JP6582245B2 - ヘッドアップディスプレイ及び車両 - Google Patents

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Description

本開示は、投射光学系を介して、表示デバイスの表示面に表示された画像を虚像として観察者に視認させるヘッドアップディスプレイに関する。
特許文献１は、フレネルレンズと凹面ミラーを備え、表示面に表示された画像をそのフレネルレンズで拡大し、虚像として観察者に視認させるヘッドアップディスプレイを開示する。特許文献２は、焦点距離の長いレンズを備え、表示面に表示された画像をその焦点距離の長いレンズで拡大し、虚像として観察者に視認させるヘッドアップディスプレイを開示する。
特開２００７−２７２０６１号公報 特開平４−２４７４８９号公報
本開示は、小型且つ大画面の虚像を表示できるヘッドアップディスプレイを提供することを目的とする。
本開示に係るヘッドアップディスプレイは、表示デバイスと、投射光学系と、屈折光学系と、筐体と、開口カバーとを備える。表示デバイスは、画像を表示する表示面を有する。投射光学系は、表示面に表示された画像を観察者の視点領域に投射する。屈折光学系は、表示面から視点領域までの光路上であって投射光学系と視点領域との間に配置されている。筐体は、表示デバイス、投射光学系及び屈折光学系を収容し、開口が形成されている。開口カバーは、少なくとも一部に湾曲部分を有し、湾曲部分における凸面側に表示面から出射された光が入射するように開口に配置されている。投射光学系は、第１ミラーと第２ミラーとを有する。第１ミラーは、表示デバイスが表示した画像を反射する。第２ミラーは、第１ミラーよりも筐体の観察者側に配置され、第１ミラーが反射した画像を反射する。表示面の中心から出射され視点領域の中心に到達する光線を基準光線としたとき、ヘッドアップディスプレイは、以下の条件（１）を満たす。
Ｌ２ ≦ Ｌ１ ・・・（１）
ここで、
Ｌ１：屈折光学系の観察者前方側の端部から開口カバーまでの距離
Ｌ２：屈折光学系の基準光線が通過する位置から開口カバーまでの距離
である。
本開示によれば、小型且つ大画面の虚像を表示できるヘッドアップディスプレイを提供できる。
図１は、本開示に係るヘッドアップディスプレイを搭載した車両を示す模式図である。 図２は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイを説明するための模式図である。 図３は、実施の形態１に係る屈折光学系の配置を説明するための図である。 図４は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイを説明するための模式図である。 図５は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイを説明するための模式図である。 図６は、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイを説明するための模式図である。 図７は、実施の形態５に係るヘッドアップディスプレイを説明するための模式図である。 図８は、実施の形態１に係る数値実施例１〜４の座標系を示す図である。
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
（実施の形態１）
［１−１．構成］
［１−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００の具体的な実施の形態及び実施例を、図面を参照して、以下に説明する。
図１は、本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００を搭載した車両２００を示す模式図である。
図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、車両２００のウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。
図２は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。
図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、筐体１４０と、屈折光学系１６０と、投射光学系１２０と、表示デバイス１１０とを備える。筐体１４０には、屈折光学系１６０と投射光学系１２０と表示デバイス１１０とが収容されている。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像を、虚像Ｉとして車両２００の内部の観察者Ｄに視認させるものである。表示面１１１に表示された画像は、ウインドシールド２２０を介して反射して、観察者Ｄの視点領域３００（アイボックスと称する場合もある）に導かれ、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
ここで、虚像Ｉの上端を形成する光線を光線Ｌｕとする。また、虚像Ｉの下端を形成する光線を光線Ｌｌとする。また、虚像Ｉの中心を形成する光線（表示面１１１の中心から出射され視点領域３００の中心に到達する光線）を基準光線Ｌｃとする。ただし、観察者Ｄの視点が視点領域３００の中心にあるものとする。
筺体１４０には開口１３０が形成されている。この開口１３０には、透明の開口カバーが配置されている。この開口カバーは、湾曲形状を有している。そのため、開口カバーに反射した太陽光などの外光が、観察者Ｄに届き難くなっている。この開口カバーをレンズ形状とすることで、虚像Ｉの倍率を調整することも可能である。なお、筐体１４０は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００において必須の構成要素ではなく、車両２００のダッシュボード２１０が筐体１４０の代わりを担っても良い。
投射光学系１２０は、第１ミラー１２１と、第２ミラー１２２とを有している。表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、屈折光学系１６０を介して屈折して、さらにウインドシールド２２０を介して反射して、視点領域３００に届き、虚像Ｉを観察者Ｄに視認される。ここで、視点領域３００とは、観察者Ｄが虚像Ｉの全体を欠けることなく観察できる目の移動可能領域を指す。
表示デバイス１１０は、いずれも図示しない、液晶表示装置、光源を含むバックライトユニット、拡散板、偏向レンズ等からなる。表示デバイス１１０では、図示しないマイコン等の制御部によって、表示画像情報が制御される。表示面１１１には、表示画像情報として、道路進行案内、前方車両までの距離、車のバッテリー残量、現在の車速などの各種情報を表示することができる。表示デバイス１１０には、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、有機発光ダイオード（エレクトロルミネッセンス）、プラズマディスプレイなどの表示装置が用いられる。また、表示装置の代わりに、プロジェクタや走査型レーザを用いることも可能である。
［１−１−２．投射光学系と表示装置の配置構成］
図２を用いて、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００の投射光学系１２０と表示デバイス１１０の配置構成について説明する。
表示デバイス１１０は、筐体１４０の内部において、第２ミラー１２２よりも上側に配置されている。また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。このとき、表示デバイス１１０は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１で反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように、偏心している。
ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示された画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは、入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
第２ミラー１２２は、筐体１４０の水平方向車両後側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心して配置している。
実施の形態１において、第１ミラー１２１は、反射面１２１aが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２も、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、第１ミラー１２１で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状または凸面形状であってもよい。
さらに、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを凹面形状とすることで、１枚のミラーがもつパワーを分散させることができ、組み立て時の歪曲収差感度を低減することができる。
また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００で使用している第１ミラー１２１では、反射面１２１ａが回転非対称な形状を有するが、Ｘ方向とＹ方向とで曲率の符号が異なる、いわゆる鞍型の面形状を有しても良い。
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００で使用している第２ミラー１２２では、反射面１２２ａが回転非対称な形状を有するが、Ｘ方向とＹ方向とで曲率の符号が異なる、いわゆる鞍型の面形状を有しても良い。
［１−１−３.屈折光学系の配置構成］
以下、図３を用いて、屈折光学系１６０の配置について説明する。
図３は、実施の形態１に係る屈折光学系１６０の配置位置を説明するための図である。
上述したように、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００では、開口１３０に湾曲形状を有する開口カバー１３１が配置されている。開口カバー１３１は、外光により発生する迷光を防ぐために、凸面側が筐体１４０の内部側になるようにして、開口１３０を塞ぐように配置されている。なお、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００では、開口カバー１３１の全体が湾曲形状を有しているが、開口カバー１３１は、少なくとも一部が湾曲形状を有していればよい。そして、開口カバー１３１は、湾曲部分における凸面側に表示面１１１から出射された光が入射するように、開口１３０に配置されていればよい。
また、屈折光学系１６０は、開口カバー１３１に沿って配置されている。
図３に示すように、屈折光学系１６０から出射される基準光線Ｌｃと垂直な補助平面１８０を設ける。この補助平面１８０と屈折光学系１６０の入射面１６１との交線を入射交線１８１、出射面１６２との交線を出射交線１８２とする。この入射交線１８１の法線ベクトルは、開口カバー１３１と基準光線Ｌｃとの交点である補助交点１３２の法線ベクトルとは反対のベクトル成分を有する。他方、出射交線１８２の法線ベクトルは、補助交点１３２の法線ベクトルと同じベクトル成分を有する。
ここで、屈折光学系１６０は、屈折光学系１６０の車両前方側（観察者前方：図面の左側）の端部である左端部から開口カバー１３１までの間隔をＬ１、基準光線Ｌｃが通過する中央部から開口カバー１３１までの間隔をＬ２、車両後方側（図面の右側）の端部である右端部から開口カバー１３１までの間隔をＬ３とすると、以下の条件（１）、（２）を同時に満たすように配置される。
Ｌ２ ＜ Ｌ１ ・・・（１）
Ｌ２ ＜ Ｌ３ ・・・（２）
これにより、開口カバー１３１に沿って屈折光学系１６０を配置することができ、筐体１４０を小型にすることができる。
屈折光学系１６０の入射面１６１又は出射面１６２の少なくとも一方は凸面形状を有している。この場合、屈折光学系１６０の開口カバー１３１までの距離Ｌ１、距離Ｌ２、距離Ｌ３は、それぞれ曲率の小さい面から開口カバー１３１までの距離とすることが望ましい。
屈折光学系１６０は、回転非対称な面形状を少なくとも一面有している。これは、屈折光学系１６０を開口１３０に沿って配置することで発生する非対称な歪曲収差を補正するためである。また、屈折光学系１６０は連続的な面形状を有しているが、フレネルレンズのように不連続な面形状にすることでさらに小型化することもできる。
［１−２．効果等］
屈折光学系１６０を開口１３０に沿って配置したことにより、筐体１４０の深さ方向の寸法を短くすることが可能となる。また、小型な筐体１４０かつ、大画面の虚像Ｉを表示できるヘッドアップディスプレイ１００を提供することができる。
［１．３．望ましい条件］
以下、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００が満足することが望ましい条件を説明する。なお、ヘッドアップディスプレイ１００に対して、複数の好ましい条件が規定されるが、これら複数の条件すべてを満足する構成が最も望ましい。しかしながら、個別の条件を満足することにより、それぞれ対応する効果を奏するヘッドアップディスプレイ１００を得ることも可能である。
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、画像を表示する表示デバイス１１０と、表示デバイス１１０に表示された画像を投射する投射光学系１２０とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１ミラー１２１と、第２ミラー１２２とを有する。
また、ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像を、ウインドシールド２２０に投影し、虚像Ｉを観察者Ｄに視認させている。これにより、観察者Ｄの前方視界を遮ることなく、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像を観察者Ｄに視認させることができる。
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第１ミラー１２１の反射面１２１ａが自由曲面形状であることが望ましい。これにより、ウインドシールド２２０で発生する画面歪みを良好に補正し、視点領域３００の全域で画面歪みの少ない良好な虚像Ｉを視認することができる。
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第２ミラー１２２の反射面１２２ａが自由曲面形状であることが望ましい。これにより、ウインドシールド２２０で発生する画面歪みを良好に補正し、視点領域３００の全域で画面歪みの少ない良好な虚像Ｉを視認することができる。
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第１ミラー１２１の反射面１２１ａが、凹面形状または平面形状である。これにより、第１ミラー１２１の反射面１２１ａが凸面形状の場合に比べて、反射で生じる虚像Ｉの歪みを抑制することができる。
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第２ミラー１２２の反射面１２２ａが、凹面形状または平面形状である。これにより、第２ミラー１２２の反射面１２２ａが凸面形状の場合に比べて、反射で生じる虚像Ｉの歪みを抑制することができる。
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第１ミラー１２１の外形形状が台形である。これにより、第１ミラー１２１に関して、表示面１１１に表示された画像が反射する領域以外の不要な領域を削減することができ、ヘッドアップディスプレイ１００を小型化することができる。なお、第１ミラー１２１の外形形状は台形に限られず、有効領域の形状に応じて適宜変更できるものである。
屈折光学系１６０における入射面１６１または出射面１６２の少なくとも一面は、回転非対称な自由曲面形状である。これにより、屈折光学系１６０を開口１３０に沿って配置することで発生する非対称な歪曲収差を、良好に補正することができる。
また、屈折光学系１６０の回転非対称な自由曲面形状において、車両前後方向の曲率の方が車両左右方向の曲率よりも小さいことが望ましい。これにより、屈折光学系１６０を開口１３０に沿って配置することで発生する非対称な歪曲収差を、さらに良好に補正することができる。ただし、屈折光学系１６０の全ての面を回転対称としたときも、第１ミラー１２１または第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを回転非対称な自由曲面形状とすることで、非対称な歪曲収差を補正することもできる。
屈折光学系１６０の面形状はフレネル形状のような不連続であることが望ましい。これにより、屈折光学系１６０を小型化することができ、筐体１４０を小型化することができる。
屈折光学系１６０の面形状は、長手方向にのみフレネル溝を有するフレネル形状であることが望ましい。これにより、フレネル溝の散乱で発生する画質の劣化を最小限に抑えつつ、屈折光学系１６０の小型化を実現することが出来る。また、屈折光学系１６０を開口１３０に沿って配置してもフレネル溝の散乱を悪化することがない。
屈折光学系１６０は、開口１３０に沿って配置されることが望ましい。これにより、筐体１４０を小型に構成することができる。ただし、屈折光学系１６０を開口１３０と一体の部材として配置することもできる。
回転非対称な自由曲面形状を有する第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２のそれぞれは、車両前後方向の曲率の方が車両左右方向の曲率よりも小さいことが望ましい。これにより、屈折光学系１６０を開口１３０に沿って配置することで発生する非対称な歪曲収差を、良好に補正することができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、屈折光学系１６０の少なくとも一面に、反射を抑制する反射防止コートを施すことが望ましい。これにより、屈折光学系１６０の屈折面で反射することで発生する迷光を抑制することができる。
（実施の形態２）
以下、実施の形態２について説明する。実施の形態１と同様の構成部材については同じ符号を付し、実施の形態１と同様の構成及び機能については詳細な説明を省略する場合がある。
［２−１．構成］
［２−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図４は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。図４に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。投射光学系１２０は、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２を有している。表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、屈折光学系１６０を介して屈折して、さらにウインドシールド２２０を介して反射する。そして、観察者Ｄの視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
［２−１−２．投射光学系と表示装置の配置構成］
表示デバイス１１０は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも下側に配置されている。また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。このとき、表示デバイス１１０は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１に反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示された画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように、偏心している。
ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示された画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向車両前方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凸面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、第１ミラーで発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。
さらに、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを凸面形状とすることで、第２ミラー１２２の凹面パワーを増大させることができ、筐体１４０を小型化することができる。
また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
（実施の形態３）
以下、実施の形態３について説明する。上記実施の形態と同様の構成部材については同じ符号を付し、上記実施の形態と同様の構成及び機能については詳細な説明を省略する場合がある。
［３−１．構成］
［３−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図５は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。図５に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。投射光学系１２０は、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２を有している。表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、屈折光学系１６０を介して屈折して、さらにウインドシールド２２０を介して反射する。そして、観察者Ｄの視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
［３−１−２．投射光学系と表示装置の配置構成］
表示デバイス１１０は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも上側に配置されている。また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。これにより、表示デバイス１１０の表示面１１１（液晶面）を、太陽光の暴露から防ぐことができる。また、このとき、表示デバイス１１０は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１に反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように偏心している。
ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示された画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向車両前方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第１ミラー１２１の反射面１２１ａを凹面形状とすることで、第２ミラー１２２で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。また、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが凹面形状であって、他方の反射面が凸面形状であってもよい。
さらに、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを凹面形状とすることで、１枚のミラーがもつパワーを分散させることができ、組み立て時の歪曲収差感度を低減することができる。
また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
（実施の形態４）
以下、実施の形態４について説明する。上記実施の形態と同様の構成部材については同じ符号を付し、上記実施の形態と同様の構成及び機能については詳細な説明を省略する場合がある。
［４−１．構成］
［４−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図６は、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。このとき、簡単のため図６は一部が射影図となっている。図６に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。投射光学系１２０は、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２を有している。表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、屈折光学系１６０を介して屈折して、さらにウインドシールド２２０を介して反射する。そして、観察者Ｄの視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
［４−１−２．投射光学系と表示装置の配置構成］
表示デバイス１１０、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２は、それぞれの少なくとも一部が、同一水平面内に配置されている。
また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。これにより、表示面１１１（液晶面）を太陽光の暴露から防ぐことができる。また、このとき、表示デバイス１１０は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１に反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように、偏心している。
ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示される画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向車両前方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凸面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、第１ミラー１２１で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。
さらに、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを凸面形状とすることで、第２ミラー１２２の凹面パワーを増大させることができ、筐体１４０を小型化することができる。
また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
（実施の形態５）
以下、実施の形態５について説明する。上記実施の形態と同様の構成部材については同じ符号を付し、上記実施の形態と同様の構成及び機能については詳細な説明を省略する場合がある。
［５−１．構成］
［５−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図７は、実施の形態５に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。
図７に示すように、投射光学系１２０は、第１ミラー１２１を有している。表示デバイス１１０の表面に表示される画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、屈折光学系を介して屈折して、さらにウインドシールド２２０を介して反射する。そして、観察者Ｄの視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
［５−１−２．投射光学系と表示装置の配置構成］
表示デバイス１１０は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向車両後方側に配置されている。また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向且つ鉛直下方向に向けられている。これにより、表示面１１１（液晶面）を太陽光の暴露から防ぐことができる。また、このとき、表示デバイス１１０は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１に反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示された画像がウインドシールド２２０に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示された画像がウインドシールド２２０に映るように、偏心している。
第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第１ミラー１２１の反射面１２１ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示される画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１〜５を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１〜５で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
（数値実施例）
以下、実施の形態１〜５に係るヘッドアップディスプレイを具体的に実施した数値実施例１〜４を説明する。なお、各数値実施例１〜４において、各表の長さの単位はすべて「ｍｍ」であり、角度の単位はすべて「°」である。また、各数値実施例において、自由曲面は次式で定義している。
Figure 0006582245
Figure 0006582245
ここで、ｚは面を定義する軸から（ｘ，ｙ）の位置におけるサグ量である。ｒは面を定義する軸の原点における曲率半径である。ｃは面を定義する軸の原点における曲率である。ｋはコーニック定数であり、多項式係数のＣ１に相当する。Ｃｊ（ｊ＞１）は単項式ｘｍｙｎの係数である。ただし、ｍおよびｎは０以上の整数である。
図８は、実施の形態１に係る数値実施例１〜４の座標系を示す図である。各数値実施例１〜４において、基準となる座標原点は、表示面１１１に表示された画像の中心であり、図８で示すようにＸ，Ｙ，Ｚ軸を定義している。
さらに、各数値実施例１〜４中の偏心データにおいて、ＡＤＥとは、ミラーをＸ軸を中心にＺ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。ＢＤＥとは、Ｙ軸を中心にＸ軸方向からＺ軸方向に回転した量を意味する。ＣＤＥとは、Ｚ軸を中心にＸ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。
（数値実施例１）
数値実施例１の投射光学系１２０の構成データを表１に、多項式自由曲面の係数を表２に示す。
Figure 0006582245
Figure 0006582245
（数値実施例２）
数値実施例２の投射光学系１２０の構成データを表３に、多項式自由曲面の係数を表４に示す。
Figure 0006582245
Figure 0006582245
（数値実施例３）
数値実施例３の投射光学系１２０の構成データを表５に、多項式自由曲面の係数を表６に示す。
Figure 0006582245
Figure 0006582245
（数値実施例４）
数値実施例４の投射光学系１２０の構成データを表７に、多項式自由曲面の係数を表８に示す。
Figure 0006582245
Figure 0006582245
本開示にかかるヘッドアップディスプレイは、車載用などのヘッドアップディスプレイといった高画質が要求されるヘッドアップディスプレイに好適である。
１００ ヘッドアップディスプレイ
１１０ 表示デバイス
１１１ 表示面
１２０ 投射光学系
１２１ 第１ミラー（第１反射素子）
１２１ａ 第１反射素子の反射面
１２２ 第２ミラー（第２反射素子）
１２２ａ 第２反射素子の反射面
１３０ 開口
１３１ 開口カバー
１４０ 筐体
１６０ 屈折光学系
１８０ 補助平面
２００ 車両
２１０ ダッシュボード
２２０ ウインドシールド
３００ 視点領域
Ｄ 観察者
Ｉ 虚像
Ｌｃ 基準光線
Ｌｌ 虚像の下端を形成する光線
Ｌｕ 虚像の上端を形成する光線

Claims (6)

  1. 画像を表示する表示面を有する表示デバイスと、
    前記表示面に表示された画像を観察者の視点領域に投射する投射光学系と、
    前記表示面から前記視点領域までの光路上であって前記投射光学系と前記視点領域との間に配置された屈折光学系と、
    前記表示デバイス、前記投射光学系及び前記屈折光学系を収容し、開口が形成された筐体と、
    少なくとも一部に湾曲部分を有し、前記湾曲部分における凸面側に前記表示面から出射された光が入射するように前記開口に配置された開口カバーと、を備え、
    前記投射光学系は、第１ミラーと第２ミラーとを有し、
    前記第１ミラーは、前記表示デバイスが表示した画像を反射し、
    前記第２ミラーは、前記第１ミラーよりも前記筐体の前記観察者側に配置され、前記第１ミラーが反射した画像を反射し、
    前記表示面の中心から出射され第１ミラー及び第２ミラーを介して前記視点領域の中心に到達する光線を基準光線としたとき、
    以下の条件（１）を満たす、
    ヘッドアップディスプレイ。
    Ｌ２ ≦ Ｌ１ ・・・（１）
    ここで、
    Ｌ１：屈折光学系の観察者前方側の端部から開口カバーまでの距離
    Ｌ２：屈折光学系の基準光線が通過する位置から開口カバーまでの距離
    である。
  2. ウインドシールドを有する車両に搭載され、以下の条件（２）を満たす請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ：
    Ｌ２ ≦ Ｌ３ ・・・（２）
    ここで、
    Ｌ２：屈折光学系の基準光線が通過する位置から開口カバーまでの距離
    Ｌ３：屈折光学系の車両後方側の端部から開口カバーまでの距離
    である。
  3. 前記屈折光学系は、車両前後方向の曲率が車両左右方向の曲率よりも小さい面形状を有する、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  4. 前記屈折光学系は、回転非対称な面形状を有する、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  5. 前記屈折光学系において、前記基準光線に直交する断面のうち、出射面との交線を出射交線、入射面との交線を入射交線とし、
    前記屈折光学系は、前記屈折光学系に入射する前記基準光線が、前記出射交線及び前記入射交線における法線に対して、傾斜するように配置される、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  6. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイを備えた、車両。
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