JPWO2019116730A1 - 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

Abstract

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観察者に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、を備える。投影光学系は、画像を中間像として結像する作用を有し、集光作用を有する第１光学素子と、集光作用を有する第１レンズと、発散作用を有する第２光学素子と、を備える。第１光学素子、第１レンズ、および、第２光学素子は、表示デバイスからの光路の順に配置されている。

Description

本開示は、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、外光による迷光を抑制するのに有効であり、かつ、小型化の可能なヘッドアップディスプレイを提供する。

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観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、前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、前記観察者に虚像として投影する投影光学系と、を備える。前記投影光学系は、前記画像を中間像として結像する作用を有し、集光作用を有する第１光学素子と、集光作用を有する第１レンズと、発散作用を有する第２光学素子と、を備える。前記第１光学素子、前記第１レンズ、および、前記第２光学素子は、前記表示デバイスの光路からの順に配置されている。

本開示におけるヘッドアップディスプレイは、歪みの少ない虚像を提示し、外光による迷光を抑制するのに有効であり、かつ、小型化が可能である。

図１は、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイを搭載した車両を説明するための模式図である。 図２は、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図である。 図３は、実施の形態１におけるテレフォト配置を説明するための模式図である。 図４は、実施の形態１におけるリレー光学系の構成を示す模式図である。 図５は、実施の形態２の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の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、実施の形態４のヘッドアップディスプレイの動作を示す図である。

（本開示の基礎となった知見）
特許文献１のヘッドアップディスプレイは、中間像を形成する光学系を用いることにより、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化を図っている。しかし、ヘッドアップディスプレイ装置においては、虚像の３次元化等に伴い、さらなる小型化の要望が強い。

本開示は、集光作用を有する光学素子と、発散作用を有する光学素子の間に、集光作用を有するレンズを用いることにより、従来よりも小型化が可能なヘッドアップディスプレイを提供する。

（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の構成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る。また、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、表示画像を拡散面等に表示する。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いてもよい。これにより、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してもよい。これにより、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、第２レンズ１２１と、第１光学素子としての第１ミラー１２２と、第１レンズ１２３と、第２光学素子としての第２ミラー１２４とを備える。リレー光学系１２０は、表示デバイス１１０から出射した光線を結像させて、表示画像を拡大した中間像Ｍを形成する。中間像Ｍは表示デバイス１１０のスクリーンに表示した表示画像よりも拡大して形成される。すなわち、表示デバイス１１０のスクリーンに表示された表示画像が小さくても、大きな中間像Ｍを得ることができる。これにより、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、中間像Ｍが大きいことにより、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３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。

中間像Ｍは中間像位置に良好な点として結像する必要はない。球面収差、コマ収差、像面湾曲、非点収差が発生していても良い。

投射光学系１３０は、第３ミラー１２５を備える。投射光学系１３０は、リレー光学系１２０が形成した中間像Ｍを、第３ミラー１２５を介して反射する。これにより、投射光学系１３０は、中間像Ｍをウインドシールド２２０に投射する。なお、中間像Ｍは、空中で結像する空中像であり、拡散反射する投写面で結象するものではない。第３ミラー１２５は、中間像Ｍからウインドシールド２２０までの光路上に配置されている。

[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]
第２レンズ１２１は、図２に示すように表示デバイス１１０よりも車両２００の前方方向に位置する。第２レンズ１２１は、図２に示すように、図２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、表示デバイス１１０の表示面に反射することによる迷光を防ぐことができる。

また、第２レンズ１２１は、Ｘ軸方向とＹ軸方向で曲率の異なる自由曲面レンズである。第２レンズ１２１の表示デバイス１１０側の面（入射面）は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向が表示デバイス１１０側に平面を向けた形状である。また、第２レンズ１２１の第１ミラー１２２側の面（出射面）は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向が第１ミラー１２２側に凸な凸面形状である。

第１ミラー１２２は、第２レンズ１２１よりも車両２００の前方方向に位置する。第１ミラー１２２は、第２レンズ１２１から出射された光線を集光し、第１レンズ１２３に向けて反射する。第１ミラー１２２の反射面は、表示デバイス１１０で表示される表示画像を第２ミラー１２４に映る方向に反射するように偏心して配置されている。ここで、第１ミラー１２２の反射面は凹面形状である。すなわち、第１ミラー１２２は、第２レンズ１２１から入射した光を拡大して第１レンズ１２３に投射する。また、第１ミラー１２２は自由曲面形状である。これは反射で生じる虚像のひずみを補正するためである。

第１レンズ１２３は、図２に示すように第１ミラー１２２よりも車両２００の後方方向に位置する。第１レンズ１２３は、図２に示すように基準光線Ｌｃに対して下方に傾けて配置されている。これにより、外光が筐体内に進入して、表示デバイス１１０の表示面に反射することによる迷光を防ぐことができる。

また、第１レンズ１２３は、Ｘ軸方向とＹ軸方向で曲率の異なる自由曲面レンズである。第１レンズ１２３の第１ミラー１２２側の面である入射面は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向が第１ミラー１２２側に凸な凸面形状である。また、第１レンズ１２３の第２ミラー１２４側の面である出射面は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向は表示デバイス１１０側に平面を向けた形状である。

第２ミラー１２４は、第１レンズ１２３よりも車両２００の後方方向に位置する。第２ミラー１２４は、第１レンズ１２３から出射された光線を発散し、第２ミラー１２４と第３ミラー１２５との間の光路に表示画像を拡大した中間像Ｍを形成する。第２ミラー１２４の反射面は、第１レンズ１２３により投射される表示画像を拡大し、第２ミラー１２４と第３ミラー１２５との間の光路に中間像Ｍを形成するように偏心して配置されている。ここで、第２ミラー１２４の反射面は凸面形状である。第２ミラー１２４は自由曲面形状である。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。

投射光学系１３０は、第３光学素子としての第３ミラー１２５を備える。第３ミラー１２５は、第２ミラー１２４よりも車両２００の前方方向に位置する。第３ミラー１２５は、第２ミラー１２４により発散された光線を集光し、中間像Ｍをウインドシールド２２０に投射する。第３ミラー１２５の反射面は、中間像Ｍをウインドシールド２２０に投射するように偏心して配置されている。ここで、第３ミラー１２５の反射面は凹面形状である。第３ミラー１２５は自由曲面形状である。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。

本実施の形態における投影光学系１４０では、表示デバイス１１０からの光路の順に、集光作用を有する第１光学素子としての第１ミラー１２２と、中間像Ｍを投影する第３光学素子としての第３ミラー１２５とが配置されている。また、第１ミラー１２２と第３ミラー１２５との間には、集光作用を有する第１レンズ１２３が配置されている。このように、中間像Ｍを作る第１ミラー１２２と、中間像Ｍを投影する第３ミラー１２５との間に、第１レンズ１２３を配置したことにより、中間像Ｍを第１レンズ１２３の出射側に近い位置に形成することができる。すなわち、第１レンズ１２３自体を小型化することができる。その結果、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。

また、本実施の形態におけるリレー光学系１２０では、表示デバイス１１０から中間像Ｍに向かって、正のパワーを有する第１レンズ１２３と、負のパワーを有する第２ミラー１２４とが配置されている。すなわち、リレー光学系１２０では、所謂、テレフォト配置となっている。このようにテレフォト配置とすることにより、第１レンズ１２３は第２ミラー１２４の負パワーを高め、第２ミラー１２４は第１レンズ１２３の正のパワーを高める。すなわち、第１レンズ１２３と第２ミラー１２４は、お互いにパワーを高め合う。その結果、リレー光学系１２０の全長を短縮することができ、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。

図３は、テレフォト配置の効果を説明するための図である。図３においては、理解を容易にするために、直線上にリレー光学系１２０と投射光学系１３０とを配置している。図３から分かるように、図３の（Ａ）に示す第１レンズ１２３を備えていない比較例に比べて、図３の（Ｂ）に示す第１レンズ１２３と第２ミラー１２４とをテレフォト配置にした本実施の形態では、リレー光学系１２０の全長が短くなっている。

また、中間像Ｍを結像させる負のパワーを有する第２ミラー１２４の付近では、中間像Ｍを結像させる光線が絞れてきている。このような負のパワーを有する第２ミラー１２４の付近に、正のパワーの第１レンズ１２３を配置してテレフォト配置を実現することにより、第１レンズ１２３自体を小型化することができる。

以上のように本実施の形態では、第１光学素子としての第１ミラー１２２と、中間像Ｍを投影する第３光学素子としての第３ミラー１２５との間に正のパワーを有する第１レンズ１２３を配置している。特に、表示デバイス１１０からの光路の順において、負のパワーを有し中間像Ｍを結像する第２ミラー１２４よりも前に、正のパワーを有する第１レンズ１２３を配置している。これにより、リレー光学系１２０の全長を短縮し、第１レンズ１２３自体を小型化することで、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。

また、本実施の形態においては、図４に示すように、第２レンズ１２１の入射面および出射面は、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傾いている。さらに、第１レンズ１２３の入射面と出射面は、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傾いている。これにより、第１レンズ１２３における外光による反射光は第１ミラー１２２より上方へ反射され、第２レンズ１２１における外光による反射光は第１ミラー１２２より下方へ反射される。すなわち、外光が視点領域３００に入射しないようにできる。ここで、基準光線Ｌｃに対する第２レンズ１２１と第１レンズ１２３の傾きは、基準光線Ｌｃに沿って入射した外光が入射面または出射面において反射したとき、その反射光が第１ミラー１２２に入射しない角度とすることが望ましい。さらに望ましくは、上記の傾きは、第１ミラー１２２から第２レンズ１２１または第１レンズ１２３へ入射した外光が第２レンズ１２１または第１レンズ１２３の入射面または出射面において反射したとき、その反射光が第１ミラー１２２に入射しない角度とすることが望ましい。なお、第２レンズ１２１および第１レンズ１２３が基準光線Ｌｃに対して傾いているとは、第２レンズ１２１および第１レンズ１２３の光学的な屈折面の基準光線Ｌｃと交わる箇所が基準光線Ｌｃに対して垂直な平面に対して水平でないということである。

本実施の形態においては、第２レンズ１２１は、基準光線Ｌｃに対して下方側ほどレンズ厚が薄くなる楔形状を有している。第１レンズ１２３は、基準光線Ｌｃに対して上方側ほどレンズ厚が薄くなる楔形状を有している。第２レンズ１２１の出射面が基準光線Ｌｃに対して上下方向に対称的な凸面形状の場合には、第２レンズ１２１を基準光線Ｌｃに対して傾けると、基準光線Ｌｃよりも第２レンズ１２１の上方側を通過する光線の光路長と、下方側を通過する光線の光路長とが異なる。同様に、第１レンズ１２３の入射面が基準光線Ｌｃに対して対称的な凸面形状の場合には、第１レンズ１２３を基準光線Ｌｃに対して傾けると、基準光線Ｌｃよりも第１レンズ１２３の上方側を通過する光線の光路長と、下方側を通過する光線の光路長とが異なる。

そこで、本実施の形態では、第２レンズ１２１は、基準光線Ｌｃに対して下方側ほどレンズ厚が薄くなる楔形状としている。また、第１レンズ１２３は、基準光線Ｌｃに対して上方側ほどレンズ厚が薄くなる楔形状としている。このように構成することにより、表示デバイス１１０から出射され、第２レンズ１２１の基準光線Ｌｃに対して上方側（すなわち、第２レンズ１２１のレンズ厚の厚い箇所）を透過した光線は、第１ミラー１２２によって反射される。そして、反射された光線は、第１レンズ１２３の基準光線Ｌｃに対して上方側（すなわち、第１レンズ１２３のレンズ厚の薄い箇所）を通過する。また、表示デバイス１１０から出射され、第２レンズ１２１の基準光線Ｌｃに対して下方側（すなわち、第２レンズ１２１のレンズ厚の薄い箇所）を透過した光線は、第１ミラー１２２によって反射される。そして、反射された光線は、第１レンズ１２３の基準光線Ｌｃに対して下方側（すなわち、第１レンズ１２３のレンズ厚の厚い箇所）を通過する。このようにして、第２レンズ１２１および第１レンズ１２３を通過する光線の光路長を調整して、第２レンズ１２１および第１レンズ１２３を通過する箇所によらずに光線の光路長を均一にすることができる。

本実施の形態においては、第２レンズ１２１の出射面は、入射面よりも下方に向けて設けられている。すなわち、第２レンズ１２１のＹ軸方向の形状は、楔形状となっている。第２レンズ１２１のＹ軸方向に沿った断面形状を楔形状とすることにより、第２レンズ１２１の上方を通る光の光路長が、第２レンズ１２１の下方を通る光の光路長よりも長くなる。すなわち、表示デバイス１１０から出射された映像光が第１ミラー１２２に到達するまでの光路長を、Ｙ軸方向の位置に応じて変えることができる。これにより、第１ミラー１２２において生じる偏心像面湾曲を良好に補正することができる。

[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であるヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２２０（透過性の反射部材の一例）に画像を投影して観察者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である表示デバイス１１０と、投影光学系１４０と、を備える。表示デバイス１１０は、画像を表示する。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０により表示された画像を中間像Ｍとして結像する作用を有する。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、集光作用を有する第１光学素子の一例である第１ミラー１２２、集光作用を有する第１レンズ１２３、中間像Ｍを投影する第３光学素子の一例である第３ミラー１２５を備える。このように、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００では、中間像Ｍを作る第１ミラー１２２と、中間像Ｍを投影する第３ミラー１２５との間に、第１レンズ１２３を配置している。そのため、中間像Ｍを第１レンズ１２３の出射側に近い位置に形成することができる。その結果、第１レンズ１２３自体を小型化することができ、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、第１光学素子の一例として第１ミラー１２２を用い、第３光学素子の一例として第３ミラー１２５を用いた。したがって、小型の表示デバイス１１０に表示させた画像を拡大して中間像Ｍを作成し、中間像Ｍをさらに拡大して観察者Ｄに投射することが可能となる。

実施の形態１に係る投影光学系１４０は、第１レンズ１２３と、第３光学素子の一例である第３ミラー１２５との間に、発散作用を有する第２光学素子の一例である第２ミラー１２４を備える。そして、表示デバイス１１０からの光路の順において、負のパワーを有し中間像Ｍを結像する第２ミラー１２４よりも前に、正のパワーを有する第１レンズ１２３を配置してテレフォト配置とした。したがって、リレー光学系１２０の全長を短縮し、第１レンズ１２３自体を小型化することで、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、第２光学素子の一例として負のパワーを有する第２ミラー１２４を中間像Ｍの付近に用いている。これにより、第２ミラー１２４は、所謂フィールドレンズとして働く。そのため、第１レンズ１２３、第１ミラー１２２、第２レンズ１２１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では、第１レンズ１２３の少なくとも一面を自由曲面形状としている。そのため、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１に係るヘッドアップディスプレイ１００では、第１レンズ１２３が楔形状を有する。そのため、第１レンズ１２３を基準光線Ｌｃに対して傾けた場合でも、第１レンズ１２３を通過する光線の光路長を調整することができる。

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０と第１光学素子の一例である第１ミラー１２２との間に第２レンズ１２１を備える。第２レンズ１２１は、楔形状を有し、少なくとも一面が自由曲面形状である。また、第１レンズ１２３と第２レンズ１２１は、一方のレンズ厚が薄い箇所を通った光線が、他方のレンズ厚が厚い箇所を通り、一方のレンズ厚が厚い箇所を通った光線が、他方のレンズ厚が薄い箇所を通るように配置されている。したがって、第１レンズ１２３および第２レンズ１２１を基準光線Ｌｃに対して傾けた場合でも、第１レンズ１２３および第２レンズ１２１を通過する光線の光路長を均一にすることができる。

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００において、中間像Ｍが、表示デバイス１１０から虚像Ｉまでの光路上の空中に形成される空中像である。したがって、中間像Ｍを結像させる部材を追加することなく、小型の表示デバイス１１０に表示させた画像を拡大して中間像Ｍとし、中間像Ｍをさらに拡大して観察者Ｄに投射することが可能となる。

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００において、第１ミラー１２２、第１レンズ１２３、および、第２ミラー１２４は、表示デバイス１１０からの光路の順に配置されている。これにより、第１レンズ１２３と第２ミラー１２４は、お互いにパワーを高め合う。その結果、リレー光学系１２０の全長を短縮することができ、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に係る移動体の一例である車両２００は、ヘッドアップディスプレイ１００と、透過性の反射部材としてウインドシールド２２０とを備えている。これにより、車両２００を運転する観察者Ｄは、ウインドシールド２２０に投影された画像を虚像Ｉとして視認することができる。

（実施の形態２）
次に、図５を用いて、実施の形態２を説明する。

[２−１．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、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１における第１レンズと第２レンズに該当する第１レンズ部１２６ａと第２レンズ部１２６ｂが一体に形成された第３レンズ１２６を備える。

第３レンズ１２６は、図５に示すように表示デバイス１１０および第２ミラー１２４よりも車両２００の前方方向に位置する。第３レンズ１２６では、図５に示すように、第１ミラー１２２と対向する側の面が、Ｘ軸方向およびＹ軸方向において第１ミラー１２２側に凸な凸面形状である。また、第３レンズ１２６では、図５に示すように、表示デバイス１１０および第２ミラー１２４と対向する側の面が、表示デバイス１１０および第２ミラー１２４に平面を向けた平面形状である。第３レンズ１２６は、凸面形状の面の曲率が、Ｘ軸方向とＹ軸方向で異なる自由曲面レンズである。

表示デバイス１１０から第１ミラー１２２までの光路においては、第２レンズ部１２６ｂの平面形状の面が入射面であり、凸面形状の面が出射面である。第２レンズ部１２６ｂでは、入射面および出射面が、基準光線Ｌｃに対して、図５に示すＸＺ平面視上において反時計回りの方向に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、表示デバイス１１０の表示面および第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。

第１ミラー１２２から第２ミラー１２４までの光路においては、第１レンズ部１２６ａの平面形状の面が出射面であり、凸面形状の面が入射面である。第１レンズ部１２６ａは、基準光線Ｌｃに対して、図５に示すＸＺ平面視上において時計回りの方向に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、表示デバイス１１０の表示面および第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。

また、本実施の形態におけるリレー光学系１２０では、表示デバイス１１０から中間像Ｍに向かって、正のパワーを有する第１レンズ部１２６ａと、負のパワーを有する第２ミラー１２４とが配置されている。すなわち、リレー光学系１２０では、所謂、テレフォト配置となっている。このようにテレフォト配置とすることにより、第１レンズ部１２６ａは第２ミラー１２４の負パワーを高め、第２ミラー１２４は第１レンズ部１２６ａの正のパワーを高める。すなわち、第１レンズ部１２６ａと第２ミラー１２４は、お互いにパワーを高め合う。その結果、リレー光学系１２０の全長を短縮することができ、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。

以上のように本実施の形態では、第１光学素子としての第１ミラー１２２と、中間像Ｍを投影する第３光学素子としての第３ミラー１２５との間に第１レンズ部１２６ａを配置した。特に、表示デバイス１１０からの光路の順において、負のパワーを有し中間像Ｍを結像する第２ミラー１２４よりも前に、正のパワーを有する第１レンズ部１２６ａを配置した。その結果、リレー光学系１２０の全長を短縮し、第１レンズ部１２６ａ自体を小型化することで、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。

本実施の形態においては、第３レンズ１２６は、実施の形態１における第２レンズ１２１と第１レンズ１２３に該当する第１レンズ部１２６ａと第２レンズ部１２６ｂとを一体に構成したレンズである。そして、第１レンズ部１２６ａと第２レンズ部１２６ｂは、第３レンズ１２６の中央部に対して端部側ほどレンズ厚が薄くなる楔形状を有している。上述のように第３レンズ１２６を基準光線Ｌｃに対して傾けた場合、表示デバイス１１０から第１ミラー１２２までの光路においては、基準光線Ｌｃよりも第２レンズ部１２６ｂの上方側を通過する光線の光路長と、下方側を通過する光線の光路長とが異なる。同様に、第１ミラー１２２から第２ミラー１２４までの光路においては、基準光線Ｌｃよりも第１レンズ部１２６ａの上方側を通過する光線の光路長と、下方側を通過する光線の光路長とが異なる。

そこで、本実施の形態では、第２レンズ部１２６ｂは、基準光線Ｌｃに対して下方側ほどレンズ厚が薄くなる楔形状とし、第１レンズ部１２６ａは、基準光線Ｌｃに対して上方側ほどレンズ厚が薄くなる楔形状としている。このように構成することにより、表示デバイス１１０から出射され、第２レンズ部１２６ｂの基準光線Ｌｃに対して上方側（すなわち、第２レンズ部１２６ｂのレンズ厚の厚い箇所）を透過した光線は、第１ミラー１２２によって反射される。そして、反射された光線は、第１レンズ部１２６ａの基準光線Ｌｃに対して上方側（すなわち、第１レンズ部１２６ａのレンズ厚の薄い箇所）を通過する。

また、表示デバイス１１０から出射され、第２レンズ部１２６ｂの基準光線Ｌｃに対して下方側（すなわち、第２レンズ部１２６ｂのレンズ厚の薄い箇所）を透過した光線は、第１ミラー１２２によって反射される。そして、反射された光線は、第１レンズ部１２６ａの基準光線Ｌｃに対して下方側（すなわち、第１レンズ部１２６ａのレンズ厚の厚い箇所）を通過する。

本実施の形態においては、このようにして、第３レンズ１２６の第２レンズ部１２６ｂおよび第１レンズ部１２６ａを通過する光線の光路長を調整して、第３レンズ１２６を通過する箇所によらずに光線の光路長を均一にすることができる。

ここで、基準光線Ｌｃに対する第３レンズ１２６の傾きは、基準光線Ｌｃに沿って入射した外光が第３レンズ１２６の入射面または出射面において反射したとき、その反射光が第１ミラー１２２に入射しない角度とすることが望ましい。なお、第３レンズ１２６が基準光線Ｌｃに対して傾いているとは、第３レンズ１２６の光学的な屈折面の基準光線Ｌｃと交わる箇所が基準光線Ｌｃに対して垂直な平面に対して水平でないということである。

さらに、表示デバイス１１０から第１ミラー１２２までの光路において、第２レンズ部１２６ｂの出射面は、入射面よりも下方に向けて設けられている。第２レンズ部１２６ｂのＹ軸方向の形状は、楔形状となっている。第２レンズ部１２６ｂのＹ軸方向に沿った断面形状を楔形状とすることにより、表示デバイス１１０から第１ミラー１２２までの光路において、第２レンズ部１２６ｂの上方を通る光の光路長が、第２レンズ部１２６ｂの下方を通る光の光路長よりも長くなる。すなわち、表示デバイス１１０から出射された映像光が第１ミラー１２２に到達するまでの光路長を、Ｙ軸方向の位置に応じて変えることができる。これにより、第１ミラー１２２において生じる偏心像面湾曲を良好に補正することができる。

本実施の形態においては、以上のように、実施の形態１における第２レンズ１２１と第１レンズ１２３に該当する第１レンズ部１２６ａと第２レンズ部１２６ｂとを一体とした第３レンズ１２６を備える。これにより、部品点数を減らし、ヘッドアップディスプレイ１００の製造コストの低減を図ることができる。

[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。表示デバイス１１０は、画像を表示する。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０により表示された画像を中間像Ｍとして結像する作用を有する。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、集光作用を有する第１光学素子の一例としての第１ミラー１２２、集光作用を有する第３レンズ１２６を有する。第３レンズ１２６は、実施の形態１における第１レンズ１２３と第２レンズ１２１に該当する第１レンズ部１２６ａと第２レンズ部１２６ｂとを一体に形成したレンズである。さらに、投影光学系１４０は、中間像Ｍを投影する第３光学素子の一例としての第３ミラー１２５を備える。このように、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００では、中間像Ｍを作る第１ミラー１２２と中間像Ｍを投影する第３ミラー１２５との間に、第１レンズ部１２６ａを配置した。したがって、中間像Ｍを第１レンズ部１２６ａの出射側に近い位置に形成することができ、第１レンズ部１２６ａ自体を小型化することができる。その結果、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。また、第３レンズ１２６では、実施の形態１における第２レンズ１２１と第１レンズ１２３とを一体に形成している。そのため、部品点数を減らし、ヘッドアップディスプレイ１００の製造コストを低減することができる。

実施の形態２に係る投影光学系１４０は、第１レンズ部１２６ａと第３光学素子の一例としての第３ミラー１２５との間に、発散作用を有する第２光学素子の一例としての第２ミラー１２４を備える。そして、表示デバイス１１０からの光路の順において、負のパワーを有し中間像Ｍを結像する第２ミラー１２４よりも前に、正のパワーを有する第１レンズ部１２６ａを配置してテレフォト配置とした。したがって、リレー光学系１２０の全長を短縮し、第１レンズ部１２６ａ自体を小型化することで、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。

本実施の形態では、表示デバイス１１０から出射された光線は、表示デバイス１１０から第１ミラー１２２までの光路と、第１ミラー１２２から第２ミラー１２４までの光路とにおいて、第３レンズ１２６を２回通過することになる。この場合も、投影光学系１４０が、表示デバイス１１０からの光路の順に、集光作用を有する第１ミラー１２２、集光作用を有する第３レンズ１２６、発散作用を有する第２ミラー１２４、中間像Ｍを投影する第３ミラー１２５を備えることには変わりはない。また、表示デバイス１１０から出射された光線が、第１ミラー１２２、第３レンズ１２６、第２ミラー１２４、および第３ミラー１２５の順で進み、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させることに変わりはない。

実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００では、第３レンズ１２６の少なくとも一面を自由曲面形状としている。そのため、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に係るヘッドアップディスプレイ１００では、第３レンズ１２６の第１レンズ部１２６ａ及び第２レンズ部１２６ｂが楔形状を有する。そのため、第３レンズ１２６を基準光線Ｌｃに対して傾けた場合でも、第３レンズ１２６を通過する光線の光路長を調整することができる。

実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００では、第３レンズ１２６の第１レンズ部１２６ａ及び第２レンズ部１２６ｂは、楔形状を有している。したがって、表示デバイス１１０から第１ミラー１２２までの光路において、第２レンズ部１２６ｂのレンズ厚が薄い箇所を通った光線は、第１ミラー１２２から第２ミラー１２４までの光路では、第１レンズ部１２６ａのレンズ厚が厚い箇所を通る。同様に、表示デバイス１１０から第１ミラー１２２までの光路において、第２レンズ部１２６ｂのレンズ厚が厚い箇所を通った光線が、第１ミラー１２２から第２ミラー１２４までの光路では、第１レンズ部１２６ａのレンズ厚が薄い箇所を通る。したがって、第３レンズ１２６を基準光線Ｌｃに対して傾けた場合でも、第３レンズ１２６を通過する光線の光路長を均一にすることができる。

実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００において、中間像Ｍが、表示デバイス１１０から虚像Ｉまでの光路上の空中に形成される空中像である。したがって、中間像Ｍを結像させる部材を追加することなく、小型の表示デバイス１１０に表示させた画像を拡大して中間像Ｍとし、中間像Ｍをさらに拡大して観察者Ｄに投射することが可能となる。

（実施の形態３）
次に、図６を用いて、実施の形態３を説明する。

[３−１．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説明する模式図である。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、第１光学素子の他の例として、第４レンズ１２７を備える。

本実施の形態の表示デバイス１１０および第２レンズ１２１は、上述した各実施の形態における表示デバイス１１０および第２レンズ１２１と同様の構成である。しかし、配置位置が上述した各実施の形態と異なっている。本実施の形態においては、表示デバイス１１０および第２レンズ１２１は、図６に示すように、第１光学素子としての第４レンズ１２７よりも、車両２００の前方方向に位置する。

第４レンズ１２７は、図６に示すように、第２レンズ１２１に対向する側の入射面と、第１レンズ１２３に対向する側の出射面との両方の面が、Ｘ軸方向およびＹ軸方向において第２レンズ１２１および第１レンズ１２３のそれぞれの側に凸な凸面形状である。第４レンズ１２７は、凸面形状の面の曲率が、Ｘ軸方向とＹ軸方向で異なる自由曲面レンズである。

本実施の形態においては、第２レンズ１２１、第４レンズ１２７、および第１レンズ１２３は、基準光線Ｌｃに対して、図６に示すＸＺ平面視上において時計回りの方向に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、第２レンズ１２１、第４レンズ１２７、または第１レンズ１２３で反射することによる迷光を防ぐことができる。

以上のように本実施の形態では、第１光学素子としての第４レンズ１２７を用いている。中間像Ｍを投影する第３光学素子としての第３ミラー１２５と、第４レンズ１２７との間に、正のパワーを有する第１レンズ１２３を配置した。特に、表示デバイス１１０からの光路の順において、負のパワーを有し中間像Ｍを結像する第２ミラー１２４よりも前に、正のパワーを有する第１レンズ１２３を配置した。したがって、リレー光学系１２０の全長を短縮し、第１レンズ１２３自体を小型化することで、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。

本実施の形態においては、第１レンズ１２３と第２レンズ１２１との位置関係が実施の形態１と異なるが、レンズ厚の厚い箇所と薄い箇所の基準光線Ｌｃに対する位置が、互いに反対になるように配置されている。したがって、実施の形態１と同様に、第２レンズ１２１および第１レンズ１２３を通過する光線の光路長を調整して、第２レンズ１２１および第１レンズ１２３を通過する箇所によらずに光線の光路長を均一にすることができる。

[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。表示デバイス１１０は、画像を表示する。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０により表示された画像を中間像Ｍとして結像する作用を有する。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、集光作用を有する第１光学素子の一例としての第４レンズ１２７、集光作用を有する第１レンズ１２３、中間像Ｍを投影する第３光学素子の一例としての第３ミラー１２５を備える。このように、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００では、中間像Ｍを作る第４レンズ１２７と、中間像Ｍを投影する第３ミラー１２５との間に、第１レンズ１２３を配置した。したがって、中間像Ｍを第１レンズ１２３の出射側に近い位置に形成することができ、第１レンズ１２３自体を小型化することができる。その結果、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、投影光学系１４０として、第１レンズ１２３と第３光学素子の一例としての第３ミラー１２５との間に、発散作用を有する第２光学素子の一例としての第２ミラー１２４を備える。そして、表示デバイス１１０からの光路の順において、負のパワーを有し中間像Ｍを結像する第２ミラー１２４よりも前に、正のパワーを有する第１レンズ１２３を配置してテレフォト配置とした。その結果、リレー光学系１２０の全長を短縮し、第１レンズ１２３自体を小型化することで、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、第１レンズ１２３、第２レンズ１２１、および第４レンズ１２７の少なくとも一面を自由曲面形状とした。したがって、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に係るヘッドアップディスプレイ１００では、第１レンズ１２３および第２レンズ１２１が楔形状を有する。したがって、第１レンズ１２３および第２レンズ１２１を基準光線Ｌｃに対して傾けた場合でも、第１レンズ１２３および第２レンズ１２１を通過する光線の光路長を調整することができる。

実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００では、第１レンズ１２３と第２レンズ１２１におけるレンズ厚の厚い箇所と薄い箇所の基準光線Ｌｃに対する位置が、互いに反対になるように配置されている。したがって、実施の形態１と同様に、第２レンズ１２１および第１レンズ１２３を通過する光線の光路長を調整して、第２レンズ１２１および第１レンズ１２３を通過する箇所によらずに光線の光路長を均一にすることができる。

実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００において、中間像Ｍが、表示デバイス１１０から虚像Ｉまでの光路上の空中に形成される空中像である。したがって、中間像Ｍを結像させる部材を追加することなく、小型の表示デバイス１１０に表示させた画像を拡大して中間像Ｍとし、中間像Ｍをさらに拡大して観察者Ｄに投射することが可能となる。

（実施の形態４）
次に、図７を用いて、実施の形態４を説明する。

[４−１．構成]
図７は、実施の形態４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７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、第２光学素子の他の例として、第５レンズ１２８を備える。

本実施の形態の第１ミラー１２２は、実施の形態１および実施の形態２における第１ミラー１２２と同様の構成である。しかし、配置位置が上述した各実施の形態と異なっている。本実施の形態における第１ミラー１２２は、図７に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００内において、車両２００の最も後方側の位置に配置されている。また、本実施の形態における表示デバイス１１０および第２レンズ１２１は、上述した各実施の形態における表示デバイス１１０および第２レンズ１２１と同様の構成である。しかし、配置位置が上述した各実施の形態と異なっている。本実施の形態においては、表示デバイス１１０および第２レンズ１２１は、図７に示すように、第１ミラー１２２よりも、車両２００の前方方向に位置する。

本実施の形態の第１レンズ１２３は、実施の形態１および実施の形態３における第１レンズ１２３と同様の構成である。しかし、本実施の形態の第１レンズ１２３は、配置位置が実施の形態１および実施の形態３と異なっている。本実施の形態における第１レンズ１２３は、第２光学素子としての第５レンズ１２８よりも、車両２００の後方方向に位置する。

第５レンズ１２８は、Ｘ軸方向とＹ軸方向で曲率の異なる自由曲面レンズである。第５レンズ１２８では、第１レンズ１２３側の面が平面形状の入射面であり、第３ミラー１２５側の面が、Ｘ軸方向において第３ミラー１２５側に凹な凹面形状の出射面である。第５レンズ１２８の出射面のＹ軸方向の曲率は、Ｘ軸方向の曲率よりも小さい。すなわち、第５レンズ１２８のＹ軸方向の形状は、Ｘ軸方向の曲率より小さな凹面形状、凸面形状、または、平面形状である。

本実施の形態においては、図７で示すように、第５レンズ１２８の入射面および出射面は、図７における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傾いている。これにより、反射光は第５レンズ１２８より下方へ反射され、視点領域３００に入射しないようにできる。ここで、基準光線Ｌｃに対する第５レンズ１２８の傾きは、基準光線Ｌｃに沿って入射した外光が入射面または出射面において反射したとき、その反射光が第１ミラー１２２および第３ミラー１２５に入射しない角度とすることが望ましい。さらに望ましくは、上記の傾きは、第１ミラー１２２から第５レンズ１２８へ入射した外光が第５レンズ１２８の入射面または出射面において反射したとき、その反射光が第１ミラー１２２に入射しない角度とすることが望ましい。なお、第５レンズ１２８が基準光線Ｌｃに対して傾いているとは、第５レンズ１２８の光学的な屈折面の基準光線Ｌｃと交わる箇所が基準光線Ｌｃに対して垂直な平面に対して水平でないということである。

さらに、第５レンズ１２８の出射面は、図７のＸＺ平面視において、楔形状となっている。第５レンズ１２８のＹ軸方向に沿った断面形状を楔形状とすることにより、第５レンズ１２８の上方を通る光の光路長が、第２レンズ１２１の下方を通る光の光路長よりも長くなる。すなわち、表示デバイス１１０から出射された映像光が中間像Ｍとして結像するまでの光路長を、Ｙ軸方向の位置に応じて変えることができる。これにより、第１ミラー１２２において生じる偏心像面湾曲を良好に補正することができる。

本実施の形態における投影光学系１４０では、表示デバイス１１０からの光路の順に、集光作用を有する第１光学素子としての第１ミラー１２２と、中間像Ｍを投影する第３光学素子としての第３ミラー１２５とが配置されている。また、第１ミラー１２２と第３ミラー１２５との間には、集光作用を有する第１レンズ１２３が配置されている。このように、本実施の形態においては、中間像Ｍを作る第１ミラー１２２と、中間像Ｍを投影する第３ミラー１２５との間に、第１レンズ１２３を配置した。その結果、中間像Ｍを第１レンズ１２３の出射側に近い位置に形成することができ、第１レンズ１２３自体を小型化することができる。その結果、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。

また、本実施の形態におけるリレー光学系１２０は、表示デバイス１１０から中間像Ｍに向かって、正のパワーを有する第１レンズ１２３と、負のパワーを有する第５レンズ１２８とが配置されている。すなわち、リレー光学系１２０は、所謂、テレフォト配置となっている。このようにテレフォト配置とすることにより、第１レンズ１２３は第５レンズ１２８の負パワーを高め、第５レンズ１２８は第１レンズ１２３の正のパワーを高める。すなわち、第１レンズ１２３と第５レンズ１２８は、お互いにパワーを高め合う。その結果、リレー光学系１２０の全長を短縮することができ、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。

また、本実施の形態においては、図７に示すように、第２レンズ１２１の入射面および出射面は、図７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傾いている。また、第１レンズ１２３の入射面および出射面は、図７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傾いている。これにより、第１レンズ１２３における外光による反射光は第１ミラー１２２より上方へ反射され、第２レンズ１２１における外光による反射光は第１ミラー１２２より下方へ反射される。すなわち、外光が視点領域３００に入射しないようにできる。ここで、基準光線Ｌｃに対する第２レンズ１２１と第１レンズ１２３の傾きは、基準光線Ｌｃに沿って入射した外光が入射面または出射面において反射したとき、その反射光が第１ミラー１２２に入射しない角度とすることが望ましい。さらに望ましくは、上記の傾きは、第１ミラー１２２から第２レンズ１２１または第１レンズ１２３へ入射した外光が第２レンズ１２１または第１レンズ１２３の入射面または出射面において反射したとき、その反射光が第１ミラー１２２に入射しない角度とすることが望ましい。なお、第２レンズ１２１および第１レンズ１２３が基準光線Ｌｃに対して傾いているとは、第２レンズ１２１および第１レンズ１２３の光学的な屈折面の基準光線Ｌｃと交わる箇所が基準光線Ｌｃに対して垂直な平面に対して水平でないということである。

本実施の形態においては、実施の形態１と同様に、第１レンズ１２３と第２レンズ１２１とにおけるレンズ厚の厚い箇所と薄い箇所の基準光線Ｌｃに対する位置が、互いに反対になるように配置されている。したがって、実施の形態１と同様に、第２レンズ１２１および第１レンズ１２３を通過する光線の光路長を調整して、第２レンズ１２１および第１レンズ１２３を通過する箇所によらずに光線の光路長を均一にすることができる。

[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。表示デバイス１１０は、画像を表示する。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０により表示された画像を中間像Ｍとして結像する作用を有する。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、集光作用を有する第１光学素子の一例としての第１ミラー１２２、集光作用を有する第１レンズ１２３、中間像Ｍを投影する第３光学素子の一例としての第３ミラー１２５を備える。このように、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００では、中間像Ｍを作る第１ミラー１２２と、中間像Ｍを投影する第３ミラー１２５との間に、第１レンズ１２３を配置した。したがって、中間像Ｍを第１レンズ１２３の出射側に近い位置に形成することができ、第１レンズ１２３自体を小型化することができる。その結果、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に係る第１光学素子の一例として第１ミラー１２２を用い、第３光学素子の一例として第３ミラー１２５を用いた。その結果、小型の表示デバイス１１０に表示させた画像を十分に拡大して中間像Ｍを作成し、中間像Ｍをさらに拡大して観察者Ｄに投射することが可能となる。

実施の形態４に係る投影光学系１４０は、第１レンズ１２３と第３光学素子の一例としての第３ミラー１２５との間に、発散作用を有する第２光学素子の一例としての第５レンズ１２８を備える。そして、表示デバイス１１０からの光路の順において、負のパワーを有し中間像Ｍを結像する第５レンズ１２８よりも前に、正のパワーを有する第１レンズ１２３を配置してテレフォト配置とした。その結果、リレー光学系１２０の全長を短縮し、第１レンズ１２３自体を小型化することで、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では、第２光学素子の一例として負のパワーを有する第５レンズ１２８を用いている。そのため、第５レンズ１２８の付近に中間像Ｍを結像させることができ、第１レンズ１２３自体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では、第１レンズ１２３の少なくとも一面を自由曲面形状としている。そのため、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に係るヘッドアップディスプレイ１００では、第１レンズ１２３が楔形状を有する。そのため、第１レンズ１２３を基準光線Ｌｃに対して傾けた場合でも、第１レンズ１２３を通過する光線の光路長を調整することができる。

実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０と第１光学素子の一例としての第１ミラー１２２との間に第２レンズ１２１を備える。第２レンズ１２１は、楔形状を有し、少なくとも一面が自由曲面形状である。また、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００では、第１レンズ１２３と第２レンズ１２１は、一方のレンズ厚が薄い箇所を通った光線が、他方のレンズ厚が厚い箇所を通るように配置されている。また、第１レンズ１２３と第２レンズ１２１は、一方のレンズ厚が厚い箇所を通った光線が、他方のレンズ厚が薄い箇所を通るように配置されている。したがって、第１レンズ１２３および第２レンズ１２１を基準光線Ｌｃに対して傾けた場合でも、第１レンズ１２３および第２レンズ１２１を通過する光線の光路長を均一にすることができる。

実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００において、中間像Ｍが、表示デバイス１１０から虚像Ｉまでの光路上の空中に形成される空中像である。したがって、中間像Ｍを結像させる部材を追加することなく、小型の表示デバイス１１０に表示させた画像を拡大して中間像Ｍとし、中間像Ｍをさらに拡大して観察者Ｄに投射することが可能となる。

（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、表示デバイス１１０と第１ミラー１２２の間に設けられる屈折光学系の一例として第２レンズ１２１を示した。しかし、屈折光学系は、１枚のレンズ素子である第２レンズ１２１に限られない。例えば、屈折光学系は、複数のレンズ素子を、表示デバイス１１０と第１ミラー１２２との間に配置したものであっても良い。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は正のパワーを有することが望ましい。

実施の形態１〜４では、投影光学系１４０として１つの第３ミラー１２５を配置しているが、２枚以上のミラーを配置しても良い。また、追加するミラーは、第３ミラー１２５よりも車両前方に配置しても良いし、車両の内側方向または外側方向、つまり、図１、図２、および図４〜図７において紙面垂直方向に配置しても良い。

実施の形態１〜４では、リレー光学系１２０においてレンズ素子を用いた。しかし、ヘッドアップディスプレイ１００の構成はこれに限定されない。例えば、第３ミラー１２５とウインドシールド２２０の間にレンズ素子を追加して配置しても良い。

実施の形態１〜４のヘッドアップディスプレイ１００における第１ミラー１２２、第２ミラー１２４、および第３ミラー１２５は、回転非対称な形状のミラーを用いて説明したが、これに限られない。例えば、これらのミラーは、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで曲率の符号が異なる、いわゆる鞍型の面形状を有しても良い。

実施の形態１〜４において用いたレンズ素子の面形状は、自由曲面形状に限定されるものではない。レンズ素子の面形状は、例えば、トロイダル形状、アナモルフィック形状、シリンドリカル形状であっても良い。また、これらの形状のレンズを基準光線Ｌｃに対して偏心させて配置しても良い。

実施の形態４の第５レンズ１２８の出射面のＸ軸方向はその全面が凹面である必要はなく、局所的に凸面形状を有しても良い。

実施の形態１〜４において用いたレンズ素子の平面形状の面は、凸面または凹面であっても良いし、局所的に曲面形状を有しても良い。

実施の形態１〜４における第１ミラー１２２、第２ミラー１２４、および第３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。また、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。

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。

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、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観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、前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、前記観察者に虚像として投影する投影光学系と、を備える。前記投影光学系は、前記画像を中間像として結像する作用を有し、集光作用を有する第１光学素子と、集光作用を有する第１レンズと、発散作用を有する第２光学素子と、を備える。前記第１光学素子、前記第１レンズ、および、前記第２光学素子は、前記表示デバイスからの光路の順に配置されている。

このように、集光作用を有する第１光学素子と、発散作用を有する第２光学素子との間に、集光作用を有する第１レンズを配置したので、第１光学素子と第１レンズは互いにパワーを高め合うことができる。その結果、レンズ自体を小型化することができ、ヘッドアップディスプレイを小型化できる。

（２）（１）のヘッドアップディスプレイにおいて、前記第１光学素子は、ミラーである。したがって、小型の表示デバイスに表示させた画像を十分に拡大して中間像を作成し、中間像をさらに拡大して観察者に投射することが可能となる。

（３）（１）または（２）のヘッドアップディスプレイにおいて、前記第１レンズは、前記第１光学素子と前記第２光学素子との間に配置されている。したがって、テレフォト配置とすることができ、リレー光学系の全長を短縮し、第１レンズ自体を小型化することで、ヘッドアップディスプレイを小型化することができる。

（４）（１）から（３）のヘッドアップディスプレイにおいて、前記第２光学素子は、ミラーである。したがって、レンズの付近に中間像Ｍを結像させることができ、第１レンズ自体を小型化することができる。

（５）（１）から（４）のいずれか一つヘッドアップディスプレイにおいて、前記第１レンズの少なくとも一面は、自由曲面形状を有する。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。

（６）（１）から（５）のいずれか一つヘッドアップディスプレイにおいて、前記第１レンズは、楔形状を有する。したがって、第１レンズを基準光線に対して傾けた場合でも、第１レンズを通過する光線の光路長を調整することができる。

（７）（１）から（６）のいずれか一つヘッドアップディスプレイにおいて、前記投影光学系は、前記表示デバイスと前記第１光学素子との間に配置され、集光作用を有する第２レンズを備える。前記第２レンズは、楔形状を有する。前記第２レンズの少なくとも一面は、自由曲面形状を有する。前記第１レンズと前記第２レンズは、前記第１レンズのレンズ厚が薄い箇所を通った光線が、前記第２レンズのレンズ厚が厚い箇所を通り、前記第１レンズのレンズ厚が厚い箇所を通った光線が、前記第２レンズのレンズ厚が薄い箇所を通るように配置されている。したがって、第１レンズおよび第２レンズを基準光線に対して傾けた場合でも、第１レンズおよび第２レンズを通過する光線の光路長を均一にすることができる。

（８）（１）から（７）のいずれか一つヘッドアップディスプレイにおいて、前記第１レンズと前記第２レンズは一体に形成されている。したがって、部品点数を減らし、ヘッドアップディスプレイの製造コストを低減することができる。

（９）（１）から（８）のいずれか一つヘッドアップディスプレイにおいて、前記中間像は、前記光路上の空中に形成される空中像である。したがって、中間像を結像させる部材を追加することなく、小型の表示デバイスに表示させた画像を拡大して中間像とし、中間像をさらに拡大して観察者に投射することが可能となる。

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
１２０ リレー光学系
１２１ 第２レンズ
１２２ 第１ミラー
１２３ 第１レンズ
１２４ 第２ミラー
１２５ 第３ミラー
１２６ 第３レンズ
１２７ 第４レンズ
１２８ 第５レンズ
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
Ｍ 中間像
Ｌ 光線
Ｌｃ 基準光線

Claims (13)

1. 透過性の反射部材に画像を投影して観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、
   前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、前記観察者に虚像として投影する投影光学系と、を備え、
   前記投影光学系は、
   前記画像を中間像として結像する作用を有し、
   集光作用を有する第１光学素子と、
   集光作用を有する第１レンズと、
   発散作用を有する第２光学素子と、を備え、
   前記第１光学素子、前記第１レンズ、および、前記第２光学素子は、前記表示デバイスからの光路の順に配置されている、
   ヘッドアップディスプレイ。
2. 前記第１光学素子は、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。
3. 前記第１レンズは、前記第１光学素子と前記第２光学素子との間に配置されている、
   請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 前記第２光学素子は、ミラーである、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 前記第１レンズの少なくとも一面は、自由曲面形状を有する、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
6. 前記第１レンズは、楔形状を有する、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
7. 前記投影光学系は、前記表示デバイスと前記第１光学素子との間に配置され、集光作用を有する第２レンズを備え、
   前記第２レンズは、楔形状を有し、
   前記第２レンズの少なくとも一面は、自由曲面形状を有し、
   前記第１レンズと前記第２レンズは、前記第１レンズのレンズ厚が薄い箇所を通った光線が、前記第２レンズのレンズ厚が厚い箇所を通り、前記第１レンズのレンズ厚が厚い箇所を通った光線が、前記第２レンズのレンズ厚が薄い箇所を通るように配置されている、
   請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ。
8. 前記第１レンズと前記第２レンズは一体に形成されている、
   請求項７に記載のヘッドアップディスプレイ。
9. 前記中間像は、前記光路上の空中に形成される空中像である、
   請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
10. 前記投影光学系は、集光作用を有する第３光学素子を備え、
    前記中間像は、前記第２光学素子と前記第３光学素子との間で結像する、
    請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
11. 前記第１光学素子は、凸レンズである、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
12. 前記第２光学素子は、凹レンズである、
    請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイと、
    前記透過性の反射部材としてウインドシールドと、を備える、
    移動体。

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