WO2016079928A1 - ヘッドアップディスプレイ及び車両 - Google Patents

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WO2016079928A1
WO2016079928A1 PCT/JP2015/005331 JP2015005331W WO2016079928A1 WO 2016079928 A1 WO2016079928 A1 WO 2016079928A1 JP 2015005331 W JP2015005331 W JP 2015005331W WO 2016079928 A1 WO2016079928 A1 WO 2016079928A1
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display
optical system
head
refractive optical
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PCT/JP2015/005331
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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 capable of displaying a small and large virtual image.
  • the head-up display includes a display device, a projection optical system, a refractive optical system, a housing, and an opening cover.
  • the display device has a display surface for displaying an image.
  • the projection optical system projects the image displayed on the display surface onto the observer's viewpoint area.
  • the refractive optical system is disposed on the optical path from the display surface to the viewpoint area and between the projection optical system and the viewpoint area.
  • the housing accommodates a display device, a projection optical system, and a refractive optical system, and has an opening.
  • the opening cover has a curved portion at least in part, and is disposed in the opening so that light emitted from the display surface is incident on the convex surface side of the curved portion.
  • L1 Distance from the end of the refractive optical system on the front side of the observer to the aperture cover
  • L2 Distance from the position through which the reference beam of the refractive optical system passes to the aperture cover.
  • 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 arrangement of the refractive optical system according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the head-up display according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the head-up display according to the third embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the head-up display according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the head-up display according to the fifth embodiment.
  • FIG. 8 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 refractive optical system 160, a projection optical system 120, and a display device 110.
  • the housing 140 accommodates the refractive optical system 160, the projection optical system 120, and the 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. .
  • 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.
  • An opening 130 is formed in the housing 140.
  • a transparent opening cover is disposed in the opening 130.
  • the opening cover has a curved shape. Therefore, external light such as sunlight reflected by the opening cover is difficult to reach the observer D. By making this opening cover into a lens shape, the magnification of the virtual image I can be adjusted.
  • 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 and a second mirror 122.
  • the image displayed on the display surface 111 is reflected through the first mirror 121, then reflected through the second mirror 122, and refracted through the refractive optical system 160.
  • the virtual image I is reflected to the viewpoint area 300 and the virtual image I is visually recognized by the observer D.
  • 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.
  • the display device 110 is disposed above the second mirror 122 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 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 a mirror that reflects incident light. The larger the reflection area, the larger the mirror.
  • the second mirror 122 is disposed on the rear side of the housing 140 in the horizontal direction. Further, the reflecting surface 122a of the second mirror 122 is arranged eccentrically 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.
  • 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 or 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.
  • 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.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an arrangement position of the refractive optical system 160 according to the first embodiment.
  • the opening cover 131 having a curved shape is disposed in the opening 130.
  • the opening cover 131 is disposed so as to close the opening 130 such that the convex surface side is the inner side of the housing 140 in order to prevent stray light generated by external light.
  • the entire opening cover 131 has a curved shape, but at least a part of the opening cover 131 only needs to have a curved shape.
  • the opening cover 131 should just be arrange
  • the refractive optical system 160 is disposed along the aperture cover 131.
  • an auxiliary plane 180 perpendicular to the reference light beam Lc emitted from the refractive optical system 160 is provided.
  • An intersection line between the auxiliary plane 180 and the incident surface 161 of the refractive optical system 160 is defined as an incident intersection line 181
  • an intersection line between the auxiliary plane 180 and the exit surface 162 is defined as an exit intersection line 182.
  • the normal vector of the incident intersection line 181 has a vector component opposite to the normal vector of the auxiliary intersection point 132 that is the intersection point of the aperture cover 131 and the reference ray Lc.
  • the normal vector of the outgoing intersection line 182 has the same vector component as the normal vector of the auxiliary intersection point 132.
  • the refractive optical system 160 has a distance L1 from the left end, which is the end of the refractive optical system 160 on the front side of the vehicle (front of the observer: left side of the drawing), to the opening cover 131, and the center through which the reference light beam Lc passes. If the distance from the opening to the opening cover 131 is L2, and the distance from the right end to the opening cover 131 at the rear of the vehicle (right side of the drawing) is L3, the following conditions (1) and (2) are simultaneously satisfied: Arranged to meet.
  • the refractive optical system 160 can be disposed along the opening cover 131, and the housing 140 can be reduced in size.
  • At least one of the entrance surface 161 and the exit surface 162 of the refractive optical system 160 has a convex shape.
  • it is desirable that the distance L1, the distance L2, and the distance L3 from the refractive optical system 160 to the opening cover 131 are distances from the surface having a small curvature to the opening cover 131, respectively.
  • the refractive optical system 160 has at least one rotationally asymmetric surface shape. This is to correct asymmetric distortion generated by disposing the refractive optical system 160 along the opening 130. Moreover, although the refractive optical system 160 has a continuous surface shape, it can be further reduced in size by making it a discontinuous surface shape like a Fresnel lens.
  • the refractive optical system 160 By disposing the refractive optical system 160 along the opening 130, the dimension in the depth direction of the housing 140 can be shortened. Further, it is possible to provide the head-up display 100 that can display the small casing 140 and the virtual image I having a large screen.
  • 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 reflective surface 122a of the 2nd mirror 122 is convex shape, distortion of the virtual image I which arises by reflection can be suppressed.
  • 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.
  • At least one of the entrance surface 161 and the exit surface 162 in the refractive optical system 160 has a rotationally asymmetric free-form surface. As a result, it is possible to satisfactorily correct the asymmetric distortion generated by arranging the refractive optical system 160 along the opening 130.
  • the curvature in the vehicle longitudinal direction is smaller than the curvature in the vehicle lateral direction.
  • the asymmetric distortion generated by disposing the refractive optical system 160 along the opening 130 can be corrected more satisfactorily.
  • the reflection surfaces 121a and 122a of the first mirror 121 or the second mirror 122 are formed into a rotationally asymmetric free-form surface, thereby reducing asymmetric distortion. It can also be corrected.
  • the surface shape of the refractive optical system 160 is preferably discontinuous like a Fresnel shape. Thereby, the refractive optical system 160 can be reduced in size, and the housing
  • the surface shape of the refractive optical system 160 is preferably a Fresnel shape having Fresnel grooves only in the longitudinal direction. As a result, it is possible to reduce the size of the refractive optical system 160 while minimizing the deterioration in image quality caused by scattering of the Fresnel grooves. Further, even if the refractive optical system 160 is arranged along the opening 130, the scattering of the Fresnel groove is not deteriorated.
  • the refractive optical system 160 is desirably disposed along the opening 130. Thereby, the housing
  • each of the first mirror 121 and the second mirror 122 having a rotationally asymmetric free-form surface has a smaller curvature in the vehicle front-rear direction than in the vehicle left-right direction. As a result, it is possible to satisfactorily correct the asymmetric distortion generated by arranging the refractive optical system 160 along the opening 130.
  • the head-up display 100 of the present disclosure it is desirable to apply an antireflection coating that suppresses reflection to at least one surface of the refractive optical system 160.
  • an antireflection coating that suppresses reflection to at least one surface of the refractive optical system 160.
  • FIG. 4 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.
  • 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. 5 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. 6 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. 6 is a projection view. As shown in FIG. 6, 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 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.
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the head-up display 100 according to the fifth embodiment.
  • the projection optical system 120 has a first mirror 121.
  • An image displayed on the surface of the display device 110 is reflected through the first mirror 121, refracted through the refractive optical system, 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 inside the housing 140 on the vehicle rear side in the horizontal direction with respect to the first mirror 121. Further, the display surface 111 of the display device 110 is oriented in the direction of the first mirror 121 and vertically downward. Thereby, the display surface 111 (liquid crystal surface) can be prevented from exposure 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 121a of the first mirror 121 is directed in the direction in which the image displayed on the display surface 111 is reflected on the windshield 220. 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 windshield 220.
  • the first mirror 121 is a mirror whose reflecting surface 121a has a concave shape and a free-form surface shape. By making the reflecting surface 121a of the first mirror 121 into a concave shape, the observer D can visually recognize the virtual image I that is enlarged from the image displayed on the display surface 111.
  • Embodiments 1 to 5 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. Also, it is possible to combine the components described in the first to fifth 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. 8 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.
  • 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

　屈折光学系（１６０）は、表示面（１１１）から視点領域（３００）までの光路上であって投射光学系（１２０）と視点領域（３００）との間に配置されている。筐体（１４０）は、表示デバイス（１１０）、投射光学系（１２０）及び屈折光学系（１６０）を収容し、開口（１３０）が形成されている。開口カバー（１３１）は、少なくとも一部に湾曲部分を有し、湾曲部分における凸面側に表示面（１１１）から出射された光が入射するように開口（１３０）に配置されている。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）としたとき、ヘッドアップディスプレイ（１００）は、以下の条件（１）を満たす。　Ｌ２　≦　Ｌ１　・・・（１）　ここで、　Ｌ１：屈折光学系の観察者前方側の端部から開口カバーまでの距離　Ｌ２：屈折光学系の基準光線が通過する位置から開口カバーまでの距離　である。

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、小型且つ大画面の虚像を表示できる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、表示デバイスと、投射光学系と、屈折光学系と、筐体と、開口カバーとを備える。表示デバイスは、画像を表示する表示面を有する。投射光学系は、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。屈折光学系は、表示面から視点領域までの光路上であって投射光学系と視点領域との間に配置されている。筐体は、表示デバイス、投射光学系及び屈折光学系を収容し、開口が形成されている。開口カバーは、少なくとも一部に湾曲部分を有し、湾曲部分における凸面側に表示面から出射された光が入射するように開口に配置されている。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したとき、ヘッドアップディスプレイは、以下の条件（１）を満たす。
　Ｌ２　≦　Ｌ１　・・・（１）
　ここで、
　Ｌ１：屈折光学系の観察者前方側の端部から開口カバーまでの距離
　Ｌ２：屈折光学系の基準光線が通過する位置から開口カバーまでの距離
　である。
　本開示によれば、小型且つ大画面の虚像を表示できる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に係る屈折光学系の配置を説明するための図である。 図４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５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６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７は、実施の形態５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８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、屈折光学系１６０と、投射光学系１２０と、表示デバイス１１０とを備える。筐体１４０には、屈折光学系１６０と投射光学系１２０と表示デバイス１１０とが収容されている。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には開口１３０が形成されている。この開口１３０には、透明の開口カバーが配置されている。この開口カバーは、湾曲形状を有している。そのため、開口カバー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、筐体１４０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ミラー１２１と、第２ミラー１２２とを有している。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、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を介して反射して、視点領域３００に届き、虚像Ｉを観察者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。
　［１－１－２．投射光学系と表示装置の配置構成］
　図２を用いて、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００の投射光学系１２０と表示デバイス１１０の配置構成について説明する。
　表示デバイス１１０は、筐体１４０の内部において、第２ミラー１２２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の水平方向車両後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に入射するように、偏心して配置している。
　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または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.屈折光学系の配置構成］
　以下、図３を用いて、屈折光学系１６０の配置について説明する。
　図３は、実施の形態１に係る屈折光学系１６０の配置位置を説明するための図である。
　上述したように、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００では、開口１３０に湾曲形状を有する開口カバー１３１が配置されている。開口カバー１３１は、外光により発生する迷光を防ぐために、凸面側が筐体１４０の内部側になるようにして、開口１３０を塞ぐように配置されている。なお、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００では、開口カバー１３１の全体が湾曲形状を有しているが、開口カバー１３１は、少なくとも一部が湾曲形状を有していればよい。そして、開口カバー１３１は、湾曲部分における凸面側に表示面１１１から出射された光が入射するように、開口１３０に配置されていればよい。
　また、屈折光学系１６０は、開口カバー１３１に沿って配置されている。
　図３に示すように、屈折光学系１６０から出射される基準光線Ｌｃと垂直な補助平面１８０を設ける。この補助平面１８０と屈折光学系１６０の入射面１６１との交線を入射交線１８１、出射面１６２との交線を出射交線１８２とする。この入射交線１８１の法線ベクトルは、開口カバー１３１と基準光線Ｌｃとの交点である補助交点１３２の法線ベクトルとは反対のベクトル成分を有する。他方、出射交線１８２の法線ベクトルは、補助交点１３２の法線ベクトルと同じベクトル成分を有する。
　ここで、屈折光学系１６０は、屈折光学系１６０の車両前方側（観察者前方：図面の左側）の端部である左端部から開口カバー１３１までの間隔をＬ１、基準光線Ｌｃが通過する中央部から開口カバー１３１までの間隔をＬ２、車両後方側（図面の右側）の端部である右端部から開口カバー１３１までの間隔をＬ３とすると、以下の条件（１）、（２）を同時に満たすように配置される。
　　Ｌ２　＜　Ｌ１　・・・（１）
　　Ｌ２　＜　Ｌ３　・・・（２）
　これにより、開口カバー１３１に沿って屈折光学系１６０を配置することができ、筐体１４０を小型にすることができる。
　屈折光学系１６０の入射面１６１又は出射面１６２の少なくとも一方は凸面形状を有している。この場合、屈折光学系１６０の開口カバー１３１までの距離Ｌ１、距離Ｌ２、距離Ｌ３は、それぞれ曲率の小さい面から開口カバー１３１までの距離とすることが望ましい。
　屈折光学系１６０は、回転非対称な面形状を少なくとも一面有している。これは、屈折光学系１６０を開口１３０に沿って配置することで発生する非対称な歪曲収差を補正するためである。また、屈折光学系１６０は連続的な面形状を有しているが、フレネルレンズのように不連続な面形状にすることでさらに小型化することもできる。
　［１－２．効果等］
　屈折光学系１６０を開口１３０に沿って配置したことにより、筐体１４０の深さ方向の寸法を短くすることが可能となる。また、小型な筐体１４０かつ、大画面の虚像Ｉを表示できるヘッドアップディスプレイ１００を提供することができる。
　［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。
　また、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の反射面１２２ａ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。
　屈折光学系１６０における入射面１６１または出射面１６２の少なくとも一面は、回転非対称な自由曲面形状である。これにより、屈折光学系１６０を開口１３０に沿って配置することで発生する非対称な歪曲収差を、良好に補正することができる。
　また、屈折光学系１６０の回転非対称な自由曲面形状において、車両前後方向の曲率の方が車両左右方向の曲率よりも小さいことが望ましい。これにより、屈折光学系１６０を開口１３０に沿って配置することで発生する非対称な歪曲収差を、さらに良好に補正することができる。ただし、屈折光学系１６０の全ての面を回転対称としたときも、第１ミラー１２１または第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを回転非対称な自由曲面形状とすることで、非対称な歪曲収差を補正することもできる。
　屈折光学系１６０の面形状はフレネル形状のような不連続であることが望ましい。これにより、屈折光学系１６０を小型化することができ、筐体１４０を小型化することができる。
　屈折光学系１６０の面形状は、長手方向にのみフレネル溝を有するフレネル形状であることが望ましい。これにより、フレネル溝の散乱で発生する画質の劣化を最小限に抑えつつ、屈折光学系１６０の小型化を実現することが出来る。また、屈折光学系１６０を開口１３０に沿って配置してもフレネル溝の散乱を悪化することがない。
　屈折光学系１６０は、開口１３０に沿って配置されることが望ましい。これにより、筐体１４０を小型に構成することができる。ただし、屈折光学系１６０を開口１３０と一体の部材として配置することもできる。
　回転非対称な自由曲面形状を有する第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２のそれぞれは、車両前後方向の曲率の方が車両左右方向の曲率よりも小さいことが望ましい。これにより、屈折光学系１６０を開口１３０に沿って配置することで発生する非対称な歪曲収差を、良好に補正することができる。
　本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、屈折光学系１６０の少なくとも一面に、反射を抑制する反射防止コートを施すことが望ましい。これにより、屈折光学系１６０の屈折面で反射することで発生する迷光を抑制することができる。
　（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４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４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及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａ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５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５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６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６は一部が射影図となっている。図６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及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａ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５）
　以下、実施の形態５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。
　［５－１．構成］
　［５－１－１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
　図７は、実施の形態５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７に示すように、投射光学系１２０は、第１ミラー１２１を有している。表示デバイス１１０の表面に表示される画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、屈折光学系を介して屈折して、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。
　［５－１－２．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よりも水平方向車両後方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の方向且つ鉛直下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ウインドシールド２２０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に表示された画像がウインドシールド２２０に映るように、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。第１ミラー１２１の反射面１２１ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示される画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。
　（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１～５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１～５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１～５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８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８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
　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
　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
　１６０　屈折光学系
　１８０　補助平面
　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
　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 (5)

  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、
    　前記表示面から前記視点領域までの光路上であって前記投射光学系と前記視点領域との間に配置された屈折光学系と、
    　前記表示デバイス、前記投射光学系及び前記屈折光学系を収容し、開口が形成された筐体と、
    　少なくとも一部に湾曲部分を有し、前記湾曲部分における凸面側に前記表示面から出射された光が入射するように前記開口に配置された開口カバーと、を備え、
    　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たとき、
    　以下の条件（１）を満たす、
    　ヘッドアップディスプレイ。
    　Ｌ２　≦　Ｌ１　・・・（１）
    　ここで、
    　Ｌ１：屈折光学系の観察者前方側の端部から開口カバーまでの距離
    　Ｌ２：屈折光学系の基準光線が通過する位置から開口カバーまでの距離
    　である。
  2. 　ウインドシールドを有する車両に搭載され、以下の条件式（２）を満たす請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ：
    　Ｌ２　≦　Ｌ３　・・・（２）
    　ここで、
    　Ｌ２：屈折光学系の基準光線が通過する位置から開口カバーまでの距離
    　Ｌ３：屈折光学系の車両後方側の端部から開口カバーまでの距離
    　である。
  3. 　前記屈折光学系は、車両前後方向の曲率が車両左右方向の曲率よりも小さい面形状を有する、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  4. 　前記屈折光学系は、回転非対称な面形状を有する、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  5. 　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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