WO2016079927A1 - ヘッドアップディスプレイ及び車両 - Google Patents

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WO2016079927A1
WO2016079927A1 PCT/JP2015/005330 JP2015005330W WO2016079927A1 WO 2016079927 A1 WO2016079927 A1 WO 2016079927A1 JP 2015005330 W JP2015005330 W JP 2015005330W WO 2016079927 A1 WO2016079927 A1 WO 2016079927A1
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mirror
display
head
reflecting
reflection
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PCT/JP2015/005330
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聡 葛原
裕昭 岡山
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a head-up display that allows an observer to visually recognize an image displayed on a display surface of a display device as a virtual image via a projection optical system.
  • Patent Document 1 discloses a head-up display that includes a Fresnel lens and a concave mirror, expands an image displayed on a display surface with the Fresnel lens, and allows an observer to visually recognize the image as a virtual image.
  • Patent Document 2 discloses a head-up display that includes a lens having a long focal length, enlarges an image displayed on the display surface with the lens having a long focal length, and allows an observer to visually recognize the image as a virtual image.
  • JP 2007-272061 A Japanese Patent Laid-Open No. 4-247489
  • This disclosure is intended to provide a head-up display with a small screen distortion in the entire viewpoint area of the observer.
  • the head-up display includes a display device having a display surface that displays an image, and a projection optical system that projects the image displayed on the display surface onto the viewpoint region of the observer.
  • the projection optical system includes a first reflective element and a second reflective element in the order of the optical path from the display surface to the viewpoint area. At least one reflecting surface of the first reflecting element and the second reflecting element has a concave shape.
  • a light beam that is emitted from the center of the display surface and reaches the center of the viewpoint area is set as a reference light beam.
  • the intersection of the reference light beam and the reflection surface of the first reflecting element is taken as the reference intersection.
  • a plane including the reference beam incident on the first reflecting element and the reference beam reflected by the first reflecting element is defined as a reference plane.
  • An intersection line between the reflection surface of the first reflection element and the reference plane is defined as a reference intersection line.
  • a tangent plane with respect to the reflecting surface of the first reflecting element at the reference intersection is defined as a reference tangent plane.
  • the respective heights from the two points, the upper point in the vertical direction and the lower point in the vertical direction, which are equidistant from the reference intersection point, to the reflecting surface of the first reflecting element are defined as the sag amount.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a vehicle equipped with a head-up display according to the present disclosure.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the head-up display according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the first reflecting element and the reference light beam according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the shape of the projection optical system according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a virtual image viewed from the viewpoint region of the observer.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating image distortion in the viewpoint region of the observer according to Numerical Example 1.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating image distortion in the viewpoint region of the observer according to Numerical Example 2.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a vehicle equipped with a head-up display according to the present disclosure.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the head-up display according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the first
  • FIG. 8 is a diagram illustrating image distortion in the viewpoint region of the observer according to Numerical Example 3.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating image distortion in the viewpoint region of the observer according to Numerical Example 4.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the head-up display according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the head-up display according to the third embodiment.
  • FIG. 12 is a schematic diagram for explaining the head-up display according to the fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing a coordinate system of Numerical Examples 1 to 4 according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a vehicle 200 equipped with a head-up display 100 according to the present disclosure.
  • the head-up display 100 is disposed inside a dashboard 210 located below the windshield 220 of the vehicle 200.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the head-up display 100 according to the first embodiment.
  • the head-up display 100 includes a housing 140, a projection optical system 120, and a display device 110.
  • the head-up display 100 causes the observer D inside the vehicle 200 to visually recognize the image displayed on the display surface 111 of the display device 110 as a virtual image I.
  • the image displayed on the display surface 111 is reflected through the windshield 220 and guided to the viewpoint region 300 (sometimes referred to as an eyebox) of the observer D, and is visually recognized by the observer D as a virtual image I. .
  • the viewpoint region 300 sometimes referred to as an eyebox
  • a light beam forming the upper end of the virtual image I is a light beam Lu.
  • a light beam that forms the lower end of the virtual image I is a light beam Ll.
  • a light beam that forms the center of the virtual image I (a light beam that is emitted from the center of the display surface 111 and reaches the center of the viewpoint region 300) is set as a reference light beam Lc.
  • the viewpoint of the observer D is at the center of the viewpoint area 300.
  • the housing 140 has an opening 130.
  • the opening 130 is provided with a transparent opening cover 131.
  • the opening cover 131 is partially curved. Therefore, external light such as sunlight reflected by the opening cover 131 is difficult to reach the observer D.
  • the opening cover 131 is not an essential component in the head-up display 100 according to the first embodiment.
  • the housing 140 is not an essential component in the head-up display 100 according to the first embodiment, and the dashboard 210 of the vehicle 200 may take the place of the housing 140.
  • the projection optical system 120 includes a first mirror 121 as a first reflecting element and a second mirror 122 as a second reflecting element.
  • the reference light beam Lc reflected by the first mirror 121 and incident on the second mirror 122 has a vector component that is horizontal and directed in the direction toward the display surface 111. Further, the reference light beam Lc emitted from the display surface 111 and incident on the first mirror 121 has a vector component in the forward direction in the vehicle 200.
  • the image displayed on the display surface 111 is reflected through the first mirror 121, then reflected through the second mirror 122, and further reflected through the windshield 220 to reach the viewpoint region 300.
  • the observer D visually recognizes the virtual image I.
  • the viewpoint area 300 refers to a movable area of the eye where the observer D can observe the entire virtual image I without losing the whole.
  • the display device 110 includes a liquid crystal display device, a backlight unit including a light source, a diffusion plate, a deflection lens, and the like, all not shown.
  • display image information is controlled by a control unit such as a microcomputer (not shown).
  • a control unit such as a microcomputer (not shown).
  • various information such as road progress guidance, the distance to the vehicle ahead, the remaining battery level of the car, and the current vehicle speed can be displayed as display image information.
  • a display device such as a liquid crystal display device (Liquid Crystal Display), an organic light emitting diode (electroluminescence), or a plasma display is used.
  • a projector or a scanning laser can be used instead of the display device.
  • a light shielding wall 150 is disposed inside the housing 140.
  • the light shielding wall 150 prevents stray light that is generated when a light beam emitted from the display surface 111 of the display device 110 directly enters the second mirror 122 without passing through the first mirror 121.
  • the light shielding wall 150 is fixed to the housing 140 by itself. The fixing of the light shielding wall 150 to the housing 140 is not limited to the above embodiment, and the light shielding wall 150 may be fixed integrally with the display device 110 or the second mirror 122.
  • the display device 110 is disposed on the upper side in the vertical direction from the second mirror 122 inside the housing 140.
  • the display device 110 it is desirable that at least a part of the display surface 111 is disposed above the second mirror 122 in the vertical direction.
  • the housing 140 can be made compact without the light beam Ll interfering with the second mirror 122.
  • the display surface 111 of the display device 110 is directed toward the first mirror 121. At this time, it is desirable that the display device 110 is arranged so that the reference light beam Lc emitted from the display surface 111 is inclined with respect to the display surface 111. Thereby, stray light generated when external light enters the inside of the housing 140 and is reflected by the display surface 111 of the display device 110 can be prevented.
  • the reflection surface 121 a of the first mirror 121 is directed in a direction in which an image displayed on the display surface 111 is reflected on the second mirror 122. Further, the reflection surface 121 a of the first mirror 121 is eccentric so that an image displayed on the display surface 111 is reflected on the second mirror 122.
  • the reflection area of the second mirror 122 is larger than the reflection area of the first mirror 121 in order to enlarge and display the image displayed on the display surface 111 as a virtual image I.
  • the reflection area is an area of the mirror that reflects incident light. The larger the reflection area, the larger the mirror.
  • the second mirror 122 is disposed inside the housing 140 closer to the horizontal display device than the first mirror 121.
  • the second mirror 122 When mounted on the vehicle 200, the second mirror 122 is disposed on the vehicle rear side with respect to the first mirror 121. Further, the reflection surface 122 a of the second mirror 122 is directed in the direction in which the reflected light from the first mirror 121 enters the windshield 220. Further, the reflection surface 122 a of the second mirror 122 is eccentric so that the reflected light from the first mirror 121 enters the windshield 220.
  • the first mirror 121 is a mirror having a reflecting surface 121a having a concave shape and a free-form surface.
  • the second mirror 122 is also a mirror whose reflecting surface 122a has a concave shape and a free-form surface shape.
  • the observer D can visually recognize the virtual image I that is enlarged from the image displayed on the display surface 111.
  • only one of the first mirror 121 and the second mirror 122 may have a free-form surface, and the other reflection surface may have a planar shape.
  • the power of one mirror can be dispersed, and the distortion aberration sensitivity during assembly can be reduced. it can.
  • the first mirror 121 employs a free curved surface shape as the reflecting surface 121a. This is to correct the distortion of the virtual image I caused by the reflection so that a good virtual image I can be seen in the entire viewpoint area 300.
  • the second mirror 122 employs a free-form surface as the reflecting surface 122a. This is to correct the distortion of the virtual image I caused by the reflection so that a good virtual image I can be seen in the entire viewpoint area 300.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the first mirror 121 and the reference light beam Lc according to the first embodiment.
  • the reference light beam Lc is emitted from the center of the display surface 111 of the display device 110, is incident on the reflection surface 121a of the first mirror 121, and is reflected at a reference intersection 121c that is an intersection of the reference light beam Lc and the reflection surface 121a.
  • a plane including the reference ray Lc incident on the first mirror 121 and the reference ray Lc reflected by the first mirror 121 is defined as a reference plane.
  • an intersection line between the reflecting surface 121a of the first mirror 121 and the reference plane is defined as a reference intersection line Bc.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the shape of the projection optical system 120 according to the first embodiment.
  • the tangent plane with respect to the reflecting surface 121a of the first mirror 121 at the reference intersection 121c is defined as a reference tangent plane 170.
  • a point on the vertical direction that is equidistant from the reference intersection 121c is a point 170u
  • a point on the lower side in the vertical direction is a point 170l.
  • Each height from these two points to the reflecting surface 121a of the first mirror 121 is defined as a sag amount.
  • the point 170u is more than the sag amount at the point 170l.
  • the sag amount at is larger.
  • the reflection surface 121a has a rotationally asymmetric shape, but the so-called saddle type in which the signs of curvature are different between the X direction and the Y direction. It may have a surface shape.
  • the reflection surface 122a has a rotationally asymmetric shape, but the so-called saddle type in which the signs of curvature are different between the X direction and the Y direction. It may have a surface shape.
  • the housing 140 includes a light shielding wall 150. As shown in FIG. 4, the light shielding wall 150 is positioned on a virtual line connecting the upper end of the display surface 111 of the display device 110 and the end of the second mirror 122 on the vehicle front side (left side in the drawing).
  • the stray light generated when the light beam emitted from the display surface 111 of the display device 110 directly enters the second mirror 122 without passing through the first mirror 121 can be prevented.
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the virtual image I viewed from the viewpoint region 300 of the observer D.
  • the viewpoint area 300 is a rectangle of width 130 mm ⁇ length 40 mm.
  • FIG. 6 to 9 are diagrams showing image distortion in the viewpoint region 300 of the observer D.
  • the solid line indicates the virtual image I projected using the head-up display 100 in each of Numerical Examples 1 to 4.
  • a broken line indicates an ideal shape of the virtual image I when viewed from the viewpoint region 300.
  • (1) is a diagram illustrating screen distortion when the virtual image I is viewed from the center position of the viewpoint region 300 when viewed from the observer D.
  • (2) is a diagram showing screen distortion when the virtual image I is viewed from the upper left position of the viewpoint area 300.
  • FIG. (3) is a diagram illustrating screen distortion when the virtual image I is viewed from the lower left position of the viewpoint area 300.
  • FIG. (4) is a diagram showing screen distortion when the virtual image I is viewed from the upper right position of the viewpoint area 300.
  • FIG. (5) is a diagram showing screen distortion when the virtual image I is viewed from the lower right position of the viewpoint area 300.
  • the screen distortion is corrected well over the entire viewpoint area 300. That is, in the viewpoint area 300, the observer D can visually recognize a good virtual image I regardless of the position.
  • an image to be displayed on the display surface 111 of the display device 110 may be electronically distorted in advance.
  • the head-up display 100 includes a display device 110 that displays an image and a projection optical system 120 that projects an image displayed on the display device 110.
  • the projection optical system 120 includes a first mirror 121 and a second mirror 122 in the order of the optical path from the display device 110.
  • the head-up display 100 projects an image displayed on the display surface 111 of the display device 110 onto the windshield 220 so that the observer D can visually recognize the virtual image I. Thereby, the image displayed on the display surface 111 of the display device 110 can be visually recognized by the viewer D without blocking the front view of the viewer D.
  • the reflection surface 121a of the first mirror 121 is desirably a free-form surface.
  • the reflection surface 122a of the second mirror 122 has a free-form surface shape. Therefore, the screen distortion generated in the windshield 220 can be corrected well, and a good virtual image I with little screen distortion can be visually recognized over the entire viewpoint area 300.
  • the reflection surface 121a of the first mirror 121 has a concave shape or a planar shape. Therefore, compared with the case where the reflective surface 121a of the 1st mirror 121 is convex shape, distortion of the virtual image I which arises by reflection can be suppressed.
  • the reflection surface 122a of the second mirror 122 has a concave shape or a planar shape. Therefore, compared with the case where the 2nd mirror 122 is convex shape, distortion of virtual image I which arises by reflection can be controlled.
  • the outer shape of the first mirror 121 is a trapezoid. Thereby, regarding the first mirror 121, an unnecessary area other than the area where the image displayed on the display surface 111 is reflected can be reduced, and the head-up display 100 can be reduced in size. Note that the outer shape of the first mirror 121 is not limited to a trapezoid, and can be changed as appropriate according to the shape of the effective region.
  • the head-up display 100 desirably satisfies the following condition (1).
  • DL1 Optical path length of the reference light beam Lc between the display device 110 and the first mirror 121 (strictly speaking, the optical path length of the reference light beam Lc between the display surface 111 of the display device 110 and the reflection surface 121a of the first mirror 121) .
  • DL2 optical path length of the reference light beam Lc between the first mirror 121 and the second mirror 122 (strictly speaking, the reference light beam Lc between the reflection surface 121a of the first mirror 121 and the reflection surface 122a of the second mirror 122) Optical path length.) It is.
  • Condition (1) is a condition that regulates the ratio of the spacing between the display device 110 and the first mirror 121 and the spacing between the first mirror 121 and the second mirror 122.
  • the condition (1) is satisfied, it is easy to correct the distortion of the virtual image I. Therefore, it is possible to provide the head-up display 100 with a small screen distortion in the entire viewpoint area 300 of the observer D.
  • the lower limit of the condition (1) is not reached, the surface distance between the display device 110 and the first mirror 121 becomes small. Therefore, the curvature of the concave surface of the first mirror 121 needs to be increased, and the distortion of the virtual image I can be corrected. It becomes difficult.
  • the space between the display device 110 and the first mirror 121 is reduced, the effect of the light shielding wall 150 is reduced, and it is difficult to suppress stray light.
  • the head-up display 100 according to the first embodiment desirably satisfies the following condition (2).
  • IL the exit angle [deg] of the reference beam Lc emitted from the display device 110 It is.
  • Condition (2) is a condition that defines the emission angle of the reference light beam Lc emitted from the display surface 111 of the display device 110. If the lower limit of condition (2) is not reached, it will be difficult to prevent external light such as sunlight from becoming stray light that reaches the eyes of the observer D. The stray light is generated by reflecting external light such as sunlight in the order of the second mirror 122, the first mirror 121, the display surface 111 of the display device 110, the first mirror 121, the second mirror 122, and the windshield 220. It is stray light. If the upper limit of the condition (2) is exceeded, the contrast of the image displayed on the display surface 111 is lowered, and the visual performance of the virtual image I is lowered.
  • the head-up display 100 according to Embodiment 1 satisfies the following condition (3).
  • I2 incident angle [deg] of the reference light beam Lc incident on the second mirror 122 It is.
  • Condition (3) is a condition that defines the incident angle of the reference light beam Lc incident on the second mirror 122 from the first mirror 121.
  • the surface interval between the first mirror 121 and the second mirror 122 becomes large, and the dimension in the depth direction of the housing 140 increases. If the upper limit of the condition (3) is exceeded, it becomes difficult to correct asymmetric distortion generated in the second mirror 122.
  • the upper end of the light shielding wall 150 is above the straight line connecting the second mirror 122 and the image displayed on the display surface 111. Thereby, the stray light generated when the image displayed on the display surface 111 directly enters the second mirror 122 without passing through the first mirror can be prevented.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the head-up display 100 according to the second embodiment.
  • the head-up display 100 is disposed inside a dashboard 210 located below the windshield 220.
  • the projection optical system 120 includes a first mirror 121 and a second mirror 122.
  • the image displayed on the display surface 111 of the display device 110 is reflected through the first mirror 121, then reflected through the second mirror 122, refracted through the refractive optical system 160, and further Reflected through the windshield 220. Then, it reaches the viewpoint region 300 of the observer D and is visually recognized by the observer D as a virtual image I.
  • the display device 110 is disposed below the first mirror 121 inside the housing 140. Further, the display surface 111 of the display device 110 is directed toward the first mirror 121. At this time, it is desirable that the display device 110 is arranged so that the reference light beam Lc emitted from the display surface 111 is inclined with respect to the display surface 111. Thereby, stray light generated when external light enters the inside of the housing 140 and is reflected on the display surface 111 of the display device 110 can be prevented.
  • the reflection surface 121 a of the first mirror 121 is directed in the direction in which the image displayed on the display surface 111 is reflected on the second mirror 122. Further, the reflection surface 121 a of the first mirror 121 is eccentric so that an image displayed on the display surface 111 is reflected on the second mirror 122.
  • the reflection area of the second mirror 122 is larger than the reflection area of the first mirror 121 in order to enlarge and display the image displayed on the display surface 111 as a virtual image I.
  • the reflection area is an area of the mirror that reflects incident light. The larger the reflection area, the larger the mirror.
  • the second mirror 122 is disposed inside the housing 140 on the vehicle front side in the horizontal direction with respect to the first mirror 121. Further, the reflection surface 122 a of the second mirror 122 is directed in the direction in which the reflected light from the first mirror 121 enters the windshield 220. Further, the reflection surface 122 a of the second mirror 122 is eccentric so that the reflected light from the first mirror 121 enters the windshield 220.
  • the first mirror 121 is a mirror having a reflective surface 121a having a convex shape and a free-form surface.
  • the second mirror 122 is a mirror whose reflecting surface 122a is concave and free-form.
  • image distortion generated in the first mirror 121 image distortion in which the image displayed on the display surface 111 is asymmetrically eccentrically distorted
  • the observer D can visually recognize the virtual image I that is enlarged from the image displayed on the display surface 111.
  • only one of the first mirror 121 and the second mirror 122 may have a free-form surface, and the other reflection surface may have a planar shape.
  • the concave surface power of the second mirror 122 can be increased, and the housing 140 can be downsized.
  • the first mirror 121 employs a free curved surface shape as the reflecting surface 121a. This is to correct the distortion of the virtual image I caused by the reflection so that a good virtual image I can be seen in the entire viewpoint area 300.
  • the second mirror 122 employs a free-form surface as the reflecting surface 122a. This is to correct the distortion of the virtual image I caused by the reflection so that a good virtual image I can be seen in the entire viewpoint area 300.
  • FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the head-up display 100 according to the third embodiment.
  • the head-up display 100 is disposed inside a dashboard 210 located below the windshield 220.
  • the projection optical system 120 includes a first mirror 121 and a second mirror 122.
  • the image displayed on the display surface 111 of the display device 110 is reflected through the first mirror 121, then reflected through the second mirror 122, refracted through the refractive optical system 160, and further Reflected through the windshield 220. Then, it reaches the viewpoint region 300 of the observer D and is visually recognized by the observer D as a virtual image I.
  • the display device 110 is disposed above the first mirror 121 inside the housing 140. Further, the display surface 111 of the display device 110 is directed toward the first mirror 121. Thereby, the display surface 111 (liquid crystal surface) of the display device 110 can be prevented from being exposed to sunlight. At this time, it is desirable that the display device 110 is arranged so that the reference light beam Lc emitted from the display surface 111 is inclined with respect to the display surface 111. Thereby, stray light generated when external light enters the inside of the housing 140 and is reflected on the display surface 111 of the display device 110 can be prevented.
  • the reflection surface 121 a of the first mirror 121 is directed in a direction in which an image displayed on the display surface 111 is reflected on the second mirror 122. Further, the reflection surface 121 a of the first mirror 121 is eccentric so that the image displayed on the display surface 111 is reflected on the second mirror 122.
  • the reflection area of the second mirror 122 is larger than the reflection area of the first mirror 121 in order to enlarge and display the image displayed on the display surface 111 as a virtual image I.
  • the reflection area is an area of the mirror that reflects incident light. The larger the reflection area, the larger the mirror.
  • the second mirror 122 is disposed inside the housing 140 on the vehicle front side in the horizontal direction with respect to the first mirror 121. Further, the reflection surface 122 a of the second mirror 122 is directed in the direction in which the reflected light from the first mirror 121 enters the windshield 220. Further, the reflection surface 122 a of the second mirror 122 is eccentric so that the reflected light from the first mirror 121 enters the windshield 220.
  • the first mirror 121 is a mirror whose reflecting surface 121a has a concave shape and a free-form surface shape.
  • the second mirror 122 is a mirror whose reflecting surface 122a is concave and free-form.
  • first mirror 121 and the second mirror 122 may have a free-form surface, and the other reflection surface may have a planar shape. Further, only one of the first mirror 121 and the second mirror 122 may have a concave shape, and the other reflection surface may have a convex shape.
  • the power of one mirror can be dispersed, and the distortion aberration sensitivity during assembly can be reduced. it can.
  • the first mirror 121 employs a free curved surface shape as the reflecting surface 121a. This is to correct the distortion of the virtual image I caused by the reflection so that a good virtual image I can be seen in the entire viewpoint area 300.
  • the second mirror 122 employs a free-form surface as the reflecting surface 122a. This is to correct the distortion of the virtual image I caused by the reflection so that a good virtual image I can be seen in the entire viewpoint area 300.
  • FIG. 12 is a schematic diagram for explaining the head-up display 100 according to the fourth embodiment. At this time, for simplicity, a part of FIG. 12 is a projection view.
  • the head-up display 100 is disposed inside a dashboard 210 located below the windshield 220.
  • the projection optical system 120 includes a first mirror 121 and a second mirror 122.
  • the image displayed on the display surface 111 of the display device 110 is reflected through the first mirror 121, then reflected through the second mirror 122, refracted through the refractive optical system 160, and further Reflected through the windshield 220. Then, it reaches the viewpoint region 300 of the observer D and is visually recognized by the observer D as a virtual image I.
  • the display surface 111 of the display device 110 is directed toward the first mirror 121. Thereby, the display surface 111 (liquid crystal surface) can be prevented from exposure to sunlight. At this time, it is desirable that the display surface 111 of the display device 110 is arranged so that the reference light beam Lc emitted from the display surface 111 is inclined with respect to the display surface 111. Thereby, stray light generated when external light enters the inside of the housing 140 and is reflected on the display surface 111 of the display device 110 can be prevented.
  • the reflection surface 121 a of the first mirror 121 is directed in a direction in which an image displayed on the display surface 111 is reflected on the second mirror 122. Further, the reflection surface 121 a of the first mirror 121 is eccentric so that an image displayed on the display surface 111 is reflected on the second mirror 122.
  • the reflection area of the second mirror 122 is larger than the reflection area of the first mirror 121 in order to enlarge and display the image displayed on the display surface 111 as a virtual image I.
  • the reflection area is an area of the mirror that reflects incident light. The larger the reflection area, the larger the mirror.
  • the second mirror 122 is disposed inside the housing 140 on the vehicle front side in the horizontal direction with respect to the first mirror 121. Further, the reflection surface 122 a of the second mirror 122 is directed in the direction in which the reflected light from the first mirror 121 enters the windshield 220. Further, the reflection surface 122 a of the second mirror 122 is eccentric so that the reflected light from the first mirror 121 enters the windshield 220.
  • the first mirror 121 is a mirror having a reflective surface 121a having a convex shape and a free-form surface.
  • the second mirror 122 is a mirror whose reflecting surface 122a is concave and free-form.
  • image distortion generated in the first mirror 121 image distortion in which the image displayed on the display surface 111 is asymmetrically eccentrically distorted
  • the observer D can visually recognize the virtual image I that is enlarged from the image displayed on the display surface 111.
  • only one of the first mirror 121 and the second mirror 122 may have a free-form surface, and the other reflection surface may have a planar shape.
  • the concave surface power of the second mirror 122 can be increased, and the housing 140 can be downsized.
  • the first mirror 121 employs a free curved surface shape as the reflecting surface 121a. This is to correct the distortion of the virtual image I caused by the reflection so that a good virtual image I can be seen in the entire viewpoint area 300.
  • the second mirror 122 employs a free-form surface as the reflecting surface 122a. This is to correct the distortion of the virtual image I caused by the reflection so that a good virtual image I can be seen in the entire viewpoint area 300.
  • Embodiments 1 to 4 have been described as examples of the technology disclosed in the present application. However, the technology in the present disclosure is not limited to this, and can also be applied to embodiments that have been changed, replaced, added, omitted, and the like. In addition, it is possible to combine the components described in the first to fourth embodiments to form a new embodiment.
  • z is the sag amount at the position (x, y) from the axis defining the surface
  • r is the radius of curvature at the origin of the axis defining the surface
  • c is the curvature at the origin of the axis defining the surface
  • k is conic.
  • the constant, Cj is a coefficient of the monomial x m y n .
  • FIG. 13 is a diagram showing a coordinate system of numerical examples 1 to 4 according to the first embodiment.
  • the reference coordinate origin is the center of the image displayed on the display surface 111, and the X, Y, and Z axes are defined as shown in FIG.
  • ADE means the amount of rotation of the mirror from the Z axis direction to the Y axis direction around the X axis.
  • BDE means the amount of rotation about the Y axis from the X axis direction to the Z axis direction.
  • CDE means the amount of rotation about the Z axis from the X axis direction to the Y axis direction.
  • Table 1 shows configuration data of the projection optical system 120 of Numerical Example 1
  • Table 2 shows coefficients of the polynomial free-form surface.
  • Table 3 shows configuration data of the projection optical system 120 of Numerical Example 2
  • Table 4 shows coefficients of the polynomial free-form surface.
  • Table 5 shows configuration data of the projection optical system 120 according to Numerical Example 3
  • Table 6 shows coefficients of the polynomial free-form surface.
  • Table 7 shows configuration data of the projection optical system 120 of Numerical Example 4
  • Table 8 shows coefficients of the polynomial free-form surface.
  • Table 9 below shows the size of the image displayed on the display surface 111 in each numerical example 1 to 4, the size of the virtual image I, and the distance from the pupil of the observer D to the virtual image I.
  • Table 10 below shows the numerical values of the conditions (1) to (3) in the numerical examples 1 to 4.
  • Table 11 below shows the sag amount of the first mirror 121 in the numerical examples 1 to 3. However, the distance from the reference intersection line Bc indicates the vertically upper side when the sign is + and the vertically lower side when the sign is ⁇ .
  • the head-up display according to the present disclosure is suitable for a head-up display that requires high image quality, such as an on-vehicle head-up display.

Landscapes

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Abstract

　表示面（１１１）の中心から出射され視点領域の中心に到達する光線を基準光線（Ｌｃ）とする。基準光線（Ｌｃ）と第１反射素子（１２１）の反射面（１２１ａ）との交点を基準交点（１２１ｃ）とする。第１反射素子（１２１）に入射する基準光線（Ｌｃ）と第１反射素子（１２１）で反射した基準光線（Ｌｃ）とを含む平面を基準平面とする。第１反射素子（１２１）の反射面（１２１ａ）と基準平面との交線を基準交線（Ｂｃ）とする。基準交点（１２１ｃ）における第１反射素子（１２１）の反射面（１２１ａ）に対する接平面を基準接平面（１７０）とする。基準接平面（１７０）上において基準交点（１２１ｃ）から等距離にある鉛直方向上側の点（１７０ｕ）及び鉛直方向下側の点（１７０ｌ）の２点から、第１反射素子（１２１）の反射面（１２１ａ）までの、それぞれの高さをサグ量とする。各垂線（１２１ｕ，１２１ｌ）が、基準交線（Ｂｃ）と交差するとき、点（１７０ｕ）におけるサグ量よりも（１７０ｌ）点におけるサグ量の方が大きい。

Description

ヘッドアップディスプレイ及び車両
　本開示は、投射光学系を介して、表示デバイスの表示面に表示された画像を虚像として観察者に視認させるヘッドアップディスプレイに関する。
　特許文献１は、フレネルレンズと凹面ミラーを備え、表示面に表示された画像をそのフレネルレンズで拡大し、虚像として観察者に視認させるヘッドアップディスプレイを開示する。特許文献２は、焦点距離の長いレンズを備え、表示面に表示された画像をその焦点距離の長いレンズで拡大し、虚像として観察者に視認させるヘッドアップディスプレイを開示する。
特開２００７－２７２０６１号公報 特開平４－２４７４８９号公報
　本開示は、観察者の視点領域の全域で画面歪みが小さいヘッドアップディスプレイを提供することを目的とする。
　本開示に係るヘッドアップディスプレイは、画像を表示する表示面を有する表示デバイスと、表示面に表示された画像を観察者の視点領域に投射する投射光学系と、を備える。投射光学系は、表示面から視点領域までの光路の順に、第１反射素子と第２反射素子とを有する。第１反射素子と第２反射素子の少なくとも一方の反射面は凹面形状を有する。表示面の中心から出射され視点領域の中心に到達する光線を基準光線とする。基準光線と第１反射素子の反射面との交点を基準交点とする。第１反射素子に入射する基準光線と第１反射素子で反射した基準光線とを含む平面を基準平面とする。第１反射素子の反射面と基準平面との交線を基準交線とする。基準交点における第１反射素子の反射面に対する接平面を基準接平面とする。基準接平面上において基準交点から等距離にある鉛直方向上側の点及び鉛直方向下側の点の２点から、第１反射素子の反射面までの、それぞれの高さをサグ量とする。鉛直方向上側の点と鉛直方向下側の点の２点から基準接平面と垂直になるようにたてた各垂線が、基準交線と交差するとき、鉛直方向下側の点におけるサグ量よりも鉛直方向上側の点におけるサグ量の方が大きい。
　本開示によれば、観察者の視点領域の全域で画面歪みが小さいヘッドアップディスプレイを提供できる。
図１は、本開示に係るヘッドアップディスプレイを搭載した車両を示す模式図である。 図２は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイを説明するための模式図である。 図３は、実施の形態１に係る第１反射素子と基準光線との関係を説明するための図である。 図４は、実施の形態１に係る投射光学系の形状を説明するための図である。 図５は、観察者の視点領域から見た虚像を説明するための模式図である。 図６は、数値実施例１に係る観察者の視点領域における画像歪みを表した図である。 図７は、数値実施例２に係る観察者の視点領域における画像歪みを表した図である。 図８は、数値実施例３に係る観察者の視点領域における画像歪みを表した図である。 図９は、数値実施例４に係る観察者の視点領域における画像歪みを表した図である。 図１０は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイを説明するための模式図である。 図１１は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイを説明するための模式図である。 図１２は、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイを説明するための模式図である。 図１３は、実施の形態１に係る数値実施例１～４の座標系を示す図である。
　以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
　なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
　（実施の形態１）
　［１－１．構成］
　［１－１－１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
　本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００の具体的な実施の形態及び実施例を、図面を参照して、以下に説明する。
　図１は、本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００を搭載した車両２００を示す模式図である。
　図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、車両２００のウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。
　図２は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、筐体１４０と、投射光学系１２０と、表示デバイス１１０とを備える。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像を、虚像Ｉとして車両２００の内部の観察者Ｄに視認させるものである。表示面１１１に表示された画像は、ウインドシールド２２０を介して反射して、観察者Ｄの視点領域３００（アイボックスと称する場合もある）に導かれ、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
　ここで、虚像Ｉの上端を形成する光線を光線Ｌｕとする。また、虚像Ｉの下端を形成する光線を光線Ｌｌとする。また、虚像Ｉの中心を形成する光線（表示面１１１の中心から出射され視点領域３００の中心に到達する光線）を基準光線Ｌｃとする。ただし、観察者Ｄの視点が視点領域３００の中心にあるものとする。
　筺体１４０は開口１３０を有している。この開口１３０には、透明の開口カバー１３１が設けられている。この開口カバー１３１は、一部に湾曲形状を有している。そのため、開口カバー１３１に反射した太陽光などの外光が、観察者Ｄに届き難くなっている。この開口カバー１３１をレンズ形状とすることで、虚像Ｉの倍率を調整することも可能である。なお、この開口カバー１３１は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００において必須の構成要素ではない。また、筐体１４０も、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００において必須の構成要素ではなく、車両２００のダッシュボード２１０が筐体１４０の代わりを担っても良い。
　投射光学系１２０は、第１反射素子としての第１ミラー１２１と、第２反射素子としての第２ミラー１２２とを有している。第１ミラー１２１で反射し第２ミラー１２２に入射する基準光線Ｌｃは、水平且つ表示面１１１に向かう方向のベクトル成分を有する。また、表示面１１１から出射され第１ミラー１２１に入射する基準光線Ｌｃは、車両２００における前方方向のベクトル成分を有する。表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、さらにウインドシールド２２０を介して反射して、視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。ここで、視点領域３００とは、観察者Ｄが虚像Ｉの全体を欠けることなく観察できる目の移動可能領域を指す。
　表示デバイス１１０は、いずれも図示しない、液晶表示装置、光源を含むバックライトユニット、拡散板、偏向レンズ等からなる。表示デバイス１１０では、図示しないマイコン等の制御部によって、表示画像情報が制御される。表示面１１１には、表示画像情報として、道路進行案内、前方車両までの距離、車のバッテリー残量、現在の車速などの各種情報を表示することができる。表示デバイス１１０には、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ）、有機発光ダイオード（エレクトロルミネッセンス）、プラズマディスプレイなどの表示装置が用いられる。また、表示装置の代わりに、プロジェクタや走査型レーザを用いることも可能である。
　筺体１４０の内部には遮光壁１５０が配置されている。この遮光壁１５０は、表示デバイス１１０の表示面１１１から出射された光線が第１ミラー１２１を介さずに第２ミラー１２２に直接入射することで発生する迷光を防ぐ。遮光壁１５０は、それ単体で筐体１４０に固定されている。なお、遮光壁１５０の筐体１４０への固定は上記態様に限定されず、遮光壁１５０が表示デバイス１１０または第２ミラー１２２と一体となって固定されていても良い。
　［１－１－２．投射光学系と表示装置の配置構成］
　実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００では、表示デバイス１１０が、筐体１４０の内部において、第２ミラー１２２よりも鉛直方向上側に配置されている。表示デバイス１１０は、表示面１１１の少なくとも一部が、第２ミラー１２２よりも鉛直方向上側に配置されていることが望ましい。これにより、光線Ｌｌが第２ミラー１２２と干渉することなく、筐体１４０をコンパクトに構成することができる。
　また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。このとき、表示デバイス１１０は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１で反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
　また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように、偏心している。
　ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示された画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
　第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向表示デバイス側に配置されている。車両２００に搭載される場合、第２ミラー１２２は、第１ミラー１２１よりも車両後方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
　実施の形態１において、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２も、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、第１ミラー１２１で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。
　さらに、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを凹面形状とすることで、１枚のミラーがもつパワーを分散させることができ、組み立て時の歪曲収差感度を低減することができる。
　また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
　また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
　図３は、実施の形態１に係る第１ミラー１２１と基準光線Ｌｃとの関係を説明するための図である。
　基準光線Ｌｃは、表示デバイス１１０の表示面１１１の中心から射出され、第１ミラー１２１の反射面１２１ａに入射して、基準光線Ｌｃと反射面１２１ａとの交点である基準交点１２１ｃで反射される。このとき、第１ミラー１２１に入射する基準光線Ｌｃと、第１ミラー１２１で反射した基準光線Ｌｃとを含む平面を、基準平面と定義する。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａと基準平面との交線を、基準交線Ｂｃと定義する。
　図４は、実施の形態１に係る投射光学系１２０の形状を説明するための図である。
　基準交点１２１ｃにおける第１ミラー１２１の反射面１２１ａに対する接平面を基準接平面１７０と定義する。基準接平面１７０上において基準交点１２１ｃから等距離にある鉛直方向上側の点を点１７０ｕ、鉛直方向下側の点を点１７０ｌとする。これら２点から第１ミラー１２１の反射面１２１ａまでのそれぞれの高さをサグ量とする。ここで、点１７０ｕと点１７０ｌの２点から基準接平面１７０と垂直になるようにたてた各垂線１２１ｕ，１２１ｌが、基準交線Ｂｃと交差するとき、点１７０ｌにおけるサグ量よりも点１７０ｕにおけるサグ量の方が大きい。これにより、観察者Ｄの視点領域３００の全域で画面歪みが小さいヘッドアップディスプレイ１００を提供することができる。
　実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００で使用している第１ミラー１２１では、反射面１２１ａが回転非対称な形状を有するが、Ｘ方向とＹ方向とで曲率の符号が異なる、いわゆる鞍型の面形状を有しても良い。
　実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００で使用している第２ミラー１２２では、反射面１２２ａが回転非対称な形状を有するが、Ｘ方向とＹ方向とで曲率の符号が異なる、いわゆる鞍型の面形状を有しても良い。
　［１－１－３．遮光壁の配置構成］
　筺体１４０は遮光壁１５０を備えている。図４に示すように、表示デバイス１１０の表示面１１１の上端と第２ミラー１２２の車両前方側（図面左側）端部を結ぶ仮想線上には遮光壁１５０が位置する。
　これにより、表示デバイス１１０の表示面１１１から出射された光線が第１ミラー１２１を介さずに第２ミラー１２２に直接入射することで発生する迷光を、防ぐことができる。
　［１．２．効果等］
　以上のように構成されたヘッドアップディスプレイ１００について、図５～９を用いて、その効果を以下に説明する。
　図５は、観察者Ｄの視点領域３００から見た虚像Ｉを説明するための模式図である。実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００において、視点領域３００は、横１３０ｍｍ×縦４０ｍｍの矩形である。
　図６～図９は、観察者Ｄの視点領域３００における画像歪みを表した図である。図６～図９において、実線は、各数値実施例１～４におけるヘッドアップディスプレイ１００を用いて投射した虚像Ｉを示している。破線は、視点領域３００から見た場合の虚像Ｉの理想の形状を示している。
　図６～図９のそれぞれにおいて、（１）は、観察者Ｄから見て視点領域３００の中心の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（２）は、視点領域３００の左上の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（３）は、視点領域３００の左下の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（４）は、視点領域３００の右上の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（５）は視点領域３００の右下の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。
　本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００を用いることによって、視点領域３００の全域で画面歪みが良好に補正される。すなわち、視点領域３００内において観察者Ｄはどの位置で観察しても良好な虚像Ｉを視認することが可能である。
　なお、さらに良好な虚像Ｉを視認するために、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示させる画像をあらかじめ電子的に歪ませておいても良い。
　［１．３．望ましい条件］
　以下、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００が満足することが望ましい条件を説明する。なお、ヘッドアップディスプレイ１００に対して、複数の好ましい条件が規定されるが、これら複数の条件すべてを満足する構成が最も望ましい。しかしながら、個別の条件を満足することにより、それぞれ対応する効果を奏するヘッドアップディスプレイ１００を得ることも可能である。
　実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、画像を表示する表示デバイス１１０と、表示デバイス１１０に表示された画像を投射する投射光学系１２０とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１ミラー１２１と、第２ミラー１２２とを有する。
　実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像を、ウインドシールド２２０に投影し、虚像Ｉを観察者Ｄに視認させている。これにより、観察者Ｄの前方視界を遮ることなく、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像を観察者Ｄに視認させることができる。
　本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第１ミラー１２１の反射面１２１ａが自由曲面形状であることが望ましい。これにより、ウインドシールド２２０で発生する画面歪みを良好に補正し、視点領域３００の全域で画面歪みの少ない良好な虚像Ｉを視認することができる。
　本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第２ミラー１２２の反射面１２２ａが自由曲面形状であることが望ましい。これにより、ウインドシールド２２０で発生する画面歪みを良好に補正し、視点領域３００の全域で画面歪みの少ない良好な虚像Ｉを視認することができる。
　本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第１ミラー１２１の反射面１２１ａが、凹面形状または平面形状である。これにより、第１ミラー１２１の反射面１２１ａが凸面形状の場合に比べて、反射で生じる虚像Ｉの歪みを抑制することができる。
　本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第２ミラー１２２の反射面１２２ａが、凹面形状または平面形状である。これにより、第２ミラー１２２が凸面形状の場合に比べて、反射で生じる虚像Ｉの歪みを抑制することができる。
　本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第１ミラー１２１の外形形状が台形である。これにより、第１ミラー１２１に関して、表示面１１１に表示された画像が反射する領域以外の不要な領域を削減することができ、ヘッドアップディスプレイ１００を小型化することができる。なお、第１ミラー１２１の外形形状は台形に限られず、有効領域の形状に応じて適宜変更できるものである。
　本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（１）を満足することが望ましい。
　　１．７　＜　ＤＬ１　／　ＤＬ２　・・・（１）
　ここで、
　ＤＬ１：表示デバイス１１０と第１ミラー１２１間の基準光線Ｌｃの光路長（厳密には、表示デバイス１１０の表示面１１１と、第１ミラー１２１の反射面１２１ａとの間の基準光線Ｌｃの光路長。）
　ＤＬ２：第１ミラー１２１と第２ミラー１２２間の基準光線Ｌｃの光路長（厳密には、第１ミラー１２１の反射面１２１ａと、第２ミラー１２２の反射面１２２ａとの間の基準光線Ｌｃの光路長。）
　である。
　条件（１）は、表示デバイス１１０と第１ミラー１２１の面間隔と、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の面間隔の比率を規定する条件である。条件（１）を満足した場合は虚像Ｉの歪みを補正しやすい。そのため、観察者Ｄの視点領域３００の全域で画面歪みが小さいヘッドアップディスプレイ１００を提供することができる。条件（１）の下限を下回ると、表示デバイス１１０と第１ミラー１２１の面間隔が小さくなるため、第１ミラー１２１の凹面の曲率を強くする必要があり、虚像Ｉの歪みを補正することが困難となる。また、表示デバイス１１０と第１ミラー１２１の面間隔が小さくなることで、遮光壁１５０の効果が小さくなり、迷光の抑制が困難となる。
　さらに以下の条件（１Ａ）を満足することにより上述の効果をさらに奏功させることができる。
　　１．７　＜　ＤＬ１　／　ＤＬ２　＜　４．０　・・・（１Ａ）
　条件（１Ａ）の上限値を上回ると、表示デバイス１１０と第１ミラー１２１の面間隔が大きくなるため、小型なヘッドアップディスプレイを提供することが困難となる。
　また、さらに以下の条件（１Ｂ）を満足することにより上述した効果をさらに奏功させることができる。
　　１．７　＜　ＤＬ１　／　ＤＬ２　＜　３．０　・・・（１Ｂ）
　実施の形態１にかかるヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（２）を満足することが望ましい。
　　５　＜　ＩＬ　＜　２５　・・・（２）
　ここで、
　ＩＬ：表示デバイス１１０から出射する基準光線Ｌｃの出射角［ｄｅｇ］
　である。
　条件（２）は表示デバイス１１０の表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃの出射角を規定する条件である。条件（２）の下限を下回ると、太陽光などの外光が、観察者Ｄの目に届く迷光となることを防ぐことが困難となる。この迷光とは、太陽光などの外光が、第２ミラー１２２、第１ミラー１２１、表示デバイス１１０の表示面１１１、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２、ウインドシールド２２０の順に反射して生じる迷光のことである。また、条件（２）の上限を上回ると、表示面１１１に表示された画像のコントラストが低下し、虚像Ｉの視認性能が低下する。
　実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（３）を満足することが望ましい。
　　２５　＜　Ｉ２　＜　４５　・・・（３）
　ここで、
　Ｉ２：第２ミラー１２２に入射する基準光線Ｌｃの入射角［ｄｅｇ］
　である。
　条件（３）は、第１ミラー１２１から第２ミラー１２２に入射する基準光線Ｌｃの入射角を規定する条件である。条件（３）の下限を下回る場合、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の面間隔が大きくなり、筐体１４０の深さ方向の寸法が大型化する。また、条件（３）の上限を上回ると、第２ミラー１２２で発生する非対称な歪曲収差を補正することが困難となる。
　実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、遮光壁１５０の上端が、第２ミラー１２２と表示面１１１に表示された画像とを結んだ直線よりも上方にあることが望ましい。これにより、表示面１１１に表示された画像が第１ミラーを介さずに第２ミラー１２２に直接入射することで発生する迷光を、防ぐことができる。
　（実施の形態２）
　以下、実施の形態２について説明する。実施の形態１と同様の構成部材については同じ符号を付し、実施の形態１と同様の構成及び機能については詳細な説明を省略する場合がある。
　［２－１．構成］
　［２－１－１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
　図１０は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。図１０に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。投射光学系１２０は、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２を有している。表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、屈折光学系１６０を介して屈折して、さらにウインドシールド２２０を介して反射する。そして、観察者Ｄの視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
　［２－１－２．投射光学系と表示装置の配置構成］
　表示デバイス１１０は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも下側に配置されている。また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。このとき、表示デバイス１１０は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１に反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
　また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示された画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように、偏心している。
　ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示された画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
　第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向車両前方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
　第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凸面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、第１ミラー１２１で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。
　さらに、第１ミラー１２１の反射面１２１ａを凸面形状とすることで、第２ミラー１２２の凹面パワーを増大させることができ、筐体１４０を小型化することができる。
　また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
　また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
　（実施の形態３）
　以下、実施の形態３について説明する。上記実施の形態と同様の構成部材については同じ符号を付し、上記実施の形態と同様の構成及び機能については詳細な説明を省略する場合がある。
　［３－１．構成］
　［３－１－１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
　図１１は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。
　図１１に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。投射光学系１２０は、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２を有している。表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、屈折光学系１６０を介して屈折して、さらにウインドシールド２２０を介して反射する。そして、観察者Ｄの視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
　［３－１－２．投射光学系と表示装置の配置構成］
　表示デバイス１１０は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも上側に配置されている。また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。これにより、表示デバイス１１０の表示面１１１（液晶面）を、太陽光の暴露から防ぐことができる。また、このとき、表示デバイス１１０は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１に反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
　また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように偏心している。
　ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示された画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
　第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向車両前方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
　第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第１ミラー１２１の反射面１２１ａを凹面形状とすることで、第２ミラー１２２で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。また、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが凹面形状であって、他方の反射面が凸面形状であってもよい。
　さらに、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを凹面形状とすることで、１枚のミラーがもつパワーを分散させることができ、組み立て時の歪曲収差感度を低減することができる。
　また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
　また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
　（実施の形態４）
　以下、実施の形態４について説明する。上記実施の形態と同様の構成部材については同じ符号を付し、上記実施の形態と同様の構成及び機能については詳細な説明を省略する場合がある。
　［４－１．構成］
　［４－１－１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
　図１２は、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。このとき、簡単のため図１２は一部が射影図となっている。
　図１２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。投射光学系１２０は、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２を有している。表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、屈折光学系１６０を介して屈折して、さらにウインドシールド２２０を介して反射する。そして、観察者Ｄの視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
　［４－１－２．投射光学系と表示装置の配置構成］
　表示デバイス１１０、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２は、それぞれの少なくとも一部が、同一水平面内に配置されている。
　また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。これにより、表示面１１１（液晶面）を太陽光の暴露から防ぐことができる。また、このとき、表示デバイス１１０の表示面１１１は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１に反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
　また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように、偏心している。
　ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示される画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
　第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向車両前方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
　第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凸面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、第１ミラー１２１で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。
　さらに、第１ミラー１２１の反射面１２１ａを凸面形状とすることで、第２ミラー１２２の凹面パワーを増大させることができ、筐体１４０を小型化することができる。
　また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
　また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
　（他の実施の形態）
　以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１～４を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１～４で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
　（数値実施例）
　以下、実施の形態１～４に係るヘッドアップディスプレイを具体的に実施した数値実施例１～４を説明する。なお、各数値実施例１～４において、各表の長さの単位はすべて「ｍｍ」であり、角度の単位はすべて「°」である。また、各数値実施例において、自由曲面は次式で定義している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、ｚは面を定義する軸から（ｘ，ｙ）の位置におけるサグ量、ｒは面を定義する軸の原点における曲率半径、ｃは面を定義する軸の原点における曲率、ｋはコーニック定数、Ｃｊは単項式ｘｍｙｎの係数である。
　図１３は、実施の形態１に係る数値実施例１～４の座標系を示す図である。各数値実施例１～４において、基準となる座標原点は、表示面１１１に表示された画像の中心であり、図１３で示すようにＸ，Ｙ，Ｚ軸を定義している。
　さらに、各数値実施例１～４中の偏心データにおいて、ＡＤＥとは、ミラーをＸ軸を中心にＺ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。ＢＤＥとは、Ｙ軸を中心にＸ軸方向からＺ軸方向に回転した量を意味する。ＣＤＥとは、Ｚ軸を中心にＸ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。
　（数値実施例１）
　数値実施例１の投射光学系１２０の構成データを表１に、多項式自由曲面の係数を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　（数値実施例２）
　数値実施例２の投射光学系１２０の構成データを表３に、多項式自由曲面の係数を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　（数値実施例３）
　数値実施例３の投射光学系１２０の構成データを表５に、多項式自由曲面の係数を表６に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　（数値実施例４）
　数値実施例４の投射光学系１２０の構成データを表７に、多項式自由曲面の係数を表８に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　以下の表９に、各数値実施例１～４における表示面１１１に表示された画像のサイズ、虚像Ｉのサイズ、観察者Ｄの瞳から虚像Ｉまでの距離を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　以下の表１０に、各数値実施例１～４における条件（１）～（３）の数値を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
　以下の表１１に、数値実施例１～３における第１ミラー１２１のサグ量を示す。ただし、基準交線Ｂｃからの距離は、符号が＋のときが鉛直上側、符号が－のときが鉛直下側を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
　本開示にかかるヘッドアップディスプレイは、車載用などのヘッドアップディスプレイといった高画質が要求されるヘッドアップディスプレイに好適である。
　１００　ヘッドアップディスプレイ
　１１０　表示デバイス
　１１１　表示面
　１２０　投射光学系
　１２１　第１ミラー（第１反射素子）
　１２１ａ　第１反射素子の反射面
　１２１ｃ　基準交点
　１２１ｌ　垂線
　１２１ｕ　垂線
　１２２　第２ミラー（第２反射素子）
　１２２ａ　第２反射素子の反射面
　１３０　開口
　１３１　開口カバー
　１４０　筐体
　１５０　遮光壁
　１６０　屈折光学系
　１７０　基準接平面
　１７０ｌ　鉛直方向下側の点
　１７０ｕ　鉛直方向上側の点
　２００　車両
　２１０　ダッシュボード
　２２０　ウインドシールド
　３００　視点領域
　Ｄ　観察者
　Ｉ　虚像
　Ｂｃ　基準交線
　Ｌｃ　基準光線
　Ｌｌ　虚像の下端を形成する光線
　Ｌｕ　虚像の上端を形成する光線

Claims (11)

  1. 　画像を表示する表示面を有する表示デバイスと、
    　前記表示面に表示された画像を観察者の視点領域に投射する投射光学系と、を備え、
    　前記投射光学系は、前記表示面から前記視点領域までの光路の順に、第１反射素子と第２反射素子とを有し、前記第１反射素子と前記第２反射素子の少なくとも一方の反射面は凹面形状を有し、
    　前記表示面の中心から出射され前記視点領域の中心に到達する光線を基準光線とし、
    　前記基準光線と前記第１反射素子の反射面との交点を基準交点とし、
    　前記第１反射素子に入射する前記基準光線と前記第１反射素子で反射した前記基準光線とを含む平面を基準平面とし、
    　前記第１反射素子の反射面と前記基準平面との交線を基準交線とし、
    　前記基準交点における前記第１反射素子の反射面に対する接平面を基準接平面とし、
    　前記基準接平面上において前記基準交点から等距離にある鉛直方向上側の点及び鉛直方向下側の点の２点から、前記第１反射素子の反射面までの、それぞれの高さをサグ量とし、
    　前記鉛直方向上側の点と前記鉛直方向下側の点の２点から前記基準接平面と垂直になるようにたてた各垂線が、基準交線と交差するとき、
    　前記鉛直方向下側の点におけるサグ量よりも前記鉛直方向上側の点におけるサグ量の方が大きい、
    ヘッドアップディスプレイ。
  2. 　前記第２反射素子に入射する前記基準光線は、水平且つ前記表示面に向かう方向のベクトル成分を有し、
    以下の条件（１）を満足する請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ：
    　１．７　＜　ＤＬ１　/　ＤＬ２　・・・（１）
    ここで、
    　ＤＬ１：表示デバイスと第１反射素子間の基準光線の光路長
    　ＤＬ２：第１反射素子と第２反射素子間の基準光線の光路長
    である。
  3. 　車両に搭載され、
    　前記第１反射素子に入射する前記基準光線は、前記車両における前方方向のベクトル成分を有する、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  4. 　前記第２反射素子の反射面は凹面形状を有する、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  5. 　前記第２反射素子の反射領域は前記第１反射素子の反射領域よりも大きい、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  6. 　前記第２反射素子の反射面は回転非対称な自由曲面形状である、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  7. 　前記表示デバイスの表示面の少なくとも一部は、前記第２反射素子よりも鉛直方向上側に位置する、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  8. 　更に、前記表示面の上端と前記第２反射素子の反射面の車両前方側端部を結ぶ仮想線上に遮光壁を備える、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  9. 　以下の条件（２）を満足する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ：
    　５　＜　ＩＬ　＜　２５　・・・（２）
    ここで、
    　ＩＬ：表示デバイスから出射する基準光線の出射角［ｄｅｇ］
    である。
  10. 　以下の条件（３）を満足する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ：
    　２５　＜　Ｉ２　＜　４５　・・・（３）
    ここで、
    　Ｉ２：第２反射素子に入射する基準光線の入射角［ｄｅｇ］
    である。
  11. 　請求項１に記載のヘッドアップディスプレイを備えた、車両。
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