JP6572856B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体に搭載され、乗員により視認可能に虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置を略称とする）に関する。

従来、移動体に搭載され、乗員により視認可能に虚像を表示するＨＵＤ装置が知られている。特許文献１に開示のＨＵＤ装置は、投射部及び導光部を備えている。投射部は、画像の表示光を直線偏光として投射する。導光部は、当該表示光を投影部材へと導光する光路を形成する。

ここで、導光部は、光学レンズ及び円偏光板を有している。光学レンズは、光路上に配置され、投影部材側からの光を投影部材側へ反射可能に設けられた反射面を有する。円偏光板は、光路上において光学レンズよりも投影部材側に配置され、１／４波長板と直線偏光板とを貼り合わせたものである。

こうしたＨＵＤ装置において、投影部材側から導光部に入射した例えば太陽光等の外乱光は、直線偏光板により直線偏光に変換された後、１／４波長板により円偏光に変換され、さらに光学レンズの反射面に反射されることで、反射前とは逆回りの円偏光となる。そして逆回りの円偏光となった外乱光は、１／４波長板により直線偏光に変換されるが、その偏光方向は、直線偏光板の遮光軸に沿ったものとなる。すなわち、外乱光が直線偏光板に遮光されるため、当該外乱光の投影部材への投影が抑制されて、虚像に映り込み難くなる。

特開２０１５−２２２３３７号公報

しかしながら、特許文献１のＨＵＤ装置では、投射部からの表示光は、光学レンズを透過した後、さらに１／４波長板により円偏光に変換された後で、直線偏光板に入射する。このため、表示光の約半分は直線偏光板で吸収されてしまう。この結果、虚像の輝度が低下してしまうので、外乱光が映り込み難くなるものの、虚像のコントラストという観点では、良好とはいえなかった。

本発明は、以上説明した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、虚像のコントラストを高めることにより、当該虚像の視認性が良好なＨＵＤ装置を提供することにある。

開示される発明のひとつは、移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、乗員により視認可能に画像を虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
画像の表示光を直線偏光として投射する投射部（１０，３１０）と、
表示光を投影部材へと導光する光路（ＯＰ）を形成する導光部（３０，２３０，４３０）と、を備え、
導光部は、
光路上に配置され、投射部からの直線偏光の表示光を円偏光に変換すると共に、投影部材側を向き、投影部材側からの光を投影部材側へ反射可能に設けられた反射面（３３）を有する第１位相子（３２，４３２）と、
光路上において第１位相子よりも投影部材側に配置され、第１位相子により円偏光に変換された表示光に１／４波長分の位相差を付与することによって直線偏光に変換する第２位相子（３７，２３７）と、
光路上において第２位相子よりも投影部材側に配置され、偏光方向が導光軸（４７ａ）に沿った光を導光すると共に、偏光方向が導光軸とは直交する遮光軸（４７ｂ）に沿った光を遮光する直線偏光子であって、第２位相子により直線偏光に変換された表示光の偏光方向に、導光軸を合わせて設けられていることで、表示光を投影部材側へと導光する直線偏光子（４７）と、
反射導光面（４２）での反射により表示光を導光する反射鏡（４１）と、を有し、
第２位相子は、反射導光面を介して反射鏡と積層状態で配置された１／８波長板である。
また、開示される発明の他のひとつは、移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、乗員により視認可能に画像を虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
画像の表示光を直線偏光として投射する投射部（１０，３１０）と、
表示光を投影部材へと導光する光路（ＯＰ）を形成する導光部（３０，２３０，４３０）と、を備え、
導光部は、
光路上に配置され、投射部からの直線偏光の表示光を円偏光に変換すると共に、投影部材側を向き、投影部材側からの光を投影部材側へ反射可能に設けられた反射面（３３）を有する第１位相子（３２，４３２）と、
光路上において第１位相子よりも投影部材側に配置され、第１位相子により円偏光に変換された表示光に１／４波長分の位相差を付与することによって直線偏光に変換する第２位相子（３７，２３７）と、
光路上において第２位相子よりも投影部材側に配置され、偏光方向が導光軸（４７ａ）に沿った光を導光すると共に、偏光方向が導光軸とは直交する遮光軸（４７ｂ）に沿った光を遮光する直線偏光子であって、第２位相子により直線偏光に変換された表示光の偏光方向に、導光軸を合わせて設けられていることで、表示光を投影部材側へと導光する直線偏光子（４７）と、
光路上において、光学多層膜（２４３）での反射により表示光を導光する多層膜反射鏡（２４１）と、を有し、
第２位相子は、表示光を透過可能に設けられた１／４波長板であり、第１位相子と多層膜反射鏡との間に配置されている。

このような発明によると、投射部から直線偏光として投射された表示光は、第１位相子により円偏光に変換され、その後、第２位相子により再び直線偏光となる。そして、直線偏光子は、第２位相子により直線偏光に変換された表示光の偏光方向に、導光軸を合わせて設けられているので、表示光は投影部材側へと導光される。こうして表示光の直線偏光子での遮光を抑制しつつ、当該表示光が投影部材に投影されるので、表示される虚像の輝度低下は、抑制される。

一方、投影部材側から導光部へと入射し得る例えば太陽光等の外乱光は、直線偏光子により約半分が遮光され、外乱光のうち直線偏光子を投射部側に導光されるものは、偏光方向が当該直線偏光子の導光軸に沿った直線偏光となる。こうした外乱光が第２位相子に入射すると、外乱光のうち表示光に近い波長の光は、第２位相子から１／４波長分の位相差を付与されることで、円偏光に変換される。第２位相子により円偏光に変換された投影部材側からの外乱光は、第１位相子の反射面により投影部材側へ反射される。この際、外乱光は反射前とは逆回りの円偏光となるので、再び第２位相子に入射して１／４波長分の位相差が付与されると、最初の第２位相子入射時とは直交した偏光方向の直線偏光に変換される。したがって、再び直線偏光子に入射する際には、外乱光の偏光方向が当該直線偏光子の遮光軸に沿っているので、当該外乱光は当該直線偏光子に遮光される。

この結果、外乱光が導光部に１度入射すると、直線偏光子から投影部材側へ導光され難くなるので、当該外乱光の投影部材への投影が抑制されて、虚像に映り込み難くなる。故に、表示光による虚像の輝度低下を抑制と、虚像へのバックグラウンド光の映り込みの抑制とを両立して、虚像のコントラストを高めることにより、当該虚像の視認性が良好なＨＵＤ装置を提供することができる。

なお、括弧内の符号は、記載内容の理解を容易にすべく、後述する実施形態において対応する構成を例示するものに留まり、発明の内容を限定することを意図したものではない。

第１実施形態におけるＨＵＤ装置の車両への搭載状態を示す図である。 第１実施形態における投射部を示す図である。 第１実施形態におけるＨＵＤ装置の概略構成を示す図である。 第１実施形態における表示光及び外乱光の振る舞いを説明するための図である。 第２実施形態におけるＨＵＤ装置の概略構成を示す図である。 変形例１における投射部を示す図である。 変形例１のうち一例におけるＨＵＤ装置の概略構成を示す図である。 変形例１のうち他の一例におけるＨＵＤ装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。

（第１実施形態）
図１に示すように、本発明の第１実施形態によるＨＵＤ装置１００は、移動体の一種である車両１に搭載され、インストルメントパネル２内に収容されている。ＨＵＤ装置１００は、車両１の投影部材としてのウインドシールド３へ画像を投影する。これにより、ＨＵＤ装置１００は、乗員により視認可能に画像を虚像表示する。すなわち、ウインドシールド３に反射される画像の表示光が、車両１の室内に設定された視認領域ＥＢに到達することにより、視認領域ＥＢ内にアイポイントＥＰが位置する乗員が当該表示光を虚像ＶＩとして知覚する。そして、乗員は、虚像ＶＩとして表示される各種情報を認識することができる。虚像ＶＩとして表示される各種情報としては、例えば車速、燃料残量等の車両状態値、また、道路情報、視界補助情報等の車両情報が挙げられる。

車両１のウインドシールド３は、透光性のガラスないしは合成樹脂により板状に形成されている。ウインドシールド３は、表示光が投影される投影面３ａを滑らかな凹面状又は平面状に形成している。なお、投影部材として、車両１と別体となっているコンバイナを車両１内に設置して、当該コンバイナに画像を投影するものであってもよい。また、ＨＵＤ装置１００自体が、投影部材としてのコンバイナを備えていてもよい。

視認領域ＥＢは、ＨＵＤ装置１００により表示される虚像ＶＩが視認可能となる空間領域である。典型的には、視認領域ＥＢは、車両１に設定されたアイリプスと重なるように設けられる。アイリプスは、乗員としての運転者のアイポイントＥＰの分布を統計的に表したアイレンジに基づいて、設定されている（詳細は、ＪＩＳＤ００２１：１９９８参照）。

このようなＨＵＤ装置１００の具体的構成を、以下に説明する。ＨＵＤ装置１００は、投射部１０及び導光部３０を備えている。投射部１０及び導光部３０は、ＨＵＤ装置１００のハウジング５０に収容されている。

投射部１０は、図２に示すように、光源１２、コンデンサレンズ１４、フィールドレンズ１６及び液晶パネル２０を有し、例えば箱状のケーシングにこれらを収容して形成されている。

光源１２は、例えば複数の発光素子１２ａの配列により構成されている。本実施形態における発光素子１２ａは、光源用回路基板１２ｂ上に配置され、電源と接続されている発光ダイオード素子である。各発光素子１２ａは、通電により電流量に応じた発光量で光を発する。より詳細には、各発光素子１２ａでは、例えば青色発光ダイオードを蛍光体で覆うことにより、疑似白色での発光が実現されている。本実施形態では、発光素子１２ａは３つ設けられている。

コンデンサレンズ１４及びフィールドレンズ１６は、光源１２と液晶パネル２０との間に配置されている。コンデンサレンズ１４は、例えば合成樹脂ないしはガラス等により透光性を有して形成されている。特に本実施形態のコンデンサレンズ１４は、複数の凸レンズ素子１４ａが発光素子１２ａの数及び配置に合わせて配列されたレンズアレイとなっている。コンデンサレンズ１４は、光源側から入射した光を集光してフィールドレンズ１６側へ射出する。

フィールドレンズ１６は、コンデンサレンズ１４と液晶パネル２０との間に配置され、例えば合成樹脂ないしはガラス等により透光性を有して形成されている。特に本実施形態のフィールドレンズ１６は、平板状に形成されたフレネルレンズとなっている。フィールドレンズ１６は、コンデンサレンズ１４側から入射した光をさらに集光して液晶パネル２０側へ向けて射出する。

本実施形態の液晶パネル２０は、図２，３に示すように、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、ＴＦＴ）を用いた液晶パネルであって、例えば２方向に配列された複数の液晶画素から形成されたアクティブマトリクス型の液晶パネルである。液晶パネル２０では、一対の直線偏光板及び一対の直線偏光板に挟まれた液晶層等が積層されている。各直線偏光板は、偏光方向が導光軸に沿った光を導光すると共に、偏光方向が遮光軸に沿った光を遮光する性質を有する。一対の直線偏光板は、導光軸を互いに実質直交して配置されている。液晶層は、液晶画素毎の電圧印加により、印加電圧に応じて液晶層に入射する光の偏光方向を回転させることが可能となっている。

液晶パネル２０は、コンデンサレンズ１４側からの光の入射により、液晶画素毎の当該光の透過率を制御して、表示面２０ａから射出される表示光によって画像を形成することが可能となっている。隣り合う液晶画素には、互いに異なる色（例えば、赤、緑、及び青）のカラーフィルタが設けられており、これらの組み合わせに様々な色が実現されるようになっている。ここで、表示光は、偏光方向が表示面２０ａ側の直線偏光板２１の導光軸２１ａ及び遮光軸２１ｂのうち、導光軸２１ａ（図４も参照）に沿った直線偏光として、当該表示面２０ａから射出される。

こうした液晶パネル２０により、投射部１０は、画像の表示光を直線偏光として投射する。図３に示すように、投射部１０により投射された表示光は、導光部３０が形成している光路ＯＰを経て、ウインドシールド３へと導光される。導光部３０は、第１位相子３２、反射部材３６、拡大鏡４４、及び直線偏光子４７を有している。

第１位相子３２は、光路ＯＰ上に配置されている。具体的に第１位相子３２は、平板状に形成された１／４波長板であり、貼り合わせにより、表示面２０ａを介して液晶パネル２０と積層状態で配置されている。第１位相子３２の光学軸３２ａ（図４も参照）は、液晶パネル２０の直線偏光板２１の導光軸２１ａに対して、実質的に４５度の角度をなすように配置されている。なお、本実施形態でいう光学軸３２ａ又は３７ａとは、位相子３２又は３７を組成する結晶において、色分散をもつ軸（いわゆるＣ軸）を示す。

表示光が第１位相子３２を透過すると、電場の振動方向が光学軸３２ａに平行な成分と光学軸３２ａに垂直な成分との間で、実質１／４波長分の位相差が生じる。今、第１位相子３２に入射する表示光の偏光方向は、光学軸３２ａに対して４５度の角度を成しているので、こうした第１位相子３２よる表示光への１／４波長分の位相差の付与により、実質的に、当該表示光は直線偏光から円偏光に変換される。こうして第１位相子３２の透過により円偏光に変換された表示光は、反射部材３６に入射するようになっている。

反射部材３６は、光路ＯＰ上において、第１位相子３２よりもウインドシールド３側に配置されている。反射部材３６は、反射鏡４１と第２位相子３７とを貼り合わせにより積層して形成されている。

反射鏡４１は、例えば合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、反射導光面４２としてアルミニウム等の金属を蒸着させること等により形成されている。反射導光面４２は、滑らかな平面状に形成されており、表示光を導光するために設けられている。

第２位相子３７は、具体的に平板状に形成された１／８波長板であり、反射導光面４２を介して反射鏡４１と積層状態で配置されている。第２位相子３７の光学軸３７ａ（図４も参照）は、後述する直線偏光子４７の配置に応じて設定されている。換言すると、第１位相子３２の光学軸３２ａと第２位相子３７の光学軸３７ａとの配置の関係性は、特別に要求されず、光学軸３２ａ，３７ａは、各々独立に設定され得る。

第２位相子３７において反射導光面４２とは反対側の表面である露出面３８では、空気の屈折率と第２位相子３７の結晶の屈折率とによる屈折率差が存在するため、第２位相子３７の露出面３８に入射する表示光の一部は、当該露出面３８にて反射し得る。しかしながら、第２位相子３７において反射導光面４２側の表面と当該反射導光面４２との界面では、反射導光面４２を構成する金属によって金属反射が実現されるため、より高い反射率がとなっている。このため、表示光の多くは、光路ＯＰとして、露出面３８を透過し、反射導光面４２で反射され、また露出面３８から射出する光路、すなわち１／８波長板を往復する光路をとるように振る舞う。

したがって、表示光が第２位相子３７を往復すると、当該表示光には、１／８波長分と１／８波長分とを足し合わせた実質１／４波長分の位相差が付与されることとなり、表示光は、実質的に、偏光方向が第２位相子３７の光学軸３７ａに対して４５度の角度をなす直線偏光に変換される。ここで１／４波長分の位相差を実現するために、表示光の反射部材３６への入射角及び反射角が極力小さくなるように設計されるか、当該入射角及び反射角を考慮して第２位相子３７が調整されることがより好ましい。こうして第２位相子３７の往復により直線偏光に変換された表示光は、拡大鏡４４に入射するようになっている。

拡大鏡４４は、光路ＯＰ上において、第１位相子３２及び反射部材３６よりもウインドシールド３側に配置されている。拡大鏡４４は、例えば合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、反射導光面４５としてアルミニウム等の金属を蒸着させること等により形成されている。反射導光面４５は、拡大鏡４４の中心が凹む凹状に湾曲することで、滑らかな凹面状に形成されている。拡大鏡４４に入射した表示光は、反射導光面４５により、直線偏光子４７へ向けて反射されるようになっている。

また、拡大鏡４４は、ステッピングモータと連結された連結軸まわりに回転可能となっている。回転により反射導光面４５の向きが変わることで、虚像ＶＩの位置を乗員の座高等に合わせて上下移動させることができるようになっている。

直線偏光子４７は、光路ＯＰ上において、第１位相子３２、反射部材３６、及び拡大鏡４４よりもウインドシールド３側に配置されている。直線偏光子４７は、偏光方向が導光軸４７ａ（図４も参照）に沿った光を導光すると共に、偏光方向が遮光軸４７ｂ（図４も参照）に沿った光を遮光する性質を有する。

特に本実施形態の直線偏光子４７は、例えばポリビニルアルコールにヨウ素を添加したフィルムを主としてシート状ないしは板状に形成され、ヨウ素分子の配向方向によって導光軸４７ａと遮光軸４７ｂとが実質直交して形成されている。こうした直線偏光子４７では、導光軸４７ａは、これに対応する偏光方向の光を透過させる透過軸となっており、遮光軸４７ｂは、これに対応する偏光方向の光を吸収する吸収軸となっている。

また、本実施形態の直線偏光子４７は、インストルメントパネル２の上面部及びハウジング５０の当該上面部に対応する箇所に開けられた導光窓の全面を塞ぐように設けられることで、塵等のハウジング５０内への侵入を防ぐ防塵カバーとしても機能している。

直線偏光子４７は、第２位相子３７により直線偏光に変換された後、拡大鏡４４を反射して当該直線偏光子４７に入射する表示光の偏光方向に、導光軸４７ａを合わせて設けられている。ここで、導光軸４７ａを偏光方向に合わせるとは、導光軸４７ａの方向と偏光方向とが４５度未満の角度をなしていることを意味する。特に本実施形態では、直線偏光子４７は、表示光の偏光方向に、導光軸４７ａを実質一致させて設けられている。このため、表示光の多くは、直線偏光子４７を透過し、ウインドシールド３側へと導光されることとなる。

ここでウインドシールド３での反射率を高めるために、表示光がウインドシールド３にｓ偏光で入射することが好ましい。このため、直線偏光子４７の導光軸４７ａは、表示光がウインドシールド３にｓ偏光で入射するように、配置される。すなわち、第２位相子３７の光学軸３７ａの方向も、ウインドシールド３との位置関係から自ずと決まってくる。

こうして表示光は、投射部１０から第１位相子３２、反射部材３６、拡大鏡４４、及び直線偏光子４７を経てウインドシールド３に至る光路ＯＰを通じて、当該ウインドシールド３に到達する。さらにウインドシールド３に反射された表示光が視認領域ＥＢに到達することで、乗員が虚像ＶＩを視認可能となるのである。

一方、ＨＵＤ装置１００を搭載した車両１では、図４にも示すように、例えば太陽光等の外乱光が車外からウインドシールド３を透過した後、さらに導光窓２ａを通じてハウジング５０の内部に入射し得る。こうした外乱光の一部は、光路ＯＰを逆行し得る。導光部３０における外乱光の振る舞いについて、以下に説明する。

外乱光は、例えば太陽光の場合、ランダム偏光である。このため、ウインドシールド３側から直線偏光子４７に入射する外乱光の半分程度は、直線偏光子４７により吸収され、残りは偏光方向が導光軸４７ａに沿った直線偏光として、当該直線偏光子４７を透過する。また、直線偏光子４７のウインドシールド３側の表面４８で反射される外乱光も存在するが、当該表面４８の向きを調整することで、ウインドシールド３を反射して視認領域ＥＢに到達することを抑制できる。

直線偏光子４７を透過した外乱光は、拡大鏡４４にて反射され、反射部材３６に入射し得る。反射部材３６では、表示光と同様に、外乱光のうち表示光に近い波長の光は、１／８波長板としての第２位相子３７の往復により１／４波長分の位相差が付与されることで、実質的に、円偏光に変換される。

第２位相子３７により円偏光に変換された外乱光は、第１位相子３２に入射する。ここで、第１位相子３２は液晶パネル２０と貼り合わされている。第１位相子３２の液晶パネル２０とは反対側の表面であり、光路ＯＰ上のウインドシールド３側を向く露出面３３では、空気の屈折率と第１位相子３２の結晶の屈折率とによる屈折率差が存在する。一方、第１位相子３２の液晶パネル２０側の表面と液晶パネル２０の表示面２０ａとの界面では、屈折率差が僅かに存在し得るが、先述の露出面３３側の屈折率差よりは小さい。このため、外乱光は、主に、第１位相子３２の液晶パネル２０とは反対側の露出面３３で反射されることとなる。したがって、当該露出面３３は、光路ＯＰにおいて、ウインドシールド３側からの外乱光をウインドシールド３側へ折り返して反射する折り返し反射面として機能する。このため、外乱光の多くは、第１位相子３２により位相差が付与されることなく、露出面３３にて反射されることで、入射前後で逆回りの円偏光となる。

こうした外乱光は、再び反射部材３６に入射して、１／８波長板としての第２位相子３７の往復により１／４波長分の位相差が付与されることとなるが、光路ＯＰを逆行していたときとは逆回りの円偏光であるため、最初の第２位相子３７入射時とは実質直交した偏光方向の直線偏光に変換される。

第２位相子３７により直線偏光に変換された外乱光が拡大鏡４４に再び反射され、直線偏光子４７に到達すると、当該外乱光の偏光方向が直線偏光子４７の遮光軸４７ｂに沿っているので、当該外乱光は当該直線偏光子４７に吸収される。なお、図４の下方には、各光学要素２１，３２，３７，４７における各軸２１ａ，２１ｂ，３２ａ，３７ａ，４７ａ，４７ｂの方向が例示されているが、上述の説明における機能が発揮されるように各軸２１ａ，２１ｂ，３２ａ，３７ａ，４７ａ，４７ｂが設定されていれば、図４に例示した方向に限られない。

また、外乱光の直線偏光子４７への入射角が表示光とは異なっていることにより、導光部３０の光路ＯＰから外れる外乱光も存在し得るが、こうした外乱光は、ハウジング５０の内面５２に吸収機能が設けられていることにより、吸収されるようになっている。

（作用効果）
以上説明した第１実施形態の作用効果を以下に説明する。

第１実施形態によると、投射部１０から直線偏光として投射された表示光は、第１位相子３２により円偏光に変換され、その後、第２位相子３７により再び直線偏光となる。そして、直線偏光子４７は、第２位相子３７により直線偏光に変換された表示光の偏光方向に、導光軸４７ａを合わせて設けられているので、表示光はウインドシールド３側へと導光される。こうして表示光の直線偏光子４７での遮光を抑制しつつ、当該表示光がウインドシールド３に投影されるので、表示される虚像ＶＩの輝度低下は、抑制される。

一方、ウインドシールド３側から導光部３０へと入射し得る例えば太陽光等の外乱光は、直線偏光子４７により約半分が遮光され、外乱光のうち直線偏光子４７を投射部１０側に導光されるものは、偏光方向が当該直線偏光子４７の導光軸４７ａに沿った直線偏光となる。こうした外乱光が第２位相子３７に入射すると、第２位相子３７から１／４波長分の位相差を付与されることで、円偏光に変換される。第２位相子３７により円偏光に変換されたウインドシールド３側からの外乱光は、第１位相子３２の反射面としての露出面３３によりウインドシールド３側へ反射される。この際、外乱光は反射前とは逆回りの円偏光となるので、再び第２位相子３７に入射して１／４波長分の位相差が付与されると、最初の第２位相子３７入射時とは直交した偏光方向の直線偏光に変換される。したがって、再び直線偏光子４７に入射する際には、外乱光の偏光方向が当該直線偏光子４７の遮光軸４７ｂに沿っているので、当該外乱光は当該直線偏光子４７に遮光される。

この結果、外乱光が導光部３０に１度入射すると、直線偏光子４７からウインドシールド３側へ導光され難くなるので、当該外乱光のウインドシールド３への投影が抑制されて、虚像ＶＩに映り込み難くなる。故に、表示光による虚像ＶＩの輝度低下を抑制と、虚像ＶＩへのバックグラウンド光の映り込みの抑制とを両立して、虚像ＶＩのコントラストを高めることにより、当該虚像ＶＩの視認性が良好なＨＵＤ装置１００を提供することができる。

また、第１実施形態によると、第２位相子３７は、反射導光面４２を介して反射鏡４１と積層状態で配置された１／８波長板である。このような積層によれば、表示光及び外乱光に対して、反射導光面４２での反射時の第２位相子３７内の往復により１／４波長分の位相差を付与することができる。したがって、部品点数の増加を抑制しつつ、虚像ＶＩのコントラストを高めることができる。

また、第１実施形態によると、第１位相子３２は、表示面２０ａを介して液晶パネル２０と積層状態で配置された１／４波長板である。こうした貼り合わせによれば、ウインドシールド３側を向く反射面としての露出面３３における屈折率差に対して、第１位相子３２と液晶パネル２０との界面における屈折率差を小さくことができる。このため、当該界面での反射が少なくなり、外乱光のうち露出面３３で反射して直線偏光子４７で遮光される光の割合を確実に高めることができ、外乱光のウインドシールド３への投影の抑制効果が高まる。

また、第１実施形態によると、導光軸４７ａは、第２位相子３７により直線偏光に変換された表示光の偏光方向に一致している。このため、殆どの表示光は、直線偏光子４７を透過可能となるので、虚像ＶＩの輝度低下がより確実に抑制される。

（第２実施形態）
図５に示すように、本発明の第２実施形態は第１実施形態の変形例である。第２実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。

第２実施形態のＨＵＤ装置２００における導光部２３０は、第１位相子３２、第２位相子２３７、多層膜反射鏡２４１、拡大鏡４４、及び直線偏光子４７を有している。このうち第１位相子３２、拡大鏡４４、及び直線偏光子４７に関しては、第１実施形態と同様となっている。

第２位相子２３７は、光路ＯＰ上において、第１位相子３２よりもウインドシールド３側に、特に第１位相子３２と多層膜反射鏡２４１との間に配置されている。具体的に第２位相子２３７は、平板状に形成された１／４波長板である。第２位相子２３７の光学軸３７ａは、第１実施形態と同様に直線偏光子４７の配置に応じて設定され、さらには多層膜反射鏡２４１の配置に応じて設定されている。

第１位相子３２にて円偏光に変換された表示光が第２位相子２３７を透過すると、第２位相子２３７よる表示光への１／４波長分の位相差の付与により、実質的に、当該表示光は円偏光から直線偏光に変換される。こうして直線偏光に変換された表示光は、多層膜反射鏡２４１に入射する。

多層膜反射鏡２４１は、光路ＯＰ上において、第１位相子３２及び第２位相子２３７よりもウインドシールド３側に配置されている。多層膜反射鏡２４１は、光学多層膜２４３での反射により表示光を導光する反射鏡である。具体的に、多層膜反射鏡２４１は、透光性基板２４２の表示光が入射する側の表面に、光学多層膜２４３を積層して設けられている。

透光性基板２４２は、例えば合成樹脂ないしはガラス等により可視光域、赤外域、及び紫外域の多くの波長に対して透光性を有する平板状に形成されている。

光学多層膜２４３は、２種類以上の互いに屈折率が異なる光学材料からなる薄膜を積層して形成されている。薄膜としては、誘電体薄膜ないしは金属薄膜を採用可能であり、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等を採用することが可能である。

各薄膜における各膜厚は、例えば、所望の光学性能に基づいた条件設定の下、コンピュータによる最適化計算によって適宜設定される。特に本実施形態の光学多層膜２４３では、可視光域の波長に対する反射率に対し、赤外域及び紫外域の波長に対する反射率が低い光学性能が実現されている。こうした光学性能により、多層膜反射鏡２４１は、虚像ＶＩの視認に寄与する表示光を確実に反射しつつも、光路ＯＰを逆行する外乱光のうち赤外光及び紫外光を透過させて光路ＯＰ外に排除するコールドミラーとして機能している。なお、排除された赤外光及び紫外光は、例えばハウジング５０の内面５２にて吸収される。

こうして第２位相子２３７により直線偏光に変換された表示光は、多層膜反射鏡２４１にｓ偏光で入射し、光学多層膜２４３により反射される。一般的に、光学多層膜２４３の積層方向に斜めに光が入射すると、ｓ偏光の成分とｐ偏光の成分との間で位相が乱れ、例えば虚像ＶＩが変色してしまう等の種々の問題が生じ得る。しかしながら、本実施形態では、第２位相子２３７が光路ＯＰ上において第１位相子３２と多層膜反射鏡２４１との間に配置され、表示光を多層膜反射鏡２４１にｓ偏光で入射させることでこれを回避している。

直線偏光子４７は、第１実施形態と同様に、第２位相子２３７により直線偏光に変換された後、多層膜反射鏡２４１及び拡大鏡４４を反射して当該直線偏光子４７に入射する表示光の偏光方向に、導光軸４７ａを合わせて設けられている。

第２実施形態のＨＵＤ装置１００の内部にも、第１実施形態と同様に、外乱光が入射し得る。直線偏光子４７を透過した外乱光は、拡大鏡４４にて反射され、多層膜反射鏡２４１に入射し得る。ここで、赤外光及び紫外光については上述の通りだが、可視光は多層膜反射鏡２４１に反射され、直線偏光として第２位相子２３７に入射する。直線偏光の表示光は、第２位相子２３７の透過により１／４波長分の位相差が付与されることで、実質的に、円偏光に変換される。

第２位相子２３７により円偏光に変換された外乱光は、第１位相子３２に入射することとなるが、第１実施形態と同様に多くは、露出面３３にて反射されることで、第１位相子３２により位相差が付与されることなく、入射前後で逆回りの円偏光となる。

こうした外乱光は、再び第２位相子２３７の透過により１／４波長分の位相差が付与されることとなるが、光路ＯＰを逆行していたときとは逆回りの円偏光であるため、最初の第２位相子２３７入射時とは直交した偏光方向の直線偏光に変換される。

第２位相子２３７により直線偏光に変換された外乱光が多層膜反射鏡２４１及び拡大鏡４４に再び反射され、直線偏光子４７に到達すると、当該外乱光の偏光方向が直線偏光子４７の遮光軸４７ｂに沿っているので、当該外乱光は当該直線偏光子４７に吸収される。

なお、本実施形態のように、第２位相子２３７を光軸に対して傾斜配置すると、外乱光が第２位相子２３７に入射する際に、その一部が第２位相子２３７の表面で反射され、光路ＯＰ外に排除される。光路ＯＰ外に排除された外乱光は、例えばハウジング５０の内面５２にて吸収される。

以上説明した第２実施形態によると、第２位相子２３７は、表示光を透過可能に設けられた１／４波長板である。こうした第２位相子２３７が光路ＯＰ上に配置されることで、確実に表示光及び外乱光に対して１／４波長分の位相差を付与することができる。

また、第２実施形態によると、第２位相子２３７は、第１位相子３２と多層膜反射鏡２４１との間に配置されている。こうした配置では、表示光が第２位相子２３７により直線偏光に変換された後、光学多層膜２４３に入射することとなるので、表示光が光学多層膜２４３に反射される際に、位相が乱れてしまう事態を抑制可能となる。したがって、虚像ＶＩの視認性が良好なものとなる。

（他の実施形態）
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。

具体的に、変形例１としては、液晶パネル２０を用いた構成以外の投射部３１０を採用することができる。例えば図６に示すように、投射部３１０は、レーザ光束を走査してスクリーン３２０に描画することにより、画像の表示光を直線偏光として投射するものであってもよい。この投射部３１０は、複数のレーザ発振器３１２、複数のコリメートレンズ３１４、折り返しミラー３１６、複数のダイクロイックミラー３１７、走査ミラー３１８、及びスクリーン３２０を有している。

３つのレーザ発振器３１２は、波長が互いに異なるレーザ光束を発振する。レーザ発振器３１２としては、例えばダイオードレーザが採用されることで、直線偏光のレーザ光束が発振可能となる。各レーザ発振器３１２から発振された各色のレーザ光束は、それぞれ対応するコリメートレンズ３１４を透過した後、折り返しミラー３１６及びダイクロイックミラー３１７により互いに重ね合される。

重ね合されたレーザ光束は、走査ミラー３１８に入射する。走査ミラー３１８の反射面３１８ａは、実質直交する２つの回転軸Ａｘ，Ａｙまわりに回動可能となっている。反射面３１８ａが向きを変えながらレーザ光束を反射することで、スクリーン３２０上の投射領域ＰＡに画像を描画することが可能となっている。

ここで、スクリーン３２０は、図７のＨＵＤ装置３００に示すように、透過型のスクリーンであって、レーザ光束を透過可能なレンズアレイ状に形成されている。スクリーン３２０のレーザ光束の入射側の表面において、凸状又は凹状に湾曲する曲面を有する屈折素子３２１が格子状に配列されて形成されている。レーザ光束は、屈折素子３２１に屈折されて、スクリーン３２０の射出後においてそのスポット径が拡大されるようになっている。

こうした投射部３１０に対して、第１位相子３２は、平板状に形成された１／４波長板であり、貼り合わせにより、スクリーン３２０の射出側の表面を介してスクリーン３２０と積層状態で配置されている。このような構成によっても、第１実施形態及び第２実施形態に準じた作用効果を奏することが可能となる。

さらには図８のＨＵＤ装置４００に示すように、投射部３１０に対して、投射部４１０のスクリーン４２０を反射型に変更してもよい。この場合には、導光部４３０の第１位相子４３２として１／８波長板が採用される。すなわち、スクリーン４２０でのレーザ光束の反射前後に、レーザ光束が第１位相子４３２を往復するようにすることで、レーザ光束を直線偏光から円偏光に変換することができる。

変形例２としては、直線偏光子４７は、導光窓２ａを塞ぐように配置されたものに限らない。例えば第１実施形態の光路ＯＰ上において、反射部材３６と拡大鏡４４との間に、直線偏光子４７を配置してもよい。また例えば、第２実施形態の光路ＯＰ上において、第２位相子２３７と多層膜反射鏡２４１との間に、直線偏光子４７を配置してもよい。この場合に、第２位相子２３７と直線偏光子４７とは、積層状態で配置されていてもよい。

第１実施形態に関する変形例３としては、反射部材３６を設けずに、１／８波長板の第２位相子３７を反射導光面４５を介して拡大鏡４４と積層状態で設ける構成が採用されてもよい。

第２実施形態に関する変形例４としては、第２位相子３７により直線偏光に変換された表示光を、多層膜反射鏡２４１にｐ偏光で入射する構成が採用されてもよい。

第２実施形態に関する変形例５としては、多層膜反射鏡２４１を、第１実施形態と同様の反射鏡４１に置換してもよい。

変形例６としては、車両１以外の船舶ないしは飛行機等の各種移動体（輸送機器）に、本発明を適用してもよい。

１ 車両（移動体）、３ ウインドシールド（投影部材）、１０，３１０ 投射部、２０ 液晶パネル、２０ａ 表示面、３０，２３０，４３０ 導光部、３２，４３２ 第１位相子、３３ 露出面（反射面）、４１ 反射鏡、４２ 反射導光面、４７ 直線偏光子、４７ａ 導光軸、４７ｂ 遮光軸、２４１ 多層膜反射鏡、２４３ 光学多層膜、ＯＰ 光路

Claims (4)

1. 移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、乗員により視認可能に前記画像を虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記画像の表示光を直線偏光として投射する投射部（１０，３１０）と、
   前記表示光を前記投影部材へと導光する光路（ＯＰ）を形成する導光部（３０，２３０，４３０）と、を備え、
   前記導光部は、
   前記光路上に配置され、前記投射部からの直線偏光の前記表示光を円偏光に変換すると共に、前記投影部材側を向き、前記投影部材側からの光を前記投影部材側へ反射可能に設けられた反射面（３３）を有する第１位相子（３２，４３２）と、
   前記光路上において前記第１位相子よりも前記投影部材側に配置され、前記第１位相子により円偏光に変換された前記表示光に１／４波長分の位相差を付与することによって直線偏光に変換する第２位相子（３７，２３７）と、
   前記光路上において前記第２位相子よりも前記投影部材側に配置され、偏光方向が導光軸（４７ａ）に沿った光を導光すると共に、偏光方向が前記導光軸とは直交する遮光軸（４７ｂ）に沿った光を遮光する直線偏光子であって、前記第２位相子により直線偏光に変換された前記表示光の偏光方向に、前記導光軸を合わせて設けられていることで、前記表示光を前記投影部材側へと導光する直線偏光子（４７）と、
   反射導光面（４２）での反射により前記表示光を導光する反射鏡（４１）と、を有し、
   前記第２位相子は、前記反射導光面を介して前記反射鏡と積層状態で配置された１／８波長板であるヘッドアップディスプレイ装置。
2. 移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像を投影することにより、乗員により視認可能に前記画像を虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記画像の表示光を直線偏光として投射する投射部（１０，３１０）と、
   前記表示光を前記投影部材へと導光する光路（ＯＰ）を形成する導光部（３０，２３０，４３０）と、を備え、
   前記導光部は、
   前記光路上に配置され、前記投射部からの直線偏光の前記表示光を円偏光に変換すると共に、前記投影部材側を向き、前記投影部材側からの光を前記投影部材側へ反射可能に設けられた反射面（３３）を有する第１位相子（３２，４３２）と、
   前記光路上において前記第１位相子よりも前記投影部材側に配置され、前記第１位相子により円偏光に変換された前記表示光に１／４波長分の位相差を付与することによって直線偏光に変換する第２位相子（３７，２３７）と、
   前記光路上において前記第２位相子よりも前記投影部材側に配置され、偏光方向が導光軸（４７ａ）に沿った光を導光すると共に、偏光方向が前記導光軸とは直交する遮光軸（４７ｂ）に沿った光を遮光する直線偏光子であって、前記第２位相子により直線偏光に変換された前記表示光の偏光方向に、前記導光軸を合わせて設けられていることで、前記表示光を前記投影部材側へと導光する直線偏光子（４７）と、
   前記光路上において、光学多層膜（２４３）での反射により前記表示光を導光する多層膜反射鏡（２４１）と、を有し、
   前記第２位相子は、前記表示光を透過可能に設けられた１／４波長板であり、前記第１位相子と前記多層膜反射鏡との間に配置されているヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記投射部は、前記表示光を射出する表示面（２０ａ）が設けられた液晶パネル（２０）を有し、
   前記第１位相子は、前記表示面を介して前記液晶パネルと積層状態で配置された１／４波長板である請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記導光軸は、前記第２位相子により直線偏光に変換された前記表示光の偏光方向に一致している請求項１から３のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

Images