JP6658410B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載され、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、車両に搭載され、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、レーザ光束を発するレーザ光源部と、レーザ光束を偏向点にて偏向することで、レーザ光束を走査する走査部と、走査部により走査されたレーザ光束が入射することで画像が描画されるスクリーンを備えている。

さらに特許文献１のＨＵＤ装置では、走査部の偏向点と光学的に共役となる共役点は、車両の乗員の眼の位置となるようにしている。これにより、虚像の輝度ムラが抑制される。詳細に、特許文献１では、カメラで眼の位置を検出し、走査部の位置を調整することにより、共役な関係を維持することが開示されている。

一方、特許文献２に開示のＨＵＤ装置は、特許文献１におけるスクリーンとして、複数の光学曲面が格子状に配列された曲面配列部材を採用している。このような光学曲面により、レーザ光束は拡がり角を拡大させつつ表示光として射出される。

特開２０１５−１７６１３０号公報 特開２０１０−１４５９２４号公報

さて、本発明者らは、複数の光学曲面が配列された曲面配列部材を採用したＨＵＤ装置において、当該装置の簡素化のため走査部の位置を常に調整せずとも、虚像の輝度ムラを抑制可能な、共役点の配置について検討した。ここで、複数の光学曲面を格子状に配列した曲面配列部材では、表示光として射出されるレーザ光束に回折が発生する。各次数の回折光により、偏向点が乗員の眼に複数の実像として結像する可能性がある。こうした複数の実像は、虚像において輝度ムラとして認識され得る。

これに対し、共役点が乗員の眼の位置と一致する場合には、偏向点は乗員の眼に結像されないため、乗員は回折の発生を認識し難い。しかしながら、実際は乗員が頭を動かす等して、眼の位置が例えばアイリプスの範囲に動くことがある。しがたって、仮に共役点がアイリプス中心に位置していたとしても、このような眼の位置の動きに応じて共役点と眼の位置関係が変化してしまい、偏向点が眼に結像されたりされなかったりして、虚像の輝度ムラとして認識され得る。こうして虚像の視認性が低下することが懸念されている。

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、虚像の視認性が高いＨＵＤ装置を提供することにある。

開示された発明のひとつは、９０パーセンタイル以上９９パーセンタイル以下のアイリプス（ＥＬＰ）が規定可能な車両（１）に搭載され、表示光を投影部材（３）の反射部（３ａ）へ向けて投影し、表示光を反射部にて反射させつつアイリプス内に到達させることにより、アイリプス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、
レーザ光束を発するレーザ光源部（１０）と、
レーザ光束を偏向点（ＴＰ）にて偏向することで、レーザ光束を走査する走査部（２０）と、
複数の光学曲面（４２，２４２）を格子状に配列し、走査部により走査されたレーザ光束が入射することで画像が描画されると共に、各光学曲面によりレーザ光束の拡がり角を拡大させつつ表示光として射出する曲面配列部材（４０，２４０）と、を備え、
アイリプスのうち反射部に対して最も遠方となる最遠部（Ｅｍｄ）を定義すると、
偏向点と光学的に共役となる共役点（ＣＰ）は、反射部に対して最遠部以遠に位置する。
また、開示された発明の他のひとつは、９０パーセンタイルのアイリプス（ＥＬＰ）が規定可能な車両（１）に搭載され、表示光を投影部材（３）の反射部（３ａ）へ向けて投影し、表示光を反射部にて反射させつつアイリプス内に到達させることにより、アイリプス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、
レーザ光束を発するレーザ光源部（１０）と、
レーザ光束を偏向点（ＴＰ）にて偏向することで、レーザ光束を走査する走査部（２０）と、
複数の光学曲面（４２，２４２）を格子状に配列し、走査部により走査されたレーザ光束が入射することで画像が描画されると共に、各光学曲面によりレーザ光束の拡がり角を拡大させつつ表示光として射出する曲面配列部材（４０，２４０）と、を備え、
アイリプスのうち反射部に対して最も遠方となる最遠部（Ｅｍｄ）を定義すると、
偏向点と光学的に共役となる共役点（ＣＰ）は、反射部に対して最遠部以遠に位置する。
また、開示された発明の他のひとつは、９５パーセンタイルのアイリプス（ＥＬＰ）が規定可能な車両（１）に搭載され、表示光を投影部材（３）の反射部（３ａ）へ向けて投影し、表示光を反射部にて反射させつつアイリプス内に到達させることにより、アイリプス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、
レーザ光束を発するレーザ光源部（１０）と、
レーザ光束を偏向点（ＴＰ）にて偏向することで、レーザ光束を走査する走査部（２０）と、
複数の光学曲面（４２，２４２）を格子状に配列し、走査部により走査されたレーザ光束が入射することで画像が描画されると共に、各光学曲面によりレーザ光束の拡がり角を拡大させつつ表示光として射出する曲面配列部材（４０，２４０）と、を備え、
アイリプスのうち反射部に対して最も遠方となる最遠部（Ｅｍｄ）を定義すると、
偏向点と光学的に共役となる共役点（ＣＰ）は、反射部に対して最遠部以遠に位置する。
また、開示された発明の他のひとつは、９９パーセンタイルのアイリプス（ＥＬＰ）が規定可能な車両（１）に搭載され、表示光を投影部材（３）の反射部（３ａ）へ向けて投影し、表示光を反射部にて反射させつつアイリプス内に到達させることにより、アイリプス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、
レーザ光束を発するレーザ光源部（１０）と、
レーザ光束を偏向点（ＴＰ）にて偏向することで、レーザ光束を走査する走査部（２０）と、
複数の光学曲面（４２，２４２）を格子状に配列し、走査部により走査されたレーザ光束が入射することで画像が描画されると共に、各光学曲面によりレーザ光束の拡がり角を拡大させつつ表示光として射出する曲面配列部材（４０，２４０）と、を備え、
アイリプスのうち反射部に対して最も遠方となる最遠部（Ｅｍｄ）を定義すると、
偏向点と光学的に共役となる共役点（ＣＰ）は、反射部に対して最遠部以遠に位置する。

これらの発明によると、偏向点と光学的に共役となる共役点は、反射部に対して最遠部以遠に位置する。したがって、複数の光学曲面を格子状に配列した光学曲面配列部にて、表示光として射出されるレーザ光束に回折が発生しても、乗員の眼がアイリプス内に存在する限り、当該乗員の眼の調節作用に関わらず、偏向点は乗員の眼に結像され難い。こうしてアイリプス内に眼が位置する乗員による回折の発生の認識が困難となるため、虚像における輝度ムラが抑制される。したがって、虚像の視認性が高いＨＵＤ装置を提供することができる。

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模式図である。 第１実施形態におけるＨＵＤにより構成される光学系を示す模式図である。 図２の一部を拡大して示す図である。 第１実施形態におけるレーザ光源部から曲面配列部材までの光学系を示す模式図である。 第１実施形態における曲面配列部材を示す模式図である。 第１実施形態における共役点を説明するための模式図である。 第２実施形態における図２に対応する図である。 図６の一部を拡大して示す図である。 第２実施形態における図５に対応する図である。 第３実施形態における図２に対応する図である。 変形例１における図９に対応する図である。 変形例２のうち一例における図９に対応する図である。 変形例２のうち他の一例における図９に対応する図である。 変形例３のうち一例における図９に対応する図である。 変形例３のうち他の一例における図９に対応する図である。 変形例４における図５に対応する図である。 変形例５における図５に対応する図である。

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に示す本発明の第１実施形態によるＨＵＤ装置１００は、車両１のインストルメントパネル２に搭載されている。車両１において、楕円体状のアイリプスＥＬＰが規定可能となっている。アイリプスＥＬＰは、車両１の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）。なお、本実施形態におけるアイリプスＥＬＰとして、９０パーセンタイルアイリプス、９５パーセンタイルアイリプス、９９パーセンタイルアイリプス等の、９０パーセンタイル以上９９パーセンタイル以下のアイリプスを採用することが好ましい。

ＨＵＤ装置１００は、表示光を、車両１の投影部材としてのウインドシールド３の反射部３ａへ向けて投影する。投影された表示光は、反射部３ａにて反射された後、アイリプスＥＬＰ内に到達するようになっている。これにより、ＨＵＤ装置１００は、アイリプスＥＬＰ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の室内においてアイリプスＥＬＰ内に眼が位置する運転者により虚像ＶＩとして知覚される。そして、運転者は、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。

ここで車両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のうち、上述の表示光が投影される箇所は、室内側に滑らかな凹面形状又は平面形状に形成されることにより、当該表示光を反射する反射部３ａとして機能している。ここで、反射部３ａの厚みは、略一定であってもよく、車両上方に向かう程厚みが増加することで、断面楔形状を呈していてもよい。また、投影部材として、ウインドシールド３の代わりに、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、当該コンバイナへ表示光を投影するものであってもよい。

なお、本実施形態において、車両下方とは、水平面上の車両１において重力が生ずる方向を示す。車両上方とは、車両下方の反対方向を示す。

このようなＨＵＤ装置は、図２〜４に示すように、ハウジング６０内において、レーザ光源部１０、走査部２０、入射調整部３０、曲面配列部材４０、及び導光部５０を備えている。

レーザ光源部１０は、図４に詳細を示すように、複数のレーザ発振器１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、複数のコリメートレンズ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、折り返しミラー１６ａ、及び複数のダイクロイックミラー１６ｂ，１６ｃを有している。本実施形態では、レーザ発振器１２ａ〜ｃ、コリメートレンズ１４ａ〜ｃは３つずつ設けられている。

３つのレーザ発振器１２ａ〜ｃは、波長が互いに異なるレーザ光束を発振する。具体的に、レーザ発振器１２ａは、例えばピーク波長が４９０〜５３０ｎｍの範囲、好ましくは５１５ｎｍである緑色のレーザ光束を発振するようになっている。レーザ発振器１２ｂは、例えばピーク波長が４３０〜４７０ｎｍの範囲、好ましくは４５０ｎｍである青色のレーザ光束を発振するようになっている。レーザ発振器１２ｃは、例えばピーク波長が６００〜６５０ｎｍの範囲、好ましくは６４０ｎｍである赤色のレーザ光束を発振するようになっている。各レーザ発振器１２ａ〜ｃから発振された各レーザ光束は、それぞれ対応するコリメートレンズ１４ａ〜ｃに入射する。

３つのコリメートレンズ１４ａ〜ｃは、それぞれ対応するレーザ発振器１２ａ〜ｃに対して、各レーザ光束の進行方向に所定の間隔をあけて配置されている。各コリメートレンズ１４ａ〜ｃは、対応する色のレーザ光束を屈折させることにより、当該レーザ光束を略平行化する。

折り返しミラー１６ａは、コリメートレンズ１４ａに対して、レーザ光束の進行方向に所定の間隔をあけて配置され、コリメートレンズ１４ａを透過したレーザ光束を反射する。

２つのダイクロイックミラー１６ｂ〜ｃは、それぞれ対応するコリメートレンズ１４ｂ〜ｃに対して、各レーザ光束の進行方向に所定の間隔をあけて配置されている。各ダイクロイックミラー１６ｂ〜ｃは、対応するコリメートレンズ１４ｂ〜ｃを透過した各レーザ光束のうち、特定波長のレーザ光束を反射し、その他のレーザ光束を透過させる。具体的には、コリメートレンズ１４ｂに対応するダイクロイックミラー１６ｂは、青色のレーザ光束を反射し、緑色のレーザ光速を透過させる。コリメートレンズ１４ｃに対応するダイクロイックミラー１６ｃは、赤色のレーザ光束を反射し、緑色及び青色のレーザ光束を透過させる。

ここで、折り返しミラー１６ａによる反射後の緑色のレーザ光束の進行方向には、ダイクロイックミラー１６ｂが所定の間隔をあけて配置されている。また、ダイクロイックミラー１６ｂによる反射後の青色のレーザ光束の進行方向には、ダイクロイックミラー１６ｃが所定の間隔をあけて配置されている。これら配置形態により、折り返しミラー１６ａによる反射後の緑色のレーザ光束が、ダイクロイックミラー１６ｂを透過し、ダイクロイックミラー１６ｂによる反射後の青色のレーザ光束と重ね合される。また、緑色のレーザ光束と青色のレーザ光束とが、ダイクロイックミラー１６ｃを透過し、ダイクロイックミラー１６ｃによる反射後の赤色のレーザ光束と重ね合される。

また各レーザ発振器１２ａ〜ｃは、コントローラ１８と電気的に接続されている。各レーザ発振器１２ａ〜ｃは、コントローラ１８からの電気信号に従って、レーザ光束を発振する。そして、各レーザ発振器１２ａ〜ｃから発振される３色のレーザ光束を加色混合することで、種々の色の再現が可能となる。こうしてレーザ光源部１０は、互いに波長が異なるレーザ光束を重ね合わせた状態で、走査部２０へ向けて発する。

走査部２０は、図４に詳細を示すように、走査ミラー２２を有している。走査ミラー２２は、微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）を用い、レーザ光束を時間的に走査可能に構成されたＭＥＭＳミラーである。走査ミラー２２において、ダイクロイックミラー１６ｃと所定の間隔を空けて対向する面には、アルミニウムの金属蒸着等により、反射面２２ａが形成されている。反射面２２ａは、当該反射面２２ａに沿って実質直交する２つの回転軸Ａｘ，Ａｙまわりに回動可能となっている。

このような走査ミラー２２は、コントローラ１８と電気的に接続されており、その走査信号に従って回動することで、反射面２２ａの向きを変えることができる。こうして走査部２０は、走査ミラー２２がコントローラ１８により制御されることで、レーザ光源部１０と連動して、例えばレーザ光束の反射面２２ａへの入射箇所である偏向点ＴＰを起点として、時間的にレーザ光束の投射方向ＰＤを偏向することが可能となっている。偏向点ＴＰでの偏向によって走査部２０に走査されたレーザ光束は、入射調整部３０に入射するようになっている。

入射調整部３０は、図３に拡大して示すように、走査部２０と曲面配列部材４０との間の光路上に配置されている。入射調整部３０は、負レンズ３２及び投射ミラー３４を有している。負レンズ３２は、入射調整部３０のうち最も光路上の走査部２０側に配置され、投射ミラー３４は、入射調整部３０のうち最も光路上の曲面配列部材４０側に配置されている。ここで走査部２０と負レンズ３２との間の距離は、負レンズ３２と投射ミラー３４との間の距離よりも小さく設定されている。負レンズ３２と投射ミラー３４との間の距離は、投射ミラー３４と曲面配列部材４０との間の距離よりも小さく設定されている。

負レンズ３２は、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。負レンズ３２は、例えば、入射側屈折面３２ａを凹状に湾曲する滑らかな凹面とし、射出側屈折面３２ｂを凸状に湾曲する滑らかな凸面としたメニスカス形状を呈している。入射側屈折面３２ａの曲率が射出側屈折面３２ｂの曲率よりも大きく設定されている。負レンズ３２は、光学パワーが負である負の光学素子となっている。

投射ミラー３４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３４ａ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３４ａは、中心が凹むことで、凹状に湾曲する滑らかな自由曲面となっている。このような反射面３４ａにより、投射ミラー３４は、光学パワーが正である正の光学素子となっている。そして、負レンズ３２及び投射ミラー３４の合成の光学パワー（すなわち、入射調整部３０全体の光学パワー）は、正となっている。負レンズ３２及び投射ミラー３４の合成焦点（すなわち、入射調整部３０の焦点）は、入射調整部３０に対して偏向点ＴＰよりも光路上の遠くに位置している。

走査部２０により走査されたレーザ光束は、こうした入射調整部３０に入射する。まず、負レンズ３２での屈折により、各投射方向ＰＤに対応するレーザ光束は、一旦、互いに進行方向のずれを拡大させる。次に、投射ミラー３４での反射により、各投射方向ＰＤに対応するレーザ光束は、互いに進行方向のずれを縮小させる。このようにして、入射調整部３０は、レーザ光束の曲面配列部材４０への入射状態を調整する。

曲面配列部材４０は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、アルミニウムを蒸着させること等により、ミラーアレイ状に形成された反射型のスクリーンである。具体的に図５に示すように、曲面配列部材４０は、入射調整部３０の投射ミラー３４及び導光部５０の拡大ミラー５２と対向する側において、アルミニウムの金属蒸着面として、複数の光学曲面４２を格子状に配列している。特に本実施形態では、各光学曲面４２は、入射調整部３０の各面３２ａ，３２ｂ，３４ａよりも十分に曲率が大きな凸状に湾曲する凸面として形成されている。なお、図５では光学曲面４２の数が７つとなっているが、当該数は適宜設定され得る。

また、本実施形態において、各光学曲面４２の面頂点４２ａ同士を滑らかに接続して得られる仮想の面である仮想基準面ＢＳは、平面状となっている。換言すると、各光学曲面４２は、平面状の仮想基準面ＢＳに沿って配列されている。

特に図４に示すように、曲面配列部材４０の投射領域ＰＡには、走査部２０に走査されたレーザ光束の入射により、画像が描画される。具体的に、走査部２０は、コントローラ１８による制御により、複数の走査線ＳＬに沿って順次走査される。その結果、投射領域ＰＡにおいてレーザ光束が入射する位置が移動されつつ、レーザ光束が断続的にパルス照射されることで、画像が描画されることとなる。投射領域ＰＡへの投射により描画される画像は、例えば走査線ＳＬに沿ったｘｓ方向に４８０画素かつ走査線ＳＬと実質垂直なｙｓ方向に２４０画素を有する画像として、毎秒６０フレーム描画される。なお、図２〜４では、光学曲面４２の図示が省略されている。

ここで、各投射方向ＰＤに対応するレーザ光束は、光学曲面４２での反射により、拡がり角を拡大させつつ、曲面配列部材４０から射出される。具体的に、凸面として形成された光学曲面４２により、各レーザ光束のスポット径が拡大される。曲面配列部材４０から射出されたレーザ光束は、画像を虚像表示するための表示光として、導光部５０へと入射する。

導光部５０は、図２，３に示すように、曲面配列部材４０からの表示光をウインドシールド３へと導光する。具体的に導光部５０は、拡大ミラー５２を有している。拡大ミラー５２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５２ａ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５２ａは、中心が凹むことで、凹状に湾曲する凹面となっている。そして、拡大ミラー５２は、曲面配列部材４０からの表示光をウインドシールド３へ向けて反射することで、虚像ＶＩを投射領域ＰＡでの画像のサイズに対して拡大する機能を有する。

ハウジング６０の車両上方に設けられた窓部には、図１に示す透光性の防塵カバー６２が配置されている。拡大ミラー５２に反射された表示光は、車両下方から、当該防塵カバー６２を透過して、車両上方のウインドシールド３の反射部３ａに入射する。上述のように、反射部３ａに反射された表示光がアイリプスＥＬＰに到達することとなる。

以上説明してきたＨＵＤ装置１００により構成される光学系について、図２に示すように、偏向点ＴＰと光学的に共役となる共役点ＣＰが、入射調整部３０、曲面配列部材４０の仮想基準面ＢＳ、導光部５０、及びウインドシールド３の反射部３ａ等の構成に応じて生じ得る。

負レンズ３２作用の利用の結果、共役点ＣＰは、反射部３ａに対してアイリプスＥＬＰの最遠部Ｅｍｄ以遠に位置している。本実施形態において最遠部Ｅｍｄとは、楕円体状のアイリプスＥＬＰのうち反射部３ａに対して最も遠方となる部分として定義される。例えば一般的な乗用車では、最遠部Ｅｍｄは、アイリプスＥＬＰのうち運転席のヘッドレスト４側に位置することとなる。より詳細に、本実施形態の共役点ＣＰは、最遠部ＥｍｄにおけるアイリプスＥＬＰの輪郭と略重なって位置している。

ここで、図６に示すように、曲面配列部材４０にて、光学曲面４２が格子状に配列されていることにより、レーザ光束が回折する。曲面配列部材４０での回折に伴い、各次数の回折光に対応して、共役点が複数発生する。本実施形態では、上述の最遠部Ｅｍｄ以遠に位置する共役点ＣＰとは、複数の共役点のうち、強度の最も大きな次数の共役点を示している。すなわち、強度の小さな次数の共役点は視認性への影響が比較的少ないため無視することができ、全ての次数の共役点が最遠部Ｅｍｄ以遠に位置する必要はない。ただし、強度の最も大きな次数±１となる次数の共役点が最遠部Ｅｍｄ以遠に位置することがより好適であり、強度の最も大きな次数±２となる次数の共役点も最遠部Ｅｍｄ以遠に位置することがさらに好適である。なお本実施形態では、０次の回折光に対応する共役点が強度の最も大きな次数の共役点である。なお、図６では、次数ｍ＝−１，０，１の回折光が模式的に示されている。

（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、偏向点ＴＰと光学的に共役となる共役点ＣＰは、反射部３ａに対して最遠部Ｅｍｄ以遠に位置する。したがって、複数の光学曲面４２を格子状に配列した曲面配列部材４０にて、表示光として射出されるレーザ光束に回折が発生しても、乗員の眼がアイリプスＥＬＰ内に存在する限り、当該乗員の眼の調節作用に関わらず、偏向点ＴＰは乗員の眼に結像され難い。こうしてアイリプスＥＬＰ内に眼が位置する乗員による回折の発生の認識が困難となるため、虚像ＶＩにおける輝度ムラが抑制される。したがって、虚像ＶＩの視認性が高い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、入射調整部３０は、光学パワーが負である負の光学素子として負レンズ３２を有する。こうした負レンズ３２を配置すると、共役点ＣＰを反射部３ａに対してより遠くに移動させる作用が生じることとなるので、共役点ＣＰが反射部３ａに対して最遠部Ｅｍｄ以遠に位置するＨＵＤ装置１００を容易に実現することができる。

また、第１実施形態によると、共役点ＣＰは、最遠部ＥｍｄにおけるアイリプスＥＬＰの輪郭と重なって位置する。当該輪郭と重なって位置すると、共役点ＣＰが必要以上に眼の位置と離れないので、表示光の利用効率低下を抑制しつつ、虚像ＶＩにおける輝度ムラを抑制することができる。

また、９０パーセンタイル以上９９パーセンタイル以下のアイリプスＥＬＰでは、偏向点ＴＰが乗員の眼より前に結像される確率を１０パーセント以下ないしは１パーセント以下にできるので、虚像ＶＩにおける輝度ムラが抑制される。

また、９０パーセンタイルアイリプスＥＬＰでは、偏向点ＴＰが乗員の眼より前に結像される確率を１０パーセント以下にできるので、虚像ＶＩにおける輝度ムラが抑制される。

また、９９パーセンタイルアイリプスＥＬＰでは、偏向点ＴＰが乗員の眼より前に結像される確率を１パーセント以下にできるので、虚像ＶＩにおける輝度ムラが抑制される。

（第２実施形態）
図７〜９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において入射調整部２３０は、図７，８に示すように、第１実施形態と同様に、走査部２０と曲面配列部材２４０との間の光路上に配置されている。ここで、入射調整部２３０は、第１実施形態と異なり、負レンズ３２を有しておらず、投射ミラー３４のみ有している。投射ミラー３４は、第１実施形態と同様の構成となっている。

第２実施形態の曲面配列部材２４０は、合成樹脂ないしはガラス等により透光性を有するレンズアレイ状に形成された透過型のスクリーンである。具体的に図９に示すように、曲面配列部材２４０は、入射調整部２３０の投射ミラー３４と対向する側において、入射側屈折面２４０ａとして、複数の光学曲面２４２を格子状に配列している。各光学曲面２４２は、入射調整部３０の反射面３４ａよりも十分に曲率が大きな凹状に湾曲する滑らかな凹面となっている。

また、本実施形態において、各光学曲面２４２の面頂点２４２ａ同士を滑らかに接続して得られる仮想の面である仮想基準面ＢＳは、投射ミラー３４とは反対側に凹んで湾曲する凹面状となっている。換言すると、各光学曲面２４２は、凹面状の仮想基準面ＢＳに沿って配列されている。なお、特に本実施形態では各光学曲面２４２における曲率及びサグ量が実質一致しており、仮想基準面ＢＳは、各光学曲面２４２に対して、球面状の外接面を構成している。

一方、導光部５０の拡大ミラー５２と対向する側において、曲面配列部材２４０の射出側屈折面２４０ｂは、凸状に湾曲する滑らかな単一の凸面となっている。こうした射出側屈折面２４０ｂは、各光学曲面２４２よりも曲率が十分に小さく設定されている。

また射出側屈折面２４０ｂの曲率は、仮想基準面ＢＳの曲率よりも小さく設定されている。ここで、入射側屈折面２４０ａにおいて、光学曲面２４２の曲率を、仮想基準面ＢＳの曲率に置き換えて算出される曲面配列部材２４０の光学パワーを、基準光学パワーと定義する。すると、基準光学パワーは、負となっている。こうした形状によって曲面配列部材２４０は、巨視的に、負メニスカスレンズ形状を呈している。

なお、各光学曲面２４２の境界２４２ｂ同士を滑らかに接続して得られる仮想の面を、仮想基準面と定義することもできる。こうした定義下においても、基準光学パワーは負となっている。

図７に示すように、各投射方向ＰＤに対応するレーザ光束は、光学曲面２４２での屈折により、拡がり角を拡大させつつ、曲面配列部材２４０から射出される。凹面として形成された光学曲面２４２により、各レーザ光束のスポット径が拡大される。一方、各レーザ光束のスポット中心は、平均的に、負の基準光学パワーに応じて偏向することとなる。したがって、曲面配列部材２４０は、ＨＵＤ装置１００により構成される光学系において、共役点ＣＰを偏向点ＴＰから遠ざけるように作用する。

こうした曲面配列部材２４０作用の利用の結果、共役点ＣＰは、反射部３ａに対してアイリプスＥＬＰの最遠部Ｅｍｄ以遠に位置している。したがって、第２実施形態においても、第１実施形態に準じた効果を奏することが可能となる。

第２実施形態によると、基準光学パワーは、負である。こうした曲面配列部材２４０では、各光学曲面２４２の曲率に基づいて拡がり角を拡大しつつも、共役点ＣＰを反射部３ａに対してより遠くに移動させる作用が生じることとなる。したがって、共役点ＣＰが反射部３ａに対して最遠部Ｅｍｄ以遠に位置するＨＵＤ装置２００を容易に実現することができる。

（第３実施形態）
図１０に示すように、本発明の第３実施形態は第１実施形態の変形例である。第３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３実施形態のＨＵＤ装置３００において入射調整部３３０は、第１実施形態と同様に、走査部２０と曲面配列部材４０との間の光路上に配置されている。ここで、入射調整部３３０は、第２実施形態と異なり、負レンズ３２を有しておらず、投射ミラー３３４のみ有している。投射ミラー３３４の反射面３３４ａは、中心が凹むことで、凹状に湾曲する滑らかな自由曲面となっているが、第１実施形態よりも反射面３３４ａの曲率が全体的に小さく設定されており、投射ミラー３３４の光学パワーが小さくなっている。また、曲面配列部材４０は、第１実施形態と同様の構成となっている。

第１実施形態よりも投射ミラー３３４の曲率が小さくなっていることにより、第３実施形態においても、共役点ＣＰは、反射部３ａに対してアイリプスＥＬＰの最遠部Ｅｍｄ以遠に位置している。より詳細に、第３実施形態の共役点ＣＰは、反射部３ａに対して最遠部Ｅｍｄよりも遠くに位置している。

以上説明した第３実施形態によると、反射部３ａに対して最遠部Ｅｍｄよりも遠くに位置する共役点ＣＰにより、確実に、偏向点ＴＰが乗員の眼に結像され難くできるので、虚像ＶＩにおける輝度ムラが抑制される。

（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。

第２実施形態に関して、レンズアレイ状に形成された透過型のスクリーンである曲面配列部材として、種々の形状を採用することができる。かかる種々の形状として変形例１では、図１１に示すように、曲面配列部材２４０は、入射側屈折面２４０ａの代わりに、射出側屈折面２４０ｂとして、複数の光学曲面２４２を格子状に配列してもよい。また、曲面配列部材２４０は、入射側屈折面２４０ａ及び射出側屈折面２４０ｂの両方において、複数の光学曲面２４２を格子状に配列してもよい。

かかる種々の形状として変形例２では、図１２に示すように、曲面配列部材２４０の射出側屈折面２４０ｂは、凹状に湾曲する滑らかな単一の凹面となっていてもよく、図１３に示すように、平面であってもよい。

かかる種々の形状として変形例３では、図１４，１５に示すように、曲面配列部材２４０は、入射調整部２３０の投射ミラー３４と対向する第１部材２４４、及び導光部５０の拡大ミラー５２と対向する第２部材２４６を組み合わせて構成されている。第１部材２４４の射出側屈折面２４４ｂ及び第２部材２４６の入射側屈折面２４６ａは、それぞれ複数の光学曲面２４２を格子状に配列している。詳細に、第１部材２４４の射出側屈折面２４４ｂにおいて、各光学曲面２４２は凸状に湾曲する滑らかな凸面であり、仮想基準面ＢＳ（図示しない）は第２部材２４６側に凸となって湾曲する凸面となっている。第２部材２４６の入射側屈折面２４６ａにおいて、各光学曲面２４２は凹状に湾曲する滑らかな凹面であり、仮想基準面ＢＳ（図示しない）は第１部材２４４とは反対側に凹んで湾曲する凹面となっている。そして、第１部材２４４の射出側屈折面２４４ｂと第２部材２４６の入射側屈折面２４６ａとは、互いに貼り合わせ又は近接された状態で配置されている。

特に図１４の構成では、第１部材２４４の入射側屈折面２４４ａは、平面となっており、第２部材２４６の射出側屈折面２４６ｂもまた平面となっている。第２部材２４６の屈折率が第１部材２４４の屈折率よりも高くなっていることにより、曲面配列部材２４０の基準光学パワーは、負となっている。

特に図１５の構成では、第１部材２４４の入射側屈折面２４４ａは、凹状に湾曲する滑らかな凹面となっている。第２部材２４６の射出側屈折面２４６ｂもまた凹状に湾曲する滑らかな凹面となっている。また、第１部材２４４と第２部材２４６とに屈折率差が存在する。曲面配列部材２４０の基準光学パワーは、負となっている。

第１実施形態に関する変形例４としては、図１６に示すように、曲面配列部材４０において、各光学曲面４２は凸状に湾曲する滑らかな凸面であり、仮想基準面ＢＳを入射調整部３０及び導光部５０側に凸となって湾曲する凸面となっていてもよい。

第１実施形態に関する変形例５としては、図１７に示すように、曲面配列部材４０において、各光学曲面４２は、凹状に湾曲する滑らかな凹面であってもよい。具体的に、凹面として形成された各光学曲面４２では、曲面配列部材４０からの射出直後、一旦、各レーザ光束のスポット径が絞られ得るが、その後再び拡大することとなる。

変形例６としては、格子状に配列された各光学曲面４２，２４２は、互いに曲率及びサグ量のうち少なくとも一方が異なっていてもよい。この例として、隣接する光学曲面４２，２４２のサグ量は、交互に異なるように設定されていてもよい。こうした構成において、面頂点４２ａ，２４２ａ同士を滑らかに接続しようとすると、凹凸が生じて仮想基準面ＢＳの曲率が定まらないことがあり得る。この場合、面頂点４２ａ，２４２ａに代えて、各光学曲面４２，２４２の境界同士を滑らかに接続して得られる仮想の面を、仮想基準面ＢＳとしてもよい。また、各面頂点４２ａ，２４２ａの座標を、球面等にフィッティングして得られた仮想の面を、仮想基準面ＢＳとしてもよい。

変形例７としては、導光部５０は、ミラー、レンズ等の光学素子を追加されていてもよく、拡大ミラー５２を他の光学素子に置き換えられていてもよい。また、導光部５０自体が設けられていなくてもよい。

１００，２００，３００ ＨＵＤ装置、１ 車両、３ ウインドシールド（投影部材）、３ａ 反射部、１０ レーザ光源部、２０ 走査部、３０，２３０，３３０ 入射調整部、３２ 負レンズ（負の光学素子）、４０，２４０ 曲面配列部材、４２ａ，２４２ａ 面頂点、２４２ｂ 境界、ＥＬＰ アイリプス、ＶＩ 虚像、ＴＰ 偏向点、Ｅｍｄ 最遠部、ＣＰ 共役点、ＢＳ 仮想基準面

Claims (8)

1. ９０パーセンタイル以上９９パーセンタイル以下のアイリプス（ＥＬＰ）が規定可能な車両（１）に搭載され、表示光を投影部材（３）の反射部（３ａ）へ向けて投影し、前記表示光を前記反射部にて反射させつつ前記アイリプス内に到達させることにより、前記アイリプス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、
   レーザ光束を発するレーザ光源部（１０）と、
   前記レーザ光束を偏向点（ＴＰ）にて偏向することで、前記レーザ光束を走査する走査部（２０）と、
   複数の光学曲面（４２，２４２）を格子状に配列し、前記走査部により走査された前記レーザ光束が入射することで画像が描画されると共に、各前記光学曲面により前記レーザ光束の拡がり角を拡大させつつ前記表示光として射出する曲面配列部材（４０，２４０）と、を備え、
   前記アイリプスのうち前記反射部に対して最も遠方となる最遠部（Ｅｍｄ）を定義すると、
   前記偏向点と光学的に共役となる共役点（ＣＰ）は、前記反射部に対して前記最遠部以遠に位置するヘッドアップディスプレイ装置。
2. ９０パーセンタイルのアイリプス（ＥＬＰ）が規定可能な車両（１）に搭載され、表示光を投影部材（３）の反射部（３ａ）へ向けて投影し、前記表示光を前記反射部にて反射させつつ前記アイリプス内に到達させることにより、前記アイリプス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、
   レーザ光束を発するレーザ光源部（１０）と、
   前記レーザ光束を偏向点（ＴＰ）にて偏向することで、前記レーザ光束を走査する走査部（２０）と、
   複数の光学曲面（４２，２４２）を格子状に配列し、前記走査部により走査された前記レーザ光束が入射することで画像が描画されると共に、各前記光学曲面により前記レーザ光束の拡がり角を拡大させつつ前記表示光として射出する曲面配列部材（４０，２４０）と、を備え、
   前記アイリプスのうち前記反射部に対して最も遠方となる最遠部（Ｅｍｄ）を定義すると、
   前記偏向点と光学的に共役となる共役点（ＣＰ）は、前記反射部に対して前記最遠部以遠に位置するヘッドアップディスプレイ装置。
3. ９５パーセンタイルのアイリプス（ＥＬＰ）が規定可能な車両（１）に搭載され、表示光を投影部材（３）の反射部（３ａ）へ向けて投影し、前記表示光を前記反射部にて反射させつつ前記アイリプス内に到達させることにより、前記アイリプス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、
   レーザ光束を発するレーザ光源部（１０）と、
   前記レーザ光束を偏向点（ＴＰ）にて偏向することで、前記レーザ光束を走査する走査部（２０）と、
   複数の光学曲面（４２，２４２）を格子状に配列し、前記走査部により走査された前記レーザ光束が入射することで画像が描画されると共に、各前記光学曲面により前記レーザ光束の拡がり角を拡大させつつ前記表示光として射出する曲面配列部材（４０，２４０）と、を備え、
   前記アイリプスのうち前記反射部に対して最も遠方となる最遠部（Ｅｍｄ）を定義すると、
   前記偏向点と光学的に共役となる共役点（ＣＰ）は、前記反射部に対して前記最遠部以遠に位置するヘッドアップディスプレイ装置。
4. ９９パーセンタイルのアイリプス（ＥＬＰ）が規定可能な車両（１）に搭載され、表示光を投影部材（３）の反射部（３ａ）へ向けて投影し、前記表示光を前記反射部にて反射させつつ前記アイリプス内に到達させることにより、前記アイリプス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、
   レーザ光束を発するレーザ光源部（１０）と、
   前記レーザ光束を偏向点（ＴＰ）にて偏向することで、前記レーザ光束を走査する走査部（２０）と、
   複数の光学曲面（４２，２４２）を格子状に配列し、前記走査部により走査された前記レーザ光束が入射することで画像が描画されると共に、各前記光学曲面により前記レーザ光束の拡がり角を拡大させつつ前記表示光として射出する曲面配列部材（４０，２４０）と、を備え、
   前記アイリプスのうち前記反射部に対して最も遠方となる最遠部（Ｅｍｄ）を定義すると、
   前記偏向点と光学的に共役となる共役点（ＣＰ）は、前記反射部に対して前記最遠部以遠に位置するヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記走査部と前記曲面配列部材との間の光路上に配置され、前記走査部により走査された前記レーザ光束の前記曲面配列部材への入射状態を調整する入射調整部（３０）をさらに備え、
   前記入射調整部は、光学パワーが負の光学素子（３２）を有する請求項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. 各前記光学曲面の面頂点（２４２ａ）同士又は各前記光学曲面間の境界（２４２ｂ）同士を滑らかに接続して得られる仮想の面を仮想基準面（ＢＳ）と定義し、
   各前記光学曲面の曲率を、前記仮想基準面の曲率に置き換えて算出される前記曲面配列部材の光学パワーを基準光学パワーと定義すると、
   前記基準光学パワーは、負である請求項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。
7. 前記共役点は、前記最遠部における前記アイリプスの輪郭と重なって位置する請求項１から６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。
8. 前記共役点は、前記反射部に対して前記最遠部よりも遠くに位置する請求項１から６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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