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JP6225341B2 - ヘッドアップディスプレイおよびヘッドアップディスプレイを搭載した移動体 - Google Patents

ヘッドアップディスプレイおよびヘッドアップディスプレイを搭載した移動体 Download PDF

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Description

本開示は、透過型の反射部材に投射して虚像を提示するヘッドアップディスプレイに関する。
特許文献１は、画像の情報を持つ表示光を生成し、これを拡大投影する投影光学系と、表示光を反射して虚像を表示するフロントガラスとからなるヘッドアップディスプレイを開示する。投影光学系は、表示光を生成する液晶パネル、正のパワーを有する投影レンズ群、この投影レンズ群に対して偏心して配置された非回転対称非球面の凹面ミラー等からなる。投影光学系は、液晶パネルから出射する表示光を、投影レンズ群と凹面ミラーとでパワーを分散しながら拡大投影する。
特開２００９−１２２５８２号公報
本開示は、小型でありながら、視認性の低下を抑制するヘッドアップディスプレイを提供する。
本開示におけるヘッドアップディスプレイは、車両に搭載され、透光性を有する反射部材に投射して、観察者に虚像を視認させるものである。ヘッドアップディスプレイは、表示デバイスと、投射光学系とを備える。表示デバイスは、画像を表示する。投射光学系は、屈折光学系を有し、表示デバイス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、内側偏角が外側偏角より大きい。ここで、内側偏角は、表示デバイスから屈折光学系の車両における内側の端部近傍を通過する光路において、屈折光学系に入射する光線のベクトルと屈折光学系から出射する光線のベクトルとがなす角である。外側偏角は、表示デバイスから屈折光学系の車両における外側の端部近傍を通過する光路において、屈折光学系に入射する光線のベクトルと屈折光学系から出射する光線のベクトルとがなす角である。
本開示におけるヘッドアップディスプレイは、小型でありながら、視認性の低下を抑制するのに有効である。
図１は、本開示のヘッドアップディスプレイを搭載した移動体を示す模式図である。 図２は、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの構成を示す光学断面図である。 図３は、本開示の制御部の電気接続状態を説明するためのブロック図である。 図４は、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの構成を説明するための模式図である。 図５は、実施の形態１における第２ミラーを説明するための模式図である。 図６は、実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイの構成を示す光学断面図である。 図７は、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ１００の虚像を示す図である。 図８Ａは、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図８Ｂは、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図８Ｃは、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図９Ａは、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図９Ｂは、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図９Ｃは、実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 図１０Ａは、実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 図１０Ｂは、実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 図１０Ｃは、実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 図１１Ａは、実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 図１１Ｂは、実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 図１１Ｃは、実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 図１２は、実施例１および２の光学データを示す図である。
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、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
（実施の形態１）
以下、図１〜５を用いて、実施の形態１を説明する。
［１−１．構成］
［１−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
本開示の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、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の断面を示す図である。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下部のダッシュボード２１０内部に配置される。観察者Ｄは、ヘッドアップディスプレイ１００が反射部材であるウインドシールド２２０に投射する表示画像１１１を虚像Ｉとして認識する。
図２は、本実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための光学断面を示す模式図である。図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０と、投射光学系１２０（第１レンズ１２１と、ミラー１２２と、第２レンズ１２３）と、制御部１５０と、カメラ１７０と、を備える。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０が表示する画像をウインドシールド２２０を介して反射させて、観察者Ｄの視点領域３００に導いて虚像Ｉを視認させる。視点領域３００は、観察者Ｄが虚像Ｉを欠けることなく視認できる領域のことを意味する。カメラ１７０は、観察者Ｄの視点位置を検出する。
ここで、表示画像１１１の光路における虚像Ｉの中心から出射する光線を基準光線Ｌｃとする。観察者Ｄが視認する基準光線Ｌｃは、実際には表示デバイス１１０から光学系を経て観察者Ｄに到達したものである。そのため、虚像Ｉの中心から出射する基準光線Ｌｃに対応する、表示デバイス１１０から観察者Ｄに到達するまでの光線も基準光線Ｌｃと表現される。また、これらの光線に対応する光路も同様に基準光線Ｌｃと表現される。後述の基準内側光線Ｌｉおよび基準外側光線Ｌｏにおいても同様である。虚像Ｉの車両外側端を形成する表示画像１１１の光路を基準外側光線Ｌｏ、虚像Ｉの車両内側端を形成する表示画像１１１の光路を基準内側光線Ｌｉ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。また、表示デバイス１１０上で、基準光線Ｌｃ、基準外側光線Ｌｏ、基準内側光線Ｌｉに相当する表示位置をそれぞれ、基準画像Ｄｃ、基準外側画像Ｄｏ、基準内側画像Ｄｉとする。
表示デバイス１１０は、画像を表示することができる装置であればよい。例えば、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）や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を用いることも可能である。また、表示デバイス１１０として、拡散反射可能なスクリーンにプロジェクタや走査型レーザを用いて画像を生成してもよい。
表示デバイス１１０は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、の３色のサブ画素からなる画素を有している。
図３は、本開示に係る制御部１５０の電気接続状態を示すブロック図である。図３に示すように、制御部１５０は、ＣＰＵ１５１とメモリ１５２とを有する。ＣＰＵ１５１は、表示画像の制御をする。表示画像には、道路進行案内表示や、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、各種情報が表示される。メモリ１５２は、ウインドシールド２２０や投射光学系１２０のパワーに基づいて、表示デバイス１１０が表示する画像を電子的に色補正するための、補正量のパラメータを記憶している。また、メモリ１５２は、観察者Ｄの視点位置に基づいた、表示デバイス１１０が表示する画像を電子的に色補正するための、補正量のパラメータを記憶している。
制御部１５０は、投射光学系１２０やウインドシールド２２０で発生する歪みに応じて、あらかじめ画像を電子的に歪ませておくことで、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることができる。また、表示デバイス１１０は、投射光学系で発生する色収差に応じて、メモリ１５２にあらかじめ記憶された補正量のパラメータに基づき、複数波長の表示画素を表示位置毎にずらして表示する。また、表示デバイス１１０は、カメラ１７０が検出する観察者Ｄの視点位置に応じて、複数波長の表示画素を表示位置毎にずらして表示することもできる。
投射光学系１２０は、第１レンズ１２１と、ミラー１２２と、第２レンズ１２３とから構成される。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した画像をウインドシールド２２０に投射する。具体的には、表示デバイス１１０が表示した画像光は、第１レンズ１２１を介してミラー１２２に入射する。ミラー１２２が反射する画像光は、第２レンズを介してウインドシールド２２０に投射される。
［１−１−２．投射光学系の構成］
以下、図２を用いて、投射光学系１２０の配置構成について説明する。
第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０よりも車両２００の前方方向であって、表示デバイス１１０の表示面に垂直な方向に対して傾けて配置している。第１レンズ１２１は、全体として負のパワーを有する。こうすることで、表示デバイス１１０から出射する光線の角度を低減することができ、ヘッドアップディスプレイ１００を小型にしながら、虚像Ｉの全域にわたってコントラストの高い良好な画像を表示することができる。また、第１レンズ１２１は、表示デバイス１１０側に凹面を有する。こうすることで、表示デバイス１１０から出射する光線が、第１レンズ１２１の表示デバイス１１０側の面に入射する角度が小さくなり、偏心歪みの影響を低減することができる。ただし、第１レンズ１２１の表示デバイス１１０側面はその全面が凹面である必要はなく、局所的に凸面形状を有しても良い。また、第１レンズ１２１は、出射面が凸面である負メニスカス形状を有する。これにより、表示デバイス１１０から出射する光線が、第１レンズ１２１のレンズ面に入射する角度が小さくなり、偏心歪みの影響を低減することができる。ただし、第１レンズ１２１のレンズ面は負メニスカス形状に限定されることはなく、平凹形状、両凹形状であっても良い。また、第１レンズ１２１は少なくとも一方の面に自由曲面形状を採用している。これにより、ミラー１２２、第２レンズ１２３、ウインドシールド２２０で発生する非対称な画面歪みを良好に補正することができる。ただし、第１レンズ１２１の面形状は自由曲面形状に限定されることはなく、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良いし、これらのレンズを基準光線Ｌｃに対して偏心させて配置しても良い。
ミラー１２２は第１レンズ１２１よりも車両２００の前方方向に配置され、第１レンズ１２１から出射された光線を第２レンズ１２３に向けて反射するよう、その反射面を偏心して配置している。ここで、ミラー１２２の反射面は凹面形状である。これにより、表示デバイス１１０で表示した画像を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることが可能となる。また、ミラー１２２は自由曲面形状を採用している。これは反射で生じた虚像の歪みを、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるように補正するためである。ただし、ミラー１２２の面形状は自由曲面形状に限定されることはなく、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良いし、これらの形状のミラーを基準光線Ｌｃに対して偏心させて配置しても良い。
第２レンズ１２３は、ミラー１２２よりも上方に配置され、ミラー１２２で反射された光線をウインドシールド２２０に向けて屈折する作用を持つ。また、第２レンズ１２３は基準光線Ｌｃに対して傾けて配置されている。こうすることによって、第２レンズ１２３を水平に近い角度で配置することができ、筺体の小型化を実現することができる。また、第２レンズ１２３は全体として正のパワーを持つ。これにより、表示デバイス１１０で表示した画像を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることが可能となる。さらに、ミラー１２２のサイズを小型化することが可能となる。また、第２レンズ１２３は自由曲面形状を採用している。これにより、ウインドシールド２２０で発生する非対称な画面歪みを良好に補正することができる。ただし、第２レンズの面形状は自由曲面形状に限定されることはなく、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良い。また、図５に示すように、第２レンズ１２３は、車両２００の外側方向よりも車両２００の内側方向の方が強い屈折作用を持つ。例えば、第２レンズ１２３は、車両２００の内側において大きなサグ量を持つ非対称なレンズ形状としても良いし、回転対称なレンズを回転対称軸を車両２００の外側方向にシフトして配置しても良い。通常、ウインドシールド２２０は車両２００の外側に強い曲率をもった自由曲面形状である。そのため、第２レンズ１２３が車両２００の内側と外側で光学的に対称であると、第２レンズ１２３をほぼ水平に配置した場合、ウインドシールドにおいて非対称な歪みが生じる。第２レンズ１２３が車両２００の内側に強いパワーを持つことにより、ウインドシールド２２０における非対称な歪みを補正することができる。第２レンズ１２３が車両２００の内側において強いパワーを持つとき、第２レンズ１２３で発生する色収差は、車両２００の外側方向よりも車両２００の内側方向の方が大きくなり、虚像Ｉは非対称な色収差が発生した画像として観察者Ｄに視認される。そこで、表示デバイス１１０で画像を表示する際には、波長毎に予め定められた補正量に相当する画素数だけ表示位置をずらして表示している。これによって、色収差による虚像Ｉの色ずれを軽減することができる。また、表示デバイス１１０で電子的に色収差を補正するにあたっては、表示画像の中心に対して非対称な補正量のパラメータを有している。詳細には、基準外側画像Ｄｏよりも基準内側画像Ｄｉの方が、大きな補正量のパラメータを有する。これによって、第２レンズ１２３で発生する非対称な色収差が発生しても、良好な虚像Ｉを観察者Ｄに視認させることができる。
また、視点領域３００における観察者Ｄの視点の位置が変化した場合、非対称な補正量のパラメータも変化させることが望ましい。すなわち、観察者Ｄの視点が、中心から車両２００の内側に移動した場合、基準内側画像Ｄｉの補正量を増やし、基準外側画像Ｄｏの補正量は減らす。反対に、観察者Ｄの視点が、中心から、車両２００の外側に移動した場合、基準内側画像Ｄｉの補正量を減らし、基準外側画像Ｄｏの補正量を増やす。これにより、観察者Ｄの視点の位置が変化した場合であっても、良好な虚像Ｉを視認させることができる。
また、第２レンズ１２３の出射面は、フレネル形状を有している。また、第２レンズ１２３のフレネル面は、車両２００の前後方向に直線上に伸びる稜線を有する。これにより、第２レンズ１２３のレンズ厚を削減することができ、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。ただし、第２レンズ形状はリニアフレネル形状に限定されることはなく、円形に溝を配置したフレネル形状であっても良いし、溝のないバルクレンズ形状であっても良い。また、第２レンズ１２３は車両の前後方向よりも車両の左右方向の方が強い曲率を有している。これによって、第１ミラー１２２ａとウインドシールド２２０で発生する非対称な歪みを補正することができる。
投射光学系１２０は、表示デバイス１１０の直後に全体として負のパワーの第１レンズ１２１を配置しているため、第１ミラー１２２ａのパワーを高める（所謂テレフォト作用）ことができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。
また、実施の形態１では、表示デバイス１１０の直後に１枚の第１レンズ１２１を配置しているが、複数のレンズ素子を配置しても良い。また、実施の形態１では、第１レンズ１２１の直後に１つのミラー１２２を配置しているが、複数のミラーを配置しても良い。また、実施の形態１ではミラー１２２の直後に１枚の第２レンズ１２３を配置しているが、複数のレンズ素子を配置しても良いし、レンズ素子を配置しなくても良い。
ここで、第１レンズ１２１は、ミラー１２２の反射面の下端よりも上方に配置される。こうすることで、ヘッドアップディスプレイ１００を車両２００の上下方向に薄く構成することができる。また、表示デバイス１１０と第１レンズ１２１の基準光線Ｌｃの間隔は、ミラー１２２と第１レンズ１２１の間隔よりも短い。これにより、第１レンズ１２１で発生する色収差量が視点領域３００内で変動するのを抑制することができる。
［１−２．効果等］
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０に表示された画像を、ウインドシールド２２０に投射し、虚像Ｉを観察者Ｄに表示させている。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。
図７は、実施の形態１における視点領域３００から虚像Ｉを見たときの模式図である。本開示のヘッドアップディスプレイ１００において、視点領域３００は、横１３０ｍｍ×縦４０ｍｍの矩形である。破線は視点領域３００から見た場合の虚像Ｉの理想の形状である。実線は各実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１００を用いて投射した虚像Ｉを示している。
図７のそれぞれは、観察者Ｄから見た虚像Ｉの画面歪みを示す図である。（１）は観察者Ｄから見て、視点領域３００の中心の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（２）は視点領域３００の左上の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（３）は視点領域３００の左下の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（４）は視点領域３００の右上の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（５）は視点領域３００の右下の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。
図７に示すように、本開示のヘッドアップディスプレイ１００によれば、視点領域３００の全域で画面歪みが良好に補正される。すなわち、視点領域３００内において観察者Ｄはどの位置で観察しても良好な虚像Ｉを視認することが可能である。
なお、表示デバイス１１０に表示する画像はあらかじめ電子的に歪ませており、良好な虚像Ｉを視認することができる。
［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、各実施の形態に係る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光学系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レンズ１２１と、ミラー１２２と、第２レンズ１２３と、を有する。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、第１レンズ１２１は全体として負のパワーであることが望ましい。これにより、表示デバイスから出射する光線の角度を小さくすることができ、観察者Ｄの視点領域３００全域でコントラストの高い良好な画像を視認することができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、第１レンズ１２１の表示デバイス１１０側面は凹面形状を有することが望ましい。これにより、表示デバイス１１０から出射した光線が第１レンズ１２１の表示デバイス１１０側面に入射する角度が小さくなり、画面歪み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、第１レンズ１２１は負メニスカス形状を有することが望ましい。これにより、表示デバイス１１０から出射した光線が第１レンズ１２１に入射する角度が小さくなり、画面歪み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、第１レンズ１２１の少なくとも一面は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、観察者Ｄの視点領域３００全域で画面歪みの少ない良好な画像を視認することができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、第１レンズ１２１は車両の左右方向のほうが車両の上下方向よりもパワーが強いことが望ましい。これにより、通常横長に設定される視点領域３００全域でコントラストの高い良好な画像を視認することができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、ミラー１２２は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、観察者Ｄの視点領域３００全域で画面歪みの少ない良好な画像を視認することができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、ミラー１２２の反射面は凹面である。これにより、表示デバイス１１０で表示した画像を拡大して観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、第２レンズ１２３は基準光線Ｌｃに対して傾けて配置することが望ましい。これにより、第２レンズ１２３を水平に近い角度で配置することが可能となり、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、第２レンズ１２３は車両左右方向に溝があるリニアフレネル形状であることが望ましい。これにより、第２レンズ１２３のレンズ厚を削減することができ、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、第２レンズ１２３は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、観察者Ｄの視点領域３００全域で画面歪みの少ない良好な画像を視認することができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、第２レンズ１２３は車両の外側部分よりも車両の内側部分のほうが強いパワーをもつように、そのレンズ形状を設定、またはレンズをシフトさせて配置することが望ましい。これにより、車両外側で強い曲率をもつウインドシールド２２０で発生する画面歪みを良好に補正し、観察者Ｄの視点領域３００全域で画面歪みの少ない良好な画像を視認することができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、第２レンズ１２３は車両の前後方向よりも車両の左右方向に強いパワーを持つことが望ましい。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、観察者Ｄの視点領域３００全域で画面歪みの少ない良好な画像を視認することができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０に表示する２波長以上の画像を予め定められた補正量に相当する画素数だけずらして表示することが望ましい。これによって、第２レンズ１２３で発生する色収差を電子的に補正することができ、観察者Ｄに色収差の少ない良好な虚像Ｉを視認させることができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄの位置に応じて表示デバイス１１０の画像補正量を調整して表示することが望ましい。これによって、観察者Ｄは視点領域３００全域で色収差の少ない良好な虚像Ｉを視認することができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つのサブ画素から１つの画素を構成している。このとき、赤に相当するサブ画素よりも、青に相当するサブ画素の方が画像補正量が大きいことが望ましい。これによって、第２レンズ１２３で発生する色収差を良好に補正して虚像Ｉを観察者Ｄに視認させることができる。
（実施の形態２）
以下、図６を用いて、実施の形態２を説明する。
［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６は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための光学断面を示す模式図である。図６に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０と、投射光学系１２０（第１ミラー１２２ａと、第２ミラー１２２ｂと、第２レンズ１２３）と、を備える。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０が表示する画像を、ウインドシールド２２０に投射して視点領域３００に導いて、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させる。視点領域３００は、観察者Ｄが虚像Ｉを欠けることなく視認できる領域のことである。
ここで、虚像Ｉの中心を形成する表示画像１１１の光路を基準光線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。
投射光学系１２０は、第１ミラー１２２ａと、第２ミラー１２２ｂと、第２レンズ１２３と、から構成される。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した画像をウインドシールド２２０に投射する。具体的には、表示デバイス１１０が表示した画像光は、第１ミラー１２２ａに入射する。第１ミラー１２２ａが反射する画像光は、第２ミラー１２２ｂに入射する。第２ミラー１２２ｂが反射した画像光は、第２レンズ１２３を介してウインドシールド２２０に投射される。
［２−１−２．投射光学系の構成］
第１ミラー１２２ａは、表示デバイス１１０よりも上方に配置され、表示デバイス１１０から出射された光線を第２ミラー１２２ｂに向けて反射するよう、その反射面を偏心して配置している。ここで、第１ミラー１２２ａの反射面は凸面形状である。これにより、第２ミラー１２２ｂで発生する非対称な歪みを良好に補正することができる。ただし、第１ミラー１２２ａは凸面形状に限定されることはなく、平面形状でも凹面形状でも良い。また、第１ミラー１２２ａは自由曲面形状を採用している。これは反射で生じた虚像の歪みを、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるように補正するためである。ただし、第１ミラー１２２ａは自由曲面形状に限定されることはなく、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良いし、これらのミラーを基準光線Ｌｃに対して偏心させて配置しても良い。
第２ミラー１２２ｂは、第１レンズ１２１よりも車両２００の前方方向に配置され、第１ミラー１２２ａから出射された光線をウインドシールド２２０に向けて反射するよう、その反射面を偏心して配置している。ここで、第２ミラー１２２ｂの反射面は凹面形状である。これにより、表示デバイス１１０で表示した画像を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることが可能となる。また、第２ミラー１２２ｂは自由曲面形状を採用している。これにより、反射で生じた虚像Ｉの歪みを、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるように補正できる。ただし、第２ミラー１２２ｂは自由曲面形状に限定されることはなく、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良いし、これらのミラーを基準光線Ｌｃに対して偏心させて配置しても良い。
第２レンズ１２３は、第２ミラー１２２ｂよりも上方に配置され、第２ミラー１２２ｂで反射された光線をウインドシールド２２０に向けて屈折する作用を持つ。また、第２レンズ１２３は基準光線Ｌｃに対して傾けて配置されている。こうすることによって、第２レンズ１２３を水平に近い角度で配置することができ、筺体の小型化を実現することができる。また、第２レンズ１２３は全体として正のパワーを持つ。これにより、表示デバイス１１０で表示した画像を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることが可能となる。さらに、第２ミラー１２２ｂのサイズを小型化することが可能となる。また、第２レンズ１２３は自由曲面形状を採用している。これにより、ウインドシールド２２０で発生する非対称な画面歪みを良好に補正することができる。ただし、第２レンズの面形状は自由曲面形状に限定されることはなく、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良い。また、第２レンズ１２３は車両外側方向よりも車両内側方向の方が強い屈折作用を持つように、そのレンズ形状を設定、またはそのレンズをシフトさせて配置している。例えば、車両中心側に大きなサグ量を持つ非対称なレンズ形状としても良いし、回転対称なレンズを回転対称軸を車両外側にシフトして配置しても良い。通常、ウインドシールドは車両外側に強い曲率をもった自由曲面形状であり、第２レンズ１２３を水平に近づけて配置した場合、車両内側に強いパワーを持たせることで非対称な歪みを補正することができる。このとき、第２レンズ１２３で発生する色収差は、車両の外側方向よりも車両の内側方向の方が大きくなり、虚像Ｉは非対称な色収差が発生した画像として観察者Ｄに視認される。そこで、表示デバイス１１０で画像を表示する際には、波長毎に予め定められた補正量に相当する画素数だけ表示位置をずらして表示している。これによって、色収差による虚像Ｉの色ずれを軽減することができる。また、表示デバイス１１０で電子的に色収差を補正するにあたっては、表示画像の中心に対して非対称なパラメータを有している。詳細には、基準外側画像Ｄｏよりも基準内側画像Ｄｉの方が、大きな補正量を有する。これによって、第２レンズ１２３で発生する非対称な色収差が発生しても、良好な虚像Ｉを観察者Ｄに視認させることができる。また、第２レンズ１２３の出射面は、フレネル形状を有している。また、第２レンズ１２３のフレネル面は、車両２００の前後方向に直線上に伸びる稜線を有する。これにより、第２レンズ１２３のレンズ厚を削減することができ、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。ただし、第２レンズ形状はリニアフレネル形状に限定されることはなく、円形に溝を配置したフレネル形状であっても良いし、溝のないバルクレンズ形状であっても良い。
投射光学系１２０は２つのミラーを配置しているが、３枚以上のミラーを配置しても良いし、１枚のミラーを配置しても良い。また、実施の形態２では第１ミラー１２２ａを第２ミラー１２２ｂよりも車両後方側に配置しているが、これに限定されることはなく、第１ミラー１２２ａを第２ミラー１２２ｂよりも車両前方に配置しても良いし、車両左右方向（図６において紙面垂直方向）に配置しても良い。また、実施の形態２では表示デバイス１１０を第１ミラー１２２ａよりも下方に配置しているが、これに限定されることはなく、表示デバイス１１０を第１ミラー１２２ａよりも上方に配置しても良いし、車両後方に配置しても良いし、車両左右方向（図６において紙面垂直方向）に配置しても良い。
ここで、第１ミラー１２２ａの下端は、第２ミラー１２２ｂの反射面の下端よりも上方に配置される。こうすることで、ヘッドアップディスプレイ１００を車両上下方向に薄く構成することができる。
次に、本開示のヘッドアップディスプレイ１００が取り得る、望ましい条件を以下に説明する。
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（１）を満足することが望ましい。
１．２ ＜ （θ２ｉ×θ１ｏ） ／ （θ２ｏ×θ１ｉ） ＜ ６．０ ・・・（１）
ここで、
θ１ｉ：ウインドシールドに入射する基準内側光線のベクトルとウインドシールドから反射する基準内側光線のベクトルがなす角度
θ１ｏ：ウインドシールドに入射する基準外側光線のベクトルとウインドシールドから反射する基準外側光線のベクトルがなす角度
θ２ｉ：第２レンズに入射する基準内側光線Ｌｉのベクトルと第２レンズから出射する基準内側光線Ｌｉのベクトルがなす角度
θ２ｏ：第２レンズに入射する基準外側光線Ｌｏのベクトルと第２レンズから出射する基準外側光線Ｌｏのベクトルがなす角度
である。
条件（１）は、基準外側光線Ｌｏと基準内側光線Ｌｉの第２レンズ１２３における屈折作用とウインドシールドへの入射角との比率を規定する条件である。条件（１）の下限を下回ると、第２レンズ１２３の車両内側の屈折作用が小さくなり、小型なヘッドアップディスプレイ１００を提供することが困難となる。
また、条件（１）の上限を上回ると、第２レンズ１２３の車両内側の屈折作用が強くなりすぎ、ウインドシールド２２０で発生する画面歪みを良好に補正することが困難となる。
また、さらに以下の条件（１）’を満足することにより上記の効果をさらに奏功させることができる。
１．６ ＜ （θ２ｉ×θ１ｏ） ／ （θ２ｏ×θ１ｉ） ＜ ４．０ ・・・（１）’
また、さらに以下の条件（１）’’を満足することにより上記の効果をさらに奏功させることができる。
２．０ ＜ （θ２ｉ×θ１ｏ） ／ （θ２ｏ×θ１ｉ） ＜ ３．０ ・・・（１）’’
本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（２）を満足することが望ましい。
１．５ ≦ （Ｍｉ×θ１ｏ） ／ （Ｍｏ×θ１ｉ） ・・・（２）
ここで、
θ１ｉ：ウインドシールドに入射する基準内側光線のベクトルとウインドシールドから反射する基準内側光線のベクトルがなす角度
θ１ｏ：ウインドシールドに入射する基準外側光線のベクトルとウインドシールドから反射する基準外側光線のベクトルがなす角度
Ｍｉ：基準内側画像Ｄｉの補正量
Ｍｏ：基準外側画像Ｄｏの補正量
である。
条件（２）は、基準内側画像Ｄｉと基準外側画像Ｄｏの補正量と、基準内側光線Ｌｉと基準外側光線Ｌｏのウインドシールド２２０への入射角比率を規定する条件である。通常、ウインドシールド２２０は車両外側に向かってその曲率が大きく、第２レンズ１２３はウインドシールド２２０で発生する画面歪みを補償するため、車両内側の曲率を強くすることが望ましい。また、条件（２）のように基準内側画像Ｄｉの補正量を大きくすることが望ましい。ただし、条件（２）の下限を下回ると、第２レンズ１２３で発生する色収差に対して基準内側画像の補正量が不足し、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることが困難となる。また、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させるために第２レンズ１２３の車両内側のパワーが小さくなり、小型なヘッドアップディスプレイ１００を提供することが困難となる。
さらに、以下の条件（２）’を満足することにより上記の効果をさらに奏功させることができる。
１．５ ≦ Ｍｉ ／ Ｍｏ ≦ ６．０ ・・・（２）’
条件（２）’の上限を上回ると、第２レンズ１２３で発生する色収差に対して基準内側画像の補正量が過剰となり、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることが困難となる。
また、さらに以下の条件（２）’ ’を満足することにより上記の効果をさらに奏功させることができる。
２．０ ≦ Ｍｉ ／ Ｍｏ ≦ ５．０ ・・・（２）’ ’
なお、各実施の形態に係る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光学系を得ることも可能である。
（数値実施例）
以下、図８Ａから図１１Ｃを用いて、実施の形態１〜２に対応する数値実施例を示す。
以下、本技術による表示装置について、具体的な実施例を説明する。なお、以下で説明する実施例において、表中の長さの単位は（ｍｍ）であり、角度の単位は（度）である。また、自由曲面は、次の数式で定義されるものである。
Figure 0006225341
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である。ｒは面を定義する軸の原点における曲率半径である。ｃは面を定義する軸の原点における曲率である。ｋはコーニック定数であり、多項式係数のＣ１に相当する。Ｃｊ（ｊ＞１）は単項式ｘｍｙｎの係数である。ただし、ｍおよびｎは０以上の整数である。
また、各実施例において、基準となる座標原点は、表示デバイス１１０に表示された画像（表示面）の中心であり、表中では、表示面の横方向をＸ軸、縦方向をＹ軸、表示面に対して垂直方向をＺ軸として示している。また、偏心データにおいて、ＡＤＥとは、ミラーもしくはレンズをＸ軸を中心にＺ軸方向からＹ軸方向に回転した量、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、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）
図８Ａ〜図９Ｃは、実施例１（実施の形態１）の投射光学系のデータである。図８Ａは、投射光学系１２０の各光学要素における各面の偏心データを示す。図８Ｂと図８Ｃは、曲率半径を示す。図９Ａは、多項式係数を示す。
（数値実施例２）
図１０Ａ〜図１１Ｃは、実施例２（実施の形態２）の投射光学系のデータである。図１０Ａは、投射光学系１２０の各光学要素における各面の偏心データを示す。図１０Ｂと図１０Ｃは、曲率半径を示す。
以下の表１に、実施の形態１〜２までの条件式（１）および（２）の対応値を示す。
Figure 0006225341
（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１〜２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１〜２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。
屈折光学系に入射する光線のベクトルと、出射する光線のベクトルとがなす角である偏角は、屈折光学系の車両の外側を通過する光線よりも内側を通過する光線における偏角を大きくする。偏角を外側と内側で変える方法としては、非対称なレンズを用いてもよいし、偏心させた対称レンズを用いてもよい。
また、実施の形態１〜２では第２レンズ１２３はフレネルレンズやリニアレンズを使用していたが、厚みが一定ではないフレネル形状であっても良い。
また、実施の形態１〜２では投射光学系１２０に１つ、または２つのレンズ素子を使用していたが、３つ以上のレンズ素子を使用しても良い。
また、実施の形態１〜２では第２レンズ１２３は上側にフレネル面を配置していたが、下面にフレネル面を配置しても良い。
なお、ヘッドアップディスプレイ１００は、車両に搭載され透光性の反射部材に投射して観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、画像を生成する画像生成装置（ＬＣＤ）と、投射光学系（ミラー等）と、制御部と、を備えるものでも良い。投射光学系は、屈折光学系を有し、画像生成装置により生成される画像を反射部材に投射する。制御部は、画像生成装置により生成される画像の異なる波長（色）の各画素を所定の間隔ずらし画像の色ずれを補正する。
ヘッドアップディスプレイ１００は、制御部は、画像の中心に対して、左右において補正量が非対称となるように補正するものでも良い。
ヘッドアップディスプレイ１００は、屈折光学系は、基準光線に対して偏心していてもよい。
ヘッドアップディスプレイ１００は、虚像の中心に相当する表示画像位置を基準画像、虚像の車両外側端に相当する表示画像位置を基準外側画像、虚像の車両内側端に相当する表示画像位置を基準内側画像としたとき、基準内側画像の補正量は、基準外側画像の補正量よりも大きいものでもよい。
ヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件を満足するものでもよい：
１．５ ≦ （Ｍｉ×θ１ｏ） ／ （Ｍｏ×θ１ｉ） ・・・（２）
ここで、
θ１ｉ：ウインドシールドに入射する基準内側光線のベクトルとウインドシールドから反射する基準内側光線のベクトルがなす角度
θ１ｏ：ウインドシールドに入射する基準外側光線のベクトルとウインドシールドから反射する基準外側光線のベクトルがなす角度
Ｍｉ：基準内側画像Ｄｉの補正量
Ｍｏ：基準外側画像Ｄｏの補正量
である。
ヘッドアップディスプレイ１００は、青に相当する画像の方が、赤に相当する画像よりも補正量が大きいものでもよい。
ヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄの位置に応じて、補正量を調整させるものでも良い。
なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示は、透過性の反射部材を有する車両用のヘッドアップディスプレイなどに、本開示は適用可能である。
１００ ヘッドアップディスプレイ
１１０ 表示デバイス
１１１ 表示画像
１２０ 投射光学系
１２１ 第１レンズ
１２２ ミラー
１２２ａ 第１ミラー
１２２ｂ 第２ミラー
１２３ 第２レンズ
１５０ 制御部
１５１ ＣＰＵ
１５２ メモリ
１７０ カメラ
２００ 車両
２１０ ダッシュボード
２２０ ウインドシールド

Claims (9)

  1. 車両に搭載され、透光性を有する反射部材に投射して、観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、
    画像を表示する表示デバイスと、
    屈折光学系を有し、前記表示デバイスに表示された前記画像を観察者の視点領域に投射する投射光学系と、を備え、
    内側偏角は、前記表示デバイスから前記屈折光学系の前記車両における内側の端部近傍を通過する光路において、前記屈折光学系に入射する光線のベクトルと前記屈折光学系から出射する光線のベクトルとがなす角であり、
    外側偏角は、前記表示デバイスから前記屈折光学系の前記車両における外側の端部近傍を通過する光路において、前記屈折光学系に入射する光線のベクトルと前記屈折光学系から出射する光線のベクトルとがなす角であり、
    前記内側偏角は、前記外側偏角よりも大きい、
    ヘッドアップディスプレイ。
  2. 以下の条件（１）を満足する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ：
    １．２ ＜ （θ２ｉ×θ１ｏ） ／ （θ２ｏ×θ１ｉ） ・・・（１）
    ここで、
    θ１ｉ：反射部材に入射する基準内側光線のベクトルと反射部材から反射する基準内側光線のベクトルがなす角度
    θ１ｏ：反射部材に入射する基準外側光線のベクトルと反射部材から反射する基準外側光線のベクトルがなす角度
    θ２ｉ：第２レンズに入射する基準内側光線Ｌｉのベクトルと第２レンズから出射する基準内側光線Ｌｉのベクトルがなす角度
    θ２ｏ：第２レンズに入射する基準外側光線Ｌｏのベクトルと第２レンズから出射する基準外側光線Ｌｏのベクトルがなす角度
    である。
  3. 前記屈折光学系は、基準光線に対して偏心している、
    請求項２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、前記車両の左右方向よりも前記車両の前後方向の方が強い曲率を有する、
    請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ。
  5. 前記屈折光学系は、前記車両の左右方向よりも前記車両の前後方向の方が強い曲率を有する、
    請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
  6. 前記屈折光学系は、基準光線に対して偏心している、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  7. 前記屈折光学系は、前記車両の左右方向よりも前記車両の前後方向の方が強い曲率を有する、
    請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ。
  8. 前記屈折光学系は、前記車両の左右方向よりも前記車両の前後方向の方が強い曲率を有する、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  9. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイを備えた、
    移動体。
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