JP6579212B2 - 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、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、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、光源部、集光部、液晶素子、及び拡大導光部を備えている。集光部は、光源部により発せられた照明光を集光により平行化する。液晶素子は、開口部に液晶画素を配列し、開口部が照明光に照明されることにより画像を形成し、照明光の入射方向に応じた射出方向に、画像の表示光を光束状に射出する。拡大導光部は、虚像が拡大されるように、液晶素子からの表示光を投影部材へ向けて導光する。

この拡大導光部は、屈折力を有しない光学素子としての平面鏡と、正の屈折力を有する光学素子としての凹面鏡と、を有し、これら光学素子を光路上に配置している。

特開２０１５−９０４４２号公報

さて、特許文献１のように平行化された照明光の照明により、液晶素子にて画像を形成することで、表示光の指向性が高まるため、移動体に設けられた視認領域に表示光を確実に到達させることができ、虚像の輝度が改善されると考えられる。

一方で、特許文献１では拡大導光部の凹面鏡によって虚像を拡大している。この凹面鏡の作用によりＨＵＤ装置の体格の増大を抑制しつつ大きな虚像を実現できるが、同時に、ＨＵＤ装置の光学系における入射瞳の位置が液晶素子に近づいてしまうことを、本発明者は見出した。

入射瞳の位置が液晶素子に近づいてしまうと、照明光の入射方向に応じた表示光の射出方向と、実際に視認領域に到達して視認に寄与する表示光の方向との間にずれが発生し得る。このずれは配列された各液晶画素によって異なるものとなるため、各液晶画素間に輝度差が生じてしまい、虚像の視認性への悪影響が懸念されている。

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、体格増大を抑制しつつ、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、移動体の投影部材（３）へ向けて表示光を投影し、表示光を投影部材にて反射させつつ移動体に設けられた視認領域（ＥＢ）に到達させることにより、視認領域内から視認可能な虚像（ＶＩ）を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
照明光を発する光源部（１０）と、
照明光を集光により平行化する集光部（１４）と、
開口部（３２）に複数の液晶画素（３４）を配列し、開口部が集光部から射出された照明光に照明されることにより画像を形成し、照明光の入射方向（ＩＮＤ）に応じた射出方向（ＥＸＤ）に、画像の表示光を光束状に射出する液晶素子（３０）と、
正の屈折力を有する正の光学素子（４４）と、負の屈折力を有する負の光学素子（４２）と、を有し、両光学素子を光路上に配置することで、虚像が拡大されるように、液晶素子からの表示光を投影部材へ向けて導光する拡大導光部（４０）と、を備え、
負の光学素子は、正の光学素子よりも光路上の液晶素子側に配置され、
開口部は、長手方向（ＬＤ）及び短手方向（ＳＤ）を有する矩形状に形成され、
集光部において長手方向に対応する方向を長手対応方向（ＲＬＤ）とし、短手方向に対応する方向を短手対応方向（ＲＳＤ）とすると、
長手対応方向を含む断面における集光部の焦点位置（ＦＰａ）及び短手対応方向を含む断面における集光部の焦点位置（ＦＰｓ）のうち少なくとも一方は、集光部に対する光源部側において、集光部に対して光源部よりも遠くに位置し、
開口部から開口部による入射瞳（ＥＮＰ）までの瞳距離（Ｐｄ）は、正の光学素子の反射面（４５）から負の光学素子の反射面（４３）までの間隔（Ｄ１）、又は負の光学素子の反射面（４３）から開口部までの間隔（Ｄ２）よりも、大きい。
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、移動体の投影部材（３）へ向けて表示光を投影し、表示光を投影部材にて反射させつつ移動体に設けられた視認領域（ＥＢ）に到達させることにより、視認領域内から視認可能な虚像（ＶＩ）を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
照明光を発する光源部（１０）と、
照明光を集光により平行化する集光部（１４）と、
開口部（３２）に複数の液晶画素（３４）を配列し、開口部が集光部から射出された照明光に照明されることにより画像を形成し、照明光の入射方向（ＩＮＤ）に応じた射出方向（ＥＸＤ）に、画像の表示光を光束状に射出する液晶素子（３０）と、
正の屈折力を有する正の光学素子（４４）と、負の屈折力を有する負の光学素子（４２）と、を有し、両光学素子を光路上に配置することで、虚像が拡大されるように、液晶素子からの表示光を投影部材へ向けて導光する拡大導光部（４０）と、を備え、
負の光学素子は、正の光学素子よりも光路上の液晶素子側に配置され、
開口部は、長手方向（ＬＤ）及び短手方向（ＳＤ）を有する矩形状に形成され、
集光部において長手方向に対応する方向を長手対応方向（ＲＬＤ）とし、短手方向に対応する方向を短手対応方向（ＲＳＤ）とすると、
長手対応方向を含む断面における集光部の焦点位置（ＦＰａ）と短手対応方向を含む断面における集光部の焦点位置（ＦＰｓ）との中間位置は、集光部に対する光源部側において、集光部に対して光源部よりも遠くに位置している。

このような発明によると、拡大導光部は、液晶素子からの表示光を投影部材へ向けて導光する。ここで拡大導光部は、正の屈折力を有する正の光学素子と、負の屈折力を有する負の光学素子と、を有する。そして、負の光学素子は、正の光学素子よりも光路上の液晶素子側に配置される。こうした両光学素子が光路上に配置されたＨＵＤ装置の光学系では、正の光学素子を用いて虚像を拡大しつつも、負の光学素子も用いることで入射瞳を液晶素子よりも光源部側に遠ざけることができる。入射瞳が遠ざかることにより、視認領域内から表示光の射出方向に沿って液晶素子の開口部を覗き込むような光路が構成可能となる。したがって、視認に寄与する表示光の方向と、液晶素子からの射出方向とのずれを抑制可能となる。当該射出方向は、平行化された照明光の液晶素子への入射方向に応じたものであるため、液晶画素間の輝度差を減少させつつ、照明光を画像の表示光として効率よく視認領域に到達させることができる。

さらに、負の光学素子と液晶素子との間の光路上では、視認に寄与する表示光の方向が、集光部により平行化された照明光の入射方向に応じた射出方向に近づくことで、当該負の光学素子の体格拡大を抑制しつつ、表示光を導光可能となる。以上により、画像を拡大しても、体格増大を抑制しつつ、虚像の視認性が良好なＨＵＤ装置を提供できる。

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。

一実施形態におけるＨＵＤ装置の車両への搭載状態を示す模式図である。 一実施形態における光源部、集光部、及び液晶素子を示す図であって、長手方向に沿った断面を示す断面図である。 一実施形態における光源部、集光部、及び液晶素子を示す図であって、短手方向に沿った断面を示す断面図である。 一実施形態における発光素子の放射角度分布を示すグラフである。 一実施形態における液晶素子を開口部の法線方向に沿って見た図である。 図５のVI部を拡大して示す図である。 図６のVII−VII線断面を部分的に示す断面図である。 一実施形態における複合レンズアレイを示す斜視図である。 一実施形態における複合レンズアレイの集光フレネル面を説明するための図である。 一実施形態における複合レンズアレイの複合面を説明するための図である。 一実施形態のＨＵＤ装置による光学系を模式的に示す図である。 比較例における図１１に対応する図である。 変形例１における図２に対応する図である。 変形例９における図３に対応する図である。 変形例９における図１１に対応する図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態による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へ向けて表示光を投影し、当該表示光をウインドシールド３にて反射させつつ車両１に設けられた視認領域ＥＢに到達させる。これにより、ＨＵＤ装置１００は、視認領域ＥＢ内から視認可能な虚像ＶＩを表示する。すなわち、表示光が、車両１の室内において視認領域ＥＢ内に眼が位置する車両１の乗員により虚像ＶＩとして知覚される。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、又は道路情報、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等により板状に形成されている。ウインドシールド３において、室内側の面は表示光を反射する反射面３ａを滑らかな凹面状又は平面状に形成している。ウインドシールド３の構成は、一般的に、車両１の用途あるいはデザイン等に基づいて車両メーカにより設定されている。

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。すなわち、乗員の眼が視認領域ＥＢ内であれば虚像ＶＩを視認することができ、乗員の眼が視認領域ＥＢ外であれば虚像ＶＩを視認することができない。

本実施形態では、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ている。アイリプスは、乗員としての運転者の眼の位置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）。アイリプスは、一般的に車両１の座席４の位置に応じて、車両メーカにおいて設定される。すなわちＨＵＤ装置１００は、座席４に着座する運転者が視認し易いように、表示を行なうようになっている。

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、光源部１０、集光部１４、液晶素子３０、及び拡大導光部４０を備えており、これらはハウジング５０に収容され、保持されている。

光源部１０は、図２，３に示すように、互いに配列された複数の発光素子１２を有している。各発光素子１２は、発熱の少ない発光ダイオード素子である。各発光素子１２は、光源用回路基板上に配置され、当該基板上の配線パターンを通じて、電源と電気的に接続されている。より詳細に、各発光素子１２は、チップ状の青色発光ダイオード素子を透光性を有する合成樹脂に黄色蛍光剤を混合した黄色蛍光体により封止することにより形成されている。青色発光ダイオード素子から電流量に応じて発せられる青色光により、黄色蛍光体が励起されて黄色光を発光し、青色光と黄色光との合成により疑似白色の照明光が発せられる。

ここで図４に示すように、光源部１０の各発光素子１２は、発光強度が最大となるピーク方向ＰＫＤから乖離するに従って発光強度が相対的に低下する放射角度分布にて、照明光を発する。本実施形態では、ピーク方向ＰＫＤが各発光素子１２間で実質同方向となるように、各発光素子１２は配置されている。

集光部１４は、図２，３に示すように、集光レンズアレイ１５及び複合レンズアレイ１８を有している。集光部１４は、これら両レンズアレイ１５，１８により、各発光素子１２からの照明光を集光により平行化して、液晶素子３０の開口部３２に入射させるようになっている。ここで本実施形態における平行化とは、照明光が発光素子１２から放射状に発せられた状態よりも平行光束に近づいた状態となることを意味し、照明光が完全に平行光束となっている必要はない。

本実施形態の液晶素子３０は、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、ＴＦＴ）を用いたアクティブマトリクス方式の透過型液晶パネルである。

具体的に、液晶素子３０は、照明光を透過可能に形成された開口部３２を有している。開口部３２は、図５に示すように、長手方向ＬＤ及び短手方向ＳＤを有する矩形状に形成されている。開口部３２には、図６に拡大して示すように、上述の複数の液晶画素３４が開口部３２の接線方向に沿って２次元方向に配列されている。

各液晶画素３４では、開口部３２の法線方向に貫通して設けられる透過部３４ａと、透過部３４ａを囲んで形成された配線部３４ｂが設けられている。

図７に示すように、液晶素子３０の液晶画素３４が配列された透過部３４ａを含む部分では、液晶層３６ａ、当該液晶層３６ａを挟む一対の透明電極３６ｂ、及びこれらを挟む一対の偏光板３６ｃ等を、積層した状態で有している。

液晶層３６ａは、例えばネマティック液晶等の液晶分子を主成分とする溶液が充填された層である。透明電極３６ｂは、透光性を有して形成されている電極である。偏光板３６ｃは、互いに実質直交する透過軸及び遮光軸を有している。偏光板３６ｃは、透過軸に沿った偏光方向の光が入射した場合、当該光の透過率は最大となる性質を有している。一方、偏光板３６ｃは、遮光軸に沿った偏光方向の光が入射した場合、当該光の透過率は最小となる性質を有している。ここで、一対の偏光板３６ｃは、透過軸を互いに実質直交して配置されている。

電気的に接続された制御部６０による制御により、液晶画素３４毎に、一対の透明電極３６ｂ間に電圧を印加することが可能となっている。一対の透明電極３６ｂ間の印加電圧に応じて、液晶層３６ａでは液晶分子の配向方向が変化することで、液晶層３６ａを透過する光の偏光方向は変化する。こうして、液晶素子３０を透過する光の透過率が、液晶画素３４毎に個別に可変となっている。なお、液晶層３６ａの厚みＴＬＣは、最大透過率に対応する所定電圧（例えば０Ｖ）の場合に、液晶層３６ａの厚み方向（すなわち開口部３２の法線方向）から入射する光の偏光方向が、液晶層３６ａの透過により９０度変化するような厚みに設定されている。

したがって、液晶素子３０は、開口部３２への光の照明により、液晶画素３４毎の当該光の透過率を制御して、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３４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３６ｄが設けられており、これらの組み合わせにより、様々な色が実現されるようになっている。

また、液晶素子３０の集光部１４側には、拡散部３８が設けられている。拡散部３８は、開口部３２の接線方向に沿って設けられ、例えばフィルム状に形成された拡散板である。あるいは、拡散部３８は、液晶素子３０の表面に微小な凹凸を設けることにより形成されてもよい。こうした拡散部３８は、平行化された照明光に開口部３２に入射する直前で、いくらかの拡散作用を及ぼす。

ここで集光部１４の説明に戻る。集光レンズアレイ１５は、図２，３に示すように、透光性の合成樹脂ないしはガラス等からなる複数の集光レンズ素子１５ａが互いに配列されて、形成されている。各集光レンズ素子１５ａは、発光素子１２と同数設けられ、各発光素子１２とそれぞれ個別に対応している。

各集光レンズ素子１５ａは、対応する発光素子１２からの照明光を集光する集光面１７を有している。特に本実施形態では、各集光面１７は、液晶素子３０側（すなわち複合レンズアレイ１８側）を向き、照明光を射出する射出側表面として、設けられている。一方、照明光が入射する入射側表面１６は、各集光レンズ素子１５ａ間で共通の滑らかな平面状を呈した単一平面となっている。

各集光レンズ素子１５ａにおいて、集光面１７は、滑らかな凸面状に形成されたアナモルフィック面となっている。集光面１７の面頂点２１ａは、対応する発光素子１２からピーク方向ＰＫＤに沿っている仮想の直線ＳＬ上に配置されている。

ここで、仮想の直線ＳＬと直交する仮想平面上において、開口部３２の長手方向ＬＤに対応する方向（以下、長手対応方向ＲＬＤ）とし、開口部３２の短手方向ＳＤに対応する方向（以下、短手対応方向ＲＳＤ）とする。長手対応方向ＲＬＤは、開口部３２の長手方向ＬＤを、入射する光の光路に沿って上述の仮想平面に射影することで得られる方向に相当する。短手対応方向ＲＳＤは、開口部３２の短手方向ＳＤを、入射する光の光路に沿って上述の仮想平面に射影することで得られる方向に相当する。

本実施形態では、詳細は後述するが、発光素子１２から液晶素子３０までの光路上に、照明光のうちピーク方向ＰＫＤに沿って発せられた光の進行方向を曲げる要因はなく、かつ、照明光の入射方向ＩＮＤが開口部３２の法線方向に略沿っている。このため、長手方向ＬＤと長手対応方向ＲＬＤとは実質同方向であり、短手方向ＳＤと短手対応方向ＲＳＤとは実質同方向である。

アナモルフィック面である集光面１７において、長手対応方向ＲＬＤの曲率と短手対応方向ＲＳＤとの曲率とは、互いに異なっている。ここで、両方向ＲＬＤ，ＲＳＤの曲率の大小関係は、開口部３２のうち１つの発光素子１２が照明すべき照明範囲ＩＲに応じたものとなっている。例えば本実施形態では、発光素子１２が長手対応方向ＲＬＤに沿って配列されている結果、照明範囲ＩＲは、開口部３２の長手方向ＬＤが短手となる矩形状となっている。これに対応して、集光面１７では、長手対応方向ＲＬＤの曲率が短手対応方向ＲＳＤの曲率よりも大きいものとなっている。要するに、照明範囲ＩＲにおいて短手となる方向の曲率が、照明範囲ＩＲにおいて長手となる方向の曲率よりも大きくなっている。

また、各集光レンズ素子１５ａの集光面１７は、長手対応方向ＲＬＤ及び直線ＳＬを含む断面において、放物線状に形成されている（図２を参照）。一方、集光面１７は、短手対応方向ＲＳＤ及び直線ＳＬを含む断面において円弧状に（特に本実施形態では半円状に）形成されている（図３を参照）。

こうして集光レンズアレイ１５に入射する照明光は、両方向の集光の度合を異ならせつつ集光面１７により集光され、各集光レンズ素子１５ａを透過した後、複合レンズアレイ１８に入射する。

複合レンズアレイ１８は、集光レンズアレイ１５と液晶素子３０との間の光路上に設けられ、透光性の合成樹脂ないしはガラス等からなる複数の複合レンズ素子１８ａが互いに配列されて形成されている。各複合レンズ素子１８ａは、発光素子１２及び集光レンズ素子１５ａと同数設けられ、各発光素子１２及び各集光レンズ素子１５ａとそれぞれ個別に対応している。図８に示すように、各複合レンズ素子１８ａは、集光レンズアレイ１５側を向き、照明光が入射する入射側表面として、集光フレネル面１９を有している。一方、各複合レンズ素子１８ａは、液晶素子３０側を向き、照明光を射出する射出側表面として、複合面２０を有している。なお、図８では、一部形状が簡略化されて示されている。

集光フレネル面１９は、図９に詳細を示すように、仮想の集光仮想面Ｓｉｐを短手対応方向ＲＳＤに所定の分割幅Ｗｓで領域分割した一分割領域として、形成されている。ここで、集光仮想面Ｓｉｐは、集光レンズアレイ１５の集光レンズ素子１５ａ側に凸となる凸面として滑らかな曲面状となっている。ここで、集光フレネル面１９の分割領域における分割幅Ｗｓは、略一定値に設定されている。こうした集光フレネル面１９は、集光レンズアレイ１５からの照明光を屈折によりさらに集光して、複合面２０側に透過させる。

複合面２０は、図１０に詳細を示すように、平行化面２１と、偏向面２２とが交互に連なる交互配列構造を、形成している。

平行化面２１は、仮想の平行化仮想面Ｓｉｃを長手対応方向ＲＬＤに所定の分割幅Ｗａで領域分割した一分割領域として、形成されている。ここで、平行化仮想面Ｓｉｃは、液晶素子３０側に凸となる凸面として滑らかな曲面状となっている。平行化仮想面Ｓｉｃの曲率は、集光仮想面Ｓｉｐの曲率と略等しく設定されている。

偏向面２２は、仮想の偏向仮想面Ｓｉｄを長手対応方向ＲＬＤに所定の分割幅Ｗａで領域分割した一分割領域として、形成されている。偏向仮想面Ｓｉｄは、平行化仮想面Ｓｉｃの面頂点に対応する箇所で逆勾配に変わる複数の斜面Ｓｉｓにより構成されており、本実施形態において各斜面Ｓｉｓは、滑らかな平面状となっている。ここで、各斜面Ｓｉｓの勾配は、平行化仮想面Ｓｉｃの対応する箇所の勾配とは逆の勾配となるように設定されている。

ここで、平行化面２１及び偏向面２２の分割領域における分割幅Ｗａは、様々に設定されているが、各面２１，２２でサグ量がおよそ一定となるように設定されることで、複合レンズアレイ１８全体の厚みが一定化されている。これら平行化面２１と偏向面２２とが交互に配列されることで、平行化仮想面Ｓｉｃのうち一部の形状、及び偏向仮想面Ｓｉｄのうち一部の形状が抽出されて、複合面２０上に再現されている。

こうした平行化面２１は、集光フレネル面１９からの照明光を屈折により集光して、平行化するようになっている。また偏向面２２は、照明光を平行化面２１による屈折とは逆側に偏向するようになっている。

各平行化面２１のうち、平行化仮想面Ｓｉｃの面頂点を含む平行化面２１において面頂点２１ａは、前述の直線ＳＬ上に配置されている（図２も参照）。上述の分割幅Ｗｓは、この面頂点２１ａを含む平行化面２１において最も大きく設定されている。そして、当該面頂点２１ａから長手対応方向ＲＬＤに離れる程、平行化面２１に対して偏向面２２の面積の割合が大きくなるように、分割幅Ｗｓが変化している。

こうして図２，３に示すように、集光部１４では、集光レンズ素子１５ａと複合レンズ素子１８ａとがそれぞれ個別に対応して、互いに向かい合って配置される。対応する１つの集光レンズ素子１５ａと１つの複合レンズ素子１８ａとを総称して、改めてレンズ素子群１４ａと呼ぶこととする。すなわち集光部１４は、複数の発光素子１２の配列に対応して、レンズ素子群１４ａが配列された形態となっているのである。

レンズ素子群１４ａ毎に、集光レンズ素子１５ａの集光面１７、複合レンズ素子１８ａの集光フレネル面１９及び平行化面２１によって、合成焦点（以下、レンズ素子群１４ａの合成焦点という）が規定され得る。ここで、レンズ素子群１４ａにアナモルフィック面である集光面１７が含まれている結果、長手対応方向ＲＬＤ及び直線ＳＬを含む断面におけるレンズ素子群１４ａの合成焦点の焦点位置ＦＰａと、短手対応方向ＲＳＤ及び直線ＳＬを含む断面におけるレンズ素子群１４ａの合成焦点の焦点位置ＦＰｓとは、直線ＳＬに沿った方向にずれたものとなっている。より詳細に、本実施形態では、焦点位置ＦＰａの方が焦点位置ＦＰｓよりも集光部１４側に位置している。

そして、各発光素子１２は、それぞれ対応するレンズ素子群１４ａについても焦点位置ＦＰａと焦点位置ＦＰｓとの間に配置されている。特に本実施形態では、焦点位置ＦＰａと焦点位置ＦＰｓとの中間位置に配置されている。

各レンズ素子群１４ａは、対応関係にある発光素子１２の照明光のうちピーク方向ＰＫＤの光を含む一部放射束を取り込むようになっている。取り込まれた照明光の一部放射束は、前述のように平行化され得る。反対に、取り込まれなかった照明光の他部は、対応関係にあるレンズ素子群１４ａに隣接するレンズ素子群１４ａに取り込まれることとなる。

本実施形態では、例えば発光素子１２の発光強度がピーク方向ＰＫＤに対して９０％以上である分布範囲の照明光が、一部放射束として、対応関係にあるレンズ素子群１４ａに取り込まれるようになっている。すなわち、本実施形態の放射角度分布の発光素子１２について言えば、図４の相対発光強度が０．９となる箇所を参照すると、約±２５度となっているので、レンズ素子群１４ａは、対応関係にある発光素子１２からの照明光のうち−２５度〜＋２５度の角度範囲を一部放射束として取り込むこととなる。

この一部放射束の角度範囲が広い程、少ない発光素子１２の総数で液晶素子３０の開口部３２全体を照明可能となる一方、虚像ＶＩの輝度ムラは比較的目立ち易くなる。この一部放射束の角度範囲が狭い程、虚像ＶＩの輝度ムラは目立ち難くなる一方、開口部３２を照明するために必要な発光素子１２の総数は比較的多くなる。

集光部１４の集光により平行化され、当該集光部１４から射出された照明光は、入射方向ＩＮＤに沿って液晶素子３０の開口部３２全体を照明する。照明光の入射に対して、各液晶画素３４に設定された透過率に応じて開口部３２を透過した光が、液晶素子３０から画像の表示光として、当該開口部３２の形状に応じた光束状に射出される。すなわち、液晶素子３０は、当該入射方向ＩＮＤに応じた射出方向ＥＸＤに、画像の表示光を射出することとなる。本実施形態では、照明光の入射方向ＩＮＤは開口部３２の法線方向に略沿っており、開口部３２内の液晶画素３４には光を屈折させる要素が基本的にないので、表示光の射出方向ＥＸＤもまた開口部３２の法線方向に略沿っている。

ここで、偏向面２２及び拡散部３８の作用により、表示光は、各液晶画素３４から射出方向ＥＸＤ以外にも射出されるが、それでも射出方向ＥＸＤが主たる方向（すなわち、強度が最も大きな方向）である。

こうして液晶素子３０から射出方向ＥＸＤに射出された表示光は、拡大導光部４０に入射する。

拡大導光部４０は、図１に示すように、凸面鏡４２及び凹面鏡４４を有している。これら凸面鏡４２及び凹面鏡４４は、光路上に配置されており、凸面鏡４２は、凹面鏡４４よりも当該光路上の液晶素子３０側に配置されている。したがって、液晶素子３０からの表示光は、先に凸面鏡４２に入射する。

凸面鏡４２は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、反射面４３としてアルミニウムを蒸着させること等により形成されている。反射面４３は、凸状に湾曲した凸面として、滑らかな曲面状に形成されていることで、負の面屈折力を有している。特に本実施形態の反射面４３は、主として虚像ＶＩにおける軸上収差を補正する自由曲面となっている。凸面鏡４２は、液晶素子３０からの表示光を、反射面４３によって凹面鏡４４へ向けて反射する。こうして凸面鏡４２は、負の屈折力を有する負の光学素子として、機能している。ここで屈折力とは、焦点距離の逆数で表される。

凹面鏡４４は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、反射面４５としてアルミニウムを蒸着させること等により形成されている。反射面４５は、凹状に湾曲した凹面として、滑らかな曲面状に形成されていることで、正の面屈折力を有している。特に本実施形態の反射面４５は、主として虚像ＶＩにおける歪曲収差を補正する自由曲面となっている。凹面鏡４４は、凸面鏡４２からの表示光を、反射面４５によってウインドシールド３へ向けて反射する。こうして凹面鏡４４は、正の屈折力を有する正の光学素子として、機能している。

また、拡大導光部４０のうちウインドシールド３側に位置する凹面鏡４４を、揺動駆動する駆動機構４６が当該拡大導光部４０に設けられている。駆動機構４６は、電気的に接続された制御部６０からの駆動信号に従って、例えばステッピングモータの駆動により、凹面鏡４４を回転軸４４ａまわりに揺動駆動する。凹面鏡４４が揺動することで、虚像ＶＩの結像位置が上下して、乗員から見やすい位置に調整できるようになっている。

こうした拡大導光部４０は、虚像ＶＩが拡大されるように、液晶素子３０からの表示光をウインドシールド３へ向けて導光する。すなわち、凸面鏡４２と凹面鏡４４との合成の屈折力は、正の屈折力となっている。

凹面鏡４４とウインドシールド３との間においてハウジング５０に窓状の窓部が設けられている。窓部は、透光性の薄板状に形成された防塵カバー５２によって塞がれている。したがって、凹面鏡４４から表示光は、当該防塵カバー５２を透過して、ウインドシールド３に反射される。こうしてウインドシールド３に反射された表示光が視認領域ＥＢに到達することとなる。

このようなＨＵＤ装置１００により構成される光学系について、図１１，１２を用いて詳細に以下に検討する。なお、図１１，１２に示す各要素の形状、位置関係、光線の方向等は、説明のために模式的に示されている。

以下では、図１１に示す当該光学系の光路において、虚像ＶＩから視認領域ＥＢまでの間隔をＩｄ（ただし、虚像のためＩｄ＜０）とし、視認領域ＥＢからウインドシールド３までの間隔をＥｄとし、ウインドシールド３から凹面鏡４４の反射面４５までの間隔をＷｄ、凹面鏡４４の反射面４５から凸面鏡４２の反射面４３までの間隔をＤ１とし、凸面鏡４２の反射面４３から液晶素子３０の開口部３２までの間隔をＤ２とする。さらに、ウインドシールド３の反射面３ａの面屈折力をΦｗｓとし、凹面鏡４４の反射面４５の面屈折力をΦ１（ただし、Φ１＞０）とし、凸面鏡４２の反射面４３の面屈折力をΦ２（ただし、Φ２＜０）とする。加えて、虚像ＶＩのサイズの半値をＩｓとし、視認領域ＥＢのサイズの半値をＥｓとし、液晶素子３０の開口部３２のサイズの半値をＯｓとする。

ここでまず、図１２に示すような、本実施形態の凸面鏡４２を、平面状の反射面９４３を有する平面鏡９４２に置換した比較例のＨＵＤ装置９００について検討する。比較例では、Ｄ１を凹面鏡９４４の反射面９４５から平面鏡９４２の反射面９４３までの間隔と読み替え、Ｄ２を平面鏡９４２の反射面９４３から液晶素子９３０の開口部９３２までの間隔と読み替え、さらに平面鏡９４２の反射面９４３の面屈折力を０とする。

このような比較例について、視認領域ＥＢから液晶素子９３０側への逆光線追跡により、結像光線ＩＭＲの角度及び結像光線ＩＭＲの高さを順次求める。ここで結像光線ＩＭＲの角度とは、視認領域ＥＢの中心及び開口部９３２の中心を通る光線（以下、主光線ＰＲＲとする）に対して、視認領域ＥＢとウインドシールド３との間で視認領域ＥＢの端部と虚像ＶＩの中心とを結ぶ方向に沿う光線（以下、これを結像光線ＩＭＲとする）が張る角度である。結像光線ＩＭＲの高さとは、主光線ＰＲＲと垂直な方向に沿った、主光線ＰＲＲと結像光線ＩＭＲとの間隔である。

視認領域ＥＢとウインドシールド３との間では、結像光線ＩＭＲの角度は、−Ｅｓ／Ｉｄである。ウインドシールド３において、結像光線ＩＭＲの高さは、Ｅｓ＋（Ｅｓ／Ｉｄ）・Ｅｄである。ウインドシールド３と凹面鏡９４４との間では、結像光線ＩＭＲの角度は、−Ｅｓ／Ｉｓ＋Φｗｓ・（Ｅｓ＋（Ｅｓ／Ｉｄ）・Ｗｄ）であり、これをＨＵＤ定数Ａと置く。凹面鏡９４４において結像光線ＩＭＲの高さは、Ｅｓ＋（Ｅｓ／Ｉｄ）・Ｅｄ＋（Ｅｓ／Ｉｄ）・Ｗｄ−Φｗｓ・Ｗｓ・（Ｅｓ＋Ｅｓ／Ｉｄ・Ｗｄ）であり、これをＨＵＤ定数Ｂと置く。凹面鏡９４４と平面鏡９４２との間では、結像光線ＩＭＲの角度は、Ａ＋Ｂ・Φ１である。平面鏡９４２において結像光線ＩＭＲの高さは、Ｂ−Ｄ１・（Ａ＋Ｂ・Φ１）である。平面鏡９４２と液晶素子９３０との間では、結像光線ＩＭＲの角度は、Ａ＋Ｂ・Φ１である。液晶素子９３０における結像光線ＩＭＲの高さは、０である。したがって、液晶素子９３０の開口部９３２において結像した状態が実現されている。

比較例について、視認領域ＥＢから液晶素子９３０側への逆光線追跡により、瞳結像光線ＰＵＲの角度及び瞳結像光線ＰＵＲの高さを順次求める。ここで瞳結像光線ＰＵＲの角度とは、主光線ＰＲＲに対して、視認領域ＥＢとウインドシールド３との間で視認領域ＥＢの中心と虚像ＶＩの端部とを結ぶ方向に沿う光線（以下、これを瞳結像光線ＰＵＲとする）が張る角度である。瞳結像光線ＰＵＲの高さとは、主光線ＰＲＲと垂直な方向に沿った、主光線ＰＲＲと瞳結像光線ＰＵＲとの間隔である。

視認領域ＥＢとウインドシールド３との間では、瞳結像光線ＰＵＲの角度は、虚像ＶＩの半画角θに相当し、θ＝−Ｉｓ／Ｉｄである。ウインドシールド３において瞳結像光線ＰＵＲの高さは、−θ・Ｅｄである。ウインドシールド３と凹面鏡９４４との間では、瞳結像光線ＰＵＲの角度は、θ−θ・Ｅｄ・Φｗｓであり、これをＨＵＤ定数Ｃと置く。凹面鏡９４４において瞳結像光線ＰＵＲの高さは、−θ・Ｅｄ＋（θ−θ・Ｅｄ・Φｗｓ）・Ｗｄであり、これをＨＵＤ定数Ｄと置く。凹面鏡９４４と平面鏡９４２との間では、瞳結像光線ＰＵＲの角度は、Ｃ＋Ｄ・Φ１である。平面鏡９４２において瞳結像光線ＰＵＲの高さは、Ｄ−（Ｃ＋Ｄ・Φ１）・Ｄ１である。平面鏡９４２と液晶素子９３０との間では、瞳結像光線ＰＵＲの角度は、Ｃ＋Ｄ・Φ１である。液晶素子９３０における瞳結像光線ＰＵＲの高さは、Ｏｓである。

以上により、比較例において、半画角θは、
θ＝（Ｏｓ／Ｅｓ）・（Ａ＋Ｂ・Φ１）…（数式１）となる。

液晶素子９３０の開口部９３２から入射瞳ＥＮＰまでの瞳距離Ｐｄは、瞳結像光線ＰＵＲの高さが０となる距離を求めればよいので、
Ｐｄ＝Ｏｓ／（Ｃ＋Ｄ・Φ１）…（数式２）となる。

さらに液晶素子９３０の開口部９３２から凹面鏡９４４までの光路長Ｌｍは、
Ｌｍ＝Ｄ１＋Ｄ２＝（Ｏｓ／Ｅｓ）・（Ｂ／θ）…（数式３）となる。

すなわち、数式１より、虚像ＶＩの半画角θは、凹面鏡９４４の面屈折力Φ１の増大と共に大きくなる。換言すると、虚像ＶＩを拡大するためには面屈折力Φ１を大きくする必要がある。しかし一方で、数式２より、瞳距離Ｐｄは、面屈折力Φ１の増大と共に小さくなる。すなわち、虚像ＶＩの拡大と長い瞳距離Ｐｄを同時に実現することができないのである。なお、数式３より、光路長Ｌｍは、面屈折力Φ１の増大と共に小さくなる。

次に、図１１に示す本実施形態のＨＵＤ装置１００についても、比較例と同様に検討する。

視認領域ＥＢから液晶素子３０側への逆光線追跡により、結像光線ＩＭＲの角度及び結像光線ＩＭＲの高さを順次求める。

視認領域ＥＢとウインドシールド３との間では、結像光線ＩＭＲの角度は、−Ｅｓ／Ｉｄである。ウインドシールド３において、結像光線ＩＭＲの高さは、Ｅｓ＋（Ｅｓ／Ｉｄ）・Ｅｄである。ウインドシールド３と凹面鏡４４との間では、結像光線ＩＭＲの角度は、−Ｅｓ／Ｉｓ＋Φｗｓ・（Ｅｓ＋（Ｅｓ／Ｉｄ）・Ｗｄ）であり、これを比較例と同様にＨＵＤ定数Ａと置く。凹面鏡４４において結像光線ＩＭＲの高さは、Ｅｓ＋（Ｅｓ／Ｉｄ）・Ｅｄ＋（Ｅｓ／Ｉｄ）・Ｗｄ−Φｗｓ・Ｗｓ・（Ｅｓ＋Ｅｓ／Ｉｄ・Ｗｄ）であり、これを比較例と同様にＨＵＤ定数Ｂと置く。凹面鏡４４と凸面鏡４２との間では、結像光線ＩＭＲの角度は、Ａ＋Ｂ・Φ１である。凸面鏡４２において結像光線ＩＭＲの高さは、Ｂ−Ｄ１・（Ａ＋Ｂ・Φ１）である。凸面鏡４２と液晶素子３０との間では、結像光線ＩＭＲの角度は、Ａ＋Ｂ・Φ１＋Φ２・（Ｂ−Ｄ１・（Ａ＋Ｂ）・Φ１）である。液晶素子３０における結像光線ＩＭＲの高さは、０である。したがって、液晶素子３０の開口部３２において結像した状態が実現されている。

視認領域ＥＢから液晶素子３０側への逆光線追跡により、瞳結像光線ＰＵＲの角度及び瞳結像光線ＰＵＲの高さを順次求める。

視認領域ＥＢとウインドシールド３との間では、瞳結像光線ＰＵＲの角度は、虚像ＶＩの半画角θに相当し、θ＝−Ｉｓ／Ｉｄである。ウインドシールド３において瞳結像光線ＰＵＲの高さは、−θ・Ｅｄである。ウインドシールド３と凹面鏡４４との間では、瞳結像光線ＰＵＲの角度は、θ−θ・Ｅｄ・Φｗｓであり、これを比較例と同様にＨＵＤ定数Ｃと置く。凹面鏡４４において瞳結像光線ＰＵＲの高さは、−θ・Ｅｄ＋（θ−θ・Ｅｄ・Φｗｓ）・Ｗｄであり、これを比較例と同様にＨＵＤ定数Ｄと置く。凹面鏡４４と凸面鏡４２との間では、瞳結像光線ＰＵＲの角度は、Ｃ＋Ｄ・Φ１である。凸面鏡４２において瞳結像光線ＰＵＲの高さは、Ｄ−（Ｃ＋Ｄ・Φ１）・Ｄ１である。凸面鏡４２と液晶素子３０との間では、瞳結像光線ＰＵＲの角度は、Ｃ＋Ｄ・Φ１＋Φ２・（Ｄ−Ｄ１・（Ｃ＋Ｄ・Φ１））である。液晶素子３０における瞳結像光線ＰＵＲの高さは、Ｏｓである。

以上により、比較例において、半画角θは、
θ＝（Ｏｓ／Ｅｓ）・（Ａ＋Ｂ・Φ１＋Φ２・（Ｂ−Ｄ１・（Ａ＋Ｂ・Φ１）））
…（数式４）となる。

液晶素子３０の開口部３２から入射瞳ＥＮＰまでの瞳距離Ｐｄは、瞳結像光線ＰＵＲの高さが０となる距離を求めればよいので、
Ｐｄ＝Ｏｓ／（（Ｃ＋Ｄ・Φ１）・（１−Φ２・Ｄ１）＋Φ２・Ｄ）…（数式５）となる。

さらに液晶素子３０の開口部３２から凹面鏡４４までの光路長Ｌｍは、
Ｌｍ＝Ｄ１＋Ｄ２
＝Ｄ１＋（Ｂ−Ｄ１・（Ａ＋Ｂ・Φ１））
／（Ａ＋Ｂ・Φ１＋Φ２・（Ｂ−Ｄ１・（Ａ＋Ｂ・Φ１）））…（数式６）となる。

すなわち、数式４，５，６は、面屈折力Φ１，Φ２及び間隔Ｄ１の３変数による連立方程式となる。これにより、半画角θと瞳距離Ｐｄは、比較例のような面屈折力Φ１に依存した単純な関係ではなくなる。面屈折力Φ１，Φ２及び間隔Ｄ１を適宜設定することにより、半画角θを大きくしつつも、瞳距離Ｐｄを大きくすることが可能となるのである。具体的に、Φ２が負であることにより、凸面鏡４２と液晶素子３０との間の瞳結像光線ＰＵＲの角度は、小さくなるように作用する。換言すると数式５の分母が小さくなるので、瞳距離Ｐｄを大きくすることができるのである。

瞳距離Ｐｄを大きくすることで、液晶素子３０から射出される表示光の射出方向ＥＸＤと、上述の凸面鏡４２と液晶素子３０との間の瞳結像光線ＰＵＲの方向とを、画像全体に亘って合わせることが可能となる。例えば瞳距離Ｐｄは、間隔Ｄ１又はＤ２よりも大きいことが好ましい。ここで、本実施形態では、開口部３２の長手方向ＬＤ及び短手方向ＳＤについて共にＰｄ＞１５０ｍｍに設定されている。このようにすることで、射出方向ＥＸＤと瞳結像光線ＰＵＲの方向とのずれを十分小さいとみなすことができる。

（作用効果）
以上説明した本実施形態の作用効果を以下に説明する。

本実施形態によると、拡大導光部４０は、液晶素子３０からの表示光をウインドシールド３へ向けて導光する。ここで拡大導光部４０は、正の屈折力を有する正の光学素子して機能する凹面鏡４４と、負の屈折力を有する負の光学素子として機能する凸面鏡４２と、を有する。そして、凸面鏡４２は、凹面鏡４４よりも光路上の液晶素子３０側に配置される。こうした両光学素子４２，４４が光路上に配置されたＨＵＤ装置１００の光学系では、凹面鏡４４を用いて虚像ＶＩを拡大しつつも、凸面鏡４２も用いることで入射瞳ＥＮＰを液晶素子３０よりも光源部１０側に遠ざけることができる。入射瞳ＥＮＰが遠ざかることにより、視認領域ＥＢ内から表示光の射出方向ＥＸＤに沿って液晶素子３０の開口部３２を覗き込むような光路が構成可能となる。したがって、視認に寄与する表示光の方向と、液晶素子３０からの射出方向ＥＸＤとのずれを抑制可能となる。当該射出方向ＥＸＤは、平行化された照明光の液晶素子３０への入射方向ＩＮＤに応じたものであるため、液晶画素３４間の輝度差を減少させつつ、照明光を画像の表示光として効率よく視認領域ＥＢに到達させることができる。

さらに、凸面鏡４２と液晶素子３０との間の光路上では、視認に寄与する表示光の方向が、集光部１４により平行化された照明光の入射方向ＩＮＤに応じた射出方向ＥＸＤに近づくことで、当該凸面鏡４２の体格拡大を抑制しつつ、表示光を導光可能となる。以上により、画像を拡大しても、体格増大を抑制しつつ、虚像ＶＩの視認性が良好なＨＵＤ装置１００を提供できる。

また、本実施形態によると、正の光学素子は、凹状に湾曲した曲面状の反射面４５を有する凹面鏡４４であり、負の光学素子は、凸状に湾曲した曲面状に反射面４３を有する凸面鏡４２である。これら反射面４３，４５による反射により、拡大導光部４０の機能が実現されるので、拡大導光部４０での色収差の発生を抑制しつつ、虚像ＶＩを拡大すると共に、入射瞳ＥＮＰを液晶素子３０よりも光源部１０側に遠ざけることができる。

また、本実施形態によると、集光部１４の複合レンズとしての複合レンズアレイ１８に設けられた複合面２０は、照明光を屈折により平行化する平行化面２１と、照明光を当該平行化面２１の屈折とは逆側に偏向する偏向面２２とが、交互に連なる交互配列構造を、形成している。この配列構造では、光源部１０から平行化面２１を経由する照明光と偏向面２２を経由する照明光とを互いに混ぜ合わせることで、表示光の指向性を調整可能となる。したがって、上述の拡大導光部４０の構成と相俟って、液晶画素３４間の輝度差を減少させることができる。

また、本実施形態によると、集光レンズとしての集光レンズアレイ１５に設けられた集光面１７は、長手対応方向ＲＬＤの曲率と短手対応方向ＲＳＤの曲率が異なるアナモルフィック面である。このようにすることで、矩形状の開口部３２に合わせて、光源部１０からの照明光を均一化できるので、液晶画素３４間の輝度差を減少させることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、当該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に適用することができる。

具体的に変形例１としては、図１３に示すように、光源部１０の発光素子１２は、焦点位置ＦＰａ及び焦点位置ＦＰｓのうち、集光部１４側に位置する焦点位置ＦＰａと重なる位置に配置されていてもよい。このような発光素子１２の配置により、開口部３２を透過する照明光のうち、拡大導光部４０側に進むに従って開口部３２の外周側から内周側に傾斜して進む光の割合が減少する。したがって、入射瞳ＥＮＰが光源部１０側に遠ざかる作用と相俟って、視認に寄与する表示光の方向の輝度が高まることとなり、虚像ＶＩの視認性より良好となる。

変形例２としては、集光部１４は、上述の実施形態における複合レンズアレイ１８のような、複合面２０が設けられた複合レンズを有していなくてもよい。例えば、複合レンズアレイ１８の代わりに、一般的な凸レンズ又は凸レンズアレイを採用してもよい。

変形例３としては、集光部１４は、上述の実施形態における集光レンズアレイ１５のような、アナモルフィック面である集光面１７が設けられた集光レンズを有していなくてもよい。例えば、集光面１７は球面又は回転対称非球面であってもよく、また、集光レンズアレイ１５の代わりに、一般的な凸レンズ又は凸レンズアレイを採用してもよい。

変形例４としては、集光部１４は、１つ又は３つ以上の光学素子により構成されていてもよい。

変形例５としては、発光素子１２は、２次元方向に配列されていてもよい。

変形例６としては、液晶素子３０として、反射型の液晶素子が採用されていてもよい。

変形例７としては、正の光学素子として、凸レンズが採用されていてもよい。

変形例８としては、負の光学素子として、凹レンズが採用されていてもよい。

変形例９としては、図１４に示すように、透過型の液晶素子３０は、開口部３２の法線方向を、照明光の入射方向ＩＮＤ及び直線ＳＬに対して傾斜させた状態で配置されていてもよい。具体的に、開口部３２の法線方向が入射方向ＩＮＤ及び直線ＳＬに対して例えば１０〜２５度程度の角度をなすことが好ましい。開口部３２内の液晶画素３４には光を偏向させる要素が基本的にないので、表示光の射出方向ＥＸＤは入射方向ＩＮＤと略一致している。したがって、開口部３２の法線方向は、射出方向ＥＸＤに対しても傾斜させた状態で配置されている。

より詳細に、図１４の液晶素子３０は、長手方向ＬＤを回転軸として傾斜している。したがって、液晶素子３０は、短手対応方向ＲＳＤに対して傾斜して配置されている。この配置の結果、短手方向ＳＤ及び短手対応方向ＲＳＤに沿った断面において、複合レンズアレイ１８と液晶素子３０との間隔は、位置により異なるものとなっている。

こうした液晶素子３０では、図１５にも示すように、凸面鏡４２と対向する側に、例えばガラス基板の表面として構成された鏡面によって、平面状の反射面３９が形成されている。例えば太陽光等の外光がウインドシールド３を透過して凹面鏡４４及び凸面鏡４２に反射されて液晶素子３０に到達すると、当該外光は射出方向ＥＸＤとは真逆に液晶素子３０に入射する可能性が高い。ここで、開口部３２の法線方向が射出方向ＥＸＤに対して傾斜していることにより、反射面３９は、射出方向ＥＸＤとは別の方向に外光を反射する。したがって、反射面３９に反射された外光が表示光と一緒に視認領域ＥＢに到達することを抑制することができる。

また、図１５に示すように、液晶素子３０の傾斜方向又は角度は、凸面鏡４２、凹面鏡４４、及びウインドシールド３の配置角度を考慮して、シャインプルーフの条件を満足するように、又は当該条件に近くなるように、設定されることが好ましい。こうした傾斜方向及び角度によれば、主光線ＰＲＲに対する虚像ＶＩの傾斜を抑制することができる。

変形例１０としては、複合レンズアレイ１８において、平行化面２１及び偏向面２２の領域分割における分割幅Ｗａは、各箇所において実質同じ幅に設定されていてもよい。

変形例１１としては、複合レンズアレイ１８における複合面２０は、平行化面２１の形状を、傾斜した平面状に置き換えた構成であってもよい。

変形例１２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。

１００ ＨＵＤ装置、１ 車両（移動体）、３ ウインドシールド（投影部材）、１０ 光源部、１４ 集光部、１５ 集光レンズアレイ（集光レンズ）、１７ 集光面、１８ 複合レンズ（複合レンズアレイ）、２０ 複合面、２１ 平行化面、２２ 偏向面、３０ 液晶素子、３２ 開口部、３４ 液晶画素、４０ 拡大導光部、４２ 凸面鏡（負の光学素子）、４３ 反射面、４４ 凹面鏡（正の光学素子）、４５ 反射面、ＥＢ 視認領域、ＶＩ 虚像、ＩＮＤ 入射方向、ＥＸＤ 射出方向

Claims (6)

1. 移動体（１）に搭載され、前記移動体の投影部材（３）へ向けて表示光を投影し、前記表示光を前記投影部材にて反射させつつ前記移動体に設けられた視認領域（ＥＢ）に到達させることにより、前記視認領域内から視認可能な虚像（ＶＩ）を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   照明光を発する光源部（１０）と、
   前記照明光を集光により平行化する集光部（１４）と、
   開口部（３２）に複数の液晶画素（３４）を配列し、前記開口部が前記集光部から射出された前記照明光に照明されることにより画像を形成し、前記照明光の入射方向（ＩＮＤ）に応じた射出方向（ＥＸＤ）に、前記画像の前記表示光を光束状に射出する液晶素子（３０）と、
   正の屈折力を有する正の光学素子（４４）と、負の屈折力を有する負の光学素子（４２）と、を有し、両前記光学素子を光路上に配置することで、前記虚像が拡大されるように、前記液晶素子からの前記表示光を前記投影部材へ向けて導光する拡大導光部（４０）と、を備え、
   前記負の光学素子は、前記正の光学素子よりも前記光路上の前記液晶素子側に配置され、
   前記開口部は、長手方向（ＬＤ）及び短手方向（ＳＤ）を有する矩形状に形成され、
   前記集光部において前記長手方向に対応する方向を長手対応方向（ＲＬＤ）とし、前記短手方向に対応する方向を短手対応方向（ＲＳＤ）とすると、
   前記長手対応方向を含む断面における前記集光部の焦点位置（ＦＰａ）及び前記短手対応方向を含む断面における前記集光部の焦点位置（ＦＰｓ）のうち少なくとも一方は、前記集光部に対する前記光源部側において、前記集光部に対して前記光源部よりも遠くに位置し、
   前記開口部から前記開口部による入射瞳（ＥＮＰ）までの瞳距離（Ｐｄ）は、前記正の光学素子の反射面（４５）から前記負の光学素子の反射面（４３）までの間隔（Ｄ１）、又は前記負の光学素子の反射面（４３）から前記開口部までの間隔（Ｄ２）よりも、大きいヘッドアップディスプレイ装置。
2. 移動体（１）に搭載され、前記移動体の投影部材（３）へ向けて表示光を投影し、前記表示光を前記投影部材にて反射させつつ前記移動体に設けられた視認領域（ＥＢ）に到達させることにより、前記視認領域内から視認可能な虚像（ＶＩ）を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   照明光を発する光源部（１０）と、
   前記照明光を集光により平行化する集光部（１４）と、
   開口部（３２）に複数の液晶画素（３４）を配列し、前記開口部が前記集光部から射出された前記照明光に照明されることにより画像を形成し、前記照明光の入射方向（ＩＮＤ）に応じた射出方向（ＥＸＤ）に、前記画像の前記表示光を光束状に射出する液晶素子（３０）と、
   正の屈折力を有する正の光学素子（４４）と、負の屈折力を有する負の光学素子（４２）と、を有し、両前記光学素子を光路上に配置することで、前記虚像が拡大されるように、前記液晶素子からの前記表示光を前記投影部材へ向けて導光する拡大導光部（４０）と、を備え、
   前記負の光学素子は、前記正の光学素子よりも前記光路上の前記液晶素子側に配置され、
   前記開口部は、長手方向（ＬＤ）及び短手方向（ＳＤ）を有する矩形状に形成され、
   前記集光部において前記長手方向に対応する方向を長手対応方向（ＲＬＤ）とし、前記短手方向に対応する方向を短手対応方向（ＲＳＤ）とすると、
   前記長手対応方向を含む断面における前記集光部の焦点位置（ＦＰａ）と前記短手対応方向を含む断面における前記集光部の焦点位置（ＦＰｓ）との中間位置は、前記集光部に対する前記光源部側において、前記集光部に対して前記光源部よりも遠くに位置しているヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記開口部から前記開口部による入射瞳（ＥＮＰ）までの瞳距離（Ｐｄ）は、前記正の光学素子の反射面（４５）から前記負の光学素子の反射面（４３）までの間隔（Ｄ１）、又は前記負の光学素子の反射面（４３）から前記開口部までの間隔（Ｄ２）よりも、大きい請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記集光部は、前記照明光を集光する集光面（１７）が設けられた集光レンズ（１５）を有し、
   前記集光面は、前記長手対応方向の曲率と前記短手対応方向の曲率が異なるアナモルフィック面である請求項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。
5. 前記視認領域の中心と前記開口部の中心を通る光線を、主光線（ＰＲＲ）とし、
   前記視認領域と前記投影部材との間で前記視認領域の中心と前記虚像の端部とを結ぶ方向に沿う光線を、瞳結像光線（ＰＵＲ）とし、
   前記主光線と垂直な方向に沿った、前記主光線と前記瞳結像光線との間隔を、前記瞳結像光線の高さとすると、
   前記液晶素子における前記瞳結像光線の高さは、前記開口部のサイズの半値（Ｏｓ）である請求項１から４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。
6. 前記開口部の法線方向は、前記入射方向に対して傾斜している請求項１から５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。

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