌを、凹面鏡５とウインドシールドＳとで構成されるＨＵＤ装置１００の投射手段（投射光学系）を介してユーザＵのアイボックスＥＢ（視点領域）内に導くように、液晶表示素子２の前面（図２及び図３において紙面上方向に向く面）から出射される表示光Ｌの角度を制御するものである（図５参照）。

光源１０は、液晶表示素子２を透過照明する光（以下、照明光Ｉとも呼ぶ）を発する。光源１０は、例えば、２つのＬＥＤ（Light Emitting Diode）から構成されている。なお、光源１０は、１又は３以上のＬＥＤから構成されていてもよい。光源１０は、ケース体８０に固定された回路基板１１（図４参照）に実装されている。回路基板１１は、アルミ、樹脂等からなる基材に回路パターンが形成されてなるものであり、後述の制御部（図示せず）と公知の手法で導通接続されている。また、光源１０は、放熱部材（図示せず）と熱的に接続される。放熱部材は、例えばアルミニウムなどの金属材料で作成されたフィン型の構造体であり、光源１０が発する熱を外部に放出する。

平行光生成手段２０は、光源１０からの照明光Ｉを受け、平行光として出射する。ここでいう平行光は、光源１０の光軸ＡＸ（図３参照）と略平行（丁度平行も含む）に進む光である。平行光生成手段２０は、例えばコンデンサレンズからなる。コンデンサレンズは、工学樹脂材料により作製される凸レンズであり、１つの光源１０に対して１つのレンズが対応する。複数の光源１０を使用する場合は、凸レンズ部が複数配置された集合レンズの形態を採る。平行光生成手段２０は、製造上の都合からレンズ曲面頂点間距離（レンズ厚さ）を所定の厚さ以下に抑えたい場合は、照明光Ｉの取り込み量を維持または増やしつつ、平行光生成手段２０から出射する光の平行度をより高めたい場合など、使用によっては２枚以上のレンズで構成してもよい。また、平行光生成手段２０は、光源１０の近傍に配置されるため、光源１０から発生する熱の影響を考慮して耐熱性に優れた光学樹脂材料を用いることが好ましい。さらに、平行光生成手段２０として、コリメートレンズ等の他の公知の光学素子を採用してもよい。

照度均一化手段３０は、平行光生成手段２０によって平行光とされた照明光Ｉが入射し、出射側の光の照度分布の均一化を図るものである。照度均一化手段３０は、例えば、ライトボックスからなる。このライトボックスは、光軸ＡＸを取り囲む角筒状の部材であり、内面（光軸ＡＸ側の面）が鏡面となっているものである。照度均一化手段３０は、光拡散板、光反射板等を備えた他の公知のライトボックス等であってもよい。

レンズアレイ４０は、図６の正面図（液晶表示素子２側を示す）に示すように、微小なレンズ４１を縦横に複数配列してなるレンズ集合体であり、いわゆるフライアイレンズと呼ばれるものである。レンズ４１は、例えば、光源１０側と液晶表示素子２側との両面が同じ凸形状となる、いわゆる両凸レンズである。また、レンズ４１の各々の光軸は平行光生成手段２０の光軸と平行である。なお、レンズ４１の曲面は、非球面あるいは自由曲面であってもよい。
レンズアレイ４０には、平行光生成手段２０によって略平行化され、照度均一化手段３０によって照度が略均一化された照明光Ｉが入射する。レンズアレイ４０は、自身を構成するレンズ４１の数だけ多重像（中間像）を生じさせるため、平行光生成手段２０によって生成された１つの光源１０の拡大像（光源１０から出射される照明光Ｉ）が、レンズアレイ４０のレンズ４１の数だけ分割されて多重像となる。これにより、少ない光源１０でも均質な光強度分布で液晶表示素子２を照明することができる。
レンズアレイ４０のレンズ４１が配置される領域は、液晶表示素子２の表示領域Ａに応じて長方形状となっており、その長方形状の長手方向（図６における左右方向）に対して、中央に位置する中央部４０Ａ、中央部４０Ａよりも向かって左側に位置する左周辺部４０Ｂ、中央部４０Ａよりも向かって右側に位置する右周辺部４０Ｃの３つの領域に分けたとき、左右周辺部４０Ｂ，４０Ｃにおけるレンズ４１のピッチアレイ（隣り合う２つのレンズ４１の頂点間の距離）が、中央部４０Ａにおけるレンズ４１のアレイピッチと異なるように各レンズ４１が形成されている。具体的には、左右周辺部４０Ｂ，４０Ｃにおけるレンズ４１のアレイピッチが中央部４０Ａにおけるレンズ４１のアレイピッチよりも大きくなるように各レンズ４１が形成されている。このように、周辺のレンズ４１のアレイピッチが中央のレンズ４１のアレイピッチと異なるようにした作用については後で詳述する。

第１のフォーカスレンズ５１及び第２のフォーカスレンズ５２は、例えば光学樹脂材料から作製される凸レンズからなり、レンズアレイ４０が生成した光源１０の多重像から出射される照明光Ｉを、液晶表示素子２の表示領域Ａ（図５参照）に対応するように集光する集光手段として機能する。具体的には、第１のフォーカスレンズ５１と第２のフォーカスレンズ５２とは、協働して、液晶表示素子２の前面に表示される画像の表示可能範囲（表示領域Ａ）に対応する背面の全面に渡って、レンズアレイ４０からの照明光Ｉを照射させる。これにより、レンズアレイ４０で生成された多重像を表す照明光Ｉを液晶表示素子２の背面の必要な範囲に効率良く照射することができる。またこのとき、多重像に対する第１，第２のフォーカスレンズ５１，５２の焦点距離および光学配置を最適化することで、液晶表示素子２の背面に照射される照明光Ｉの角度を所定の値に近付ける。これにより、液晶表示素子２の前面から出射される表示光Ｌの配光角度を制御し、アイボックスＥＢへの表示光Ｌの照射効率を向上することができる。

第１，第２のフォーカスレンズ５１，５２で構成される前記集光手段は、凹面鏡５とウインドシールドＳとで構成される前記投射手段の縦方向と横方向とでの焦点距離の違いを補正するように縦方向と横方向とでの焦点距離が異なるように構成されている。具体的には、第１のフォーカスレンズ５１及び第２のフォーカスレンズ５２は、両者の少なくとも一方を、トロイダルレンズとして構成する。つまり、第１のフォーカスレンズ５１の両面と第２のフォーカスレンズ５２の両面との４面のうち、少なくとも１面を、直交する縦方向と横方向とでの曲率が異なる非球面であるトロイダル面として構成する。この実施形態においては、図７に示すように、第２のフォーカスレンズ５２の両面をトロイダル面とし、直交する縦方向（垂直方向）の焦点距離と横方向（水平方向）の焦点距離とが異なるようにした。なお、図７（ａ）は第２のフォーカスレンズ５２の正面図（液晶表示素子２側を示す）であり、図７（ｂ）は第２のフォーカスレンズ５２の縦断面図であり、図７（ｃ）は第２のフォーカスレンズ５２の横断面図である。このように、前記集光手段の縦方向と横方向とでの焦点距離を異ならせることによる作用は後で詳述する。なお、前記集光手段の縦方向と横方向とでの焦点距離を異ならせる方法として、前記集光手段を構成する光学部材にすくなくとも１つの曲面を自由曲面としてもよい。

反射部６０は、第１のフォーカスレンズ５１と第２のフォーカスレンズ５２の間に配置されている。反射部６０は、例えば、樹脂、ガラス等からなる基材にアルミニウム等の金属を蒸着させ反射面６１を形成した平面鏡から構成されている。反射部６０は、光源１０の光軸ＡＸに対して反射面６１が傾斜するように配置されている。第１のフォーカスレンズ５１からの照明光Ｉは、この反射面６１で反射し、第２のフォーカスレンズ５２に入射する。
この実施形態では、図３に示すように、反射部６０から液晶表示素子２に至る照明光Ｉの光路が、光源１０の光軸ＡＸに対して略直交となるように反射部６０が配置されている。このようにして、反射部６０は、照明光Ｉの光路を変更する。

拡散板７０は、例えば、少なくとも一方の面に凹凸加工がなされた合成樹脂材からなり、透光性を有する。第２のフォーカスレンズ５２からの照明光Ｉは、拡散板７０を通過することで、拡散されて液晶表示素子２の背面に到達する。このように、拡散板７０が設けられることで、液晶表示素子２の照明のムラが低減される。

ケース体８０は、樹脂等から箱状に形成され、内部に、光源１０、平行光生成手段２０、照度均一化手段３０、レンズアレイ４０、第１のフォーカスレンズ５１、及び反射部６０を収容する。ケース体８０は、図４に示すように、上部開口部８１と側部開口部８２とを有している。上部開口部８１は、液晶表示素子２側に向かって開口している。側部開口部８２は、光源１０側に向かって開口している。上部開口部８１と側部開口部８２とは連通している。側部開口部８２を塞ぐように、回路基板１１が設けられている。回路基板１１は、ビス等の固定手段（図示せず）でケース体８０に固定されている。これにより、光源１０はケース体８０内部に向かって光を出射するように配置される。上部開口部８１のうち、光源１０とは反対側の端部を覆うようにして、第２のフォーカスレンズ５２が設けられている。上部開口部８１を塞ぐようにして、カバー部材９０が設けられている。

カバー部材９０は、図４に示すように、樹脂等から板状に形成され、ケース体８０の上部開口部８１を覆う。カバー部材９０は、ビス９０ｂ等の固定手段でケース体８０に固定されている。カバー部材９０には、第２のフォーカスレンズ５２を覗かせる開口部９１が形成されている。開口部９１は、第２のフォーカスレンズ５２のレンズ面形状に対応する形状となっている。

ケース体８０とカバー部材９０とで、バックライトユニット１の筐体が構成されている。
以上で説明したように、１つのケース体８０内に、照度均一化手段３０、第１のフォーカスレンズ５１、反射部６０等の光学部品を設置する構成としているため、バックライトユニット１の組立も容易となっている。また、カバー部材９０が、必要な箇所以外（つまり、第２のフォーカスレンズ５２を覗かせる開口部９１以外）の箇所を覆っているため、バックライトユニット１外部に照明光Ｉが不必要に漏れることを防止できる。

液晶表示素子２は、例えば、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）型の液晶パネルの前面及び背面に偏光板を設けることで構成されている。なお、液晶表示素子２を構成する液晶パネルは、パッシブ駆動型のものであってもよい。また、液晶パネルとして、ＴＮ（Twisted Nematic）型、ＶＡ（Vertical Alignment）型、ＳＴＮ（Super Twisted Nematic）型、強誘電性型等の様々な型のものが適用可能である。

液晶表示素子２は、制御部（図示せず）の制御のもと、表示領域Ａを構成する各画素を、透過、不透過のいずれかの状態に切り替えることで表示領域Ａに所定の画像を表示する。表示領域Ａは、横方向に伸長な長方形状となっている。例えば、制御部は、車両ＣのＥＣＵ（Electronic Control Unit）から通信ラインにより伝送される各種の車両情報を取得し、車両速度や燃費等を示す画像を液晶表示素子２に表示させる。同時に、制御部は、光源１０を発光させる。これにより、液晶表示素子２は、バックライトユニット１で生成された照明光Ｉによって透過照明され、表示画像を表す表示光Ｌが液晶表示素子２から出射される。
このようにして、バックライトユニット１と液晶表示素子２とから構成される表示器３から表示光Ｌが出射される。

図２に戻って、平面鏡４は、樹脂、ガラス等からなる基材にアルミニウム等の金属を蒸着させ反射面を形成して成る。平面鏡４は、表示器３が発した表示光Ｌを凹面鏡５に向け反射させる。

凹面鏡５は、樹脂、ガラス等からなる基材にアルミニウム等の金属を蒸着させ反射面を形成して成る。凹面鏡５の反射面は、凹面になっている。表示器３からの表示光Ｌは、凹面鏡５で拡大されてウインドシールドＳに入射し、ウインドシールドＳで反射されてユーザＵのアイボックスＥＢに投射される。これにより、ユーザＵに視認される虚像Ｖは、表示器３に表示されている画像が拡大された大きさになる。
このようにして、表示器３から発せられる表示光Ｌを凹面鏡５とウインドシールドＳとから構成される前記投射手段を介して、ユーザＵのアイボックスＥＢに投射して虚像Ｖを視認させる。

筐体６は、樹脂等から箱状に形成され、内部に、平面鏡４及び凹面鏡５を収容する。平面鏡４及び凹面鏡５は、筐体６の内部に公知の手法により固定されている。

筐体６は、図２に示すように、上部開口部６ａと下部開口部６ｂとを有している。上部開口部６ａは、ウインドシールドＳに向かって開口しており、表示光ＬをＨＵＤ装置１００外部に通過させる出射口として機能する。下部開口部６ｂは、筐体６の上部開口部６ａとは反対側に位置し、その下端部（図２の紙面下方向の端部）に液晶表示素子２が配置されている。このようにして、下部開口部６ｂは、液晶表示素子２の表示面を筐体６内部に向かって覗かせるように形成されている。
このように、筐体６は、液晶表示素子２から出射口として機能する上部開口部６ａまでの表示光Ｌの光路を取り囲むように形成されている。

図２に示すように、バックライトユニット１は、筐体６の外側であって下部開口部６ｂ側から、筐体６に取り付けられている。例えば、ビス８等の固定手段でケース体８０が筐体６に固定されることにより、バックライトユニット１は、筐体６に取り付けられている。この際、ケース体８０を覆うカバー部材９０の開口部９１（図４参照）が、筐体６の下部開口部６ｂ（図２参照）と通じるようにして、バックライトユニット１は取り付けられている。

保護部材７は、樹脂等からなり、筐体６に取り付けられたバックライトユニット１を下側（図２の紙面下側）から覆うようにして、筐体６に所定の方法で固定されている。このように設けられた保護部材７は、バックライトユニット１を、塵、振動等から保護する。

ＨＵＤ装置１００がユーザＵに所定の画像を虚像Ｖとして視認可能とする機構を簡潔に述べれば、次の（１）、（２）のようになる。
（１）表示器３が画像を表示することで表示光Ｌが出射される。表示器３からの表示光Ｌは平面鏡４及び凹面鏡５で反射し、ウインドシールドＳに向かう。このようにして、ＨＵＤ装置１００は表示光ＬをウインドシールドＳに向けて出射する。
（２）ＨＵＤ装置１００からの表示光ＬがウインドシールドＳで反射することで、ユーザＵから見てウインドシールドＳの前方に表示画像の虚像Ｖが結ばれる。

次に、前記投射手段（凹面鏡５及びウインドシールドＳ）の縦方向と横方向とでの焦点距離の違いを補正するように、前記集光手段（第１，第２のフォーカスレンズ５１，５２）の縦方向と横方向とでの焦点距離が異なるように前記集光手段を構成する作用について、図５を用いて説明する。以下、前記投射手段の縦方向と横方向とでの焦点距離が等しい、すなわち、前記集光手段を構成する第１，第２のフォーカスレンズ５１，５２の全ての曲面が軸回転対称な曲面である場合を比較例として説明する。図５（ａ）は、この実施形態及び比較例におけるバックライトユニット１（照明光学系）の機能を説明するための模式図の横断面図であり、図５（ｂ）は、比較例におけるバックライトユニット１の機能を説明するための模式図の縦断面図であり、図５（ｃ）は、この実施形態におけるバックライトユニット１の機能を説明するための模式図の縦断面図である。なお、図５（ａ）〜（ｃ）においては、図を見やすくするために第１，第２のフォーカスレンズ５１，５２を１つの凸レンズで示し、凹面鏡５及びウインドシールドＳを１つの凸レンズで示した。また、バックライト１の機能を理解しやすくするために、図５（ａ）の横断面図と図５（ｂ）、（ｃ）の縦断面図とでは、各部の実際の形状に係わらず、各部の横方向（図５（ａ）の紙面上下方向）の長さと縦方向（図５（ｂ），（ｃ）の紙面上下方向）の長さを等しくして図示している（実際には光源１０を除く各部は横方向に伸長な形状である）。

前述のように、車両Ｃに搭載されるＨＵＤ装置１００においては、種々の設計上の制約によって、車種によっては前記投射手段の焦点距離が縦方向と横方向とで異なる場合がある。その場合、何ら対策を施さないとアイボックスＥＢにおける表示光Ｌの集光度が縦方向あるいは横方向で劣化する。具体的には、例えば、前記集光手段の焦点距離を前記投射手段の横方向に応じて設計する場合、図５（ａ）に示すようにアイボックスＥＢの横方向に対しては表示光ＬがアイボックスＥＢ上の任意の点に結像するため表示光Ｌの結像度、すなわち、集光度が高いものの、図５（ｂ）に示すようにアイボックスＥＢの縦方向に対しては表示光ＬがアイボックスＥＢから外れた位置に結像するため表示光Ｌの集光度が劣化してしまう。表示光Ｌの集光度が劣化すると、アイボックスＥＢ外に導かれる表示光Ｌが増加して光利用効率が低下し、また、任意の視点から見た虚像Ｖに輝度バラツキが生じて輝度均斉度が低下する恐れがある。なお、図５（ｂ）は、前記投射手段の縦方向の焦点距離が横方向の焦点距離よりも長い場合を示している。

これに対し、この実施形態においては、前記投射手段の縦方向と横方向とでの焦点距離の違いを補正するように、前記集光手段の焦点距離を縦方向と横方向とで異ならせる。このようにすると、図５（ａ）に示すようにアイボックスＥＢの横方向では従来と同様に高い集光度を保ちつつ、図５（ｃ）に示すようにアイボックスＥＢの縦方向に対しても、前記集光手段の焦点距離の変更によってＨＵＤ装置１００全体の焦点距離を横方向と縦方向とで一致させることで、表示光ＬがアイボックスＥＢ上の任意の点に結像するようにして、表示光Ｌの集光度を高く保つことができる。なお、図５（ｃ）は、前記投射手段の縦方向の焦点距離が横方向の焦点距離よりも長い状況に応じて、前記集光手段の第２のフォーカスレンズ５２の縦方向の焦点距離が横方向の焦点距離よりも短くなるように構成した（縦方向の曲面の曲率を変えた）場合を示している。なお、前記投射手段の縦方向と横方向とでの焦点距離の違いによって、虚像Ｖの像拡大率が縦方向と横方向とで異なることとなるが液晶表示素子２に表示する画像の大きさを縦方向と横方向とで異ならせることによって像拡大率の違いを補正することができる。

以下さらに、前記集光手段の焦点距離の具体的な設計方法について述べる。
ＨＵＤ装置１００の前記照明光学系（光源１０、平行光生成手段２０、レンズアレイ４０、第１，第２のフォーカスレンズ５１，５２）の焦点距離をｆａとし、ＨＵＤ装置１００の前記投射手段（凹面鏡５、ウインドシールドＳ）の焦点距離をｆｂとし、前記照明光学系と前記投射手段とを合わせたＨＵＤ装置１００全体の焦点距離をｆ（ａ+ｂ）とすると、ＨＵＤ装置全体の焦点距離ｆ（ａ+ｂ）は、以下の数式１で表すことができる。

なお、ｄは、前記照明光学系の中心点と前記投射手段の中心点との間の距離である。
まず、アイボックスＥＢの位置及び虚像Ｖの像拡大率、さらに虚像Ｖの歪みや搭載性などの設計上の制約を考慮して、前記投射手段の縦方向及び横方向の焦点距離ｆｂが定められる。次に、前記照明光学系の縦方向及び横方向の焦点距離ｆａの一方を計算や任意の値の設定などにより算出し、上記の数式１に基づいてＨＵＤ装置１００全体の縦方向及び横方向の焦点距離ｆ（ａ+ｂ）の一方を算出する。さらに、ＨＵＤ装置１００全体の縦方向及び横方向の焦点距離ｆ（ａ+ｂ）の他方が、先に算出した一方と等しい値となるように、数式１に基づいて前記照明光学系の縦方向及び横方向の焦点距離ｆａの他方を算出する。さらに、照明シミュレーションによって、算出した前記照明光学系の縦方向及び横方向の焦点距離ｆａを調整する。このようにして得られた前記照明光学系の縦方向及び横方向の焦点距離ｆａに基づいて、前記集光手段（この実施形態では第２のフォーカスレンズ５２）の縦方向及び横方向の焦点距離を設計する。このようにして、前記投射手段の縦方向と横方向とでの焦点距離を補正するように、前記集光手段の焦点距離を縦方向と横方向とで異ならせることができる。

次に、レンズアレイ４０の左右周辺部４０Ｂ，４０Ｃと中央部４０Ａとでレンズ４１のアレイピッチを異ならせる作用について、図８及び図９を用いて説明する。なお、図８は、レンズアレイ４０の機能を説明する模式図の横断面図であり、図９はレンズアレイ４０のレンズ４１を示す横断面図である。
前述のように、レンズアレイ４０は、微小なレンズ４１の集合体であり、平行光生成手段２０で略平行化された照明光Ｉがレンズアレイ４０に入射すると、個々のレンズ４１の入射側（光源１０側）曲面により屈折し、出射側（液晶表示素子２側）曲面の近傍に集光して多重像を結像する。このとき、何ら対策を施さない場合は各レンズ４１の配光角度はレンズ４１の位置に係わらず等しく、図８に示すように、第１，第２のフォーカスレンズ５１，５２の収差により光軸ＡＸから遠くなるにつれて多重像から液晶表示素子２に向けられる照明光Ｉの照射範囲が狭くなる。図８においては、光軸ＡＸと重なるレンズ４１で結像する光源１０の像から出射される照明光Ｉは第１，第２のフォーカスレンズ５１，５２を介して液晶表示素子２の表示領域Ａ全体に照射されているものの、光軸ＡＸからレンズアレイ４０の左右方向（図８での紙面上下方向）に離れたレンズ４１で結蔵する光源１０の像から出射される照明光Ｉは第１，第２のフォーカスレンズ５１，５２を介しても液晶表示素子２の表示領域Ａの一部（端部）に照射されず、照明ムラが生じる。ＨＵＤ装置１００は、最終的に表示光Ｌが投射される部材が光拡散性の低いウインドシールドＳであるため指向性が高く、液晶表示素子２での照明ムラが表示像（虚像Ｖ）の輝度ムラに反映されやすい。

これに対し、この実施形態においては、レンズアレイ４０の左右周辺部４０Ｂ，４０Ｃと中央部４０Ａとでレンズ４１のアレイピッチを異ならせることで、左右周辺部４０Ｂ，４０Ｃと中央部４０Ａとでレンズ４１の配光角度を異ならせることとした。具体的には左右周辺部４０Ｂ，４０Ｃの配光角度が中央部４０Ａよりも大きくなるように、左右周辺部４０Ｂ，４０Ｃのレンズ４１のアレイピッチを中央部４０Ａのレンズ４１のアレイピッチよりも大きくなるように各レンズ４１を形成した。アレイピッチが大きくなると、曲面の大きさが大きくなり、その結果配光角度が大きくなる。図９（ａ）は、中央部４０Ａにおけるレンズ４１を示し、図９（ｂ）は左右周辺部４０Ｂ，４０Ｃにおけるレンズ４１を示す。なお、図９（ａ）、（ｂ）は何れも横断面図である。左右周辺部４０Ｂ，４０Ｃにおける液晶表示素子２の長手方向に対応するレンズアレイ４０の左右方向（図９の紙面上下方向）のレンズ４１のアレイピッチＷ２が、中央部４０Ａにおけるレンズ４１の左右方向のアレイピッチＷ１よりも大きく形成される結果（Ｗ２＞Ｗ１）、左右周辺部４０Ｂ，４０Ｃにおけるレンズ４１の配光角度θ２が、中央部４０Ａにおけるレンズ４１の配光角度θ１よりも大きくなる。したがって、左右周辺部４０Ｂ，４０Ｃにおいても、レンズ４１で結像する光源１０の像から出射される照明光Ｉの照射範囲を広げて液晶表示素子２の表示領域Ａ全体に照射することができる。なお、レンズアレイ４０全体の縦方向及び横方向の長さは、液晶表示素子２の前面における表示光Ｌの配光角度に応じて定められる。例えば、第１，第２のフォーカスレンズ５１，５２の焦点距離が固定される場合、レンズアレイ４０全体の長さが大きくなるに従って液晶表示素子２における表示光Ｌの配光角度が大きくなる。

なお、レンズアレイ４０の左右周辺部４０Ｂ，４０Ｃと中央部４０Ａとでレンズ４１の配光角度を異ならせる方法としては、前述のアレイピッチのほかに、レンズ４１の曲面形状及び／あるいは厚みを異ならせてレンズ４１の焦点距離を異ならせてもよい。この場合、具体的には図１０に示すように、左右周辺部４０Ｂ，４０Ｃにおけるレンズ４１の焦点距離を中央部４０Ａにおけるレンズ４１の焦点距離よりも短くすることで、左右周辺部４０Ｂ，４０Ｃにおけるレンズ４１の配光角度θ２（図１０（ｂ））を中央部４０Ａにおけるレンズ４１の配光角度θ１（図１０（ａ））よりも大きくすることができる。

以上に説明したＨＵＤ装置１００は、第１の観点において、バックライトユニット１と液晶表示素子２とを備える表示器３から発せられる表示光Ｌを投射手段（凹面鏡５及びウインドシールドＳ）を介して観察者（ユーザＵ）の視点領域（アイボックスＥＢ）に投射して虚像Ｖを視認させるヘッドアップディスプレイ装置１００であって、バックライトユニット１は、液晶表示素子２を照明する光（照明光Ｉ）を出射する光源１０と、光源１０から出射される光を分割して光源１０の像を複数生成するレンズアレイ４０と、光源１０の像から出射される光を液晶表示素子２の表示領域Ａに対応するように集光する集光手段（第１，第２のフォーカスレンズ５１，５２）と、を備え、前記集光手段は、前記投射手段の縦方向と横方向とでの焦点距離の違いを補正するように縦方向と横方向とでの焦点距離が異なるように構成されている。
この構成により、ＨＵＤ装置１００全体の焦点距離を横方向と縦方向とで一致させることで、表示光ＬがアイボックスＥＢ上の任意の点に結像するようにして、表示光Ｌの集光度を高く保つことができる。そのため、光利用効率の低下や虚像Ｖの輝度均斉度の低下を抑制することができる。

また、ＨＵＤ装置１００において、前記集光手段は、１つ以上のフォーカスレンズから構成され、前記フォーカスレンズのうち少なくとも１つの表面が、トロイダル面あるいは自由曲面である。
これによれば、容易に前記集光手段の焦点距離を縦方向と横方向とで異ならせることができる。

また、ＨＵＤ装置１００は乗り物（車両Ｃ）に搭載され、前記投射手段は、少なくとも前記乗り物のフロントガラスＳを含んで構成される。
これによれば、フロントガラスＳによって前記投射手段の縦方向と横方向とで焦点距離の違いが生じる場合であっても、表示光Ｌの集光度を高く保つことができ、光利用効率の低下や虚像Ｖの輝度均斉度の低下を抑制することができる。

さらに、ＨＵＤ装置１００は、第２の観点において、バックライトユニット１と液晶表示素子２とを備える表示器３から発せられる表示光Ｌを投射手段（凹面鏡５及びウインドシールドＳ）を介して観察者（ユーザＵ）の視点領域（アイボックスＥＢ）に投射して表示光Ｌが表す画像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置１００であって、バックライトユニット１は、液晶表示素子２を照明する光（照明光Ｉ）を出射する光源１０と、複数のレンズ４１が配置され、光源１０から出射される光を分割して光源１０の像を複数生成するレンズアレイ４０と、光源１０の像から出射される光を液晶表示素子２の表示領域Ａに対応するように集光する集光手段（第１，第２のフォーカスレンズ５１，５２）と、を備え、レンズアレイ４０は、周辺におけるレンズ４１の配光角度θ２が中央におけるレンズ４１の配光角度θ１と異なるように構成されている。
この構成により、レンズアレイ４０の周辺においても、第１，第２のフォーカスレンズ５１，５２の収差に係わらず、レンズ４１で生成される光源１０の像からの照明光Ｉを液晶表示素子２の表示領域Ａ全体に照射することができ、液晶表示素子２の表示領域Ａにおける照明ムラを抑制することができる。

また、レンズアレイ４０は、周辺のレンズ４１のアレイピッチＷ２が中央のレンズ４１のアレイピッチＷ１よりも大きくなるように構成されている。
これにより、容易に周辺のレンズ４１の配光角度θ２を中央のレンズ４１の配光角度θ１と異ならせることができる。

また、レンズアレイ４０は、周辺のレンズ４１の焦点距離が中央のレンズ４１の焦点距離よりも短くなるように構成されてもよい。
これにより、容易に周辺のレンズ４１の配光角度θ２を中央のレンズ４１の配光角度θ１と異ならせることができる。

また、レンズアレイ４０は、長方形状にレンズ４１が配置されており、前記長方形状の長手方向に対して、周辺におけるレンズ４１の配光角度θ２が中央におけるレンズ４１の配光角度θ１と異なるように構成されている。
これによれば、光軸ＡＸからの距離が遠くより照明ムラが生じやすい領域について、液晶表示素子２の表示領域Ａにおける照明ムラを抑制することができる。なお、レンズアレイ４０が長方形状にレンズ４１が配置される場合であっても、全体の大きさが大きい場合には、長方形状の短手方向に対しても、周辺におけるレンズ４１の配光角度が中央におけるレンズ４１の配光角度と異なるように構成してもよい。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

以上では、集光手段が２枚のフォーカスレンズで構成される例を説明したが、集光手段は、１枚又は３枚以上のフォーカスレンズで構成されていてもよい。また、集光手段は、凹面鏡を含んでもよい。

また、液晶表示素子２の照明性能を満足する限りにおいては、バックライトユニット１において、レンズ、反射部６０以外のリフレクタ等の光学部品を適宜、追加、削除することもできる。

また、ＨＵＤ装置１００を、平面鏡４と凹面鏡５とのいずれか一方を用いないで構成することも可能であるし、いずれも用いずに構成することも可能である。

また、以上の説明では、表示光Ｌを車両ＣのウインドシールドＳで反射させることで、表示画像をユーザＵに視認させる例を示したが、これに限られない。ＨＵＤ装置１００が専用のコンバイナを備え、コンバイナで表示光Ｌを反射させることで表示画像を視認させてもよい。

また、以上の説明では、ＨＵＤ装置１００が搭載される乗り物の一例を車両Ｃとしたが、これに限られない。ＨＵＤ装置１００は、オートバイ等の他の車両、建設機械、農耕機械、船舶、航空機等に搭載されるものであってもよい。

なお、本発明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。本発明の要
旨を変更しない範囲で、適宜、実施形態及び図面に変更（構成要素の削除も含む）を加え
ることが可能である。

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に好適である。

１００ ＨＵＤ装置
１ バックライトユニット
１０ 光源
２０ 平行光生成手段
３０ 照度均一化手段
４０ レンズアレイ
４０Ａ 中央部
４０Ｂ 左周辺部
４０Ｃ 右周辺部
４１ レンズ
５１ 第１のフォーカスレンズ
５２ 第２のフォーカスレンズ
６０ 反射部
７０ 拡散板
８０ ケース体
９０ カバー部材
Ｉ 照明光
２ 液晶表示素子
３ 表示器
６ 筐体
６ａ上部開口部（出射口）
Ｌ 表示光
Ｖ 虚像
Ｕ ユーザ

Claims (4)

1. バックライトユニットと表示素子とを備える表示器から発せられる表示光を投射手段を介して観察者の視点領域に投射して前記表示光が表す画像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記バックライトユニットは、
   前記表示素子を照明する光を出射する光源と、
   複数のレンズが配置され、前記光源から出射される光を分割して前記光源の像を複数生成するレンズアレイと、
   前記光源の像から出射される光を前記表示素子の表示領域に対応するように集光する集光手段と、を備え、
   前記レンズアレイは、周辺におけるレンズの配光角度が中央におけるレンズの配光角度よりも大きくなるように構成されていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記レンズアレイは、周辺のレンズのアレイピッチが中央のレンズのアレイピッチよりも大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記レンズアレイは、周辺のレンズの焦点距離が中央のレンズの焦点距離よりも短くなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記レンズアレイは、長方形状に前記レンズが配置されており、前記長方形状の長手方向に対して、周辺におけるレンズの配光角度が中央におけるレンズの配光角度と異なるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

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