WO2014041688A1 - 光学素子及びヘッドアップディスプレイ - Google Patents

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WO2014041688A1
WO2014041688A1 PCT/JP2012/073689 JP2012073689W WO2014041688A1 WO 2014041688 A1 WO2014041688 A1 WO 2014041688A1 JP 2012073689 W JP2012073689 W JP 2012073689W WO 2014041688 A1 WO2014041688 A1 WO 2014041688A1
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combiner
half mirror
optical element
fresnel
fresnel structure
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PCT/JP2012/073689
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French (fr)
Inventor
柳澤　琢麿
今井　哲也
育也 菊池
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パイオニア株式会社
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Publication date
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
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    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
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    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view

Definitions

  • the present invention relates to a technical field for visually recognizing an image as a virtual image.
  • display devices such as a head-up display for visually recognizing an image as a virtual image are known.
  • a concave half mirror called a combiner (synthesizer) is used so that a driver can visually recognize a small screen (real image) such as a small liquid crystal display as an enlarged virtual image.
  • a small screen real image
  • a method of increasing the light use efficiency is usually used.
  • the emission angle of the real image and set the focal length of the concave half mirror to an appropriate value so that the light reflected by the combiner is collected on the observer's head.
  • the virtual image observable region formed by the combiner is referred to as an “eye box”.
  • Patent Document 1 proposes to install two combiners at different angles so that both a driver and a passenger sitting in a passenger seat can see a virtual image. Yes.
  • Patent Documents 2 to 4 propose techniques related to the present invention.
  • Patent Documents 2 to 4 propose a combiner using a Fresnel structure.
  • Japanese Patent No. 4030369 Japanese Patent No. 4776669 JP 2011-191715 A JP 2000-249965 A
  • the eye box can be formed in two places by using two combiners.
  • the apparatus is increased in size, the use of two combiners is expensive, and the installation angle of the two combiners needs to be adjusted.
  • Patent Documents 2 to 4 have an advantage that the degree of freedom of installation in the vehicle is increased because the combiner using the Fresnel structure is a flat plate.
  • the eye box can be formed only at one place.
  • Examples of the problem to be solved by the present invention include the above. It is an object of the present invention to appropriately form a plurality of eye boxes with a single optical element.
  • the invention according to claim 1 is an optical element that reflects the light constituting the display image so as to visually recognize the display image as a virtual image, and the optical element has a Fresnel half mirror in one flat plate. Are formed, and at least one of the plurality of half mirrors is applied with a Fresnel structure in which the center of the free curved surface that is the basis of the Fresnel structure is not located at the center of the half mirror. To do.
  • a head-up display includes the optical element according to any one of the first to eighth aspects, and a light source unit that emits light constituting the display image toward the optical element. It is characterized by providing.
  • the figure which showed the general head-up display roughly The figure for demonstrating the basic concept of a present Example is shown.
  • the figure for demonstrating the combiner which concerns on 1st Example is shown.
  • the figure for demonstrating the relationship between offset amount and an output angle is shown.
  • the figure for demonstrating the 1st modification based on 1st Example is shown.
  • the figure for demonstrating the 2nd modification which concerns on 1st Example is shown.
  • the figure for demonstrating the 3rd modification based on 1st Example is shown.
  • the figure for demonstrating the 4th modification based on 1st Example is shown.
  • the figure for demonstrating the 5th modification concerning 1st Example is shown.
  • the figure for demonstrating the 6th modification based on 1st Example is shown.
  • the figure for demonstrating the combiner which concerns on 2nd Example is shown.
  • the figure for demonstrating the relationship between a focal distance and a virtual image distance is shown.
  • the figure for demonstrating the combiner which concerns on 3rd Example is shown.
  • the imaging image figure by the combiner which concerns on 3rd Example is shown. It is the figure which showed roughly the head up display by which the condensing lens is arrange
  • the figure for demonstrating the combiner which concerns on 4th Example is shown.
  • an optical element that reflects light constituting a display image to visually recognize the display image as a virtual image includes a Fresnel half mirror in one flat plate.
  • a plurality of the half mirrors are formed, and at least one of the plurality of half mirrors has a Fresnel structure in which the center of the free curved surface that is the basis of the Fresnel structure is not located at the center of the half mirror.
  • the above-mentioned optical element is used to make the display image visible as a virtual image by reflecting light constituting the display image.
  • the optical element is a combiner (synthesizer) applied to a head-up display or the like.
  • a plurality of Fresnel half mirrors are formed in one flat plate.
  • at least one of the plurality of half mirrors has a Fresnel structure in which the center (for example, the vertex) of the free curved surface that is the basis of the Fresnel structure is not located at the center (outer shape center) of the half mirror.
  • the “Fresnel structure” means a structure to which a shape similar to the surface shape of a known Fresnel lens is applied. That is, the “Fresnel half mirror” means a half mirror to which a shape similar to the surface shape of a known Fresnel lens is applied.
  • the plurality of half mirrors are formed in a plurality of regions obtained by dividing the flat plate in a plane.
  • the half mirror is formed in each of regions obtained by dividing the flat plate in the vertical direction and / or the horizontal direction.
  • the plurality of half mirrors are stacked in the thickness direction of the flat plate.
  • the reflectivity of each of the plurality of half mirrors may be set so that the brightness of the light reflected from each of the plurality of half mirrors and emitted from the optical element is equal. By doing so, the brightness of the virtual image visually recognized by the plurality of eyeboxes can be made equal.
  • At least one of the plurality of half mirrors has a Fresnel structure in which the center of the free curved surface is shifted in the vertical direction and / or the horizontal direction from the center of the half mirror.
  • the amount by which the center of the free-form surface is shifted from the center of the half mirror is set so that the eye box is formed at the target position according to the installation position and installation angle of the optical element.
  • the plurality of half mirrors are further applied with a Fresnel structure in which the focal lengths of the free curved surfaces are different.
  • the several virtual image visually recognized so that it may be located in a different distance by one optical element can be formed appropriately. That is, a plurality of virtual image distances (meaning the distance between the position of the optical element and the position where the virtual image is visually recognized) can be appropriately realized.
  • a Fresnel structure in which a focal length of the free curved surface is infinite is applied to at least one of the plurality of half mirrors.
  • This aspect can be suitably applied to a configuration in which light collected by a condenser lens or the like is incident on the optical element.
  • a head-up display in another aspect of the present invention, includes the above-described optical element, and a light source unit that emits light constituting the display image toward the optical element.
  • the head-up display is mounted on a moving body and forms eyeboxes at two locations, a driver seat and a passenger seat.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a general head-up display.
  • a screen to be displayed (real image RI) is formed, and the light constituting the real image RI is reflected by the combiner 10, thereby allowing the driver to visually recognize the virtual image VI corresponding to the real image RI.
  • the real image RI corresponds to a screen displayed by a small liquid crystal display or an image formed on a screen by a projector (in one example, an image formed by an exit pupil expanding element (EPE: Exit-Pupil Expander)).
  • EPE Exit-Pupil Expander
  • a small liquid crystal display, a projector, and a screen correspond to an example of a “light source unit” in the present invention.
  • a concave half mirror is used as the combiner 10, and the focal length of the concave half mirror is set to an appropriate value so that the light reflected by the combiner 10 is collected on the observer's head.
  • a region indicated by reference numeral EB is a virtual image observable region (that is, an eye box) formed in the vicinity of the observer's head.
  • Patent Document 1 proposes that two combiners be installed at different angles so that both the driver and a passenger sitting in the passenger seat can see the virtual image VI. Has been. That is, in the technique described in Patent Document 1, the eye box is formed in two places by using two combiners. However, with this technique, the size of the apparatus is increased, the use of two combiners is expensive, and the installation angle of the two combiners needs to be adjusted.
  • Patent Documents 2 to 4 described above a flat plate combiner using a Fresnel half mirror is proposed. Since this combiner is a flat plate, there exists an advantage that the installation freedom in a vehicle increases. However, with the techniques described in Patent Documents 2 to 4, the eye box can be formed only at one place.
  • FIG. 2 shows a diagram for explaining the basic concept of the present embodiment.
  • FIG. 2 shows an example of three combiners 10x1, 10x2, and 10x3, and shows a front view and a cross-sectional view (side view) for each of the three combiners 10x1, 10x2, and 10x3.
  • the front view and sectional drawing have shown the image figure shown schematically.
  • the combiners 10x1, 10x2, and 10x3 have a Fresnel half mirror inside.
  • the combiners 10x1, 10x2, and 10x3 are formed with a plurality of minute reflecting surfaces (mirror surfaces) S2 corresponding to the curvature of the virtual paraboloid S1 that is the basis of the Fresnel structure (Fresnel pattern). And it functions as a half mirror.
  • the plurality of reflecting surfaces have, for example, a shape in which lenses having a virtual paraboloidal surface S1 are divided and arranged at equal intervals in the vertical direction in FIG.
  • the combiners 10x1, 10x2, and 10x3 are two members having the same refractive index (hereinafter, referred to as "substrate” as appropriate) in which irregularities corresponding to the curvature of the virtual paraboloid S1 are formed. Between the reflective thin films having a certain degree of transparency. When light is incident vertically on the combiners 10x1, 10x2, and 10x3, all the light incident on the combiners 10x1, 10x2, and 10x3 is focused on the virtual paraboloid S1 by the reflecting surface S2 formed inside. Reflected in the direction of.
  • Fresnel structure means a structure to which a shape similar to the surface shape of a known Fresnel lens is applied. That is, “Fresnel half mirror” means a half mirror to which a shape similar to the surface shape of a known Fresnel lens is applied.
  • the combiner 10x1 has a vertex P2 of the virtual paraboloid S1 (in other words, the center of the virtual paraboloid S1, the same shall apply hereinafter) at the center (outline center). That is, the combiner 10x1 has a Fresnel structure based on the virtual paraboloid S1 in which the vertex P2 is located at the center point P3x1 on the surface of the half mirror. Therefore, in the combiner 10x1, the inclination of the reflecting surface S2 formed inside is small. On the other hand, the combiner 10x2, 10x3 does not have the vertex P2 of the virtual paraboloid S1 positioned at the center (outline center).
  • the combiners 10x2 and 10x3 have a Fresnel structure based on the virtual paraboloid S1 in which the vertex P2 is located at a location off the center points P3x2 and P3x3 on the half mirror surface.
  • the combiner 10x2, 10x3 is applied with a region off the center of the Fresnel pattern. Therefore, in combiner 10x2, 10x3, the inclination of reflective surface S2 formed inside is large (that is, reflective surface S2 stands).
  • offset amount is an amount by which the vertex P2 of the virtual paraboloid S1 is shifted from the center points P3x2 and P3x3 of the half mirror (in other words, the distance between the vertex P2 and the center points P3x2 and P3x3). expressed. In the example shown in FIG.
  • the combiner 10x2 has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid S1 in which the vertex P2 is shifted from the center point P3x2 of the half mirror by an offset amount OFSx2, and the combiner 10x3 is a half A Fresnel structure based on a virtual paraboloid S1 in which the vertex P2 is shifted by the offset amount OFSx3 from the mirror center point P3x3 is applied.
  • a plurality of Fresnel structures with different offsets are formed inside one combiner to form a plurality of eyeboxes, and these eyeboxes are placed at different positions (for example, a driver seat and a passenger seat). Form.
  • a paraboloid as a base surface of the Fresnel structure.
  • a spherical shape may be used, or an aspherical shape may be used to correct aberration.
  • various free-form surfaces for example, curved surfaces with a focal point defined
  • the characteristics of the half mirror including the substrate (cover layer) covering the reflecting surface are in accordance with the paraboloid (that is, when light is incident on the combiner vertically)
  • a non-parabolic surface can be applied as the basis of the Fresnel structure (so that light reflected from the reflecting surface and transmitted through the substrate is emitted toward the focal point of the parabolic surface).
  • a Fresnel-structured half mirror is formed in each of the regions obtained by dividing the combiner in the vertical or horizontal direction within the plane (that is, two half mirrors are formed), and at least one of the two half mirrors is formed. Apply an offset Fresnel structure to one.
  • an eye box is formed in the driver's seat by one of the two half mirrors, and an eye box is formed in the passenger seat by the other of the two half mirrors. That is, an appropriate offset is given to at least one of the two half mirrors in the combiner according to the installation position and installation angle of the combiner so that the eyeboxes are formed in both the driver seat and the passenger seat.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an example of the combiner 10a according to the first embodiment.
  • This combiner 10a is applied to a head-up display instead of the combiner 10 shown in FIG. 1 (the same applies to various combiners described later).
  • FIG. 3A schematically shows a view (a top view and a side view) of the interior of the vehicle in which the combiner 10a is installed observed from above and from the side.
  • FIG. 3A shows the positional relationship among the combiner 10a, the driver seat, and the passenger seat.
  • operator is mentioned as an example.
  • the distance L1 between the combiner 10a and the driver's head is 1000 [mm]
  • the distance L2 between the driver seat and the passenger seat is 700 [mm]. From such distances L1 and L2, the combiner 10a and The case where the angle ⁇ 1 formed with the passenger seat head position is 35 ° is taken as an example.
  • the refractive index n of the substrate (cover layer) of the combiner 10a is 1.59 (polycarbonate is used as the substrate), and the focal length f of the virtual paraboloid that is the basis of the Fresnel structure applied to the half mirror. Is 300 [mm], and the angle (incident angle) ⁇ in at which light from the real image RI enters the combiner 10a is 0 [°].
  • the angle ⁇ 1 formed by the combiner 10a and the passenger seat head position is an exit angle of the combiner 10a necessary for forming an eyebox in the passenger seat (specifically, an exit angle of a half mirror 10a2 described later).
  • this emission angle is appropriately expressed as “ ⁇ out ”.
  • FIG. 3 (b) shows a front image view of the combiner 10a.
  • the combiner 10a has Fresnel-structured half mirrors 10a1 and 10a2 formed in each of the regions equally divided in the vertical direction within the plane.
  • the combiner 10a has a Fresnel half mirror 10a1 in the upper half and a Fresnel half mirror 10a2 in the lower half.
  • a non-offset Fresnel structure is applied to the half mirror 10a1 formed in the upper half.
  • the Fresnel structure based on the virtual paraboloid in which the vertex P2a1 is located at the center point P3a1 of the half mirror 10a1 is applied to the half mirror 10a1.
  • an offset Fresnel structure is applied to the half mirror 10a2 formed in the lower half.
  • the Fresnel structure based on the virtual paraboloid in which the vertex P2a2 is located at a position shifted leftward from the center point P3a2 of the half mirror 10a2 is applied to the half mirror 10a2.
  • the half mirror 10a2 has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the vertex P2a2 is shifted leftward by an offset amount OFS1 of 112 [mm] from the center point P3a2.
  • an eye box is formed near the driver's head by the upper half mirror 10a1, and near the passenger's head sitting in the passenger seat by the lower half mirror 10a2.
  • An eyebox is formed.
  • the offset amount OFS1 for the lower half mirror 10a2 is appropriately emitted from the lower half mirror 10a2 toward the passenger seat.
  • a method for obtaining the offset amount to be described will be described with reference to FIG.
  • FIG. 4A shows a diagram for explaining how to obtain a derivation formula for the emission angle ⁇ out .
  • Fig.4 (a) has shown the cross-sectional image figure of the combiner 10a.
  • the incident light enters the combiner 10a at an incident angle ⁇ in and is refracted by a substrate having a refractive index n to become an angle ⁇ in ′.
  • this incident light injects into the point P10 on the reflective surface S2 of the Fresnel structure in the half mirror 10a2.
  • the point P10 is located at a location separated from the vertex P2 of the virtual paraboloid S1 by “OFS” in the x direction (“OFS” corresponds to an offset amount).
  • the light reflected by the reflecting surface S2 in this way enters the surface of the substrate at an angle “ ⁇ in '+ 2 ⁇ ”, and is refracted when leaving the substrate to be an emission angle ⁇ out .
  • ⁇ out sin ⁇ 1 [n ⁇ sin ⁇ 2 tan ⁇ 1 (OFS / 2f) ⁇ sin ⁇ 1 (sin ⁇ in / n) ⁇ ] Equation (1)
  • the emission angle ⁇ out is represented by a refractive index n, an offset amount OFS, a focal length f, and an incident angle ⁇ in .
  • FIG. 4B shows a graph obtained when the parameters (specific values for n, f, ⁇ in ) illustrated in FIG. 3 are substituted for the above-described equation (1). ing.
  • the horizontal axis indicates the offset amount OFS [mm]
  • the vertical axis indicates the emission angle ⁇ out [°].
  • the offset amount OFS may be set to 112 [mm] in order to realize the 35 ° output angle ⁇ out illustrated in FIG.
  • the two Fresnel-structured half mirrors 10a1 and 10a2 are formed inside the combiner 10a, and an offset is given to one of the half mirrors 10a2, so that the vicinity of the driver's head and the assistant Eyeboxes can be appropriately formed at two locations near the head of the passenger sitting on the seat.
  • the eye box can be formed at two locations by one combiner 10a, so that compared with the case where two combiners are used as in the technique described in Patent Document 1.
  • the apparatus can be miniaturized and the cost can be reduced.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a first modification according to the first embodiment.
  • FIG. 5A schematically shows a view (a top view and a side view) of the interior of the vehicle interior in which the combiner 10b or the combiner 10c according to the first modification is installed from above and from the side.
  • FIG. 5A shows the positional relationship between the combiner 10b or 10c, the driver seat, and the passenger seat.
  • the combiner 10b or 10c is installed above the front of the driver, as in the first embodiment described above.
  • FIG.5 (b) has shown the front image figure of the combiner 10b which concerns on a 1st modification.
  • the combiner 10b has a Fresnel half mirror 10b2 in the upper half and a Fresnel half mirror 10b1 in the lower half.
  • the combiner 10b is applied with a Fresnel structure offset with respect to the half mirror 10b2 formed in the upper half, and is offset with respect to the half mirror 10b1 formed in the lower half.
  • a fresnel structure not applied is applied.
  • the half mirror 10b2 formed in the upper half has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the apex P2b2 is located at a position shifted leftward from the center point P3b2 of the half mirror 10b2.
  • the half mirror 10b1 formed in the lower half has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the vertex P2b1 is located at the center point P3b1 of the half mirror 10b1.
  • an eye box is formed near the driver's head by the lower half mirror 10b1, and near the passenger's head sitting in the passenger seat by the upper half mirror 10b2.
  • An eyebox is formed.
  • FIG.5 (c) has shown the front image figure of the combiner 10c which concerns on a 1st modification.
  • the combiner 10c has Fresnel-structured half mirrors 10c1, 10c2 formed in each of the equally divided areas in the horizontal direction in the plane. ing. Specifically, the combiner 10c has a Fresnel half mirror 10c1 on the right half and a Fresnel half mirror 10c2 on the left half. The non-offset Fresnel structure is applied to the half mirror 10c1 formed in the right half.
  • the Fresnel structure based on the virtual paraboloid in which the vertex P2c1 is located at the center point P3c1 of the half mirror 10c1 is applied to the half mirror 10c1.
  • the offset Fresnel structure is applied to the half mirror 10c2 formed in the left half.
  • the Fresnel structure based on the virtual paraboloid in which the vertex P2c2 is located at a position shifted leftward from the center point P3c2 of the half mirror 10c2 is applied to the half mirror 10c2.
  • an eye box is formed near the driver's head by the right half mirror 10c1, and near the passenger's head sitting in the passenger seat by the upper half mirror 10c2.
  • An eyebox is formed.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a second modification according to the first embodiment.
  • FIG. 6A schematically shows a view (a top view and a side view) of the interior of the vehicle interior in which the combiner 10d or the combiner 10e according to the second modification is installed is observed from above and from the side.
  • FIG. 6A shows the positional relationship between the combiner 10d or 10e, the driver seat, and the passenger seat.
  • the combiner 10d or 10e is installed above the intermediate position between the driver seat and the passenger seat.
  • FIG. 6B shows a front image diagram of the combiner 10d according to the second modification.
  • the combiner 10d has a Fresnel half mirror 10d1 in the upper half and a Fresnel half mirror 10d2 in the lower half.
  • the combiner 10d differs from the combiner 10a shown in the first embodiment in that an offset Fresnel structure is applied to both the half mirror 10d1 and the half mirror 10d2.
  • the half mirror 10d1 formed in the upper half has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the vertex P2d1 is located at a position shifted rightward from the center point P3d1 of the half mirror 10d1. ing.
  • the half mirror 10d2 formed in the lower half has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the apex P2d2 is located at a position shifted leftward from the center point P3d2 of the half mirror 10d2. .
  • an eye box is formed near the driver's head by the upper half mirror 10d1, and near the passenger's head sitting in the passenger seat by the lower half mirror 10d2. An eyebox is formed.
  • FIG. 6C shows a front image view of the combiner 10e according to the second modification.
  • a Fresnel half mirror 10e1 is formed on the right half and a Fresnel half mirror 10e2 is formed on the left half, similar to the combiner 10c according to the first modification.
  • an offset Fresnel structure is applied to both the half mirror 10e1 and the half mirror 10e2, similarly to the combiner 10d described above.
  • the half mirror 10e1 formed in the right half has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the vertex P2e1 is located at a position shifted rightward from the center point P3e1 of the half mirror 10e1.
  • the half mirror 10e2 formed in the left half has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the vertex P2e2 is located at a position shifted leftward from the center point P3e2 of the half mirror 10e2.
  • an eye box is formed near the driver's head by the right half mirror 10e1, and near the passenger's head sitting in the passenger seat by the left half mirror 10e2.
  • An eyebox is formed.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a third modification according to the first embodiment.
  • FIG. 7A schematically shows a view (a top view and a side view) of the interior of the vehicle interior in which the combiner 10f or the combiner 10g according to the third modification is installed, observed from above and from the side.
  • FIG. 7A shows the positional relationship between the combiner 10f or 10g, the driver's seat, and the passenger seat.
  • a combiner 10f or 10g is installed above the front of the driver, as in the first embodiment described above.
  • the installation angle of the combiner 10f or 10g is different from that in the first embodiment.
  • FIG.7 (b) has shown the front image figure of the combiner 10f which concerns on a 3rd modification.
  • the combiner 10f has a Fresnel half mirror 10f1 in the upper half and a Fresnel half mirror 10f2 in the lower half.
  • the combiner 10f differs from the combiner 10a shown in the first embodiment in that an offset Fresnel structure is applied to both the half mirror 10f1 and the half mirror 10f2. Further, the combiner 10f is different from the combiner 10a shown in the first embodiment in that not only the horizontal offset but also the vertical offset is applied.
  • the half mirror 10f1 formed in the upper half is applied with a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the vertex P2f1 is located at a position shifted upward from the center point P3f1 of the half mirror 10f1.
  • the half mirror 10f2 formed in the lower half has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the apex P2f2 is located at a position shifted leftward and upward from the center point P3f2 of the half mirror 10f2.
  • an eye box is formed in the vicinity of the driver's head by the upper half mirror 10f1, and in the vicinity of the passenger's head sitting in the passenger seat by the lower half mirror 10f2.
  • An eyebox is formed.
  • FIG.7 (c) has shown the front image figure of the combiner 10g which concerns on a 3rd modification.
  • the combiner 10g has a Fresnel half mirror 10g1 on the right half and a Fresnel half mirror 10g2 on the left half.
  • the offset Fresnel structure is applied to both the half mirror 10g1 and the half mirror 10g2, and not only the horizontal offset but also the vertical offset is applied. ing.
  • the half mirror 10g1 formed in the right half has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the vertex P2g1 is located at a position shifted upward from the center point P3g1 of the half mirror 10g1.
  • the half mirror 10g2 formed in the left half has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the vertex P2g2 is located at a position shifted leftward and upward from the center point P3g2 of the half mirror 10g2.
  • an eye box is formed near the driver's head by the right half mirror 10g1, and near the passenger's head sitting in the passenger seat by the left half mirror 10g2.
  • An eyebox is formed.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a fourth modification according to the first embodiment.
  • FIG. 8A schematically shows a view (a top view and a side view) of the interior of the vehicle interior in which the combiner 10h or the combiner 10i according to the fourth modification is installed is observed from above and from the side.
  • FIG. 8A shows the positional relationship between the combiner 10h or 10i, the driver seat, and the passenger seat.
  • 10h or 10i is installed above an intermediate position between the driver seat and the passenger seat, unlike the first embodiment described above.
  • the installation angle of the combiner 10h or 10i is different from that in the first embodiment.
  • FIG. 8B shows a front image view of the combiner 10h according to the fourth modification.
  • the combiner 10h has a Fresnel half mirror 10h1 in the upper half and a Fresnel half mirror 10h2 in the lower half.
  • the combiner 10h has an offset Fresnel structure applied to both the half mirror 10h1 and the half mirror 10h2, and offsets in the horizontal direction and the vertical direction. Yes.
  • the half mirror 10h1 formed in the upper half has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the apex P2h1 is located at a position shifted rightward and upward from the center point P3h1 of the half mirror 10h1.
  • the half mirror 10h2 formed in the lower half has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the apex P2h2 is located at a position shifted leftward and upward from the center point P3h2 of the half mirror 10h2.
  • an eye box is formed near the driver's head by the upper half mirror 10h1, and near the passenger's head sitting in the passenger seat by the lower half mirror 10h2.
  • An eyebox is formed.
  • FIG. 8C shows a front image view of the combiner 10i according to the fourth modification.
  • the combiner 10i has a Fresnel half mirror 10i1 on the right half and a Fresnel half mirror 10i2 on the left half.
  • the offset Fresnel structure is applied to both the half mirror 10i1 and the half mirror 10i2 as well as the above-described combiner 10h, and the offset in the horizontal direction and the vertical direction is applied.
  • the half mirror 10i1 formed in the right half has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the vertex P2i1 is located at a position shifted rightward and upward from the center point P3i1 of the half mirror 10i1.
  • the half mirror 10i2 formed in the left half has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the vertex P2i2 is located at a location shifted leftward and upward from the center point P3i2 of the half mirror 10i2.
  • an eye box is formed in the vicinity of the driver's head by the right half mirror 10i1, and in the vicinity of the passenger's head sitting in the passenger seat by the left half mirror 10i2.
  • An eyebox is formed.
  • a configuration in which the half mirror 10i1 and the half mirror 10i2 are replaced may be employed. That is, a configuration in which the half mirror 10i1 is positioned in the left half and the half mirror 10i2 is positioned in the right half may be employed.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a fifth modification according to the first embodiment.
  • FIG. 9A schematically shows a view (side view) of a vehicle interior in which a combiner 10j according to a fifth modification is installed is observed from the side.
  • FIG. 9A shows the positional relationship between the combiner 10j and the driver's seat.
  • the combiner 10j is installed above the front of the driver, as in the first embodiment.
  • FIG. 9B shows a front image diagram of the combiner 10j according to the fifth modification.
  • the combiner 10j has a Fresnel half mirror 10j1 in the upper half and a Fresnel half mirror 10j2 in the lower half. Similar to the combiner 10a shown in the first embodiment, the combiner 10j is applied with a non-offset Fresnel structure with respect to the half mirror 10j1 formed in the upper half, and the half mirror 10j2 formed in the lower half. The offset Fresnel structure is applied. However, the combiner 10j differs from the combiner 10a shown in the first embodiment in that an offset in the vertical direction is applied to the half mirror 10j2 formed in the lower half, not in the horizontal direction. Specifically, the Fresnel structure based on the virtual paraboloid in which the vertex P2j2 is located at a position shifted downward from the center point P3j2 of the half mirror 10j2 is applied to the half mirror 10j2.
  • an eye box is formed near the head when the driver is located at a place indicated by reference numeral 50 by the upper half mirror 10j1.
  • the lower half half mirror 10j2 forms an eye box near the head when the driver is located at a place indicated by reference numeral 51 (a place below the reference numeral 50).
  • two eye boxes can be appropriately formed in the vertical direction of the driver's seat. This eliminates the need to adjust the tilt angle of the combiner 10j according to the driver's seat height and the like.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a sixth modification according to the first embodiment.
  • FIG. 10A schematically shows a side view of a vehicle interior in which a combiner 10k according to a sixth modified example is installed as viewed from the side.
  • FIG. 10A shows the positional relationship between the combiner 10k and the driver's seat.
  • a combiner 10k is installed above the front of the driver, as in the first embodiment.
  • the installation angle of the combiner 10k is different from that in the first embodiment.
  • FIG. 10B shows a front image diagram of the combiner 10k according to the sixth modification.
  • the combiner 10k has a Fresnel half mirror 10k1 formed in the upper half and a Fresnel half mirror 10k2 formed in the lower half.
  • the combiner 10k is applied with an offset in the vertical direction instead of the horizontal direction.
  • the combiner 10k is different from the combiner 10j according to the fifth modified example, and the offset in the vertical direction is applied to both the half mirror 10k1 and the half mirror 10k2.
  • the Fresnel structure based on the virtual paraboloid in which the vertex P2k1 is located at a position shifted upward from the center point P3k1 of the half mirror 10k1 is applied to the half mirror 10k1.
  • the half mirror 10k2 has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the vertex P2k2 is located at a position shifted upward from the center point P3k2 of the half mirror 10k2.
  • an eye box is formed near the head when the driver is located at a location indicated by reference numeral 53 by the upper half mirror 10k1.
  • the lower half mirror 10k2 forms an eye box near the head when the driver is located at a location indicated by reference numeral 52 (a location above the reference numeral 53).
  • two eyeboxes can be appropriately formed in the vertical direction of the driver's seat, and the adjustment of the inclination angle of the combiner 10k according to the driver's seat height or the like becomes unnecessary. .
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that a plurality of Fresnel half mirrors are stacked in the thickness direction of the combiner. Other points are the same as in the first embodiment.
  • an offset Fresnel structure is applied to at least one of the plurality of half mirrors, and an eye box is formed in both the driver seat and the passenger seat by such a plurality of half mirrors. .
  • FIG. 11 is a diagram for explaining an example of the combiner 10m according to the second embodiment.
  • Fig.11 (a) has shown roughly the figure (top view and side view) which observed the vehicle interior in which the combiner 10m was installed from upper direction and a side.
  • FIG. 11A shows the positional relationship among the combiner 10m, the driver seat, and the passenger seat.
  • a case where the combiner 10m is installed above an intermediate position between the driver's seat and the passenger seat is taken as an example.
  • the distance L1 between the combiner 10m and the driver's head is 1000 [mm]
  • the distance L2 between the driver's seat and the passenger seat is 700 [mm].
  • the combiner 10m The case where the angle ⁇ 2 formed by the driver's seat head position and the passenger seat head position is 19 [°] is taken as an example.
  • the refractive index n of the substrate (cover layer) of the combiner 10m is 1.59 (polycarbonate is used as the substrate), and the focal length f of the virtual paraboloid that is the basis of the Fresnel structure applied to the half mirror. Is 300 [mm], and the angle (incident angle) ⁇ in at which light from the real image RI enters the combiner 10 m is 0 [°].
  • the angle ⁇ 2 formed by the combiner 10m and the driver seat head position and the passenger seat head position is an exit angle of the combiner 10m necessary for forming an eye box in the driver seat and the passenger seat (details will be described later in a half mirror).
  • emission angles of 10 m1 and 10 m2 That is, it corresponds to the above-described emission angle ⁇ out .
  • FIG. 11B is a front image view of the combiner 10m according to the second embodiment
  • FIG. 11C is a cross-sectional image view of the combiner 10m along the cutting line A1-A2 in FIG. 11B. Is shown.
  • Fresnel half mirrors 10m1 and 10m2 are stacked in the thickness direction of the combiner 10m. Specifically, when the combiner 10m is viewed from the front, the half mirror 10m1 is formed on the back side of the half mirror 10m2. In other words, the half mirror 10m2 is formed in front of the half mirror 10m1.
  • a broken line indicates an image of the half mirror 10m1 formed on the back side
  • a solid line indicates an image of the half mirror 10m2 formed on the near side.
  • the offset Fresnel structure is applied to both the half mirror 10m1 and the half mirror 10m2.
  • the half mirror 10m1 is based on a virtual paraboloid in which the vertex P2m1 is located at a position shifted rightward from the center point P3m of the half mirror 10m1 (corresponding to the center point of the combiner 10m itself).
  • a Fresnel structure is applied.
  • a virtual paraboloid in which the vertex P2m1 is shifted rightward by an offset amount OFS2a of 66 [mm] from the center point P3m is applied to the half mirror 10m1.
  • the half mirror 10m2 has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid in which the vertex P2m2 is located at a position shifted leftward from the center point P3m of the half mirror 10m2 (corresponding to the center point of the combiner 10m itself). Has been applied.
  • a virtual paraboloid in which the vertex P2m2 is shifted leftward by an offset amount OFS2b of 66 [mm] from the center point P3m is applied to the half mirror 10m2.
  • the offset amount OFS2a, OFS2b of 66 [mm] is one in which the graph shown in FIG. 4 (b), is determined as the offset amount OFS corresponding to the emission angle theta out of 19 [°].
  • an eye box is formed in the vicinity of the driver's head by the rear half mirror 10m1, and in the vicinity of the passenger's head sitting in the passenger seat by the front half mirror 10m2.
  • An eyebox is formed. Therefore, also in the second embodiment, the eye box can be appropriately formed in two places, near the driver's head and near the passenger's head sitting in the passenger seat, by one combiner 10m.
  • the third embodiment is different from the first and second embodiments in that a Fresnel structure with a different focal length of the virtual paraboloid is applied to a plurality of half mirrors formed in the combiner. That is, in the third embodiment, a Fresnel structure based on a virtual paraboloid having a different focal length is applied to each of the plurality of half mirrors.
  • a plurality of virtual images VI that are visually recognized to be located at different distances are formed by one combiner. That is, a plurality of virtual image distances (meaning the distance between the position of the combiner and the position where the virtual image VI is visually recognized) is realized.
  • Expression (2) is an imaging expression showing the relationship between the real image position and the virtual image position, and shows that the virtual image distance Lb can be changed as appropriate simply by changing the focal distance f.
  • FIG. 13A schematically shows a side view of the interior of the vehicle in which the combiner 10n is installed as viewed from the side.
  • FIG. 13A shows the positional relationship between the combiner 10n and the driver's seat.
  • operator is mentioned as an example.
  • the distance La between the combiner 10n and the real image RI is 200 [mm]
  • the refractive index n of the substrate (cover layer) of the combiner 10n is 1.59 (polycarbonate is used as the substrate), and from the real image RI.
  • the angle (incident angle) ⁇ in at which the light is incident on the combiner 10 n is 0 [°] will be described.
  • FIG. 13B is a front image view of the combiner 10n according to the third embodiment.
  • the combiner 10n has a Fresnel half mirror 10n1 formed in the upper half and a Fresnel half mirror 10n2 in the lower half, similar to the combiner 10a shown in the first embodiment. Is formed.
  • the Fresnel structure based on virtual paraboloids having different focal lengths is applied to the half mirror 10n1 and the half mirror 10n2. Specifically, a virtual paraboloid having a shorter focal length is applied to the half mirror 10n1 formed in the upper half than the half mirror 10n2 formed in the lower half.
  • FIG. 14 shows an image of an image formed by the combiner 10n according to the third embodiment.
  • 14A shows a top view of an image formed by the half mirror 10n1 formed in the upper half of the combiner 10n
  • FIG. 14B shows a half mirror 10n2 formed in the lower half of the combiner 10n.
  • the top view of the image formation image by is shown.
  • the half mirror 10n1 formed in the upper half has a longer virtual image distance than the half mirror 10n2 formed in the lower half (Lb1> Lb2).
  • a virtual parabolic surface having a focal length of 220 [mm] is applied to the upper half mirror 10n1
  • a virtual beam having a focal length of 300 [mm] is applied to the lower half mirror 10n2.
  • the virtual image distance Lb1 by the upper half mirror 10n1 is 2200 [mm]
  • the virtual image distance Lb2 by the lower half mirror 10n2 is 300 [mm].
  • a plurality of virtual image distances can be appropriately realized by a single combiner 10n. That is, it is possible to appropriately form a plurality of virtual images VI that are visually recognized so as to be located at different distances.
  • the image displayed using the upper half mirror 10n1 and the image displayed using the lower half mirror 10n2 may be changed.
  • a path arrow can be displayed using the upper half mirror 10n1, and a speedometer can be displayed using the lower half mirror 10n2.
  • a wide-area map small scale map
  • a detailed map large scale map
  • a fresnel structure based on a virtual paraboloid with different focal lengths is applied to a plurality of half mirrors, and an offset fresnel structure is applied to at least one of the plurality of half mirrors. it can.
  • the distance to the combiner is different between the driver seat and the passenger seat, but the same virtual image VI (the virtual image VI having the same size etc.) is visually recognized in the driver seat and the passenger seat regardless of the distance.
  • offset Fresnel structures with different focal lengths can be applied to a plurality of half mirrors.
  • Fresnel structures with different focal lengths and offsets can be applied to a plurality of half mirrors so that the virtual image distance at the driver seat and the virtual image distance at the passenger seat are different.
  • the focal length may be set so that the virtual image distance at the passenger seat is shorter than the virtual image distance at the driver seat.
  • an offset Fresnel structure is applied to the half mirrors 10n1 and 10n2 (see FIG. 13B). This is because light is appropriately emitted from both the half mirrors 10n1 and 10n2 toward the driver's head (see FIG. 13A).
  • it is not limited to applying both the Fresnel structure in which the focal length of the virtual paraboloid differs and the offset Fresnel structure, and the focal length of the virtual paraboloid without applying the offset Fresnel structure. Only the Fresnel structures with different may be applied.
  • the various configuration examples shown in the first embodiment and the first to seventh modifications can be applied to the third embodiment.
  • the division example of the area in the plane of the combiner and the pattern example of the Fresnel structure can be applied to the third embodiment.
  • the third embodiment may be combined with the second embodiment.
  • a plurality of half mirrors to which a Fresnel structure based on virtual paraboloids having different focal lengths are applied may be stacked in the thickness direction of the combiner.
  • a Fresnel structure based on a virtual paraboloid having an infinite focal length is applied to at least one of the plurality of half mirrors formed in the combiner. Different from the embodiment.
  • the combiner 10 may be a flat half mirror.
  • the fourth embodiment is applied to a head-up display configured as shown in FIG.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining an example of the combiner 10p according to the fourth embodiment.
  • FIG. 16A schematically shows a view (a top view and a side view) of the interior of the vehicle in which the combiner 10p is installed as observed from above and from the side.
  • FIG. 16A shows the positional relationship among the combiner 10p, the driver seat, and the passenger seat.
  • a case where the combiner 10p is installed above an intermediate position between the driver's seat and the passenger seat is taken as an example.
  • light obtained by condensing light constituting the real image RI by the condenser lens 11 enters the combiner 10p from below.
  • FIG. 16B shows a front image diagram of the combiner 10p according to the fourth embodiment.
  • the combiner 10p has a Fresnel half mirror 10p1 formed in the upper half and a Fresnel half mirror 10p2 in the lower half, similar to the combiner 10a shown in the first embodiment. Is formed.
  • FIG. 16 (c) shows a cross-sectional image diagram along the cutting line B1-B2 in FIG. 16 (b) for the half mirror 10p1 formed in the upper half of the combiner 10p
  • FIG. FIG. 17 shows a cross-sectional image diagram along the cutting line B3-B4 in FIG. 16B for the half mirror 10p2 formed in the lower half of the combiner 10p.
  • each of the half mirrors 10p1 and 10p2 has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid having an infinite focal length.
  • the plurality of reflecting surfaces of the half mirrors 10p1 and 10p2 have a shape extending along the length direction of the half mirrors 10p1 and 10p2. The inclination of the plurality of reflecting surfaces becomes equal.
  • the offset Fresnel structure is applied to both the half mirrors 10p1 and 10p2.
  • the half mirror 10p1 formed in the upper half has a Fresnel structure based on a virtual paraboloid offset to the right by an offset amount of 66 [mm], and the half mirror 10p2 formed in the lower half. Is applied with a Fresnel structure based on a virtual paraboloid offset to the left by an offset amount of 66 mm.
  • an eye box is formed in the vicinity of the driver's head by the half mirror 10p1 formed in the upper half, and the passenger sitting in the passenger seat by the half mirror 10p2 formed in the lower half.
  • An eye box is formed near the person's head. Therefore, also in the fourth embodiment, the eye box can be appropriately formed in two places, near the head of the driver and near the head of the passenger sitting in the passenger seat, by one combiner 10p.
  • both the half mirrors 10p1 and 10p2 are not limited to applying a Fresnel structure based on a virtual paraboloid with an infinite focal length, and the focal length is only applied to one of the half mirrors 10p1 and 10p2. You may apply the Fresnel structure based on the virtual paraboloid which is infinite.
  • the fourth embodiment and the second embodiment may be combined.
  • a half mirror to which a Fresnel structure based on a virtual paraboloid having an infinite focal length is applied may be laminated in the thickness direction of the combiner.
  • the fourth embodiment and the third embodiment may be combined.
  • a half mirror to which a Fresnel structure based on a virtual paraboloid with an infinite focal length is applied and a Fresnel structure based on a virtual paraboloid with a focal length that is not infinite are applied. What is necessary is just to comprise a combiner using the half mirror.
  • the present invention can be used for a head-up display or a head-mounted display.

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Abstract

　光学素子は、表示像を構成する光を反射することで当該表示像を虚像として視認させる。光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが複数形成されている。複数のハーフミラーの少なくとも一つは、フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されている。これにより、一の光学素子によって、異なる箇所に複数のアイボックスを適切に形成することが可能となる。

Description

光学素子及びヘッドアップディスプレイ
　本発明は、虚像として画像を視認させる技術分野に関する。
　従来から、虚像として画像を視認させるヘッドアップディスプレイなどの表示装置が知られている。一般的に、ヘッドアップディスプレイでは、小型液晶ディスプレイなどの小さな画面（実像）を、拡大された虚像として運転者に視認させるために、コンバイナ（合成器）とよばれる凹面ハーフミラーを用いている。昼間でも虚像を明るく視認させるためには、実像の発光輝度を上げれば良いが、消費電力やデバイス価格が増大するため、通常は光の利用効率を上げる手法が用いられている。光の利用効率を上げるためには、実像の発光角度を制限するとともに、コンバイナで反射された光が観察者の頭部に集まるように、凹面ハーフミラーの焦点距離を適切な値に設定すると良い。以下では、コンバイナによって形成される虚像観察可能領域のことを「アイボックス」と呼ぶ。
　ところで、凹面ハーフミラーコンバイナでアイボックスを形成することは、虚像の輝度を上げるためには有効であるが、観察者が限定されてしまうという課題がある。例えば、運転者に虚像が見えるように運転席の近傍にアイボックスを形成すると、助手席に座る同乗者には虚像が見えない。この課題を解決するために、例えば特許文献１には、運転者と助手席に座る同乗者の両方が虚像を視認できるように、２枚のコンバイナを角度を変えて設置することが提案されている。
　その他にも、本発明に関連する技術が特許文献２乃至４に提案されている。特許文献２乃至４には、フレネル構造を利用したコンバイナが提案されている。
特許第４０３３０６９号公報 特許第４７７６６６９号公報 特開２０１１－１９１７１５号公報 特開２０００－２４９９６５号公報
　特許文献１に記載された技術では、２枚のコンバイナを用いることで、アイボックスを２箇所に形成することができる。しかしながら、特許文献１に記載された技術では、装置が大型化してしまったり、コンバイナを２枚利用するためコストがかかってしまったり、２枚のコンバイナの設置角度を調整する必要があった。
　他方で、特許文献２乃至４に記載された技術では、フレネル構造を利用したコンバイナは平板であるため、車内への設置自由度が増すといった利点がある。しかしながら、特許文献２乃至４に記載された技術では、アイボックスを１箇所にしか形成できなかった。
　本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、１枚の光学素子によって、複数のアイボックスを適切に形成することを課題とする。
　請求項１に記載の発明では、表示像を構成する光を反射することで当該表示像を虚像として視認させる光学素子であって、前記光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが複数形成されており、複数の前記ハーフミラーの少なくとも一つは、前記フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されていることを特徴とする。
　請求項９に記載の発明では、ヘッドアップディスプレイは、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学素子と、前記光学素子に向けて前記表示像を構成する光を出射する光源部と、を備えることを特徴とする。
一般的なヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。 本実施例の基本概念を説明するための図を示す。 第１実施例に係るコンバイナを説明するための図を示す。 オフセット量と出射角との関係を説明するための図を示す。 第１実施例に係る第１変形例を説明するための図を示す。 第１実施例に係る第２変形例を説明するための図を示す。 第１実施例に係る第３変形例を説明するための図を示す。 第１実施例に係る第４変形例を説明するための図を示す。 第１実施例に係る第５変形例を説明するための図を示す。 第１実施例に係る第６変形例を説明するための図を示す。 第２実施例に係るコンバイナを説明するための図を示す。 焦点距離と虚像距離との関係を説明するための図を示す。 第３実施例に係るコンバイナを説明するための図を示す。 第３実施例に係るコンバイナによる結像イメージ図を示す。 コンバイナの前段に集光レンズが配置されたヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。 第４実施例に係るコンバイナを説明するための図を示す。
　本発明の１つの観点では、表示像を構成する光を反射することで当該表示像を虚像として視認させる光学素子であって、前記光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが複数形成されており、複数の前記ハーフミラーの少なくとも一つは、前記フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されている。
　上記の光学素子は、表示像を構成する光を反射することで当該表示像を虚像として視認させるために利用される。例えば、光学素子は、ヘッドアップディスプレイなどに適用されるコンバイナ（合成器）である。光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが複数形成されている。また、複数のハーフミラーの少なくとも一つは、フレネル構造の元になる自由曲面の中心（例えば頂点）が、当該ハーフミラーの中心（外形中心）に位置しないフレネル構造が適用されている。これにより、一の光学素子によって、異なる箇所に複数のアイボックスを適切に形成することが可能となる。
　なお、「フレネル構造」とは、公知のフレネルレンズの面形状に類似する形状が適用された構造を意味する。つまり、「フレネル構造のハーフミラー」とは、公知のフレネルレンズの面形状に類似する形状が適用されたハーフミラーを意味する。
　上記の光学素子の一態様では、前記平板を面内で分割した複数の領域に前記複数のハーフミラーが形成されている。例えば、前記平板を面内で上下方向及び／又は左右方向に分割した領域のそれぞれに前記ハーフミラーが形成されている。
　上記の光学素子の他の一態様では、前記平板の厚さ方向に前記複数のハーフミラーが積層されている。この場合、前記複数のハーフミラーのそれぞれで反射されて前記光学素子から出射された光の明るさが等しくなるように、前記複数のハーフミラーのそれぞれの反射率が設定されていると良い。こうすることで、複数のアイボックスで視認される虚像の明るさを等しくすることができる。
　上記の光学素子の他の一態様では、前記複数のハーフミラーの少なくとも一つは、前記自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心から上下方向及び／又は左右方向にずらされたフレネル構造が適用されている。例えば、光学素子の設置位置や設置角度などに応じて、狙いの位置にアイボックスが形成されるように、ハーフミラーの中心から自由曲面の中心をずらす量が設定される。
　上記の光学素子の他の一態様では、前記複数のハーフミラーは、前記自由曲面の焦点距離がそれぞれで異なるフレネル構造が更に適用されている。これにより、一の光学素子によって、異なる距離に位置するように視認される複数の虚像を適切に形成することができる。つまり、複数の虚像距離（光学素子の位置と虚像が視認される位置との距離を意味する）を適切に実現することができる。
　上記の光学素子の他の一態様では、前記複数のハーフミラーの少なくとも一つは、前記自由曲面の焦点距離が無限大であるフレネル構造が適用されている。この態様は、集光レンズなどによって集光された光が光学素子に入射されるような構成に好適に適用することができる。
　本発明の他の観点では、ヘッドアップディスプレイは、上記の光学素子と、前記光学素子に向けて前記表示像を構成する光を出射する光源部と、を備える。好適な例では、ヘッドアップディスプレイは、移動体に搭載され、運転席及び助手席の２箇所にアイボックスを形成する。
　以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。
　＜基本概念＞
　まず、本実施例の内容を説明する前に、本実施例の基本概念について図１及び図２を参照して説明する。
　図１は、一般的なヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。ヘッドアップディスプレイでは、表示すべき画面（実像ＲＩ）を形成し、実像ＲＩを構成する光をコンバイナ１０で反射させることで、実像ＲＩに対応する虚像ＶＩを運転者に視認させる。例えば、実像ＲＩは、小型液晶ディスプレイによって表示される画面や、プロジェクタによってスクリーンに形成される像（１つの例では射出瞳拡大素子（ＥＰＥ： Exit-Pupil Expander）によって形成される像）に相当する。なお、小型液晶ディスプレイや、プロジェクタ及びスクリーンは、本発明における「光源部」の一例に相当する。一般的なヘッドアップディスプレイでは、コンバイナ１０として凹面ハーフミラーを用い、コンバイナ１０で反射された光が観察者の頭部に集まるように、凹面ハーフミラーの焦点距離を適切な値に設定している。図１において符号ＥＢで示す領域は、観察者の頭部付近に形成される虚像観察可能領域（つまりアイボックス）である。
　ところで、凹面ハーフミラーのコンバイナ１０でアイボックスＥＢを形成することは、虚像ＶＩの輝度を上げるためには有効であるが、観察者が限定されてしまうという課題がある。例えば、運転者に虚像ＶＩが見えるように運転席の近傍にアイボックスＥＢを形成すると、助手席に座る同乗者には虚像ＶＩが見えない。この課題を解決するために、前述した特許文献１には、運転者と助手席に座る同乗者の両方が虚像ＶＩを視認できるように、２枚のコンバイナを角度を変えて設置することが提案されている。つまり、特許文献１に記載された技術では、２枚のコンバイナを用いることで、アイボックスを２箇所に形成している。しかしながら、この技術では、装置が大型化してしまったり、コンバイナを２枚利用するためコストがかかってしまったり、２枚のコンバイナの設置角度を調整する必要があった。
　他方で、前述した特許文献２乃至４には、フレネル構造のハーフミラーを利用した平板コンバイナが提案されている。このコンバイナは平板であるため、車内への設置自由度が増すといった利点がある。しかしながら、特許文献２乃至４に記載された技術では、アイボックスを１箇所にしか形成できなかった。
　これに対して、本実施例は、一般的な凹面ハーフミラーを用いる代わりに、特許文献２乃至４に記載されたようなフレネル構造のハーフミラーを、１枚のコンバイナの内部に複数形成することで、１枚のコンバイナで複数のアイボックスを形成することを図ったものである。
　図２は、本実施例の基本概念を説明するための図を示している。図２は、３枚のコンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３の例を示しており、３枚のコンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３のそれぞれについて正面図及び断面図（側面図）を示している。なお、正面図及び断面図は、概略的に示したイメージ図を示している。
　コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３は、内部にフレネル構造のハーフミラーが形成されている。具体的には、コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３は、フレネル構造（フレネルパターン）の元になる仮想放物面Ｓ１の湾曲に応じた微小な反射面（ミラー面）Ｓ２が内部に複数形成されることで、ハーフミラーとして機能する。複数の反射面は、例えば仮想放物面Ｓ１を有するレンズを図２における垂直方向に等間隔で分割して配列したような形状を有する。例えば、コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３は、仮想放物面Ｓ１の湾曲に応じた凹凸が形成された、同じ屈折率を有する２つの部材（以下では適宜「基板」と呼ぶ。基板は言い換えるとカバー層である。）の間に、ある程度の透過性を有する反射薄膜を挟み込むことで作成される。コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３に対して光が垂直に入射した場合、コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３のそれぞれに入射した光は、全て、内部に形成された反射面Ｓ２によって仮想放物面Ｓ１の焦点Ｐ１の方向に反射される。
　なお、本明細書では、「フレネル構造」とは、公知のフレネルレンズの面形状に類似する形状が適用された構造を意味するものとする。つまり、「フレネル構造のハーフミラー」とは、公知のフレネルレンズの面形状に類似する形状が適用されたハーフミラーを意味するものとする。
　ここで、コンバイナ１０ｘ１は、その中心（外形中心）に、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２（言い換えると仮想放物面Ｓ１の中心であり、以下同様とする。）が位置している。つまり、コンバイナ１０ｘ１は、ハーフミラーの面上における中心点Ｐ３ｘ１に頂点Ｐ２が位置する仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されている。そのため、コンバイナ１０ｘ１では、内部に形成された反射面Ｓ２の傾きが小さい。他方で、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３は、その中心（外形中心）に、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２が位置していない。つまり、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３は、ハーフミラーの面上における中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３から外れた場所に頂点Ｐ２が位置する仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されている。言い換えると、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３は、フレネルパターンの中心から外れた領域が適用されている。そのため、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３では、内部に形成された反射面Ｓ２の傾きが大きい（つまり反射面Ｓ２が立っている）。
　以下では、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３のように、ハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３から外れた場所に頂点Ｐ２が位置する仮想放物面Ｓ１をフレネル構造に適用することを、適宜「オフセット」と呼ぶ。また、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２からのオフセットの量を「オフセット量」と呼ぶ。１つの例では、「オフセット量」は、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２がハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３からずらされている量（言い換えると頂点Ｐ２と中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３との距離）で表される。図３に示す例では、コンバイナ１０ｘ２は、ハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ２からオフセット量ＯＦＳｘ２だけ頂点Ｐ２がずらされた仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されており、コンバイナ１０ｘ３は、ハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ３からオフセット量ＯＦＳｘ３だけ頂点Ｐ２がずらされた仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されている。
　このようにオフセットが適用されたコンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３を用いることで、コンバイナ自体の設置角度を変えることなく、反射されて戻ってくる光の方向を変えることができる。本実施例では、１枚のコンバイナの内部にオフセットの異なる複数のフレネル構造を形成することで、複数のアイボックスを形成すると共に、それらのアイボックスを異なる位置（例えば運転席と助手席）に形成する。
　なお、フレネル構造の元になる面として放物面を用いることに限定はされない。作り易さの観点から球面形状を用いても良いし、収差を補正するために非球面形状を用いても良い。つまり、種々の自由曲面（例えば焦点が規定されるような曲面）をフレネル構造の元になる面として適用することができる。好適な１つの例では、反射面を覆う基板（カバー層）を加味したハーフミラーの特性が放物面に従ったものであるように（つまり、コンバイナに垂直に光を入射させた場合に、反射面で反射して基板を透過して出射された光が放物面の焦点に向かうように）、フレネル構造の元になる面として非放物面を適用することができる。
　以下では、本実施例の具体例（第１乃至第４実施例）について説明する。
　＜第１実施例＞
　第１実施例では、コンバイナをその面内で上下方向又は左右方向に分割した領域のそれぞれにフレネル構造のハーフミラーを形成し（つまり２つのハーフミラーを形成し）、２つのハーフミラーの少なくとも一つにオフセットされたフレネル構造を適用する。また、第１実施例では、２つのハーフミラーの一方によって運転席にアイボックスを形成し、２つのハーフミラーの他方によって助手席にアイボックスを形成する。つまり、運転席及び助手席の両方にアイボックスが形成されるように、コンバイナの設置位置や設置角度に応じて、コンバイナ内の２つのハーフミラーの少なくとも一つについて適当なオフセットを与える。
　図３は、第１実施例に係るコンバイナ１０ａの一例を説明するための図を示す。このコンバイナ１０ａは、図１に示したコンバイナ１０の代わりにヘッドアップディスプレイに対して適用される（後述する各種のコンバイナについても同様であるものとする）。
　図３（ａ）は、コンバイナ１０ａが設置された車室内を上方及び側方から観察した図（上面図及び側面図）を概略的に示している。図３（ａ）は、コンバイナ１０ａと運転席と助手席との位置関係を示している。ここでは、運転者の正面上方にコンバイナ１０ａを設置した場合を例に挙げる。また、コンバイナ１０ａと運転者頭部との距離Ｌ１が１０００［ｍｍ］であり、運転席と助手席との間隔Ｌ２が７００［ｍｍ］であり、そのような距離Ｌ１、Ｌ２より、コンバイナ１０ａと助手席頭部位置との成す角度θ１が３５［°］となる場合を例に挙げる。加えて、コンバイナ１０ａの基板（カバー層）の屈折率ｎが１．５９であり（基板としてポリカーボネートを用いている）、ハーフミラーに適用するフレネル構造の元になる仮想放物面の焦点距離ｆが３００［ｍｍ］であり、実像ＲＩからの光がコンバイナ１０ａに入射する角度（入射角）θｉｎが０［°］であるものとする。
　なお、コンバイナ１０ａと助手席頭部位置との成す角度θ１は、助手席にアイボックスを形成するために必要なコンバイナ１０ａの出射角（詳しくは後述するハーフミラー１０ａ２の出射角）となる。以下では、この出射角を適宜「θｏｕｔ」と表記する。
　図３（ｂ）は、コンバイナ１０ａの正面イメージ図を示している。図３（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ａは、その面内において上下方向に等分割した領域のそれぞれにフレネル構造のハーフミラー１０ａ１、１０ａ２が形成されている。具体的には、コンバイナ１０ａは、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ａ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ａ２が形成されている。上半分に形成されたハーフミラー１０ａ１は、オフセットされていないフレネル構造が適用されている。具体的には、ハーフミラー１０ａ１は、当該ハーフミラー１０ａ１の中心点Ｐ３ａ１に頂点Ｐ２ａ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。
　他方で、下半分に形成されたハーフミラー１０ａ２は、オフセットされたフレネル構造が適用されている。具体的には、ハーフミラー１０ａ２は、当該ハーフミラー１０ａ２の中心点Ｐ３ａ２から左方向にずれた場所に頂点Ｐ２ａ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。図３に示す例では、ハーフミラー１０ａ２は、中心点Ｐ３ａ２から１１２［ｍｍ］のオフセット量ＯＦＳ１だけ頂点Ｐ２ａ２が左方向にずらされた仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。
　このようなコンバイナ１０ａを用いることで、上半分のハーフミラー１０ａ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、下半分のハーフミラー１０ａ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。
　ここで、図３に示した例では、下半分のハーフミラー１０ａ２についてのオフセット量ＯＦＳ１を１１２［ｍｍ］に設定することで、下半分のハーフミラー１０ａ２から助手席の方向に向けて適切に光を出射させることができるのだが、つまりハーフミラー１０ａ２（基板を含む）からの出射角θｏｕｔを３５°とすることができるのだが、そのような狙いの出射角θｏｕｔを実現するために設定すべきオフセット量の求め方について、図４を参照して説明する。
　図４（ａ）は、出射角θｏｕｔについての導出式の求め方を説明するための図を示している。図４（ａ）は、コンバイナ１０ａの断面イメージ図を示している。図４（ａ）に示すように、入射光は、入射角θｉｎでコンバイナ１０ａに入射し、屈折率ｎの基板で屈折して角度θｉｎ’となる。この場合、スネルの法則より、「ｓｉｎθｉｎ＝ｎ・ｓｉｎθｉｎ’」といった式が成り立つ。そして、この入射光は、ハーフミラー１０ａ２におけるフレネル構造の反射面Ｓ２上の点Ｐ１０に入射する。点Ｐ１０は、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２からｘ方向において「ＯＦＳ」だけ離れた場所に位置する（「ＯＦＳ」はオフセット量に相当する）。仮想放物面Ｓ１は、焦点距離ｆを用いると「ｙ＝ｘ２／４ｆ」と表される。
　ここで、点Ｐ１０を通る、ｘ軸に平行な直線と、点Ｐ１０での仮想放物面Ｓ１の接線とが成す角度φは、「φ＝ｔａｎ－１（ＯＦＳ／２ｆ）」となる。このような角度φを用いると、角度θｉｎ’の入射光が反射面Ｓ２に入射する角度βは、「β＝φ－θｉｎ’」となる。そして、このように反射面Ｓ２で反射した光は基板の面に対して角度「θｉｎ’＋２β」で入射し、基板から出て行く際に屈折することで出射角θｏｕｔとなる。この場合、スネルの法則より、「ｓｉｎθｏｕｔ＝ｎ・ｓｉｎ（θｉｎ’＋２β）」といった式が成り立つ。この式を書き換えると、出射角θｏｕｔの導出式（１）が得られる。
　θｏｕｔ＝ｓｉｎ－１［ｎ・ｓｉｎ｛２ｔａｎ－１（ＯＦＳ／２ｆ）－ｓｉｎ－１（ｓｉｎθｉｎ／ｎ）｝］　　　式（１）
　式（１）に示すように、出射角θｏｕｔは、屈折率ｎと、オフセット量ＯＦＳと、焦点距離ｆと、入射角θｉｎとで表される。
　図４（ｂ）は、上記のような式（１）に対して、図３で例示したパラメータ（ｎ、ｆ、θｉｎについての具体的な値）を代入した場合に得られたグラフを示している。図４（ｂ）では、横軸にオフセット量ＯＦＳ［ｍｍ］を示し、縦軸に出射角θｏｕｔ［°］を示している。図４（ｂ）に示すグラフによれば、図３で例示した３５°の出射角θｏｕｔを実現するためには、オフセット量ＯＦＳを１１２［ｍｍ］に設定すれば良いことがわかる。
　以上説明した第１実施例によれば、コンバイナ１０ａの内部に２つのフレネル構造のハーフミラー１０ａ１、１０ａ２を形成し、一方のハーフミラー１０ａ２にオフセットを与えることで、運転者の頭部付近と助手席に座る同乗者の頭部付近との２箇所に、アイボックスを適切に形成することができる。また、第１実施例によれば、１枚のコンバイナ１０ａによって２箇所にアイボックスを形成することができるため、特許文献１に記載された技術のように２枚のコンバイナを用いる場合と比較して、装置を小型化することができると共に、コストを低減することができる。また、２枚のコンバイナの設置角度を調整する必要もない。
　［第１実施例の変形例］
　以下では、上記した第１実施例の変形例について説明する。
　（第１変形例）
　図５は、第１実施例に係る第１変形例を説明するための図を示す。図５（ａ）は、第１変形例に係るコンバイナ１０ｂ又はコンバイナ１０ｃが設置された車室内を上方及び側方から観察した図（上面図及び側面図）を概略的に示している。図５（ａ）は、コンバイナ１０ｂ又は１０ｃと運転席と助手席との位置関係を示している。図５（ａ）に示すように、第１変形例では、上記した第１実施例と同様に、運転者の正面上方にコンバイナ１０ｂ又は１０ｃが設置される。
　図５（ｂ）は、第１変形例に係るコンバイナ１０ｂの正面イメージ図を示している。図５（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｂは、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｂ２が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｂ１が形成されている。コンバイナ１０ｂは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａと異なり、上半分に形成されたハーフミラー１０ｂ２に対してオフセットされたフレネル構造が適用され、下半分に形成されたハーフミラー１０ｂ１に対してオフセットされていないフレネル構造が適用されている。具体的には、上半分に形成されたハーフミラー１０ｂ２は、当該ハーフミラー１０ｂ２の中心点Ｐ３ｂ２から左方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｂ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、下半分に形成されたハーフミラー１０ｂ１は、当該ハーフミラー１０ｂ１の中心点Ｐ３ｂ１に頂点Ｐ２ｂ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｂを用いた場合、下半分のハーフミラー１０ｂ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、上半分のハーフミラー１０ｂ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。
　図５（ｃ）は、第１変形例に係るコンバイナ１０ｃの正面イメージ図を示している。図５（ｃ）に示すように、コンバイナ１０ｃは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａと異なり、面内において左右方向に等分割した領域のそれぞれにフレネル構造のハーフミラー１０ｃ１、１０ｃ２が形成されている。具体的には、コンバイナ１０ｃは、右半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｃ１が形成され、左半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｃ２が形成されている。右半分に形成されたハーフミラー１０ｃ１は、オフセットされていないフレネル構造が適用されている。具体的には、ハーフミラー１０ｃ１は、当該ハーフミラー１０ｃ１の中心点Ｐ３ｃ１に頂点Ｐ２ｃ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、左半分に形成されたハーフミラー１０ｃ２は、オフセットされたフレネル構造が適用されている。具体的には、ハーフミラー１０ｃ２は、当該ハーフミラー１０ｃ２の中心点Ｐ３ｃ２から左方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｃ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｃを用いた場合、右半分のハーフミラー１０ｃ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、上半分のハーフミラー１０ｃ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。
　なお、コンバイナ１０ｃにおいて、ハーフミラー１０ｃ１とハーフミラー１０ｃ２とを入れ替えたような構成を採用しても良い。つまり、ハーフミラー１０ｃ１を左半分に位置させ、ハーフミラー１０ｃ２を右半分に位置させたような構成を採用しても良い。
　（第２変形例）
　図６は、第１実施例に係る第２変形例を説明するための図を示す。図６（ａ）は、第２変形例に係るコンバイナ１０ｄ又はコンバイナ１０ｅが設置された車室内を上方及び側方から観察した図（上面図及び側面図）を概略的に示している。図６（ａ）は、コンバイナ１０ｄ又は１０ｅと運転席と助手席との位置関係を示している。図６（ａ）に示すように、第２変形例では、上記した第１実施例と異なり、運転席と助手席との中間位置の上方にコンバイナ１０ｄ又は１０ｅが設置される。
　図６（ｂ）は、第２変形例に係るコンバイナ１０ｄの正面イメージ図を示している。図６（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｄは、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｄ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｄ２が形成されている。コンバイナ１０ｄは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａと異なり、ハーフミラー１０ｄ１及びハーフミラー１０ｄ２の両方とも、オフセットされたフレネル構造が適用されている。具体的には、上半分に形成されたハーフミラー１０ｄ１は、当該ハーフミラー１０ｄ１の中心点Ｐ３ｄ１から右方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｄ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、下半分に形成されたハーフミラー１０ｄ２は、当該ハーフミラー１０ｄ２の中心点Ｐ３ｄ２から左方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｄ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｄを用いた場合、上半分のハーフミラー１０ｄ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、下半分のハーフミラー１０ｄ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。
　なお、コンバイナ１０ｄにおいて、ハーフミラー１０ｄ１とハーフミラー１０ｄ２とを入れ替えたような構成を採用しても良い。つまり、ハーフミラー１０ｄ１を下半分に位置させ、ハーフミラー１０ｄ２を上半分に位置させたような構成を採用しても良い。
　図６（ｃ）は、第２変形例に係るコンバイナ１０ｅの正面イメージ図を示している。図６（ｃ）に示すように、コンバイナ１０ｅは、第１変形例に係るコンバイナ１０ｃと同様に、右半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｅ１が形成され、左半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｅ２が形成されている。また、コンバイナ１０ｅは、上記したコンバイナ１０ｄと同様に、ハーフミラー１０ｅ１及びハーフミラー１０ｅ２の両方とも、オフセットされたフレネル構造が適用されている。具体的には、右半分に形成されたハーフミラー１０ｅ１は、当該ハーフミラー１０ｅ１の中心点Ｐ３ｅ１から右方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｅ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、左半分に形成されたハーフミラー１０ｅ２は、当該ハーフミラー１０ｅ２の中心点Ｐ３ｅ２から左方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｅ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｅを用いた場合、右半分のハーフミラー１０ｅ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、左半分のハーフミラー１０ｅ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。
　なお、コンバイナ１０ｅにおいて、ハーフミラー１０ｅ１とハーフミラー１０ｅ２とを入れ替えたような構成を採用しても良い。つまり、ハーフミラー１０ｅ１を左半分に位置させ、ハーフミラー１０ｅ２を右半分に位置させたような構成を採用しても良い。
　（第３変形例）
　図７は、第１実施例に係る第３変形例を説明するための図を示す。図７（ａ）は、第３変形例に係るコンバイナ１０ｆ又はコンバイナ１０ｇが設置された車室内を上方及び側方から観察した図（上面図及び側面図）を概略的に示している。図７（ａ）は、コンバイナ１０ｆ又は１０ｇと運転席と助手席との位置関係を示している。図７（ａ）に示すように、第３変形例では、上記した第１実施例と同様に、運転者の正面上方にコンバイナ１０ｆ又は１０ｇが設置されている。しかしながら、第３変形例では、コンバイナ１０ｆ又は１０ｇの設置角度が第１実施例とは異なる。
　図７（ｂ）は、第３変形例に係るコンバイナ１０ｆの正面イメージ図を示している。図７（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｆは、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｆ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｆ２が形成されている。コンバイナ１０ｆは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａと異なり、ハーフミラー１０ｆ１及びハーフミラー１０ｆ２の両方とも、オフセットされたフレネル構造が適用されている。また、コンバイナ１０ｆは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａと異なり、左右方向のオフセットだけでなく上下方向のオフセットも適用されている。具体的には、上半分に形成されたハーフミラー１０ｆ１は、当該ハーフミラー１０ｆ１の中心点Ｐ３ｆ１から上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｆ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、下半分に形成されたハーフミラー１０ｆ２は、当該ハーフミラー１０ｆ２の中心点Ｐ３ｆ２から左方向及び上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｆ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｆを用いた場合、上半分のハーフミラー１０ｆ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、下半分のハーフミラー１０ｆ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。
　なお、コンバイナ１０ｆにおいて、ハーフミラー１０ｆ１とハーフミラー１０ｆ２とを入れ替えたような構成を採用しても良い。つまり、ハーフミラー１０ｆ１を下半分に位置させ、ハーフミラー１０ｆ２を上半分に位置させたような構成を採用しても良い。
　図７（ｃ）は、第３変形例に係るコンバイナ１０ｇの正面イメージ図を示している。図７（ｃ）に示すように、コンバイナ１０ｇは、右半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｇ１が形成され、左半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｇ２が形成されている。また、コンバイナ１０ｇは、上記したコンバイナ１０ｆと同様に、ハーフミラー１０ｇ１及びハーフミラー１０ｇ２の両方にオフセットされたフレネル構造が適用されていると共に、左右方向のオフセットだけでなく上下方向のオフセットも適用されている。具体的には、右半分に形成されたハーフミラー１０ｇ１は、当該ハーフミラー１０ｇ１の中心点Ｐ３ｇ１から上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｇ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、左半分に形成されたハーフミラー１０ｇ２は、当該ハーフミラー１０ｇ２の中心点Ｐ３ｇ２から左方向及び上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｇ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｇを用いた場合、右半分のハーフミラー１０ｇ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、左半分のハーフミラー１０ｇ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。
　なお、コンバイナ１０ｇにおいて、ハーフミラー１０ｇ１とハーフミラー１０ｇ２とを入れ替えたような構成を採用しても良い。つまり、ハーフミラー１０ｇ１を左半分に位置させ、ハーフミラー１０ｇ２を右半分に位置させたような構成を採用しても良い。
　（第４変形例）
　図８は、第１実施例に係る第４変形例を説明するための図を示す。図８（ａ）は、第４変形例に係るコンバイナ１０ｈ又はコンバイナ１０ｉが設置された車室内を上方及び側方から観察した図（上面図及び側面図）を概略的に示している。図８（ａ）は、コンバイナ１０ｈ又は１０ｉと運転席と助手席との位置関係を示している。図８（ａ）に示すように、第４変形例では、上記した第１実施例と異なり、運転席と助手席との中間位置の上方に１０ｈ又は１０ｉが設置される。また、第４変形例では、コンバイナ１０ｈ又は１０ｉの設置角度が第１実施例とは異なる。
　図８（ｂ）は、第４変形例に係るコンバイナ１０ｈの正面イメージ図を示している。図８（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｈは、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｈ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｈ２が形成されている。コンバイナ１０ｈは、第３変形例に係るコンバイナ１０ｆと同様に、ハーフミラー１０ｈ１及びハーフミラー１０ｈ２の両方にオフセットされたフレネル構造が適用されていると共に、左右方向及び上下方向についてのオフセットが適用されている。具体的には、上半分に形成されたハーフミラー１０ｈ１は、当該ハーフミラー１０ｈ１の中心点Ｐ３ｈ１から右方向及び上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｈ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、下半分に形成されたハーフミラー１０ｈ２は、当該ハーフミラー１０ｈ２の中心点Ｐ３ｈ２から左方向及び上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｈ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｈを用いた場合、上半分のハーフミラー１０ｈ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、下半分のハーフミラー１０ｈ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。
　なお、コンバイナ１０ｈにおいて、ハーフミラー１０ｈ１とハーフミラー１０ｈ２とを入れ替えたような構成を採用しても良い。つまり、ハーフミラー１０ｈ１を下半分に位置させ、ハーフミラー１０ｈ２を上半分に位置させたような構成を採用しても良い。
　図８（ｃ）は、第４変形例に係るコンバイナ１０ｉの正面イメージ図を示している。図８（ｃ）に示すように、コンバイナ１０ｉは、右半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｉ１が形成され、左半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｉ２が形成されている。また、コンバイナ１０ｉは、上記したコンバイナ１０ｈと同様に、ハーフミラー１０ｉ１及びハーフミラー１０ｉ２の両方にオフセットされたフレネル構造が適用されていると共に、左右方向及び上下方向についてのオフセットが適用されている。具体的には、右半分に形成されたハーフミラー１０ｉ１は、当該ハーフミラー１０ｉ１の中心点Ｐ３ｉ１から右方向及び上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｉ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、左半分に形成されたハーフミラー１０ｉ２は、当該ハーフミラー１０ｉ２の中心点Ｐ３ｉ２から左方向及び上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｉ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｉを用いた場合、右半分のハーフミラー１０ｉ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、左半分のハーフミラー１０ｉ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。
　なお、コンバイナ１０ｉにおいて、ハーフミラー１０ｉ１とハーフミラー１０ｉ２とを入れ替えたような構成を採用しても良い。つまり、ハーフミラー１０ｉ１を左半分に位置させ、ハーフミラー１０ｉ２を右半分に位置させたような構成を採用しても良い。
　（第５変形例）
　図９は、第１実施例に係る第５変形例を説明するための図を示す。図９（ａ）は、第５変形例に係るコンバイナ１０ｊが設置された車室内を側方から観察した図（側面図）を概略的に示している。図９（ａ）は、コンバイナ１０ｊと運転席との位置関係を示している。第５変形例では、上記した第１実施例と同様に、運転者の正面上方にコンバイナ１０ｊが設置される。
　図９（ｂ）は、第５変形例に係るコンバイナ１０ｊの正面イメージ図を示している。図９（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｊは、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｊ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｊ２が形成されている。コンバイナ１０ｊは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａと同様に、上半分に形成されたハーフミラー１０ｊ１に対してオフセットされていないフレネル構造が適用され、下半分に形成されたハーフミラー１０ｊ２に対してオフセットされたフレネル構造が適用されている。しかしながら、コンバイナ１０ｊは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａと異なり、下半分に形成されたハーフミラー１０ｊ２に対して、左右方向ではなく上下方向についてのオフセットが適用されている。具体的には、ハーフミラー１０ｊ２は、当該ハーフミラー１０ｊ２の中心点Ｐ３ｊ２から下方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｊ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。
　このようなコンバイナ１０ｊを用いた場合、図９（ａ）に示すように、上半分のハーフミラー１０ｊ１によって、運転者が符号５０で示す場所に位置する場合の頭部付近にアイボックスが形成され、下半分のハーフミラー１０ｊ２によって、運転者が符号５１で示す場所（符号５０よりも下方の場所）に位置する場合の頭部付近にアイボックスが形成される。
　以上述べたように、第５変形例によれば、運転席の上下方向に２つのアイボックスを適切に形成することができる。これにより、運転者の座高などに応じたコンバイナ１０ｊの傾斜角度の調整が不要となる。
　（第６変形例）
　図１０は、第１実施例に係る第６変形例を説明するための図を示す。図１０（ａ）は、第６変形例に係るコンバイナ１０ｋが設置された車室内を側方から観察した図（側面図）を概略的に示している。図１０（ａ）は、コンバイナ１０ｋと運転席との位置関係を示している。第６変形例では、上記した第１実施例と同様に、運転者の正面上方にコンバイナ１０ｋが設置される。しかしながら、第６変形例では、コンバイナ１０ｋの設置角度が第１実施例とは異なる。
　図１０（ｂ）は、第６変形例に係るコンバイナ１０ｋの正面イメージ図を示している。図１０（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｋは、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｋ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｋ２が形成されている。コンバイナ１０ｋは、第５変形例に係るコンバイナ１０ｊと同様に、左右方向ではなく上下方向についてのオフセットが適用されている。この場合、コンバイナ１０ｋは、第５変形例に係るコンバイナ１０ｊと異なり、ハーフミラー１０ｋ１及びハーフミラー１０ｋ２の両方とも、上下方向についてのオフセットが適用されている。具体的には、ハーフミラー１０ｋ１は、当該ハーフミラー１０ｋ１の中心点Ｐ３ｋ１から上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｋ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、ハーフミラー１０ｋ２は、当該ハーフミラー１０ｋ２の中心点Ｐ３ｋ２から上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｋ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。
　このようなコンバイナ１０ｋを用いた場合、図１０（ａ）に示すように、上半分のハーフミラー１０ｋ１によって、運転者が符号５３で示す場所に位置する場合の頭部付近にアイボックスが形成され、下半分のハーフミラー１０ｋ２によって、運転者が符号５２で示す場所（符号５３よりも上方の場所）に位置する場合の頭部付近にアイボックスが形成される。
　以上述べたような第６変形例によっても、運転席の上下方向に２つのアイボックスを適切に形成することができ、運転者の座高などに応じたコンバイナ１０ｋの傾斜角度の調整が不要となる。
　（第７変形例）
　上記した第１実施例及び第１乃至第６変形例では、コンバイナを等分割した領域にハーフミラーを形成する例を示したが、コンバイナを等分割することに限定はされない。また、第１実施例及び第１乃至第６変形例では、コンバイナを左右方向又は上下方向に分割した領域にハーフミラーを形成する例を示したが、そのようにコンバイナを分割することに限定はされない。コンバイナを３以上の領域に分割してハーフミラーを形成しても良いし、コンバイナを種々の形状を有する領域に分割してハーフミラーを形成しても良い。
　＜第２実施例＞
　次に、第２実施例について説明する。第２実施例では、フレネル構造のハーフミラーがコンバイナの厚さ方向に複数積層される点で、第１実施例と異なる。それ以外の点は、第１実施例と同様である。具体的には、第２実施例でも、複数のハーフミラーの少なくとも一つにオフセットされたフレネル構造を適用し、そのような複数のハーフミラーによって運転席及び助手席の両方にアイボックスを形成する。
　図１１は、第２実施例に係るコンバイナ１０ｍの一例を説明するための図を示す。図１１（ａ）は、コンバイナ１０ｍが設置された車室内を上方及び側方から観察した図（上面図及び側面図）を概略的に示している。図１１（ａ）は、コンバイナ１０ｍと運転席と助手席との位置関係を示している。ここでは、運転席と助手席との中間位置の上方にコンバイナ１０ｍを設置した場合を例に挙げる。また、コンバイナ１０ｍと運転者頭部との距離Ｌ１が１０００［ｍｍ］であり、運転席と助手席との間隔Ｌ２が７００［ｍｍ］であり、そのような距離Ｌ１、Ｌ２より、コンバイナ１０ｍと運転席頭部位置及び助手席頭部位置との成す角度θ２が１９［°］となる場合を例に挙げる。加えて、コンバイナ１０ｍの基板（カバー層）の屈折率ｎが１．５９であり（基板としてポリカーボネートを用いている）、ハーフミラーに適用するフレネル構造の元になる仮想放物面の焦点距離ｆが３００［ｍｍ］であり、実像ＲＩからの光がコンバイナ１０ｍに入射する角度（入射角）θｉｎが０［°］であるものとする。
　なお、コンバイナ１０ｍと運転席頭部位置及び助手席頭部位置との成す角度θ２は、運転席及び助手席にアイボックスを形成するために必要なコンバイナ１０ｍの出射角（詳しくは後述するハーフミラー１０ｍ１、１０ｍ２の出射角）となる。つまり、前述した出射角θｏｕｔに相当する。
　図１１（ｂ）は、第２実施例に係るコンバイナ１０ｍの正面イメージ図を示しており、図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）中の切断線Ａ１－Ａ２に沿ったコンバイナ１０ｍの断面イメージ図を示している。図１１（ｃ）に示すように、フレネル構造のハーフミラー１０ｍ１、１０ｍ２は、コンバイナ１０ｍの厚さ方向に積層されている。具体的には、コンバイナ１０ｍを正面から見た場合において、ハーフミラー１０ｍ１は、ハーフミラー１０ｍ２よりも奥側に形成されている。言い換えると、ハーフミラー１０ｍ２は、ハーフミラー１０ｍ１よりも手前側に形成されている。図１１（ｂ）では、破線は、奥側に形成されたハーフミラー１０ｍ１のイメージを示しており、実線は、手前側に形成されたハーフミラー１０ｍ２のイメージを示している。
　図１１（ｂ）に示すように、ハーフミラー１０ｍ１及びハーフミラー１０ｍ２は両方とも、オフセットされたフレネル構造が適用されている。具体的には、ハーフミラー１０ｍ１は、当該ハーフミラー１０ｍ１の中心点Ｐ３ｍ（コンバイナ１０ｍ自体の中心点に相当する）から右方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｍ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。図１１に示す例では、ハーフミラー１０ｍ１は、中心点Ｐ３ｍから６６［ｍｍ］のオフセット量ＯＦＳ２ａだけ頂点Ｐ２ｍ１が右方向にずらされた仮想放物面が適用されている。他方で、ハーフミラー１０ｍ２は、当該ハーフミラー１０ｍ２の中心点Ｐ３ｍ（コンバイナ１０ｍ自体の中心点に相当する）から左方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｍ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。図１１に示す例では、ハーフミラー１０ｍ２は、中心点Ｐ３ｍから６６［ｍｍ］のオフセット量ＯＦＳ２ｂだけ頂点Ｐ２ｍ２が左方向にずらされた仮想放物面が適用されている。
　なお、６６［ｍｍ］のオフセット量ＯＦＳ２ａ、ＯＦＳ２ｂは、図４（ｂ）に示したグラフより、１９［°］の出射角θｏｕｔに対応するオフセット量ＯＦＳとして求められるものである。
　このようなコンバイナ１０ｍを用いることで、奥側のハーフミラー１０ｍ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、手前側のハーフミラー１０ｍ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。したがって、第２実施例によっても、１枚のコンバイナ１０ｍによって、運転者の頭部付近と助手席に座る同乗者の頭部付近との２箇所に、アイボックスを適切に形成することができる。
　なお、ハーフミラー１０ｍ１によって運転席の方向に出射される光の明るさと、ハーフミラー１０ｍ２によって助手席の方向に出射される光の明るさとが等しくなるように、ハーフミラー１０ｍ１の反射面Ｓ２ｍ１の反射率（反射膜などの反射率）と、ハーフミラー１０ｍ２の反射面Ｓ２ｍ２の反射率（反射膜などの反射率）とを設定することが望ましい。これを実現するためには、手前側のハーフミラー１０ｍ２の反射面Ｓ２ｍ２の反射率を「Ｒｆ」とし、奥側のハーフミラー１０ｍ１の反射面Ｓ２ｍ１の反射率を「Ｒｂ」とすると、「（１－Ｒｆ）＊Ｒｂ＝Ｒｆ」といった式が成立するような反射率Ｒｆ、Ｒｂを採用すれば良い。例えば、手前側のハーフミラー１０ｍ２の反射面Ｓ２ｍ２の反射率Ｒｆとして２０％を採用した場合、「Ｒｂ＝０．２／（１－０．２）＝０．２５」となることから、奥側のハーフミラー１０ｍ１の反射面Ｓ２ｍ１の反射率Ｒｂとして２５％を採用すれば、運転席で視認される虚像ＶＩの明るさと助手席で視認される虚像ＶＩの明るさとを揃えることができる。
　なお、上記した第１実施例及び第１乃至第７変形例で示した種々の構成例は、第２実施例に対しても適用することができる。例えば、第１実施例及び第１乃至第７変形例で示した種々のフレネル構造のパターンを、コンバイナの厚さ方向に積層することができる。
　なお、上記では２層のフレネル構造を積層する実施例を示したが、３層以上のフレネル構造を積層しても良い。
　＜第３実施例＞
　次に、第３実施例について説明する。第３実施例は、コンバイナに形成された複数のハーフミラーにおいて、仮想放物面の焦点距離が異なるフレネル構造が適用される点で、第１及び第２実施例と異なる。つまり、第３実施例では、複数のハーフミラーのそれぞれで焦点距離が異なる仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用される。こうすることで、１枚のコンバイナによって、異なる距離に位置するように視認される複数の虚像ＶＩが形成される。即ち、複数の虚像距離（コンバイナの位置と虚像ＶＩが視認される位置との距離を意味する）が実現される。
　ここで、図１２を参照して、焦点距離と虚像距離との関係について説明する。図１２において、「Ｌａ」はコンバイナ１０と実像ＲＩとの距離を示し、「Ｌｂ」はコンバイナ１０と虚像ＶＩとの距離（即ち虚像距離）を示している。コンバイナ１０のハーフミラーに適用されるフレネル構造の元になる仮想放物面の焦点距離ｆと、「Ｌａ」及び「Ｌｂ」との間には、以下の式（２）が成立する。
　１／Ｌａ－１／Ｌｂ＝１／Ｆ　　式（２）
　式（２）は、実像位置と虚像位置との関係を示す結像式であり、焦点距離ｆを変えるだけで虚像距離Ｌｂを適宜変えることができることを示している。
　次に、図１３を参照して、第３実施例に係るコンバイナ１０ｎの一例について説明する。図１３（ａ）は、コンバイナ１０ｎが設置された車室内を側方から観察した図（側面図）を概略的に示している。図１３（ａ）は、コンバイナ１０ｎと運転席との位置関係を示している。ここでは、運転者の正面上方にコンバイナ１０ｎを設置した場合を例に挙げる。また、コンバイナ１０ｎと実像ＲＩとの距離Ｌａが２００［ｍｍ］であり、コンバイナ１０ｎの基板（カバー層）の屈折率ｎが１．５９であり（基板としてポリカーボネートを用いている）、実像ＲＩからの光がコンバイナ１０ｎに入射する角度（入射角）θｉｎが０［°］である場合を例に挙げる。
　図１３（ｂ）は、第３実施例に係るコンバイナ１０ｎの正面イメージ図を示している。図１３（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｎは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａ等と同様に、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｎ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｎ２が形成されている。第３実施例では、ハーフミラー１０ｎ１とハーフミラー１０ｎ２とでは、焦点距離が互いに異なる仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。具体的には、上半分に形成されたハーフミラー１０ｎ１は、下半分に形成されたハーフミラー１０ｎ２よりも、焦点距離が短い仮想放物面が適用されている。
　図１４は、第３実施例に係るコンバイナ１０ｎによる結像イメージ図を示している。図１４（ａ）は、コンバイナ１０ｎにおいて上半分に形成されたハーフミラー１０ｎ１による結像イメージの上面図を示しており、図１４（ｂ）は、コンバイナ１０ｎにおいて下半分に形成されたハーフミラー１０ｎ２による結像イメージの上面図を示している。これにより、上半分に形成されたハーフミラー１０ｎ１のほうが、下半分に形成されたハーフミラー１０ｎ２よりも、虚像距離が長いことがわかる（Ｌｂ１＞Ｌｂ２）。例えば、上半分のハーフミラー１０ｎ１に対して、焦点距離が２２０［ｍｍ］である仮想放物面を適用し、下半分のハーフミラー１０ｎ２に対して、焦点距離が３００［ｍｍ］である仮想放物面を適用すると、上半分のハーフミラー１０ｎ１による虚像距離Ｌｂ１は２２００［ｍｍ］となり、下半分のハーフミラー１０ｎ２による虚像距離Ｌｂ２は３００［ｍｍ］となる。
　以上説明した第３実施例によれば、１枚のコンバイナ１０ｎによって、複数の虚像距離を適切に実現することができる。つまり、異なる距離に位置するように視認される複数の虚像ＶＩを適切に形成することができる。
　なお、コンバイナ１０ｎにおいて、上半分のハーフミラー１０ｎ１を利用して表示させる画像と、下半分のハーフミラー１０ｎ２を利用して表示させる画像とを変えると良い。１つの例では、上半分のハーフミラー１０ｎ１を利用して経路矢印を表示させ、下半分のハーフミラー１０ｎ２を利用して速度計を表示させることができる。他の例では、上半分のハーフミラー１０ｎ１を利用して広域地図（縮尺が小さい地図）を表示させ、下半分のハーフミラー１０ｎ２を利用して詳細地図（縮尺が大きい地図）を表示させることができる。
　なお、第３実施例と第１実施例とを組み合わせて実施しても良い。具体的には、複数のハーフミラーについて、焦点距離が異なる仮想放物面を元にしたフレネル構造を適用すると共に、複数のハーフミラーの少なくとも一つについて、オフセットされたフレネル構造を適用することができる。１つの例では、運転席と助手席とでコンバイナまでの距離が異なるが、それに因らずに運転席と助手席とで同一の虚像ＶＩ（サイズなどが同一の虚像ＶＩ）が視認されるように、焦点距離が異なると共にオフセットされたフレネル構造を複数のハーフミラーに適用することができる。他の例では、運転席での虚像距離と助手席での虚像距離とが異なるように、焦点距離が異なると共にオフセットされたフレネル構造を複数のハーフミラーに適用することができる。この例では、助手席での虚像距離が運転席での虚像距離よりも短くなるように焦点距離を設定すると良い。
　厳密に言うと、上記したコンバイナ１０ｎでも、ハーフミラー１０ｎ１、１０ｎ２はオフセットされたフレネル構造が適用されている（図１３（ｂ）参照）。こうしているのは、運転者の頭部の方向に向けて、ハーフミラー１０ｎ１、１０ｎ２の両方から適切に光が出射されるようにするためである（図１３（ａ）参照）。なお、仮想放物面の焦点距離が異なるフレネル構造と、オフセットされたフレネル構造の両方を適用することに限定はされず、オフセットされたフレネル構造を適用せずに、仮想放物面の焦点距離が異なるフレネル構造のみを適用しても良い。
　また、上記した第１実施例及び第１乃至第７変形例で示した種々の構成例は、第３実施例に対しても適用することができる。例えば、コンバイナの面内での領域の分割例や、フレネル構造のパターン例は、第３実施例に対しても適用することができる。
　更に、第３実施例と第２実施例とを組み合わせて実施しても良い。その場合、焦点距離が異なる仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用された複数のハーフミラーを、コンバイナの厚さ方向に積層すれば良い。
　＜第４実施例＞
　次に、第４実施例について説明する。第４実施例は、コンバイナに形成された複数のハーフミラーの少なくとも一つについて、焦点距離が無限大である仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用される点で、第１乃至第３実施例と異なる。
　ここで、図１５に示すように、コンバイナ１０の前段に集光レンズ１１が配置されたヘッドアップディスプレイでは、コンバイナ１０にレンズ機能を具備させる必要はない。つまり、コンバイナ１０は平面ハーフミラーでも良い。好適な例では、第４実施例は、図１５に示すような構成のヘッドアップディスプレイに適用される。
　図１６は、第４実施例に係るコンバイナ１０ｐの一例を説明するための図を示す。図１６（ａ）は、コンバイナ１０ｐが設置された車室内を上方及び側方から観察した図（上面図及び側面図）を概略的に示している。図１６（ａ）は、コンバイナ１０ｐと運転席と助手席との位置関係を示している。ここでは、運転席と助手席との中間位置の上方にコンバイナ１０ｐを設置した場合を例に挙げる。図１６（ａ）に示すように、コンバイナ１０ｐには、実像ＲＩを構成する光を集光レンズ１１で集光した光が下方から入射する。
　図１６（ｂ）は、第４実施例に係るコンバイナ１０ｐの正面イメージ図を示している。図１６（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｐは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａ等と同様に、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｐ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｐ２が形成されている。図１６（ｃ）は、コンバイナ１０ｐの上半分に形成されたハーフミラー１０ｐ１についての図１６（ｂ）中の切断線Ｂ１－Ｂ２に沿った断面イメージ図を示しており、図１６（ｄ）は、コンバイナ１０ｐの下半分に形成されたハーフミラー１０ｐ２についての図１６（ｂ）中の切断線Ｂ３－Ｂ４に沿った断面イメージ図を示している。
　図１６（ｂ）～（ｄ）に示すように、ハーフミラー１０ｐ１、１０ｐ２は両方とも、焦点距離が無限大である仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。焦点距離が無限大である仮想放物面を適用した場合、ハーフミラー１０ｐ１、１０ｐ２が有する複数の反射面は、ハーフミラー１０ｐ１、１０ｐ２の長さ方向に沿って延在するような形状を有すると共に、複数の反射面の傾きが等しくなる。また、ハーフミラー１０ｐ１、１０ｐ２は両方とも、オフセットされたフレネル構造が適用されている。例えば、上半分に形成されたハーフミラー１０ｐ１は、６６［ｍｍ］のオフセット量だけ右方向へオフセットされた仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用され、下半分に形成されたハーフミラー１０ｐ２は、６６［ｍｍ］のオフセット量だけ左方向へオフセットされた仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用される。
　このようなコンバイナ１０ｐを用いることで、上半分に形成されたハーフミラー１０ｐ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、下半分に形成されたハーフミラー１０ｐ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。したがって、第４実施例によっても、１枚のコンバイナ１０ｐによって、運転者の頭部付近と助手席に座る同乗者の頭部付近との２箇所に、アイボックスを適切に形成することができる。
　なお、ハーフミラー１０ｐ１、１０ｐ２の両方とも、焦点距離が無限大である仮想放物面を元にしたフレネル構造を適用することに限定はされず、ハーフミラー１０ｐ１、１０ｐ２の一方にのみ、焦点距離が無限大である仮想放物面を元にしたフレネル構造を適用しても良い。
　なお、上記した第１実施例及び第１乃至第７変形例で示した種々の構成例は、第４実施例に対しても適用することができる。例えば、コンバイナの面内での領域の分割例は、第４実施例に対しても適用することができる。
　また、第４実施例と第２実施例とを組み合わせて実施しても良い。その場合、焦点距離が無限大である仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されたハーフミラーを、コンバイナの厚さ方向に積層すれば良い。
　また、第４実施例と第３実施例とを組み合わせて実施しても良い。その場合、焦点距離が無限大である仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されたハーフミラーと、焦点距離が無限大でない値を有する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されたハーフミラーとを用いて、コンバイナを構成すれば良い。
　本発明は、ヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイなどに利用することができる。
　１０、１０ａ　コンバイナ
　１０ａ１、１０ａ２　ハーフミラー
　Ｐ１　焦点
　Ｐ２　頂点
　Ｓ１　仮想放物面
　Ｓ２　反射面
　ＲＩ　実像
　ＶＩ　虚像

Claims (10)

  1. 　表示像を構成する光を反射することで当該表示像を虚像として視認させる光学素子であって、
    　前記光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが複数形成されており、
    　複数の前記ハーフミラーの少なくとも一つは、前記フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されていることを特徴とする光学素子。
  2. 　前記平板を面内で分割した複数の領域に前記複数のハーフミラーが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記平板を面内で上下方向及び又は左右方向に分割した領域のそれぞれに前記ハーフミラーが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
  4. 　前記平板の厚さ方向に前記複数のハーフミラーが積層されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  5. 　前記複数のハーフミラーのそれぞれで反射されて前記光学素子から出射された光の明るさが等しくなるように、前記複数のハーフミラーのそれぞれの反射率が設定されていることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
  6. 　前記複数のハーフミラーの少なくとも一つは、前記自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心から上下方向及び／又は左右方向にずらされたフレネル構造が適用されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学素子。
  7. 　前記複数のハーフミラーは、前記自由曲面の焦点距離がそれぞれで異なるフレネル構造が更に適用されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学素子。
  8. 　前記複数のハーフミラーの少なくとも一つは、前記自由曲面の焦点距離が無限大であるフレネル構造が適用されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学素子。
  9. 　請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学素子と、前記光学素子に向けて前記表示像を構成する光を出射する光源部と、を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
  10. 　移動体に搭載され、運転席及び助手席の２箇所にアイボックスを形成することを特徴とする請求項９に記載のヘッドアップディスプレイ。
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