JP7145430B2

JP7145430B2 - 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

Info

Publication number: JP7145430B2
Application number: JP2020521704A
Authority: JP
Inventors: 聡葛原; 裕昭岡山
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2022-10-03
Anticipated expiration: 2039-02-26
Also published as: CN112005154A; CN112005154B; US20210018750A1; EP3805844B1; EP3805844A4; EP3805844A1; WO2019230085A1; US11703683B2; JPWO2019230085A1

Description

本開示は、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に関する。

特許文献１は、ヘッドアップディスプレイにおいて、プリズムを介してＬＣＤパネルの表示画面を斜め方向から見ることにより、ＬＣＤパネルに表示された画像が奥行方向に傾斜された虚像となって表示出力されることを開示している。特許文献１では、プリズムによって生じる色収差を、表示画像の段階でＲＧＢ出力について波長別に補正することで、プリズムを介してＲＧＢ画像が合成された段階で元画像と同じ、色ずれのない画像を出力している。

特開２０１７－２１９７５５号公報

従来のヘッドアップディスプレイでは、虚像を路面に沿って表示するため、表示画像を大きく傾斜させる必要があり、虚像のコントラスト低下を招いていた。本開示は、表示デバイスのコントラストを低下させることなく、虚像を路面に沿って表示させることのできるヘッドアップディスプレイおよびこのヘッドアップディスプレイを搭載した移動体を提供する。

本開示のヘッドアップディスプレイは、
画像を虚像として観察者に表示するヘッドアップディスプレイであって、
前記ヘッドアップディスプレイは、
前記画像を表示する表示デバイスと、
前記画像を拡大して投影する投射光学系と、
前記投射光学系は前記画像からの光路の順に配置された第１光学素子および第２光学素子と、を有し、
前記第１光学素子および第２光学素子は、
前記虚像の上端に相当する光路を上光線、下端に相当する光路を下光線とし、
前記第１光学素子および前記第２光学素子の発散作用を負、収斂作用を正としたとき、
以下の条件式（１），（２）を満足するヘッドアップディスプレイ。
Ｐ＿ｕ１－Ｐ＿ｌ１＜０・・・（１）
ただし、
Ｐ＿ｕ１：前記第１光学素子が上光線に作用する局所パワー
Ｐ＿ｌ１：前記第１光学素子が下光線に作用する局所パワー
Ｐ＿ｕ２－Ｐ＿ｌ２＞０・・・（２）
ただし、
Ｐ＿ｕ２：前記第２光学素子が上光線に作用する局所パワー
Ｐ＿ｌ２：前記第２光学素子が下光線に作用する局所パワー

本開示における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は、第１光学素子と第２光学素子におけるこれらの局所的な正負のパワーが、条件式（１），（２）を満足するので、表示デバイス１１０の基準光線Ｌｃに対する傾斜角|θ_１|を減少させることができる。その結果、表示デバイス１１０のコントラストの低下を防ぐことができ、虚像Ｉを路面Ｒに沿って明瞭に表示させることに有効である。

実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイを搭載した車両の断面を示す図実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの投射光学系を説明するための模式図実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイの表示デバイスおよび投射光学系の構成を示す図実施の形態３における条件式（１），（２）を満足し、結像することができる、第１光学素子と第２光学素子の局所的なパワーの組み合わせを示す図他の実施の形態における虚像の上側と下側の使用範囲を説明するための図他の実施の形態における横の画素のピッチと縦の画素のピッチを説明するための図

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（ら）は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許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）
以下、図１～３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から投射される画像を虚像Ｉとして認識する。

本実施の形態においては、虚像Ｉは、路面Ｒに沿って表示させる。このように、虚像Ｉを路面Ｒに沿って表示させることにより、奥行き感のある自然なＡＲ(Augmented Reality)表示を実現させることができ、ドライバーの認識力をアップさせることができる。

図２は、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の構成を示す模式図である。図３は、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の投射光学系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、表示デバイス１１０と、投射光学系１４０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が拡散特性を有する光学部材となっており、表示デバイス１１０に表示する画像を投射光学系１４０を介してウインドシールド２２０に投射する。投射された光は、ウインドシールド２２０において反射され、観察者Ｄの視点領域３００に導かれる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させる。ここで、視点とは、観察者Ｄの目をレンズと考えた場合の主点であり、視点領域３００とは、虚像Ｉを欠けることなく視認できる、観察者Ｄの視点の位置する領域である。

ここで、本開示において、前方とは、観察者Ｄから見て車両２００のウインドシールド２２０のある方向である。後方とは、前方の反対の方向である。また、下方とは車両２００が走行する地面の方向である。上方とは、下方の反対の方向である。内側とは、運転席の観察者Ｄから見て助手席側である。外側とは、内側の反対方向である。

ここで、図２に示すように、表示デバイス１１０から出射する光線のうち、視点領域３００の中心に到達する光線のうち、虚像Ｉの上端Ｉ_ｕに相当する光線を上光線Ｌｕとし、虚像Ｉの上端Ｉ_ｌに相当する光線を下光線Ｌｌとする。また、表示デバイス１１０から出射する光線のうち、虚像Ｉの中心部を通り、視点領域３００の中心に到達する光線を基準光線Ｌｃとする。すなわち、観察者Ｄから見た場合、基準光線Ｌｃは、虚像Ｉの中心から観察者Ｄの視点までの光路に相当する。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。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。

表示デバイス１１０は、図示しないＣＰＵ等の制御部による制御に基づき、表示画像を表示する。表示デバイス１１０には、例えば、バックライト付きの液晶表示装置（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）や有機発光ダイオード（ＯｒｇａｎｉｃＬｉｇｈｔ－ＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）、プラズマディスプレイなどを用いることができる。また、表示デバイス１１０として、光を拡散または反射するスクリーンと、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、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、各種の情報を表示することができる。また、表示デバイス１１０は、投射光学系１４０やウインドシールド２２０で発生する歪みや、図示を省略するカメラで取得する観察者Ｄの位置に応じて、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１４０で発生する色収差に応じて、あらかじめ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で、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることができる。

投射光学系１４０は、負のパワーを有する第１光学素子としての自由曲面レンズ１２３と、正のパワーを有する第２光学素子としての自由曲面ミラー１２５とを備える。ここで、負のパワーとは発散作用を意味し、正のパワーとは収斂作用を意味する。投射光学系１４０は、自由曲面レンズ１２３によって拡大された画像を、自由曲面ミラー１２５を介して反射することにより、ウインドシールド２２０に投射する。

[１－１－２．表示デバイスおよび投射光学系の構成]

本実施の形態においては、虚像Ｉは、観察者Ｄの視線に対して傾斜しており、路面Ｒに沿って表示される。このように虚像Ｉを傾斜して表示するため、表示デバイス１１０は、図３に示すように、基準光線Ｌｃに対して反時計回り方向に角度|θ_１|傾けて配置されている。

投射光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、負のパワーを有する自由曲面レンズ１２３と、正のパワーを有する自由曲面ミラー１２５とが配置されている。投射光学系１４０は、自由曲面レンズ１２３と自由曲面ミラー１２５とにより、テレフォト型と呼ばれる光学系になっている。

但し、従来のテレフォト型光学系とは異なり、自由曲面レンズ１２３および自由曲面ミラー１２５において、部分的に曲率を変え、下光線Ｌｌに対応する部分と、上光線Ｌｕに対応する部分とで、負のパワーおよび正のパワーが異なるように構成している。

自由曲面レンズ１２３は、図３に丸印Ａで示す下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な負のパワーＰ＿ｌ１が、丸印Ｂで示す上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な負のパワーＰ＿ｕ１に比べて弱くなるように構成されている。なお、自由曲面レンズ１２３において、上光線Ｌｕに対応する部分から下光線Ｌｌに対応する部分まで、負のパワーは滑らかに変化するように構成されている。

自由曲面ミラー１２５は、図３に丸印Ｃで示す下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｌ２が、丸印Ｄで示す上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｕ２に比べて弱くなるように構成されている。なお、自由曲面ミラー１２５において、上光線Ｌｕに対応する部分から下光線Ｌｌに対応する部分まで、正のパワーは滑らかに変化するように構成されている。

以上のように、自由曲面レンズ１２３における下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な負のパワーＰ＿ｌ１、および上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な負のパワーＰ＿ｕ１、並びに、自由曲面ミラー１２５における下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｌ２、および上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｕ２は、以下の条件式（１），（２）を満足する。

Ｐ＿ｕ１－Ｐ＿ｌ１＜０・・・（１）
Ｐ＿ｕ２－Ｐ＿ｌ２＞０・・・（２）

自由曲面レンズ１２３および自由曲面ミラー１２５が、条件式（１），（２）を満たすことにより、下光線Ｌｌに作用する部分においては、テレフォト作用が弱くなり、光路が増加する。また、上光線Ｌｕに作用する部分においては、テレフォト作用が強くなり、光路が減少する。

その結果、表示デバイス１１０は、図３に点線で示す従来の位置の表示デバイス１１０ａに比べて、下光線Ｌｌに対応する部分は矢印Ｅで示すように自由曲面レンズ１２３から遠ざかるように後退し、上光線Ｌｕに対応する部分は矢印Ｆで示すように自由曲面レンズ１２３に近づくように前進することになる。つまり、表示デバイス１１０の基準光線Ｌｃに対する傾斜角|θ_１|は、従来の位置の表示デバイス１１０ａにおける傾斜角に比べて小さくなる。

このように、本実施の形態における投射光学系１４０は、表示デバイス１１０の基準光線Ｌｃに対する傾斜角|θ_１|を減少させることができるため、表示デバイス１１０のコントラストの低下を防ぐことが可能となる。

本実施の形態によれば、コントラストを低下させることなく、虚像Ｉを路面Ｒに沿って表示させることができ、奥行き感のある自然で明瞭なＡＲ表示を実現させることができる。したがって、ドライバーの認識力をさらにアップさせることができる。

[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の一例としてのヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させるヘッドアップディスプレイである。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイスの一例としての表示デバイス１１０と、投射光学系１４０と、を備える。投射光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１光学素子としての自由曲面レンズ１２３と、第２光学素子としての自由曲面ミラー１２５とを有する。虚像Ｉの上端に相当する光路を上光線Ｌｕ、下端に相当する光路を下光線Ｌｌとし、自由曲面レンズ１２３における下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な負のパワーをＰ＿ｌ１、および上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な負のパワーをＰ＿ｕ１とする。また、自由曲面ミラー１２５における下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な正のパワーをＰ＿ｌ２、および上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な正のパワーをＰ＿ｕ２とする。自由曲面レンズ１２３と自由曲面ミラー１２５におけるこれらの局所的な正負のパワーは、以下の条件式（１），（２）を満足する。
Ｐ＿ｕ１－Ｐ＿ｌ１＜０・・・（１）
Ｐ＿ｕ２－Ｐ＿ｌ２＞０・・・（２）

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイによれば、自由曲面レンズ１２３と自由曲面ミラー１２５におけるこれらの局所的な正負のパワーが、条件式（１），（２）を満足するので、表示デバイス１１０の基準光線Ｌｃに対する傾斜角|θ_１|を減少させることができる。その結果、表示デバイス１１０のコントラストの低下を防ぐことができ、虚像Ｉを路面Ｒに沿って明瞭に表示させることができる。

（実施の形態２）
次に、図４を用いて、実施の形態２を説明する。
[２－１．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における表示デバイス１１０および投射光学系１４０の構成を示す図である。図４に示すように、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ１００においては、第１光学素子として、自由曲面レンズ１２３の代わりに、自由曲面ミラー１２４を備える。

本実施の形態においても、自由曲面ミラー１２４は、下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な負のパワーＰ＿ｌ１が、上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な負のパワーＰ＿ｕ１に比べて弱くなるように構成されている。なお、自由曲面ミラー１２４において、上光線Ｌｕに対応する部分から下光線Ｌｌに対応する部分まで、負のパワーは滑らかに変化するように構成されている。

自由曲面ミラー１２５は、実施の形態１と同様に、下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｌ２が、上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｕ２に比べて弱くなるように構成されている。自由曲面ミラー１２５においても、上光線Ｌｕに対応する部分から下光線Ｌｌに対応する部分まで、正のパワーは滑らかに変化するように構成されている。

以上のように、自由曲面ミラー１２４における下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な負のパワーＰ＿ｌ１、および上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な負のパワーＰ＿ｕ１、並びに、自由曲面ミラー１２５における下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｌ２、および上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｕ２は、以下の条件式（１），（２）を満足する。

自由曲面ミラー１２４および自由曲面ミラー１２５が、条件式（１），（２）を満たすことにより、下光線Ｌｌに作用する部分においては、テレフォト作用が弱くなり、光路が増加する。また、上光線Ｌｕに作用する部分においては、テレフォト作用が強くなり、光路が減少する。

その結果、表示デバイス１１０は、自由曲面ミラー１２４および自由曲面ミラー１２５に以上のような局所的なパワーの差を設けない場合の表示デバイスに比べて、下光線Ｌｌに対応する部分は自由曲面ミラー１２４から遠ざかるように後退し、上光線Ｌｕに対応する部分は自由曲面ミラー１２４に近づくように前進することになる。つまり、表示デバイス１１０の基準光線Ｌｃに対する傾斜角|θ_１|は、自由曲面ミラー１２４および自由曲面ミラー１２５に以上のような局所的なパワーの差を設けない場合の表示デバイスにおける傾斜角に比べて小さくなる。

[２－２．効果等]
実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイの一例としてのヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させるヘッドアップディスプレイである。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイスの一例としての表示デバイス１１０と、投射光学系１４０と、を備える。投射光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１光学素子としての自由曲面ミラー１２４と、第２光学素子としての自由曲面ミラー１２５とを有する。虚像Ｉの上端に相当する光路を上光線Ｌｕ、下端に相当する光路を下光線Ｌｌとし、自由曲面ミラー１２４における下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な負のパワーをＰ＿ｌ１、および上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な負のパワーをＰ＿ｕ１とする。また、自由曲面ミラー１２５における下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な正のパワーをＰ＿ｌ２、および上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な正のパワーをＰ＿ｕ２とする。自由曲面ミラー１２４と自由曲面ミラー１２５におけるこれらの局所的な正負のパワーは、以下の条件式（１），（２）を満足する。
Ｐ＿ｕ１－Ｐ＿ｌ１＜０・・・（１）
Ｐ＿ｕ２－Ｐ＿ｌ２＞０・・・（２）

実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイによれば、自由曲面ミラー１２４と自由曲面ミラー１２５におけるこれらの局所的な正負のパワーが、条件式（１），（２）を満足するので、表示デバイス１１０の基準光線Ｌｃに対する傾斜角|θ_１|を減少させることができる。その結果、表示デバイス１１０のコントラストの低下を防ぐことができ、虚像Ｉを路面Ｒに沿って明瞭に表示させることができる。

（実施の形態３）
次に、図５を用いて、実施の形態３を説明する。

[３－１．投射光学系の組み合わせ]
上述した実施形態では、自由曲面レンズ１２３または自由曲面ミラー１２４における下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な負のパワーＰ＿ｌ１が弱く、また、上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な負のパワーＰ＿ｕ１が強くなるように構成した。さらに、自由曲面ミラー１２５における下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｌ２が弱く、また、上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｕ２が強くなるように構成した。

しかしながら、投射光学系１４０において、局所的なパワーに差を設ける構成は、以上のような組み合わせに限定されるものではなく、前記条件式（１），（２）を満足し、結像することでできれば、これ以外の組み合わせでもよい。

図５は、前記条件式（１），（２）を満足し、結像することができる、第１光学素子と第２光学素子の局所的なパワーの組み合わせを示す図である。図５においてＮｏ．６に示す組み合わせが、実施の形態１と実施の形態２の組み合わせである。図５においては、負のパワーを単に「負」と表し、正のパワーを単に「正」と表している。

[３－１－１．Ｎｏ．１]
図５に示すＮｏ．１の組み合わせは、第２光学素子については、上述した実施の形態と同様に、正のパワーを有する光学素子とし、下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｌ２が弱く、また、上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｕ２が強くなるように構成した例である。

しかし、第１光学素子については、上述した実施の形態とは異なり、正のパワーを有する光学素子とし、下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｌ１が強く、また、上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｕ１が弱くなるように構成している。

このような構成の場合には、テレフォト型の光学系にはならず、主点はテレフォト型の光学系に比べて表示デバイス１１０側に移動することになる。特に、第１光学素子における下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｌ１が、上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｕ１よりも強いため、下光線Ｌｌ側の主点は、上光線Ｌｕよりも表示デバイス１１０側に移動する。その結果、表示デバイス１１０は、下光線Ｌｌに対応する部分は第１光学素子から遠ざかるように後退し、表示デバイス１１０の基準光線Ｌｃに対する傾斜角|θ_１|は、第１光学素子および第２光学素子に以上のような局所的なパワーの差を設けない場合の表示デバイスにおける傾斜角に比べて小さくなる。

[３－１－２．Ｎｏ．２]
図５に示すＮｏ．２の組み合わせは、第１光学素子についてはＮｏ．１と同様の構成である。しかし、第２光学素子については、下光線Ｌｌに作用する部分が局所的に負のパワーＰ＿ｌ２であり、また、上光線Ｌｕに作用する部分が局所的に正のパワーＰ＿ｕ２となるように構成した例である。

このような構成の場合には、テレフォト型の光学系にはならず、下光線Ｌｌ側の主点は、Ｎｏ．１の場合に比べて、さらに表示デバイス１１０側に移動する。その結果、表示デバイス１１０は、下光線Ｌｌに対応する部分は第１光学素子から遠ざかるように後退し、表示デバイス１１０の基準光線Ｌｃに対する傾斜角|θ_１|は、第１光学素子および第２光学素子に以上のような局所的なパワーの差を設けない場合の表示デバイスにおける傾斜角に比べて小さくなる。

[３－１－３．Ｎｏ．３]
図５に示すＮｏ．３の組み合わせは、第１光学素子についてはＮｏ．１と同様の構成である。しかし、第２光学素子については、負のパワーを有する光学素子とし、下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な負のパワーＰ＿ｌ２を、上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な負のパワーＰ＿ｕ２よりも強くなるように構成した例である。

このような構成の場合には、テレフォト型の光学系にはならず、下光線Ｌｌ側の主点は、上光線Ｌｕ側の主点に比べて、表示デバイス１１０側に移動する。その結果、表示デバイス１１０は、下光線Ｌｌに対応する部分は第１光学素子から遠ざかるように後退し、表示デバイス１１０の基準光線Ｌｃに対する傾斜角|θ_１|は、第１光学素子および第２光学素子に以上のような局所的なパワーの差を設けない場合の表示デバイスにおける傾斜角に比べて小さくなる。

[３－１－４．Ｎｏ．４]
図５に示すＮｏ．４の組み合わせは、第２光学素子については、上述した実施の形態と同様に、正のパワーを有する光学素子とし、下光線Ｌｌに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｌ２が弱く、また、上光線Ｌｕに作用する部分の局所的な正のパワーＰ＿ｕ２が強くなるように構成した例である。

しかし、第１光学素子については、下光線Ｌｌに作用する部分が局所的に正のパワーＰ＿ｌ２であり、また、上光線Ｌｕに作用する部分が局所的に負のパワーＰ＿ｕ２となるように構成した例である。

このような構成の場合には、上光線Ｌｕに対応する部分にテレフォト作用が働き、上光線Ｌｕの光路は、下光線Ｌｌの光路に比べて減少する。その結果、表示デバイス１１０は、上光線Ｌｕに対応する部分が第１光学素子に近づくように前進し、表示デバイス１１０の基準光線Ｌｃに対する傾斜角|θ_１|は、第１光学素子および第２光学素子に以上のような局所的なパワーの差を設けない場合の表示デバイスにおける傾斜角に比べて小さくなる。

[３－１－５．Ｎｏ．５]
図５に示すＮｏ．５の組み合わせは、第１光学素子については、Ｎｏ．４の構成と同様である。しかし、第２光学素子については、下光線Ｌｌに作用する部分が局所的に負のパワーＰ＿ｌ２であり、また、上光線Ｌｕに作用する部分が局所的に正のパワーＰ＿ｕ２となるように構成した例である。

以上のように、第１光学素子と第２光学素子に局所的なパワーに差を設ける構成は、実施の形態１および実施の形態２のような組み合わせ（図５のＮｏ．６）に限定されるものではなく、前記条件式（１），（２）を満足し、結像することでできれば、図５のＮｏ．１からＮｏ．５に示した組み合わせが可能である。

図５に示したいずれの組み合わせにおいても、本実施の形態における投射光学系１４０は、表示デバイス１１０の基準光線Ｌｃに対する傾斜角|θ_１|を減少させることができるため、表示デバイス１１０のコントラストの低下を防ぐことが可能となる。

[３－２．効果等]
実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイの一例としてのヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させるヘッドアップディスプレイである。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイスの一例としての表示デバイス１１０と、投射光学系１４０と、を備える。投射光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１光学素子と、第２光学素子とを有する。虚像Ｉの上端に相当する光路を上光線Ｌｕ、下端に相当する光路を下光線Ｌｌとし、第１光学素子における下光線Ｌｌに作用する部分の局所的なパワーをＰ＿ｌ１、および上光線Ｌｕに作用する部分の局所的なパワーをＰ＿ｕ１とする。また、第２光学素子における下光線Ｌｌに作用する部分の局所的なパワーをＰ＿ｌ２、および上光線Ｌｕに作用する部分の局所的なパワーをＰ＿ｕ２とする。第１光学素子と第２光学素子におけるこれらの局所的なパワーは、以下の条件式（１），（２）を満足する。
Ｐ＿ｕ１－Ｐ＿ｌ１＜０・・・（１）
Ｐ＿ｕ２－Ｐ＿ｌ２＞０・・・（２）

実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイによれば、第１光学素子と第２光学素子におけるこれらの局所的な正負のパワーが、条件式（１），（２）を満足するので、表示デバイス１１０の基準光線Ｌｃに対する傾斜角|θ_１|を減少させることができる。その結果、表示デバイス１１０のコントラストの低下を防ぐことができ、虚像Ｉを路面Ｒに沿って明瞭に表示させることができる。

（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１～３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１～３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。

図６は、表示デバイス１１０に表示される表示画像１１１を示している。観察者Ｄから見た虚像Ｉが、例えば矩形に見えるようにするためには、表示デバイス１１０に表示される表示画像１１１は、図６に示すように、虚像Ｉの上側に対応する下辺の幅狭く、虚像Ｉの下側に対応する上辺の幅が広い台形となる。また、表示デバイス１１０は、上述したように基準光線Ｌｃに対して傾斜させるため、虚像Ｉの上下方向に対応する領域は、虚像上側よりも虚像下側が広くなっている。つまり、表示画像１１１の表示領域は、虚像Ｉの中心に対して、虚像Ｉの上側に対応する使用範囲よりも虚像Ｉの下側に対応する使用範囲の方が広くなっている。表示画像１１１をこのようにすることにより、観察者Ｄからは、矩形の虚像Ｉが、路面Ｒに沿って見えることになる。

図７は、表示デバイス１１０における表示画像１１１の画素のピッチを示す図である。図７に示すように、本実施の形態では、横の画素のピッチよりも縦の画素のピッチを粗くしている。上述したように、表示デバイス１１０を基準光線Ｌｃに対して傾斜させることにより、虚像Ｉにおいては、縦の画素数が多くなってしまう。つまり、縦方向の使用領域が増えてしまう。そこで、図７に示すように、表示画像１１１において横の画素のピッチよりも縦の画素のピッチを粗くすることにより、虚像Ｉにおいては縦と横の画素数を一緒にすることができる。言い換えると、表示デバイス１１０の表示画像は、虚像Ｉの上下方向に相当する方向よりも虚像Ｉの左右方向に相当する方向の画素ピッチが細かくすることで、虚像Ｉにおいては縦と横の画素数を一緒にすることができる。

このような画素のピッチを実現するには、例えば、レーザをスクリーンに投影する形式の表示デバイスにおいて、スクリーンとして、レンズシートとレンチキュラーレンジシートを備え、このスクリーンのピッチを図７のようにすることが考えられる。このとき、画素ピッチはスクリーンのピッチに相当する。

移動体としては、自動車等の車両の他、ウインドシールドを有する自動二輪車、電車、バス、あるいは飛行機等も考えられ、これらの移動体に本開示のヘッドアップディスプレイ１００を搭載することができる。

実施の形態１～３では、ヘッドアップディスプレイ１００はダッシュボード２１０の下方に配置しているが、ダッシュボード２１０の上方に配置しても良い。
また、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。

実施の形態１～３では、虚像Ｉは路面Ｒに沿って表示させているが、観察者Ｄの視線に対して４５度以上傾けることでも奥行き感を表現することができる。

（実施形態の概要）
（１）本開示のヘッドアップディスプレイは、画像を虚像として観察者に表示するヘッドアップディスプレイであって、ヘッドアップディスプレイは、画像を表示する表示デバイスと、画像を拡大して投影する投射光学系と、投射光学系は画像からの光路の順に配置された第１光学素子および第２光学素子と、を有し、第１光学素子および第２光学素子は、虚像の上端に相当する光路を上光線、下端に相当する光路を下光線とし、第１光学素子および第２光学素子の発散作用を負、収斂作用を正としたとき、以下の条件式（１），（２）を満足するヘッドアップディスプレイである。
Ｐ＿ｕ１－Ｐ＿ｌ１＜０・・・（１）
ただし、
Ｐ＿ｕ１：前記第１光学素子が上光線に作用する局所パワー
Ｐ＿ｌ１：前記第１光学素子が下光線に作用する局所パワー
Ｐ＿ｕ２－Ｐ＿ｌ２＞０・・・（２）
ただし、
Ｐ＿ｕ２：前記第２光学素子が上光線に作用する局所パワー
Ｐ＿ｌ２：前記第２光学素子が下光線に作用する局所パワー

以上のような条件式を満足することにより、表示デバイスの基準光線に対する傾斜角を減少させることができる。その結果、表示デバイスのコントラストの低下を防ぐことができ、虚像を路面に沿って明瞭に表示させることができる。

（２）（１）のヘッドアップディスプレイにおいて、表示画像の表示領域は、虚像中心に対して、虚像の上側に対応する使用範囲よりも虚像の下側に対応する使用範囲の方が広い。したがって、観察者が虚像を観察すると、歪みのない自然な形状の虚像を観察することができる。

（３）（１）または（２）のヘッドアップディスプレイにおいて、表示デバイスの表示画像は、虚像の上下方向に相当する方向よりも虚像の左右方向に相当する方向の画素ピッチが細かい。したがって、観察者が虚像を観察すると、縦と横の画素数が一緒になった虚像を観察することができる。

（４）（１）ないし（３）のいずれか一のヘッドアップディスプレイにおいて、第１光学素子は自由曲面レンズである。したがって、上光線と下光線に作用する局所的パワーが上記条件式（１），（２）を満足するように構成することができる。

（５）（１）ないし（３）のヘッドアップディスプレイにおいて、第１光学素子は自由曲面ミラーである。したがって、上光線と下光線に作用する局所的パワーが上記条件式（１），（２）を満足するように構成することができる。

（６）（１）ないし（５）のヘッドアップディスプレイにおいて、第１光学素子は発散作用を有する。したがって、上光線と下光線に作用する局所的パワーが上記条件式（１），（２）を満足するように構成することができる。

（７）（１）ないし（６）のヘッドアップディスプレイにおいて、第２光学素子は自由曲面ミラーである。したがって、上光線と下光線に作用する局所的パワーが上記条件式（１），（２）を満足するように構成することができる。

（８）本開示の移動体は、（１）ないし（７）のヘッドアップディスプレイを搭載した移動体である。したがって、表示デバイスのコントラストの低下がなく、虚像を路面等に沿って明瞭に表示させることが可能な移動体を提供することができる。

本開示は、液晶ディスプレイ等の表示デバイス、および自由曲面レンズまたは自由曲面ミラー等の投射光学系を用いたヘッドアップディスプレイに適用可能である。具体的には、車両用などのヘッドアップディスプレイに、本開示は適用可能である。また、このヘッドアップディスプレイを搭載した車両等の移動体に適用可能である。

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
１２３自由曲面レンズ
１２４自由曲面ミラー
１２５自由曲面ミラー
１４０投射光学系
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
Ｒ路面
Ｌｃ基準光線
Ｌｕ上光線
Ｌｌ下光線

Claims

画像を虚像として観察者に表示するヘッドアップディスプレイであって、
前記ヘッドアップディスプレイは、
前記画像を表示する表示デバイスと、
前記画像を拡大して投影する投射光学系と、を有し、
前記投射光学系は、
前記画像からの光路の順に配置された第１光学素子および第２光学素子を有し、
前記第１光学素子および第２光学素子は、
前記虚像の上端に相当する光路を上光線、下端に相当する光路を下光線とし、
前記第１光学素子および前記第２光学素子の発散作用を負、収斂作用を正としたとき、
以下の条件式（１），（２）を満足するヘッドアップディスプレイ。
Ｐ＿ｕ１－Ｐ＿ｌ１＜０・・・（１）
ただし、
Ｐ＿ｕ１：前記第１光学素子が上光線に作用する局所パワー
Ｐ＿ｌ１：前記第１光学素子が下光線に作用する局所パワー
Ｐ＿ｕ２－Ｐ＿ｌ２＞０・・・（２）
ただし、
Ｐ＿ｕ２：前記第２光学素子が上光線に作用する局所パワー
Ｐ＿ｌ２：前記第２光学素子が下光線に作用する局所パワー
前記表示デバイスにおける前記画像の表示領域は、虚像中心に対して、虚像の上側に対応する使用範囲よりも虚像の下側に対応する使用範囲の方が広い、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
前記表示デバイスの表示画像は、虚像の上下方向に相当する方向よりも虚像の左右方向に相当する方向の画素ピッチが細かい、
請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
前記第１光学素子は自由曲面レンズである、
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
前記第１光学素子は自由曲面ミラーである、
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
前記第１光学素子は発散作用を有する、
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
前記第２光学素子は自由曲面ミラーである、
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
前記虚像は、前記観察者の視線に対して４５度以上傾斜している、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイを搭載した移動体。