JP7180557B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

Description

この明細書による開示は、車両に搭載されるように構成された虚像表示装置に関する。

特許文献１が開示する虚像表示装置は、表示器から射出された表示光の光路を少なくとも３枚の反射素子で折り曲げると共に、３枚の反射素子の配置位置や配置角度について、各種条件式を満足するようにしている。

特許第６３６３５７６号公報

車両の限られたスペースに搭載される虚像表示装置においては、小型化が望まれている。一方で、虚像表示装置が表示する虚像の大画面化が望まれている。大画面化を進めようとすると、装置に対して上方に配置される投影部へ向けて表示光を射出する反射素子において、水平面に沿った水平方向の寸法を縮小することは困難である。このため、小型化のためには、水平面に垂直な高さ方向の寸法を縮小することが重要となる。

この点、特許文献１の装置は、投影部へ向けて表示光を射出する反射素子（投影部の直前の反射素子）に、表示光を正反射する構成を採用していると認められる。この構成では、投影部の直前の反射素子への入射角と、当該反射素子からの射出角とが等しい。したがって、投影部へ向かう射出方向が上方への方向と決まっていると、表示光の入射光路と表示光の射出光路との重複領域における高さ方向の寸法が大きくなってしまう。重複領域の確保のために装置の体格が拡大してしまう状況となっていた。

この明細書の開示による目的のひとつは、装置の体格拡大を抑制可能な虚像表示装置を提供することにある。

ここに開示された態様のひとつは、車両（１）に搭載されるように構成され、投影部（３ａ）へ向けて画像の表示光を投影することにより、画像を視認可能に虚像表示する虚像表示装置であって、
表示光を発光する表示器（２０，３２０）と、
表示器から発光された表示光を回折によって反射する回折反射素子であって、車両の水平面に沿わせた姿勢の板状に形成されていると共に、入射した表示光を上方に配置される投影部へ向けて射出する水平配置回折反射素子（３１）と、を備え、
表示光について、水平配置回折反射素子への入射角が水平配置回折反射素子からの射出角よりも大きくなっており、
表示光を正反射して折り返す反射素子であって、光路上における表示器と水平配置回折反射素子との間のうち水平配置回折反射素子の直前に配置され、水平配置回折反射素子への入射角が水平配置回折反射素子からの射出角よりも大きくなるように、水平配置回折反射素子への入射角を規定する入射角規定反射素子（３４）を、さらに備える。

このような態様によると、表示器から発光され入射した表示光を、上方に配置された投影部へ向けて射出する反射素子は、車両の水平面に沿わせた姿勢の板状に形成され、入射角が射出角よりも大きな回折反射を実現する水平配置回折反射素子である。水平配置回折反射素子のこの姿勢により、当該回折反射素子が占有する空間における高さ方向の寸法拡大が抑制される。そして、水平配置回折反射素子から投影部へ向かう方向に対応する射出角に対し、入射角が大きくされることにより、表示光の入射光路と表示光の射出光路との重複領域における高さ方向の寸法が圧縮される。故に、水平配置回折反射素子よりも上方の光路が形成される空間における高さ方向の寸法拡大も抑制される。以上により、装置の体格拡大を抑制することができる。

なお、括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。

第１実施形態のＨＵＤ装置の車両への搭載状態を示す図である。 第１実施形態の光路、重複領域等を示す図である。 第１実施形態の画面の有効サイズ等を示す図である。 第１実施形態の光路の一部を直線状に模式的に展開した図であって、１次回折光による光路と表面反射虚像との位置関係を示す図である。 第２実施形態の光路等を示す図である。 第３実施形態の光路等を示す図である。 第３実施形態の表示器、追加の回折反射素子及び正反射ミラーの距離の関係を示す図である。 第３実施形態の交差光路の角度を説明するための図である。 変形例５における光路を示す図である。

以下、複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。

（第１実施形態）
図１に示すように、本開示の第１実施形態による虚像表示装置は、車両としての自動車１に搭載されるように構成され、当該自動車１のインストルメントパネル２内に収容されているヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置）１００となっている。ここで車両とは、自動車、鉄道車両の他、航空機、船舶、移動しないゲーム用筐体等の各種乗り物を含むように広義に解される。

ＨＵＤ装置１００は、表示器２０から発光された画像の表示光を、自動車１のウインドシールド３に設けられた投影部３ａへ向けて投影する。これにより、ＨＵＤ装置１００は、画像を、視認者としての自動車１の乗員（例えば運転者）により視認可能に虚像表示する。すなわち、投影部３ａにて反射される表示光が、自動車１の室内に設定された視認領域ＶＡに到達することにより、視認領域ＶＡ内にアイポイントＥＰが位置する乗員は、当該表示光を虚像ＶＲＩとして知覚する。そして、乗員は、虚像ＶＲＩ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ＶＲＩとして表示される各種情報としては、例えば車速、燃料残量等の自動車１の状態を表す情報、視界補助情報、道路情報等が挙げられる。

以下において特に断り書きがない限り、前、後、上、下、左及び右が示す各方向は、水平な接地面上の自動車１を基準として表記される。

自動車１のウインドシールド３は、例えばガラスないし合成樹脂により透光性の板状に形成された透明部材である。ウインドシールド３は、インストルメントパネル２よりも上方に配置されている。ウインドシールド３は、前方から後方へ向かう程、インストルメントパネル２に対して上方へ離間するように傾斜している。ウインドシールド３は、表示光が投影される投影部３ａを、滑らかな凹面状又は平面状に形成している。なお、投影部３ａは、ウインドシールド３に設けられていなくてもよい。例えば自動車１と別体となっているコンバイナを自動車１の室内に設置して、当該コンバイナに投影部３ａが設けられていてもよい。

視認領域ＶＡは、ＨＵＤ装置１００により表示される虚像ＶＲＩが所定の規格を満たすように（例えば虚像ＶＲＩ全体が所定の輝度以上となるように）視認可能となる空間領域であって、アイボックスとも称される。視認領域ＶＡは、典型的には、自動車１のアイリプスと重なるように設定される。アイリプスは、両眼それぞれに対して設定され、乗員のアイポイントＥＰの空間分布を統計的に表したアイレンジに基づいて、楕円体状の仮想的な空間として設定されている。

このようなＨＵＤ装置１００の具体的構成を、以下に説明する。ＨＵＤ装置１００は、筐体１１、表示器２０、正反射ミラー３４、及び回折反射素子３１等により構成されている。

筐体１１は、例えば合成樹脂ないし金属により遮光性の壁部を形成し、壁部に囲まれた内部空間をもつ中空箱状を呈している。筐体１１は、表示器２０、表示器２０を制御する制御回路基板、正反射ミラー３４、回折反射素子３１等を、内部空間に収容すると共に保持している。筐体１１において投影部３ａと上下方向に対向する上部には、画像の光を透過させるために光学的に開口している窓部１２が設けられている。

窓部１２は、物理的に開口していてもよく、透光性の薄板状に形成された防塵カバー１３によって塞がれていてもよい。特に本実施形態の窓部１２は、筐体１１の内部空間側に凸となるように湾曲する防塵カバー１３によって覆われている。

表示器２０は、虚像ＶＲＩとして結像されることとなる画像を画面２１上に実像表示又は虚像表示する。表示器２０としては、透過型又は反射型の液晶パネルを用いて画像を表示する液晶表示器、マイクロＬＥＤを配列して画面２１を構成するマイクロＬＥＤ式表示器、レーザスキャナ方式の表示器、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いたＤＬＰ（Digital Light Processing；登録商標）方式の表示器等を採用することができる。

ここで特に本実施形態の表示器２０は、カラー画像を表示した画面２１から、赤色光、緑色光、及び青色光が組み合わされた表示光を正反射ミラー３４へ向けて発光する。なお、表示器２０は、可視領域の各波長を広帯域に含む白色光を、表示光として射出してもよい。

正反射ミラー３４及び回折反射素子３１は、表示器２０からの表示光を、ＨＵＤ装置１００よりも上方に配置される投影部３ａへ向けて導光する光路ＯＰを形成する導光部３０を構成している。当該光路ＯＰの形成によって、視認領域ＶＡから虚像ＶＲＩまでの表示距離を稼ぐことができる。

正反射ミラー３４は、表示光を正反射して折り返す反射素子である。正反射ミラー３４は、光路ＯＰのうち表示器２０と回折反射素子３１との間に配置されている。正反射ミラー３４は、例えば合成樹脂ないしガラス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、反射面３５を形成している。反射面３５は、滑らかな平面状に形成されている。表示器２０から正反射ミラー３４に入射した表示光は、その反射面３５により回折反射素子３１へ向けて反射される。

回折反射素子３１は、光路ＯＰのうち正反射ミラー３４と投影部３ａとの間に配置されている。回折反射素子３１は、入射する表示光を回折によって反射する回折構造を有している。例えば回折反射素子３１は、その媒質中に周期的な屈折率分布をもつ素子である。詳細に、回折反射素子３１は、ホログラム層を、一対の基板層によって挟むことにより、薄板状に、特に平板状に形成されたホログラフィック光学素子となっている。ホログラム層での周期的な屈折率分布が、回折構造として機能する。なお、ホログラフィック光学素子としては、回折効率及び波長依存性を考慮して、体積型のホログラフィック光学素子が採用されることが好適である。

一対の基板層は、例えば合成樹脂ないしガラス等により薄板状に形成され、ホログラム層を保護し、補強している。一対の基板層のうち、回折反射素子３１に表示光が入射する表面３２側の基板層は、透光性に形成されている。裏面側の基板層は、透光性に形成されていてもよく、暗色（例えば黒色）に形成されていてもよい。また、裏面側の基板層が設けられず、ホログラム層が裏面側にて露出していてもよい。

ホログラム層は、予め、ホログラム材料に、物体光の振幅及び位相の情報を、参照光との干渉縞として記録した状態で形成されている。ここでいう干渉縞とは、上述の周期的な屈折率分布により具現された干渉縞である。ホログラム材料には、合成樹脂を主体とした材料、ゼラチン感光材料、銀塩感光材料等、屈折率の空間的な変調によって物体光の振幅及び位相の情報を記録可能な材料が選択的に採用され得る。

ホログラム層には、表示光をブラッグ反射させるような干渉縞が形成されている。例えば、当該干渉縞において屈折率が変調する変調方向は、回折反射素子３１の表面３２に対して傾斜した方向に設定される。これにより、回折次数のうち最も高い１次の回折光（以下、１次回折光）にて、当該表面３２の法線Ｎを基準とした入射角θｉと射出角θｏとは、互いに異なったものとなる。表示光の回折反射素子３１での反射は、入射角θｉと射出角θｏとが異なる非対称反射となる。正反射ミラー３４から回折反射素子３１に入射した表示光は、ホログラム層により投影部３ａへ向けて反射される。

ホログラム層の干渉縞は、表示光の入射位置に応じて変調方向が変化するように形成されている。これにより、回折反射素子３１の光学パワーは正であり、回折反射素子３１は表示光を集光する機能を有する。集光機能により、虚像ＶＲＩのサイズを拡大することができる。

ホログラム層の干渉縞は、波長依存性を有する。本実施形態では、例えば緑色光の波長が、干渉縞における基準波長（設計の基準となる波長）となっている。上述の入射角θｉ及び射出角θｏは、基準波長に対応する角度である。干渉縞により１次回折光を回折反射可能な表示光の波長は、基準波長だけに限らず、赤色光及び青色光を含む波長領域（可視領域）となっている。また、入射角θｉ及び射出角θｏは、後述する主光線の中心点Ｐｈでの角度である。ここでいう主光線とは、画面２１の中心点Ｐｄから回折反射素子３１の中心点Ｐｈへ向かう光線を意味する。

こうして回折反射素子３１に反射された表示光は、投影部３ａに正反射されて、視認領域ＶＡへと到達する。したがって、視認領域ＶＡにアイポイントＥＰが位置する乗員は、投影部３ａを挟んだ視認領域ＶＡとは反対側の自動車１の室外空間に、虚像ＶＲＩを視認可能となる。ここで投影部３ａは、透明部材としてのウインドシールド３を通して視認される室外の景色と重畳して表示される。

以下では、表示器２０から投影部３ａへ至る光路ＯＰ及び当該光路ＯＰを形成する導光部３０の構成について、詳細に説明する。回折反射素子３１は、その表面３２を、自動車１の水平面に沿わせた姿勢（例えば自動車１の水平面に実質平行な姿勢）にて配置されている。本実施形態において自動車１の水平面は、ＪＩＳＤ００３０－１９８２に規定されているゼロＺ平面（ゼロＹ平面及びゼロＸ平面に直交する水平面）を意味する。自動車１が水平な接地面上に存在する場合においては、自動車１の水平面は、当該接地面に実質平行となる。本実施形態に示される「水平面に沿わせた姿勢」は、水平面と平行な姿勢と、水平面に対して±１０［ｄｅｇ］以内の傾斜角に傾斜した姿勢とを含む。

そして回折反射素子３１は、筐体１１の内部空間において中心よりも下方（例えば筐体１１の底部）に配置され、表示光が入射する表面３２を上方へ向けている。回折反射素子３１は、正反射ミラー３４からの表示光の入射角θｉが投影部３ａへ向かう射出角θｏよりも大きくなるように形成されている。

詳述すると、一般的な車両１における条件では、投影部３ａでの表示光の入射角が５５～６５［ｄｅｇ］の範囲、又は６０～６５［ｄｅｇ］の範囲に設定される。そうすると、必然的に回折反射素子３１を配置する位置が決まる。仮に回折反射素子３１の表面３２を水平面に対して大きく傾斜させると、ＨＵＤ装置１００の高さ方向の寸法が大きくなってしまうので、回折反射素子３１の表面３２を水平面に沿わせる姿勢が採用される。そうすると、回折反射素子３１の姿勢及び位置と投影部３ａの位置との関係により、射出角θｏが決まる。

こうして決まった射出角θｏよりも大きな入射角θｉが規定される。これによれば、回折反射素子３１より上方に形成される、回折反射素子３１に入射する表示光の入射光路と回折反射素子３１から射出される表示光の射出光路が重複する断面三角形状の重複領域ＯＡの高さ方向の寸法は、低くなる。例えば、射出角θｏが３０［ｄｅｇ］である場合、入射角θｉを４５［ｄｅｇ］とすると、入射角θｉが３０［ｄｅｇ］の条件と比較して、重複領域ＯＡの高さ寸法を、約７３％に圧縮することができる。なお、図２等において、重複領域ＯＡがドットハッチングで示されている。

図２に示すように、回折反射素子３１に入射する表示光のビーム幅をＤとした場合、重複領域ＯＡの高さ方向の寸法ｈは、ｈ≒Ｄ／（ｔａｎθｏ＋ｔａｎθｉ）で表すことができる。そこで、ｔａｎθｉ≧１．５×ｔａｎθｏの条件を満たすようにすると、高さ方向の寸法ｈは、少なくとも２０％低減できる。

この射出角θｏよりも大きな入射角θｉを規定すべく、正反射ミラー３４は、光路ＯＰにおける回折反射素子３１への表示光の入射直前となる位置に配置される。正反射ミラー３４は、筐体１１の内部空間において中心よりも前方に配置され、表示光を正反射する反射面３５を、後方かつ下方の斜め方向へ向けている。

正反射ミラー３４へ表示光を入射させるべく、表示器２０は、筐体１１の内部空間において中心よりも後側に配置され、前方に表示光を発するようになっている。表示器２０と正反射ミラー３４とが回折反射素子３１の表面３２よりも上方となる位置において、前後方向に並んでいる。これにより、表示器２０から発光された表示光は、表面３２に沿って延伸する交差光路ＣＰ上を進み、正反射ミラー３４へ入射される。この交差光路ＣＰが、重複領域ＯＡに交差し、当該重複領域ＯＡとさらに重複されている。

さらに本実施形態では、次の数式１が成立する。
Ｄｂ／２・ｃｏｓθｏ
＜（Ｌ１＋Ｌ２）・ｓｉｎ（θｉ－θｏ）－Ｓｖ／２・ｃｏｓ（θｉ－θｏ）
・・・（数式１）

図３に示すように、Ｄｂは、回折反射素子３１のサイズ（詳細には、回折反射素子３１の表示光の入射面方向の幅）である。本実施形態では、入射面が前後方向に沿っているため、Ｄｂは、回折反射素子３１の前後方向の幅となる。Ｌ１は、表示器２０の画面２１と正反射ミラー３４との間の距離、より厳密には点Ｐｄと点Ｐｍとの間の距離である。Ｌ２は、正反射ミラー３４と回折反射素子３１との距離、より厳密には点Ｐｍと点Ｐｈ間の距離である。点Ｐｄは、表示器２０の画面２１の中心点である。点Ｐｍは、正反射ミラー３４の中心点である。点Ｐｈは、回折反射素子３１の中心点である。Ｓｖは、表示器２０の画面２１のサイズ（詳細には、表示器２０において、回折反射素子３１の表示光の入射面に対応する方向の幅）であって、特に虚像ＶＲＩの表示に有効な部分の有効サイズである。本実施形態では、表示器２０において、回折反射素子３１の表示光の入射面に対応する方向は、上下方向に沿っているため、Ｓｖは、表示器２０の画面２１の上下方向のサイズとなる。

本実施形態において、表示光の一部は、回折反射素子３１の表面３２にて正反射し得る。数式１は、図４に示すように、この表面反射によるゴースト像状の表面反射虚像ＧＩの存在位置が、１次回折光による表示光の光路ＯＰ（図４のドットハッチングの範囲が光路ＯＰの幅である）の外であることを意味する。

詳述すると、数式１におけるＤｂ／２・ｃｏｓθｏは、回折反射素子３１のサイズの半値の光路ＯＰに垂直な成分である。数式１におけるθｉ－θｏは、表面反射光が１次回折光に対して有するオフセット角である。数式１における（Ｌ１＋Ｌ２）・ｓｉｎ（θｉ－θｏ）は、表面反射虚像ＧＩの中心点と、１次回折光による正規の虚像ＶＲＩの光路ＯＰの中心との距離である。数式１におけるＳｖ／２・ｃｏｓ（θｉ－θｏ）は、表面反射虚像ＧＩのサイズの半値の光路ＯＰに垂直な成分である。故に数式１は、回折反射素子３１のサイズの半値の光路ＯＰに垂直な成分が、表面反射虚像ＧＩの中心点と１次回折光による正規の虚像ＶＲＩの光路ＯＰの中心軸との距離から、表面反射虚像ＧＩのサイズの半値の光路ＯＰに垂直な成分を差し引いた値よりも小さいことを意味する。光路ＯＰの中心軸は、実質的に、主光線と一致する。

表面反射虚像ＧＩが光路ＯＰ外に位置することにより、乗員が正規の虚像ＶＲＩと表面反射虚像ＧＩとを同時に視認することが抑制される。

なお第１実施形態では、回折反射素子３１が車両の水平面に沿うような板状に形成されていると共に、入射した表示光を上方に配置される投影部３ａへ向けて射出する「水平配置回折反射素子」に相当する。正反射ミラー３４が回折反射素子３１への表示光の入射角θｉを規定する「入射角規定反射素子」に相当する。

（作用効果）
以上説明した第１実施形態の作用効果を以下に改めて説明する。

第１実施形態によると、表示器２０から発光され入射した表示光を、上方に配置された投影部３ａへ向けて射出する反射素子は、車両としての自動車１の水平面に沿わせた姿勢の板状に形成され、入射角θｉが射出角θｏよりも大きな回折反射を実現する回折反射素子３１である。回折反射素子３１のこの姿勢により、当該回折反射素子３１が占有する空間における高さ方向の寸法拡大が抑制される。そして、回折反射素子３１から投影部３ａへ向かう方向に対応する射出角θｏに対し、入射角θｉが大きくされることにより、表示光の入射光路と表示光の射出光路との重複領域ＯＡにおける高さ方向の寸法が圧縮される。故に、回折反射素子３１よりも上方の光路ＯＰが形成される空間における高さ方向の寸法拡大も抑制される。以上により、装置１００の体格拡大を抑制することができる。

また、第１実施形態によると、光路ＯＰにおける表示器２０と回折反射素子３１との間のうち回折反射素子３１の直前に配置された反射素子は、表示光を正反射して折り返し、入射角θｉが射出角θｏよりも大きくなるように、当該入射角θｉを規定する正反射ミラー３４である。こうした正反射ミラー３４の直前配置により、回折反射素子３１に対する表示光の入射側の空間にて、当該表示光が折返される。このため当該入射側に、正反射ミラー３４を配置するための小さな空間を設定すれば、光路ＯＰを形成可能となる。こうして、自動車１への搭載性を高めることができる。

さらに、正反射ミラー３４が表示光を正反射する形態のため、正反射ミラー３４では、表面反射光と回折反射光との二重像が生じ難い。故に、正反射ミラー３４を回折反射素子３１に接近させたとしても、表面反射光及び回折反射光のうち不要な光の回折反射素子３１との多重反射に対する対策を施す必要がないので、装置１００の体格抑制と虚像ＶＲＩの高い視認性とを容易に両立できる。

また、第１実施形態によると、上述の数式１が成立する。したがって、乗員が回折反射素子３１により回折反射された表示光による虚像ＶＲＩと、回折反射素子３１の表面３２で表面反射された表示光による表面反射虚像ＧＩとを、両方同時に視認することが抑制される。こうして虚像ＶＲＩの視認性を高めることができる。

また、第１実施形態によると、表示器２０は、交差光路ＣＰを形成する配置形態となっている。交差光路ＣＰは、回折反射素子３１の表面３２よりも上方において表面３２に沿った方向へ延伸し、入射光路と射出光路との重複領域ＯＡと交差する。回折反射素子３１の表面３２よりも上方に、入射光路、射出光路、及び交差光路ＣＰが三重重複することにより、装置１００の体格拡大を抑制しつつ、虚像ＶＲＩの表示距離を稼ぐことができる。

（第２実施形態）
図５に示すように、第２実施形態は第１実施形態の変形例である。第２実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。

第２実施形態では、次の数式２が成立する。
（Ｄｂ・ｃｏｓθｉ－Ｓｖ）／（２・（Ｌ１＋Ｌ２）－Ｄｂ・ｓｉｎθｉ）
＞ｔａｎ（π／２－（θｉ＋２・θｍ））
・・・（数式２）

ここで、θｍは、正反射ミラー３４における表示光の反射角である。数式２は、表示器２０の画面２１の下端点から射出されて正反射ミラー３４へ向かう表示光の光線（図５の二点鎖線）と、回折反射素子３１との干渉が回避されることを意味する。

以下詳細を説明する。点Ｐｄから点Ｐｍにて反射されて点Ｐｈへ向かう光線と、画面２１の下端点から正反射ミラー３４で反射されて回折反射素子３１の前端へ向かう光線との角度差が、δであるとする。そうすると、ｔａｎαは、次の数式３で表される。
ｔａｎδ＝（Ｄｂ・ｃｏｓθｉ－Ｓｖ）／（２・（Ｌ１＋Ｌ２）－Ｄｂ・ｓｉｎθｉ）
・・・（数式３）

また、画面２１の下端点から正反射ミラー３４へ向かう光線が回折反射素子３１の表面３２と平行になる条件は、δ＋２・θｍ＋θｉ＝π／２である。したがって、当該光線が平行まで達する直線に設定され得る条件式δ＋２・θｍ＋θｉ＞π／２が成立することで、上述の干渉が回避されることとなる。

以上説明した第２実施形態によると、上述の数式２が成立する。そうすると、表示器２０の画面２１の下端点から射出されて正反射ミラー３４へ向かう光線と、回折反射素子３１との干渉が回避される、したがって、装置１００の体格を抑制しつつ、虚像ＶＲＩの視認性を高めることができる。

（第３実施形態）
図６～８に示すように、第３実施形態は第１実施形態の変形例である。第３実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。

第３実施形態の導光部３３０は、図６に示すように、正反射ミラー３４及び回折反射素子３１に加えて、追加の回折反射素子３７を含む構成である。回折反射素子３７は、光路ＯＰ上における表示器３２０と回折反射素子３１との間、より詳細には表示器２０と正反射ミラー３４との間に配置されている。回折反射素子３７は、回折反射素子３１と同様に、入射する表示光を回折によって反射する回折構造（例えばホログラム層の干渉縞の構造）を有している。本実施形態において回折反射素子３７の光学パワーは、実質０となっている。

回折反射素子３７の追加に合わせて、表示器３２０の配置は、第１実施形態とは異なっている。具体的に、表示器３２０は、筐体１１の内部空間において中心よりも後側かつ下方（例えば筐体１１の底部において回折反射素子３１よりも後方）に配置され、上方に表示光を発するようになっている。そして、回折反射素子３７は、筐体１１の内部空間において中心よりも後側（例えば正反射ミラー３４よりも後方かつ表示器２０よりも上方となる位置）に配置され、表示光が入射する表面３８を前方かつ下方の斜め方向へ向けている。

表示器２０から発光された表示光は、回折反射素子３７に回折反射された後、表面３２よりも上方にて、表面３２に沿って延伸する交差光路ＣＰ上を進み、正反射ミラー３４へ入射される。この交差光路ＣＰが、重複領域ＯＡに交差し、当該重複領域ＯＡとさらに重複されている。

回折反射素子３７は、回折反射素子３１の波長分散とは逆方向の波長分散を生じさせる。具体的に、回折反射素子３１での表示光において基準波長の入射角θｉ１が射出角θｏ１よりも大きい。したがって、回折反射素子３１では、基準波長よりも長波長の光の射出角は、基準波長の射出角θｏよりも小さくなり、基準波長よりも短波長の光の射出角は、基準波長の射出角θｏよりも大きくなる。

対して回折反射素子３７では、基準波長の入射角θｉ２が射出角θｏ２よりも小さく設定される。したがって、回折反射素子３７では、基準波長よりも長波長の光の射出角は、基準波長の射出角θｏ２よりも大きくなり、基準波長よりも短波長の光の射出角は、基準波長の射出角θｏ２よりも小さくなる。こうした２つの回折反射素子３１，３７の組み合わせにより、導光部３３０全体の波長分散を抑制することができる。

また、回折反射素子３７における入射角θｉ２と射出角θｏ２との角度差の絶対値は、回折反射素子３１における入射角θｉ１と射出角θｏ１との角度差の絶対値よりも大きくされている。これにより、波長分散が発散する起点を、虚像ＶＲＩの表示位置により近い位置に合わせ込むことができる。

回折反射素子３１にて表示光を効率よく回折反射するには、入射角θｉ１を６０［ｄｅｇ］以下にすることが好ましい。６０［ｄｅｇ］の入射角θｉ１に対して、射出角θｏ１を３０［ｄｅｇ］に設定すると、入射角θｉ１及び射出角θｏ１が３０［ｄｅｇ］の条件と比較して、重複領域ＯＡの高さ寸法を、約４４％に圧縮することができる。

図７に示すように、回折反射素子３７と正反射ミラー３４との距離Ｌｍは、回折反射素子３１の前後方向の幅よりも大きくされる。また、表示器２０と回折反射素子３７との距離Ｌｓは、回折反射素子３７と正反射ミラー３４との距離Ｌｍの１／２以下とされる。こうした距離設定により、表示器２０の画面２１の下端点から射出されて正反射ミラー３４へ向かう表示光と、回折反射素子３１との干渉が回避されつつ、ＨＵＤ装置１００の高さ方向の寸法を抑制することができる。

ここで図８に示すように、上下方向及び前後方向を含む断面において、光路ＯＰのうち回折反射素子３７と正反射ミラー３４との間を進む表示光の主光線が回折反射素子３１の表面３２に対して後方側につくる角度を、αと定義する。さらに、この断面において、防塵カバー１３の中心点Ｐｃにおける接平面ＴＰが回折反射素子３１の表面３２に対して後方側につくる角度を、ξと定義する。そうすると、０≦α≦ξの条件が成立する。

この条件を満たすことで、交差光路ＣＰを、回折反射素子３１と防塵カバー１３との間を通す際に、表示光が回折反射素子３１及び防塵カバー１３に干渉することを抑制することができる。特に、α＝ξ／２にすることで、干渉抑制効果が最大化される。

なお第３実施形態では、回折反射素子３７が、回折反射素子３１とは別に設けられ、表示光を回折によって反射する「追加回折反射素子」に相当する。

以上説明した第３実施形態によると、交差光路ＣＰを形成する回折反射素子３７が、回折反射素子３１とは別に設けられている。交差光路ＣＰは、回折反射素子３１の表面３２よりも上方において表面３２に沿った方向へ延伸し、回折反射素子３１へ入射する入射光路と射出光路との重複領域ＯＡと交差する。回折反射素子３１の表面３２よりも上方に、入射光路、射出光路、及び交差光路ＣＰが三重重複することにより、装置１００の体格拡大を抑制しつつ、虚像ＶＲＩの表示距離を稼ぐことができる。

また、第３実施形態によると、０≦α≦ξの条件が成立することにより、当該交差光路ＣＰを、防塵カバー１３と回折反射素子３１との間に、干渉を避けつつ通すことができる。

また、第３実施形態によると、回折反射素子３７は、回折反射素子３１の入射角θｉ１と射出角θｏ１とが異なることに伴って生じる波長分散とは、逆方向の波長分散を生じさせる。２つの回折反射素子３１，３７により波長分散の少なくとも一部が相殺されることで、虚像ＶＲＩの色ずれが抑制される。こうして虚像ＶＲＩの視認性を高めることができる。

また、第３実施形態によると、入射角θｉ２と射出角θｏ２の角度差の絶対値は、入射角θｉ１と射出角θｏ１の角度差の絶対値より大きい。このようにすることで、乗員に対して各色の表示光を虚像ＶＲＩの表示位置から発散する発散光のように見せることで、色ずれを認識させ難くすることができる。

（他の実施形態）
以上、複数の実施形態について説明したが、本開示は、それらの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及び組み合わせに適用することができる。

具体的に変形例１としては、回折反射素子３１、回折反射素子３７、正反射ミラー３４のうち少なくとも１つは、平板状以外、例えば滑らかな曲面状の表面を有する湾曲板状に形成されていてもよい。

変形例２としては、回折反射素子３１の光学パワーは、実質０であり、虚像ＶＲＩの拡大機能を有していなくてもよい。

変形例３としては、回折反射素子３７の光学パワーは、正又は負に設定されていてもよい。

変形例４としては、光路ＯＰ上に、レンズ、ミラー、プリズム、偏光板、位相差板、光学フィルタ等が追加されてもよい。

変形例５としては、図９に示すように、光路ＯＰにおける表示器２０と回折反射素子３１との間に正反射ミラー３４等の光学素子が設けらずに、導光部３０が回折反射素子３１のみにより構成されていてもよい。

１：自動車（車両）、３ａ：投影部、２０，３２０：表示器、３１：回折反射素子（水平配置回折反射素子）、１００：ＨＵＤ装置（虚像表示装置）

Claims (9)

1. 車両（１）に搭載されるように構成され、投影部（３ａ）へ向けて画像の表示光を投影することにより、前記画像を視認可能に虚像表示する虚像表示装置であって、
   前記表示光を発光する表示器（２０，３２０）と、
   前記表示器から発光された前記表示光を回折によって反射する回折反射素子であって、前記車両の水平面に沿わせた姿勢の板状に形成されていると共に、入射した前記表示光を上方に配置される前記投影部へ向けて射出する水平配置回折反射素子（３１）と、を備え、
   前記表示光について、前記水平配置回折反射素子への入射角が前記水平配置回折反射素子からの射出角よりも大きくなっており、
   前記表示光を正反射して折り返す反射素子であって、光路上における前記表示器と前記水平配置回折反射素子との間のうち前記水平配置回折反射素子の直前に配置され、前記水平配置回折反射素子への入射角が前記水平配置回折反射素子からの射出角よりも大きくなるように、前記水平配置回折反射素子への入射角を規定する入射角規定反射素子（３４）を、さらに備える虚像表示装置。
2. 前記水平配置回折反射素子とは別に設けられ、前記表示光を回折によって反射する回折反射素子であって、前記光路上における前記表示器と前記水平配置回折反射素子との間のうち前記表示器と前記入射角規定反射素子との間に配置され、前記水平配置回折反射素子の表面（３２）よりも上方において前記表面に沿った方向へ延伸し、前記水平配置回折反射素子へ入射する前記表示光の入射光路と前記水平配置回折反射素子から射出する前記表示光の射出光路との重複領域（ＯＡ）と交差する交差光路（ＣＰ）を形成する追加回折反射素子（３７）を、さらに備える請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記水平配置回折反射素子よりも上方に、筐体（１１）の窓部（１２）を塞ぐ透光性の防塵カバー（１３）をさらに備え、
   上下方向及び前後方向を含む断面において、前記追加回折反射素子と前記入射角規定反射素子との間を後方から前方へ進む前記表示光の主光線が前記表面に対して後方側につくる角度を、αと定義し、
   前記断面において、前記防塵カバーの中心点（Ｔｃ）における接平面（ＰＣ）が前記表面に対して後方側につくる角度を、ξと定義すると、
   ０≦α≦ξが成立する請求項２に記載の虚像表示装置。
4. 前記表示器と前記追加回折反射素子との距離をＬｓを定義し、
   前記追加回折反射素子と前記入射角規定反射素子との距離をＬｍと定義すると、
   Ｌｍ＞２・Ｌｓが成立する請求項２又は３に記載の虚像表示装置。
5. 前記追加回折反射素子は、前記水平配置回折反射素子の前記入射角と前記射出角とが異なることに伴って生じる波長分散とは、逆方向の波長分散を生じさせる請求項２から４のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
6. 前記追加回折反射素子への入射角と前記追加回折反射素子からの射出角の角度差の絶対値は、前記水平配置回折反射素子への入射角と前記水平配置回折反射素子からの射出角の角度差の絶対値より大きい請求項５に記載の虚像表示装置。
7. 前記表示器は、前記水平配置回折反射素子の表面よりも上方において前記表面に沿った方向へ延伸し、前記水平配置回折反射素子へ入射する前記表示光の入射光路と前記水平配置回折反射素子から射出する前記表示光の射出光路との重複領域と交差する交差光路を形成するように、前記表示光を前記入射角規定反射素子へ向けて発光する請求項１に記載の虚像表示装置。
8. 前記水平配置回折反射素子のサイズをＤｂと定義し、
   前記表示器の画面（２１）のサイズをＳｖと定義し、
   前記表示器の画面と前記入射角規定反射素子との間の距離をＬ１と定義し、
   前記入射角規定反射素子と前記水平配置回折反射素子との距離をＬ２と定義し、
   前記水平配置回折反射素子への入射角をθｉと定義し、
   前記水平配置回折反射素子からの射出角をθｏと定義すると、
   Ｄｂ／２・ｃｏｓθｏ
   ＜（Ｌ１＋Ｌ２）・ｓｉｎ（θｉ－θｏ）－Ｓｖ／２・ｃｏｓ（θｉ－θｏ）が成立する請求項１又は７に記載の虚像表示装置。
9. 前記水平配置回折反射素子のサイズをＤｂと定義し、
   前記表示器の画面のサイズをＳｖと定義し、
   前記表示器の画面と前記入射角規定反射素子との間の距離をＬ１と定義し、
   前記入射角規定反射素子と前記水平配置回折反射素子との距離をＬ２と定義し、
   前記水平配置回折反射素子への入射角をθｉと定義し、
   前記水平配置回折反射素子からの射出角をθｏと定義し、
   前記表示光についての前記入射角規定反射素子での正反射の反射角をθｍと定義すると、
   （Ｄｂ・ｃｏｓθｉ－Ｓｖ）／（２・（Ｌ１＋Ｌ２）－Ｄｂ・ｓｉｎθｉ）
   ＞ｔａｎ（π／２－（θｉ＋２・θｍ））が成立する請求項１又は７に記載の虚像表示装置。

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