JP7365621B2 - 結像光学系および結像光学系を搭載した移動体 - Google Patents

Description

本開示は、結像光学系および結像光学系を搭載した移動体に関する。

特許文献１は、ウインドシールドに表示像を投影するヘッドアップディスプレイを開示する。このヘッドアップディスプレイは、表示面を有し、表示面に画像を表示させる表示デバイスと、凹面鏡と、凹面鏡と表示面との間に配置された集光作用を有するレンズとを備える。また、このヘッドアップディスプレイは、表示面から出射した光線を、レンズと凹面鏡とを介して結像させて、画像を拡大した中間像を形成する第１の光学系を備える。さらに、このヘッドアップディスプレイは、中間像をウインドシールドに投射する第２の光学系を備える。第１の光学系によって結像する中間像は、表示デバイスが表示面上で表示する表示画像よりも大きい。これにより、第１の光学系および第２の光学系の小型化を図っている。

特開２０１７－１２０３８８号公報

本開示は、小型化が可能で、かつ、外光による迷光を抑制するのに有効な結像光学系を提供する。

本開示の結像光学系は、記画像を表示する表示デバイスと、前記表示デバイスに表示された前記画像を、像として投影する投影光学系と、を備え、前記像の中心に相当する光線を基準光線としたとき、前記投影光学系は、前記表示デバイスからの光路の順に、入射面、反射面、および前記入射面と異なる位置に出射面を有し、前記基準光線に対して、前記出射面を傾斜させたプリズム素子を有し、前記表示デバイスからの光路において、前記出射面から出射される前記基準光線の前記出射面に対する傾斜量θ_２は、１５°＜|θ_２|＜４５°である。

本開示における結像光学系は、歪みの少ない像を提示し、小型化が可能であり、かつ、外光による迷光を抑制するのに有効である。

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 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 実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの投影光学系を説明するための模式図 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 実施の形態３のヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図 実施の形態４のヘッドアップディスプレイの動作を示す図 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のヘッドアップディスプレイのデータを示す図 実施例１のヘッドアップディスプレイのデータを示す図

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、発明者（ら）は、当業者が本開示を十分に理解するために添付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）
以下、図１～４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から投射される画像を虚像Ｉとして認識する。

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の投影光学系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、表示デバイス１１０と、投影光学系１４０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が拡散特性を有する光学部材となっており、表示デバイス１１０に表示する画像をウインドシールド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、視点とは、観察者Ｄの目をレンズと考えた場合の主点であり、視点領域３００とは、虚像Ｉを欠けることなく視認できる、観察者Ｄの視点の位置する領域である。

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２２０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。内側とは、運転席の観察者Ｄから見て助手席側である。外側とは、内側の反対方向である。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。

ここで、図２に示すように、表示デバイス１１０から出射する光線のうち、視点領域３００の中心に到達する光線を光線Ｌとする。また、表示デバイス１１０から出射する光線のうち、虚像Ｉの中心部を通り、視点領域３００の中心に到達する光線を基準光線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。観察者Ｄが視認する基準光線Ｌｃは、実際には表示デバイス１１０から光学系を経て観察者Ｄに到達したものである。そのため、虚像Ｉの中心から出射する基準光線Ｌｃに対応する、表示デバイス１１０から観察者Ｄに到達するまでの光線も基準光線Ｌｃと表現される。また、これらの光線に対応する光路も同様に基準光線Ｌｃと表現される。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。

表示デバイス１１０は、図示しないＣＰＵ等の制御部による制御に基づき、表示画像を表示する。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（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）や有機発光ダイオード（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、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、光を拡散または反射するスクリーンと、プロジェクタや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、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１３０やウインドシールド２２０で発生する歪みや、図示を省略するカメラで取得する観察者Ｄの位置に応じて、あらかじめ画像を電子的に歪ませておくことで、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることができる。また、表示デバイス１１０は、投射光学系１３０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。

投影光学系１４０は、リレー光学系１２０と、投射光学系１３０とを備える。リレー光学系１２０は、拡散特性を有する光学部材としての表示デバイス１１０と、集光作用を有する第１レンズ１２１と、第１ミラー１２２とから構成される。リレー光学系１２０は、拡散特性を有する光学部材としての表示デバイス１１０のスクリーンに表示された表示画像を拡大する。したがって、表示デバイス１１０のスクリーンのサイズを小型にできる。また、投射光学系１３０における倍率を低くすることができる。これにより、投射光学系１３０の第２ミラー１２５の正のパワーを弱くすることができ、画面歪みを抑制できる。

第１レンズ１２１によって集光され、第１ミラー１２２によって反射した光は、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａで屈折され、収差が補正される。

投射光学系１３０は、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと、反射面１２３ｂと、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃと、第２ミラー１２５とを備える。投射光学系１３０は、リレー光学系１２０によって拡大された画像を、自由曲面プリズム１２３の反射面１２３ｂを介して反射し、自由曲面プリズム１２３の出射面を介して屈折した後に、第２ミラー１２５を介して反射することにより、ウインドシールド２２０に投射する。

[１－１－２．投射光学系とリレー光学系と表示装置の配置構成]

本実施の形態における投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１ミラー１２２と、プリズム素子としての自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと、自由曲面プリズム１２３の反射面１２３ｂと、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃと、第２ミラー１２５とが配置されている。

第１ミラー１２２および第２ミラー１２５は、自由曲面形状を採用している。これは反射で生じる虚像のひずみを補正するためである。また、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃは、自由曲面形状を採用している。これは入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃでの屈折による非点収差、並びに反射面１２３ｂで生じる虚像のひずみを補正するためである。

本実施の形態では、プリズム素子として、入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃの全てに自由曲面形状を採用したが、これらの面に自由曲面形状を採用しないプリズム素子を用いてもよい。また、入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃの少なくとも一つに自由曲面形状を採用してもよい。

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａは、図３に示すように、図３のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して時計回り方向に角度|θ_１|傾けて配置されている。また、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃは、図３に示すように、図３のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して反時計回り方向に角度|θ_２|傾けて配置されている。基準光線Ｌｃに対して時計回り方向を正とした場合、角度θ_１は正の角度で、角度θ_２は負の角度である。これにより、屈折による収差を抑えつつ、外光が筐体内に進入して、表示デバイス１１０の表示面または第１ミラー１２２に反射することによる迷光を防ぐことができる。
なお、基準光線Ｌｃに対して時計回り方向を正とした場合、角度θ_１を負の角度としてもよい。その場合は角度θ_２は正の角度とすればよい。

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃを基準光線Ｌｃに対して傾ける程、収差が悪くなり、入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃを基準光線Ｌｃに対して直角に近づける程、太陽光が直視させることになる。そこで、本実施の形態では、入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃに以下のように上限と下限を設けている。

１５°＜|θ_１|＜４５°
１５°＜|θ_２|＜４５°

また、入射面１２３ａの角度|θ_１|と、出射面１２３ｃの角度|θ_２|は、同じ角度になる方が収差を少なくすることができる。本実施の形態では、収差を抑えつつ、入射面１２３ａから反射面１２３ｂまでの光路長と、反射面１２３ｂから出射面１２３ｃまでの光路長が同じになるように、入射面１２３ａの角度|θ_１|と、出射面１２３ｃの角度|θ_２|との関係を以下のように設定している。

０．７＜|θ_１／θ_２|＜１．３
θ_１×θ_２＜０
なお、上式において、基準光線Ｌｃに対して時計回りを正、反時計回りを負としている。

入射面１２３ａと出射面１２３ｃの両方が基準光線Ｌｃに対して傾斜していることが好ましいが、入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させるようにしてもよい。入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させた場合でも、迷光の発生を抑えることができるからである。

ヘッドアップディスプレイの投影光学系においては、第１ミラー１２２と第２ミラー１２５との間に、さらに二つのミラーを設けて中間像を形成する光学系がある。しかし、本実施の形態においては、このような二つのミラーを自由曲面プリズム１２３により一体化し、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと出射面１２３ｃにより表示デバイス１１０からの光を屈折させ、一つの素子により複数の収差補正の効果を発揮させる。その結果、ヘッドアップディスプレイを小型化することができる。

また、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと出射面１２３ｃは、それぞれ基準光線Ｌｃに対して時計回り方向および反時計回り方向に傾いている。これにより、入射面１２３ａにおける外光による反射光は第１ミラー１２２により下方へ反射され、出射面１２３ｃにおける外光による反射光は第２ミラー１２５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。

[１－２．効果等]
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイの一例としてのヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させるヘッドアップディスプレイである。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイスの一例としての表示デバイス１１０と、投影光学系１４０と、を備える。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃを有し、基準光線Ｌｃに対して、入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させた自由曲面プリズム１２３を有する。したがって、自由曲面プリズム１２３によって収差が少なく抑えられ、かつ、投影光学系１４０内に外光が入射した場合であっても、外光が第１ミラー１２２等に反射することによる迷光を抑制することができる。また、本実施形態では、中間像を形成する二つのミラーを設けずに、これらのミラーを一体化した自由曲面プリズム１２３を用いた。したがって、投影光学系１４０の全長を短縮し、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。

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、プリズム素子として自由曲面プリズム１２３を用いたので、ヘッドアップディスプレイ１００のような結像光学系において、外光の反射を抑えつつ、良好な光学的特性を実現できる。

（実施の形態２）
次に、図４を用いて、実施の形態２を説明する。
[２－１．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の構成を示す図である。図４に示すように、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ１００においては、表示デバイス１１０は、スクリーン１１１と、スクリーン１１１を駆動する駆動部１１２と、走査型レーザ１１３とを備える。

表示デバイス１１０において、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。表示画像情報としては、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。表示デバイス１１０の光源として、スクリーン１１１に画像を投影するプロジェクタや走査型レーザが用いられる。走査型レーザ１１３は、スクリーン１１１の面を走査することで、表示画像を形成する。駆動部１１２は、スクリーン１１１を基準光線Ｌｃに沿って移動させる駆動装置である。駆動部１１２によってスクリーン１１１が基準光線Ｌｃに沿って移動することで、観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離を調整することができる。例えば、スクリーン１１１をリレー光学系１２０に対して遠ざける方向に移動させることで、虚像Ｉを観察者Ｄに対して遠ざけることができる。

また、駆動部１１２は、走査型レーザ１１３のスクリーン１１１における走査の位置に応じて移動する。これにより、スクリーン１１１の基準光線Ｌｃの出射角によらず虚像Ｉを任意の平面上に描くことができる。例えば、走査型レーザ１１３の描写周期と、スクリーン１１１の揺動周期を同期させることで、虚像Ｉを観察者Ｄに対して傾いた平面上に描写することができる。また、スクリーン１１１を数十Ｈｚで基準光線Ｌｃの方向に前後に移動させることにより、虚像Ｉを立体表示させることもできる。

本実施の形態においても、投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１ミラー１２２と、プリズム素子としての自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと、自由曲面プリズム１２３の反射面１２３ｂと、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃと、第２ミラー１２５とが配置されている。

第１ミラー１２２および第２ミラー１２５は、自由曲面形状を採用している。これは反射で生じる虚像のひずみを補正するためである。また、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃは、自由曲面形状を採用している。これは入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃでの屈折による非点収差、並びに反射面１２３ｂで生じる虚像のひずみを補正するためである。

本実施の形態では、プリズム素子として、入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃの全てに自由曲面形状を採用したが、これらの面に自由曲面形状を採用しないプリズム素子を用いてもよい。また、入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃの少なくとも一つに自由曲面形状を採用してもよい。

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａは、図４に示すように、図４のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して時計回り方向に角度|θ_１|傾けて配置されている。また、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃは、図４に示すように、図４のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して反時計回り方向に角度|θ_２|傾けて配置されている。これにより、外光が筐体内に進入して、出射面１２３ｃで反射することによる迷光を防ぐことができる。

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃを基準光線Ｌｃに対して傾ける程、収差が悪くなり、入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃを基準光線Ｌｃに対して直角に近づける程、太陽光が直視させることになる。そこで、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃに上述のような上限と下限を設けている。

また、入射面１２３ａの角度|θ_１|と、出射面１２３ｃの角度|θ_２|は、同じ角度になる方が収差を少なくすることができる。本実施の形態では、収差を抑えつつ、入射面１２３ａから反射面１２３ｂまでの光路長と、反射面１２３ｂから出射面１２３ｃまでの光路長が同じになるように、入射面１２３ａの角度|θ_１|と、出射面１２３ｃの角度|θ_２|との関係を、実施の形態１と同様に設定している。

入射面１２３ａと出射面１２３ｃの両方が基準光線Ｌｃに対して傾斜していることが好ましいが、入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させるようにしてもよい。入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させた場合でも、迷光の発生を抑えることができるからである。

ヘッドアップディスプレイの投影光学系においては、第１ミラー１２２と第２ミラー１２５との間に、さらに二つのミラーを設けて中間像を形成する光学系がある。しかし、本実施の形態においては、このような二つのミラーを自由曲面プリズム１２３により一体化し、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと出射面１２３ｃにより表示デバイス１１０からの光を屈折させ、一つの素子により複数の収差補正の効果を発揮させる。その結果、ヘッドアップディスプレイを小型化することができる。

また、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと出射面１２３ｃは、それぞれ基準光線Ｌｃに対して時計回り方向および反時計回り方向に傾いている。これにより、入射面１２３ａにおける外光による反射光は第１ミラー１２２により下方へ反射され、出射面１２３ｃにおける外光による反射光は第２ミラー１２５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。

[２－２． 効果等]
実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイの一例としてのヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに立体表示を含む虚像Ｉを視認させるヘッドアップディスプレイである。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイスの一例としての表示デバイス１１０と、投影光学系１４０と、を備える。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃを有し、基準光線Ｌｃに対して、入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させた自由曲面プリズム１２３を有する。したがって、自由曲面プリズム１２３によって収差が少なく抑えられ、かつ、投影光学系１４０内に外光が入射した場合であっても、外光が第１ミラー１２２等に反射することによる迷光を抑制することができる。また、本実施形態では、中間像を形成する二つのミラーを設けずに、これらのミラーを一体化した自由曲面プリズム１２３を用いた。したがって、投影光学系１４０の全長を短縮し、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。

実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００は、プリズム素子として自由曲面プリズム１２３を用いたので、ヘッドアップディスプレイ１００のような結像光学系において、外光の反射を抑えつつ、良好な光学的特性を実現できる。

（実施の形態３）
次に、図５を用いて、実施の形態３を説明する。

[３－１．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の構成を示す模式図である。図５に示すように、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ１００は、リレー光学系を備えていない。

図５に示すように、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０は、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａに対向するように配置されている。表示デバイス１１０から出射する光線は、直接、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａに入射する。

本実施の形態においては、投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、プリズム素子としての自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと、自由曲面プリズム１２３の反射面１２３ｂと、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃと、第２ミラー１２５とが配置されている。

第２ミラー１２５は、自由曲面形状を採用している。これは反射で生じる虚像のひずみを補正するためである。また、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃは、自由曲面形状を採用している。これは入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃでの屈折による非点収差、並びに反射面１２３ｂで生じる虚像のひずみを補正するためである。

本実施の形態では、プリズム素子として、入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃの全てに自由曲面形状を採用したが、これらの面に自由曲面形状を採用しないプリズム素子を用いてもよい。また、入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃの少なくとも一つに自由曲面形状を採用してもよい。

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａは、図５に示すように、図５のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して時計回り方向に角度|θ_１|傾けて配置されている。また、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃは、図５に示すように、図５のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して反時計回り方向に角度|θ_２|傾けて配置されている。これにより、外光が筐体内に進入して、出射面１２３ｃで反射することによる迷光を防ぐことができる。

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃを基準光線Ｌｃに対して傾ける程、収差が悪くなり、入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃを基準光線Ｌｃに対して直角に近づける程、太陽光が直視させることになる。そこで、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃに上述のような上限と下限を設けている。

また、入射面１２３ａの角度|θ_１|と、出射面１２３ｃの角度|θ_２|は、同じ角度になる方が収差を少なくすることができる。本実施の形態では、収差を抑えつつ、入射面１２３ａから反射面１２３ｂまでの光路長と、反射面１２３ｂから出射面１２３ｃまでの光路長が同じになるように、入射面１２３ａの角度|θ_１|と、出射面１２３ｃの角度|θ_２|との関係を、実施の形態１と同様に設定している。

入射面１２３ａと出射面１２３ｃの両方が基準光線Ｌｃに対して傾斜していることが好ましいが、入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させるようにしてもよい。入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させた場合でも、迷光の発生を抑えることができるからである。

ヘッドアップディスプレイの投影光学系においては、表示デバイス１１０と第２ミラー１２５との間に、さらに二つのミラーを設けて中間像を形成する光学系がある。しかし、本実施の形態においては、このような二つのミラーを自由曲面プリズム１２３により一体化し、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと出射面１２３ｃにより表示デバイス１１０からの光を屈折させ、一つの素子により複数の収差補正の効果を発揮させる。その結果、ヘッドアップディスプレイを小型化することができる。

また、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと出射面１２３ｃは、それぞれ基準光線Ｌｃに対して時計回り方向および反時計回り方向に傾いている。これにより、入射面１２３ａにおける外光による反射光は第１ミラー１２２により下方へ反射され、出射面１２３ｃにおける外光による反射光は第２ミラー１２５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。

[３－２． 効果等]
実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイの一例としてのヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させるヘッドアップディスプレイである。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイスの一例としての表示デバイス１１０と、投影光学系１４０と、を備える。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃを有し、基準光線Ｌｃに対して、入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させた自由曲面プリズム１２３を有する。したがって、自由曲面プリズム１２３によって収差が少なく抑えられ、かつ、投影光学系１４０内に外光が入射した場合であっても、外光が表示デバイス１１０等に反射することによる迷光を抑制することができる。また、本実施形態では、中間像を形成する二つのミラーを設けずに、これらのミラーを一体化した自由曲面プリズム１２３を用いた。したがって、投影光学系１４０の全長を短縮し、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。

実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００は、プリズム素子として自由曲面プリズム１２３を用いたので、ヘッドアップディスプレイ１００のような結像光学系において、外光の反射を抑えつつ、良好な光学的特性を実現できる。

（実施の形態４）
次に、図６を用いて、実施の形態４を説明する。

[４－１．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の構成を示す模式図である。図６に示すように、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ１００は、実施の形態２と同様に、表示デバイス１１０が、スクリーン１１１と、スクリーン１１１を駆動する駆動部１１２と、走査型レーザ１１３とを備える。また、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ１００は、実施の形態３と同様に、表示デバイス１１０のスクリーン１１１と、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａとの間に、リレー光学系が設けられていない。

本実施の形態においては、投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１ミラー１２２と、プリズム素子としての自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、自由曲面プリズム１２３の反射面１２３ｂと、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃと、第２ミラー１２５とが配置されている。

第２ミラー１２５は、自由曲面形状を採用している。これは反射で生じる虚像のひずみを補正するためである。また、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃは、自由曲面形状を採用している。これは入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃでの屈折による非点収差、並びに反射面１２３ｂで生じる虚像のひずみを補正するためである。

本実施の形態では、プリズム素子として、入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃの全てに自由曲面形状を採用したが、これらの面に自由曲面形状を採用しないプリズム素子を用いてもよい。また、入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃの少なくとも一つに自由曲面形状を採用してもよい。

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａは、図６に示すように、図６のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して時計回り方向に角度|θ_１|傾けて配置されている。また、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃは、図６に示すように、図６のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して反時計回り方向に角度|θ_２|傾けて配置されている。これにより、外光が筐体内に進入して、出射面１２３ｃで反射することによる迷光を防ぐことができる。

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃを基準光線Ｌｃに対して傾ける程、収差が悪くなり、入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃを基準光線Ｌｃに対して直角に近づける程、太陽光が直視させることになる。そこで、本実施の形態においても、入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃに実施の形態１と同様な上限と下限を設けている。

また、入射面１２３ａの角度|θ_１|と、出射面１２３ｃの角度|θ_２|は、同じ角度になる方が収差を少なくすることができる。本実施の形態では、収差を抑えつつ、入射面１２３ａから反射面１２３ｂまでの光路長と、反射面１２３ｂから出射面１２３ｃまでの光路長が同じになるように、入射面１２３ａの角度|θ_１|と、出射面１２３ｃの角度|θ_２|との関係を、実施の形態１と同様に設定している。

入射面１２３ａと出射面１２３ｃの両方が基準光線Ｌｃに対して傾斜していることが好ましいが、入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させるようにしてもよい。入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させた場合でも、迷光の発生を抑えることができるからである。

ヘッドアップディスプレイの投影光学系においては、表示デバイス１１０と第２ミラー１２５との間に、さらに二つのミラーを設けて中間像を形成する光学系がある。しかし、本実施の形態においては、このような二つのミラーを自由曲面プリズム１２３により一体化し、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと出射面１２３ｃにより表示デバイス１１０からの光を屈折させ、一つの素子により複数の収差補正の効果を発揮させる。その結果、ヘッドアップディスプレイを小型化することができる。

また、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと出射面１２３ｃは、それぞれ基準光線Ｌｃに対して時計回り方向および反時計回り方向に傾いている。これにより、入射面１２３ａにおける外光による反射光は第１ミラー１２２により下方へ反射され、出射面１２３ｃにおける外光による反射光は第２ミラー１２５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。

[４－２． 効果等]
実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイの一例としてのヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに立体表示を含む虚像Ｉを視認させるヘッドアップディスプレイである。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイスの一例としての表示デバイス１１０と、投影光学系１４０と、を備える。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃを有し、基準光線Ｌｃに対して、入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させた自由曲面プリズム１２３を有する。したがって、自由曲面プリズム１２３によって収差が少なく抑えられ、かつ、投影光学系１４０内に外光が入射した場合であっても、外光が表示デバイス１１０のスクリーン１１１等に反射することによる迷光を抑制することができる。また、本実施形態では、中間像を形成する二つのミラーを設けずに、これらのミラーを一体化した自由曲面プリズム１２３を用いた。したがって、投影光学系１４０の全長を短縮し、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。

実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００は、プリズム素子として自由曲面プリズム１２３を用いたので、ヘッドアップディスプレイ１００のような結像光学系において、外光の反射を抑えつつ、良好な光学的特性を実現できる。

（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１～４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１～４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１～４では、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと出射面１２３ｃは、別々の面で構成されていたが、入射面１２３ａと出射面１２３ｃは、同一の面であってもよい。

実施の形態１～４における第１ミラー１２２、第２ミラー１２５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。これらのミラーの反射面は、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１～４では、ヘッドアップディスプレイ１００はダッシュボード２１０の下方に配置しているが、ダッシュボード２１０の上方に配置しても良い。

（数値実施例）
以下、図７から図１４を用いて、実施の形態１に対応する数値実施例を示す。なお、以下で説明する実施例において、表中の長さの単位は（ｍｍ）であり、角度の単位は（度）である。また、自由曲面は、次の数式で定義されるものである。

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Ｃ１に相当する。Ｃｊは単項式ｘ<ｍ>ｙ<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。

また、各実施例において、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（表示面）の中心である。表中では、表示面の横方向をＸ軸、縦方向をＹ軸、表示面に対して垂直な方向をＺ軸として示している。

また、偏心データにおいて、ＡＤＥとは、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］
図７～図１２は、数値実施例１（実施の形態１）のヘッドアップディスプレイ１００の光学系のデータである。数値実施例１は、実施の形態１の構成を採る。具体的な光学系のデータを図７～図１２に示す。図７は、ヘッドアップディスプレイ１００の各光学要素における各面の偏心データを示す。図８は、各面の曲率半径を示す。図９～１２は、自由曲面の形状を表す多項式係数である。

図１３は、実施例１の虚像Ｉの大きさと、観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離を示すデータである。図１４は、実施の形態１の条件式（数１）の対応値を示す。

以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

なお、本開示のヘッドアップディスプレイを搭載した移動体としては、自動車等の車両の他、ウインドシールドを有する自動二輪車、電車、バス、あるいは飛行機等も考えられ、これらの移動体に本開示のヘッドアップディスプレイ１００を搭載することができる。

また、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、特許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。

（実施形態の概要）
（１）本開示のヘッドアップディスプレイは、透過性の反射部材に画像を投影して虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、画像を表示する表示デバイスと、表示デバイスに表示された画像を、観察者に虚像として投影する投影光学系と、を備え、観察者の視点領域の中心に到達し、虚像の中心に相当する光線を基準光線としたとき、投影光学系は、表示デバイスからの光路の順に、入射面、反射面、および出射面を有し、基準光線に対して、入射面と出射面との少なくともいずれかを傾斜させたプリズム素子を有する。

このように、表示デバイスからの光路の順に、入射面、反射面、および出射面を有するプリズム素子を配置して投影光学系を構成し、入射面と出射面との少なくともいずれかを傾斜させたので、投影光学系内に外光が入射した場合であっても、外光が入射面または反射面に反射することによる迷光を抑制することができる。また、投影光学系は、表示デバイスからの光路の順において、屈折作用を有する入射面と反射面を備えたプリズム素子を配置したので、リレー光学系の全長を短縮し、ヘッドアップディスプレイを小型化することができる。

（２）（１）のヘッドアップディスプレイにおいて、表示デバイスからの光路における入射面に入射する基準光線の入射面に対する傾斜量θ_１は、
１５°＜|θ_１|＜４５°
である。したがって、ヘッドアップディスプレイのような結像光学系において、外光の反射を抑えつつ、良好な光学的特性を実現できる。

（３）（１）または（２）のヘッドアップディスプレイにおいて、表示デバイスからの光路における出射面から出射される基準光線の出射面に対する傾斜量θ_２は、
１５°＜|θ_２|＜４５°
である。したがって、ヘッドアップディスプレイのような結像光学系において、外光の反射を抑えつつ、良好な光学的特性を実現できる。

（４）（１）ないし（３）のいずれか一のヘッドアップディスプレイにおいて、表示デバイスからの光路における入射面に入射する基準光線の入射面に対する傾斜量θ_１と、出射面から出射される基準光線の出射面に対する傾斜量θ_２との関係は、
０．７＜|θ_１／θ_２|＜１．３
である。したがって、入射面または出射面を基準光線に対して傾けた場合でも、収差を少なくしつつ、入射面または出射面を通過する光線の光路長を調整することができる。

（５）（１）ないし（４）のヘッドアップディスプレイにおいて、表示デバイスからの光路における入射面に入射する基準光線の入射面に対する傾斜量θ_１と、出射面から出射される基準光線の出射面に対する傾斜量θ_２との関係は、基準光線に対して時計回りを正とするとき、
θ１×θ２＜０
である。したがって、入射面または出射面を基準光線に対して傾けた場合でも、収差を少なくしつつ、入射面または出射面を通過する光線の光路長を調整することができる。

（６）（１）ないし（５）のヘッドアップディスプレイにおいて、プリズム素子の入射面、出射面、および反射面の少なくともいずれか一つは、自由曲面形状である。したがって、ヘッドアップディスプレイのような結像光学系において、収差を少なくして良好な光学的特性を実現できる。

（７）（１）ないし（６）のヘッドアップディスプレイにおいて、表示デバイスは、画像が表示される拡散特性を有する光学部材である。したがって、投影光学系の構成を簡素化し、ヘッドアップディスプレイを小型化出来る。

（８）本開示の移動体は、（１）ないし（７）のヘッドアップディスプレイを搭載する。したがって、外光がヘッドアップディスプレイにおける投影光学系の入射面または反射面に反射することによる迷光を抑制可能な移動体を提供することができる。また、ヘッドアップディスプレイにおける投影光学系は、表示デバイスからの光路の順において、屈折作用を有する入射面と反射面を備えたプリズム素子を配置したので、リレー光学系の全長を短縮し、小型化されたヘッドアップディスプレイを搭載した移動体を提供することができる。

本開示は、プリズム素子などの屈折光学系を用いた結像光学系に適用可能である。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。また、本開示は、自動車等の車両の他、ウインドシールドを有する自動二輪車、電車、バス、あるいは飛行機等に適用可能である。

１００ ヘッドアップディスプレイ
１１０ 表示デバイス
１２０ リレー光学系
１２１ 第１レンズ
１２２ 第１ミラー
１２３ 自由曲面プリズム
１２３ａ 入射面
１２３ｂ 反射面
１２３ｃ 出射面
１２５ 第２ミラー
１３０ 投射光学系
１４０ 投影光学系
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
Ｌ 光線
Ｌｃ 基準光線

Claims (11)

1. 画像を表示する表示デバイスと、
   前記表示デバイスに表示された前記画像を、像として投影する投影光学系と、を備え、
   前記像の中心に相当する光線を基準光線としたとき、
   前記投影光学系は、
   前記表示デバイスからの光路の順に、入射面、反射面、および前記入射面と異なる位置に出射面を有し、前記基準光線に対して、前記出射面を傾斜させたプリズム素子を有し、
   前記表示デバイスからの光路において、前記出射面から出射される前記基準光線の前記出射面に対する傾斜量θ_２は、
   １５°＜|θ_２|＜４５°
   である、
   結像光学系。
2. 前記プリズム素子は、前記基準光線に対して、前記入射面を傾斜させ、
   前記表示デバイスからの光路において、前記入射面に入射する前記基準光線の前記入射面に対する傾斜量θ_１は、
   １５°＜|θ_１|＜４５°
   である、
   請求項１に記載の結像光学系。
3. 前記表示デバイスからの光路において、前記入射面に入射する前記基準光線の前記入射面に対する傾斜量θ_１と、前記出射面から出射される前記基準光線の前記出射面に対する傾斜量θ_２との関係は、
   ０．７＜|θ_１／θ_２|＜１．３
   である
   請求項１又は請求項２に記載の結像光学系。
4. 前記表示デバイスからの光路において、前記入射面に入射する前記基準光線の前記入射面に対する傾斜量θ_１と、前記出射面から出射される前記基準光線の前記出射面に対する傾斜量θ_２との関係は、前記基準光線に対して時計回りを正とするとき、
   θ_１×θ_２＜０
   である
   請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の結像光学系。
5. 前記プリズム素子の前記入射面、前記出射面、および前記反射面の少なくともいずれか一つは、自由曲面形状である、
   請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の結像光学系。
6. 前記表示デバイスは、前記画像が表示される拡散特性を有する光学部材である、
   請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の結像光学系。
7. 前記表示デバイスと前記投影光学系の間に集光作用を有するリレー光学系を備える、
   請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の結像光学系。
8. 前記リレー光学系は、第１ミラーを有し、前記第１ミラーは自由曲面形状である
   請求項７に記載の結像光学系。
9. 前記出射面から出射した像の歪を補正する第２ミラーを備える、
   請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の結像光学系。
10. 前記第２ミラーは自由曲面形状である
    請求項９に記載の結像光学系。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の結像光学系を搭載した移動体。

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