WO2014132817A1 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

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display light
display
light
parallel
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毅 笠原
尚 山添
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日本精機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a head-up display device.
  • a head-up display disclosed in Patent Document 1 is known as a conventional head-up display.
  • This head-up display includes a display device, a collimating lens, and a pair of parallel mirrors arranged in parallel.
  • one flat mirror is a semi-transmissive mirror that reflects a part of incident light and transmits a part thereof.
  • Light emitted from the display device (display light) is converted into parallel light by the collimating lens and is incident on a pair of parallel mirrors.
  • Parallel light incident on the pair of parallel plane mirrors is repeatedly reflected between the plane mirrors. Since one of the pair of parallel mirrors is a semi-transmissive mirror, part of the parallel light incident on the semi-transmissive mirror is emitted from the semi-transmissive mirror.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a head-up display device capable of projecting a virtual image on a curved surface.
  • a head-up display device includes: A head-up display device that emits display light onto a curved surface and projects the image represented by the display light on the curved surface as a virtual image by reflecting the display light on the curved surface, Display means for emitting display light representing the image; A pair of parallel flat mirrors on which display light emitted from the display means enters, a semi-transmissive flat mirror that reflects part of the display light and transmits part of the display light, and reflects display light to the semi-transmissive flat mirror A pair of parallel plane mirrors arranged in parallel with the plane mirror; A curved mirror that projects the image represented by the display light onto the curved surface as the virtual image by reflecting the display light transmitted through the semi-transmissive flat mirror to the curved surface; In the curved mirror, when the display light parallel to the first plane is reflected in the order of the curved mirror and the curved surface among the display light transmitted through the transflective flat mirror, the reflected display light is second. It has
  • a virtual image can be projected on a curved surface in a head-up display device.
  • FIG. 1 shows an outline of a head-up display device according to the present embodiment.
  • the left-right direction of the vehicle 200 (left-right direction of the observer's eye 1) is observed in the X axis
  • the up-down direction of the vehicle 200 (up-down direction of the observer's eye 1) is observed perpendicular to the Y-axis, X-axis, and Y-axis.
  • the person's line-of-sight direction is taken as the Z axis (FIG. 1).
  • Head-up display device 100 according to the present embodiment is installed in the dashboard of vehicle 200 as shown in FIG.
  • the head-up display device 100 emits display light L representing the virtual image V of the display image M from the emission unit 101 to the windshield 201 of the vehicle 200.
  • the display light L reflected by the windshield 201 reaches the eyes 1 of the observer.
  • An observer visually recognizes a virtual image (virtual image projected on the windshield 201) V of the display image M represented by the display light L reflected by the windshield 201.
  • the observer recognizes that the display image M is far away through the windshield 201.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the head-up display device 100 in the left-right direction of the vehicle 200 (FIG. 1)
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the head-up display device 100 in the vertical direction of the vehicle 200 (FIG. 1).
  • the left-right direction of the vehicle 200 (the left-right direction of the observer's eye 1) is the X axis
  • the up-down direction of the vehicle 200 (the up-down direction of the observer's eye 1) is the Y-axis, X-axis
  • the viewing direction of the observer perpendicular to the Y axis is taken as the Z axis (FIGS. 2 and 3).
  • the head-up display device 100 includes display means 5 disposed in the housing 102, a pair of parallel flat mirrors 40, and a curved mirror 50.
  • the head-up display device 100 includes a control unit 60 (not shown).
  • the display means 5 includes a display device 10, a folding mirror 20, and a collimating lens 30.
  • the display light L emitted from the display device 10 is reflected by the folding mirror 20 and enters the collimating lens 30.
  • the display light L is collimated by the collimating lens 30.
  • the display light L emitted from the collimating lens 30 enters the pair of parallel flat mirrors 40.
  • one plane mirror on which the display light L is incident is composed of a semi-transmissive plane mirror 41 that reflects part of the incident light and transmits part of the incident light, and the pair of parallel plane mirrors.
  • the display light L incident on 40 is repeatedly reflected between the pair of parallel flat mirrors 40, and a part of the display light L is emitted from the pair of parallel flat mirrors 40 (transmits through the semi-transmissive flat mirror 41).
  • the display light L transmitted through the semi-transmissive flat mirror 41 is reflected by the curved mirror 50 and is emitted from the emission unit 101 (FIG. 3).
  • the display light L emitted from the emission unit 101 enters the windshield 201.
  • the windshield 201 reflects the incident display light L, and the reflected display light L reaches the observer's eye 1.
  • windshield 201 is a glass having a predetermined curved surface (convex in the vehicle outward direction of vehicle 200) (FIG. 1).
  • the curved mirror 50 reflects the display light L parallel to the YZ plane out of the display light L transmitted through the incident semi-transmissive flat mirror 41 in order of the curved mirror 50 and the windshield 201, and is parallel to the YZ plane.
  • the display light L transmitted through the incident semi-transmissive flat mirror 41 is reflected to the windshield 201 so as to be L (FIGS. 1 and 3). That is, the curved mirror 50 reflects the display light L parallel to the YZ plane among the display light L transmitted through the incident semi-transmissive flat mirror 41 in order of the curved mirror 50 and the windshield 201, and is parallel to the YZ plane.
  • the display light L has a curved surface shape. Since the display light L reflected by the windshield 201 and parallel to the YZ plane is parallel light in the left-right direction of the observer's eye 1, the observer sees the display image M far away through the windshield 201. To recognize.
  • a specific configuration of the head-up display device 100 will be described. In order to facilitate understanding of the invention, the description is limited to light parallel to the YZ plane emitted from the collimating lens 30 (light parallel to the left-right direction of the eye 1 of the observer).
  • the display device 10 is a liquid crystal display device, and includes a light source 11, a diffusion plate 12, a liquid crystal display panel 13, and a heat sink 14.
  • the light source 11 includes a plurality of LEDs (Light Emitting Diodes).
  • the light source 11 emits light that illuminates the liquid crystal display panel 13.
  • the diffusion plate 12 is made of a resin such as polycarbonate colored in white.
  • the diffusion plate 12 diffuses the light emitted from the light source and uniformly illuminates the liquid crystal display panel.
  • the liquid crystal display panel 13 generates a display image M by modulating illumination light from the diffusion plate 12 in accordance with a video signal transmitted from the control unit 60 described later.
  • Display light L representing the display image M is emitted from the liquid crystal display panel 13.
  • the heat sink 14 is made of metal such as aluminum and dissipates heat generated by the light source 11.
  • the heat sink 14 is disposed on the opposite surface of the light emitting surface of the light source 11.
  • the folding mirror 20 is, for example, a flat aluminum vapor deposition mirror, and reflects the display light L emitted from the liquid crystal display panel 13 to the collimating lens 30.
  • the folding mirror 20 is disposed so as to be inclined with respect to the display surface of the liquid crystal display panel 13 in order to return and reflect the display light L (FIG. 2).
  • the collimating lens 30 is, for example, a convex lens.
  • the collimating lens 30 is disposed on the optical path of the display light L reflected by the folding mirror 20 (FIG. 2).
  • the collimating lens 30 collimates the incident display light L.
  • the collimating lens 30 has a lens optical axis P.
  • the pair of parallel plane mirrors 40 is configured by arranging a semi-transparent plane mirror 41 that reflects a part of incident light and transmits a part thereof, and a plane mirror 42 in parallel.
  • the semi-transmissive flat mirror 41 is configured by coating a dielectric multilayer film on glass, for example.
  • the flat mirror 42 is, for example, a flat aluminum vapor deposition mirror.
  • the flat mirror 42 is disposed on the collimating lens 30 side (FIG. 2). Further, the parallel planes of the pair of parallel plane mirrors 40 are arranged to be inclined with respect to the lens optical axis P of the collimator lens 30. In the present embodiment, the parallel planes of the pair of parallel plane mirrors 40 are inclined by 60 ° with respect to the lens optical axis P of the collimating lens 30 (FIG. 2).
  • the display light L emitted from the collimating lens 30 and parallel to the YZ plane is incident on the semi-transmissive flat mirror 41.
  • the outer shape of the flat mirror 42 is smaller than the outer shape of the semi-transmissive flat mirror 41 (FIG. 2).
  • the operation of the pair of parallel flat mirrors 40 will be described.
  • the parallel planes of the pair of parallel plane mirrors 40 are arranged to be inclined with respect to the lens optical axis P of the collimating lens 30, the display light L incident on the pair of parallel plane mirrors 40 is Reflection is repeated between the pair of parallel plane mirrors 40 in a state parallel to the YZ plane.
  • the ratio of the amount of transmitted light and reflected light in the semi-transmissive flat mirror 41 is 1: 9. Therefore, when the display light L is first incident on the semi-transmissive flat mirror 41, the first outgoing light from the pair of parallel flat mirrors 40 (the first transmitted light from the semi-transmissive flat mirror 41) has a light quantity of the first half.
  • the light becomes 1/10 of the display light L incident on the transmission flat mirror 41 (hereinafter referred to as display light L1). Since the display light L1 differs only in the amount of light compared to the display light L, the display light L1 represents the display image M (hereinafter referred to as the display image M1) in the same manner as the display light L (however, in this embodiment)
  • the display image M1 is an image obtained by inverting the left and right of the display image M).
  • the display light L is light parallel to the YZ plane, and the transflective flat mirror 41 and the flat mirror 42 are arranged in parallel. Therefore, the display light L1 is a pair of parallel flat mirrors as light parallel to the YZ plane. 40.
  • the display light L first incident on the semi-transmissive flat mirror 41 is reflected in the order of the semi-transmissive flat mirror 41 and the flat mirror 42 and enters the semi-transmissive flat mirror 41 again (second time).
  • the display light L2 representing the display image M (hereinafter, the display image M2) is emitted from the pair of parallel flat mirrors 40 as in the first case. .
  • the display light L Since the display light L is repeatedly reflected between the pair of parallel flat mirrors 40, when the display light L is incident n times on the transflective flat mirror 41, the display lights L1 to Ln representing the display images M1 to Mn are paired in parallel. The light is emitted from the plane mirror 40. That is, from the pair of parallel flat mirrors 40, display light L (display light L1) representing n display images M (display images M1 to Mn) along the X-axis direction (the left-right direction of the eye 1 of the observer). ⁇ Ln) will be emitted.
  • the display light L emitted from the pair of parallel flat mirrors 40 (transmitted through the semi-transmissive flat mirror 41) is reflected on the windshield 201, and the observer visually recognizes the virtual image V projected on the windshield 201.
  • the display light L emitted from the pair of parallel plane mirrors 40 represents n display images M along the left-right direction of the observer's eye 1
  • the windshield 201 extends along the left-right direction of the observer's eye 1.
  • n virtual images V are projected. Therefore, an observer (for example, a driver of the vehicle 200) can visually recognize the virtual image V in a wide range in the left-right direction. That is, the observer can recognize the display image M as far away in a wide range in the left-right direction.
  • the curved mirror 50 is, for example, an aluminum vapor deposition mirror, and is disposed on the optical path of the display light L that has passed through the semi-transmissive flat mirror 41.
  • the curved mirror 50 reflects the display light L transmitted through the semi-transmissive flat mirror 41 through the emitting unit 101 to the windshield 201.
  • the curved mirror 50 reflects the display light L incident as light parallel to the YZ plane in the order of the curved mirror 50 and the windshield 201, and becomes display light (FIGS. 1 and 3) parallel to the YZ plane. reflect.
  • the curved mirror 50 has a curved shape in which the display light L parallel to the YZ plane transmitted through the semi-transmissive flat mirror 41 is reflected in the order of the curved mirror 50 and the windshield 201 to become light parallel to the YZ plane. .
  • the curved surface shape of the curved mirror 50 can be obtained from the curved surface shape of the windshield 201 using commercially available optical simulation software (for example, CODEV manufactured by Synopsys, OSLO manufactured by Lambda Research, etc.).
  • optical simulation software for example, CODEV manufactured by Synopsys, OSLO manufactured by Lambda Research, etc.
  • the curved surface shape of the curved mirror 50 obtained by optical simulation will be described with reference to FIGS.
  • the curved mirror 50 and the windshield 201 have the arbitrary reference points S1 and S2 as the origin, and the ⁇ axis in the direction perpendicular to the convex surface, the ⁇ axis in the left-right direction of the vehicle 200, the ⁇ axis, and the ⁇ axis. It was assumed to have a ⁇ axis in the direction (FIGS. 5 and 6).
  • the ⁇ plane (FIGS. 5 and 6) corresponds to the YZ plane (FIGS. 1 and 3) described above.
  • the curved mirror 50 has a convex surface toward the pair of parallel flat mirrors 40, and the curved mirror 50 is arranged so that the angle formed between the ⁇ -axis and the Z-axis of the curved mirror 50 is 30 ° (FIG. 6). ). Further, the distance between the reference point S1 of the curved mirror 50 and the semi-transmissive flat mirror 41 in the direction parallel to the Z axis was set to 180 mm (FIG. 5).
  • the curved surface shape of the windshield 201 is a concave surface (convex surface in the direction outside the vehicle) toward the inside of the vehicle 200, the curvature radius R ⁇ in the ⁇ -axis direction (the curvature radius related to the cross section of the windshield 201) is 3000 mm, and the ⁇ -axis direction.
  • the radius of curvature R ⁇ (the radius of curvature related to the longitudinal section of the windshield 201) was set to 15000 mm (FIG. 5).
  • the windshield 201 is arranged such that the angle between the ⁇ -axis and the Z-axis of the windshield 201 is 60 °, and the distance between the reference point S2 of the windshield 201 and the reference point S1 of the curved mirror 50 is 250 mm (FIG. 6). ). Further, the distance between the observer's eye 1 and the reference point S2 of the windshield 201 was set to 500 mm (FIG. 5).
  • the curvature radius R ⁇ in the ⁇ -axis direction (curvature radius related to the transverse section of the curved mirror 50): 5000 mm
  • the curvature radius R ⁇ in the ⁇ -axis direction (curvature related to the longitudinal section of the curved mirror 50 Radius): 10000 mm was obtained.
  • the curved surface shape of the curved mirror 50 can be obtained from the curved surface shape of the windshield 201 by optical simulation.
  • the curved mirror 50 includes a rotating unit 51 having the X axis as a rotation axis. By rotating the rotating unit 51 with a stepping motor 52 (not shown), the projection position of the virtual image V on the windshield 201 in the Y-axis direction (FIG. 1) can be adjusted.
  • the head-up display device 100 includes the curved mirror 50 described above, the display light L reflected by the curved mirror 50 and emitted from the head-up display device 100 is reflected by the windshield 201 and is shown in FIG.
  • the light is parallel in the left-right direction of the eye 1 (light parallel to the YZ plane). Therefore, the observer visually recognizes a virtual image (virtual image projected on the windshield 201) V of the display image M represented by the display light L reflected by the windshield 201, and the display image M seems to be far away through the windshield 201. To recognize.
  • control unit 60 controls the light source 11, the liquid crystal display panel 13, the stepping motor 52, and the like.
  • the control unit 60 controls the liquid crystal display panel 13 by transmitting a video signal to the liquid crystal display panel 13.
  • the control unit 60 includes a CPU (Central Processing Unit) 61, a ROM (Read Only Memory) 62, a general-purpose memory 63, a video memory 64, an external interface 65, and the like.
  • the external interface 65 is connected to a CAN (Control Area Network) bus 67 for transmitting and receiving information on the light source 11, the liquid crystal display panel 13, the stepping motor 52, and the vehicle 200.
  • the external interface 65 is connected to an input unit 66 that receives key inputs for adjusting the brightness of the light source 11 and the angle of the curved mirror 50.
  • the head-up display device 100 can project the virtual image V on a curved surface, and the observer can distant the display image M in a wide range in the left-right direction. Can be recognized. This is realized by the following configuration.
  • a head-up display device 100 that emits display light L to a curved surface and reflects the image M represented by the display light L as a virtual image V on the curved surface by the display light L being reflected by the curved surface, and the display light representing the image M
  • a display means 5 that emits L, and a pair of parallel flat mirrors 40 on which the display light L emitted from the display means 5 is incident, and a semi-transmissive flat mirror 41 that reflects part of the display light L and transmits part of it.
  • a pair of parallel flat mirrors 40 arranged in parallel with the flat mirror 42 that reflects the display light L to the semi-transmissive flat mirror 41, and the display light L that has passed through the semi-transmissive flat mirror 41 is reflected to the curved surface.
  • a curved mirror 50 that projects the image M represented by the display light L as a virtual image V onto a curved surface, and the curved mirror 50 displays parallel to the first plane of the display light L transmitted through the semi-transmissive flat mirror 41.
  • Light L is curved surface -50, when it is reflected in the order of curved surface, the display light L reflected display light L represents a virtual image V parallel to the second plane, it has a curved shape.
  • the curved mirror 50 may have a curved surface shape in which the display light L representing the virtual image V reflected by the curved surface becomes the display light L traveling in substantially the same direction. Further, the curved mirror 50 may have a convex surface toward the semi-transmissive flat mirror 41.
  • the curved mirror 50 may have a curved surface shape in which the display light L reflected by the curved surface onto which the virtual image V is projected becomes parallel light.
  • the first plane and the second plane may be the same plane or different planes.
  • the display means 5 can also be composed of the display device 10 and the collimating lens 30. Further, the display means 5 may be configured from the display device 10.
  • an organic EL (Electroluminescence) display, a projection display, or the like can be used as the display device 10. Further, the display device 10 may be provided with a condensing means such as a microlens array or a parallelizing means for the display light L.
  • a condensing means such as a microlens array or a parallelizing means for the display light L.
  • the collimating lens 30 may be an optical system in which a plurality of convex lenses, a convex lens, and a concave lens are combined.
  • a lenticular lens can also be used as the collimating lens 30.
  • the curved surface on which the virtual image V is projected is not limited to the windshield 201 of the vehicle 200.
  • the curved surface on which the virtual image V is projected may be, for example, a curved glass or a spectacle lens in a building.
  • the present invention can be applied as a head-up display device that projects an image on a windshield or the like of a vehicle and displays a virtual image.

Abstract

　曲面に虚像を投影できるヘッドアップディスプレイ装置を提供する。　ヘッドアップディスプレイ装置１００は、像を表す表示光Ｌを出射する表示手段５と、表示手段５が出射した表示光Ｌが入射し、表示光Ｌの一部を反射し一部を透過する半透過平面ミラー４１と、表示光Ｌを半透過平面ミラー４１へ反射する平面ミラー４２とが平行に配置される一対の平行平面ミラー４０と、半透過平面ミラー４１を透過した表示光Ｌを曲面へ反射することによって、表示光Ｌが表す像を虚像として曲面に投影する曲面ミラー５０とを備える。曲面ミラー５０は、半透過平面ミラー４１を透過した表示光Ｌのうち、第１の平面に平行な表示光Ｌが曲面ミラー５０、曲面の順に反射された場合、反射された表示光Ｌが第２の平面に平行な虚像を表す表示光Ｌとなる、曲面形状を有する。

Description

ヘッドアップディスプレイ装置
　本発明はヘッドアップディスプレイ装置に関する。
　従来のヘッドアップディスプレイとして、特許文献１に開示されたヘッドアップディスプレイが知られている。このヘッドアップディスプレイは、表示デバイスと、コリメートレンズと、一対の平行に配置された平面ミラーとから構成されている。一対の平面ミラーのうち、一方の平面ミラーは、入射した光の一部を反射し一部を透過する半透過ミラーである。表示デバイスから出射した光（表示光）は、コリメートレンズによって平行な光となり、一対の平行に配置された平面ミラーに入射する。一対の平行に配置された平面ミラーに入射した平行な光は、平面ミラーの間で反射を繰り返す。一対の平行に配置された平面ミラーのうちの一方の平面ミラーは、半透過ミラーであるので、半透過ミラーに入射した平行な光の一部が、半透過ミラーから出射する。この半透過ミラーから出射した平行な光が平面透明板（いわゆるコンバイナ）で反射され、その平行な光が観察者の眼に達する。観察者の眼には平行な光が入射するので、観察者がコンバイナに投影された虚像を見ることによって、観察者は遠方に表示像があるように認識する。
国際公開第２０１０／０９２４０９号
　特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイでは、ヘッドアップディスプレイから平行な光が出射するので、虚像を曲面に投影することはできない。すなわち、虚像が曲面に投影されると、観察者の眼に平行でない光が入射するので、観察者には遠方に表示像があるように認識されない。
　本発明は上記を鑑みてなされたものであり、曲面に虚像を投影できるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、
　曲面に表示光を出射し、前記表示光が前記曲面で反射することによって、前記表示光が表す像を虚像として前記曲面に投影するヘッドアップディスプレイ装置であって、
　前記像を表す表示光を出射する表示手段と、
　前記表示手段が出射した表示光が入射する一対の平行平面ミラーであって、表示光の一部を反射し一部を透過する半透過平面ミラーと、表示光を前記半透過平面ミラーへ反射する平面ミラーとが平行に配置される一対の平行平面ミラーと、
　前記半透過平面ミラーを透過した表示光を前記曲面へ反射することによって、前記表示光が表す像を前記虚像として前記曲面に投影する曲面ミラーとを備え、
　前記曲面ミラーは、前記半透過平面ミラーを透過した表示光のうち、第１の平面に平行な表示光が前記曲面ミラー、前記曲面の順に反射された場合、該反射された表示光が第２の平面に平行な前記虚像を表す表示光となる、曲面形状を有する、
　ことを特徴とする。
　本発明によれば、ヘッドアップディスプレイ装置において、曲面に虚像を投影できる。
本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す概略断面図である。 本発明の本実施の形態に係る一対の平行平面ミラーにおける表示光の光路を示す模式図である。 本発明の本実施の形態に係る光学シミュレーションを説明するための模式図である。 本発明の本実施の形態に係る光学シミュレーションを説明するための模式図である。 本発明の本実施の形態に係る制御部の構成を示す構成図である。
（実施の形態）
　本発明の実施の形態について、図１～図７を参照して説明する。
　図１に本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略を示す。ここで、車両２００の左右方向（観察者の眼１の左右方向）をＸ軸、車両２００の上下方向（観察者の眼１の上下方向）をＹ軸、Ｘ軸およびＹ軸に垂直で観察者の視線方向をＺ軸とする（図１）。
　本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００は、図１に示すように、車両２００のダッシュボード内に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置１００は、出射部１０１から表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光Ｌを車両２００のフロントガラス２０１へ出射する。フロントガラス２０１に反射された表示光Ｌは、観察者の眼１に達する。観察者はフロントガラス２０１に反射された表示光Ｌが表す表示画像Ｍの虚像（フロントガラス２０１に投影された虚像）Ｖを視認する。観察者はフロントガラス２０１を通して、表示画像Ｍが遠方にあるように認識する。
　図２は、ヘッドアップディスプレイ装置１００の車両２００（図１）における左右方向の断面の概略、図３は、ヘッドアップディスプレイ装置１００の車両２００（図１）における上下方向の断面の概略を示す。ここで、図１と同様に、車両２００の左右方向（観察者の眼１の左右方向）をＸ軸、車両２００の上下方向（観察者の眼１の上下方向）をＹ軸、Ｘ軸およびＹ軸に垂直で観察者の視線方向をＺ軸とする（図２、３）。
　ヘッドアップディスプレイ装置１００は、図２に示すように、筐体１０２内に配置された表示手段５と、一対の平行平面ミラー４０と、曲面ミラー５０とを備える。また、ヘッドアップディスプレイ装置１００は制御部６０（図示せず）を備える。
　また、表示手段５は、表示デバイス１０と、折り返しミラー２０と、コリメートレンズ３０とを備える。
　表示デバイス１０から出射した表示光Ｌは、折り返しミラー２０によって反射され、コリメートレンズ３０に入射する。表示光Ｌはコリメートレンズ３０によって、平行化される。コリメートレンズ３０から出射した表示光Ｌは、一対の平行平面ミラー４０に入射する。一対の平行平面ミラーのうち、表示光Ｌが入射する一方の平面ミラーは、入射した光の一部を反射し一部を透過する半透過平面ミラー４１で構成されており、一対の平行平面ミラー４０に入射した表示光Ｌは、一対の平行平面ミラー４０の間で反射を繰り返しつつ、一部の表示光Ｌは一対の平行平面ミラー４０から出射する（半透過平面ミラー４１を透過する）。
　半透過平面ミラー４１を透過した表示光Ｌは、曲面ミラー５０によって反射され、出射部１０１から出射する（図３）。出射部１０１から出射した表示光Ｌはフロントガラス２０１に入射する。フロントガラス２０１は入射した表示光Ｌを反射し、反射された表示光Ｌは観察者の眼１に達する。
　本実施の形態において、フロントガラス２０１は所定の曲面（車両２００の車外方向に凸）を有するガラスである（図１）。曲面ミラー５０は、入射した半透過平面ミラー４１を透過した表示光Ｌのうち、ＹＺ平面に平行な表示光Ｌが、曲面ミラー５０、フロントガラス２０１の順に反射され、ＹＺ平面に平行な表示光Ｌ（図１、３）となるよう、入射した半透過平面ミラー４１を透過した表示光Ｌをフロントガラス２０１へ反射する。すなわち、曲面ミラー５０は、入射した半透過平面ミラー４１を透過した表示光Ｌのうち、ＹＺ平面に平行な表示光Ｌが、曲面ミラー５０、フロントガラス２０１の順に反射され、ＹＺ平面に平行な表示光Ｌとなる、曲面形状を有する。フロントガラス２０１によって反射された、ＹＺ平面に平行な表示光Ｌは、観察者の眼１の左右方向で平行な光であるので、観察者はフロントガラス２０１を通して、表示画像Ｍが遠方にあるように認識する。
　ヘッドアップディスプレイ装置１００の具体的な構成について説明する。なお、発明の理解を容易にするために、コリメートレンズ３０から出射したＹＺ平面に平行な光（観察者の眼１の左右方向で平行な光）に限定して説明する。
（表示デバイス、折り返しミラー、コリメートレンズ）
　本実施の形態において、表示デバイス１０は液晶表示デバイスであり、光源１１と、拡散板１２と、液晶表示パネル１３と、ヒートシンク１４とから構成される。光源１１は複数のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）から構成される。光源１１は、液晶表示パネル１３を照明する光を出射する。拡散板１２は白色に着色されたポリカーボネート等の樹脂から構成される。拡散板１２は光源が出射した光を拡散し、液晶表示パネルを均一に照明する。液晶表示パネル１３は、後述する制御部６０から送信される映像信号に従って、拡散板１２からの照明光を変調することによって、表示画像Ｍを生成する。液晶表示パネル１３からは、表示画像Ｍを表す表示光Ｌが出射される。
　ヒートシンク１４はアルミニウム等の金属で構成され、光源１１で発生する熱を放散する。ヒートシンク１４は、光源１１の光を出射する面の反対面に配置される。
　折り返しミラー２０は、例えば、平面アルミ蒸着ミラーであり、液晶表示パネル１３が出射した表示光Ｌを、コリメートレンズ３０へ反射する。折り返しミラー２０は、表示光Ｌを折り返して反射するために、液晶表示パネル１３の表示面に対して傾斜して配置される（図２）。
　コリメートレンズ３０は、例えば、凸レンズである。コリメートレンズ３０は、折り返しミラー２０が反射した表示光Ｌの光路上に配置される（図２）。コリメートレンズ３０は、入射した表示光Ｌを平行化する。また、コリメートレンズ３０はレンズ光軸Ｐを有する。
（一対の平行平面ミラー）
　一対の平行平面ミラー４０は、入射した光の一部を反射し一部を透過する半透過平面ミラー４１と、平面ミラー４２とが平行に配置されることによって、構成される。半透過平面ミラー４１は、例えば、ガラスに誘電体多層膜をコーティングして構成される。平面ミラー４２は、例えば、平面アルミ蒸着ミラーである。本実施の形態の半透過平面ミラー４１における透過光と反射光の光量比は、透過光：反射光＝１：９である。
　一対の平行平面ミラー４０は、平面ミラー４２がコリメートレンズ３０側に配置される（図２）。また、一対の平行平面ミラー４０の平行な平面は、コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐに対して傾いて配置される。本実施の形態においては、一対の平行平面ミラー４０の平行な平面はコリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐに対して６０°傾斜する（図２）。
　コリメートレンズ３０から出射したＹＺ平面に平行な表示光Ｌは、半透過平面ミラー４１に入射する。なお、表示光Ｌの光路を確保するため、平面ミラー４２の外形は、半透過平面ミラー４１の外形よりも小さい（図２）。
　図４を参照して、一対の平行平面ミラー４０の作用について説明する。
　本実施の形態では、一対の平行平面ミラー４０の平行な平面は、コリメートレンズ３０のレンズ光軸Ｐに対して傾いて配置されるので、一対の平行平面ミラー４０に入射した表示光Ｌは、ＹＺ平面に平行な状態で、一対の平行平面ミラー４０の間で反射を繰り返す。また、半透過平面ミラー４１における透過光と反射光の光量比は１：９である。したがって、表示光Ｌが最初に半透過平面ミラー４１に入射した場合、一対の平行平面ミラー４０からの最初の出射光（半透過平面ミラー４１からの最初の透過光）は、光量が最初に半透過平面ミラー４１に入射した表示光Ｌの１／１０の光となる（以下、表示光Ｌ１）。表示光Ｌ１は、表示光Ｌと比較して光量が異なるだけであるので、表示光Ｌ１は、表示光Ｌと同様に、表示画像Ｍ（以下、表示画像Ｍ１）を表す（ただし、本実施の形態では、表示デバイス１０と一対の平行平面ミラー４０との間に折り返しミラー２０が設けられているので、表示画像Ｍ１は、表示画像Ｍの左右が反転した画像となる）。また、表示光ＬはＹＺ平面に平行な光であり、半透過平面ミラー４１と平面ミラー４２とは平行に配置されているので、表示光Ｌ１はＹＺ平面に平行な光として一対の平行平面ミラー４０から出射する。
　一方、最初に半透過平面ミラー４１に入射した表示光Ｌは、半透過平面ミラー４１、平面ミラー４２の順に反射され、再度（２回目）、半透過平面ミラー４１に入射する。表示光Ｌが２回目に半透過平面ミラー４１に入射した場合、最初の場合と同様に、一対の平行平面ミラー４０から、表示画像Ｍ（以下、表示画像Ｍ２）を表す表示光Ｌ２が出射する。
　表示光Ｌは一対の平行平面ミラー４０の間で反射を繰り返しので、表示光Ｌが半透過平面ミラー４１にｎ回入射した場合、表示画像Ｍ１～Ｍｎを表す表示光Ｌ１～Ｌｎが一対の平行平面ミラー４０から出射される。すなわち、一対の平行平面ミラー４０からは、Ｘ軸方向（観察者の眼１の左右方向）に沿って、ｎ個の表示画像Ｍ（表示画像Ｍ１～Ｍｎ）を表す表示光Ｌ（表示光Ｌ１～Ｌｎ）が出射することとなる。
　一対の平行平面ミラー４０から出射した（半透過平面ミラー４１を透過した）表示光Ｌは、後述のように、フロントガラス２０１に反射され、観察者はフロントガラス２０１に投影された虚像Ｖを視認する。一対の平行平面ミラー４０から出射した表示光Ｌは、観察者の眼１の左右方向に沿ったｎ個の表示画像Ｍを表すので、フロントガラス２０１には観察者の眼１の左右方向に沿って、ｎ個の虚像Ｖが投影される。したがって、観察者（例えば、車両２００の運転者）は、左右方向の広い範囲で、虚像Ｖを視認できる。すなわち、観察者は、左右方向の広い範囲で、表示画像Ｍが遠方にあるように認識できる。
（曲面ミラー）
　曲面ミラー５０は、例えば、アルミ蒸着ミラーであり、半透過平面ミラー４１を透過した表示光Ｌの光路上に配置される。曲面ミラー５０は、出射部１０１を通して、半透過平面ミラー４１を透過した表示光Ｌを、フロントガラス２０１へ反射する。この場合、曲面ミラー５０は、ＹＺ平面に平行な光として入射した表示光Ｌが曲面ミラー５０、フロントガラス２０１の順に反射され、ＹＺ平面に平行な表示光（図１、３）となるように反射する。すなわち、曲面ミラー５０は、半透過平面ミラー４１を透過したＹＺ平面に平行な表示光Ｌが、曲面ミラー５０、フロントガラス２０１の順に反射され、ＹＺ平面に平行な光となる、曲面形状を有する。
　曲面ミラー５０が有する曲面形状は、フロントガラス２０１の曲面形状から、市販の光学シミュレーションソフト（例えば、Ｓｙｎｏｐｓｙｓ社製ＣＯＤＥＶ、Ｌａｍｂｄａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ社製ＯＳＬＯ等）を使用して、得ることができる。
　図５、６を参照して、光学シミュレーションによって得られる曲面ミラー５０の曲面形状について説明する。
　光学シミュレーションにおいては、曲面ミラー５０、フロントガラス２０１は任意の基準点Ｓ１、Ｓ２を原点として、凸面に垂直な方向にγ軸、車両２００の左右方向にα軸、α軸およびγ軸に垂直な方向にβ軸を有すると仮定した（図５、６）。光学シミュレーションにおいては、βγ平面（図５、６）が上述したＹＺ平面（図１、３）に相当する。
　曲面ミラー５０は、一対の平行平面ミラー４０に向けて凸面を有するとし、曲面ミラー５０を、曲面ミラー５０のγ軸とＺ軸とのなす角が３０°となるように配置した（図６）。また、Ｚ軸に平行な方向における、曲面ミラー５０の基準点Ｓ１と半透過平面ミラー４１との距離を１８０ｍｍとした（図５）。
　フロントガラス２０１の曲面形状は、車両２００の内部に向けて凹面（車外の方向に凸面）であり、α軸方向の曲率半径Ｒα（フロントガラス２０１の横断面に関する曲率半径）が３０００ｍｍ、β軸方向の曲率半径Ｒβ（フロントガラス２０１の縦断面に関する曲率半径）が１５０００ｍｍとした（図５）。また、フロントガラス２０１を、フロントガラス２０１のγ軸とＺ軸とのなす角を６０°、フロントガラス２０１の基準点Ｓ２と曲面ミラー５０の基準点Ｓ１との距離を２５０ｍｍに配置した（図６）。
　さらに、観察者の眼１とフロントガラス２０１の基準点Ｓ２との距離を５００ｍｍに設定した（図５）。
　以上の条件において、曲面ミラー５０に入射したβγ平面に平行な光がフロントガラス２０１へ反射され、フロントガラス２０１に入射した光がβγ平面に平行な光として反射される、曲面ミラー５０の曲面形状（曲率）を光学シミュレーションによって、決定した。
　光学シミュレーションの結果、曲面ミラー５０の曲面形状として、α軸方向の曲率半径Ｒα（曲面ミラー５０の横断面に関する曲率半径）：５０００ｍｍ、β軸方向の曲率半径Ｒβ（曲面ミラー５０の縦断面に関する曲率半径）：１００００ｍｍが得られた。
　以上のように、フロントガラス２０１の曲面形状から、光学シミュレーションによって曲面ミラー５０の曲面形状を得ることができる。
　なお、曲面ミラー５０はＸ軸を回転軸とする回転部５１を備える。この回転部５１をステッピングモーター５２（図示せず）で回転させることによって、フロントガラス２０１における虚像ＶのＹ軸方向（図１）の投影位置を調整することができる。
　ヘッドアップディスプレイ装置１００は上記の曲面ミラー５０を備えるので、曲面ミラー５０によって反射され、ヘッドアップディスプレイ装置１００から出射した表示光Ｌは、フロントガラス２０１に反射されて、図５に示す観察者の眼１の左右方向で平行な光（ＹＺ平面に平行な光）となる。したがって、観察者はフロントガラス２０１に反射された表示光Ｌが表す表示画像Ｍの虚像（フロントガラス２０１に投影された虚像）Ｖを視認し、フロントガラス２０１を通して、表示画像Ｍが遠方にあるように認識する。
（制御部）
　制御部６０は、図７に示すように、光源１１、液晶表示パネル１３、ステッピングモーター５２等を制御する。例えば、制御部６０は液晶表示パネル１３に映像信号を送信することにより、液晶表示パネル１３を制御する。制御部６０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）６１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）６２、汎用メモリ６３、ビデオメモリ６４、外部インターフェース６５等から構成される。外部インターフェース６５は、光源１１、液晶表示パネル１３、ステッピングモーター５２、車両２００に関する情報等を送受信するためのＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）バス６７と接続される。また、外部インターフェース６５は、光源１１の明るさや曲面ミラー５０の角度を調整するためのキー入力を受け付ける入力手段６６と接続される。
　上記実施の形態で説明したヘッドアップディスプレイ装置１００によれば、ヘッドアップディスプレイ装置１００は曲面に虚像Ｖを投影でき、観察者は、左右方向の広い範囲で、表示画像Ｍが遠方にあるように認識できる。これは、以下の構成によって実現される。
　曲面に表示光Ｌを出射し、表示光Ｌが曲面で反射することによって、表示光Ｌが表す像Ｍを虚像Ｖとして曲面に投影するヘッドアップディスプレイ装置１００であって、像Ｍを表す表示光Ｌを出射する表示手段５と、表示手段５が出射した表示光Ｌが入射する一対の平行平面ミラー４０であって、表示光Ｌの一部を反射し一部を透過する半透過平面ミラー４１と、表示光Ｌを半透過平面ミラー４１へ反射する平面ミラー４２とが平行に配置される一対の平行平面ミラー４０と、半透過平面ミラー４１を透過した表示光Ｌを曲面へ反射することによって、表示光Ｌが表す像Ｍを虚像Ｖとして曲面に投影する曲面ミラー５０とを備え、曲面ミラー５０は、半透過平面ミラー４１を透過した表示光Ｌのうち、第１の平面に平行な表示光Ｌが曲面ミラー５０、曲面の順に反射された場合、反射された表示光Ｌが第２の平面に平行な虚像Ｖを表す表示光Ｌとなる、曲面形状を有する。
　曲面ミラー５０は、前記曲面に反射された虚像Ｖを表す表示光Ｌが、略同一方向に進行する表示光Ｌとなる、曲面形状を有してもよい。また、曲面ミラー５０は半透過平面ミラー４１に向けて凸面を有してもよい。
　曲面ミラー５０は、虚像Ｖが投影される曲面が反射した表示光Ｌが、平行光となる、曲面形状を有してもよい。
　第１の平面と第２の平面は、同一の平面であっても、異なる平面であっても構わない。
　表示手段５は、表示デバイス１０とコリメートレンズ３０とから構成することもできる。さらに、表示手段５は表示デバイス１０から構成されてもよい。
　表示デバイス１０としては、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｅｎｃｅ）ディスプレイ、プロジェクション方式のディスプレイ等を用いることができる。また、表示デバイス１０にマイクロレンズアレイ等の集光手段、あるいは表示光Ｌの平行光化手段を設けてもよい。
　コリメートレンズ３０は、複数の凸レンズ、凸レンズと凹レンズ等を組み合わせた光学系であってもよい。また、コリメートレンズ３０には、レンチキュラーレンズを使用することもできる。
　虚像Ｖが投影される曲面は、車両２００のフロントガラス２０１に限定されない。虚像Ｖが投影される曲面は、例えば、建築物における湾曲したガラス、メガネレンズ等であってもよい。
　以上の説明では、本発明の理解を容易にするために、重要でない公知の技術的事項の説明を適宜省略した。

　本発明は、車両のウインドシールド等に像を投影し、虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置として適用することができる。
　　　１　　　　　　　　　　観察者の眼
　　　５　　　　　　　　　　表示手段
　　１０　　　　　　　　　　表示デバイス（液晶表示デバイス）
　　１１　　　　　　　　　　光源
　　１２　　　　　　　　　　拡散板
　　１３　　　　　　　　　　液晶表示パネル
　　１４　　　　　　　　　　ヒートシンク
　　２０　　　　　　　　　　折り返しミラー
　　３０　　　　　　　　　　コリメートレンズ
　　４０　　　　　　　　　　一対の平行平面ミラー
　　４１　　　　　　　　　　半透過平面ミラー
　　４２　　　　　　　　　　平面ミラー
　　５０　　　　　　　　　　曲面ミラー
　　５１　　　　　　　　　　回転部
　　５２　　　　　　　　　　ステッピングモーター
　　６０　　　　　　　　　　制御部
　　６１　　　　　　　　　　ＣＰＵ
　　６２　　　　　　　　　　ＲＯＭ
　　６３　　　　　　　　　　汎用メモリ
　　６４　　　　　　　　　　ビデオメモリ
　　６５　　　　　　　　　　外部インターフェース
　　６６　　　　　　　　　　入力手段
　　６７　　　　　　　　　　ＣＡＮバス
　１００　　　　　　　　　　ヘッドアップディスプレイ装置
　１０１　　　　　　　　　　出射部
　１０２　　　　　　　　　　筐体
　２００　　　　　　　　　　車両
　２０１　　　　　　　　　　フロントガラス
　　　Ｍ　　　　　　　　　　表示画像（像）
　　　Ｌ　　　　　　　　　　表示光
　　　Ｐ　　　　　　　　　　コリメートレンズの光軸
　　　Ｖ　　　　　　　　　　虚像
　　Ｓ１　　　　　　　　　　基準点
　　Ｓ２　　　　　　　　　　基準点

Claims (3)

  1. 　曲面に表示光を出射し、前記表示光が前記曲面で反射することによって、前記表示光が表す像を虚像として前記曲面に投影するヘッドアップディスプレイ装置であって、
    　前記像を表す表示光を出射する表示手段と、
    　前記表示手段が出射した表示光が入射する一対の平行平面ミラーであって、表示光の一部を反射し一部を透過する半透過平面ミラーと、表示光を前記半透過平面ミラーへ反射する平面ミラーとが平行に配置される一対の平行平面ミラーと、
    　前記半透過平面ミラーを透過した表示光を前記曲面へ反射することによって、前記表示光が表す像を前記虚像として前記曲面に投影する曲面ミラーとを備え、
    　前記曲面ミラーは、前記半透過平面ミラーを透過した表示光のうち、第１の平面に平行な表示光が前記曲面ミラー、前記曲面の順に反射された場合、該反射された表示光が第２の平面に平行な前記虚像を表す表示光となる、曲面形状を有する、
    　ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  2. 　前記曲面ミラーは、前記曲面に反射された前記虚像を表す表示光が、略同一方向に進行する表示光となる、曲面形状を有する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  3. 　前記曲面ミラーは、前記半透過平面ミラーに向けて凸面を有する、
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
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