WO2017126176A1

WO2017126176A1 - ヘッドアップディスプレイ装置

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Publication number: WO2017126176A1
Application number: PCT/JP2016/081198
Authority: WO
Inventors: 泰三宮戸; 和幸石原; 一寿恩田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2018-07-19
Also published as: DE112016006256B4; CN108431668A; US10942352B2; JP6468206B2; DE112016006256T5; US20190033586A1; JP2017129683A; CN108431668B

Abstract

ＨＵＤ装置は、車両に搭載され、ウインドシールドに画像を投影することにより、乗員により視認可能な虚像を表示する。レーザ投射部（１０）は、互いに波長が異なる複数のレーザ光束を重ね合わせて投射する。走査部（２０）は、レーザ投射部（１０）からのレーザ光束を走査する。スクリーン部材（５０）には、走査部（２０）に走査されたレーザ光束の入射により、画像が描画される。屈折素子部（３０）は、走査部（２０）とスクリーン部材（５０）との間の光路上に配置され、正の屈折力を有し、スクリーン部材（５０）へのレーザ光束の入射角を屈折により調整する。屈折素子部（３０）は、正の屈折力を有する正レンズ部（３４）と、正レンズ部（３４）よりも高分散の媒質により形成され、負の屈折力を有する負レンズ部（３２）と、を有する。

Description

ヘッドアップディスプレイ装置

関連出願の相互参照

　本出願は、２０１６年１月１９日に出願された日本出願番号２０１６－８２６５号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、移動体に搭載され、乗員により視認可能な虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置を略称とする）に関する。

　従来、移動体に搭載され、乗員により視認可能に虚像を表示するＨＵＤ装置が知られている。特許文献１に開示のＨＵＤ装置は、レーザ投射部、走査部、スクリーン部材、及び屈折素子部を備えている。レーザ投射部は、互いに波長が異なる複数のレーザ光束を重ね合わせて投射する。走査部は、レーザ投射部からのレーザ光束を走査する。スクリーン部材は、走査部に走査されたレーザ光束の入射により、画像が描画される部材である。屈折素子部は、走査部とスクリーン部材との間の光路上に配置され、正の屈折力を有し、スクリーン部材へのレーザ光束の入射角を屈折により調整する。より詳細に屈折素子部は、単一のレンズにより構成されている。

特開２０１０－１４５９２４号公報

　特許文献１の構成では、互いに異なる波長を重ね合わせた状態のレーザ光束により、スクリーン部材に画像が描画される。しかしながら、走査部による走査により単一のレンズの各箇所を透過するレーザ光束は、当該レンズ媒質の分散性により各色に分離してしまい、スクリーン部材に描画される画像に色収差が発生し得る。このような画像を投影部材に投影した虚像では、当該色収差によって視認性に悪影響が及ぶことが懸念されている。

　本開示は、以上説明した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、虚像の視認性が高いＨＵＤ装置を提供することを目的とする。

　本開示の第一の態様において、ヘッドアップディスプレイ装置は、移動体に搭載され、投影部材に画像を投影することにより、乗員により視認可能な虚像を表示する。ヘッドアップディスプレイ装置は、互いに波長が異なる複数のレーザ光束を重ね合わせて投射するレーザ投射部を備える。ヘッドアップディスプレイ装置は、前記レーザ投射部からの前記レーザ光束を走査する走査部を更に備える。ヘッドアップディスプレイ装置は、前記走査部に走査された前記レーザ光束の入射により、前記画像が描画されるスクリーン部材を更に備える。ヘッドアップディスプレイ装置は、前記走査部と前記スクリーン部材との間の光路上に配置され、全体として正の屈折力を有し、前記スクリーン部材への前記レーザ光束の入射角を屈折により調整する屈折素子部を更に備える。前記屈折素子部は、正の屈折力を有する正レンズ部を備える。前記屈折素子部は、前記正レンズ部よりも高分散の媒質により形成され、負の屈折力を有する負レンズ部を更に備える。

　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
一実施形態におけるＨＵＤ装置の車両への搭載状態を示す模式図であり、一実施形態におけるＨＵＤ装置の概略構成を示す模式図であり、一実施形態におけるレーザ投射部を示す模式図であり、一実施形態におけるレーザ投射部からスクリーン部材に至る光学系を示す模式図であり、スクリーン部材における画像の描画を説明するための平面図であり、また図５の一画素に対応するレーザ光束を拡大して示す拡大図であって、色収差を説明するための図である。

　以下、本開示の一実施形態を図面に基づいて説明する。

　図１に示す本開示の一実施形態によるＨＵＤ装置１００は、移動体の一種である車両１のインストルメントパネル２に搭載されている。ＨＵＤ装置１００は、車両１の投影部材としてのウインドシールド３に画像ＩＭを投影する。これにより、ＨＵＤ装置１００は、車両１において対象座席４に着座した乗員により視認可能な虚像ＶＩを表示する。すなわち、ウインドシールド３に反射される画像ＩＭの光が、車両１の室内において乗員の眼に到達し乗員が当該光を知覚する。そして、乗員は、虚像ＶＩとして表示される各種情報を認識することができる。虚像ＶＩとして表示される各種情報としては、例えば、車速、燃料残量等の車両状態値、又は道路情報、視界補助情報等の車両情報が挙げられる。

　車両１のウインドシールド３は、インストルメントパネル２よりも車両上方に位置し、ガラスないしは合成樹脂等により透光性の板状に形成されている。また、ウインドシールド３は、車両上方に向かう程車両後方に傾斜して配置されている。特に図２に示すように、ウインドシールド３において車室内の乗員側を向く表面３ａは、滑らかな凹面状又は平面状に形成されている。ウインドシールド３において車室外の乗員とは反対側を向く裏面３ｂは、滑らかな凸面状又は平面状に形成されている。表面３ａと裏面３ｂとの間隔が車両上方に向かう程大きくなることで、ウインドシールド３は、断面楔形状の箇所を有している。

　ここで本実施形態において、車両下方とは、車両が平地を走行するとき又は平地に停止するときに重力が生ずる方向を示す。車両上方とは、車両下方の反対方向を示す。車両上下方向とは、車両上方及び車両下方を示すものとする。

　そして、画像ＩＭが虚像ＶＩとして表示されるときに、当該画像ＩＭにおいて車両上下方向に沿う方向を画像上下方向Ｄｉｙとし、当該画像ＩＭにおいて車両上下方向と垂直な方向を画像左右方向Ｄｉｘとする。

　このようなＨＵＤ装置１００は、図１，２に示すように、ハウジング７０内において、レーザ投射部１０、走査部２０、屈折素子部３０、反射素子部４０、スクリーン部材５０、及び導光部６０を備えている。

　レーザ投射部１０は、図３に詳細を示すように、複数のレーザ発振器１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、複数のコリメートレンズ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、及び複数のダイクロイックミラー１６ａ，１６ｂ，１６ｃを有している。本実施形態では、レーザ発振器１２ａ～１２ｃ、コリメートレンズ１４ａ～１４ｃ、ダイクロイックミラー１６ａ～１６ｃは３つずつ設けられている。

　３つのレーザ発振器１２ａ～１２ｃは、波長が互いに異なるレーザ光束を発振する。具体的に、レーザ発振器１２ａは、例えばピーク波長が４９０～５３０ｎｍの範囲、好ましくは５１５ｎｍである緑色のレーザ光束を発振するようになっている。レーザ発振器１２ｂは、例えばピーク波長が４３０～４７０ｎｍの範囲、好ましくは４５０ｎｍである青色のレーザ光束を発振するようになっている。レーザ発振器１２ｃは、例えばピーク波長が６００～６５０ｎｍの範囲、好ましくは６４０ｎｍである赤色のレーザ光束を発振するようになっている。各レーザ発振器１２ａ～１２ｃから発振された各レーザ光束は、それぞれ対応するコリメートレンズ１４ａ～１４ｃに入射する。

　３つのコリメートレンズ１４ａ～１４ｃは、それぞれ対応するレーザ発振器１２ａ～１２ｃに対して、各レーザ光束の進行方向に所定の間隔をあけて配置されている。各コリメートレンズ１４ａ～１４ｃは、対応する色のレーザ光束を屈折させることにより、当該レーザ光束を平行化する。

　３つのダイクロイックミラー１６ａ～１６ｃは、それぞれ対応するコリメートレンズ１４ａ～１４ｃに対して、各レーザ光束の進行方向に所定の間隔をあけて配置されている。各ダイクロイックミラー１６ａ～１６ｃは、対応するコリメートレンズ１４ａ～１４ｃを透過した各レーザ光束のうち、特定波長のレーザ光束を反射し、その他の波長のレーザ光束を透過させる。具体的には、コリメートレンズ１４ａに対応するダイクロイックミラー１６ａは、緑色のレーザ光束を反射する。コリメートレンズ１４ｂに対応するダイクロイックミラー１６ｂは、青色のレーザ光束を反射し、緑色のレーザ光束を透過させる。コリメートレンズ１４ｃに対応するダイクロイックミラー１６ｃは、赤色のレーザ光束を反射し、緑色及び赤色のレーザ光束を透過させる。

　ここで、ダイクロイックミラー１６ａによる反射後の緑色のレーザ光束の進行方向には、ダイクロイックミラー１６ｂが所定の間隔をあけて配置されている。また、ダイクロイックミラー１６ｂの反射後の青色のレーザ光束の進行方向には、ダイクロイックミラー１６ｃが所定の間隔をあけて配置されている。これら配置形態により、ダイクロイックミラー１６ａによる反射後の緑色のレーザ光束が、ダイクロイックミラー１６ｂを透過し、ダイクロイックミラー１６ｂによる反射後の青色のレーザ光束と重ね合される。また、緑色のレーザ光束と青色のレーザ光束とが、ダイクロイックミラー１６ｃを透過し、ダイクロイックミラー１６ｃによる反射後の赤色のレーザ光束と重ね合される。

　ここで、各レーザ発振器１２ａ～１２ｃは、コントローラ１８と電気的に接続されている。各レーザ発振器１２ａ～１２ｃは、コントローラ１８からの電気信号に従って、レーザ光束を発振する。そして、各レーザ発振器１２ａ～１２ｃから発振される３色のレーザ光束を加色混合することで、種々の色の再現が可能となる。こうしてレーザ投射部１０は、互いに波長が異なる複数のレーザ光束を重ね合わせた状態で、走査部２０へ向けて投射する。

　走査部２０は、図４に詳細を示すように、走査ミラー２２を有している。走査ミラー２２は、レーザ投射部１０からのレーザ光束の投射方向ＰＤを時間的に変えることで、当該レーザ光束を走査する微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）を用いたＭＥＭＳミラーである。走査ミラー２２において、ダイクロイックミラー１６ｃと所定の間隔をあけて対向する面には、アルミニウムの金属蒸着等により、反射面２２ｃが形成されている。反射面２２ｃは、当該反射面２２ｃに沿って直交する２つの回転軸Ａｘ，Ａｙまわりに回動可能となっている。

　このような走査ミラー２２は、コントローラ１８と電気的に接続されており、その走査信号に従って、反射面２２ｃの向きを変えることができる。こうして、走査部２０は、走査ミラー２２がコントローラ１８により制御されることで、レーザ投射部１０と連動して、レーザ光束を走査することが可能となっている。走査部２０により走査されたレーザ光束は、屈折素子部３０に入射するようになっている。

　屈折素子部３０は、走査部２０とスクリーン部材５０との間の光路上、特に本実施形態では走査部２０と反射素子部４０との間の光路上に配置されている。屈折素子部３０は、全体として正の屈折力を有し、スクリーン部材５０へのレーザ光束の入射角を屈折により調整する。

　屈折素子部３０は、負の屈折力を有する負レンズ部３２、及び正の屈折力を有する正レンズ部３４を有している。特に本実施形態では、屈折素子部３０は、負レンズ部３２と正レンズ部３４とを互いに貼り合わせて一体的に形成されている。負レンズ部３２は、正レンズ部３４よりも走査部２０側に配置され、正レンズ部３４は、負レンズ部３２よりもスクリーン部材５０側に配置されている。

　負レンズ部３２は、ガラス等の媒質により透光性を有して形成されている。負レンズ部３２の媒質は、例えば屈折率ｎｄ＝１．９２、アッベ数νｄ＝３１であり、正レンズ部３４の媒質よりも高屈折率かつ高分散となっている。

　負レンズ部３２は、レーザ光束を屈折させる複数の屈折面３２ａ，３２ｂを有している。具体的に、入射側の屈折面３２ａは凸形状の球面となっている。射出側の屈折面３２ｂは凹形状の球面となっており、正レンズ部３４との貼り合わせにより、正レンズ部３４の入射側の屈折面３４ａと共有されている。入射側の屈折面３２ａの曲率半径が射出側の屈折面３２ｂの曲率半径よりも大きく設定されており、負レンズ部３２は、メニスカス形状を呈する凹レンズとなっている。

　正レンズ部３４は、ガラス等の媒質により透光性を有して形成されている。正レンズ部３４の媒質は、例えば屈折率ｎｄ＝１．４４、アッベ数νｄ＝９５であり、負レンズ部３２の媒質よりも低屈折率かつ低分散となっている。

　正レンズ部３４は、レーザ光束を屈折させる複数の屈折面３４ａ，３４ｂを有している。具体的に、入射側の屈折面３４ｂは凸形状の球面となっており、負レンズ部３２との貼り合わせにより、上述のように負レンズ部３２の射出側の屈折面３２ｂと共有されている。射出側の屈折面３４ｂは、凸形状の非球面であり、特に本実施形態では自由曲面となっている。したがって正レンズ部３４は両凸レンズとなっている。

　レーザ光束は、このような屈折素子部３０を屈折及び透過した後、反射素子部４０に入射するようになっている。

　反射素子部４０は、走査部２０とスクリーン部材５０との間の光路上、特に本実施形態では屈折素子部３０とスクリーン部材５０との間の光路上に配置されている。反射素子部４０は、自由曲面ミラー４２を有している。

　自由曲面ミラー４２は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、反射面４２ａとしてアルミニウム等を蒸着させること等により形成されている。反射面４２ａは、中心が凹む凹形状の自由曲面となっている。反射素子部４０の自由曲面ミラー４２は、屈折素子部３０からのレーザ光束をスクリーン部材５０に向けて反射することにより、屈折素子部３０と共同して、スクリーン部材５０へのレーザ光束の入射角を調整する。具体的には、各投射方向ＰＤに対応するレーザ光束間におけるスクリーン部材５０への入射角の差が極力小さくなるように調整する。

　スクリーン部材５０は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面にアルミニウムを蒸着させること等により形成された、反射型のスクリーンである。スクリーン部材５０は、レーザ光束が投射される投射領域ＰＡにおいて、複数の小さな反射面５２が配列されたマイクロミラーアレイとして形成されている。特に本実施形態では、各反射面５２が屈折素子部３０及び反射素子部４０の各面３２ａ～３２ｂ，３４ａ～３４ｂ，４２ａよりも十分に曲率半径が小さい凹形状に形成されているが、凸形状に形成されてもよい。

　図５に示すように、スクリーン部材５０には、走査部２０に走査されたレーザ光束の入射により、画像ＩＭが描画される。具体的に、走査部２０は、レーザ光束の投射方向ＰＤを時間的に変えながら、スクリーン部材５０の投射領域ＰＡに向けて当該レーザ光束を投射する。コントローラに１８よる制御により、レーザ光束は、複数の走査線ＳＬに沿って順次走査される。その結果、投射領域ＰＡにおいてレーザ光束が入射する位置が移動していくと共に、レーザ光束が断続的にパルス照射されることで、画像ＩＭが描画されることとなる。こうして投射領域ＰＡに描画される画像ＩＭは、例えば走査線ＳＬに沿ったｘｓ方向に４８０画素かつ走査線ＳＬと垂直なｙｓ方向に２４０画素を有する画像として、毎秒６０フレーム描画される。なお、図５では、各反射面５２の図示が省略されている。

　スクリーン部材５０の各反射面６２ａに反射されることにより、各画素を構成する画像ＩＭの光としてのレーザ光束は、拡散されつつ、導光部６０へと入射する。

　導光部６０は、図２に示すように、凹面ミラー６２を有している。凹面ミラー６２は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に反射面６２ａとしてアルミニウムを蒸着させること等により形成される。反射面６２ａは、中心部が凹む凹形状として、滑らかな曲面状に形成されている。そして、凹面ミラー６２は、スクリーン部材５０からの画像ＩＭの光をウインドシールド３へ向けて反射する。

　ハウジング７０の車両上方の開口部には、透光性の防塵カバー７２が設けられており、凹面ミラー６２に反射された画像ＩＭの光は、車両下方から、当該防塵カバー７２を透過して、車両上方のウインドシールド３へ入射する。こうして導光部６０は、スクリーン部材５０に描画される画像ＩＭを拡大してウインドシールド３へ導光する。なお、導光部６０には、平面ミラー等を追加することができる。

　図２に示すように、ウインドシールド３の表面３ａでは、画像ＩＭの光の多くが乗員へ向けて反射される一方、ウインドシールド３の媒質内へ入射する光も存在し得る。このような光の一部は、裏面３ｂにて反射され、さらに表面３ａから乗員へ向けて射出される。こうして、乗員からは、虚像ＶＩとして、表面３ａでの反射による虚像ＶＩａと、裏面３ｂでの反射による虚像ＶＩｂとが、少しずれた二重像として視認され得る。前述のようにウインドシールド３が例えば断面楔形状を呈していたとしても、虚像ＶＩの全体において各虚像ＶＩａ，ＶＩｂの位置を完全に一致させることは非常に困難である。

　ここで、表面３ａでの反射による虚像ＶＩａに対して裏面３ｂでの反射による虚像ＶＩｂがずれる方向をずれ平行方向Ｄｄ１と、ずれ平行方向Ｄｄ１と垂直な方向をずれ垂直方向Ｄｄ２と、それぞれ定義する。画像ＩＭの光が車両上下方向に沿ってウインドシールド３へ入射する本実施形態では、ずれ平行方向Ｄｄ１は画像上下方向Ｄｉｙとおよそ合っており、ずれ垂直方向Ｄｄ２は画像左右方向Ｄｉｘとおよそ合っている。

　本実施形態では、スクリーン部材５０に描画される画像ＩＭに対して、乗員に視認される虚像ＶＩは、導光部６０及びウインドシールド３により拡大される。この拡大される倍率のうち画像上下方向Ｄｉｙの倍率をＭｙとする。またずれ平行方向Ｄｄ１の倍率をＭ１とする。

　また、スクリーン部材５０から導光部６０及びウインドシールド３に反射された画像ＩＭの光により結像される虚像ＶＩにおいて、スクリーン部材５０上においてｘｓ方向に並ぶ画素の列は、画像左右方向Ｄｉｘに沿って並ぶようになっており、ｙｓ方向に並ぶ画素の列は、画像上下方向Ｄｉｙに沿って並ぶようになっている。すなわち、画像左右方向Ｄｉｘを構成するｘｓ方向は、ずれ垂直方向Ｄｄ２に対応する方向であり、画像上下方向Ｄｉｙ方向を構成するｙｓ方向はずれ平行方向Ｄｄ１に対応する方向となっている（図４，５も参照）。さらに、屈折素子部３０の各屈折面３２ａ～３２ｂ，３４ａ～３４ｂ上においてｘｓ方向又はｙｓ方向に対応する方向として、ｘｓ方向への走査によりレーザ光束が移動する方向をｘｌ方向とし、ｙｓ方向への走査によりレーザ光束が移動する方向をｙｌ方向とする（図４も参照）。

　ここで、図４に示す屈折素子部３０において、負レンズ部３２の焦点距離をｆ１とし、改めて負レンズ部３２のアッベ数をν１とする。正レンズ部３４のｘｌ方向の焦点距離をｆ２ｘとし、正レンズ部３４のｙｌ方向の焦点距離をｆ２ｙとし、改めて正レンズ部３４のアッベ数をν２とすると、本実施形態では、
　１／ｆ１・ν１＋１／ｆ２ｘ・ν２＜１／ｆ１・ν１＋１／ｆ２ｙ・ν２…（数式１）が成立するように設計されている。これを整理すると、ｆ２ｙ＜ｆ２ｘとなるので、正レンズ部３４の画像左右方向Ｄｉｘに対応するｘｌ方向の焦点距離は、正レンズ部３４の画像上下方向Ｄｉｙに対応するｙｌ方向の焦点距離よりも長くなっている。

　具体的に本実施形態では、正レンズ部３４の射出側の屈折面３４ｂにおいて、光軸上をはじめとする各箇所では、画像左右方向Ｄｉｘに対応するｘｌ方向の曲率半径が画像上下方向Ｄｉｙに対応するｙｌ方向の曲率半径よりも大きくなっている。

　他方の負レンズ部３２は回転対称形状となっているので、結局、屈折素子部３０全体としても、画像左右方向Ｄｉｘに対応するｘｌ方向の焦点距離は、画像上下方向Ｄｉｙに対応するｙｌ方向の焦点距離よりも長い。

　このような屈折素子部３０にて屈折及び透過するレーザ光束によって、スクリーン部材５０に描画される画像ＩＭについて、ここで説明する。上述のように走査部２０の走査において一投射方向ＰＤに対応するレーザ光束が、画像ＩＭの一画素に対応する。ここで図６に模式的に示すように、一投射方向ＰＤに対応し、一画素を構成するために互いに異なる波長を重ね合わせた状態のレーザ光束の各色間において、スクリーン部材５０への入射位置がずれる色収差が生じ得る。

　上記数式１に基づいた屈折素子部３０により、各投射方向ＰＤに対応する各レーザ光束において、画像左右方向Ｄｉｘにおける色収差Ｃｘは、画像上下方向Ｄｉｙにおける色収差Ｃｙよりも小さくなっている。

　各投射方向ＰＤに対応してレーザ光束の光路が異なるため、発生する色収差Ｃｘ，Ｃｙは画像ＩＭの各画素によって異なるものとなるが、この色収差Ｃｘ，Ｃｙの関係は、全ての画素において成立することが好ましい。ただし、屈折素子部３０の近軸を透過したレーザ光束（例えば画像ＩＭの中央部の画素）に関しては、そもそも当該色収差Ｃｘ，Ｃｙが発生しない又は極めて小さい場合があるため、上述の色収差Ｃｘ，Ｃｙの関係が成立していなくてもよい。

　さらに、例えば正レンズ部３４の射出側の屈折面３４ｂの形状を適宜設計することにより、各投射方向ＰＤに対応する各レーザ光束において、画像上下方向Ｄｉｙにおける色収差Ｃｙは、虚像ＶＩａ，ＶＩｂ間のずれ量Ｌｄの画像上下方向Ｄｉｙの成分を、倍率Ｍｙで除算した値よりも小さくなっている。この画像上下方向Ｄｉｙにおける色収差Ｃｙの上限についても、全ての画素において成立することが好ましい。

　なお、本実施形態において上述の色収差Ｃｘ，Ｃｙの関係は、画像上下方向Ｄｉｙとずれ平行方向Ｄｄ１とを、画像左右方向Ｄｉｘとずれ垂直方向Ｄｄ２とを、それぞれ読み替えても成立する。すなわち、スクリーン部材５０に描画される画像ＩＭのレーザ光束において、色収差Ｃｘをずれ垂直方向Ｄｄ２に対応する方向の色収差Ｃ２と、色収差Ｃｙをずれ平行方向Ｄｄ１に対応する方向の色収差Ｃ１と、それぞれ読替えることができる。さらにこの場合において、色収差Ｃｙと倍率Ｍｙとの関係を、色収差Ｃ１と倍率Ｍ１との関係に読み替えることができる。

　（作用効果）
　以上説明した本実施形態の作用効果を以下に説明する。

　本実施形態によると、互いに異なる波長を重ね合わせた状態のレーザ光束が、屈折素子部３０にて屈折される。ここで、レーザ光束が正レンズ部３４にて屈折される際には、当該レーザ光束が波長毎に分離される分離作用が生じる。これに対してレーザ光束が負レンズ部３２にて屈折される際には、当該分離作用を打ち消す打消作用が生じる。ここで、負レンズ部３２は、正レンズ部３４よりも高分散の媒質により形成されているので、屈折素子部３０が全体として正の屈折力であっても、分離作用と打消作用とのバランスを取ることができる。こうして、レーザ光束が走査部２０により走査されても、当該レーザ光束の重なり状態を維持した状態で、屈折素子部３０によりスクリーン部材５０への入射角を調整することが可能となる。スクリーン部材５０に描画される画像ＩＭの色収差Ｃｘ，Ｃｙ（Ｃ１，Ｃ２）が抑制されるので、当該画像ＩＭをウインドシールド３に投影させることで視認可能となる虚像ＶＩにおける視認性を高めることができる。

　また、乗員側を向く表面３ａ及び表面３ａの反対側を向く裏面３ｂを有する透光性の板状に形成されるウインドシールド３に画像ＩＭを投影する場合では、表面３ａでの反射による虚像ＶＩａに対して裏面３ｂでの反射による虚像ＶＩｂがずれて表示され得る。このため、ずれ平行方向Ｄｄ１の色収差Ｃ１を屈折素子部３０によって優先的に除去しても、結局、虚像ＶＩａ，ＶＩｂのずれが生じているため視認性の改善効果は小さい。そこで本実施形態では、スクリーン部材５０に描画される画像ＩＭのレーザ光束において、ずれ垂直方向Ｄｄ２に対応する方向における色収差Ｃ２は、ずれ平行方向Ｄｄ１に対応する方向における色収差Ｃ１よりも小さくなっている。すなわち、ずれ平行方向Ｄｄ１の色収差Ｃ１をある程度許容しつつ、ずれ垂直方向Ｄｄ２の色収差Ｃ２が優先的に除去されることで、屈折素子部３０による視認性の改善効果を高めることができる。

　また、本実施形態によると、スクリーン部材５０に描画される画像ＩＭのレーザ光束において、ずれ平行方向Ｄｄ１に対応する方向における色収差Ｃ１は、表面３ａ及び裏面３ｂの反射による虚像ＶＩａ，ＶＩｂ間のずれ量Ｌｄを倍率Ｍ１で除算した値よりも小さくなっている。こうした色収差Ｃ１が導光部６０及びウインドシールド３にて拡大の影響を受けて虚像表示されても、ずれ量Ｌｄよりも小さくなる。したがって、ずれ垂直方向Ｄｄ２の色収差Ｃ２が優先的に除去された場合においても、ずれ平行方向Ｄｄ１の色収差Ｃ１によって視認性が悪化することを抑制することができる。

　また、インストルメントパネル２に搭載されるＨＵＤ装置１００から、車両上方のウインドシールド３に画像ＩＭを投影する。ここで、乗員側を向く表面３ａ及び表面３ａの反対側を向く裏面３ｂを有する透光性の板状に形成されるウインドシールド３に画像ＩＭを投影する場合では、表面３ａでの反射による虚像ＶＩａに対して裏面３ｂでの反射による虚像ＶＩｂが、画像上下方向Ｄｉｙにずれて表示され易い。このため、画像上下方向Ｄｉｙの色収差Ｃｙを屈折素子部３０によって優先的に除去しても、結局、虚像ＶＩａ，ＶＩｂのずれが生じているため視認性の改善効果は小さい。そこで本実施形態では、スクリーン部材５０に描画される画像ＩＭのレーザ光束において、画像左右方向Ｄｉｘにおける色収差Ｃｘは、画像上下方向Ｄｉｙにおける色収差Ｃｙよりも小さくなっている。すなわち、画像上下方向Ｄｉｙの色収差Ｃｙをある程度許容しつつ、画像左右方向Ｄｉｘの色収差Ｃｘが優先的に除去されることで、屈折素子部３０による視認性の改善効果を高めることができる。

　また、本実施形態によると、屈折素子部３０の画像左右方向Ｄｉｘに対応するｘｌ方向の焦点距離は、屈折素子部３０の画像上下方向Ｄｉｙに対応するｙｌ方向の焦点距離よりも長い。このような条件により、例えば数式１が成立することとなり、色収差Ｃｘを優先的に除去することが可能となる。

　また、本実施形態によると、スクリーン部材５０に描画される画像ＩＭのレーザ光束において、画像上下方向Ｄｉｙにおける色収差Ｃｙは、表面３ａ及び裏面３ｂの反射による虚像ＶＩａ，ＶＩｂ間のずれ量Ｌｄの画像上下方向Ｄｉｙ成分を倍率Ｍｙで除算した値よりも小さくなっている。こうした色収差Ｃｙが導光部６０及びウインドシールド３にて拡大の影響を受けて虚像表示されても、ずれ量Ｌｄの画像上下方向Ｄｉｙ成分よりも小さくなる。したがって、画像左右方向Ｄｉｘの色収差Ｃｘが優先的に除去された場合においても、画像上下方向Ｄｉｙの色収差Ｃｙによって視認性が悪化することを抑制することができる。

　また、本実施形態によると、屈折素子部３０の複数の屈折面３２ａ～３２ｂ，３４ａ～３４ｂのうち最もスクリーン部材５０側に配置される屈折面３４ｂは、非球面である。最もスクリーン部材５０側に配置される屈折面３４ｂでは、走査部２０により走査されるレーザ光束がより屈折面３４ｂの外周側を透過可能となるので、非球面による収差補正効果を確実に得ることができる。

　また、本実施形態によると、レーザ光束を反射する反射素子部４０が走査部２０とスクリーン部材５０との間の光路上に配置されている。このような反射素子部４０が追加されても、色収差増大の原因とはならないので、色収差Ｃｘ，Ｃｙ（Ｃ１，Ｃ２）を抑制しつつ、画像ＩＭの質を高めることができる。　

　また、本実施形態によると、屈折素子部３０が走査部２０と反射素子部４０との間に配置されるので、走査部２０により走査されるレーザ光束が十分拡がる前に屈折素子部３０を透過することとなるため、屈折素子部３０を小型化することができる。

　（他の実施形態）
　以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、当該実施形態に限定して解釈されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。

　具体的に変形例１としては、反射素子部４０は、走査部２０と屈折素子部３０との間の光路上に配置されていてもよい。

　変形例２としては、反射素子部４０が設けられていなくてもよく、走査部２０とスクリーン部材５０との間の光路上に屈折素子部３０のみが配置されていてもよい。

　変形例３としては、負レンズ部３２と正レンズ部３４とは、互いに貼り合わせたものでなく、別体に形成されていてもよい。具体的には、負レンズ部３２の射出側の屈折面３２ｂと正レンズ部３４の入射側の屈折面３４ａとの間に、隙間が設けられてもよく、負レンズ部３２と正レンズ部３４とが少し離れて配置されていてもよい。

　変形例４としては、屈折素子部３０において、正レンズ部３４が負レンズ部３２よりも走査部２０側に配置されていてもよい。

　変形例５としては、屈折素子部３０の各屈折面３２ａ～３２ｂ，３４ａ～３４ｂの面形状として、屈折面３２ａ～３２ｂ，３４ａを球面とし、屈折面３４ｂを自由曲面とする組み合わせ以外にも、球面、回転対称の非球面、円筒面、自由曲面等を用いた各種組み合わせを採用することができる。

　変形例６としては、ずれ平行方向Ｄｄ１と画像上下方向Ｄｉｙとが合っていなくてもよい。同様に、ずれ垂直方向Ｄｄ２と画像左右方向Ｄｉｘとが合っていなくてもよい。

　変形例７としては、屈折素子部３０のずれ垂直方向Ｄｄ２に対応する方向の焦点距離は、屈折素子部３０のずれ平行方向Ｄｄ１に対応する方向の焦点距離以下でもよい。同様に、屈折素子部３０の画像左右方向Ｄｉｘに対応する方向の焦点距離は、屈折素子部３０の画像上下方向に対応する方向の焦点距離以下でもよい。

　変形例８としては、スクリーン部材５０に描画される画像ＩＭのレーザ光束において、ずれ平行方向Ｄｄ１に対応する方向における色収差Ｃｙは、表面３ａ及び裏面３ｂの反射による虚像ＶＩａ，ＶＩｂ間のずれ量Ｌｄをずれ平行方向の倍率Ｍｙで除算した値以上であってもよい。この例として、画像ＩＭの上半分（又は下半分）等の一部領域のみにおいて、色収差Ｃｙが当該値よりも小さくなっていてもよい。

　変形例９としては、投影部材は、表面３ａと裏面３ｂとの間隔が一定であるものであってもよい。

　変形例１０としては、投影部材は、ウインドシールド３とは別に設けられたコンバイナであってもよい。

　変形例１１としては、投影部材は、表面３ａ及び裏面３ｂの反射による虚像ＶＩａ，ＶＩｂのずれが殆ど生じないものであってもよく、裏面３ｂの反射による虚像ＶＩｂを生じさせないものであってよい。

　変形例１２としては、車両１以外の船舶ないしは飛行機等の各種移動体（輸送機器）に、本開示を適用してもよい。

　上述の如く、本開示は、移動体１に搭載され、投影部材３に画像ＩＭを投影することにより、乗員により視認可能な虚像ＶＩ，ＶＩａ，ＶＩｂを表示するヘッドアップディスプレイ装置に関する。ヘッドアップディスプレイ装置は、レーザ投射部１０と、走査部２０と、スクリーン部材５０と、屈折素子部３０と、を備える。レーザ投射部１０は、互いに波長が異なる複数のレーザ光束を重ね合わせて投射する。走査部２０は、レーザ投射部からのレーザ光束を走査する。スクリーン部材５０には、走査部に走査されたレーザ光束の入射により、画像が描画される。屈折素子部３０は、走査部とスクリーン部材との間の光路上に配置され、全体として正の屈折力を有し、スクリーン部材へのレーザ光束の入射角を屈折により調整する。屈折素子部は、正の屈折力を有する正レンズ部３４と、正レンズ部よりも高分散の媒質により形成され、負の屈折力を有する負レンズ部３２と、を有する。

　このような開示によると、互いに異なる波長を重ね合わせた状態のレーザ光束が、屈折素子部にて屈折される。ここで、レーザ光束が正レンズ部にて屈折される際には、当該レーザ光束が波長毎に分離される分離作用が生じる。これに対してレーザ光束が負レンズ部にて屈折される際には、当該分離作用を打ち消す打消作用が生じる。ここで、負レンズ部は、正レンズ部よりも高分散の媒質により形成されているので、屈折素子部が全体として正の屈折力であっても、分離作用と打消作用とのバランスを取ることができる。こうして、レーザ光束が走査部により走査されても、当該レーザ光束の重なり状態を維持した状態で、屈折素子部によりスクリーン部材への入射角を調整することが可能となる。スクリーン部材に描画される画像の色収差が抑制されるので、当該画像を投影部材に投影させることで視認可能となる虚像における視認性を高めることができる。

　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims

　移動体（１）に搭載され、投影部材（３）に画像（ＩＭ）を投影することにより、乗員により視認可能な虚像（ＶＩ，ＶＩａ，ＶＩｂ）を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
　互いに波長が異なる複数のレーザ光束を重ね合わせて投射するレーザ投射部（１０）と、
　前記レーザ投射部からの前記レーザ光束を走査する走査部（２０）と、
　前記走査部に走査された前記レーザ光束の入射により、前記画像が描画されるスクリーン部材（５０）と、
　前記走査部と前記スクリーン部材との間の光路上に配置され、全体として正の屈折力を有し、前記スクリーン部材への前記レーザ光束の入射角を屈折により調整する屈折素子部（３０）と、を備え、
　前記屈折素子部は、
　正の屈折力を有する正レンズ部（３４）と、
　前記正レンズ部よりも高分散の媒質により形成され、負の屈折力を有する負レンズ部（３２）と、を有するヘッドアップディスプレイ装置。
　前記投影部材は、前記乗員側を向く表面（３ａ）及び前記表面の反対側を向く裏面（３ｂ）を有する透光性の板状に形成され、
　前記表面での反射による前記虚像（ＶＩａ）に対して前記裏面での反射による前記虚像（ＶＩｂ）がずれる方向をずれ平行方向（Ｄｄ１）と、前記ずれ平行方向と垂直な方向をずれ垂直方向（Ｄｄ２）と定義すると、
　前記スクリーン部材に描画される画像の前記レーザ光束において、前記ずれ垂直方向に対応する方向における色収差（Ｃ２）は、前記ずれ平行方向に対応する方向における色収差（Ｃ１）よりも小さい請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記屈折素子部の前記ずれ垂直方向に対応する方向（ｘｌ）の焦点距離は、前記屈折素子部の前記ずれ平行方向に対応する方向（ｙｌ）の焦点距離よりも長い請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記スクリーン部材に描画される画像を拡大して前記投影部材へ導光する導光部（６０）をさらに備え、
　前記スクリーン部材に描画される画像に対して、前記虚像が前記導光部及び前記投影部材により拡大される倍率のうち前記ずれ平行方向の倍率をＭ１とすると、
　前記スクリーン部材に描画される画像の前記レーザ光束において、前記ずれ平行方向に対応する方向における色収差は、前記表面及び前記裏面の反射による前記虚像間のずれ量（Ｌｄ）を前記倍率Ｍ１で除算した値よりも小さい請求項２又は３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記移動体としての車両のインストルメントパネル（２）に搭載される請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
　前記投影部材は、前記インストルメントパネルよりも前記車両の上方に位置し、前記乗員側を向く表面（３ａ）及び前記表面の反対側を向く裏面（３ｂ）を有する透光性の板状に形成され、
　前記画像が虚像表示されるときに前記画像において前記車両の上下方向に沿う方向を画像上下方向（Ｄｉｙ）と、前記画像において前記画像上下方向と垂直な方向を画像左右方向（Ｄｉｘ）と、を定義すると、
　前記スクリーン部材に描画される画像の前記レーザ光束において、前記画像左右方向における色収差（Ｃｘ）は、前記画像上下方向における色収差（Ｃｙ）よりも小さいヘッドアップディスプレイ装置。
　前記屈折素子部の前記画像左右方向に対応する方向（ｘｌ）の焦点距離は、前記屈折素子部の前記画像上下方向に対応する方向（ｙｌ）の焦点距離よりも長い請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記スクリーン部材に描画される画像を拡大して前記投影部材へ導光する導光部（６０）をさらに備え、
　前記スクリーン部材に描画される画像に対して、前記虚像が前記導光部及び前記投影部材により拡大される倍率のうち前記画像上下方向の倍率をＭｙとすると、
　前記スクリーン部材に描画される画像の前記レーザ光束において、前記画像上下方向における色収差は、前記表面及び前記裏面の反射による前記虚像間のずれ量（Ｌｄ）の前記画像上下方向成分を前記倍率Ｍｙで除算した値よりも小さい請求項５又は６に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記屈折素子部は、前記レーザ光束を屈折させる屈折面（３２ａ～３２ｂ，３４ａ～３４ｂ）を複数有し、
　前記複数の屈折面のうち最も前記スクリーン部材側に配置される屈折面（３４ｂ）は、非球面である請求項１から７のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記走査部と前記スクリーン部材との間の光路上に配置され、前記レーザ光束を反射する反射素子部（４０）をさらに備える請求項１から８のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記屈折素子部は、前記走査部と前記反射素子部との間の光路上に配置される請求項９に記載のヘッドアップディスプレイ装置。