JP6709906B2

JP6709906B2 - 画像投写装置

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Publication number: JP6709906B2
Application number: JP2017043903A
Authority: JP
Inventors: 聡葛原; 裕昭岡山; 森　俊也; 俊也森
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2017-03-08
Publication date: 2020-06-17
Anticipated expiration: 2037-03-08
Also published as: US20180259770A1; US10473929B2; JP2018146882A

Description

本開示は、透過性を有する反射部材に光を投射して虚像を提示する画像投写装置に関する。

特許文献１は、コンバイナーが組み込まれた防風ガラスに表示像を投影する車両用表示装置を開示する。この車両用表示装置は、防風ガラスの下方に設置され、光源部とコリメーターであるレンズと透過型の表示体とを有する発光表示手段を備える。コンバイナーに向けて照射する光の方向に、車速に応じて発光表示手段を前後に動かして、表示する虚像の結像位置を変化させる。

特許文献２は、部分透過ミラーに表示像を投影する表示装置を開示する。この表示装置は、像を形成する表示パネルと、中間像を形成するリレー光学系と、中間像を再度結像させる結像光学系と、を備える。リレー光学系により、中間像の位置を変化させて結像光学系により結像する像の表示位置を変化させる。

実開平６−８７０４３号公報特開２００８−１８０７５９号公報

本開示における画像投写装置は、透過性を有する反射部材に画像を投写して観察者に虚像を視認させる画像投写装置である。画像投写装置は、表示デバイスと、投写光学系と、を備える。表示デバイスは、画像を表示する。投写光学系は、少なくとも１枚のレンズ素子を含むレンズ群を有し、表示デバイスに表示された画像を反射部材に投写する。レンズ群は、表示デバイスとの距離を変化させるように光路の方向に移動する駆動レンズを有する。駆動レンズは、表示デバイスとの距離を縮める方向に移動することにより、視距離を増大させる。ここで、画像投写装置は、駆動レンズの移動前の虚像の視距離をＺ１、駆動レンズの移動後の虚像の視距離をＺ２、駆動レンズの移動量をΔＬ、１／Ｚ１−１／Ｚ２をΔＤとしたとき、１＜ΔＤ／ΔＬの関係を満足する。

本開示における画像投写装置は、透過性を有する反射部材に画像を投写して観察者に虚像を視認させる画像投写装置である。画像投写装置は、表示デバイスと、投写光学系と、を備える。表示デバイスは、画像を表示する。投写光学系は、少なくとも１枚のレンズ素子を含むレンズ群を有し、表示デバイスに表示された画像を反射部材に投写する。レンズ群は、表示デバイスとの距離を変化させるように光路の方向に移動する駆動レンズを有する。ここで、画像投写装置は、駆動レンズの移動前の虚像の視距離をＺ１、駆動レンズの移動後の虚像の視距離をＺ２、駆動レンズの移動量をΔＬ、１／Ｚ１−１／Ｚ２をΔＤとしたとき、１＜ΔＤ／ΔＬの関係を満足する。

本開示における画像投写装置は、虚像の位置を調整することが可能である。

図１は、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイを搭載した車両を説明するための模式図である。図２は、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図である。図３は、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの構成を示すブロック図である。図４は、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図である。図５は、実施の形態１における投射光学系の構成を示す模式図である。図６は、実施の形態１における投射光学系の構成を示す図である。図７は、実施の形態１のヘッドアップディスプレイに入射する外光の光路を示す模式図である。図８Ａは、本開示のヘッドアップディスプレイにおける駆動レンズの移動前の表示画像の光路を示す図である。図８Ｂは、本開示のヘッドアップディスプレイにおける駆動レンズの移動後の表示画像の光路の様子を示す図である。図９Ａは、本開示のヘッドアップディスプレイにおいて表示画像の電子的補正をしない場合における、駆動レンズの移動前後の虚像の様子を示す図である。図９Ｂは、本開示のヘッドアップディスプレイにおいて、駆動レンズの移動前後に対応する表示画像の電子的補正の様子を示す図である。図１０Ａは、本開示のヘッドアップディスプレイにおいて、駆動レンズの移動前の表示画像の光路を示す図である。図１０Ｂは、本開示のヘッドアップディスプレイにおいて、駆動レンズの移動後の表示画像の光路を示す図である。図１１Ａは、本開示のヘッドアップディスプレイにおいて表示画像の電子的補正をしない場合における、駆動レンズの移動前後の虚像の様子を示す図である。図１１Ｂは、本開示のヘッドアップディスプレイにおいて、駆動レンズの移動前後に対応する表示画像の電子的補正の様子を示す図である。図１２は、実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図である。実施例１（実施の形態１に対応）の光学系の虚像Ｉが最短の視距離における各面の偏心データを示す図実施例１（実施の形態１に対応）の光学系の虚像Ｉが最長の視距離における各面の偏心データを示す図実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における各面の曲率半径を示す図実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図実施例２（実施の形態２に対応）の光学系の虚像Ｉが最短の視距離における各面の偏心データを示す図実施例２（実施の形態２に対応）の光学系の虚像Ｉが最長の視距離における各面の偏心データを示す図実施例２（実施の形態２に対応）の光学系における各面の曲率半径を示す図実施例２（実施の形態２に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図実施例２（実施の形態２に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図実施例２（実施の形態２に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図

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、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
以下、図１〜７を用いて、実施の形態１を説明する。

［１−１．構成］
［１−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
本開示のヘッドアップディスプレイ１００（画像投写装置の一例）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、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の断面を概略的に示す図である。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下部のダッシュボード２１０内部に配置される。観察者Ｄは、ヘッドアップディスプレイ１００から投射され、ウインドシールド２２０で反射される画像を虚像Ｉとして認識する。また、車両２００は観察者Ｄの視点を検出するためのカメラ１７０を備えている。

図２は、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の構成を示す模式図である。

図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０と、投射光学系１２０と、レンズ駆動部１３０と、ミラー駆動部１４０と、制御部１５０とを備える。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０が表示する画像をダッシュボード２１０の開口部２１１を通過してウインドシールド２２０に投射する。投射された光は、ウインドシールド２２０において反射され、観察者Ｄの視点領域３００に導かれる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させる。

ここで、本開示において、前方とは、観察者Ｄから見て車両２００のウインドシールドのある方向である。後方とは、前方の反対の方向である。また、下方とは車両２００が走行する地面の方向である。上方とは、下方の反対の方向である。外側とは、車両２００が左ハンドルである場合、観察者Ｄから見て左側である。このとき、内側とは観察者から見て右側である。また、視点領域３００は、観察者Ｄが虚像Ｉを欠けることなく視認できる領域である。

また、図２に示すように、表示デバイス１１０における画像の中心から観察者Ｄの視点までの光路を基準光線Ｌｃとする。すなわち、観察者Ｄから見た場合、基準光線Ｌｃは、虚像Ｉの中心から観察者Ｄの視点までの光路に相当する。また、虚像Ｉの車両外側端に相当する、表示デバイス１１０上の表示位置を基準外側画像端とする。虚像Ｉの車両内側端に相当する、表示デバイス１１０上の表示位置を基準内側画像端とする。そして、表示デバイス１１０の基準外側画像端から観察者Ｄの視点までの光路を基準外側光線Ｌｏとする。すなわち、虚像Ｉの車両外側端に相当する光の光路が基準外側光線Ｌｏである。同様に、表示デバイス１１０の基準内側画像端から観察者Ｄの視点までの光路を基準内側光線Ｌｉとする。ただし、観察者Ｄの視点は、視点領域３００の中心にあるものとする。

表示デバイス１１０は、後述するＣＰＵ等の制御部１５０による制御に基づき、画像を表示する。表示デバイス１１０には、例えば、バックライト付きの液晶表示装置（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）や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を用いることができる。また、表示デバイス１１０として、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）や、光を拡散または反射するスクリーンと走査型レーザを用いて画像を生成してもよい。表示デバイス１１０は、制御部１５０の制御に基づき、道路進行案内表示や、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、各種の情報を表示することができる。また、表示デバイス１１０は、投射光学系１２０やウインドシールド２２０で発生する歪みや、カメラ１７０で取得する観察者Ｄの位置に応じて、あらかじめ画像を電子的に歪ませたり、表示デバイス１１０の表示可能領域における画像の表示位置を動かしたりして、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることができる。また、表示デバイス１１０は、投射光学系１２０等で発生する色収差に応じて、あらかじめ複数波長の表示画素を表示位置毎にずらして表示することで、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることができる。

投射光学系１２０は、１枚以上のレンズ素子で構成されるレンズ群１２１と、凹面形状の反射面を有するミラー１２２とを備える。また、ミラー１２２は、正のパワーを有する。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した画像をウインドシールド２２０に投射する。具体的には、表示デバイス１１０が表示した画像光は、レンズ群１２１を通してミラー１２２に入射する。ミラー１２２は、画像光を反射し、ウインドシールド２２０に投射する。

レンズ駆動部１３０は、モータなどのアクチュエータとレンズ素子を保持する支持枠を含み構成される。レンズ駆動部１３０は、レンズ群１２１を構成するレンズ素子の一部、または全部を表示デバイス１１０との間隔が変化するように光路の方向に駆動し、観察者Ｄが視認する虚像Ｉの距離を移動することができる。

ミラー駆動部１４０は、モータなどのアクチュエータとミラー支持部材とを含み構成される。ミラー駆動部１４０は、観察者Ｄの目の位置に応じて、ミラー１２２を２軸の方向に回転し、視点領域３００を移動する。

制御部１５０は、ヘッドアップディスプレイ１００を制御する電子制御ユニットである。

図３は、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の電気的な接続関係を示すブロック図である。図３に示すように、制御部１５０は、表示デバイス１１０、レンズ駆動部１３０、ミラー駆動部１４０、カメラ１７０、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）バス１８０に接続されている。

制御部１５０は、カメラ１７０が検出した観察者Ｄの目の位置から、視点領域３００を決定することができる。

ＣＡＮバス１８０は、車両２００の速度や加速度、ステアリングの操舵角度、車両２００の故障状況などの情報の転送に用いられる、データ転送用のバスである。制御部１５０は、ＣＡＮバス１８０を通じて、車両２００の各種情報を取得する。

また、詳細は後述するが、制御部１５０は、レンズ駆動部１３０の駆動に応じて、表示デバイス１１０の表示する画像のサイズや、表示デバイス１１０の表示領域内における画像の表示位置を変えたり、ミラー駆動部１４０を駆動してミラー１２２の角度を変えたりしても良い。

［１−１−２．投射光学系の構成］
以下、図４〜７を用いて、投射光学系１２０の構成について説明する。

図４は、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の投射光学系１２０の構成を説明するための模式図である。

レンズ群１２１は、図４に示すように、表示デバイス１１０よりも車両２００の前方方向に位置する。レンズ群１２１は、表示デバイス１１０からミラー１２２までの光路の順に、集光作用を有する固定レンズ１２１Ｂと、発散作用を有する駆動レンズ１２１Ａと、を有する。駆動レンズ１２１Ａは、その屈折面のＸ軸方向とＹ軸方向とで曲率の異なる自由曲面レンズである。また、固定レンズ１２１Ｂは、その屈折面のＸ軸方向とＹ軸方向とで曲率の異なる自由曲面レンズである。

図５は、本実施の形態に係る投射光学系１２０のＹ軸方向の構成を説明するための模式図である。図６は、本実施の形態に係る投射光学系１２０のＸ軸方向の構成を説明するための模式図である。

ここで、図５に示すように、基準光線Ｌｃと駆動レンズ１２１Ａの入射面との交点を原点Ｏとする。原点Ｏにおける駆動レンズ１２１Ａの入射面の接平面を接平面Ｐとする。基準外側光線Ｌｏと接平面Ｐとの交点と、原点Ｏとを含む直線をＸ軸とする。接平面Ｐ上において、Ｘ軸と垂直な直線をＹ軸とする。また、図５に示すように、基準光線Ｌｃと固定レンズ１２１Ｂの入射面との交点を原点Ｑとする。原点Ｑにおける固定レンズ１２１Ｂの入射面の接平面を接平面Ｒとする。基準外側光線Ｌｏと接平面Ｒとの交点と、原点Ｑとを含む直線をＸ軸とする。接平面Ｒ上において、Ｘ軸と垂直な直線をＹ軸とする。なお、図５では車両内外方向とＸ軸方向が一致しているが、それに限定されるものではない。駆動レンズ１２１Ａおよび固定レンズ１２１Ｂは、図５に示すように基準光線Ｌｃに対して下方に傾けて配置されている。

まず、実施の形態１の駆動レンズ１２１Ａについて説明する。図５に示すように、駆動レンズ１２１Ａの表示デバイス１１０側の面（入射面）は、そのＹ軸方向が屈折力を有さない形状で構成される。ただし、駆動レンズ１２１Ａの入射面は、Ｘ軸方向の曲率よりも小さい形状であれば、凹面形状、凸面形状、または、平面形状のいずれでもよい。駆動レンズ１２１Ａのミラー１２２側の面（出射面）は、そのＹ軸方向が凹面形状で構成される。すなわち、駆動レンズ１２１Ａは、そのＹ軸方向に発散作用を有していればよい。

また、図６に示すように、駆動レンズ１２１Ａの表示デバイス１１０側の面（入射面）は、そのＸ軸方向が表示デバイス１１０側に凹な凹面形状で構成される。他方、駆動レンズ１２１Ａの出射面は、そのＸ軸方向がミラー１２２側に凸な凸面形状で構成される。ただし、駆動レンズ１２１Ａは、そのＸ軸方向に発散作用を有していればよく、出射面のＸ軸方向がミラー１２２側に凹な凹面形状を有しても良い。

なお、レンズ群１２１において、Ｘ軸方向の曲率とは、Ｘ軸を含みＹ軸方向に垂直な平面における断面形状の曲率のことである。Ｙ軸方向の曲率とは、Ｙ軸を含みＸ軸方向に垂直な平面における断面形状の曲率のことである。

次に、固定レンズ１２１Ｂについて説明する。図５に示すように、固定レンズ１２１Ｂの表示デバイス１１０側の面（入射面）は、そのＹ軸方向が表示デバイス１１０側に凸な凸面形状で構成される。他方、固定レンズ１２１Ｂのミラー１２２側の面（出射面）は、Ｙ軸方向の曲率がＸ軸方向よりも小さい曲率で構成される。

また、図６に示すように、固定レンズ１２１Ｂの入射面は、Ｘ軸方向が表示デバイス１１０側に凹な凹面形状で構成される。他方、固定レンズ１２１Ｂの出射面は、Ｘ軸方向がミラー１２２側に凸な凸面形状で構成される。

図７は太陽光などの外光が投射光学系１２０に入射したときの模式図を示している。太陽光などの外光が、ミラー１２２からレンズ群１２１へ入射したとき、外光はレンズ群１２１の駆動レンズ１２１Ａ、固定レンズ１２１Ｂの出射面や入射面によって反射される。駆動レンズ１２１Ａ、固定レンズ１２１Ｂにおいて反射された反射光がミラー１２２へ入射すると、外光がウインドシールド２２０へ投射され、観察者Ｄに視認される恐れがある。これは、車両２００を運転する観察者Ｄの視界を妨げるため、望ましくない。

本開示においては、図５で示すように、レンズ群１２１を構成する各レンズ素子の入射面及び出射面は、基準光線Ｌｃに対して下方に傾いている。すなわち、レンズ群１２１を構成する各レンズ素子は、基準光線Ｌｃに対して傾いている。これにより、太陽光などの外光はミラー１２２より下方へ反射され、視点領域３００に入射しないようにできる。ここで、レンズ群１２１を構成する各レンズ素子の基準光線Ｌｃに対する傾きは、基準光線Ｌｃに沿って入射した外光が入射面または出射面において反射したとき、その反射光がミラー１２２に入射しない角度とすることが望ましい。さらに望ましくは、ミラー１２２からレンズ群１２１へ入射した外光がレンズ群１２１を構成する各レンズ素子の入射面または出射面において反射したとき、その反射光がミラー１２２に入射しない角度とすることが望ましい。なお、レンズ群１２１を構成する各レンズ素子が基準光線Ｌｃに対して傾いているとは、レンズ群１２１を構成する各レンズ素子の光学的な屈折面が基準光線Ｌｃに対して垂直な平面に対して水平でないということである。

さらに、駆動レンズ１２１Ａの出射面は、入射面よりも下方に向けて設けられている。すなわち、駆動レンズ１２１ＡのＹ軸方向の形状は、くさび形状となっている。駆動レンズ１２１ＡのＹ軸方向に沿った断面形状をくさび形状とすることにより、駆動レンズ１２１Ａの上方を通る光の光路長が、駆動レンズ１２１Ａの下方を通る光の光路長よりも長くなる。すなわち、表示デバイス１１０から出射された映像光がミラー１２２に到達するまでの光路長を、Ｙ軸方向の位置に応じて変えることができる。これにより、ミラー１２２において生じる偏心像面湾曲を良好に補正することができる。

ここで、駆動レンズ１２１Ａの入射面と出射面および固定レンズ１２１Ｂの入射面と出射面はそれぞれ、薄膜の多層構造による反射防止コートを施している。これにより、駆動レンズ１２１Ａおよび固定レンズ１２１Ｂの各面における反射率を低減することができる。なお、反射防止コートは、例えばＳＷＳ（ＳｕｂＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＳｔｒｕｃｔｕｒｅ、サブ波長構造体）のような微細周期構造を用いてもよい。レンズ群１２１の各レンズ素子の入射面及び出射面に反射防止コートを施していることにより、表示デバイス１１０で表示した画像の透過率を下げることなく、良好な虚像Ｉを観察者Ｄに視認させることができる。また、太陽光などの外光がレンズ群１２１の入射面と出射面との間で多重反射して視点領域３００に到達した場合でも、輝度を十分に下げることができる。

ここで、駆動レンズ１２１Ａは、ミラー１２２の反射面の下端よりも上方に配置される。こうすることで、ヘッドアップディスプレイ１００を車両２００の上下方向に薄く構成することができる。また、固定レンズ１２１Ｂは、ミラー１２２の反射面の下端よりも上方に配置される。こうすることで、ヘッドアップディスプレイ１００を車両２００の上下方向に薄く構成することができる。

次に、ミラー１２２について説明する。ミラー１２２は、レンズ群１２１よりも車両２００の前方方向に位置する。ミラー１２２は、レンズ群１２１から出射された光線をウインドシールド２２０に向けて反射する。ミラー１２２の反射面は、偏心して配置されている。ここで、ミラー１２２の反射面は凹面形状である。すなわち、ミラー１２２は、レンズ群１２１から入射した光を拡大してウインドシールド２２０に投射する。これにより、表示デバイス１１０で表示する画像１１１を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることができる。また、ミラー１２２は自由曲面形状である。これは反射で生じた虚像のひずみを補正するためである。これにより、観察者Ｄが視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにできる。

［１−２．動作］
次に、図４および図８Ａ〜図１１Ｂを用いて、本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００の動作について説明する。レンズ群１２１の内、駆動レンズ１２１Ａは、表示デバイス１１０との間隔を変化させるように移動する。より詳しくは、観察者Ｄの視点領域３００の中心に到達し、虚像Ｉの中心に相当する光線を基準光線Ｌｃとしたとき、駆動レンズ１２１Ａを基準光線Ｌｃの方向に移動させる。これにより、観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離（視距離）を変化させることができる。図４に示すように、駆動レンズ１２１Ａと表示デバイス１１０との間隔を縮める方向に移動させる場合、視距離は大きくなる。これは、駆動レンズ１２１Ａと表示デバイス１１０との間隔を縮める方向に移動させると、投射光学系１２０の倍率が大きくなるためである。このとき、図８Ｂ、図９Ａに示すように、観察者Ｄから虚像Ｉを見た時の視野角も大きくなる。すなわち、駆動レンズ１２１Ａの移動の前と後とで表示デバイス１１０に表示する画像１１１のサイズを一定にした場合、観察者Ｄから視認される虚像Ｉの大きさが変化してしまう（図９Ａ参照）。

そこで、視距離を増大させるための駆動レンズ１２１Ａの移動の前と後とで視野角を一定にするために、本開示にかかるヘッドアップディスプレイ１００は、駆動レンズ１２１Ａの移動に合わせて表示デバイス１１０で表示する画像１１１のサイズを小さくしている（図９Ｂ参照）。この場合、制御部１５０は、レンズ駆動部１３０の駆動量を取得して表示デバイス１１０に表示する画像１１１のサイズを決定する。このとき、レンズ駆動部１３０の駆動量と表示する画像１１１のサイズの変化量は比例する。

なお、表示デバイス１１０に表示する画像のサイズとは、表示デバイス１１０の表示面を構成する画素の内、コンテンツを表示するために使用する画素を用いて表示された画像のサイズである。

また、図１０Ａ、１０Ｂに示すように、基準光線Ｌｃに対して傾けて配置された駆動レンズ１２１Ａが移動することで、ミラー１２２に入射する基準光線Ｌｃの光路が変化する。これにより、観察者Ｄが虚像Ｉを視認するときの俯角（観察者Ｄの水平視線から虚像Ｉの表示位置までの角度）が変化する（図１１Ａ参照）。

この俯角の変化を防ぐために、図１１Ｂに示すように、表示デバイス１１０の表示エリアにおける表示する画像１１１の位置をＹ軸方向に移動させる。この場合、表示デバイス１１０を制御する制御部１５０は、レンズ駆動部１３０の駆動量を取得して表示デバイスに表示する表示画像１１１の表示位置を決定する。このとき、レンズ駆動部１３０の駆動量と表示画像１１１の移動量は比例する。また、俯角の変化を防ぐために、ミラー駆動部１４０を移動させてミラー１２２の角度を変化させて、ミラー１２２に入射する基準光線Ｌｃの入射角を変化させてもよい。また、俯角の変化の防止に対しては、ミラー１２２の角度の変化に代えて、固定レンズ１２１Ｂを基準光線Ｌｃに対してＹ軸方向にシフトしてもよい。これにより、駆動レンズ１２１Ａに入射する位置を変化させ、ミラー１２２に入射する基準光線Ｌｃの位置を一定にできる。俯角の変化を防ぐために、上記した画像１１１の表示位置の変化とミラー１２２の角度の変化、および固定レンズ１２１Ｂの移動のそれぞれまたは全部を組み合わせて実現してもよい。

これにより、観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離（視距離）を変化させる場合であっても、視野角と俯角を一定に保つことができる。

［１−３．効果等］
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０（表示デバイスの一例）と、投射光学系１２０と、を備える。表示デバイス１１０は、画像を表示する。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０から光路の順に、レンズ群１２１と、ミラー１２２を有し、表示デバイス１１０に表示された画像を観察者Ｄに投射する。レンズ群１２１は、駆動レンズ１２１Ａと、固定レンズ１２１Ｂと、を有する。駆動レンズ１２１Ａは基準光線Ｌｃに対して傾けて配置される。駆動レンズ１２１Ａの表示デバイス１１０側にある入射面は、Ｘ軸方向において表示デバイス１１０側に対し凹面を形成している。また、駆動レンズ１２１Ａの入射面のＹ軸方向における曲率は、入射面のＸ軸方向における曲率よりも小さい。
ヘッドアップディスプレイ１００の結像光学系は、表示デバイス１１０が表示する画像である実像（第１の像面）を、ミラー１２２とレンズ群１２１、ウインドシールド２２０を介して観察者Ｄから視認される虚像Ｉ（第２の像面）として結像させる。すなわち、ヘッドアップディスプレイ１００の結像光学系は、レンズ群１２１とミラー１２２を用いて、ウインドシールド２２０を介することで、第１の像面と第２の像面を共役関係にしている。ヘッドアップディスプレイ１００の基準光線Ｌｃ、すなわち、第２の像面の中心に対応する光線は、駆動レンズ１２１Ａと固定レンズ１２１Ｂの入射面と出射面とを通る。

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０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。

また、本開示のヘッドアップディスプレイ１００によれば、小型でありながら、視点領域３００の全域で画面歪みが良好に補正できるヘッドアップディスプレイが実現できる。

また、本開示のヘッドアップディスプレイ１００によれば、駆動レンズ１２１Ａを備えているため、虚像Ｉの視距離を変化させることが可能である。

また、駆動レンズ１２１ＡのＸ軸方向は負の屈折力を有する。これにより、表示デバイス１１０から出射してレンズ群１２１に入射する光線のＸ軸方向の広がりを抑制することができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００は、コントラスト特性の良好な虚像Ｉを提示することができる。

また、固定レンズ１２１ＢのＸ軸方向は表示デバイス１１０に凹面を向けた負のメニスカス形状である。これにより、表示デバイス１１０から出射する光線が、レンズ群１２１のレンズ面に入射する角度を、入射面に対して垂直に近づけることができる。これにより、偏心歪みの影響を低減することができる。

また、レンズ群１２１の各レンズ素子の出射面は、自由曲面形状である。具体的には、レンズ群１２１の各レンズ素子は、Ｘ軸方向において対称でない。これにより、レンズ群１２１は、ウインドシールド２２０で発生する非対称な歪みを良好に補正することができる。

実施の形態１に係る駆動レンズ１２１Ａは、全体として凹面レンズである。すなわち、駆動レンズ１２１Ａは、Ｘ軸方向とＹ軸方向の両方において、負のパワーのレンズとして機能する光学素子である。

実施の形態１に係る固定レンズ１２１Ｂは、全体として凸面レンズである。すなわち、固定レンズ１２１Ｂは、Ｘ軸方向とＹ軸方向の両方において、正のパワーのレンズとして機能する光学素子である。

実施の形態１に係る駆動レンズ１２１Ａの入射面は、Ｘ軸方向において凹面である。さらに、駆動レンズ１２１Ａの入射面のＹ軸方向の曲率は、そのＸ軸方向の曲率よりも小さい。このようにＸ軸方向の曲率を大きくすることにより、駆動レンズ１２１ＡのＸ軸方向において、入射面の中心から遠い部分においても、画像１１１の光の入射角が大きくなる。これにより、駆動レンズ１２１ＡのＸ軸方向において、中心から遠い部分における光学的特性の劣化を抑えられる。特に、駆動レンズ１２１ＡのＸ軸方向の長さがＹ軸方向の長さより長いとき、駆動レンズ１２１Ａの中心から遠い部分における光学的特性の劣化は、一般的にＸ軸方向のほうがＹ軸方向よりも大きい。駆動レンズ１２１ＡのＸ軸方向の長さがＹ軸方向の長さより長いとき、入射面のＹ軸方向の曲率は、そのＸ軸方向の曲率よりも小さいことにより、光学的特性の劣化をより効果的に抑制できる。なお、虚像ＩのＸ軸方向に対応するレンズ素子の長さがＹ軸方向に対応する長さより長いときにおいても同様で、レンズ素子の外形における長さに限られない。

実施の形態１に係る駆動レンズ１２１Ａの出射面は、Ｘ軸方向において凸面である。これにより、入射面のＸ軸方向の形状を曲率の大きい凹面とすることができる。さらに、出射面のＸ軸方向の曲率は、入射面のＸ軸方向の曲率よりも小さい。さらに、出射面のＹ軸方向の曲率は、そのＸ軸方向の曲率よりも小さい。これにより、駆動レンズ１２１Ａの光学的特性は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の全体として凹面レンズとすることができる。

（実施の形態２）
実施の形態２のヘッドアップディスプレイ１００は、レンズ群１２１が集光作用を有する駆動レンズ１２１Ａと、発散作用を有する固定レンズ１２１Ｂで構成される点において実施の形態１と異なる。以下、図９を用いて実施の形態１と異なる点を中心に説明し、同様の構成についてはその説明を省略する。

［２−１．構成］
図１２は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００の投射光学系１２０の構成を説明するための模式図である。

図１２に示すように、投射光学系１２０は、レンズ群１２１と、ミラー１２２と、を有する。

実施の形態２では、駆動レンズ１２１Ａは、Ｘ軸方向とＹ軸方向で曲率の異なる自由曲面レンズである。駆動レンズ１２１Ａの表示デバイス１１０側の面（入射面）は、Ｘ軸方向は表示デバイス１１０側に凸な凸面形状である。ただし、駆動レンズ１２１Ａの入射面は凸面に限定されず、液晶側に凹な凹面形状を有しても良い。駆動レンズ１２１Ａのミラー１２２側の面（出射面）は、Ｘ軸方向はミラー１２２側に凸な凸面形状である。駆動レンズ１２１Ａの入射面のＹ軸方向の曲率は、出射面のＸ軸方向の曲率よりも小さい。また、実施の形態２では、駆動レンズ１２１Ａの入射面は、Ｙ軸方向は屈折力を持たない形状としている。また、実施の形態２では、駆動レンズ１２１Ａの出射面は、Ｙ軸方向はミラー１２２側に凸な凸面形状である。さらに、駆動レンズ１２１Ａの出射面は、入射面よりも下方に向けて設けられている。すなわち、駆動レンズ１２１ＡのＹ軸方向の形状は、くさび形状となっている。

固定レンズ１２１Ｂは、Ｘ軸方向とＹ軸方向で曲率の異なる自由曲面レンズである。固定レンズ１２１Ｂの表示デバイス１１０側の面（入射面）は、Ｘ軸方向は表示デバイス１１０側に凹な凹面形状である。固定レンズ１２１Ｂの入射面のＹ軸方向は表示デバイス１１０側に凹な凹面形状である。また、固定レンズ１２１Ｂのミラー１２２側の面（出射面）は、Ｘ軸方向はミラー１２２側に凹な凹面形状である。固定レンズ１２１Ｂの出射面は、Ｙ軸方向はＸ軸方向よりも小さい曲率である。実施の形態２では、一例として、固定レンズ１２１Ｂの出射面のＹ軸方向は屈折力を持たない形状としている。なお、固定レンズ１２１Ｂの出射面のＹ軸方向は、ミラー１２２側にＸ軸方向よりも小さい曲率の凸面、または凹面を向けても良い。また、固定レンズ１２１Ｂの入射面は、表示デバイス１１０側に凸面を向けても良い。あるいは、固定レンズ１２１Ｂの入射面は、表示デバイス１１０側に局所的に凹面、凸面、または、平面を向けた形状であっても良い。

ミラー１２２は、レンズ群１２１から入射した光を拡大してウインドシールド２２０に投射する。ミラー１２２の反射面は凹面形状である。これにより、表示デバイス１１０で表示する画像１１１を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることができる。また、ミラー１２２の反射面は自由曲面形状である。これは反射で生じた虚像のひずみを補正するためである。これにより、観察者Ｄが視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにできる。
［２−２．動作］
実施の形態３に係る駆動レンズ１２１Ａは、表示画像１１１との距離を変化させるように移動する。これにより、観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離（視距離）を変化させることができる。図１２に示すように、駆動レンズ１２１Ａと表示デバイス１１０との距離を拡げる方向に移動させる場合、視距離は大きくなる。これは、駆動レンズ１２１Ａと表示デバイス１１０との距離を拡げる方向に移動させると、投射光学系１２０の倍率が大きくなるためである。
［２−３．効果等］
本開示のヘッドアップディスプレイ１００によれば、駆動レンズ１２１Ａを備えているため、虚像Ｉの視距離を変化させることが可能である。

実施の形態２に係る駆動レンズ１２１Ａは、全体として凸面レンズである。すなわち、駆動レンズ１２１Ａは、Ｘ軸方向とＹ軸方向の両方において、正のパワーのレンズとして機能する光学素子である。また、固定レンズ１２１Ｂは、全体として凹面レンズである。すなわち、固定レンズ１２１Ｂは、Ｘ軸方向とＹ軸方向の両方において、負のパワーのレンズとして機能する光学素子である。これにより、ミラー１２２で必要な正のパワーを駆動レンズ１２１Ａに分担することが可能である。

（望ましい条件）
以下、本開示の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、各実施の形態に係る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光学系を得ることも可能である。

本開示の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、当該投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、レンズ群１２１と、ミラー１２２と、を有する。

レンズ群１２１は駆動レンズ１２１Ａを有し、駆動レンズ１２１Ａは表示デバイス１１０との間隔を変えるように移動する。こうすることで、観察者Ｄが視認する虚像Ｉの視距離を移動することが出来る。

レンズ群１２１は固定レンズ１２１Ｂを有することが望ましい。こうすることで、ミラー１２２、駆動レンズ１２１Ａで発生する偏心像面湾曲を良好に補正することが出来る。

レンズ群１２１において、表示デバイス１１０との間隔が変化するレンズ素子は、表示デバイス１１０からミラー１２２までの光路の順に、ミラー１２２側に配置されることが好ましい。こうすることで、固定レンズ１２１Ｂを小型に配置することが可能となる。

駆動レンズ１２１Ａと固定レンズ１２１Ｂはそれぞれ異なるパワーを有することが望ましい。こうすることで、駆動レンズ１２１Ａのパワーを増加させ、虚像Ｉの視距離を移動させるために必要な、駆動レンズ１２１Ａの移動量を減らすことが出来る。

駆動レンズ１２１Ａは基準光線Ｌｃに対して傾けて配置されることが望ましい。こうすることで、太陽光などの外光がヘッドアップディスプレイ１００に入射した場合でも、駆動レンズ１２１Ａで反射して観察者Ｄに視認される迷光を抑制することが出来る。

固定レンズ１２１Ｂは基準光線Ｌｃに対して傾けて配置されることが望ましい。こうすることで、太陽光などの外光がヘッドアップディスプレイ１００に入射した場合でも、固定レンズ１２１Ｂで反射して観察者Ｄに視認される迷光を抑制することが出来る。

本開示のヘッドアップディスプレイ１００に係るレンズ群１２１の各レンズ素子の入射面及び出射面は、基準光線Ｌｃに垂直な平面に対して傾いていることが好ましい。これにより、基準光線Ｌｃに沿って入射した光に対する反射光は、基準光線Ｌｃと異なる方向に向けて出射される。さらに、駆動レンズ１２１ＡのＸ軸方向に垂直な平面における断面形状はくさび形である。すなわち、駆動レンズ１２１ＡのＹ軸方向における曲線形状の中心（光学中心）は、駆動レンズ１２１Ａの中心から離れた位置、例えば、駆動レンズ１２１Ａの外にある。一般的に凹レンズは、光学中心から離れた部分は、光学中心に近い部分と比較して、光路長が長くなり、レンズ素子の面内で光学的特性が不均一となる。他方、実施の形態１に係る駆動レンズ１２１Ａは、Ｙ軸方向において、光路長を変化させる。これにより他の光学素子の特性を相殺し、レンズ群１２１を用いた結像光学系の全体としての光学的特性を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、駆動レンズ１２１Ａの位置に応じて表示デバイス１１０の表示エリアにおける画像１１１の位置をＹ軸方向に移動させることが望ましい。こうすることで、駆動レンズ１２１Ａが移動した場合でも、観察者Ｄが視認する虚像Ｉの俯角を一定にすることが出来る。

本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、駆動レンズ１２１Ａの位置に応じて表示デバイス１１０の表示する画像１１１のサイズを変化させることが望ましい。こうすることで、駆動レンズ１２１Ａが移動した場合でも、観察者Ｄが視認する虚像Ｉのサイズを一定にすることが出来る。

本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（１）を満足するとこが望ましい。

１＜ ΔＤ／ΔＬ・・・（１）
ここで、
ΔＤ：１／Ｚ１−１／Ｚ２（ｄｉｏｐｔｏｒ）
Ｚ１：駆動レンズの移動前の虚像Ｉの視距離（ｍ）
Ｚ２：駆動レンズの移動後の虚像Ｉの視距離（ｍ）
ΔＬ：駆動レンズの移動量（ｍ）
である。

条件（１）は虚像Ｉの視距離を変化させるために駆動させるレンズの移動量と虚像Ｉの移動量の関係を規定する条件である。この条件を満足することで、虚像Ｉの距離を変化させるために必要な駆動レンズ１２１Ａの移動量を適切に設定することができ、投射光学系１２０を小型化することが出来る。条件（１）の下限を下回ると、虚像Ｉの表示位置を変化させるために必要な駆動レンズ１２１Ａの移動量が大きくなり、投射光学系１２０が大型化する。

また、以下の条件（１）’を満足することにより前記効果をさらに奏功させることが出来る。

１＜ ΔＤ／ΔＬ＜５０・・・（１）’
条件（１）’の上限を上回ると、駆動レンズ１２１Ａのパワーが強くなり、駆動レンズ１２１Ａが移動したときの偏心像面湾曲の変動を抑制することが困難となる。

また、以下の条件（１）’ ’を満足することにより前記効果をさらに奏功させることが出来る。

２＜ ΔＤ／ΔＬ＜３０・・・（１）’ ’
また、以下の条件（１）’ ’ ’を満足することにより前記効果をさらに奏功させることが出来る。

３＜ ΔＤ／ΔＬ＜２０・・・（１）’ ’ ’
また、以下の条件（１）’ ’ ’ ’を満足することにより前記効果をさらに奏功させることが出来る。

４＜ ΔＤ／ΔＬ＜１０・・・（１）’ ’ ’ ’
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（２）を満足するとこが望ましい。

０．１＜｜（１−（１／βＦ）²）×（1／βＲ）²｜＜３・・・（２）
ここで、
βＦ：最短の視距離における駆動レンズの横倍率
βＲ：最短の視距離における駆動レンズと表示デバイスとの間に配置されるレンズ群の横倍率
である。

条件（２）は虚像の視距離を変化させるために駆動するレンズの横倍率と該駆動するレンズと表示デバイスとの間に配置される駆動しないレンズの横倍率の関係を規定した条件である。この条件（２）を満足することで、虚像Ｉの移動量に対する駆動レンズ１２１Ａの移動量を適切に設定することができる。条件（２）の下限を下回ると、駆動レンズ１２１Ａの移動量に対して、虚像Ｉの移動量が小さくなるため、駆動レンズ１２１Ａの移動スペースが大きく必要となり、投射光学系１２０が大型化する。反対に、条件（２）の上限を上回ると、駆動レンズ１２１Ａの移動量に対して、虚像Ｉの移動量が大きくなり過ぎ、位置誤差が発生したときの影響が大きくなる。

また、以下の条件（２）’を満足することにより前記効果をさらに奏功させることが出来る。

０．２＜｜（１−（１／βＦ）²）×（1／βＲ）²｜＜２・・・（２）’
また、以下の条件（２）’ ’を満足することにより前記効果をさらに奏功させることが出来る。

０．３＜｜（１−（１／βＦ）²）×（1／βＲ）²｜＜１．５・・・（２）’ ’
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（３）を満足するとこが望ましい。

ΔＬ／ΔＭ＜３０・・・（３）
ここで、
ΔＭ：表示デバイスの表示領域における表示画像の移動量［ｍ］
である。

条件（３）は虚像Ｉの視距離を変化させるために駆動するレンズの移動量と、虚像Ｉの俯角を一定にするために必要な表示デバイスの表示領域における表示画像の移動量の関係を規定する条件である。条件（３）の上限を上回ると、駆動レンズ１２１Ａの移動量が大きくなり、小型なヘッドアップディスプレイ１００を提供することが困難となる。

また、以下の条件（３）’を満足することにより前記効果をさらに奏功させることが出来る。

３＜ ΔＬ／ΔＭ＜３０・・・（３）’
条件（３）’の下限を下回ると、駆動レンズ１２１Ａの移動量を小さくするために駆動レンズ１２１Ａのパワーを大きくする必要があり、駆動レンズ１２１Ａが駆動したときの偏心像面湾曲の変動を抑制することが困難となる。

また、以下の条件（３）’ ’を満足することにより前記効果をさらに奏功させることが出来る。

４＜ ΔＬ／ΔＭ＜２０・・・（３）’ ’
また、以下の条件（３）’ ’ ’を満足することにより前記効果をさらに奏功させることが出来る。

５＜ ΔＬ／ΔＭ＜１５・・・（３）’ ’ ’
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（４）を満足するとこが望ましい。

ΔＮ＜２・・・（４）
ここで、
ΔＮ：Ｘ１／Ｘ２
Ｘ１：駆動レンズの移動前における表示デバイスの表示領域に表示する画像の横サイズ
Ｘ２：駆動レンズの移動後における表示デバイスの表示領域に表示する画像の横サイズ
条件（４）は虚像を移動したときに、移動後の虚像の視野角を一定とするために必要な表示デバイスに表示する画像のサイズ調整を規定する条件である。条件（４）の上限を上回ると、表示デバイス１１０に表示する画像１１１の解像度が低くなり、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることが困難となる。

また、以下の条件（４）’を満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。

ΔＮ＜１．８・・・（４）’
また、以下の条件（４）’ ’を満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。

ΔＮ＜１．７・・・（４）’ ’
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、駆動レンズ１２１Ａを移動させて虚像Ｉの視距離を変化させるとき、駆動レンズ１２１Ａの移動に応じて表示デバイス１１０に表示する画像１１１の形状を歪ませることが望ましい。こうすることで、駆動レンズ１２１Ａが移動したときに発生する偏心歪曲を電子的に補正することが出来る。

（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１〜２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１〜２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。

実施の形態１〜２では、表示デバイス１１０とミラー１２２の間に設けられるレンズ群１２１の一例として１枚の駆動レンズ１２１Ａと１枚の固定レンズ１２１Ｂを示した。しかし、レンズ群１２１は、これらの組み合わせに限られない。例えば、レンズ群１２１は、複数のレンズ素子で構成される駆動レンズ１２１Ａや、複数のレンズ素子で構成される固定レンズ１２１Ｂを、表示デバイス１１０とミラー１２２との間に配置したものであっても良いし、固定レンズ１２１Ｂを駆動レンズ１２１Ａとミラー１２２の間に配置したものであっても良い。

実施の形態１〜２では、１つの駆動レンズを移動して虚像Ｉの視距離を移動させていたが、２つ以上の駆動レンズを別々に移動させても良い。

実施の形態１〜２では、レンズ群１２１を駆動レンズ１２１Ａと固定レンズ１２１Ｂの２つのレンズ素子で構成した例を用いて説明した。しかしながら、レンズ群１２１を駆動レンズ１２１Ａのみで構成してもよい。この場合、駆動レンズ１２１Ａは、実施の形態１と同じ形状であればよい。すなわち、駆動レンズ１２１Ａは、全体として負のパワーのレンズ素子である。

実施の形態１〜２では、駆動レンズ１２１Ａを平行移動して虚像Ｉの視距離を移動させていたが、駆動レンズを傾けて移動させても良い。

実施の形態１〜２では、駆動レンズ１２１Ａを移動させたとき、表示デバイス１１０に表示する画像１１１を移動させて、虚像Ｉの俯角を一定としたが、固定レンズを同時に動かしたり、ミラー１２２を回転させても良い。

実施の形態１〜２では、一例として、駆動レンズ１２１Ａの入射面のＹ軸方向は屈折力を持たない形状としている。なお、駆動レンズ１２１Ａの入射面は、表示デバイス１１０側にＸ軸方向よりも小さい曲率の凹面を向けても良い。また、駆動レンズ１２１Ａの入射面は、表示デバイス１１０側に凸面を向けても良い。あるいは、駆動レンズ１２１Ａの入射面は、表示デバイス１１０側に局所的に凹面、凸面、または、平面を向けた形状であっても良い。また、実施の形態１では駆動レンズ１２１Ａの出射面のＹ軸方向はミラー１２２側に凹面を向けているが、凸面を向けても良い。

実施の形態１〜２では、一例として、固定レンズ１２１Ｂの出射面のＹ軸方向は屈折力を持たない形状としている。なお、固定レンズ１２１Ｂの出射面のＹ軸方向は、ミラー１２２側にＸ軸方向よりも小さい曲率の凸面、または凹面を向けても良い。また、固定レンズ１２１Ｂの入射面は、表示デバイス１１０側に凸面を向けても良い。あるいは、固定レンズ１２１Ｂの入射面は、表示デバイス１１０側に局所的に凹面、凸面、または、平面を向けた形状であっても良い。

実施の形態１〜２では、投射光学系１２０として１つのミラーを配置しているが、２枚以上のミラーを配置しても良い。また、追加するミラーの配置は、ミラー１２２よりも車両前方に配置しても良いし、車両内外方向（図３において紙面垂直方向）に配置しても良い。

実施の形態１〜２では、投射光学系１２０のレンズ素子は、表示デバイス１１０とミラー１２２との間に配置されていたレンズ群１２１だけであったが、ヘッドアップディスプレイ１００の構成はこれに限定されない。例えば、ミラー１２２とウインドシールド２２０の間にレンズを追加して配置しても良い。

実施の形態１〜２のヘッドアップディスプレイ１００におけるミラー１２２は回転非対称な形状のミラーを用いて説明したが、これに限られない。例えば、ミラー１２２は、Ｘ軸方向とＹ軸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１〜２のレンズ群１２１の各レンズ素子の面形状は、自由曲面形状に限定されるものではない。例えば、トロイダル形状、アナモルフィック形状、シリンドリカル形状であっても良いし、これらの形状のレンズを基準光線Ｌｃに対して偏心させて配置しても良い。

実施の形態１〜２におけるミラー１２２の反射面の形状は自由曲面形状に限定されるものではない。ミラー１２２の反射面は、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良いし、これらの形状のミラーを基準光線Ｌｃに対して偏心させて配置しても良い。

実施の形態１〜２におけるレンズ群１２１は、それぞれ異なるパワーを有する駆動レンズ１２１Ａと固定レンズ１２１Ｂの組み合わせだったが、同じパワーを有する駆動レンズ１２１Ａと固定レンズ１２１Ｂの組み合わせでも良い。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

（数値実施例）
以下、実施の形態１、２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、２を説明する。なお各数値実施例において、各データ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。

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Ｃ_１に相当する。Ｃｊ（ｊ＞１）は単項式ｘ^ｍｙ^ｎの係数である。ただし、ｍおよびｎは０以上の整数である。

各数値実施例において、基準となる座標原点は、表示デバイス１１０に表示された画像１１１の中心であり、表示デバイスの長辺方向をＸ軸、短辺方向をＹ軸、表示デバイス１１０の表示面に垂直な方向をＺ軸と定義している。

さらに、各数値実施例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は、実施の形態１のヘッドアップディスプレイで構成される。虚像Ｉの移動前における投射光学系１２０の偏心データを図１３に、移動後における偏心データを図１４に示す。投射光学系１２０の各面の曲率半径を図１５に示す。投射光学系１２０の各面の多項式自由曲面の係数を図１６〜図１８に示す。

数値実施例１の移動前における、虚像Ｉのサイズは、Ｘ方向が３０６．１ｍｍ、Ｙ方向が９２．０ｍｍであり、観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離（視距離）は、２２００．０ｍｍである。移動後における、虚像Ｉのサイズは、Ｘ方向が５５６．５ｍｍ、Ｙ方向が１６７．３ｍｍであり、観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離（視距離）は、４０００．０ｍｍである。

（数値実施例２）
数値実施例２は、実施の形態２のヘッドアップディスプレイで構成される。虚像Ｉの移動前における投射光学系１２０の偏心データを図１９に、移動後における偏心データを図２０に示す。投射光学系１２０の各面の曲率半径を図２１に示す。投射光学系１２０の各面の多項式自由曲面の係数を図２２〜図２４に示す。

数値実施例２の移動前における、虚像Ｉのサイズは、Ｘ方向が３０６．１ｍｍ、Ｙ方向が９２．０ｍｍであり、観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離（視距離）は、２２００．０ｍｍである。移動後における、虚像Ｉのサイズは、Ｘ方向が５５６．５ｍｍ、Ｙ方向が１６７．３ｍｍであり、観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離（視距離）は、４０００．０ｍｍである。

以下、各数値実施例の値を具体的に条件式（１）〜（４）に当てはめた値を表１に示す。

本開示は、レンズなどの屈折光学系を用いたヘッドアップディスプレイに適用可能である。具体的には、車両用などのヘッドアップディスプレイに、本開示は適用可能である。

１００ヘッドアップディスプレイ
１１０表示デバイス
１１１画像
１２０投射光学系
１２１レンズ群
１２１Ａ駆動レンズ
１２１Ｂ固定レンズ
１２２ミラー
１３０レンズ駆動部
１４０ミラー駆動部
１７０カメラ
２００車両
２１０ダッシュボード
２１１開口部
２２０ウインドシールド（反射部材）
３００視点領域
Ｄ観察者
Ｉ虚像
Ｌｃ基準光線
Ｌｏ基準外側光線
Ｌｉ基準内側光線

Claims

透過性を有する反射部材に画像を投写して観察者に虚像を視認させる画像投写装置であって、
画像を表示する表示デバイスと、少なくとも１枚のレンズ素子を含むレンズ群を有し、前記表示デバイスに表示された前記画像を前記反射部材に投写する投写光学系と、を備え、
前記レンズ群は、前記表示デバイスとの距離を変化させるように光路の方向に移動する駆動レンズを有し、
前記駆動レンズは、前記表示デバイスとの距離を縮める方向に移動することにより、視距離を増大させ、
以下の条件（１）を満足する：
１＜ΔＤ／ΔＬ≦５．８４・・・（１）
ここで、
ΔＤ：１／Ｚ１−１／Ｚ２
Ｚ１：駆動レンズの移動前の虚像の視距離
Ｚ２：駆動レンズの移動後の虚像の視距離
ΔＬ：駆動レンズの移動量
である。
前記レンズ群は、前記駆動レンズと前記表示デバイスとの間に移動しない固定レンズ群を備え、以下の条件（２）を満足する、請求項１に記載の画像投写装置：
０．３９≦（１−（1／βＦ）²）×（1／βＲ）² ≦ ０．９・・・（２）
ここで、
βＦ：駆動レンズの横倍率
βＲ：駆動レンズから表示デバイスまでの間に配置される固定レンズ群の横倍率
である。
前記投写光学系は、前記レンズ群の出射光を前記反射部材に反射するミラーを有する、請求項１または２に記載の画像投写装置。
前記駆動レンズを、前記駆動レンズと前記表示デバイスとの間隔を縮める方向に移動させる場合、以下の条件（３）を満足する請求項１から３のいずれか１項に記載の画像投写装置：
７．７９ ≦ ΔＬ／ΔＭ ≦ ８．２７・・・（３）
ここで、
ΔＭ：駆動レンズの移動前後における表示デバイスの表示領域における表示画像の移動量
である。
前記駆動レンズを、前記駆動レンズと前記表示デバイスとの間隔を縮める方向に移動させる場合、以下の条件（４）を満足する請求項１から４のいずれか１項に記載の画像投写装置：
１．４７ ≦ ΔＮ ≦ １．５９・・・（４）
ここで、
ΔＮ：Ｘ１／Ｘ２
Ｘ１：駆動レンズの移動前における表示デバイスの表示領域に表示する画像の横サイズ
Ｘ２：駆動レンズの移動後における表示デバイスの表示領域に表示する画像の横サイズ
である。