WO2019087714A1 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

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富士フイルム株式会社
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    • B60K35/00—Arrangement of adaptations of instruments
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R11/00—Arrangements for holding or mounting articles, not otherwise provided for
    • B60R11/02—Arrangements for holding or mounting articles, not otherwise provided for for radio sets, television sets, telephones, or the like; Arrangement of controls thereof
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/302—Image reproducers for viewing without the aid of special glasses, i.e. using autostereoscopic displays
    • H04N13/322—Image reproducers for viewing without the aid of special glasses, i.e. using autostereoscopic displays using varifocal lenses or mirrors
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/74—Projection arrangements for image reproduction, e.g. using eidophor

Definitions

  • the present invention is a head-up that reflects the display light of the image displayed on the image display element on the image reflection surface facing the observer to the observer side and displays the image as a virtual image over the image reflection surface to the observer.
  • the present invention relates to a display device.
  • a head-up display device is known as a device for displaying information such as a direction instruction, a warning, and a traveling speed to a driver such as a car.
  • the head-up display device projects a virtual image of an image to be displayed on an image reflecting surface such as a front window or a combiner so that a driver can recognize information necessary for driving an automobile etc. without looking away from the field of view
  • Patent document 1 is proposed as such a head-up display apparatus.
  • Such a head-up display device is required to be compact because it must be installed in a limited space around the driver's seat of a mobile object such as an automobile.
  • AR augmented reality
  • a range in which the driver can appropriately observe a virtual image that is, an eye box is determined.
  • the eye box is set in a range where it is assumed that the driver's eyes are positioned when the driver takes an appropriate driving posture. Since the position of the driver's seat in the lateral direction is generally fixed, it is unlikely that the driver's eyes will be dislocated from the eyebox in the lateral direction. However, since the longitudinal and vertical positions of the driver's seat are generally adjustable, and the driver's height and driving posture are also diverse, the driver's eyes are deviated in the vertical direction with respect to the eyebox. It will be easier.
  • the vertical position of the eye box can be adjusted by rotating the display unit of the head-up display device in the longitudinal direction of the vehicle according to the pupil position of the driver.
  • the display angle of the virtual image changes, it is not suitable for display of AR-based content.
  • a diffusion element is disposed between the display unit and the image reflection surface, and the display light of the image emitted from the display unit is diffused and projected on the image reflection surface, thereby providing the eye box. It is expanding. However, if the total luminous flux of the display light is constant, the luminance of the virtual image decreases as the display light is diffused, and there is a problem that it is difficult to greatly enlarge the eyebox.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a head-up display device which is compact, has sufficient virtual image display luminance, and has a wide range in the vertical direction of the eye box. .
  • the head-up display device of the present invention reflects the display light of the image displayed on the image display element on the image reflection surface facing the observer to the observer side, and virtualizes the image to the observer over the image reflection surface
  • a head-up display device for displaying as, the optical path between the image display element and the image reflecting surface, having different deflection characteristics according to the position in the transmission surface of the display light, and the optical axis of the display light And an optical path deflecting member movable in a direction intersecting with the light source.
  • a first optical system having power may be provided on the optical path between the image display element and the eyebox of the head-up display device.
  • it may have a second optical system for projecting the image displayed on the image display element on the image reflecting surface.
  • the second optical system when the second optical system is provided, it has a diffusion plate for diffusing display light, and the second optical system is an intermediate of the image displayed on the image display element in the diffusion plate. It is preferable to form an image.
  • the diffusion characteristics of the diffusion plate corresponding to the movable direction of the optical path deflecting member is that the light flux emitted from an angle corresponding to the half width is the head-up display device It is preferable that the light path is incident on an area of 67% or less of the width of the eye box corresponding to the moving direction of the light flux by the optical path deflecting member.
  • the position of the optical path deflecting member in the case where the luminous flux forming a virtual image is incident on the center of the eye box of the head-up display device is a reference position
  • the maximum one side movement of the optical path deflecting member from the reference position In the diffusion characteristics of the diffuser corresponding to the movable direction of the optical path deflection member, the diffusion angle of the diffuser corresponding to the light beam incident on the full width of the eye box is ⁇ max
  • the optical path deflection member In the diffusion characteristics of the diffusion plate corresponding to the movable direction, it is preferable to satisfy the conditional expression (1), where ⁇ is the diffusion angle of the diffusion plate corresponding to the half width. d ⁇ f ⁇ tan (( ⁇ max ⁇ ) / 2) (1)
  • the optical path deflection member can be a Fresnel lens, a condenser lens, a lenticular lens, or a microlens array.
  • a pupil position detection unit that detects the pupil position of the observer, and a control unit that moves the optical path deflection member based on the pupil position detected by the pupil position detection unit may be included.
  • the head-up display device of the present invention reflects the display light of the image displayed on the image display element on the image reflection surface facing the observer to the observer side, and virtualizes the image to the observer over the image reflection surface
  • the head-up display device is compact, has sufficient virtual image display brightness, and has a wide range in the vertical direction of the eye box, since it has the optical path deflection member movable in the direction intersecting with the above. it can.
  • a schematic view of a driver's seat of a car equipped with a head-up display device Schematic configuration diagram of the head-up display device Schematic structure of the image display unit of the head-up display device Schematic structure of the image display unit of the head-up display device Schematic configuration diagram of the head-up display device Schematic configuration diagram of the head-up display device Graph showing relationship between diffusion angle of diffuser and luminance Illustration of diffusion angle of diffusion plate Diagram showing the relationship between the diffusion angle of the diffuser and the eyebox width Top view of microlens array as light path deflection member Enlarged view of position A in FIG. 10 Enlarged view of position B in FIG. 10 Enlarged view of position C in FIG. 10 Enlarged view of position D in FIG.
  • FIG. 1 is a schematic view of a driver's seat of a car equipped with a head-up display device according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 2, 5 and 6 are schematic diagrams of the head-up display device. It is a schematic block diagram of the image display part of an up display apparatus.
  • the head-up display device 10 of the present embodiment is disposed in a dashboard of a car, and an image showing information such as traveling speed emitted from the inside of the device is displayed by a front window (image reflecting surface) 6
  • a front window image reflecting surface 6
  • the virtual image 8 is displayed in front of the front window 6 of the driver 11.
  • the head-up display device 10 of the present embodiment has different deflection characteristics in the light path between the image display element 21 (refer to FIG. 3) and the front window 6 depending on the position in the transmission surface of the display light.
  • an optical path deflecting member 23 movable in a direction intersecting the optical axis of the display light.
  • the head-up display device 10 includes an image display unit 1, a first concave mirror 2, a second concave mirror 3, an aperture stop 4, and a third concave mirror 5.
  • the display light emitted from the image display unit 1 is configured to be reflected in order of the first concave mirror 2, the second concave mirror 3 and the third concave mirror 5 to reach the front window 6 .
  • the optical path between the image display element 21 and the eye box 7 may have a first optical system having power.
  • the size of the image display unit 1 including the image display element 21 can be reduced relative to the display size of the virtual image 8, which is advantageous for downsizing of the device.
  • the front window (image reflecting surface) 6 may be curved, and the front window (image reflecting surface) 6 itself may be the first optical system.
  • one or more optical elements such as a mirror or a lens having a power may be combined to form a first optical system.
  • a first optical system may be formed by combining one or more optical elements having a curved front window (image reflecting surface) 6 and power.
  • the first concave mirror 2, the second concave mirror 3, the aperture stop 4, and the third concave mirror 5 disposed on the optical path between the image display unit 1 and the front window 6
  • One optical system is configured.
  • the image display unit 1 includes an image display element 21, a projection optical system (second optical system) 22 for projecting an image displayed on the image display element 21 onto the front window 6, and an image display
  • An optical path deflecting member 23 having different deflection characteristics according to the position in the transmission surface of the display light emitted from the element 21 and capable of moving in a direction intersecting the optical axis of the display light, and diffusing the display light It is composed of a diffusion plate 24.
  • the image display device 21 may be a device such as a liquid crystal display (LCD), an organic light emitting diode (OLED), or a digital micromirror device (DMD).
  • LCD liquid crystal display
  • OLED organic light emitting diode
  • DMD digital micromirror device
  • the projection optical system 22 is configured to form an image displayed on the image display element 21 as an intermediate image on the diffusion plate 24. As described above, the image displayed on the image display element 21 is once formed on the diffusion plate 24 and the display light of the image is diffused, whereby the eye box 7 can be enlarged.
  • the optical path deflection member 23 may be any element such as a Fresnel lens, a condenser lens, a lenticular lens, or a micro lens array, as long as it is an optical element having different deflection characteristics according to the position in the transmission surface of display light. It is also good.
  • the transmission surface of the light path deflection member 23 may be aspheric or free-form. Also, it may be an optical element having no rotational symmetry, such as a cylindrical lens or a toric lens. Alternatively, the light path deflection member 23 may be formed on the back surface of the diffusion plate 24 so that both are integrated. In the present embodiment, an example in which a Fresnel lens is used as the light path deflection member 23 is illustrated.
  • the optical path deflecting member 23 and the diffusion plate 24 are integrally moved by a driving unit (not shown). As shown in FIG. 4, the image display unit 1 moves the light path deflecting member 23 and the diffusion plate 24 in a direction intersecting the optical axis of the display light emitted from the image display element 21, thereby the light path deflecting member 23. The optical axis of the display light after transmission can be deflected.
  • the moving direction of the light path deflection member 23 and the diffusion plate 24 at the time of optical axis deflection of the display light is preferably perpendicular to the optical axis of the display light, but it is preferable to the optical axis of the display light
  • the optical axis of the display light can be deflected if it is a direction having a component orthogonal to the optical axis of the display light, even if the direction is not orthogonal.
  • FIG. 2 shows a state in which the luminous flux forming the virtual image 8 is incident on the center of the eye box 7.
  • the movement of the light path deflection member 23 and the diffusion plate 24 is detected by a camera (pupil position detection means) 40 for detecting the pupil position of the driver 11 and the pupil position detection means 40 as shown in FIGS.
  • control means 41 for controlling the drive means for moving the light path deflection member 23 and the diffusion plate 24 based on the pupil position, and the position of the light beam automatically incident on the eye box 7 based on the pupil position of the driver 11 It is preferable to configure to adjust the
  • the hardware configuration of the control means 41 is not particularly limited, and a plurality of integrated circuits (ICs), processors, ASICs (Applications) This can be realized by appropriately combining a Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), a memory, and the like.
  • ICs integrated circuits
  • processors processors
  • ASICs Applications
  • This can be realized by appropriately combining a Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), a memory, and the like.
  • the movement of the light path deflecting member 23 and the diffusion plate 24 may be moved based on the input operation of the driver 11 instead of automatically performing as described above.
  • the head-up display device 10 of the present embodiment it is possible to move the light flux incident on the eye box 7 in the vertical direction by changing the positions of the light path deflection member 23 and the diffusion plate 24.
  • the vertical range of the box 7 can be expanded.
  • the main configuration of the head-up display device 10 The device can be miniaturized as compared to the case of moving the entire element.
  • the head-up display device 10 of this embodiment does not increase the diffusion degree of the display light. Since the optical axis of the display light is deflected according to the pupil position of the driver 11, it is possible to have sufficient virtual image display luminance without causing the luminance decrease of the virtual image 8.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the diffusion angle of the diffuser and the luminance
  • FIG. 8 is an explanatory view of the diffusion angle of the diffuser
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the diffusion angle of the diffuser and the eyebox width.
  • the diffusion characteristic of the diffusion plate 24 corresponding to the movable direction of the light path deflection member 23 is such that the light flux emitted from the angle ⁇ corresponding to the half width is incident on the eye box 7
  • the characteristic be such that the light beam is incident on the area W1 which is 67% or less of the width Wmax of the eye box 7 corresponding to the moving direction of the light flux by the light path deflection member 23.
  • the display luminance of the virtual image 8 can be 1.5 times or more as compared with the case where the display light is diffused in the entire width of the eye box 7.
  • the position of the light path deflection member 23 when the light flux forming the virtual image 8 is incident on the center of the eye box 7 is set as the reference position, and the maximum one side movement amount of the light path deflection member 23 from this reference position is d.
  • the diffusion angle of the diffusion plate corresponding to the light beam incident on the full width of the eye box 7 is ⁇ max
  • it is preferable to satisfy the conditional expression (1) when the diffusion angle of the diffusion plate corresponding to the half width is ⁇ .
  • the head up display device of the present invention is not limited only to the above-mentioned embodiment, and various corrections and changes from the composition of the above-mentioned embodiment Those applied are also included in the scope of the present invention.
  • the optical path deflecting member 23 is not limited to the Fresnel lens shown above, but may be a microlens array as shown in FIGS. 10 is a top view of a microlens array as an optical path deflection member, FIG. 11 is an enlarged view of position A in FIG. 10, FIG. 12 is an enlarged view of position B in FIG. 14 is an enlarged view of position D in FIG. 10, FIG. 15 is an enlarged view of line Y-Y at position A in FIG. 10, and FIG. 16 is an enlarged view of line Y-Y at position B in 10 is there.
  • the microlens array 23A is configured to have different deflection characteristics according to the position in the transmission surface of the display light.
  • the centers LC of the respective microlenses are configured to coincide with the centers of the component areas LA of the respective microlenses, as shown in FIG.
  • the optical axis of the display light after passing through the microlens array 23A is configured not to be deflected.
  • the center LC of each micro lens is configured to be shifted downward from the center of the configuration area LA of each micro lens.
  • the optical axis of the display light after being transmitted through the microlens array 23A is configured to be deflected downward.
  • the center LC of each micro lens is configured to be shifted downward to the left from the center of the configuration area LA of each micro lens
  • the optical axis of display light after transmission through the lens array 23A is configured to be deflected downward to the left.
  • the center LC of each micro lens is configured to be shifted to the left from the center of the configuration area LA of each micro lens.
  • the optical axis of the display light after transmission through the lens array 23A is configured to be deflected to the left.
  • the microlens array 23A since the microlens array 23A has a diverging action like the diffusion plate, it has both the function as an optical path deflection member and the function as a diffusion plate. Therefore, it is not necessary to separately provide a diffusion plate, and the configuration can be simplified.
  • the configuration of the image display unit 1 is not limited to the aspect provided with the projection optical system described above, and as shown in FIGS. 17 to 19, it is also possible to directly display the image displayed on the image display element as a virtual image.
  • Good. 17 to 19 are schematic configuration diagrams of a head-up display device according to another embodiment.
  • the image display unit 1 has different deflection characteristics depending on the image display element 30 and the position of the display light emitted from the image display element 30 in the transmission plane, and with respect to the optical axis of the display light
  • the optical path deflecting member 31 is movable in the intersecting direction.
  • FIG. 17 shows a state in which the luminous flux forming the virtual image 8 is incident on the center of the eye box 7.

Abstract

小型で、十分な虚像表示輝度を有し、かつアイボックスの上下方向の範囲が広いヘッドアップディスプレイ装置を提供する。画像表示素子と画像反射面６との間の光路上に、表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有し、かつ表示光の光軸に対して交差する方向に移動可能な光路偏向部材２３を有する構成とする。

Description

ヘッドアップディスプレイ装置
　本発明は、観察者と対向する画像反射面において画像表示素子に表示された画像の表示光を観察者側に反射させ、観察者に対して画像反射面越しに画像を虚像として表示するヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。
　従来より、自動車等の運転者に対して方向指示や注意喚起、走行速度等の情報を表示する装置として、ヘッドアップディスプレイ装置が知られている。ヘッドアップディスプレイ装置は、表示する画像の虚像をフロントウィンドウやコンバイナ等の画像反射面に映し出して、運転者が視界から目をそらすことなく自動車等の運転に必要な情報を認識することができるようにするためのものである。このようなヘッドアップディスプレイ装置として、特許文献１が提案されている。
特開２０１６－３１４０１号公報
　このようなヘッドアップディスプレイ装置は、自動車等の移動体の運転席周りの限られた空間に設置しなければならないため、小型であることが要求される。
　また、近年のヘッドアップディスプレイ装置では、フロントウィンドウ越しに見える景色に合わせて、ナビゲーションの情報および／または施設の情報等を表示する拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ　Ｒｅａｌｉｔｙ）と呼ばれる手法が提案されている。このＡＲ系コンテンツを表示する場合には、フロントウィンドウ越しに見える景色中の各施設および／または道路の位置に厳密に合わせて情報を表示させないと効果的でないため、運転者の眼の位置を考慮して、虚像表示位置および角度を厳密に設定する必要がある。
　ところで、ヘッドアップディスプレイ装置では、運転者が適切に虚像を観察できる範囲、すなわちアイボックスが決まっている。このアイボックスは、運転者が適切な運転姿勢をとった際に、運転者の眼が位置することが想定される範囲に設定されている。運転席の左右方向の位置は一般的には固定されているため、アイボックスに対して運転者の眼が左右方向で外れることは考えにくい。しかしながら、運転席の前後方向および上下方向の位置は一般的には調整可能であり、また運転者の身長および運転姿勢も多様であるため、アイボックスに対して運転者の眼が上下方向では外れやすくなってしまう。
　このような問題を解消するため、運転者の瞳位置に合わせて、ヘッドアップディスプレイ装置の表示ユニットを車両の前後方向に回転させて、アイボックスの上下方向の位置を調整可能とすることが考えられるが、この場合には虚像の表示俯角が変わってしまうため、ＡＲ系コンテンツの表示には適さない。
　また、運転者の瞳位置に合わせて、ヘッドアップディスプレイ装置の表示ユニットを移動させて、アイボックスの上下方向の位置を調整可能とすることが考えられるが、この場合には虚像の表示俯角は変わらないものの、装置が大型化し、さらに、表示ユニットを移動させるための駆動部が必要となるため、コストおよび消費電力が増加するという問題がある。
　また、特許文献１の装置では、表示ユニットと画像反射面との間に拡散素子を配し、表示ユニットから出射した画像の表示光を拡散させて画像反射面に投写することによって、アイボックスを拡大させている。しかしながら、表示光の全光束を一定とすると、表示光を拡散させる程、虚像の輝度は低下するため、アイボックスを大きく拡大することは難しいという問題がある。
　本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、小型で、十分な虚像表示輝度を有し、かつアイボックスの上下方向の範囲が広いヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とするものである。
　本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、観察者と対向する画像反射面において画像表示素子に表示された画像の表示光を観察者側に反射させ、観察者に対して画像反射面越しに画像を虚像として表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、画像表示素子と画像反射面との間の光路上に、表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有し、かつ表示光の光軸に対して交差する方向に移動可能な光路偏向部材を有する。
　本発明のヘッドアップディスプレイ装置においては、画像表示素子とヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスとの間の光路上に、パワーを有する第１の光学系を有してもよい。
　また、画像表示素子に表示された画像を画像反射面に投写する第２の光学系を有してもよい。
　本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、第２の光学系を有した場合、表示光を拡散させる拡散板を有し、第２の光学系は、画像表示素子に表示された画像を拡散板において中間像として結像させることが好ましい。
　本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、拡散板を有した場合、光路偏向部材が移動可能な方向に対応した拡散板の拡散特性は、半値幅に相当する角度から出射した光束が、ヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスに入射した際に、光路偏向部材によって光束が移動する方向に対応したアイボックスの幅の６７％以下の領域に入射する特性であることが好ましい。
　また、虚像を形成する光束がヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスの中心に入射する場合の光路偏向部材の位置を基準位置とし、基準位置からの光路偏向部材の最大片側移動量をｄ、光路偏向部材の光学要素の焦点距離をｆ、光路偏向部材が移動可能な方向に対応した拡散板の拡散特性において、アイボックスの全幅に入射する光束に対応する拡散板の拡散角をθｍａｘ、光路偏向部材が移動可能な方向に対応した拡散板の拡散特性において、半値幅に相当する拡散板の拡散角をθとした場合、条件式（１）を満足することが好ましい。
　　ｄ≧ｆ×ｔａｎ（（θｍａｘ－θ）／２）　…（１）
　本発明のヘッドアップディスプレイ装置においては、光路偏向部材は、フレネルレンズ、コンデンサレンズ、レンチキュラーレンズ、またはマイクロレンズアレイとすることができる。
　また、観察者の瞳位置を検出する瞳位置検出手段と、瞳位置検出手段により検出された瞳位置に基づいて光路偏向部材を移動させる制御手段とを有するものとしてもよい。
　本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、観察者と対向する画像反射面において画像表示素子に表示された画像の表示光を観察者側に反射させ、観察者に対して画像反射面越しに画像を虚像として表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、画像表示素子と画像反射面との間の光路上に、表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有し、かつ表示光の光軸に対して交差する方向に移動可能な光路偏向部材を有するものとしたので、小型で、十分な虚像表示輝度を有し、かつアイボックスの上下方向の範囲が広いヘッドアップディスプレイ装置とすることができる。
本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の運転席の模式図 上記ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 上記ヘッドアップディスプレイ装置の画像表示部の概略構成図 上記ヘッドアップディスプレイ装置の画像表示部の概略構成図 上記ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 上記ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 拡散板の拡散角と輝度との関係を示すグラフ 拡散板の拡散角の説明図 拡散板の拡散角とアイボックス幅との関係を示す図 光路偏向部材としてのマイクロレンズアレイの上面図 図１０中のＡ位置の拡大図 図１０中のＢ位置の拡大図 図１０中のＣ位置の拡大図 図１０中のＤ位置の拡大図 図１０中のＡ位置におけるＹ－Ｙ線拡大図 図１０中のＢ位置におけるＹ－Ｙ線拡大図 その他の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 その他の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 その他の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の運転席の模式図、図２、５、６は上記ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図、図３、４は上記ヘッドアップディスプレイ装置の画像表示部の概略構成図である。
　図１に示すように、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０は、自動車のダッシュボード内に配置され、装置内から射出した走行速度等の情報を示す画像をフロントウィンドウ（画像反射面）６によって反射させ、運転者（観察者）１１の瞳位置がアイボックス７内にある状態において、運転者１１のフロントウィンドウ６越し前方に虚像８として表示するものである。
　また、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０は、画像表示素子２１（図３を参照する）とフロントウィンドウ６との間の光路上に、表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有し、かつ表示光の光軸に対して交差する方向に移動可能な光路偏向部材２３を有する。
　より詳細には、図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、画像表示部１と、第１凹面ミラー２と、第２凹面ミラー３と、開口絞り４と、第３凹面ミラー５とを有し、画像表示部１から出射された表示光が、第１凹面ミラー２、第２凹面ミラー３、第３凹面ミラー５の順に反射してフロントウィンドウ６に到達するように構成されている。
　なお、画像表示素子２１とアイボックス７との間の光路上に、パワーを有する第１の光学系を有してもよい。このような態様とすることによって、虚像８の表示サイズに対して、画像表示素子２１を含む画像表示部１のサイズを小さくすることができるため、装置の小型化に有利となる。
　パワーを有する第１の光学系については、フロントウィンドウ（画像反射面）６を曲面形状として、フロントウィンドウ（画像反射面）６自体を第１の光学系としてもよい。また、フロントウィンドウ（画像反射面）６とは別に、パワーを有するミラーまたはレンズ等の光学素子を１つまたは複数組み合わせて第１の光学系としてもよい。また、曲面形状のフロントウィンドウ（画像反射面）６とパワーを有する光学素子を１つまたは複数組み合わせて第１の光学系としてもよい。本実施形態においては、画像表示部１とフロントウィンドウ６との間の光路上に配された、第１凹面ミラー２、第２凹面ミラー３、開口絞り４、および第３凹面ミラー５により、第１の光学系が構成されている。
　図３に示すように、画像表示部１は、画像表示素子２１と、画像表示素子２１に表示された画像をフロントウィンドウ６に投写する投写光学系（第２の光学系）２２と、画像表示素子２１から出射した表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有し、かつ表示光の光軸に対して交差する方向に移動可能な光路偏向部材２３と、表示光を拡散させる拡散板２４とから構成されている。
　画像表示素子２１は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）またはＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）のような素子を用いることができる。自発光型でない素子を用いる場合には、別途光源を設ける必要があるが、図３では光源は省略して表示している。
　投写光学系２２は、画像表示素子２１に表示された画像を拡散板２４において中間像として結像させるように構成されている。このように、画像表示素子２１に表示された画像を一旦拡散板２４に結像させて、画像の表示光を拡散させることによって、アイボックス７を拡大させることができる。
　光路偏向部材２３は、フレネルレンズ、コンデンサレンズ、レンチキュラーレンズ、またはマイクロレンズアレイ等、表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有する光学素子であれば、どのような素子を用いてもよい。なお、光路偏向部材２３の透過面については、非球面形状であってもよいし、自由曲面形状であってもよい。また、シリンドリカルレンズやトーリックレンズのように、回転対称性を持たない光学素子であってもよい。また、拡散板２４の裏面に光路偏向部材２３を形成する等して、両者を一体のものとしてもよい。本実施形態においては、光路偏向部材２３としてフレネルレンズを用いた例を図示している。
　光路偏向部材２３および拡散板２４は、不図示の駆動手段により一体的に移動される。図４に示すように、画像表示部１は、画像表示素子２１から出射した表示光の光軸に対して交差する方向に光路偏向部材２３および拡散板２４を移動させることによって、光路偏向部材２３透過後の表示光の光軸を偏向することができる。なお、表示光の光軸偏向時の、光路偏向部材２３および拡散板２４の移動方向については、表示光の光軸に対して直交する方向とすることが好ましいが、表示光の光軸に対して直交する方向でなくても、表示光の光軸に対して直交する成分を持つ方向であれば、表示光の光軸を偏向させることができる。
　図２は、虚像８を形成する光束がアイボックス７の中心に入射するときの状態を示している。図２の状態から、光路偏向部材２３および拡散板２４を図２中の左方向に移動させることにより、図５に示すように、アイボックス７に入射する光束を上方に移動させることができる。逆に、図２の状態から、光路偏向部材２３および拡散板２４を図２中の右方向に移動させることにより、図６に示すように、アイボックス７に入射する光束を下方に移動させることができる。
　光路偏向部材２３および拡散板２４の移動については、図１、２等に示すように、運転者１１の瞳位置を検出するカメラ（瞳位置検出手段）４０と、瞳位置検出手段４０により検出された瞳位置に基づいて光路偏向部材２３および拡散板２４を移動させる駆動手段を制御する制御手段４１とを備え、運転者１１の瞳位置に基づいて自動的にアイボックス７に入射する光束の位置を調整するように構成することが好ましい。
　制御手段４１のハードウェアの構成は特に限定されるものではなく、複数のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、プロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、およびメモリなどを適宜組み合わせることによって実現することができる。
　このように、運転者１１の瞳位置に基づいて自動的にアイボックス７に入射する光束の位置を調整することによって、運転者１１の運転中の余計な操作を無くすことができるため、安全性および利便性を向上させることができる。
　なお、光路偏向部材２３および拡散板２４の移動については、上記の通り自動的に行う代わりに、運転者１１の入力操作に基づいて移動させるようにしてもよい。
　このように、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０では、光路偏向部材２３および拡散板２４の位置を変化させることによって、アイボックス７に入射する光束を上下方向に移動させることができるため、アイボックス７の上下方向の範囲を広げることができる。
　このとき、ヘッドアップディスプレイ装置１０の主要構成要素全体を移動させるのではなく、小さい板状の光路偏向部材２３および拡散板２４のみを平行移動させるだけであるため、ヘッドアップディスプレイ装置１０の主要構成要素全体を移動させる場合と比較して装置を小型化することができる。
　また、表示光の全光束を一定とすると、表示光を拡散させる程虚像８の輝度は低下するが、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０では、表示光の拡散の度合を大きくするのではなく、運転者１１の瞳位置に応じて表示光の光軸を偏向させているため、虚像８の輝度低下を招くことなく、十分な虚像表示輝度を持たすことができる。
　図７は拡散板の拡散角と輝度との関係を示すグラフ、図８は拡散板の拡散角の説明図、図９は拡散板の拡散角とアイボックス幅との関係を示す図である。本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０においては、光路偏向部材２３が移動可能な方向に対応した拡散板２４の拡散特性は、半値幅に相当する角度θから出射した光束が、アイボックス７に入射した際に、光路偏向部材２３によって光束が移動する方向に対応したアイボックス７の幅Ｗｍａｘの６７％以下の領域Ｗ１に入射する特性であることが好ましい。このような構成とすることによって、アイボックス７の幅の全域に表示光を拡散させる場合と比較して、虚像８の表示輝度を１．５倍以上とすることができる。
　また、虚像８を形成する光束がアイボックス７の中心に入射するときの光路偏向部材２３の位置を基準位置とし、この基準位置からの光路偏向部材２３の最大片側移動量をｄ、光路偏向部材２３の光学要素の焦点距離をｆ、光路偏向部材２３が移動可能な方向に対応した拡散板２４の拡散特性において、アイボックス７の全幅に入射する光束に対応する拡散板の拡散角をθｍａｘ、光路偏向部材２３が移動可能な方向に対応した拡散板２４の拡散特性において、半値幅に相当する拡散板の拡散角をθとした場合、条件式（１）を満足することが好ましい。
　　ｄ≧ｆ×ｔａｎ（（θｍａｘ－θ）／２）　…（１）
　条件式（１）を満足する構成とすることによって、虚像８の表示位置を移動させる場合に、アイボックス７の全域において適切に虚像８を表示させることが可能となる。
　以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
　例えば、光路偏向部材２３は、上記で示したフレネルレンズに限らず、図１０～１６に示すようなマイクロレンズアレイとしてもよい。図１０は光路偏向部材としてのマイクロレンズアレイの上面図、図１１は図１０中のＡ位置の拡大図、図１２は図１０中のＢ位置の拡大図、図１３は図１０中のＣ位置の拡大図、図１４は図１０中のＤ位置の拡大図、図１５は図１０中のＡ位置におけるＹ－Ｙ線拡大図、図１６は１０中のＢ位置におけるＹ－Ｙ線拡大図である。
　マイクロレンズアレイ２３Ａは、表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性となるように構成されている。
　具体的には、マイクロレンズアレイ２３Ａの中心Ａでは、図１１に示すように、各マイクロレンズの中心ＬＣが各マイクロレンズの構成領域ＬＡの中心と一致するように構成されており、図１５に示すように、マイクロレンズアレイ２３Ａ透過後の表示光の光軸が偏向されないように構成されている。
　また、マイクロレンズアレイ２３Ａの上方付近Ｂでは、図１２に示すように、各マイクロレンズの中心ＬＣが各マイクロレンズの構成領域ＬＡの中心から下方にずれた位置に構成されており、図１６に示すように、マイクロレンズアレイ２３Ａ透過後の表示光の光軸が下方に偏向されるように構成されている。
　また、マイクロレンズアレイ２３Ａの右上方付近Ｃでは、図１３に示すように、各マイクロレンズの中心ＬＣが各マイクロレンズの構成領域ＬＡの中心から左下方にずれた位置に構成されており、マイクロレンズアレイ２３Ａ透過後の表示光の光軸が左下方に偏向されるように構成されている。
　また、マイクロレンズアレイ２３Ａの右方付近Ｄでは、図１４に示すように、各マイクロレンズの中心ＬＣが各マイクロレンズの構成領域ＬＡの中心から左方にずれた位置に構成されており、マイクロレンズアレイ２３Ａ透過後の表示光の光軸が左方に偏向されるように構成されている。
　このように、マイクロレンズアレイ２３Ａの中心に向かってシフトする偏心成分を持つことで、全体として凸レンズと同様の収束作用を有する。このようなマイクロレンズアレイ２３Ａを用いても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
　また、マイクロレンズアレイ２３Ａは、拡散板と同様に発散作用を持つため、光路偏向部材としての機能と拡散板としての機能の両方の機能を備える。そのため、別途拡散板を設ける必要がなく、構成を簡素化できる。
　画像表示部１の構成についても、上記で示した投写光学系を備えた態様に限らず、図１７～１９に示すように、画像表示素子に表示された画像を直接虚像として表示させる構成としてもよい。図１７～１９はその他の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。
　具体的には、画像表示部１は、画像表示素子３０と、画像表示素子３０から出射した表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有し、かつ表示光の光軸に対して交差する方向に移動可能な光路偏向部材３１とから構成されている。
　図１７は、虚像８を形成する光束がアイボックス７の中心に入射するときの状態を示している。図１７の状態から、光路偏向部材３１のみを図１７中の左方向に移動させることにより、図１８に示すように、アイボックス７に入射する光束を上方に移動させることができる。逆に、図１７の状態から、光路偏向部材３１のみを図１７中の右方向に移動させることにより、図１９に示すように、アイボックス７に入射する光束を下方に移動させることができる。このような構成としても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
　また、これら以外の構成についても、上記実施形態の構成に限定されず、種々の変形が可能である。
　　１　　画像表示部
　　２　　第１凹面ミラー
　　３　　第２凹面ミラー
　　４　　絞り
　　５　　第３凹面ミラー
　　６　　フロントウィンドウ（画像反射面）
　　７　　アイボックス
　　８　　虚像
　　１０　　ヘッドアップディスプレイ装置
　　１１　　運転者（観察者）
　　２１、３０　　画像表示素子
　　２２　　投写光学系（第２の光学系）
　　２３、３１　　光路偏向部材
　　２３Ａ　　マイクロレンズアレイ
　　２４　　拡散板
　　４０　　カメラ（瞳位置検出手段）
　　４１　　制御手段

Claims (8)

  1. 　観察者と対向する画像反射面において画像表示素子に表示された画像の表示光を前記観察者側に反射させ、前記観察者に対して前記画像反射面越しに前記画像を虚像として表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
    　前記画像表示素子と前記画像反射面との間の光路上に、前記表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有し、かつ前記表示光の光軸に対して交差する方向に移動可能な光路偏向部材を有するヘッドアップディスプレイ装置。
  2. 　前記画像表示素子と前記ヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスとの間の光路上に、パワーを有する第１の光学系を有する
    　請求項１記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  3. 　前記画像表示素子に表示された前記画像を前記画像反射面に投写する第２の光学系を有する
    　請求項１または２記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  4. 　前記表示光を拡散させる拡散板を有し、
    　前記第２の光学系は、前記画像表示素子に表示された前記画像を前記拡散板において中間像として結像させる
    　請求項３記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  5. 　前記光路偏向部材が移動可能な方向に対応した前記拡散板の拡散特性は、半値幅に相当する角度から出射した光束が、前記ヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスに入射した際に、前記光路偏向部材によって光束が移動する方向に対応した前記アイボックスの幅の６７％以下の領域に入射する特性である
    　請求項４記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  6. 　前記虚像を形成する光束が前記ヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスの中心に入射する場合の前記光路偏向部材の位置を基準位置とし、該基準位置からの前記光路偏向部材の最大片側移動量をｄ、
    　前記光路偏向部材の光学要素の焦点距離をｆ、
    　前記光路偏向部材が移動可能な方向に対応した前記拡散板の拡散特性において、前記アイボックスの全幅に入射する光束に対応する前記拡散板の拡散角をθｍａｘ、
    　前記光路偏向部材が移動可能な方向に対応した前記拡散板の拡散特性において、半値幅に相当する前記拡散板の拡散角をθとした場合、
    　　ｄ≧ｆ×ｔａｎ（（θｍａｘ－θ）／２）　…（１）
    　で表される条件式（１）を満足する
    　請求項４または５記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  7. 　前記光路偏向部材は、フレネルレンズ、コンデンサレンズ、レンチキュラーレンズ、またはマイクロレンズアレイである
    　請求項１から６のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  8. 　前記観察者の瞳位置を検出する瞳位置検出手段と、
    　該瞳位置検出手段により検出された前記瞳位置に基づいて前記光路偏向部材を移動させる制御手段とを有する
    　請求項１から７のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ装置。
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