JPWO2016147570A1 - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

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創右 大谷
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Abstract

本発明は、容積を可及的に小さくすることができるヘッドアップディスプレイを提供する。本発明は、映像光を出射する映像光出射装置（２００）と、第１の光学素子（３０１）と、第２の光学素子（３０３）と、第３の光学素子（３０２）を備え、第１の光学素子（３０１）を透過する映像光を、コンバイナ（１０２）に投射するヘッドアップディスプレイである。第１の光学素子（３０１）は、映像光出射装置（２００）の出射面に対して傾斜して設けられ、第１の偏光方向を有する映像光を反射し、第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する映像光を透過する。第２の光学素子（３０３）は、第１の光学素子（３０１）からの映像光を第１の光学素子（３０１）へ反射する。第３の光学素子（３０２）は、第１の光学素子（３０１）と第２の光学素子（３０３）の間に配置され、映像光が往復して透過することにより、第１の偏光方向を有する映像光を第２の偏光方向を有する映像光に変換する。

Description

本開示は、自家用車等の車両に搭載されるヘッドアップディスプレイに関する。
特許文献１には、移動体の投影面に表示画像を投影することにより、当該表示画像の虚像を移動体の室内の視認領域にて視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置が開示されている。
特開２０１４−１７０１１２号公報
本開示は、容積を可及的に小さくすることができるヘッドアップディスプレイを提供する。
本開示は、映像光を出射する映像光出射装置と、第１の光学素子と、第２の光学素子と、第３の光学素子と、を備え、第１の光学素子を透過する映像光を、コンバイナに投射するヘッドアップディスプレイである。第１の光学素子は、映像光出射装置の出射面に対して傾斜して設けられ、第１の偏光方向を有する映像光を反射し、第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する映像光を透過する。第２の光学素子は、第１の光学素子からの映像光を第１の光学素子へ反射する。第３の光学素子は、第１の光学素子と第２の光学素子との間に配置され、映像光が往復して透過することにより、第１の偏光方向を有する映像光を第２の偏光方向を有する映像光に変換する。
本開示におけるヘッドアップディスプレイによれば、容積を可及的に小さくすることができる。
本開示のヘッドアップディスプレイが搭載される車両の部分模式図 実施の形態１に係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に係るヘッドアップディスプレイの光学素子の配置を説明するための模式図 実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイが投写する映像の説明図 実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイにおける映像光の偏光状態の変遷を示すフローチャート 実施の形態１の変形例１に係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の変形例２に係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２に係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に係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４に係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４に係るヘッドアップディスプレイの要部を示す模式図
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〜図５を用いて、本開示の実施の形態１を説明する。
［１−１．全体構成］
図１は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤとも言う）１０１が搭載された車両１００の部分模式図である。車両１００は、移動体の一例である。
ヘッドアップディスプレイ１０１は、図１に示すようにダッシュボード１０３の内部に配置される。ヘッドアップディスプレイ１０１は、映像光Ｂを出射し、映像光Ｂをコンバイナとして機能するウインドシールド１０２により反射させることで、虚像Ｉを運転者Ｄ（観察者）に視認させるようにした映像表示装置である。
コンバイナは、背景である第２の画像と、ヘッドアップディスプレイ１０１から出射される映像光Ｂによる第１の画像を重畳する役割をもつ半透過型光学素子である。この場合、第２の画像は運転者Ｄからウインドシールド１０２を通して見える前方の景色である。この前方の景色にヘッドアップディスプレイ１０１からの映像光Ｂによる虚像Ｉがウインドシールド１０２上で重畳され、運転者Ｄは重畳された映像を視認することができる。
本実施の形態では、コンバイナは、車両１００のウインドシールドであるが、ウインドシールドとは独立して配置されるハーフミラーなどでもよい。
［１−２．ＨＵＤ構成］
図２は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１０１を車両の側方からみた模式図である。ヘッドアップディスプレイ１０１は、第１の画像を生成するプロジェクタ（第１の光学系）２００と、第１の画像を虚像として表示するＨＵＤ光学系（第２の光学系）３００とで構成される。
プロジェクタ２００は、ＬＥＤもしくは、レーザを光源とする投写型映像表示装置であり、映像光Ｂを出射する映像光出射装置の一例である。映像光出射装置として、他に液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）や蛍光表示管が使用できる。
ＨＵＤ光学系３００は、ＨＵＤ収容筐体４００の開口部４０１近傍に配置される反射型偏光子３０１と、位相差板である１／４波長板３０２と、凹面ミラー３０３とを有する。
反射型偏光子３０１は、固有の偏光軸を有し、偏光軸と平行な直線偏光成分は透過し、偏光軸に垂直な直線偏光成分は反射する光学素子であり、例えばワイヤグリッドフィルムなどが使用される。この反射型偏光子３０１は、第１の光学素子の一例であり、本実施の形態では平面形状を成している。反射型偏光子３０１は、凹面ミラー３０３の光軸に対し、偏心して配置されるとともに、プロジェクタ２００から出射されるＳ偏光の映像光Ｂの出射面に対して傾斜して配置される。
１／４波長板３０２は、互いに垂直な関係にある２つの偏光成分の位相をずらす位相差板であり、遅相軸が反射型偏光子３０１の偏光軸に対し、４５度傾けて配備される。１／４波長板３０２は、プロジェクタ２００から出射される映像光の波長領域をカバーする広帯域の特性を有する。この１／４波長板３０２は、第３の光学素子の一例である。
凹面ミラー３０３は、正パワーを持つ反射型光学素子であり、例えば回転対称性を持たない自由曲面形状を有する。この凹面ミラー３０３は、第２の光学素子の一例である。なお、１／４波長板３０２と反射型偏光子３０１は、構造の把握を容易にするため、平面形状であるものとして説明するが、これに捕らわれずあらゆる形状を取り得る。また、１／４波長板３０２は、粘着面を備えたフィルムとして形成し、凹面ミラー３０３に貼りつけて一体的に構成してもよい。
図３は、プロジェクタ２００と、反射型偏光子３０１と、凹面ミラー３０３との好ましい位置関係を説明するための図である。
プロジェクタ２００から出射する映像光の中心に位置する主光線が反射型偏光子３０１で反射して凹面ミラー３０３に入射する入射光と、この入射光が凹面ミラー３０３で反射した反射光との成す角θが、下記（数１）式を満たすように凹面ミラー３０３を配置する。
Figure 2016147570
ここで、
Ｙ：映像短軸方向長さ（≒Ｙ１）（図４参照）
Ｌ：反射型偏光子３０１と凹面ミラー３０３との面間隔
φ：プロジェクタ２００から出射する映像光Ｂの光軸と反射型偏光子３０１との成す角
上記のような関係になるように凹面ミラー３０３を配置することにより、ＨＵＤの容積を小さくするができる。
［１−３．動作］
実施の形態１における、ＨＵＤ光学系３００の動作について、図５を用いて説明する。
図５は、ヘッドアップディスプレイ１０１における映像光Ｂの偏光状態の変遷を進行順に示した図である。
以下、説明の便宜上、反射型偏光子３０１を透過する方向をＰ方向、反射する方向をＳ方向とし、これらの方向に沿って振動する直線偏光をそれぞれＰ偏光、Ｓ偏光と呼ぶ。また、Ｐ偏光が１／４波長板３０２により変換された後の偏光状態を左回り円偏光、Ｓ偏光が１／４波長板３０２により変換された後の偏光状態を右回り円偏光と呼ぶ。他の実施の形態においても同様である。
プロジェクタ２００から出射する映像光ＢはＳ偏光を有するため、反射型偏光子３０１によって反射し、１／４波長板３０２に入射する。映像光Ｂは、１／４波長板３０２により、その位相を９０度回転させられ右回り円偏光となり、その後、凹面ミラー３０３を反射する際に回転方向が逆転し、左回り円偏光となって、再度、１／４波長板３０２に入射する。左回り円偏光の映像光Ｂは、１／４波長板３０２により、Ｐ偏光に変換されて反射型偏光子３０１に入射するため、反射型偏光子３０１を透過して、ウインドシールド１０２へと入射する。
このように、プロジェクタ２００から出射したＳ偏光の映像光Ｂは、１／４波長板３０２を往復して透過することにより、Ｐ偏光の映像光Ｂに変換される。
ヘッドアップディスプレイ１０１からウインドシールド１０２に入射した映像光Ｂが、運転者Ｄに向けて反射され、運転者Ｄは虚像Ｉとしてその映像を視認する。
［１−４．効果］
本実施の形態によれば、反射型偏光子３０１と凹面ミラー３０３の間の空間を映像光が往復する為、十分な光路長を確保することができ、ＨＵＤを小型にすることが可能である。また、凹面ミラー３０３を観察者である運転者Ｄの方向へ傾ける角度が緩和される為、ＨＵＤ光学系３００の鉛直方向寸法を小さくすることが出来る。さらに、光学性能においても、偏心に起因する、歪曲、非点隔差といった収差を低減し画質を向上することが可能となる。開口部４０１の直下に反射型偏光子３０１が配置される為、ヘッドアップディスプレイ１０１に入射する外部からの光は約半分が反射される。このため内部構造を見えにくくし、また太陽光によるプロジェクタ２００の被爆を半減することで装置寿命を延ばすことが可能である。
［実施の形態１の変形例１］
図６は、実施の形態１の変形例１に係るヘッドアップディスプレイ１１１の構成を示す模式図である。ヘッドアップディスプレイ１１１では、ヘッドアップディスプレイ１０１に対して、図６に示すように、プロジェクタ２００からの映像光Ｂの出射面近傍に凸レンズ２０１が配置されている。凸レンズ２０１を配置することにより光学面が増えて設計自由度が増し、具体的にはプロジェクタ２００の投写画像のサイズを調整することができる。凸レンズ２０１は、屈折光学素子の一例である。
［実施の形態１の変形例２］
図７は、実施の形態１の変形例２に係るヘッドアップディスプレイ１２１の構成を示す模式図である。ヘッドアップディスプレイ１０１（ＨＵＤ光学系３００）の反射型偏光子３０１は平面形状であるが、ヘッドアップディスプレイ１２１（ＨＵＤ光学系３２０）の反射型偏光子３２１は、図７に示すように、開口部４０１側に凹面を有するシリンドリカル形状に構成される。このように反射型偏光子３２１をシリンドリカル形状に構成することにより、太陽光等の外光が反射型偏光子３２１で反射し、運転者Ｄに到達することを回避することができる。
（実施の形態２）
以下、図８を用いて、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１３１について説明する。図８は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１３１の構成を示す模式図である。ヘッドアップディスプレイ１３１が映像光Ｂを出射し、コンバイナとして機能するウインドシールド１０２により反射させることで、虚像Ｉを運転者Ｄに視認させる点は、実施の形態１で説明したヘッドアップディスプレイ１０１と同じであり、ヘッドアップディスプレイ１３１のＨＵＤ光学系３３０の構成が異なる。本実施の形態では、ＨＵＤ光学系３３０の構成のうち、主に実施の形態１との相違点を中心に説明する。また、実施の形態１と同一の構成要素については、同一符号を付している。
［２−１．ＨＵＤの構成］
ヘッドアップディスプレイ１３１は、実施の形態１で説明した１／４波長板３０２に代えて、図８に示すように、第１の１／４波長板３０２ａ及び第２の１／４波長板３０２ｂを有する。第１の１／４波長板３０２ａは反射型偏光子３０１に近接して略平行に配置され、第２の１／４波長板３０２ｂはプロジェクタ２００の出射面側に配置されている。プロジェクタ２００からの映像光Ｂは、第２の１／４波長板３０２ｂ及び第１の１／４波長板３０２ａを透過して、反射型偏光子３０１に導かれる。実施の形態２では、第１の１／４波長板３０２ａは、実施の形態１で説明した１／４波長板３０２と同様の特性を有するが、１／４波長板３０２とはＨＵＤ光学系における配置が異なる。第２の１／４波長板３０２ｂは、偏光調整素子の一例である。
［２−２．動作］
実施の形態２における、ＨＵＤ光学系３３０の動作について説明する。プロジェクタ２００から出射するＳ偏光の映像光Ｂは、第２の１／４波長板３０２ｂを透過すると右回り円偏光に変換される。右回り円偏光に変換された映像光Ｂは第１の１／４波長板３０２ａを透過するとＳ偏光に変換される。
Ｓ偏光に変換された映像光Ｂは、プロジェクタ２００から出射される映像光Ｂの出射面に対して傾けて配置された反射型偏光子３０１で反射された後、再び第１の１／４波長板３０２ａに入射する。反射型偏光子３０１で反射されたＳ偏光の映像光Ｂは第１の１／４波長板３０２ａを透過することによって右回り円偏光に変換され、凹面ミラー３０３に入射する。凹面ミラー３０３に入射した右回り円偏光の映像光は、反射されて左回り円偏光になった後、再び第１の１／４波長板３０２ａに入射する。第１の１／４波長板３０２ａに入射された左回り円偏光の映像光Ｂは、Ｐ偏光に変換されて反射型偏光子３０１に入射する。反射型偏光子３０１に入射したＰ偏光の映像光Ｂは、反射型偏光子３０１を透過し、ウインドシールド１０２に入射する。このように映像光は第１の１／４波長板３０２ａを３回透過することになる。
上述のように、ＨＵＤ光学系３３０では、第２の１／４波長板３０２ｂとして、Ｓ偏光を右回り円偏光に変換する偏光調整素子を用いたが、プロジェクタ２００からＰ偏光の映像光を出射し、第２の１／４波長板３０２ｂとして、Ｐ偏光を右回り円偏光に変換する偏光調整素子を用いることもできる。
これによって、ヘッドアップディスプレイ１３１からウインドシールド１０２に入射した映像光Ｂが、運転者Ｄに向けて反射され、運転者Ｄは虚像Ｉとしてその映像を視認することができる。
［２−３．効果］
本実施の形態によれば、第１の１／４波長板３０２ａは反射型偏光子３０１の近傍に重ねて配置される為、保持構造が簡素化され、保持構造に掛かるコストを下げることができる。
（実施の形態３）
以下、図９を用いて、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１４１について説明する。図９は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１４１の構成を示す模式図である。ヘッドアップディスプレイ１３１が映像光Ｂを出射し、コンバイナとして機能するウインドシールド１０２により反射させることで、虚像Ｉを運転者Ｄに視認させる点は、実施の形態１で説明したヘッドアップディスプレイ１０１と同じであり、ヘッドアップディスプレイ１４１のＨＵＤ光学系３４０の構成が異なる。本実施の形態では、ＨＵＤ光学系３４０の構成のうち、主に実施の形態１との相違点を中心に説明する。また、実施の形態１と同一の構成要素については、同一符号を付している。
［３−１．ＨＵＤ構成］
実施の形態１との相違点は、反射型偏光子３０１とウインドシールド１０２との間に第２の位相差板３０４を配置している点である。この第２の位相差板３０４は、第４の光学素子の一例である。
この第２の位相差板３０４は、例えば１／４波長板または、１／２波長板が使用できる。
［３−２．動作］
１／４波長板を第２の位相差板３０４として使用した場合について説明する。
プロジェクタから出射される映像光Ｂは、Ｓ偏光である。映像光Ｂは、プロジェクタ２００から出射される映像光Ｂの出射方向に対して傾けて配置された反射型偏光子３０１で反射されて、１／４波長板３０２に入射する。
１／４波長板３０２に入射されたＳ偏光の映像光は、右回り円偏光に変換されて凹面ミラー３０３に入射する。凹面ミラー３０３に入射した右回り円偏光の映像光は反射されて左回り円偏光となった後、再び１／４波長板３０２に入射する。１／４波長板３０２に入射した左回り円偏光の映像光はＰ偏光に変換されて反射型偏光子３０１に入射する。反射型偏光子３０１に入射したＰ偏光の映像光は、反射型偏光子３０１を透過し、第２の位相差板（１／４波長板）３０４に入射する。
第２の位相差板３０４（１／４波長板）に入射した映像光は、左回り円偏光に変換されてウインドシールド１０２に入射する。
これによって、ヘッドアップディスプレイ１４１からウインドシールド１０２に入射した左回り円偏光の映像光が、運転者Ｄに向けて反射され、運転者Ｄは虚像としてその映像を視認することができる。
［３−３．効果］
このように運転者Ｄに対し円偏光の映像光が反射された場合には、運転者Ｄが偏光サングラスを着用していても、映像の鑑賞の妨げにならない。
［実施の形態３の変形例］
第２の位相差板３０４として１／４波長板に代えて１／２波長板を用いた場合について説明する。第２の位相差板３０４（１／２波長板）は、遅相軸の向きを反射型偏光子３０１に対して調整することで、反射型偏光子３０１を透過したＰ偏光の偏光方向を回転させることができる。すなわち、第２の位相差板３０４（１／２波長板）は、Ｐ偏光の偏光方向を有する光の一部をＳ偏光に変換することになる。
これによって、ヘッドアップディスプレイ１４１からウインドシールド１０２に入射した映像光の入射角がブリュースター角に近い場合においても、ウインドシールド１０２で良好な反射率が得られる。
（実施の形態４）
［４−１．ＨＵＤ構成］
図１０は、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１５１を車両の構成を示す模式図である。実施の形態１のヘッドアップディスプレイ１０１との相違点は、ヘッドアップディスプレイ１５１のＨＵＤ光学系３５０がルーバー光学素子３０５を有する点である。ルーバー光学素子３０５は、反射型偏光子３０１とウインドシールド１０２との間に配置される。ルーバー光学素子３０５は、第５の光学素子の一例である。
ルーバー光学素子３０５について、その構造を図１１に示す。ルーバー光学素子３０５は、内部にルーバーと呼ばれる遮光部３０６が略平行に配列された構造を持ち、遮光部３０６に平行に進行する光を透過し、それ以外の方向へ進行する光を吸収する機能を有する。ルーバー光学素子３０５は、遮光部３０６の角度がルーバー光学素子３０５の内部を透過する映像光Ｂと平行になるように、構成される。ルーバー光学素子３０５としては、例えば、ルーバーフィルムを図１０に示すように、開口部４０１側に凹面を有するシリンドリカル形状に保持し、使用することができる。
［４−２．動作］
ルーバー光学素子３０５を配置したヘッドアップディスプレイ１５１について説明する。反射型偏光子３０１を透過する映像光Ｂは、図１１に示すように、ルーバー光学素子３０５に入射角度θ１で入射し、ルーバー光学素子３０５と空気の屈折率差により、角度θ２でルーバー光学素子３０５の内部を透過する。角度θ２はルーバーの傾斜角θ３と同等であるため、映像光は、ルーバー光学素子３０５内部で吸収されずに、ウインドシールド１０２に導かれる。
これによって、ヘッドアップディスプレイ１５１からウインドシールド１０２に入射したＰ偏光の映像光Ｂが、運転者Ｄに向けて反射され、運転者Ｄは虚像Ｉとしてその映像を視認することができる。
一方で、ヘッドアップディスプレイ１５１に外部より入射する外光Ｂ２は、ルーバー光学素子３０５に入射する際に、表面での反射光Ｂ３と内部へ透過する透過光Ｂ４に分かれる。反射光Ｂ３は、ルーバー光学素子３０５のシリンドリカル形状により、運転者Ｄに視認されない方向へと反射される。透過光Ｂ４は、ルーバー光学素子３０５の内部を、遮光部３０６の角度θ３と異なる角度で進行するため、遮光部３０６で吸収される。
［４−３．効果］
このように、ルーバー光学素子３０５を追加することにより、太陽光などの外光が運転者に視認されることを防止し、映像光の視認性を向上させることができる。
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。
本開示は、自家用車等の車両に搭載されるヘッドアップディスプレイに適用可能である。
１００ 車両
１０１，１１１，１２１，１３１，１４１，１５１ ヘッドアップディスプレイ
１０２ ウインドシールド
１０３ ダッシュボード
２００ プロジェクタ
２０１ 凸レンズ
３００，３２０，３３０，３４０，３５０ ＨＵＤ光学系
３０１，３２１ 反射型偏光子
３０２，３０２ａ，３０２ｂ １／４波長板
３０３ 凹面ミラー
３０４ 第２の位相差板
３０５ ルーバー光学素子
３０６ 遮光部
４００ ＨＵＤ収容筐体
４０１ 開口部
本開示は、自家用車等の車両に搭載されるヘッドアップディスプレイに関する。
特許文献１には、移動体の投影面に表示画像を投影することにより、当該表示画像の虚像を移動体の室内の視認領域にて視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置が開示されている。
特開２０１４−１７０１１２号公報
本開示は、容積を可及的に小さくすることができるヘッドアップディスプレイを提供する。
本開示は、映像光を出射する映像光出射装置と、第１の光学素子と、第２の光学素子と、第３の光学素子と、を備え、第１の光学素子を透過する映像光を、コンバイナに投射するヘッドアップディスプレイである。第１の光学素子は、映像光出射装置の出射面に対して傾斜して設けられ、第１の偏光方向を有する映像光を反射し、第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する映像光を透過する。第２の光学素子は、第１の光学素子からの映像光を第１の光学素子へ反射する。第３の光学素子は、第１の光学素子と第２の光学素子との間に配置され、映像光が往復して透過することにより、第１の偏光方向を有する映像光を第２の偏光方向を有する映像光に変換する。
本開示におけるヘッドアップディスプレイによれば、容積を可及的に小さくすることができる。
本開示のヘッドアップディスプレイが搭載される車両の部分模式図 実施の形態１に係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に係るヘッドアップディスプレイの光学素子の配置を説明するための模式図 実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイが投写する映像の説明図 実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイにおける映像光の偏光状態の変遷を示すフローチャート 実施の形態１の変形例１に係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の変形例２に係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２に係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に係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４に係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４に係るヘッドアップディスプレイの要部を示す模式図
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〜図５を用いて、本開示の実施の形態１を説明する。
［１−１．全体構成］
図１は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤとも言う）１０１が搭載された車両１００の部分模式図である。車両１００は、移動体の一例である。
ヘッドアップディスプレイ１０１は、図１に示すようにダッシュボード１０３の内部に配置される。ヘッドアップディスプレイ１０１は、映像光Ｂを出射し、映像光Ｂをコンバイナとして機能するウインドシールド１０２により反射させることで、虚像Ｉを運転者Ｄ（観察者）に視認させるようにした映像表示装置である。
コンバイナは、背景である第２の画像と、ヘッドアップディスプレイ１０１から出射される映像光Ｂによる第１の画像を重畳する役割をもつ半透過型光学素子である。この場合、第２の画像は運転者Ｄからウインドシールド１０２を通して見える前方の景色である。この前方の景色にヘッドアップディスプレイ１０１からの映像光Ｂによる虚像Ｉがウインドシールド１０２上で重畳され、運転者Ｄは重畳された映像を視認することができる。
本実施の形態では、コンバイナは、車両１００のウインドシールドであるが、ウインドシールドとは独立して配置されるハーフミラーなどでもよい。
［１−２．ＨＵＤ構成］
図２は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１０１を車両の側方からみた模式図である。ヘッドアップディスプレイ１０１は、第１の画像を生成するプロジェクタ（第１の光学系）２００と、第１の画像を虚像として表示するＨＵＤ光学系（第２の光学系）３００とで構成される。
プロジェクタ２００は、ＬＥＤもしくは、レーザを光源とする投写型映像表示装置であり、映像光Ｂを出射する映像光出射装置の一例である。映像光出射装置として、他に液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）や蛍光表示管が使用できる。
ＨＵＤ光学系３００は、ＨＵＤ収容筐体４００の開口部４０１近傍に配置される反射型偏光子３０１と、位相差板である１／４波長板３０２と、凹面ミラー３０３とを有する。
反射型偏光子３０１は、固有の偏光軸を有し、偏光軸と平行な直線偏光成分は透過し、偏光軸に垂直な直線偏光成分は反射する光学素子であり、例えばワイヤグリッドフィルムなどが使用される。この反射型偏光子３０１は、第１の光学素子の一例であり、本実施の形態では平面形状を成している。反射型偏光子３０１は、凹面ミラー３０３の光軸に対し、偏心して配置されるとともに、プロジェクタ２００から出射されるＳ偏光の映像光Ｂの出射面に対して傾斜して配置される。
１／４波長板３０２は、互いに垂直な関係にある２つの偏光成分の位相をずらす位相差板であり、遅相軸が反射型偏光子３０１の偏光軸に対し、４５度傾けて配備される。１／４波長板３０２は、プロジェクタ２００から出射される映像光の波長領域をカバーする広帯域の特性を有する。この１／４波長板３０２は、第３の光学素子の一例である。
凹面ミラー３０３は、正パワーを持つ反射型光学素子であり、例えば回転対称性を持たない自由曲面形状を有する。この凹面ミラー３０３は、第２の光学素子の一例である。なお、１／４波長板３０２と反射型偏光子３０１は、構造の把握を容易にするため、平面形状であるものとして説明するが、これに捕らわれずあらゆる形状を取り得る。また、１／４波長板３０２は、粘着面を備えたフィルムとして形成し、凹面ミラー３０３に貼りつけて一体的に構成してもよい。
図３は、プロジェクタ２００と、反射型偏光子３０１と、凹面ミラー３０３との好ましい位置関係を説明するための図である。
プロジェクタ２００から出射する映像光の中心に位置する主光線が反射型偏光子３０１で反射して凹面ミラー３０３に入射する入射光と、この入射光が凹面ミラー３０３で反射した反射光との成す角θが、下記（数１）式を満たすように凹面ミラー３０３を配置する。
Figure 2016147570
ここで、
Ｙ：映像短軸方向長さ（≒Ｙ１）（図４参照）
Ｌ：反射型偏光子３０１と凹面ミラー３０３との面間隔
φ：プロジェクタ２００から出射する映像光Ｂの光軸と反射型偏光子３０１との成す角
上記のような関係になるように凹面ミラー３０３を配置することにより、ＨＵＤの容積を小さくするができる。
［１−３．動作］
実施の形態１における、ＨＵＤ光学系３００の動作について、図５を用いて説明する。
図５は、ヘッドアップディスプレイ１０１における映像光Ｂの偏光状態の変遷を進行順に示した図である。
以下、説明の便宜上、反射型偏光子３０１を透過する方向をＰ方向、反射する方向をＳ方向とし、これらの方向に沿って振動する直線偏光をそれぞれＰ偏光、Ｓ偏光と呼ぶ。また、Ｐ偏光が１／４波長板３０２により変換された後の偏光状態を左回り円偏光、Ｓ偏光が１／４波長板３０２により変換された後の偏光状態を右回り円偏光と呼ぶ。他の実施の形態においても同様である。
プロジェクタ２００から出射する映像光ＢはＳ偏光を有するため、反射型偏光子３０１によって反射し、１／４波長板３０２に入射する。映像光Ｂは、１／４波長板３０２により、その位相を９０度回転させられ右回り円偏光となり、その後、凹面ミラー３０３を反射する際に回転方向が逆転し、左回り円偏光となって、再度、１／４波長板３０２に入射する。左回り円偏光の映像光Ｂは、１／４波長板３０２により、Ｐ偏光に変換されて反射型偏光子３０１に入射するため、反射型偏光子３０１を透過して、ウインドシールド１０２へと入射する。
このように、プロジェクタ２００から出射したＳ偏光の映像光Ｂは、１／４波長板３０２を往復して透過することにより、Ｐ偏光の映像光Ｂに変換される。
ヘッドアップディスプレイ１０１からウインドシールド１０２に入射した映像光Ｂが、運転者Ｄに向けて反射され、運転者Ｄは虚像Ｉとしてその映像を視認する。
［１−４．効果］
本実施の形態によれば、反射型偏光子３０１と凹面ミラー３０３の間の空間を映像光が往復する為、十分な光路長を確保することができ、ＨＵＤを小型にすることが可能である。また、凹面ミラー３０３を観察者である運転者Ｄの方向へ傾ける角度が緩和される為、ＨＵＤ光学系３００の鉛直方向寸法を小さくすることが出来る。さらに、光学性能においても、偏心に起因する、歪曲、非点隔差といった収差を低減し画質を向上することが可能となる。開口部４０１の直下に反射型偏光子３０１が配置される為、ヘッドアップディスプレイ１０１に入射する外部からの光は約半分が反射される。このため内部構造を見えにくくし、また太陽光によるプロジェクタ２００の被爆を半減することで装置寿命を延ばすことが可能である。
［実施の形態１の変形例１］
図６は、実施の形態１の変形例１に係るヘッドアップディスプレイ１１１の構成を示す模式図である。ヘッドアップディスプレイ１１１では、ヘッドアップディスプレイ１０１に対して、図６に示すように、プロジェクタ２００からの映像光Ｂの出射面近傍に凸レンズ２０１が配置されている。凸レンズ２０１を配置することにより光学面が増えて設計自由度が増し、具体的にはプロジェクタ２００の投写画像のサイズを調整することができる。凸レンズ２０１は、屈折光学素子の一例である。
［実施の形態１の変形例２］
図７は、実施の形態１の変形例２に係るヘッドアップディスプレイ１２１の構成を示す模式図である。ヘッドアップディスプレイ１０１（ＨＵＤ光学系３００）の反射型偏光子３０１は平面形状であるが、ヘッドアップディスプレイ１２１（ＨＵＤ光学系３２０）の反射型偏光子３２１は、図７に示すように、開口部４０１側に凹面を有するシリンドリカル形状に構成される。このように反射型偏光子３２１をシリンドリカル形状に構成することにより、太陽光等の外光が反射型偏光子３２１で反射し、運転者Ｄに到達することを回避することができる。
（実施の形態２）
以下、図８を用いて、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１３１について説明する。図８は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１３１の構成を示す模式図である。ヘッドアップディスプレイ１３１が映像光Ｂを出射し、コンバイナとして機能するウインドシールド１０２により反射させることで、虚像Ｉを運転者Ｄに視認させる点は、実施の形態１で説明したヘッドアップディスプレイ１０１と同じであり、ヘッドアップディスプレイ１３１のＨＵＤ光学系３３０の構成が異なる。本実施の形態では、ＨＵＤ光学系３３０の構成のうち、主に実施の形態１との相違点を中心に説明する。また、実施の形態１と同一の構成要素については、同一符号を付している。
［２−１．ＨＵＤの構成］
ヘッドアップディスプレイ１３１は、実施の形態１で説明した１／４波長板３０２に代えて、図８に示すように、第１の１／４波長板３０２ａ及び第２の１／４波長板３０２ｂを有する。第１の１／４波長板３０２ａは反射型偏光子３０１に近接して略平行に配置され、第２の１／４波長板３０２ｂはプロジェクタ２００の出射面側に配置されている。プロジェクタ２００からの映像光Ｂは、第２の１／４波長板３０２ｂ及び第１の１／４波長板３０２ａを透過して、反射型偏光子３０１に導かれる。実施の形態２では、第１の１／４波長板３０２ａは、実施の形態１で説明した１／４波長板３０２と同様の特性を有するが、１／４波長板３０２とはＨＵＤ光学系における配置が異なる。第２の１／４波長板３０２ｂは、偏光調整素子の一例である。
［２−２．動作］
実施の形態２における、ＨＵＤ光学系３３０の動作について説明する。プロジェクタ２００から出射するＳ偏光の映像光Ｂは、第２の１／４波長板３０２ｂを透過すると右回り円偏光に変換される。右回り円偏光に変換された映像光Ｂは第１の１／４波長板３０２ａを透過するとＳ偏光に変換される。
Ｓ偏光に変換された映像光Ｂは、プロジェクタ２００から出射される映像光Ｂの出射面に対して傾けて配置された反射型偏光子３０１で反射された後、再び第１の１／４波長板３０２ａに入射する。反射型偏光子３０１で反射されたＳ偏光の映像光Ｂは第１の１／４波長板３０２ａを透過することによって右回り円偏光に変換され、凹面ミラー３０３に入射する。凹面ミラー３０３に入射した右回り円偏光の映像光は、反射されて左回り円偏光になった後、再び第１の１／４波長板３０２ａに入射する。第１の１／４波長板３０２ａに入射された左回り円偏光の映像光Ｂは、Ｐ偏光に変換されて反射型偏光子３０１に入射する。反射型偏光子３０１に入射したＰ偏光の映像光Ｂは、反射型偏光子３０１を透過し、ウインドシールド１０２に入射する。このように映像光は第１の１／４波長板３０２ａを３回透過することになる。
上述のように、ＨＵＤ光学系３３０では、第２の１／４波長板３０２ｂとして、Ｓ偏光を右回り円偏光に変換する偏光調整素子を用いたが、プロジェクタ２００からＰ偏光の映像光を出射し、第２の１／４波長板３０２ｂとして、Ｐ偏光を右回り円偏光に変換する偏光調整素子を用いることもできる。
これによって、ヘッドアップディスプレイ１３１からウインドシールド１０２に入射した映像光Ｂが、運転者Ｄに向けて反射され、運転者Ｄは虚像Ｉとしてその映像を視認することができる。
［２−３．効果］
本実施の形態によれば、第１の１／４波長板３０２ａは反射型偏光子３０１の近傍に重ねて配置される為、保持構造が簡素化され、保持構造に掛かるコストを下げることができる。
（実施の形態３）
以下、図９を用いて、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１４１について説明する。図９は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１４１の構成を示す模式図である。ヘッドアップディスプレイ１４１が映像光Ｂを出射し、コンバイナとして機能するウインドシールド１０２により反射させることで、虚像Ｉを運転者Ｄに視認させる点は、実施の形態１で説明したヘッドアップディスプレイ１０１と同じであり、ヘッドアップディスプレイ１４１のＨＵＤ光学系３４０の構成が異なる。本実施の形態では、ＨＵＤ光学系３４０の構成のうち、主に実施の形態１との相違点を中心に説明する。また、実施の形態１と同一の構成要素については、同一符号を付している。
［３−１．ＨＵＤ構成］
実施の形態１との相違点は、反射型偏光子３０１とウインドシールド１０２との間に第２の位相差板３０４を配置している点である。この第２の位相差板３０４は、第４の光学素子の一例である。
この第２の位相差板３０４は、例えば１／４波長板または、１／２波長板が使用できる。
［３−２．動作］
１／４波長板を第２の位相差板３０４として使用した場合について説明する。
プロジェクタから出射される映像光Ｂは、Ｓ偏光である。映像光Ｂは、プロジェクタ２００から出射される映像光Ｂの出射方向に対して傾けて配置された反射型偏光子３０１で反射されて、１／４波長板３０２に入射する。
１／４波長板３０２に入射されたＳ偏光の映像光は、右回り円偏光に変換されて凹面ミラー３０３に入射する。凹面ミラー３０３に入射した右回り円偏光の映像光は反射されて左回り円偏光となった後、再び１／４波長板３０２に入射する。１／４波長板３０２に入射した左回り円偏光の映像光はＰ偏光に変換されて反射型偏光子３０１に入射する。反射型偏光子３０１に入射したＰ偏光の映像光は、反射型偏光子３０１を透過し、第２の位相差板（１／４波長板）３０４に入射する。
第２の位相差板３０４（１／４波長板）に入射した映像光は、左回り円偏光に変換されてウインドシールド１０２に入射する。
これによって、ヘッドアップディスプレイ１４１からウインドシールド１０２に入射した左回り円偏光の映像光が、運転者Ｄに向けて反射され、運転者Ｄは虚像としてその映像を視認することができる。
［３−３．効果］
このように運転者Ｄに対し円偏光の映像光が反射された場合には、運転者Ｄが偏光サングラスを着用していても、映像の鑑賞の妨げにならない。
［実施の形態３の変形例］
第２の位相差板３０４として１／４波長板に代えて１／２波長板を用いた場合について説明する。第２の位相差板３０４（１／２波長板）は、遅相軸の向きを反射型偏光子３０１に対して調整することで、反射型偏光子３０１を透過したＰ偏光の偏光方向を回転させることができる。すなわち、第２の位相差板３０４（１／２波長板）は、Ｐ偏光の偏光方向を有する光の一部をＳ偏光に変換することになる。
これによって、ヘッドアップディスプレイ１４１からウインドシールド１０２に入射した映像光の入射角がブリュースター角に近い場合においても、ウインドシールド１０２で良好な反射率が得られる。
（実施の形態４）
［４−１．ＨＵＤ構成］
図１０は、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１５１を車両の構成を示す模式図である。実施の形態１のヘッドアップディスプレイ１０１との相違点は、ヘッドアップディスプレイ１５１のＨＵＤ光学系３５０がルーバー光学素子３０５を有する点である。ルーバー光学素子３０５は、反射型偏光子３０１とウインドシールド１０２との間に配置される。ルーバー光学素子３０５は、第５の光学素子の一例である。
ルーバー光学素子３０５について、その構造を図１１に示す。ルーバー光学素子３０５は、内部にルーバーと呼ばれる遮光部３０６が略平行に配列された構造を持ち、遮光部３０６に平行に進行する光を透過し、それ以外の方向へ進行する光を吸収する機能を有する。ルーバー光学素子３０５は、遮光部３０６の角度がルーバー光学素子３０５の内部を透過する映像光Ｂと平行になるように、構成される。ルーバー光学素子３０５としては、例えば、ルーバーフィルムを図１０に示すように、開口部４０１側に凹面を有するシリンドリカル形状に保持し、使用することができる。
［４−２．動作］
ルーバー光学素子３０５を配置したヘッドアップディスプレイ１５１について説明する。反射型偏光子３０１を透過する映像光Ｂは、図１１に示すように、ルーバー光学素子３０５に入射角度θ１で入射し、ルーバー光学素子３０５と空気の屈折率差により、角度θ２でルーバー光学素子３０５の内部を透過する。角度θ２はルーバーの傾斜角θ３と同等であるため、映像光は、ルーバー光学素子３０５内部で吸収されずに、ウインドシールド１０２に導かれる。
これによって、ヘッドアップディスプレイ１５１からウインドシールド１０２に入射したＰ偏光の映像光Ｂが、運転者Ｄに向けて反射され、運転者Ｄは虚像Ｉとしてその映像を視認することができる。
一方で、ヘッドアップディスプレイ１５１に外部より入射する外光Ｂ２は、ルーバー光学素子３０５に入射する際に、表面での反射光Ｂ３と内部へ透過する透過光Ｂ４に分かれる。反射光Ｂ３は、ルーバー光学素子３０５のシリンドリカル形状により、運転者Ｄに視認されない方向へと反射される。透過光Ｂ４は、ルーバー光学素子３０５の内部を、遮光部３０６の角度θ３と異なる角度で進行するため、遮光部３０６で吸収される。
［４−３．効果］
このように、ルーバー光学素子３０５を追加することにより、太陽光などの外光が運転者に視認されることを防止し、映像光の視認性を向上させることができる。
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。
本開示は、自家用車等の車両に搭載されるヘッドアップディスプレイに適用可能である。
１００ 車両
１０１，１１１，１２１，１３１，１４１，１５１ ヘッドアップディスプレイ
１０２ ウインドシールド
１０３ ダッシュボード
２００ プロジェクタ
２０１ 凸レンズ
３００，３２０，３３０，３４０，３５０ ＨＵＤ光学系
３０１，３２１ 反射型偏光子
３０２，３０２ａ，３０２ｂ １／４波長板
３０３ 凹面ミラー
３０４ 第２の位相差板
３０５ ルーバー光学素子
３０６ 遮光部
４００ ＨＵＤ収容筐体
４０１ 開口部

Claims (11)

  1. 映像光を出射する映像光出射装置と、
    前記映像光出射装置の出射面に対して傾斜して設けられ、第１の偏光方向を有する前記映像光を反射し、前記第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する前記映像光を透過する第１の光学素子と、
    前記第１の光学素子からの前記映像光を前記第１の光学素子へ反射する第２の光学素子と、
    前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間に配置され、前記映像光が往復して透過することにより、前記第１の偏光方向を有する前記映像光を前記第２の偏光方向を有する前記映像光に変換する、第３の光学素子と、を備え、
    前記第１の光学素子を透過する前記映像光を、コンバイナに投射する、ヘッドアップディスプレイ。
  2. 前記第１の光学素子は、平面形状である、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  3. 前記映像光出射装置の出射面側に屈折光学素子が配置され、
    前記映像光は、前記屈折光学素子を透過する、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  4. 前記第１の光学素子は、シリンドリカル形状である、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  5. 前記第１の光学素子と前記コンバイナの間に第４の光学素子が配置され、
    前記第４の光学素子は、前記第２の偏光方向を有する前記映像光の一部を第１の偏光方向に変換する、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  6. 前記映像光が、前記第３の光学素子を３回透過する、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  7. 前記第２の光学素子は、凹面ミラーである、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  8. 前記第３の光学素子は、１／４波長板であり、遅相軸が前記第１の偏光方向を含む軸に対し、４５度傾けて配置される、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  9. 前記映像光出射装置の出射面側に偏光調整素子が配置され、
    前記映像光は、前記偏光調整素子を透過する、
    請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ。
  10. 前記第１の光学素子と前記コンバイナの間に第５の光学素子が配置され、
    前記第５の光学素子は、内部に遮光部を有する、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  11. 前記第２の光学素子に入射する前記映像光と前記第２の光学素子で反射する前記映像光との成す角θが、下記（数１）式を満たす、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
    Figure 2016147570
     但し、
    Ｙ：映像短軸方向長さ
    Ｌ：第１の光学素子と第２の光学素子との面間隔
    φ：映像光出射装置から出射する映像光の光軸と第１の光学素子との成す角
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