JPWO2017022176A1 - ヘッドアップディスプレイおよびヘッドアップディスプレイを搭載した移動体 - Google Patents

ヘッドアップディスプレイおよびヘッドアップディスプレイを搭載した移動体 Download PDF

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Abstract

ヘッドアップディスプレイ（１００）は、ウインドシールド（２２０）に画像を投射して虚像を観察者に視認させる。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、を備える。投射光学系（１２０）は、屈折光学系（１２１）と、凹面ミラー（１２２）と、を含む。表示デバイス（１１０）は、表示画像を表示する。投射光学系（１２０）は、表示デバイス（１１０）に表示された表示画像を観察者の視点に投射する。屈折光学系（１２１）は、少なくとも１つの光学素子を含む。凹面ミラー（１２２）は、反射面が凹面である。屈折光学系（１２１）は、表示デバイス（１１０）から凹面ミラー（１２２）までの光路の間に位置する。表示デバイス（１１０）が表示する表示画像の光が最初に入射する光学素子の面は凹面である。

Description

本開示は、透過型の反射部材に画像を投射して虚像を提示するヘッドアップディスプレイに関する。
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装置を開示する。このヘッドアップディスプレイ装置は、液晶表示部と、標準光源と、凹面鏡と、凹シリンドリカルレンズと、を備える。液晶表示部は、表示像の基となる基画像を形成する。標準光源は、背面側から液晶表示部に向けて光を放射する。凹面鏡は、基画像の光像を反射することでウインドシールドに表示像を投影する。凹シリンドリカルレンズは、ｙ軸方向に沿い且つｘ軸方向おいて凹状に湾曲し凹面鏡と対向する凹曲面を有する。凹シリンドリカルレンズは、液晶表示部と凹面鏡との間に位置する。さらに、凹シリンドリカルレンズは、ｘ軸周りに回転させることにより、標準光源から凹面鏡に向かう光軸ＯＡに対してｚ軸を傾斜させた姿勢とすることができる。
特開２０１２−０９３５０６号公報
本開示は、高いコントラストを有する虚像を提示するヘッドアップディスプレイを提供する。
本開示におけるヘッドアップディスプレイは、透光性の反射部材に画像を投射して虚像を観察者に視認させるものである。ヘッドアップディスプレイは、表示デバイスと、投射光学系と、を備える。投射光学系は、屈折光学系と、凹面ミラーと、を含む。表示デバイスは、画像を表示する。投射光学系は、表示デバイスに表示された画像を観察者の視点に投射する。屈折光学系は、少なくとも１つの光学素子を含む。凹面ミラーは、反射面が凹面である。屈折光学系は、表示デバイスから凹面ミラーまでの光路の間に位置する。屈折光学系において、表示デバイスが表示する画像の光が入射する入射面は凹面である。
本開示におけるヘッドアップディスプレイは、高いコントラストを有する虚像を提示するのに有効である。
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模式図である。 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。 図６は、実施の形態３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７は、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図８は、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図９は、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図１０は、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図１１は、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図１２は、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図１３は、実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 図１４は、実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 図１５は、実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 図１６は、実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 図１７は、実施例３の投射光学系のデータを示す図である。 図１８は、実施例３の投射光学系のデータを示す図である。 図１９は、実施例３の投射光学系のデータを示す図である。 図２０は、実施例３の投射光学系のデータを示す図である。 図２１は、実施例４の投射光学系のデータを示す図である。 図２２は、実施例４の投射光学系のデータを示す図である。 図２３は、実施例４の投射光学系のデータを示す図である。 図２４は、実施例４の投射光学系のデータを示す図である。 図２５は、実施例１から４のヘッドアップディスプレイの光学データを示す図である。
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１〜４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がウインドシールド２２０に投射する画像を虚像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を説明するための模式図である。
図２および図３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、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が表示する表示画像１１１をウインドシールド２２０を介して反射させて、観察者Ｄの視点領域３００に導いて虚像Ｉを観察者Ｄに視認させる。カメラ１７０は、観察者Ｄの視点位置を検出する。
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を示し、後方とは、前方の反対方向を示す。また、下方とは車両２００が走行する地面の方向を示し、上方とは、下方の反対方向を示す。さらに外側とは、車両２００が左ハンドルである場合、観察者Ｄから見て左側を示し、内側とは観察者から見て右側を示す。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、表示デバイス１１０における表示画像１１１の中心から虚像Ｉの中心までの光路を基準光線Ｌｃとする。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。後述の基準内側光線Ｌｉおよび基準外側光線Ｌｏにおいても同様である。表示デバイス１１０上で、虚像Ｉの車両外側端に相当する表示位置を基準外側画像端Ｄｏ、虚像Ｉの車両内側端に相当する表示位置を基準内側画像端Ｄｉとする。そして、基準外側画像端Ｄｏから虚像Ｉの車両外側端までの光路を基準外側光線Ｌｏ、基準内側画像端Ｄｉから虚像Ｉの車両内側端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１１１を表示する。表示デバイス１１０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（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も可能である。また、表示デバイス１１０として、拡散反射可能なスクリーンと、プロジェクタや走査型レーザを用いて表示画像１１１を生成してもよい。表示画像１１１としては、例えば、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、あらかじめ表示画像１１１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、負のパワーを有する第１レンズ１２１と、凹面形状の反射面を有する第１ミラー１２２と、正のパワーを有する第２レンズ１２３とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した表示画像１１１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が表示した表示画像１１１の画像光は、第１レンズ１２１を介して第１ミラー１２２に入射する。第１ミラー１２２が反射する画像光は、第２レンズ１２３を介してウインドシールド２２０に投射される。
［１−１−２．投射光学系の構成］
以下、図２および図３を用いて、投射光学系１２０の構成について説明する。
第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０よりも車両２００の前方方向に位置し、表示デバイス１１０の表示面に垂直な方向に対して傾けて配置している。第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０側の面（入射面）に凹面を有し、第１ミラー１２２側の面（出射面）が凸面である負メニスカス形状である。第１レンズ１２１の入射面および出射面は、車両の左右方向のみにパワーを有し、上下方向にはパワーを有していない。これにより、太陽光などの外光が第１レンズ１２１によって反射する場合でも、視点領域３００に入射することがない。
第１ミラー１２２は、第１レンズ１２１よりも車両２００の前方方向に位置し、第１レンズ１２１から出射された光線を第２レンズ１２３に向けて反射するよう、その反射面を偏心して配置している。ここで、第１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で表示する表示画像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可能となる。また、第１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歪みを、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるように補正するためである。
第２レンズ１２３は、全体として正のパワーを有し、その出射面には、車両２００の前後方向に直線状に伸びる稜線を有するフレネル形状を備える。また、第２レンズ１２３は、第１ミラー１２２の上方に位置し、第１ミラー１２２が反射する光線をウインドシールド２２０に向けて屈折する作用を持つ。第２レンズ１２３は全体として正のパワーを持つことで、表示デバイス１１０で表示した表示画像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可能となる。さらに、第１ミラー１２２のサイズを小型化することが可能となる。また、第２レンズ１２３の出射面は自由曲面形状である。これにより、ウインドシールド２２０で発生する非対称な画面歪みを良好に補正することができる。また、第２レンズ１２３の出射面は上記のようなフレネル形状を有することにより、第２レンズ１２３のレンズ厚を削減することができ、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。
ここで、第１レンズ１２１は、第１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、図４に示すように、表示デバイス１１０上に表示する表示画像１１１と第１レンズ１２１との間の基準光線Ｌｃの長さＬは、第１ミラー１２２と第１レンズ１２１の間の基準光線Ｌｃの長さＭよりも短い。これにより、第１レンズ１２１で発生する色収差量が視点領域３００内で変動するのを抑制することができる。
［１−３．効果等］
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示画像１１１を表示する表示デバイス１１０と、表示デバイス１１０に表示された表示画像１１１を投射する投射光学系１２０とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１レンズ１２１と、第１ミラー１２２と、第２レンズ１２３と、を有する。
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に表示された表示画像１１１を、ウインドシールド２２０に投影し、虚像Ｉを観察者Ｄに表示させている。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に表示された表示画像１１１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を用いることによって、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されるヘッドアップディスプレイを実現できる。すなわち、視点領域３００内において観察者Ｄはどの位置で観察しても良好な虚像Ｉを視認することが可能である。
第１レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０に向かって凹面であるため、表示デバイス１１０から出射して第１レンズ１２１に入射する光線の広がりを抑制することができ、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、第１レンズ１２１は、出射面が凸面の負のメニスカス形状であるため、表示デバイス１１０から出射する光線が、第１レンズ１２１のレンズ面に入射する角度が小さくなり、偏心歪みの影響を低減することができる。
投射光学系１２０は、表示デバイス１１０の直後に全体として負のパワーの第１レンズ１２１を配置している。換言すると、表示デバイス１１０が表示する表示画像１１１の光が最初に入射する第１レンズ１２１の面は凹面であるため、第１ミラー１２２の正のパワーを高めることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。
（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、第２レンズ１２３を有しない点において実施の形態１と異なる。以下、図５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］
［２−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図５は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための光路を説明する模式図である。図５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、を備える。投射光学系１２０は、負のパワーを有する第１レンズ１２１と、凹面形状の反射面を有する第１ミラー１２２を備える。
投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した表示画像１１１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が表示した表示画像１１１の画像光は、第１レンズ１２１を介して第１ミラー１２２に入射する。第１ミラー１２２が反射する画像光は、ウインドシールド２２０に投射される。
第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０よりも車両２００の前方方向に位置し、表示デバイス１１０の表示面に垂直な方向に対して傾けて配置している。また、第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０側に凹面を有し、出射面が凸面である負のメニスカス形状である。また、第１レンズ１２１の入射面および出射面は、車両の左右方向のみにパワーを有し、上下方向にはパワーを有していない。これにより、太陽光などの外光が第１レンズ１２１によって反射する場合でも、視点領域３００に入射することがない。
第１ミラー１２２は、第１レンズ１２１よりも車両２００の前方方向に位置し、第１レンズ１２１が出射する光線をウインドシールド２２０に向けて反射するよう、その反射面を偏心して配置している。第１ミラー１２２の反射面は凹面である。これにより、表示デバイス１１０で表示した表示画像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可能となる。また、第１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歪みを、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるように補正するためである。
投射光学系１２０は、表示デバイス１１０の直後に全体として負のパワーの第１レンズ１２１を配置している。第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０が表示する表示画像１１１の光が最初に入射する面が凹面である。第１レンズ１２１が全体として負のパワーを有するため、第１ミラー１２２の正のパワーを高めることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。
実施の形態２では、第１レンズ１２１の直後に１つの第１ミラー１２２を配置しているが、複数のミラーを配置しても良い。
ここで、第１レンズ１２１は、第１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、表示デバイス１１０と第１レンズ１２１の間の基準光線Ｌｃの長さは、第１ミラー１２２と第１レンズ１２１の間の基準光線Ｌｃの長さよりも短い。これにより、第１レンズ１２１で発生する色収差量が視点領域３００内で変動するのを抑制することができる。
［２−２．効果等］
実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイ１００は、表示画像１１１を表示する表示デバイス１１０と、表示デバイス１１０に表示された表示画像１１１を投射する投射光学系１２０とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１レンズ１２１と、第１ミラー１２２とを有する。これにより、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されるヘッドアップディスプレイを実現できる。すなわち、視点領域３００内において観察者Ｄはどの位置で観察しても良好な虚像Ｉを視認することが可能である。
第１レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０に向かって凹面であるため、表示デバイス１１０から出射して第１レンズ１２１に入射する光線の広がりを抑制することができ、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、第１レンズ１２１は、出射面が凸面の負のメニスカス形状であるため、表示デバイス１１０から出射する光線が、第１レンズ１２１のレンズ面に入射する角度が小さくなり、偏心歪みの影響を低減することができる。
投射光学系１２０は、表示デバイス１１０の直後に全体として負のパワーの第１レンズ１２１を配置している。第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０が表示する表示画像１１１の光が最初に入射する面が凹面である。第１レンズ１２１が全体として負のパワーを有するため、第１ミラー１２２の正のパワーを高めることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。さらに、第１レンズ１２１の入射面は凹面であるため、表示デバイス１１０から入射した光と入射面とのなす角を大きくすることができる。これにより、入射角が小さすぎるときにおこる光学特性の劣化が抑えられる。
（実施の形態３）
以下、図６を用いて、実施の形態３を説明する。実施の形態３のヘッドアップディスプレイ１００は、投射光学系１２０においてミラーを２つ有し、第２レンズ１２３を有しない点において実施の形態１と異なる。以下、図６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。
［３−１．構成］
［３−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図６は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための光路を示す模式図である。図６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、を備える。
投射光学系１２０は、負のパワーを有する第１レンズ１２１と、凸面形状の反射面を有する第１ミラー１２２と、凹面形状の反射面を有する第２ミラー１２４とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した表示画像１１１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が表示した表示画像１１１の画像光は、第１レンズ１２１を介して第１ミラー１２２に入射する。第１ミラー１２２が反射した画像光は、第２ミラー１２４に入射する。第２ミラー１２４が反射した画像光はウインドシールド２２０に投射される。
［３−１−２．投射光学系の構成］
第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０の上方に位置し、全体として負のパワーを有する。また、第１レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０に向かって凹面であり、出射面が凸面の負のメニスカス形状である。この第１レンズ１２１を表示デバイス１１０の前に配置することで、表示デバイス１１０からの出射する光線の角度を低減することができ、コントラスト特性の良好な虚像Ｉを表示することができる。また、第１レンズ１２１は少なくとも一方の面が自由曲面形状であることが望ましい。これにより、第１ミラー１２２、第２ミラー１２４、ウインドシールド２２０で発生する非対称な画面歪みを良好に補正することができる。また、第１レンズ１２１の入射面および出射面は、車両の左右方向のみにパワーを有し、上下方向にはパワーを有していない。これにより、太陽光などの外光が第１レンズ１２１によって反射する場合でも、視点領域３００に入射することがない。
第１ミラー１２２は、自由曲面で形成された凸面形状の反射面を有する。第１ミラー１２２は、第１レンズ１２１よりも上方に位置し、第１レンズ１２１から出射される光線を第２ミラー１２４に向けて反射するよう、その反射面を偏心して配置している。
第２ミラー１２４は、自由曲面で形成された凹面形状の反射面を有する。第２ミラー１２４は、第１レンズ１２１の車両２００の前方方向に位置し、第１ミラー１２２から出射された光線をウインドシールド２２０に向けて反射するよう、その反射面を偏心して配置している。
ここで、第１ミラー１２２は、その下端が、第２ミラー１２４の反射面の下端よりも上方に位置するように配置される。こうすることで、ヘッドアップディスプレイ１００を車両上下方向に薄く構成することができる。また、表示デバイス１１０と第１レンズ１２１の間の基準光線Ｌｃの長さは、第１ミラー１２２と第２ミラー１２４の間の基準光線Ｌｃの長さよりも短い。これにより、第１レンズ１２１で発生する色収差量が視点領域３００内で変動するのを抑制することができる。
［３−３．効果等］
実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示画像１１１を表示する表示デバイス１１０と、表示デバイス１１０に表示された表示画像１１１を投射する投射光学系１２０とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１レンズ１２１と、第１ミラー１２２と、第２ミラー１２４と、を備える。これにより、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されるヘッドアップディスプレイを実現できる。すなわち、視点領域３００内において観察者Ｄはどの位置で観察しても良好な虚像Ｉを視認することが可能である。
第１レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０に向かって凹面であるため、表示デバイス１１０から出射して第１レンズ１２１に入射する光線の広がりを抑制することができる。これにより、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、第１レンズ１２１は、出射面が凸面の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、第１レンズ１２１のレンズ面に入射する角度が小さくなり、偏心歪みの影響を低減することができる。
投射光学系１２０は、表示デバイス１１０の直後に全体として負のパワーの第１レンズ１２１を配置している。換言すると、表示デバイス１１０が表示する表示画像１１１の光が最初に入射する第１レンズ１２１の面は凹面であるため、第２ミラー１２４の正のパワーを高めることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。
以下、実施の形態１〜３に係る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。
本開示における第１レンズ１２１のパワーは、車両上下方向に対して車両の左右方向の方が強い。これにより、観察者Ｄは、横長に設定される視点領域３００全域でコントラスト特性の良好な虚像Ｉを視認することができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（１）を満足することが望ましい。
０．５ ＜ Ｈ ／ Ｌ ＜ １０．０ ・・・（１）
ここで、
Ｈ：基準外側画像端Ｄｏから基準内側画像端Ｄｉまでの長さ
Ｌ：表示デバイスから第１レンズ１２１の入射面までの基準光線の光路長
である。
条件（１）は、図４に示すように、表示デバイス１１０の最大横画面サイズ（基準外側画像端Ｄｏから基準内側画像端Ｄｉまでの長さ）と、表示デバイス１１０から第１レンズ１２１の入射面までの基準光線Ｌｃの光路長の比率を規定する条件である。この条件（１）を満たすことで、虚像Ｉの高画質化とヘッドアップディスプレイ１００の小型化を両立できる。条件（１）の上限を上回ると、表示デバイス１１０から第１レンズ１２１の表示デバイス１１０側の面までの基準光線Ｌｃの光路長が小さくなるため、第１レンズ１２１の表示デバイス１１０側の面の曲率を弱くする必要があり、十分な負のパワーを確保することができず、観察者Ｄにコントラストの高い虚像Ｉを視認させることが困難となる。また、コントラストを高めるために第１レンズ１２１の出射面の形状を凹面にして負のパワーを持たせると、第１レンズ１２１の出射面から出射する光線の角度が大きくなり、画面歪みを良好に補正することが困難となる。条件（１）の下端を下回ると、表示デバイス１１０と第１レンズ１２１の間隔が大きくなり、小型の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。
さらに、以下の条件（１）’を満足することにより上記の効果をさらに奏功させることができる。
１．０ ＜ Ｈ ／ Ｌ ＜ ６．０ ・・・（１）’
さらに、以下の条件（１）’ ’を満足することにより上記の効果をさらに奏功させる
ことができる。
１．３ ＜ Ｈ ／ Ｌ ＜ ４．０ ・・・（１）’ ’
また、本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（２）を満足することが望ましい。
１．０ ＜ Ｍ ／ Ｌ ＜ １３．０ ・・・（２）
ここで、
Ｍ：第１レンズ１２１の出射面から第１ミラー１２２までの基準光線の光路長
である。
条件式（２）は、表示デバイス１１０から第１レンズ１２１の入射面までの基準光線Ｌｃの光路長と、第１レンズ１２１の出射面から第１ミラー１２２までの基準光線Ｌｃの光路長の比率を規定する条件式である。条件（２）を満たすことで、ヘッドアップディスプレイ１００の小型化が達成できる。条件（２）の下端を下回ると、第１レンズ１２１と第１ミラー１２２までの間隔が小さくなり、第１ミラー１２２が反射する光線と第１レンズ１２１との干渉を回避することが困難となる。また、条件（２）の上端を上回ると、第１レンズ１２１と第１ミラー１２２までの間隔が大きくなり、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。
さらに、以下の条件（２）’を満足することにより上記の効果をさらに奏功させることができる。
１．３ ＜ Ｍ ／ Ｌ ＜ ７．０ ・・・（２）’
また、さらに以下の条件（２）’ ’を満足することにより上記の効果をさらに奏功さ
せることができる。
１．４５ ＜ Ｈ ／ Ｌ ＜ ６．０ ・・・（２）’ ’
（数値実施例）
以下、図７から図２５を用いて、実施の形態１〜３に対応する数値実施例を示す。
以下、本技術による表示装置について、具体的な実施例を説明する。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１で定義されるものである。
Figure 2017022176
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（ｊ＞１）は単項式ｘｍｙｎ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）の中心であり、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方向をＺ軸として示している。
また、トロイダル面は、以下の数式２で定義されるｘｚ平面での輪郭を、原点から曲率半径ｒｙ分だけ離れた位置までｘ軸に平行移動した軸で回転させたときの軌跡で形成される。
Figure 2017022176
また、偏心データにおいて、ＡＤＥとは、ミラーもしくはレンズをＸ軸を中心にＺ軸方向からＹ軸方向に回転した量、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、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、実施例１（実施の形態１）の投射光学系のデータである。図７は、投射光学系１２０の各光学要素における各面の偏心データを示す。図８と図９は、曲率半径を示す。図１０、図１１は、自由曲面の形状を表す多項式係数である。図１２は、第２レンズ１２３の出射面の非球面係数を示す。
（数値実施例２）
図１３〜図１６は、実施例２（実施の形態２）の投射光学系のデータである。実施例２における投射光学系１２０は、入射面が球面の凹形状、出射面が凸形状の負のパワーの第１レンズ１２１と、反射面が凹面の第１ミラー１２２とから構成される。
図１３は、投射光学系１２０の各光学要素のデータを示す。図１４は、曲率半径を示す。図１５、図１６は、自由曲面の形状を表す多項式係数である。
（数値実施例３）
図１７〜図２０は、実施例３（実施の形態２）の投射光学系のデータである。実施例３における投射光学系は、入射面が表示画像１１１の左右方向に対応する方向のみに負のパワーを有し、出射面が表示画像の左右方向に対応する方向のみに正のパワーを有する負のパワーの第１レンズ１２１と反射面が凹面の第１ミラー１２２とから構成されている。
図１７は、投射光学系１２０の各光学要素のデータを示す。図１８、図１９は、曲率半径を示す。図２０は、自由曲面の形状を表す多項式係数である。
（数値実施例４）
図２１〜図２４は、実施例４（実施の形態３）の投射光学系のデータである。図２１は、投射光学系１２０の各光学要素のデータを示す。図２２は曲率半径を示す。図２３、図２４は、自由曲面の形状を表す多項式係数である。
図２５は、実施例１〜４までの、虚像サイズと観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離を示す。
以下の表１に、実施の形態１から３までの条件式（１）〜（２）の対応値を示す。
Figure 2017022176
（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１〜３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１〜３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１〜３において、第１レンズ１２１のレンズ面が負メニスカス形状を用いて説明したが、これに限られず、平凹形状、両凹形状であっても良い。
実施の形態１〜３では、屈折光学系の一例として表示デバイス１１０の直後に１枚のレンズ素子を配置した例を用いて説明したが、複数のレンズ素子を配置しても良い。複数のレンズ素子が有る場合、表示デバイスが出射する光が最初に入射するレンズ素子の表示デバイス側の面が凹面であることが望ましい。
実施の形態３では、投射光学系１２０として２つのミラーを配置しているが、３枚以上のミラーを配置しても良いし、１枚のミラーを配置しても良い。
実施の形態１のヘッドアップディスプレイ１００における第１ミラー１２２、実施の形態２のヘッドアップディスプレイ１００における第１ミラー１２２及び第２ミラー１２４は、それぞれ回転非対称な形状のミラーを用いて説明したが、Ｘ方向とＹ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１〜３の第１レンズ１２１の面形状は、自由曲面形状に限定されることはなく、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１〜３の第１レンズ１２１の表示デバイス１１０側の面はその全面が凹面である必要はなく、一部に凸面形状を有しても良い。
実施の形態１における第１ミラー１２２の反射面形状は自由曲面形状に限定されることはなく、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における第２レンズ１２３の出射面の形状は自由曲面に限定されることはなく、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモフィック形状であっても良い。また、第２レンズ１２３はリニアフレネル形状に限定されることはなく、同心円状に溝を形成したフレネル形状であっても良いし、溝のないバルクレンズ形状であっても良い。
また、実施の形態１では、第１レンズ１２１の出射面側に１つの第１ミラー１２２を配置しているが、複数のミラーを配置しても良い。また、実施の形態１では、１枚の第２レンズ１２３を配置しているが、複数のレンズ素子を配置しても良いし、レンズ素子を配置しなくても良い。
実施の形態３における第１ミラー１２２の反射面は、凸面形状を用いて説明したが、平面形状でも凹面形状でも良い。
実施の形態３における第１ミラー１２２、第２ミラー１２４は、自由曲面形状に限定されることはなく、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。また、これら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３では第１ミラー１２２を第２ミラー１２４よりも車両後方側に配置した例を用いて説明したが、これに限定されることはなく、第１ミラー１２２を第２ミラー１２４よりも車両前方に配置しても良いし、第１ミラー１２２と第２ミラー１２４とを車両の左右方向（図６において紙面垂直方向）に配置しても良い。
また、実施の形態３では、表示デバイス１１０を第１ミラー１２２よりも下方に配置した例を用いて説明したが、これに限定されることはない。例えば、表示デバイス１１０を第１ミラー１２２よりも上方に配置しても良いし、表示デバイス１１０を第１ミラー１２２よりも車両の後方に配置しても良いし、表示デバイス１１０と第１ミラー１２２とを車両の左右方向（図６において紙面垂直方向）に配置しても良い。
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。
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 表示画像
１２０ 投射光学系
１２１ 第１レンズ
１２２ 第１ミラー
１２３ 第２レンズ
１２４ 第２ミラー
１７０ カメラ
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
本開示は、透過型の反射部材に画像を投射して虚像を提示するヘッドアップディスプレイに関する。
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装置を開示する。このヘッドアップディスプレイ装置は、液晶表示部と、標準光源と、凹面鏡と、凹シリンドリカルレンズと、を備える。液晶表示部は、表示像の基となる基画像を形成する。標準光源は、背面側から液晶表示部に向けて光を放射する。凹面鏡は、基画像の光像を反射することでウインドシールドに表示像を投影する。凹シリンドリカルレンズは、ｙ軸方向に沿い且つｘ軸方向おいて凹状に湾曲し凹面鏡と対向する凹曲面を有する。凹シリンドリカルレンズは、液晶表示部と凹面鏡との間に位置する。さらに、凹シリンドリカルレンズは、ｘ軸周りに回転させることにより、標準光源から凹面鏡に向かう光軸ＯＡに対してｚ軸を傾斜させた姿勢とすることができる。
特開２０１２−０９３５０６号公報
本開示は、高いコントラストを有する虚像を提示するヘッドアップディスプレイを提供する。
本開示におけるヘッドアップディスプレイは、透光性の反射部材に画像を投射して虚像を観察者に視認させるものである。ヘッドアップディスプレイは、表示デバイスと、投射光学系と、を備える。投射光学系は、屈折光学系と、凹面ミラーと、を含む。表示デバイスは、画像を表示する。投射光学系は、表示デバイスに表示された画像を観察者の視点に投射する。屈折光学系は、少なくとも１つの光学素子を含む。凹面ミラーは、反射面が凹面である。屈折光学系は、表示デバイスから凹面ミラーまでの光路の間に位置する。屈折光学系は、全体として負のパワーのレンズ素子を含む。負のパワーのレンズ素子は、表示デバイスが表示する画像の光が入射する入射面を有し、入射面は凹面を有する。ヘッドアップディスプレイは、以下の条件（１）を満足する：
０．５ ＜ Ｈ ／ Ｌ ＜ １０．０ ・・・（１）
ここで、
Ｈ：前記表示デバイスに表示される前記画像の、観察者に視認される虚像の水平方向に対応する方向における長さ
Ｌ：前記表示デバイスから前記屈折光学系の前記負のパワーのレンズ素子の前記入射面までの光路長
である。
本開示におけるヘッドアップディスプレイは、高いコントラストを有する虚像を提示するのに有効である。
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模式図である。 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。 図６は、実施の形態３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７は、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図８は、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図９は、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図１０は、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図１１は、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図１２は、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図１３は、実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 図１４は、実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 図１５は、実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 図１６は、実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 図１７は、実施例３の投射光学系のデータを示す図である。 図１８は、実施例３の投射光学系のデータを示す図である。 図１９は、実施例３の投射光学系のデータを示す図である。 図２０は、実施例３の投射光学系のデータを示す図である。 図２１は、実施例４の投射光学系のデータを示す図である。 図２２は、実施例４の投射光学系のデータを示す図である。 図２３は、実施例４の投射光学系のデータを示す図である。 図２４は、実施例４の投射光学系のデータを示す図である。 図２５は、実施例１から４のヘッドアップディスプレイの光学データを示す図である。
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１〜４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がウインドシールド２２０に投射する画像を虚像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を説明するための模式図である。
図２および図３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、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が表示する表示画像１１１をウインドシールド２２０を介して反射させて、観察者Ｄの視点領域３００に導いて虚像Ｉを観察者Ｄに視認させる。カメラ１７０は、観察者Ｄの視点位置を検出する。
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を示し、後方とは、前方の反対方向を示す。また、下方とは車両２００が走行する地面の方向を示し、上方とは、下方の反対方向を示す。さらに外側とは、車両２００が左ハンドルである場合、観察者Ｄから見て左側を示し、内側とは観察者から見て右側を示す。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、表示デバイス１１０における表示画像１１１の中心から虚像Ｉの中心までの光路を基準光線Ｌｃとする。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。後述の基準内側光線Ｌｉおよび基準外側光線Ｌｏにおいても同様である。表示デバイス１１０上で、虚像Ｉの車両外側端に相当する表示位置を基準外側画像端Ｄｏ、虚像Ｉの車両内側端に相当する表示位置を基準内側画像端Ｄｉとする。そして、基準外側画像端Ｄｏから虚像Ｉの車両外側端までの光路を基準外側光線Ｌｏ、基準内側画像端Ｄｉから虚像Ｉの車両内側端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１１１を表示する。表示デバイス１１０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（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も可能である。また、表示デバイス１１０として、拡散反射可能なスクリーンと、プロジェクタや走査型レーザを用いて表示画像１１１を生成してもよい。表示画像１１１としては、例えば、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、あらかじめ表示画像１１１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、負のパワーを有する第１レンズ１２１と、凹面形状の反射面を有する第１ミラー１２２と、正のパワーを有する第２レンズ１２３とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した表示画像１１１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が表示した表示画像１１１の画像光は、第１レンズ１２１を介して第１ミラー１２２に入射する。第１ミラー１２２が反射する画像光は、第２レンズ１２３を介してウインドシールド２２０に投射される。
［１−１−２．投射光学系の構成］
以下、図２および図３を用いて、投射光学系１２０の構成について説明する。
第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０よりも車両２００の前方方向に位置し、表示デバイス１１０の表示面に垂直な方向に対して傾けて配置している。第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０側の面（入射面）に凹面を有し、第１ミラー１２２側の面（出射面）が凸面である負メニスカス形状である。第１レンズ１２１の入射面および出射面は、車両の左右方向のみにパワーを有し、上下方向にはパワーを有していない。これにより、太陽光などの外光が第１レンズ１２１によって反射する場合でも、視点領域３００に入射することがない。
第１ミラー１２２は、第１レンズ１２１よりも車両２００の前方方向に位置し、第１レンズ１２１から出射された光線を第２レンズ１２３に向けて反射するよう、その反射面を偏心して配置している。ここで、第１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で表示する表示画像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可能となる。また、第１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歪みを、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるように補正するためである。
第２レンズ１２３は、全体として正のパワーを有し、その出射面には、車両２００の前後方向に直線状に伸びる稜線を有するフレネル形状を備える。また、第２レンズ１２３は、第１ミラー１２２の上方に位置し、第１ミラー１２２が反射する光線をウインドシールド２２０に向けて屈折する作用を持つ。第２レンズ１２３は全体として正のパワーを持つことで、表示デバイス１１０で表示した表示画像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可能となる。さらに、第１ミラー１２２のサイズを小型化することが可能となる。また、第２レンズ１２３の出射面は自由曲面形状である。これにより、ウインドシールド２２０で発生する非対称な画面歪みを良好に補正することができる。また、第２レンズ１２３の出射面は上記のようなフレネル形状を有することにより、第２レンズ１２３のレンズ厚を削減することができ、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。
ここで、第１レンズ１２１は、第１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、図４に示すように、表示デバイス１１０上に表示する表示画像１１１と第１レンズ１２１との間の基準光線Ｌｃの長さＬは、第１ミラー１２２と第１レンズ１２１の間の基準光線Ｌｃの長さＭよりも短い。これにより、第１レンズ１２１で発生する色収差量が視点領域３００内で変動するのを抑制することができる。
［１−３．効果等］
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示画像１１１を表示する表示デバイス１１０と、表示デバイス１１０に表示された表示画像１１１を投射する投射光学系１２０とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１レンズ１２１と、第１ミラー１２２と、第２レンズ１２３と、を有する。
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に表示された表示画像１１１を、ウインドシールド２２０に投影し、虚像Ｉを観察者Ｄに表示させている。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に表示された表示画像１１１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を用いることによって、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されるヘッドアップディスプレイを実現できる。すなわち、視点領域３００内において観察者Ｄはどの位置で観察しても良好な虚像Ｉを視認することが可能である。
第１レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０に向かって凹面であるため、表示デバイス１１０から出射して第１レンズ１２１に入射する光線の広がりを抑制することができ、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、第１レンズ１２１は、出射面が凸面の負のメニスカス形状であるため、表示デバイス１１０から出射する光線が、第１レンズ１２１のレンズ面に入射する角度が小さくなり、偏心歪みの影響を低減することができる。
投射光学系１２０は、表示デバイス１１０の直後に全体として負のパワーの第１レンズ１２１を配置している。換言すると、表示デバイス１１０が表示する表示画像１１１の光が最初に入射する第１レンズ１２１の面は凹面であるため、第１ミラー１２２の正のパワーを高めることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。
（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、第２レンズ１２３を有しない点において実施の形態１と異なる。以下、図５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］
［２−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図５は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための光路を説明する模式図である。図５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、を備える。投射光学系１２０は、負のパワーを有する第１レンズ１２１と、凹面形状の反射面を有する第１ミラー１２２を備える。
投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した表示画像１１１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が表示した表示画像１１１の画像光は、第１レンズ１２１を介して第１ミラー１２２に入射する。第１ミラー１２２が反射する画像光は、ウインドシールド２２０に投射される。
第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０よりも車両２００の前方方向に位置し、表示デバイス１１０の表示面に垂直な方向に対して傾けて配置している。また、第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０側に凹面を有し、出射面が凸面である負のメニスカス形状である。また、第１レンズ１２１の入射面および出射面は、車両の左右方向のみにパワーを有し、上下方向にはパワーを有していない。これにより、太陽光などの外光が第１レンズ１２１によって反射する場合でも、視点領域３００に入射することがない。
第１ミラー１２２は、第１レンズ１２１よりも車両２００の前方方向に位置し、第１レンズ１２１が出射する光線をウインドシールド２２０に向けて反射するよう、その反射面を偏心して配置している。第１ミラー１２２の反射面は凹面である。これにより、表示デバイス１１０で表示した表示画像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可能となる。また、第１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歪みを、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるように補正するためである。
投射光学系１２０は、表示デバイス１１０の直後に全体として負のパワーの第１レンズ１２１を配置している。第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０が表示する表示画像１１１の光が最初に入射する面が凹面である。第１レンズ１２１が全体として負のパワーを有するため、第１ミラー１２２の正のパワーを高めることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。
実施の形態２では、第１レンズ１２１の直後に１つの第１ミラー１２２を配置しているが、複数のミラーを配置しても良い。
ここで、第１レンズ１２１は、第１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、表示デバイス１１０と第１レンズ１２１の間の基準光線Ｌｃの長さは、第１ミラー１２２と第１レンズ１２１の間の基準光線Ｌｃの長さよりも短い。これにより、第１レンズ１２１で発生する色収差量が視点領域３００内で変動するのを抑制することができる。
［２−２．効果等］
実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイ１００は、表示画像１１１を表示する表示デバイス１１０と、表示デバイス１１０に表示された表示画像１１１を投射する投射光学系１２０とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１レンズ１２１と、第１ミラー１２２とを有する。これにより、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されるヘッドアップディスプレイを実現できる。すなわち、視点領域３００内において観察者Ｄはどの位置で観察しても良好な虚像Ｉを視認することが可能である。
第１レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０に向かって凹面であるため、表示デバイス１１０から出射して第１レンズ１２１に入射する光線の広がりを抑制することができ、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、第１レンズ１２１は、出射面が凸面の負のメニスカス形状であるため、表示デバイス１１０から出射する光線が、第１レンズ１２１のレンズ面に入射する角度が小さくなり、偏心歪みの影響を低減することができる。
投射光学系１２０は、表示デバイス１１０の直後に全体として負のパワーの第１レンズ１２１を配置している。第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０が表示する表示画像１１１の光が最初に入射する面が凹面である。第１レンズ１２１が全体として負のパワーを有するため、第１ミラー１２２の正のパワーを高めることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。さらに、第１レンズ１２１の入射面は凹面であるため、表示デバイス１１０から入射した光と入射面とのなす角を大きくすることができる。これにより、入射角が小さすぎるときにおこる光学特性の劣化が抑えられる。
（実施の形態３）
以下、図６を用いて、実施の形態３を説明する。実施の形態３のヘッドアップディスプレイ１００は、投射光学系１２０においてミラーを２つ有し、第２レンズ１２３を有しない点において実施の形態１と異なる。以下、図６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。
［３−１．構成］
［３−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図６は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための光路を示す模式図である。図６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、を備える。
投射光学系１２０は、負のパワーを有する第１レンズ１２１と、凸面形状の反射面を有する第１ミラー１２２と、凹面形状の反射面を有する第２ミラー１２４とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した表示画像１１１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が表示した表示画像１１１の画像光は、第１レンズ１２１を介して第１ミラー１２２に入射する。第１ミラー１２２が反射した画像光は、第２ミラー１２４に入射する。第２ミラー１２４が反射した画像光はウインドシールド２２０に投射される。
［３−１−２．投射光学系の構成］
第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０の上方に位置し、全体として負のパワーを有する。また、第１レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０に向かって凹面であり、出射面が凸面の負のメニスカス形状である。この第１レンズ１２１を表示デバイス１１０の前に配置することで、表示デバイス１１０からの出射する光線の角度を低減することができ、コントラスト特性の良好な虚像Ｉを表示することができる。また、第１レンズ１２１は少なくとも一方の面が自由曲面形状であることが望ましい。これにより、第１ミラー１２２、第２ミラー１２４、ウインドシールド２２０で発生する非対称な画面歪みを良好に補正することができる。また、第１レンズ１２１の入射面および出射面は、車両の左右方向のみにパワーを有し、上下方向にはパワーを有していない。これにより、太陽光などの外光が第１レンズ１２１によって反射する場合でも、視点領域３００に入射することがない。
第１ミラー１２２は、自由曲面で形成された凸面形状の反射面を有する。第１ミラー１２２は、第１レンズ１２１よりも上方に位置し、第１レンズ１２１から出射される光線を第２ミラー１２４に向けて反射するよう、その反射面を偏心して配置している。
第２ミラー１２４は、自由曲面で形成された凹面形状の反射面を有する。第２ミラー１２４は、第１レンズ１２１の車両２００の前方方向に位置し、第１ミラー１２２から出射された光線をウインドシールド２２０に向けて反射するよう、その反射面を偏心して配置している。
ここで、第１ミラー１２２は、その下端が、第２ミラー１２４の反射面の下端よりも上方に位置するように配置される。こうすることで、ヘッドアップディスプレイ１００を車両上下方向に薄く構成することができる。また、表示デバイス１１０と第１レンズ１２１の間の基準光線Ｌｃの長さは、第１ミラー１２２と第２ミラー１２４の間の基準光線Ｌｃの長さよりも短い。これにより、第１レンズ１２１で発生する色収差量が視点領域３００内で変動するのを抑制することができる。
［３−３．効果等］
実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示画像１１１を表示する表示デバイス１１０と、表示デバイス１１０に表示された表示画像１１１を投射する投射光学系１２０とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１レンズ１２１と、第１ミラー１２２と、第２ミラー１２４と、を備える。これにより、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されるヘッドアップディスプレイを実現できる。すなわち、視点領域３００内において観察者Ｄはどの位置で観察しても良好な虚像Ｉを視認することが可能である。
第１レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０に向かって凹面であるため、表示デバイス１１０から出射して第１レンズ１２１に入射する光線の広がりを抑制することができる。これにより、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、第１レンズ１２１は、出射面が凸面の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、第１レンズ１２１のレンズ面に入射する角度が小さくなり、偏心歪みの影響を低減することができる。
投射光学系１２０は、表示デバイス１１０の直後に全体として負のパワーの第１レンズ１２１を配置している。換言すると、表示デバイス１１０が表示する表示画像１１１の光が最初に入射する第１レンズ１２１の面は凹面であるため、第２ミラー１２４の正のパワーを高めることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。
以下、実施の形態１〜３に係る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。
本開示における第１レンズ１２１のパワーは、車両上下方向に対して車両の左右方向の方が強い。これにより、観察者Ｄは、横長に設定される視点領域３００全域でコントラスト特性の良好な虚像Ｉを視認することができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（１）を満足することが望ましい。
０．５ ＜ Ｈ ／ Ｌ ＜ １０．０ ・・・（１）
ここで、
Ｈ：基準外側画像端Ｄｏから基準内側画像端Ｄｉまでの長さ
Ｌ：表示デバイスから第１レンズ１２１の入射面までの基準光線の光路長
である。
条件（１）は、図４に示すように、表示デバイス１１０の最大横画面サイズ（基準外側画像端Ｄｏから基準内側画像端Ｄｉまでの長さ）と、表示デバイス１１０から第１レンズ１２１の入射面までの基準光線Ｌｃの光路長の比率を規定する条件である。この条件（１）を満たすことで、虚像Ｉの高画質化とヘッドアップディスプレイ１００の小型化を両立できる。条件（１）の上限を上回ると、表示デバイス１１０から第１レンズ１２１の表示デバイス１１０側の面までの基準光線Ｌｃの光路長が小さくなるため、第１レンズ１２１の表示デバイス１１０側の面の曲率を弱くする必要があり、十分な負のパワーを確保することができず、観察者Ｄにコントラストの高い虚像Ｉを視認させることが困難となる。また、コントラストを高めるために第１レンズ１２１の出射面の形状を凹面にして負のパワーを持たせると、第１レンズ１２１の出射面から出射する光線の角度が大きくなり、画面歪みを良好に補正することが困難となる。条件（１）の下端を下回ると、表示デバイス１１０と第１レンズ１２１の間隔が大きくなり、小型の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。
さらに、以下の条件（１）’を満足することにより上記の効果をさらに奏功させることができる。
１．０ ＜ Ｈ ／ Ｌ ＜ ６．０ ・・・（１）’
さらに、以下の条件（１）’’を満足することにより上記の効果をさらに奏功させることができる。
１．３ ＜ Ｈ ／ Ｌ ＜ ４．０ ・・・（１）’’
また、本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（２）を満足することが望ましい。
１．０ ＜ Ｍ ／ Ｌ ＜ １３．０ ・・・（２）
ここで、
Ｍ：第１レンズ１２１の出射面から第１ミラー１２２までの基準光線の光路長
である。
条件式（２）は、表示デバイス１１０から第１レンズ１２１の入射面までの基準光線Ｌｃの光路長と、第１レンズ１２１の出射面から第１ミラー１２２までの基準光線Ｌｃの光路長の比率を規定する条件式である。条件（２）を満たすことで、ヘッドアップディスプレイ１００の小型化が達成できる。条件（２）の下端を下回ると、第１レンズ１２１と第１ミラー１２２までの間隔が小さくなり、第１ミラー１２２が反射する光線と第１レンズ１２１との干渉を回避することが困難となる。また、条件（２）の上端を上回ると、第１レンズ１２１と第１ミラー１２２までの間隔が大きくなり、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。
さらに、以下の条件（２）’を満足することにより上記の効果をさらに奏功させることができる。
１．３ ＜ Ｍ ／ Ｌ ＜ ７．０ ・・・（２）’
また、さらに以下の条件（２）’’を満足することにより上記の効果をさらに奏功させることができる。
１．４５ ＜ Ｈ ／ Ｌ ＜ ６．０ ・・・（２）’’
（数値実施例）
以下、図７から図２５を用いて、実施の形態１〜３に対応する数値実施例を示す。
以下、本技術による表示装置について、具体的な実施例を説明する。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１で定義されるものである。
Figure 2017022176
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（ｊ＞１）は単項式ｘｍｙｎ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）の中心であり、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方向をＺ軸として示している。
また、トロイダル面は、以下の数式２で定義されるｘｚ平面での輪郭を、原点から曲率半径ｒｙ分だけ離れた位置までｘ軸に平行移動した軸で回転させたときの軌跡で形成される。
Figure 2017022176
また、偏心データにおいて、ＡＤＥとは、ミラーもしくはレンズをＸ軸を中心にＺ軸方向からＹ軸方向に回転した量、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、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、実施例１（実施の形態１）の投射光学系のデータである。図７は、投射光学系１２０の各光学要素における各面の偏心データを示す。図８と図９は、曲率半径を示す。図１０、図１１は、自由曲面の形状を表す多項式係数である。図１２は、第２レンズ１２３の出射面の非球面係数を示す。
（数値実施例２）
図１３〜図１６は、実施例２（実施の形態２）の投射光学系のデータである。実施例２における投射光学系１２０は、入射面が球面の凹形状、出射面が凸形状の負のパワーの第１レンズ１２１と、反射面が凹面の第１ミラー１２２とから構成される。
図１３は、投射光学系１２０の各光学要素のデータを示す。図１４は、曲率半径を示す。図１５、図１６は、自由曲面の形状を表す多項式係数である。
（数値実施例３）
図１７〜図２０は、実施例３（実施の形態２）の投射光学系のデータである。実施例３における投射光学系は、入射面が表示画像１１１の左右方向に対応する方向のみに負のパワーを有し、出射面が表示画像の左右方向に対応する方向のみに正のパワーを有する負のパワーの第１レンズ１２１と反射面が凹面の第１ミラー１２２とから構成されている。
図１７は、投射光学系１２０の各光学要素のデータを示す。図１８、図１９は、曲率半径を示す。図２０は、自由曲面の形状を表す多項式係数である。
（数値実施例４）
図２１〜図２４は、実施例４（実施の形態３）の投射光学系のデータである。図２１は、投射光学系１２０の各光学要素のデータを示す。図２２は曲率半径を示す。図２３、図２４は、自由曲面の形状を表す多項式係数である。
図２５は、実施例１〜４までの、虚像サイズと観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離を示す。
以下の表１に、実施の形態１から３までの条件式（１）〜（２）の対応値を示す。
Figure 2017022176
（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１〜３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１〜３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１〜３において、第１レンズ１２１のレンズ面が負メニスカス形状を用いて説明したが、これに限られず、平凹形状、両凹形状であっても良い。
実施の形態１〜３では、屈折光学系の一例として表示デバイス１１０の直後に１枚のレンズ素子を配置した例を用いて説明したが、複数のレンズ素子を配置しても良い。複数のレンズ素子が有る場合、表示デバイスが出射する光が最初に入射するレンズ素子の表示デバイス側の面が凹面であることが望ましい。
実施の形態３では、投射光学系１２０として２つのミラーを配置しているが、３枚以上のミラーを配置しても良いし、１枚のミラーを配置しても良い。
実施の形態１のヘッドアップディスプレイ１００における第１ミラー１２２、実施の形態２のヘッドアップディスプレイ１００における第１ミラー１２２及び第２ミラー１２４は、それぞれ回転非対称な形状のミラーを用いて説明したが、Ｘ方向とＹ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１〜３の第１レンズ１２１の面形状は、自由曲面形状に限定されることはなく、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１〜３の第１レンズ１２１の表示デバイス１１０側の面はその全面が凹面である必要はなく、一部に凸面形状を有しても良い。
実施の形態１における第１ミラー１２２の反射面形状は自由曲面形状に限定されることはなく、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における第２レンズ１２３の出射面の形状は自由曲面に限定されることはなく、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモフィック形状であっても良い。また、第２レンズ１２３はリニアフレネル形状に限定されることはなく、同心円状に溝を形成したフレネル形状であっても良いし、溝のないバルクレンズ形状であっても良い。
また、実施の形態１では、第１レンズ１２１の出射面側に１つの第１ミラー１２２を配置しているが、複数のミラーを配置しても良い。また、実施の形態１では、１枚の第２レンズ１２３を配置しているが、複数のレンズ素子を配置しても良いし、レンズ素子を配置しなくても良い。
実施の形態３における第１ミラー１２２の反射面は、凸面形状を用いて説明したが、平面形状でも凹面形状でも良い。
実施の形態３における第１ミラー１２２、第２ミラー１２４は、自由曲面形状に限定されることはなく、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。また、これら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３では第１ミラー１２２を第２ミラー１２４よりも車両後方側に配置した例を用いて説明したが、これに限定されることはなく、第１ミラー１２２を第２ミラー１２４よりも車両前方に配置しても良いし、第１ミラー１２２と第２ミラー１２４とを車両の左右方向（図６において紙面垂直方向）に配置しても良い。
また、実施の形態３では、表示デバイス１１０を第１ミラー１２２よりも下方に配置した例を用いて説明したが、これに限定されることはない。例えば、表示デバイス１１０を第１ミラー１２２よりも上方に配置しても良いし、表示デバイス１１０を第１ミラー１２２よりも車両の後方に配置しても良いし、表示デバイス１１０と第１ミラー１２２とを車両の左右方向（図６において紙面垂直方向）に配置しても良い。
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。
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 表示画像
１２０ 投射光学系
１２１ 第１レンズ
１２２ 第１ミラー
１２３ 第２レンズ
１２４ 第２ミラー
１７０ カメラ
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

Claims (10)

  1. 透光性の反射部材に画像を投射して虚像を観察者に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、
    前記表示デバイスに表示された前記画像を観察者の視点に投射する投射光学系と、を備え、
    前記投射光学系は、
    少なくとも１つの光学素子を含む屈折光学系と、
    反射面が凹面の凹面ミラーと、を含み、
    前記屈折光学系は、前記表示デバイスから前記凹面ミラーまでの光路の間に位置し、
    前記表示デバイスが表示する前記画像の光が入射する入射面は凹面である、
    ヘッドアップディスプレイ。
  2. 前記屈折光学系は、全体として負のパワーのレンズ素子を含み、前記負のパワーのレンズ素子の入射面は凹面である、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  3. 前記負のパワーのレンズ素子は、前記表示デバイスに隣接して配置される、
    請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
  4. 前記負のパワーのレンズ素子は、メニスカス形状である、
    請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
  5. 以下の条件（１）を満足する、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ：
    ０．５ ＜ Ｈ ／ Ｌ ＜ １０．０ ・・・（１）
    ここで、
    Ｈ：前記表示デバイスに表示される画像の、観察者に視認される虚像の水平方向に対応する方向における長さ
    Ｌ：前記表示デバイスから前記屈折光学系の前記負のパワーのレンズ素子の入射面までの光路長
    である。
  6. 前記屈折光学系は、前記画像を透過する際に前記画像の短辺方向よりも長辺方向を強く屈折させる、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  7. 以下の条件（２）を満足する、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ：
    １．０ ＜ Ｍ ／ Ｌ ＜ １３．０ ・・・（２）
    ここで、
    Ｌ：前記表示デバイスから前記屈折光学系の前記負のパワーのレンズ素子の入射面までの光路長
    Ｍ：前記屈折光学系の出射面から前記屈折光学系の次に光路上に配置されるミラーまでの基準光線の光路長
    である。
  8. 前記屈折光学系は、前記凹面ミラーの反射領域の下端よりも上方に位置する、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  9. 前記投射光学系はさらに、前記屈折光学系から前記凹面ミラーまでの光路上に第２ミラーを有し、
    前記表示デバイスから前記屈折光学系までの光路長は、前記第２ミラーから前記凹面ミラーまでの光路長よりも短い、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  10. 前記反射部材はウインドシールドである、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイを搭載した移動体。
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