JP6874801B2 - 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、画像を乗員により視認可能に虚像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、画像を乗員により視認可能に虚像表示するＨＵＤ装置が知られている。特許文献１に開示のＨＵＤ装置は、発光素子アレイ及び画像形成部を備えている。発光素子アレイは、照明光を発する複数の発光素子が、互いに素子配列方向に配列されてなる。画像形成部は、照明光による照明に応じた画像を形成して、表示光として射出する。

さらに、このＨＵＤ装置は、素子配列方向に応じて配列され、照明光を集光する２段のレンズアレイを備えている。発光素子の配列ピッチは、２段のレンズアレイにおけるレンズ面の配列ピッチよりも小さく設定されている。発光素子とこれに対応する各レンズ面の頂点とが一直線上に配置されている。換言すると、２段のレンズアレイに対する発光素子の中心側への偏心を利用して、乗員が頭を動かした場合の虚像の輝度ムラを抑制しようとしている。

特開２０１５−２３２９４３号公報

しかしながら、複数の発光素子の中心側への偏心により、投影部材によって反射された表示光の光量が狭い範囲に集中して、当該表示光が広い範囲に及ばなくなり、この結果、例えば乗員がより大きく頭を動かすと虚像の輝度が急激に減少する。このため、虚像の視認性に、改良の余地があった。

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、虚像の視認性が高い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）へ画像の表示光を投影して反射させることにより、画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
照明光を発する複数の発光素子（１０ａ，５１０ａ）が、１方向又は複数方向の素子配列方向（ＡＤ，ＡＤｘ，ＡＤｙ）に配列されてなる発光素子アレイ（１０，５１０）と、
照明光による照明に応じた画像を形成して、表示光として射出する画像形成部（５０，５５０）と、
発光素子アレイと画像形成部との間の光路上に配置され、各発光素子からの照明光に対して、素子配列方向のうち特定方向に発散作用を及ぼす発散部（７０，２７０，３７０，４７０，５７０，６７０）を有する光学部材（３０，２３０，３２０，４３０，５３０，６３０）と、を備え、
発散部は、発散作用を及ぼしつつ照明光を屈折する１以上の屈折面（７２，２７２，３７２，４７２，５７２，６７２）を有し、
各発光素子から発せられ、発散部により発散された後の照明光の見かけ上の発散の起点が、画像形成部から発光素子アレイ側に離れた位置に存在する入射瞳の位置（ＥＮＰ）に合わせられている。

このような発明によると、発光素子アレイと画像形成部との間の光路上に配置された光学部材は、発散部を有する。当該発散部は、互いに配列された複数の発光素子からの照明光に対して、素子配列方向のうち特定方向に発散作用を及ぼす。各発光素子が発する照明光が特定方向に発散作用を受けることにより、各発光素子が発する照明光同士の重なり具合が調整され得る。

したがって、画像形成部にて照明光による照明に応じて形成される画像の表示光において、光量が狭い範囲に集中することが抑制するように重なり具合が調整されると、当該表示光が広い範囲に及び易くなる。以上により、乗員がより大きく頭を動かした場合の虚像の輝度の減少を抑制することができ、虚像の視認性を高めることができる。

また、開示される発明の他のひとつは、１以上の屈折面は、特定方向を含む断面において１の主軸（ＰＡｄ）を構成している。

このような発明によると、各発光素子からの照明光は、それぞれ対応する発光素子と１の主軸との位置関係に基づいた発散作用を受けることとなるので、各発光素子が発する照明光同士の重なり具合は、各発光素子の配列間隔に応じて調整され得るのである。

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模式図である。 第１実施形態における画像投射ユニットを模式的に示す斜視図である。 第１実施形態における画像投射ユニットの素子配列方向を含む断面を模式的に示す図である。 第１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。 第１実施形態における投射レンズの入射側表面を説明するための図である。 第１実施形態における投射レンズの射出側表面を説明するための図である。 第１実施形態における画像表示パネルを表示面の法線に沿って見た図である。 図７のVIII部を拡大して示す図である。 第１実施形態における発散作用を説明するための図である。 第２実施形態における図２に対応する図である。 第２実施形態における発散レンズの素子配列方向を含む断面を模式的に示す図であって、発散レンズの入射側表面である発散部の複数の屈折面を説明するための図である。 第３実施形態における画像投射ユニットを模式的に示す図であって、素子配列方向に沿って見た図である。 第３実施形態における画像投射ユニットを模式的に示す図であって、配列直交方向に沿って見た図である。 第４実施形態における図２に対応する図である。 第５実施形態における図２に対応する図である。 第５実施形態における発光素子アレイ、画像表示パネル、画像生成部、及び個別発光制御部を示すブロック図である。 第５実施形態における発散レンズの素子配列方向のうち特定方向を含む断面を模式的に示す図であって、発散レンズの入射側表面である発散部の複数の屈折面を説明するための図である。 第５実施形態における図５に対応する図である。 第５実施形態における図５に対応する図である。 第５実施形態における発光素子アレイの配置を説明するための図である。 第５実施形態のＨＵＤ装置によるフローチャートである。 第６実施形態の発散レンズを示す図である。 変形例１，２のうち一例における図１２に対応する図である。 変形例１２のうち一例を示す図である。 変形例１２のうち他の一例を示す図である。 変形例１２のうちまた他の一例を示す図である。

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へ画像の表示光を投影する。これにより、ＨＵＤ装置１００は、画像を車両１の乗員により視認可能に虚像表示する。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、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。すなわち、アイポイントＥＰが視認領域ＥＢ内であれば虚像ＶＩを視認することができ、アイポイントＥＰが視認領域ＥＢから外れると、虚像ＶＩの視認が極めて困難となる。

このようなＨＵＤ装置１００の具体的構成を、図２〜９に基づいて、以下に説明する。ＨＵＤ装置１００は、発光素子アレイ１０、集光レンズ２０、発散レンズ３０、投射レンズ４０、画像表示パネル５０、及び導光部６０を備えており、これらはハウジング８０に収容され、保持されている。

ここで、図２に示すように、発光素子アレイ１０、集光レンズ２０、発散レンズ３０、投射レンズ４０、及び画像表示パネル５０により、画像投射ユニット１９が構成されている。画像投射ユニット１９が備える各部材１０，２０，３０，４０は、遮光性を有するケーシング１９ａ（図１を参照）に収容されている。

発光素子アレイ１０は、図２，３に示すように、複数の発光素子１０ａを有している。複数の発光素子１０ａは、平板状に形成された光源用回路基板１２上に実装されており、互いに所定間隔を空けて、素子配列方向ＡＤに配列されている。本実施形態において素子配列方向ＡＤは１方向であり、発光素子アレイ１０における発光素子１０ａの配列個数は３個となっている。

各発光素子１０ａは、例えば発熱の少ない発光ダイオード素子である。各発光素子１０ａは、光源用回路基板１２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１０ａ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混合により、各発光素子１０ａから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、各発光素子１０ａは、発光強度が最大となる発光ピーク方向ＰＤ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。特に本実施形態では、各発光素子１０ａの発光ピーク方向ＰＤは、それぞれ光源用回路基板１２の板面に垂直な方向に合わせた方向となっている。こうした照明光は、集光レンズ２０に入射する。

集光レンズ２０は、図２，３に示すように、発光素子アレイ１０と画像表示パネル５０との間の光路上、特に発光素子アレイ１０と発散レンズ３０との間の光路上に配置されている。集光レンズ２０は、透光性の合成樹脂ないしはガラス等から形成されたレンズアレイとなっている。

集光レンズ２０において、発光素子アレイ１０と対向する入射側表面２２は、当該集光レンズ２０全体で共通の滑らかな平面状を呈している。一方、集光レンズ２０において発散レンズ３０と対向する射出側表面２４には、複数の集光凸面２６が配列形成されている。

各集光凸面２６は、それぞれ個別に各発光素子１０ａと対をなすように設けられている。具体的に、各集光凸面２６は、発光素子１０ａの配列個数に応じて、発光素子１０ａと同数（例えば３つ）設けられ、発光素子１０ａと同様の素子配列方向ＡＤに合わせて互いに配列されている。

各集光凸面２６は、少なくとも素子配列方向ＡＤにおいて凸状に湾曲することで、滑らかな凸面状に形成されている。特に本実施形態では、各集光凸面２６は、球面状に形成されている。各集光凸面２６は、互いに実質同じ形状となっている。

これにより、各集光凸面２６は、対となる発光素子１０ａに個別に対応する主軸ＰＡｃを構成している。ここで本実施形態における主軸とは、面頂点と曲率中心（例えば面頂点により規定される曲率中心）とを結ぶ仮想的な軸を意味する。特に本実施形態において各集光凸面２６の主軸ＰＡｃは、対となる発光素子１０ａを通り、発光ピーク方向ＰＤと実質一致した方向に延伸している。こうして集光レンズ２０は、素子配列方向ＡＤを含む断面において発光素子１０ａ又は集光凸面２６と同数である複数（例えば３）の主軸ＰＡｃを構成している。

こうして各発光素子１０ａからの照明光は、主として対となる各集光凸面２６に入射し屈折されることで、当該集光凸面２６毎に個別の集光作用を受ける。個別の集光作用が及ぶと共に、集光レンズ２０から射出された照明光は、発散レンズ３０に入射する。

また、特に図３に示すように、集光レンズ２０の射出側表面２４において、集光凸面２６の配列よりも外周には、平面状に形成された当接受け部２８が設けられている。当接受け部２８は、後述する発散レンズ３０の第１当接部３６と当接している。集光凸面２６の配列より外周の発光素子アレイ１０側では、入射側表面２２から光源用回路基板１２に向かって突出して、当該光源用回路基板１２と当接する基板当接部２９が設けられている。

発散レンズ３０は、図２，３に示すように、発光素子アレイ１０と画像表示パネル５０との間の光路上、特に集光レンズ２０と投射レンズ４０との間の光路上に配置されている。発散レンズ３０は、透光性の合成樹脂ないしはガラス等により、形成されている。

発散レンズ３０において、投射レンズ４０と対向する射出側表面３４は、当該発散レンズ３０全体で共通の滑らかな平面状を呈している。一方、発散レンズ３０において、集光レンズ２０と対向する入射側表面３２には、発散部７０が設けられている。

発散部７０は、照明光を屈折する面として、単数の屈折面７２を有している。屈折面７２は、少なくとも素子配列方向ＡＤにおいて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。特に本実施形態では、屈折面７２は、素子配列方向ＡＤにおいて曲率を有する一方、素子配列方向ＡＤと直交する配列直交方向ＮＤにおいては曲率を実質有しないことで、円筒面状に形成されている。

屈折面７２において素子配列方向ＡＤの径は、各集光凸面２６の径の総和よりも大きくなっている。屈折面７２は、各発光素子１０ａから対となる集光レンズ２０を経て入射した照明光を、一括して屈折する単一の面となっている。すなわち、各集光凸面２６を経た照明光は、各集光凸面２６と対向する単一の屈折面７２により屈折される。

屈折面７２は、素子配列方向ＡＤを含む断面（例えば素子配列方向ＡＤを含むメリジオナル断面）において、その面頂点７２ａを通る１の主軸ＰＡｄを構成している。特に本実施形態では、発光素子１０ａが奇数設けられているので、発散部７０の主軸ＰＡｄは、素子配列方向ＡＤに配列された発光素子１０ａ及び集光凸面２６の対のうち中央の対において、発光素子１０ａ及び集光凸面２６の面頂点２６ａを通っている。換言すれば、発散部７０の１の主軸ＰＡｄは、集光凸面２６の複数の主軸ＰＡｃのうち、中央の主軸ＰＡｃと重なっている。なお、本実施形態では、主軸ＰＡｄが光軸に実質一致しているため、この主軸ＰＡｄを基準として、近軸及び軸外の語を取り扱う。

こうして各発光素子１０ａからの照明光は、各集光凸面２６を経た後、各発光素子１０ａに対して共通かつ単一の屈折面７２により素子配列方向ＡＤに発散作用を受ける。発散作用が及ぶと共に、発散レンズ３０から射出された照明光は、投射レンズ４０に入射する。

発散レンズ３０は、上述の表面３２，３４の形状により全体としては、平凹レンズ状に形成されている。すなわち、主軸ＰＡｄから素子配列方向ＡＤ両側の軸外に向かうに従って、発散レンズ３０の厚みは漸次増大している。こうして発散レンズ３０軸外の外縁部３０ａにて、素子配列方向ＡＤ両側の厚みは、近軸部３０ｂにおける厚みよりも大きくなっている。図３に示すように、発散レンズ３０は、特に発光素子アレイ１０側では、単一の凹面状の屈折面７２により、近軸部３０ｂよりも外縁部３０ａが発光素子アレイ１０側に突出した形状となっており、突出した当該外縁部３０ａの先端が平面状に面取りされている。こうした外縁部３０ａの先端が集光レンズ２０の当接受け部２８と当接していることで、発散レンズ３０は、外縁部３０ａのうち発光素子アレイ１０側において集光レンズ２０と当接する第１当接部３６を有している。

発散レンズ３０の第１当接部３６と集光レンズ２０の当接受け部２８とが当接していることに関連して、当接受け部２８よりも屈折面７２側に突出している各集光凸面２６の少なくとも一部は、屈折面７２の凹状湾曲により生じたスペース７２ｂに配置されている。なお、図２では画像投射ユニット１９を模式的に示した結果、集光凸面２６はかかるスペース７２ｂに配置されていないように見えるが、実際には図３のような配置となっている。

一方、外縁部３０ａのうち画像表示パネル５０側において発散レンズ３０は、投射レンズ４０と当接する第２当接部３８を有している。第２当接部３８は、外縁部３０ａにおいて射出側表面３４から投射レンズ４０に向かって突出する突起として設けられている。第２当接部３８は、その突起の先端を、平面状に形成している。

投射レンズ４０は、図２，３発光素子アレイ１０と画像表示パネル５０との間の光路上、特に発散レンズ３０と画像表示パネル５０との間の光路上に配置されている。投射レンズ４０は、透光性の合成樹脂ないしはガラス等により形成され、全体としては略平板状を呈している。投射レンズ４０は、複数の分割ブロック４０ａが互いに配列されて一体的に形成されたレンズアレイとなっている。本実施形態において複数の分割ブロック４０ａは、発光素子１０ａ又は集光凸面２６と同数設けられ、発光素子１０ａ及び集光凸面２６と同様に、素子配列方向ＡＤに合わせて互いに配列されている。本実施形態において各分割ブロック４０ａは、互いに実質同じ形状となっている。

投射レンズ４０において、発散レンズ３０と対向する入射側表面４２では、図５に示すように、複数の分割レンズ面４３が、ストライプ状に分割された状態で形成されている。入射側表面４２における分割レンズ面４３の分割方向は、例えば配列直交方向ＮＤに沿っており、隣り合う分割レンズ面４３の境界線は、素子配列方向ＡＤに沿って直線状に延伸している。したがって、素子配列方向ＡＤを含む断面においては、１つの分割レンズ面４３が複数の分割ブロック４０ａを跨いで形成されている。こうして各分割レンズ面４３は、所定の分割幅Ｗｎで領域分割した一分割領域として形成されている。

本実施形態では、分割レンズ面４３として、凸フレネルレンズ状に分割された分割凸面４３ａが設けられている。分割凸面４３ａは、投射レンズ４０における仮想のレンズ面として定義される１つの仮想凸状曲面Ｓｖａに基づいて形成されている。ここで仮想凸状曲面Ｓｖａは、発光素子アレイ１０側に凸となる凸状に、配列直交方向ＮＤにおいて湾曲することで、滑らかな円筒面状を呈している。したがって、入射側表面４２は、主として配列直交方向ＮＤに、照明光の進行方向を偏向させる偏向作用を、当該照明光に対して及ぼす。特に本実施形態では、当該偏向作用は、集光作用となっている。

一方、図６に示すように、投射レンズ４０において画像表示パネル５０と対向する射出側表面４４では、複数の分割レンズ面４５が、ストライプ状に分割された状態で形成されている。射出側表面４４における分割レンズ面４５の分割方向は、素子配列方向ＡＤに沿っており、隣り合う分割レンズ面４５の境界線は、配列直交方向ＮＤに沿って直線状に延伸している。こうして各分割レンズ面４５は、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１つの分割ブロック４０ａに着目すると、分割レンズ面４５として、複数の近似平面４５ａ及び複数の異方偏向平面４５ｂが設けられている。近似平面４５ａは、投射レンズ４０における仮想のレンズ面として定義される仮想凸状曲面Ｓｖｂに基づいて形成されている。ここで仮想凸状曲面Ｓｖｂは、画像表示パネル５０側に凸となる凸状に、素子配列方向ＡＤに沿って湾曲することで、滑らかな円筒面状を呈している。近似平面４５ａは、この仮想凸状曲面Ｓｖｂから抽出された複数の座標の線形補間により得られた近似的な平面として、平面状に形成されている。特に本実施形態では、かかる複数の座標として、分割領域の端部における仮想凸状曲面Ｓｖｂの端部座標Ｃｅが採用されており、当該端部座標Ｃｅ同士の線形補間により近似平面の勾配が規定されている。仮想凸状曲面Ｓｖｂが、部分的な近似により平面状とされた状態で、射出側表面４４上に現出しているのである。

異方偏向平面４５ｂは、近似平面４５ａ間に介挿された状態で配置されている。異方偏向平面４５ｂは、投射レンズ４０における仮想のレンズ面として定義される仮想傾斜面Ｓｓｂに基づいて形成されている。仮想傾斜面Ｓｓｂは、素子配列方向ＡＤを含む断面において、仮想凸状曲面Ｓｖｂの面頂点に対応する箇所で逆勾配に変わる複数の平面状斜面Ｓｓｐにより構成されている。各平面状斜面Ｓｓｐの勾配は、仮想凸状曲面Ｓｖｂの対応する箇所の勾配とは逆向きの勾配となるように設定されている。仮想傾斜面Ｓｓｂのうち一部が抽出されることで、異方偏向平面４５ｂが射出側表面４４上に現出しているのである。

特に本実施形態では、１つの分割ブロック４０ａにつき例えば６つの分割レンズ面４５が設定されている。そして、６つの分割レンズ面４５は、近似平面４５ａ、異方偏向平面４５ｂ、近似平面４５ａ、近似平面４５ａ、異方偏向平面４５ｂ、近似平面４５ａの順に配列され、隣り合う近似平面４５ａ同士の境界が仮想凸状曲面Ｓｖｂの面頂点に対応する箇所である。なお、図６において各符号は、対応要素の一部にのみ付されている。

こうして射出側表面４４は、主として素子配列方向ＡＤに、照明光の進行方向を偏向させる偏向作用を、当該照明光に対して及ぼす。近似平面４５ａにて屈折される照明光は、偏向作用として、通常の凸面の集光作用と同じ向きの偏向作用であるため、当該偏向作用は、実質的な集光作用と言える。異方偏向平面４５ｂにて屈折される照明光は、偏向作用として、隣接する近似平面４５ａとは逆向きの偏向作用を受ける。異方偏向平面４５ｂにて逆向きの偏向作用を受けた照明光は、近似平面４５ａにて偏向作用を受けた照明光と混ぜ合わされる。

こうした複雑な形状の投射レンズ４０では、１の主軸を規定すること自体困難であり、実質的に多軸性を有している。こうして投射レンズ４０から射出された照明光は、画像表示パネル５０に入射する。

また、図３に示すように、投射レンズ４０の入射側表面４２において、分割ブロック４０ａよりも外周には、平面状に形成された当接受け部４８が形成されている。当接受け部４８は、発散レンズ３０の第２当接部３８と当接している。

画像表示パネル５０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次元に配列された複数の液晶画素５０ａ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。

具体的に図７に示すように、画像表示パネル５０は、長手方向及び短手方向を有する矩形状を呈している。本実施形態では、長手方向が素子配列方向ＡＤに沿っている。図８に示すように、液晶画素５０ａが長手方向及び短手方向に配列されることで、導光部６０側において画像を表示光として射出する表示面５４もまた矩形状を呈している。各液晶画素５０ａでは、表示面５４の法線方向に貫通して設けられる透過部５０ｂと、当該透過部５０ｂを囲んで形成された配線部５０ｃとが設けられている。

画像表示パネル５０は、一対の偏光板及び一対の偏光板に挟まれた液晶層等が積層されて形成されていることで、平板状を呈している。各偏光板は、所定方向に偏光した光を透過させ、当該所定方向に垂直な方向に偏光した光を吸収する性質を有しており、一対の偏光板は、当該所定方向を互いに直交させて配置されている。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。偏光方向の回転により後の偏光板を透過する光の割合、すなわち透過率を変えることができる。

したがって、画像表示パネル５０は、発光素子アレイ１０側表面である照明対象面５２への照明光の入射に対して、液晶画素５０ａ毎の透過率を制御する。すなわち、画像表示パネル５０は、照明光による照明に応じた画像を形成して、表示光として射出可能となっている。隣り合う液晶画素５０ａ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より、様々な色が実現されるようになっている。

また画像表示パネル５０は、特に図２に示すように、発光素子アレイ１０からの射出直後の発光ピーク方向ＰＤ、各主軸ＰＡｃ，ＰＡｄの方向、及び投射レンズ４０の板厚方向に対して、表示面５４の法線方向が交差するように、傾斜配置されている。こうした画像表示パネル５０の表示面５４が画像投射ユニット１９のケーシング１９ａから露出していることで、画像投射ユニット１９は、導光部６０へと、表示光を投射するようになっている。

導光部６０は、図１に示すように、画像表示パネル５０からの表示光を、ウインドシールド３へ導光する。本実施形態の導光部６０は、平面鏡６１及び凹面鏡６３を有している。本実施形態において画像表示パネル５０からの表示光は、最初に平面鏡６１に入射する。

平面鏡６１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６２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６２は、滑らかな平面状に形成されている。平面鏡６１に入射した表示光は、反射面６２により凹面鏡６３へ向けて反射される。

凹面鏡６３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６４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６４は、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。凹面鏡６３に入射した表示光は、反射面６４によりウインドシールド３へ向けて反射される。

凹面鏡６３とウインドシールド３の間において、ハウジング８０に窓部８１が設けられている。窓部８１を透光性の防塵カバー８２が塞いでいる。したがって、凹面鏡６３からの表示光は、当該防塵カバー８２を透過して、ウインドシールド３に入射する。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に到達し、乗員が虚像ＶＩを視認可能となるのである。ここで虚像ＶＩは、導光部６０の凹面鏡６３による拡大作用、及びウインドシールド３の投影面３ａが湾曲している場合には、ウインドシールド３による拡大作用により、表示面５４よりも拡大された状態で、乗員により視認される。

ＨＵＤ装置１００により構成される光学系では、こうした導光部６０及びウインドシールド３による虚像ＶＩ拡大の副作用により、図９に示される入射瞳の位置ＥＮＰが画像表示パネル５０から発光素子アレイ１０側に所定距離だけ離れた位置に存在する。仮に、ＨＵＤ装置１００に発散部７０を設けずに、集光レンズ２０及び投射レンズ４０によりテレセントリック性を高めた照明を行なった場合、乗員のアイポイントＥＰが視認領域ＥＢの中央から端部へ移動すると、視認される虚像ＶＩの輝度が急激に減少し得る。

そこで、発散部７０の発散作用により、各発光素子１０ａから発せられる照明光の発光ピーク方向ＰＤが、それぞれ入射瞳の位置ＥＮＰから遠ざかる方向に合わせられることで、こうした輝度の減少が抑制される。かかる発散作用は、発光素子１０ａと主軸ＰＡｄとの位置関係に応じたものとなっている。具体的に、主軸ＰＡｄからの距離が離れた発光素子１０ａ程、屈折面７２にてより軸外となる側に屈折される。また発散作用により、各発光素子１０ａからの照明光の放射角度が各々広角化される。この結果、各発光素子１０ａからの照明光同士の近軸の狭い範囲での重なりが調整される。各発光素子１０ａからの照明光が軸外まで広く分布することとなるため、視認領域ＥＢ端部での虚像ＶＩの輝度低下が抑制される。

図９では、破線により仮に発散部７０が設けられなかった場合の各発光素子１０ａからの発光ピーク方向及び照明光の範囲を示し、実線により発散部７０の発散作用を受けた場合の各発光素子１０ａからの発光ピーク方向ＰＤ及び照明光の範囲を示している。

なお、第１実施形態では、画像表示パネル５０が「画像形成部」に対応し、発散レンズ３０が発散部７０を有する「光学部材」に対応し、集光レンズ２０が発光素子アレイ１０側からの照明光を発散レンズ３０側へ導光する「第１導光部材」に対応し、投射レンズ４０が発散レンズ３０側からの照明光を画像表示パネル５０側へ導光する「第２導光部材」に対応している。

（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、発光素子アレイ１０と画像表示パネル５０との間の光路上に配置された発散レンズ３０は、発散部７０を有する。当該発散部７０は、互いに配列された複数の発光素子１０ａからの照明光に対して、素子配列方向ＡＤに発散作用を及ぼす。各発光素子１０ａが発する照明光が素子配列方向ＡＤに発散作用を受けることにより、各発光素子１０ａが発する照明光同士の重なり具合が調整され得る。より詳細に、発散部７０は、素子配列方向ＡＤを含む断面において１の主軸ＰＡｄを構成している屈折面７２を有する。各発光素子１０ａからの照明光は、それぞれ対応する発光素子１０ａと１の主軸ＰＡｄとの位置関係に基づいた発散作用を受けることとなるので、各発光素子１０ａが発する照明光同士の重なり具合は、各発光素子１０ａの配列間隔に応じて調整され得るのである。

したがって、画像表示パネル５０にて照明光による照明に応じて形成される画像の表示光において、光量が狭い範囲に集中することが抑制され、当該表示光が広い範囲に及び易くなる。以上により、乗員がより大きく頭を動かした場合の虚像ＶＩの輝度の減少を抑制することができ、虚像ＶＩの視認性を高めることができる。

また、第１実施形態によると、屈折面７２は、素子配列方向ＡＤにおいて凹状に湾曲し、照明光を一括して屈折する単一の面である。各発光素子１０ａからの照明光は、凹状に湾曲する単一の面により発散作用を受けることとなるので、各発光素子１０ａが発する照明光同士の重なり具合は、確実に調整され得る。したがって、表示光が広い範囲に及び易くなる。

また、第１実施形態によると、単一の屈折面７２は、１方向の素子配列方向ＡＤに沿って凹状に湾曲する円筒面状に形成されている。このようにすると、発光素子１０ａが配列されていない配列直交方向ＮＤに対して発散作用が及ぶことが抑制される。したがって、照度が不足しがちな配列直交方向ＮＤにおいて、画像表示パネル５０への照明の損失を抑制することができる。

また、第１実施形態によると、発散レンズ３０は凹レンズ状に形成されているので、外縁部３０ａにおいて、厚みを持った形状となる。そして、凹レンズ状による外縁部３０ａの厚みを利用して、発散レンズ３０は、発光素子アレイ１０において集光レンズ２０と当接する第１当接部３６と、外縁部３０ａのうち、画像表示パネル５０側において投射レンズ４０と当接する第２当接部３８と、を有する。したがって、発散レンズ３０の外縁部３０ａを集光レンズ２０及び投射レンズ４０との間のスペーサとして機能させることができるので、各部材２０，３０，４０の相対的な位置ずれが規制され、画像表示パネル５０への安定した照明を実現できる。以上により、虚像ＶＩの視認性を安定させることができる。

また、屈折面７２の凹状湾曲により生じたスペース７２ｂに、各集光凸面２６の少なくとも一部が配置されている。こうしたスペース７２ｂの有効活用により屈折面７２と各集光凸面２６の間隔を近づけることができるので、体格の増大を抑制しつつ、虚像ＶＩの視認性が高いＨＵＤ装置１００を実現することができる。

（第２実施形態）
図１０，１１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実施形態における発散レンズ２３０は、第１実施形態と同様に、発光素子アレイ１０と画像表示パネル５０との間の光路上、特に集光レンズ２０と投射レンズ４０との間の光路上に配置されている。発散レンズ２３０は、透光性の合成樹脂ないしはガラス等により形成され、全体としては略平板状を呈している。

発散レンズ２３０において、投射レンズ４０と対向する射出側表面３４は、滑らかな平面状を呈している。一方、発散レンズ２３０において、集光レンズ２０と対向する入射側表面３２には、発散部２７０が設けられている。

発散部２７０は、図１１に示すように、照明光を屈折する面として、素子配列方向ＡＤに合わせて互いに配列された複数の屈折面２７２を有している。複数の屈折面２７２は、ストライプ状に分割された状態で形成されている。入射側表面３２における屈折面２７２の分割方向は、素子配列方向ＡＤに沿っており、隣り合う屈折面２７２の境界線は、配列直交方向ＮＤに沿って直線状に延伸している。こうして各屈折面２７２は、所定の分割幅Ｗｄで領域分割した一分割領域として形成されている。

本実施形態の複数の屈折面２７２は、発散レンズ２３０における仮想のレンズ面として定義される１つの仮想凹状曲面Ｓｃに基づいて形成されており、当該仮想凹状曲面Ｓｃを凹フレネルレンズ状に分割したものとなっている。ここで仮想凹状曲面Ｓｃは、集光レンズ２０とは反対側に凹となる凹状に、素子配列方向ＡＤにおいて湾曲することで、滑らかな円筒面状を呈している。

仮想凹状曲面Ｓｃは、素子配列方向ＡＤを含む断面（例えば素子配列方向ＡＤを含むメリジオナル断面）において、屈折面２７２の配列方向と実質直交する１の主軸ＰＡｄを構成している。複数の屈折面２７２は、この仮想凹状曲面Ｓｃを、分割幅Ｗｄ毎に、主軸ＰＡｄの延伸方向に各々ずらすことにより、入射側表面３２上に現出しているのである。

したがって、素子配列方向ＡＤを含む断面における複数の屈折面２７２の各曲率中心は、共通の１の主軸ＰＡｄ上に存在しているため、発散部２７０は、各屈折面２７２により、当該各屈折面２７２間で共通の１の主軸ＰＡｄを構成していると言える。複数の屈折面２７２が共同することで、発散部２７０は、各発光素子１０ａから対となる集光凸面２６を経て入射した照明光に対して、第１実施形態と同様の発散作用を及ぼすようになっている。

こうした第２実施形態によると、素子配列方向ＡＤに合わせて互いに配列された複数の屈折面２７２が共同して発散作用を及ぼす。このようにすると、発散部２７０を主軸ＰＡｄの延伸方向に対してコンパクトに構成することができるので、体格の増大を抑制しつつ、虚像ＶＩの視認性を高めることができる。

なお、第２実施形態では、発散レンズ２３０が発散部２７０を有する「光学部材」に対応している。

（第３実施形態）
図１２，１３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実施形態では、第１実施形態とは異なり、集光レンズ２０及び発散レンズ３０が設けられておらず、代わりに発散集光レンズ３２０が設けられている。

発散集光レンズ３２０は、発光素子アレイ１０と画像表示パネル５０との間の光路上、特に発光素子アレイ１０と投射レンズ４０との間の光路上に配置されている。発散集光レンズ３２０は、透光性の合成樹脂ないしはガラス等により、形成されている。

発散集光レンズ３２０において、発光素子アレイ１０と対向する入射側表面３２２には、発散部３７０が設けられている。発散部３７０は、第１実施形態の発散レンズ３０における発散部７０と同様の単一の屈折面３７２を有している。一方、発散集光レンズ３２０において、投射レンズ４０と対向する射出側表面３２４には、第１実施形態の集光レンズ３２０と同様の複数の集光凸面３２６が配列形成されている。

こうして各発光素子１０ａからの照明光は、発散部３７０の屈折面３７２により発散作用を受ける。その後、各発光素子１０ａからの照明光は、主として対となる各集光凸面３２６に入射し、当該集光凸面３２６毎に個別の集光作用を受ける。こうした発散作用及び個別の集光作用が及ぶと共に、発散集光レンズ３２０から射出された照明光は、投射レンズ４０に入射する。

このような第３実施形態においても、素子配列方向ＡＤを含む断面において１の主軸ＰＡｄを構成している単一の屈折面３７２を有する発散部３７０が、各発光素子１０ａからの照明光に対して素子配列方向ＡＤに発散作用を及ぼしている。したがって、第１実施形態に準じた作用効果を奏することが可能となる。

また、第３実施形態によると、発散集光レンズ３２０において、集光凸面３２６は、片側の表面、より具体的に射出側表面３２４として形成され、発散部３７０は、当該射出側表面３２４とは逆側の入射側表面３２２として形成されている。こうすることで、各発光素子１０ａからの照明光に個別に及ぼす集光作用と、各発光素子１０ａからの照明光に及ぼす素子配列方向ＡＤの発散作用とを、１つの部材で実現可能となる。したがって、虚像ＶＩの視認性が高いＨＵＤ装置１００を容易に提供することができる。

なお、第３実施形態では、発散集光レンズ３２０が発散部３７０を有する「光学部材」に対応している。

（第４実施形態）
図１４に示すように、本発明の第４実施形態は第１実施形態の変形例である。第４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４実施形態における投射レンズ４４０は、特に集光レンズ４２０と発散レンズ４３０との間の光路上に配置されている。一方、発散レンズ４３０は、特に投射レンズ４４０と画像表示パネル５０との間の光路上に配置されている。この結果、集光レンズ４２０及び投射レンズ４４０は、発光素子アレイ１０と画像表示パネル５０との間の光路上に配置されている。

発散レンズ４３０において、画像表示パネル５０と対向する射出側表面３４は、滑らかな平面状を呈している。一方、発散レンズ４３０において投射レンズ４４０と対向する入射側表面３２には、発散部４７０が設けられている。発散部４７０は、第１実施形態の発散レンズ３０における発散部７０と同様の単一の屈折面４７２を有している。

各発光素子１０ａからの照明光は、集光レンズ４２０及び投射レンズ４４０を経て、発散レンズ４３０に入射する。発散レンズ４３０の発散部４７０は、集光レンズ４２０及び投射レンズ４４０により集光作用を受けた照明光に対して、画像表示パネル５０への照明直前で、素子配列方向ＡＤに発散作用を及ぼす。こうして発散レンズ４３０から射出された照明光は、画像表示パネル５０に入射する。

このような第４実施形態においても、素子配列方向ＡＤを含む断面において１の主軸ＰＡｄを構成している単一の屈折面４７２を有する発散部４７０が、各発光素子１０ａからの照明光に対して素子配列方向ＡＤに発散作用を及ぼしている。したがって、第１実施形態に準じた作用効果を奏することが可能となる。

また、第４実施形態によると、発散部４７０は、集光レンズ４２０及び投射レンズ４４０により集光された照明光に対して画像表示パネル５０への照明直前で発散作用を及ぼす。発散作用を受けた一部の照明光が画像表示パネル５０より外側に発散してしまうことが抑制されるので、照明の効率を高めることができる。

なお、第２実施形態では、発散レンズ４３０が発散部４７０を有する「光学部材」に対応し、集光レンズ４２０と投射レンズ４４０とを合わせて、各発光素子１０ａからの照明光に対して集光作用を及ぼす「集光部」が構成されている。

（第５実施形態）
図１５〜２１に示すように、本発明の第５実施形態は第１実施形態の変形例である。第５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５実施形態の発光素子アレイ５１０は、図１５に示すように、光源用回路基板１２上に、複数の発光素子５１０ａを有している。複数の発光素子５１０ａは、図１６に示すように、互いに所定間隔を空けて、２方向の素子配列方向ＡＤｘ，ＡＤｙに、マトリックス状に配列されている。本実施形態において発光素子アレイ５１０における発光素子５１０ａの配列個数は、方向ＡＤｘに５個ずつ、方向ＡＤｙに４個ずつ、すなわち５×４個の計２０個となっている。

図１５に示すように、発光素子アレイ５１０と画像表示パネル５５０との間には、集光レンズ５２０、発散レンズ５３０、及び投射レンズ５４０が配置されている。第１実施形態と同様に、発光素子アレイ５１０、集光レンズ５２０、発散レンズ５３０、投射レンズ５４０、及び画像表示パネル５５０等により、画像を投射する画像投射ユニット５１９が構成されている。画像投射ユニットが備える各部材５１０，５２０，５３０，５４０，５５０は、遮光性を有するケーシング１９ａに収容されている。集光レンズ５２０、発散レンズ５３０、及び投射レンズ５４０により、バックライト光学系５４９が構成されている。

集光レンズ５２０は、第１実施形態と同様のレンズアレイとなっているが、発光素子５１０ａが２方向ＡＤｘ，ＡＤｙに配列されていることに合わせて、複数の集光凸面２６が２方向ＡＤｘ，ＡＤｙに配列形成されている。

発散レンズ５３０は、図１７に示すように、第２実施形態の発散レンズと同様に、その入射側表面５３２において、円筒面状の仮想凹状曲面Ｓｃを、その母線の延伸方向とは実質直交する方向に分割した凹フレネルレンズ状に、複数の屈折面５７２を形成している。本実施形態では、２方向の素子配列方向ＡＤｘ，ＡＤｙのうち、発光素子の配列個数が多い（すなわち５個である）特定方向ＡＤｘに仮想凹状曲面Ｓｃを分割している。

これにより、発散部５７０は、照明光を屈折する面として、１方向の特定方向ＡＤｘに合わせて互いに配列された複数の屈折面５７２を有している。複数の屈折面５７２の各曲率中心は、共通の１の主軸ＰＡｃ上に存在しているため、発散部５７０は、各屈折面５７２間で共通の１の主軸ＰＡｃを構成していると言える。複数の屈折面５７２が共同して、各発光素子５１０ａから対となる集光凸面２６を経て入射した照明光に対して、２方向の素子配列方向ＡＤｘ，ＡＤｙのうち特定方向ＡＤｘに発散作用を及ぼす。

投射レンズ５４０は、第１実施形態と同様、複数の分割ブロック４０ａが互いに配列されて一体的に形成されたレンズアレイとなっている。ただし、第５実施形態の投射レンズ５４０では、発光素子５１０ａが２方向に配列されていることに合わせて、複数の分割ブロック４０ａが２方向に配列形成されている。すなわち、５×４個の計２０個の分割ブロック４０ａが設けられている。

具体的に、図１８に示すように、投射レンズ５４０において発散レンズ５３０と対向する入射側表面５４２では、複数の分割レンズ面５４３が、ストライプ状に分割された状態で形成されている。入射側表面５４２における分割レンズ面５４３の分割方向は、２方向のうち特定方向ＡＤｘに沿っており、隣り合う分割レンズ面５４３の境界線は、方向ＡＤｙに沿って直線状に延伸している。したがって方向ＡＤｙを含む断面においては、１つの分割レンズ面５４３が、当該方向ＡＤｙの発光素子５１０ａの配列個数に対応する複数（具体的には４つ）の分割ブロック４０ａを跨いで形成されている。分割レンズ面５４３としては、第１実施形態の面４５ａ，４５ｂと同様に、複数の近似平面５４３ａ及び複数の異方偏向平面５４３ｂが設けられている。

一方、図１９に示すように、投射レンズ５４０において画像表示パネル５５０と対向する射出側表面５４４では、複数の分割レンズ面５４５が、ストライプ状に分割された状態で形成されている。射出側表面５４４における分割レンズ面５４５の分割方向は、２方向のうち方向ＡＤｙに沿っており、隣り合う分割レンズ面５４５の境界線は、特定方向ＡＤｘに沿って直線状に延伸している。したがって特定方向ＡＤｘを含む断面においては、１つの分割レンズ面５４５が、当該方向ＡＤｘの発光素子５１０ａの配列個数に対応する複数（具体的には５つ）の分割ブロック４０ａを跨いで形成されている。分割レンズ面５４５としては、第１実施形態の面４５ａ，４５ｂと同様に、複数の近似平面５４５ａ及び複数の異方偏向平面５４５ｂが設けられている。

こうした複雑な形状の投射レンズ５４０では、１の主軸を規定すること自体困難であり、実質的に多軸性を有している。近似平面５４３ａ，５４５ａが実質的な集光作用を及ぼすと考えれば、近似平面５４３ａ，５４５ａの集合体により、分割ブロック４０ａの個数分（すなわち２０）の主軸が設けられていると考えることもできる。

ここで、図２０に示すように、投射レンズ５４０の近似平面５４３ａ，５４５ａの基となっている仮想凸状曲面Ｓｖｂを用いて算出され得る投射レンズ５４０の光学パワーをφ１（＞０）、発散レンズ５３０の光学パワーをφ２（＜０）、集光レンズ５２０の集光凸面２６を用いて算出され得る集光レンズ５２０の光学パワーをφ３（＞０）と定義する。さらに、投射レンズ５４０の主点の位置と発散レンズ５３０の主点の位置との間隔をｅ１、発散レンズ５３０の主点と集光レンズ５２０の主点との間隔をｅ２と定義する。なお、各主点の位置は、当該主点を含む仮想平面である主平面に置換して考えてもよい。

こうした定義下、集光レンズ５２０の主点の位置から、バックライト光学系５４９の合成焦点の位置までの距離Ｌは、
Ｌ＝［１−ｅ２・（１＋φ１＋φ２）＋ｅ１・（１＋φ１）・（−１＋ｅ２・φ２）］
／［１＋φ１−（−１＋ｅ１＋ｅ１・φ１）・φ２
＋（１−ｅ２（１＋φ１＋φ２）＋ｅ１・（１＋φ１）
・（−１＋ｅ２・φ２））・φ３］ …（数式１）となる。

ここで、入射瞳ＥＮＰ（図９の模式図も参照）の位置は、投射レンズ５４０の主点の位置よりも画像表示パネル５５０とは遠ざかる位置にあり、当該入射瞳ＥＮＰに各発光素子を結像させるために、集光レンズ５２０の主点の位置からの発光素子アレイ５１０までの距離λは、
０＜λ≦Ｌ …（数式２）の条件を満たしている。換言すると、発光素子アレイ５１０は、集光レンズ５２０の主点の位置と、バックライト光学系５４９の画像表示パネル５５０とは反対側の合成焦点の位置との間に配置されていることとなる。

さらに本実施形態のＨＵＤ装置５００は、図１６に示すように、画像投射ユニット５１９の構成要素として、画像生成部５８１及び個別発光制御部５８２を備えている。画像生成部５８１及び個別発光制御部５８２は、制御回路５８０により実現される機能ブロックとして、構築されている。制御回路５８０は、少なくとも１つのプロセッサ、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ及び入出力インターフェースを有している電子回路である。プロセッサは、例えばメモリに記憶されているコンピュータプログラムを実行することで、画像生成部５８１及び個別発光制御部５８２の機能を実現させる。制御回路５８０は、入出力インターフェースを介して、画像表示パネル５５０及び発光素子アレイ５１０の各発光素子５１０ａ、また外部の機器と通信可能となっている。なお、制御回路５８０は、画像生成部５８１と個別発光制御部５８２との間で共通に設けられてもよく、別個に設けられてもよい。また、本実施形態では、制御回路はハウジング８０内に収容されているが、ハウジング８０外に配置されていてもよい。

画像生成部５８１は、画像表示パネル５５０の表示面５４に表示する画像のデータを生成する。具体的に、画像生成部５８１は、外部の機器から電気信号として入力された情報を基に、画像データを生成する。画像生成部５８１は、例えば、外部の機器から車両の速度が入力されると、速度を示す画像データを、表示面５４の少なくとも一部分に表示するために生成する。本実施形態における画像データとは、例えば、液晶画素５０ａ（図８も参照）の単位毎のＲＧＢ値（２５６段階の階調値）を示すデータである。画像生成部５８１の画像データに基づいた電気信号が画像表示パネル５５０に出力されることにより、画像表示パネル５５０の各液晶画素５０ａの透過率が制御される。

個別発光制御部５８２は、画像生成部５８１が生成した画像データに対応して、各発光素子５１０ａを、個別の発光強度に制御する。

具体的に、画像表示パネル５５０の表示面５４の全領域を各素子配列方向ＡＤｘ，ＡＤｙに配列された発光素子５１０ａの各配列個数で分割した表示分割領域５４ａが定義される。すなわち、表示面５４は、５×４の全２０個の表示分割領域５４ａに仮想的に分割され、各表示分割領域５４ａと、当該表示分割領域５４ａを主に照明する発光素子５１０ａとが、個別に対応付けられる。

個別発光制御部５８２は、各表示分割領域５４ａ毎に、当該領域５４ａ内に対応する上述の画像データを参照して、当該領域５４ａに対応する発光素子５１０ａの発光強度を個別に決定及び制御する。例えば、個別発光制御部５８２は、各発光素子５１０ａのうち、画像生成部５８１が生成した画像データに基づく画像が非表示となる表示分割領域５４ａに対応する発光素子５１０ａを、消灯する。より詳細に、個別発光制御部５８２は、表示分割領域５４ａ内に表示される画像が存在するか否かを、各表示分割領域５４ａについて判定する。そして、表示される画像が存在しない、すなわち非表示となる表示分割領域５４ａに対応する発光素子を消灯する。

表示分割領域５４ａ内に表示される画像が存在するか否かは、例えば画像データにおいて、表示分割領域５４ａ内の各液晶画素５０ａの単位のＲＧＢ値を参照する。具体的に、ある表示分割領域５４ａ内の全てのＲＧＢ値が黒色を示す（０，０，０）の階調値である場合に、当該表示分割領域５４ａ内に表示される画像が存在しないと判定する。他の方法として、ある表示分割領域５４ａ内の全てのＲＧＢ値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）において、Ｘ，Ｙ，Ｚが全て所定値以下ならば、当該表示分割領域５４ａ内に表示される画像が存在しないと判定する方法が採用されてもよい。また他の方法として、ある表示分割領域５４ａ内の全てのＲＧＢ値が同じ値であれば、当該表示分割領域５４ａ内に表示される画像が存在しないと判定する方法が採用されてもよい。

図２１のフローチャートに基づいて、上述の処理を説明する。図２１のフローチャートは、画像表示パネル５５０に表示される画像が書き換わる度に、実行される。

まず、ステップＳ１０では、画像生成部５８１は、画像データを生成する。ステップＳ１０の処理後、ステップＳ２０へ移る。

ステップＳ２０では、個別発光制御部５８２は、各表示分割領域５４ａにて表示する画像が存在するか否かを判定する。ステップＳ２０の処理後、ステップＳ３０へ移る。

ステップＳ３０では、個別発光制御部５８２は、画像が非表示の表示分割領域５４ａに対応する発光素子５１０ａを消灯する。同時に、画像生成部５８１が画像表示パネル５５０に表示される画像を書き換える。以上により、一連の処理を終了する。

また個別発光制御部５８２は、表示される画像が存在する表示分割領域５４ａにおいても、当該表示分割領域５４ａに対応する発光素子５１０ａの発光強度を調整する。すなわち、画像表示パネル５５０の各液晶画素５０ａの透過率の制御に加えて、各発光素子５１０ａの発光強度が調整されることで、画像表示パネル５５０からの表示光のダイナミックレンジ（すなわち、表示光の最小輝度値と最大輝度値との比）が拡大され、虚像ＶＩの表現力が高まる。

このような第５実施形態においても、特定方向ＡＤｘを含む断面において１の主軸ＰＡｄを構成している複数の屈折面５７２を有する発散部５７０が、各発光素子５１０ａからの照明光に対して特定方向ＡＤｘに発散作用を及ぼしている。したがって、第１実施形態に準じた作用効果を奏することが可能となる。

また、第５実施形態によると、発光素子アレイ５１０と画像表示パネル５５０との間の光路上に配置された発散レンズ５３０は、発散部５７０を有する。当該発散部５７０は、互いに配列された複数の発光素子５１０ａからの照明光に対して、特定方向ＡＤｘに発散作用を及ぼす。各発光素子５１０ａが発する照明光が特定方向ＡＤｘに発散作用を受けることにより、各発光素子５１０ａが発する照明光同士の重なり具合が調整され得る。

したがって、画像表示パネル５５０にて照明光による照明に応じて形成される画像の表示光において、光量が狭い範囲に集中することが抑制するように重なり具合が調整されると、当該表示光が広い範囲に及び易くなる。以上により、乗員がより大きく頭を動かした場合の虚像ＶＩの輝度の減少を抑制することができ、虚像ＶＩの視認性を高めることができる。

また、第５実施形態によると、発散部７０は、特定方向ＡＤｘを含む断面において１の主軸ＰＡｄを構成している屈折面５７２を有する。各発光素子５１０ａからの照明光は、それぞれ対応する発光素子５１０ａと１の主軸ＰＡｄとの位置関係に基づいた発散作用を受けることとなるので、各発光素子５１０ａが発する照明光同士の重なり具合は、各発光素子５１０ａの配列間隔に応じて調整され得るのである。

また、第５実施形態によると、発散レンズ５３０は、円筒面状の仮想凹状曲面Ｓｃを特定方向に分割した凹フレネルレンズ状に複数の屈折面５７２を形成し、複数の屈折面５７２が共同することで発散作用を及ぼす。このようにすると、発散部５７０を主軸ＰＡｄの延伸方向に対してコンパクトに構成することができるので、体格の増大を抑制しつつ虚像ＶＩの視認性を高めることができる。そして、乗員が頭を動かす頻度が多い方向にのみ発散作用を及ぼすようにして、頻度が少ない方向の発散作用を抑制して虚像ＶＩの輝度低下を抑制することが可能となり、虚像ＶＩの視認性は、一層高まる。

なお、第５実施形態では、発散作用が及ぼされた特定方向ＡＤｘは、視認される虚像ＶＩにおいて、水平面上の車両の左右方向に対応する方向である。すなわち、乗員が頭を左右方向に動かした場合に、発散作用の効果を享受できる。

また、第５実施形態によると、各発光素子５１０ａが個別の発光強度に制御されるので、画像表示パネル５５０の画像の非表示領域に対応する発光素子５１０ａを減光又は消灯して、虚像ＶＩのコントラストの向上及び消費電力の低減を図ったり、画像表示パネル５５０からの表示光のダイナミックレンジを拡大したりすることができる。

また、第５実施形態によると、各発光素子５１０ａのうち、画像が非表示となる表示分割領域５４ａに対応する発光素子５１０ａは、消灯される。こうした消灯により、消費電力を低減させつつ、虚像ＶＩにおいて、画像を表示している領域とのコントラストが向上し、虚像ＶＩの視認性を高めることができる。

また、第５実施形態によると、発光素子アレイ５１０は、バックライト光学系５４９の各部材５２０，５３０，５４０のうち最も画像表示パネル５５０から離れた位置に配置された集光レンズ５２０の主点の位置と、バックライト光学系５４９の合成焦点の位置との間に配置されている。このような配置により、入射瞳ＥＮＰに各発光素子５１０ａを結像させることが容易に実現されるので、視認領域ＥＢにおいて視認される虚像ＶＩの輝度を高めつつ、画像表示パネル５５０における表示位置同士（例えば画素５０ａ同士）を比較したときの意図しない輝度差を減少させることができる。故に、虚像ＶＩの視認性を高めることができる。

なお、第５実施形態では、画像表示パネル５５０が「画像形成部」に対応し、発散レンズ５３０が発散部５７０を有する「光学部材」に対応している。

（第６実施形態）
図２２に示すように、本発明の第６実施形態は第５実施形態の変形例である。第６実施形態について、第５実施形態とは異なる点を中心に説明する。

第６実施形態の発散レンズ６３０は、その入射側表面６３２において、球面状の仮想凹状曲面Ｓｃ２を、同心円状に分割した凹フレネルレンズ状に複数の屈折面を形成している。複数の屈折面６７２のうち、画像表示パネルの表示面の中心と重なり、面頂点を含む中央の屈折面６７２ａは、円形状をなしている。他の屈折面７６２ｂは、円環状又は部分円環状をなしている。本実施形態における仮想凹状曲面Ｓｃ２は、集光レンズ５２０とは反対側に凹となる凹状に湾曲することで、滑らかな球面状を呈している。

これにより、発散部６７０は、照明光を屈折する面として、同心円状に配列された複数の屈折面６７２を有している。複数の屈折面６７２の各曲率中心は、共通の１の主軸ＰＡｄ上に存在しているため、発散部６７０は、各屈折面６７２間で共通の１の主軸を構成していると言える。複数の屈折面６７２が共同して、各発光素子５１０ａから対となる集光凸面２６を経て入射した照明光に対して、２方向の素子配列方向ＡＤｘ，ＡＤｙのそれぞれに発散作用を及ぼす。

このような第６実施形態においても、素子配列方向のうち２方向の特定方向ＡＤｘ，ＡＤｙを含む断面において１の主軸ＰＡｄを構成している複数の屈折面６７２を有する発散部６７０が、各発光素子５１０ａからの照明光に対して特定方向ＡＤｘ，ＡＤｙに発散作用を及ぼしている。したがって、第１実施形態に準じた作用効果を奏することが可能となる。

また、第６実施形態によると、発散レンズ６３０は、球面状の仮想凹状曲面Ｓｃ２を同心円状に分割した凹フレネルレンズ状に複数の屈折面６７２を形成し、複数の屈折面６７２が共同することで発散作用を及ぼす。このようにすると、発散部６７０を主軸ＰＡｄの延伸方向に対してコンパクトに構成することができるので、体格の増大を抑制しつつ虚像ＶＩの視認性を高めることができる。そして、照明光に対して各方向に発散作用を及ぼすことにより、各方向において、重なり具合が調整されると、当該表示光が広い範囲に及び易くなる。以上により、乗員が頭を動かす方向に関わらず、虚像ＶＩの輝度の減少を抑制することができ、虚像ＶＩの視認性を高めることができる。

なお、発散レンズ６３０が発散部６７０を有する「光学部材」に対応している。

（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。

具体的に第１，３，４実施形態に関する変形例１としては、単一の屈折面７２は、素子配列方向ＡＤを含む断面において１の主軸ＰＡｄを構成しているものであれば、種々の形状が採用され得る。例えば図２３に示すように、屈折面７２は、配列直交方向ＮＤにおいても凹状に湾曲することで、球面状に形成されていてもよい。また例えば、屈折面７２として、主軸ＰＡｄに対して回転対称性を有する非球面（放物面も含まれる）が採用されてもよい。また例えば、屈折面７２として、トロイダル面等のアナモルフィック面が採用されてもよい。屈折面７２の面頂点７２ａを用いて規定され得る主軸ＰＡｄに対して、当該面頂点７２ａ以外の屈折面７２の座標により規定される曲率中心が、主軸ＰＡｄから大きく離れて位置しなければ、その屈折面７２は１の主軸ＰＡｄを構成しているものとする。

第１実施形態に関する変形例２としては、集光レンズ２０の当接受け部２８は、突起として形成されていてもよい。図１５に示す例では、単一の屈折面７２の第１当接部３６におけるサグ量が、集光凸面２６の外周縁におけるサグ量よりも小さくなっている。このため、屈折面７２と集光凸面２６とを接触させずに、第１当接部３６と集光レンズ２０の当接受け部２８を当接させるために、当該当接受け部２８は、発散レンズ３０側に突出した突起として設けられている。

変形例３としては、投射レンズ４０として、種々の形状を採用することができる。例えば、投射レンズ４０として、凸フレネルレンズ、通常の凸レンズ等が採用されてもよい。

変形例４としては、ＨＵＤ装置１００は、集光レンズ２０及び投射レンズ４０の少なくとも一方を、備えていなくてもよい。

変形例５としては、画像表示パネル５０は、発光素子アレイ１０からの射出直後の発光ピーク方向ＰＤ、各主軸ＰＡｃ，ＰＡｄの方向、及び投射レンズ４０の板厚方向に対して、表示面５４の法線方向を沿わせるように配置されていてもよい。

変形例６としては、導光部６０の構成として、種々の構成を採用することができる。例えば、導光部６０は、凹面鏡６３のみで構成されていてもよく、また、平面鏡６１の代わりに凸面鏡を有していてもよい。

第１〜４実施形態に関する変形例７としては、発光素子１０ａは、素子配列方向ＡＤを複数方向（例えば２方向）として配列されたものであってもよい。この場合に、発散部７０は、最低でも、複数の素子配列方向ＡＤのうち特定の１方向を含む断面において、１の主軸ＰＡｄを構成しているものであれば、当該特定の方向において乗員がより大きく頭を動かした場合の虚像ＶＩの輝度の減少を抑制することができる。

第１実施形態に関する変形例８としては、発散部７０の屈折面７２は、発散レンズ３０の射出側表面３４として設けられることで、投射レンズ４０の入射側表面４２と対向していてもよい。さらに、入射側表面４２には、素子配列方向ＡＤにおいて凸状に湾曲することで、照明光に対して集光作用を及ぼす集光凸面を有していてもよい。加えて、この集光凸面の少なくとも一部は、屈折面７２の凹状湾曲により生じたスペース７２ｂに配置されていてもよい。

変形例９としては、発散部７０又は５７０は、全体として、発光素子１０ａ又は５１０ａからの照明光に対して、素子配列方向ＡＤ又はＡＤｘ，ＡＤｙのいずれかに発散作用を及ぼすと認められるものであれば、発散部７０又は５７０に、１の主軸ＰＡｄを構成しているとは認め難い屈折面７２又は５７２または、屈折面７２又は５７２の一部分が含まれていてもよい。なお、本開示における発散作用とは、負の光学パワー等を作用させること等により光束を広げる作用を意味し、拡散板等のランダムな要素により光を種々の方向に散らす拡散作用とは異なる。

第５，６実施形態に関する変形例１０としては、個別発光制御部５８２は、各発光素子５１０ａのうち、画像が非表示となる表示分割領域５４ａに対応する発光素子５１０ａの発光強度を、画像が表示される表示分割領域５４ａに対応する発光素子５１０ａの発光強度よりも、小さく制御するようにしてもよい。

第１〜４実施形態に関する変形例１１としては、ＨＵＤ装置１００は、第５実施形態と同様の画像生成部５８１及び個別発光制御部５８２を備えていてもよい。また、ＨＵＤ装置１００においても、第５実施形態と同様に、集光レンズ２０の主点の位置と、バックライト光学系を構成する部材１０，２０，３０の合成焦点の位置との間に配置されていることが好ましい。

第５，６実施形態に関する変形例１２としては、個別発光制御部５８２を備えるＨＵＤ装置５００及び画像投射ユニット５１９に対して、発散部５７０が設けられていない構成を採用することができる。例えば、図２４に示すように、画像投射ユニット５１９は、発光素子アレイ５１０、集光レンズ５２０、及び画像表示パネル５５０等により構成されていてもよい。図２５に示すように、画像投射ユニット５１９は、発光素子アレイ５１０、投射レンズ５４０、及び画像表示パネル５５０等により構成されていてもよい。図２６に示すように、画像投射ユニット５１９は、発光素子アレイ５１０、集光レンズ５２０、投射レンズ５４０、及び画像表示パネル５５０等により構成されていてもよい。

変形例１３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。
上述した実施形態の技術的特徴をまとめると、以下の通りである。
（技術的特徴１）
移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像の表示光を投影して反射させることにより、画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
照明光を発する複数の発光素子（５１０ａ）が、複数の素子配列方向（ＡＤｘ，ＡＤｙ）に配列されてなる発光素子アレイ（５１０）と、
照明光による照明に応じた画像を形成して、表示光として射出する画像形成部（５５０）と、
発光素子アレイと画像形成部との間の光路上に配置され、各発光素子からの照明光に対して、複数の素子配列方向のうち少なくとも１つの特定方向に発散作用を及ぼす発散部（５７０，６７０）を有する光学部材（５３０，６３０）と、を備え、
発散部は、発散作用を及ぼしつつ照明光を屈折する１以上の屈折面（５７２，６７２）を有する。
（技術的特徴２）
技術的特徴１において、
１以上の屈折面は、特定方向を含む断面において１の主軸（ＰＡｄ）を構成している。
（技術的特徴３）
移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像の表示光を投影して反射させることにより、画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
照明光を発する複数の発光素子（１０ａ）が、互いに素子配列方向（ＡＤ）に配列されてなる発光素子アレイ（１０）と、
照明光による照明に応じた画像を形成して、表示光として射出する画像形成部（５０）と、
発光素子アレイと画像形成部との間の光路上に配置され、各発光素子からの照明光に対して素子配列方向に発散作用を及ぼす発散部（７０，２７０，３７０，４７０）を有する光学部材（３０，２３０，３２０，４３０）と、を備え、
発散部は、照明光を屈折する１以上の屈折面（７２，２７２，３７２，４７２）を有し、
１以上の屈折面は、素子配列方向を含む断面において１の主軸（ＰＡｄ）を構成している。
（技術的特徴４）
技術的特徴１から３のいずれか１つにおいて、
屈折面は、素子配列方向において凹状に湾曲し、照明光を一括して屈折する単一の面である。
（技術的特徴５）
技術的特徴４において、
素子配列方向は、１方向であり、
単一の屈折面は、素子配列方向において凹状に湾曲する円筒面状に形成されている。
（技術的特徴６）
技術的特徴４又は５において
発光素子アレイと光学部材との間の光路上に配置され、発光素子アレイ側からの照明光を光学部材側へ導光する第１導光部材（２０）と、
光学部材と画像形成部との間の光路上に配置され、光学部材側からの照明光を画像形成部側へ導光する第２導光部材（４０）とを、さらに備え、
光学部材は、
第１導光部材と第２導光部材との間に配置された凹レンズ状に形成され、
光学部材の外縁部（３０ａ）のうち、発光素子アレイ側において第１導光部材と当接する第１当接部（３６）と、
外縁部のうち、画像形成部側において第２導光部材と当接する第２当接部（３８）と、を有する。
（技術的特徴７）
技術的特徴６において、
単一の屈折面は、第１導光部材及び第２導光部材のうち少なくとも一方と対向して配置され、
一方は、屈折面と対向し、素子配列方向において凸状に湾曲することで、照明光に対して集光作用を及ぼす集光凸面（２６）を有し、
集光凸面の少なくとも一部は、屈折面の凹状湾曲により生じたスペース（７２ｂ）に配置されている。
（技術的特徴８）
技術的特徴４又は５において、
屈折面と対向し、素子配列方向において凸状に湾曲することで、照明光に対して集光作用を及ぼす集光凸面（２６）を有する導光部材（２０）をさらに備え、
集光凸面の少なくとも一部は、屈折面の凹状湾曲により生じたスペース（７２ｂ）に配置されている。
（技術的特徴９）
技術的特徴１から３のいずれか１つにおいて、
屈折面は、複数設けられ、
発散部は、素子配列方向に合わせて互いに配列された複数の屈折面が共同することで発散作用を及ぼす。
（技術的特徴１０）
技術的特徴９において、
光学部材は、複数の屈折面を凹フレネルレンズ状に形成し、複数の屈折面が共同することで発散作用を及ぼす。
（技術的特徴１１）
技術的特徴１から５のいずれか１つにおいて、
光学部材は、素子配列方向に発光素子の配列個数に応じて配列され、素子配列方向において凸状に湾曲することで、各発光素子からの照明光に対して個別の集光作用を及ぼす複数の集光凸面（３２６）をさらに有し、
集光凸面は、光学部材における片側の表面として形成され、
発散部は、光学部材における逆側の表面として形成されている。
（技術的特徴１２）
技術的特徴１から５のいずれか１つにおいて、
発光素子アレイと光学部材との間の光路上に配置され、各発光素子からの照明光に対して集光作用を及ぼす集光部（４２０，４４０）をさらに備え、
発散部は、集光部により集光作用を受けた照明光に対して画像形成部への照明直前で発散作用を及ぼす。
（技術的特徴１３）
技術的特徴１又は２において、
特定方向は、１方向であり、
屈折面は、複数設けられ、
光学部材は、円筒面状の仮想凹状曲面を特定方向に分割した凹フレネルレンズ状に複数の屈折面を形成し、複数の屈折面が共同することで発散作用を及ぼす。
（技術的特徴１４）
技術的特徴１又は２において、
素子配列方向及び特定方向は、２方向であり、
屈折面は、複数設けられ、
光学部材は、球面状の仮想凹状曲面を同心円状に分割した凹フレネルレンズ状に複数の屈折面を形成し、複数の屈折面が共同することで発散作用を及ぼす。
（技術的特徴１５）
技術的特徴１から３のいずれか１つにおいて、
各発光素子を、個別の発光強度に制御する個別発光制御部（５８２）を、さらに備える。
（技術的特徴１６）
技術的特徴１５において、
画像形成部の表示面（５４）に表示する画像のデータを生成する画像生成部（５８１）を、さらに備え、
表示面を、素子配列方向に配列された発光素子の個数で分割した表示分割領域（５４ａ）を定義すると、
個別発光制御部は、各発光素子のうち、画像生成部による画像が非表示となる表示分割領域に対応する発光素子を、消灯する。
（技術的特徴１７）
技術的特徴１から１６のいずれか１つにおいて、
光学部材は、他の導光部材と共に、バックライト光学系（５４９）を構成し、
発光素子アレイは、バックライト光学系の各部材のうち最も画像形成部から離れた位置に配置された部材の主点の位置と、バックライト光学系の合成焦点の位置との間に配置されている。
（技術的特徴１８）
移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像の表示光を投影して反射させることにより、画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置に用いられる画像投射ユニットであって、
照明光を発する複数の発光素子（５１０ａ）が、複数の素子配列方向（ＡＤｘ，ＡＤｙ）に配列されてなる発光素子アレイ（５１０）と、
照明光による照明に応じた画像を形成して、表示光として射出する画像形成部（５５０）と、
発光素子アレイと画像形成部との間の光路上に配置され、各発光素子からの照明光に対して、複数の素子配列方向のうち少なくとも１つの特定方向に発散作用を及ぼす発散部（５７０，６７０）を有する光学部材と、を備え、
発散部は、発散作用を及ぼしつつ照明光を屈折する１以上の屈折面（５７２，６７２）を有する。
（技術的特徴１９）
移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像の表示光を投影して反射させることにより、画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置に用いられる画像投射ユニットであって、
照明光を発する複数の発光素子（１０ａ）が、互いに素子配列方向（ＡＤ）に配列されてなる発光素子アレイ（１０）と、
照明光による照明に応じた画像を形成して、表示光として射出する画像形成部（５０）と、
発光素子アレイと画像形成部との間の光路上に配置され、各発光素子からの照明光に対して素子配列方向に発散作用を及ぼす発散部（７０，２７０，３７０，４７０）を有する光学部材（３０，２３０，３２０，４３０）と、を備え、
発散部は、照明光を屈折する１以上の屈折面（７２，２７２，３７２，４７２）を有する。

１００，５００ ＨＵＤ装置、１ 車両（移動体）、３ ウインドシールド（投影部材）、１０ 発光素子アレイ、１０ａ 発光素子、２０，４２０，５２０ 集光レンズ、２６，３２６ 集光凸面、３０，２３０，４３０，５３０，６３０ 発散レンズ、３２０ 発散集光レンズ、３０ａ 外縁部、３６ 第１当接部、３８ 第２当接部、４０，４４０，５４０，５５０ 投射レンズ、５０，５５０ 画像表示パネル、７０，２７０，３７０，４７０，５７０，６７０ 発散部、７２，２７２，３７２，４７２，５７２，６７２ 屈折面、７２ｂ スペース、ＡＤ，ＡＤｘ，ＡＤｙ 素子配列方向、ＰＡｄ 主軸

Claims (2)

1. 移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像の表示光を投影して反射させることにより、前記画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   照明光を発する複数の発光素子（１０ａ，５１０ａ）が、１方向又は複数方向の素子配列方向（ＡＤ，ＡＤｘ，ＡＤｙ）に配列されてなる発光素子アレイ（１０，５１０）と、
   前記照明光による照明に応じた前記画像を形成して、前記表示光として射出する画像形成部（５０，５５０）と、
   前記発光素子アレイと前記画像形成部との間の光路上に配置され、各前記発光素子からの前記照明光に対して、前記素子配列方向のうち特定方向に発散作用を及ぼす発散部（７０，２７０，３７０，４７０，５７０，６７０）を有する光学部材（３０，２３０，３２０，４３０，５３０，６３０）と、を備え、
   前記発散部は、前記発散作用を及ぼしつつ前記照明光を屈折する１以上の屈折面（７２，２７２，３７２，４７２，５７２，６７２）を有し、
   各前記発光素子から発せられ、前記発散部により発散された後の前記照明光の見かけ上の発散の起点が、前記画像形成部から前記発光素子アレイ側に離れた位置に存在する入射瞳の位置（ＥＮＰ）に合わせられているヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記１以上の屈折面は、前記特定方向を含む断面において１の主軸（ＰＡｄ）を構成している請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

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