(57)【要約】【課題】高輝度光源からの光が表示スクリーンに映り込むことを軽減するヘッドアップディスプレイ装置を提供すること。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置１００は、描画デバイス１１ａと、描画デバイス１１ａからの光を反射する表示スクリーン２１とを備え、表示スクリーン２１は、機能面である光学面５１ａと非機能面である段差面５１ｂとを有するフレネル構造部５１を内部に持ち、機能面と非機能面とにはハーフミラーコートがコーティングされ、フレネル構造部５１の機能面の基準となる形状は、曲面であり、フレネル構造部５１は、表示スクリーン２１の表面に対する機能面の傾きをａとし、機能面と非機能面とのなす角をｂとしたときに、条件式  １８０°−３・ａ＜ｂ＜１８０°−０．５・ａ    …    （１）を満たす。【選択図】図２
2020154069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
描画デバイスと、
前記描画デバイスからの光を反射する表示スクリーンと、
を備え、
前記表示スクリーンは、機能面と非機能面とを有するフレネル構造部を内部に持ち、前記機能面と前記非機能面とにはハーフミラーコートがコーティングされ、
前記フレネル構造部の前記機能面の基準となる形状は、曲面であり、
前記フレネル構造部は、前記表示スクリーンの表面に対する前記機能面の傾きをａとし、前記機能面と前記非機能面とのなす角をｂとしたときに、以下の条件式を満たすことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
１８０°−３・ａ＜ｂ＜１８０°−０．５・ａ    …    （１）
【請求項２】
前記フレネル構造部の前記機能面の基準となる形状は、自由曲面であることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項３】
前記表示スクリーンの透過率は、７０％以上であることを特徴とする請求項１及び２のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
前記フレネル構造部は、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
５°≦ａ≦２５°    …    （２）
【請求項５】
前記フレネル構造部は、角部にＲ形状部を有し、
前記Ｒ形状部の幅をＡとし、前記Ｒ形状部の曲率半径をＢをしたときに、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
Ａ≦１０μｍ    …    （３）
５μｍ≦Ｂ≦２０μｍ    …    （４）
【請求項６】
前記表示スクリーンは、平板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項７】
前記表示スクリーンは、移動体のウインドシールドに固定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フレネル素子が組み込まれ、虚像を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。
【背景技術】
【０００２】
フォークリフトや重機などの産業機械において、安全運転支援システムとしてヘットアップディスプレイを搭載したいという要望がある。現存のシステムでは、ＬＣＤを作業者の視界を妨げないコントロールパネル付近に設置し、情報を表示したＬＣＤを確認するシステムとなっているが、ＬＣＤに表示された情報を確認するためには作業者の大きな視線移動や焦点移動が必要となり、作業者の身体的な負担を大きくしているという課題がある。ヘッドアップディスプレイを用いることで、作業者は通常作業時から大きな視線移動と焦点移動とをすることなく情報を確認することができるため作業者の身体的な負担も少なく、必要な情報をリアルタイムで確認することも可能となる。
【０００３】
ヘッドアップディスプレイでは、凹面鏡の機能を持つ表示スクリーンと、情報を表示する描画デバイスとによって作られる虚像を作業者が確認できる。虚像のＦＯＶ（視野角）を広くしようとすると、表示スクリーンのサイズや曲率が大きくなり、表示スクリーンの存在感が増してしまう。また、産業機械では作業者の安全性（衝突回避）や作業性（視界確保）の観点から、表示スクリーンや描画デバイスなどを配置できるスペースが限られるが、フレネル構造を内部に持つ平板状の表示スクリーンを用いることで、作業者の安全性と作業性とを確保でき、表示スクリーンの存在感を軽減したヘッドアップディスプレイ装置とすることができる。しかしながら、表示スクリーンの内部にフレネル構造を有するため、屋外使用時に太陽などの高輝度光源からの光が様々な位置から入射することを想定した場合、光源からの光が表示スクリーンに映り込むおそれがある。
【０００４】
ヘッドアップディスプレイとして、例えば、表示像を構成する光を射出する光源部と、フロントガラスの傾斜方向と同じ方向に配置された光学素子とを備え、表示像を構成する光を光学素子で反射することで当該表示像を虚像として視認できるものが公知となっている（特許文献１）。上記光学素子は、平板内にフレネル構造のハーフミラーを有し、当該ハーフミラーによって光源部からの光を反射している。しかしながら、特許文献１のヘッドアップディスプレイでは、上記光学素子のフレネル構造の機能面と非機能面とのなす角が９０°以下であり、高輝度光源からの光が様々な位置から入射することを想定した場合、高輝度光源からの光が表示スクリーンに映り込むという課題が残る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０４１６８９号
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、高輝度光源からの光が表示スクリーンに映り込むことを軽減する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。
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明にかかるヘッドアップディスプレイ装置は、描画デバイスと、描画デバイスからの光を反射する表示スクリーンとを備え、表示スクリーンは、機能面と非機能面とを有するフレネル構造部を内部に持ち、機能面と非機能面とにはハーフミラーコートがコーティングされ、フレネル構造部の機能面の基準となる形状は、曲面であり、フレネル構造部は、表示スクリーンの表面に対する機能面の傾きをａとし、機能面と非機能面とのなす角をｂとしたときに、以下の条件式を満たす。
１８０°−３・ａ＜ｂ＜１８０°−０．５・ａ    …    （１）
ここで、フレネル構造部の機能面の基準となる形状である曲面は、例えば自由曲面又は軸対称非球面の一部を含む。
【０００８】
上記ヘッドアップディスプレイによれば、条件式（１）の値ｂが上限値を越えた場合、機能面の面積が狭くなりすぎてしまい、虚像の輝度や解像度の低減を招いてしまう。一方、条件式（１）の値ｂが下限値よりも小さい場合、高輝度光源が表示スクリーンに映り込む範囲を限定することができない。条件式（１）の値ｂが上記範囲を満たすことにより、虚像のＦＯＶが広くても作業者の安全性と作業性とを確保でき、高輝度光源からの光が表示スクリーンに映り込む範囲を特定位置に制限し、かつ表示スクリーンの表面で生じるゴーストを軽減することができる。
【０００９】
本発明の具体的な１つの側面では、上記ヘッドアップディスプレイ装置において、フレネル構造部の機能面の基準となる形状は自由曲面である。この場合、高倍率の光学系が可能となり、高い光学特性（解像度や目の位置をずらしたときの像歪み）を維持したまま、虚像のＦＯＶを広くすることができる。
【００１０】
本発明の別の側面では、表示スクリーンの透過率は、７０％以上である。この場合、虚像を表示スクリーンに表示させつつ、外界像も十分に視認可能な状態とすることができ、作業の安定性を維持することができる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、フレネル構造部は、以下の条件式を満たす。
５°≦ａ≦２５°    …    （２）
条件式（２）の値ａを下限値以上とすることで、表示スクリーン表面で発生するゴースト（スクリーンの表面反射による虚像）を回避することができ、条件式（２）の値ａを上限値以下とすることで、虚像の光学特性を良好にすることができる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、フレネル構造部は、角部にＲ形状部を有し、Ｒ形状部の幅をＡとし、Ｒ形状部の曲率半径をＢとしたときに、以下の条件式を満たす。
Ａ≦１０μｍ    …    （３）
５μｍ≦Ｂ≦２０μｍ    …    （４）
条件式（３）及び（４）の範囲を満たすことにより、屋外使用時に太陽などの高輝度光源からの光がフレネル構造部の角部に入射することで発生するゴーストを軽減することができる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、表示スクリーンは、平板である。ここで、平板は、平面を有するものに限らず、曲面を有していてもよく、例えば曲率半径をＥとして、｜Ｅ｜＞１０００ｍｍであればよい。この場合、表示スクリーンをフラットなウインドシールドに近づけることが容易になったり、表示スクリーン自体を目立たないものとしたりできる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、表示スクリーンは、移動体のウインドシールドに固定されている。この場合、ウインドシールドが表示スクリーンの支持体として機能し、表示スクリーンの周囲に配置される遮光体を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（Ａ）は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を移動体に搭載した状態を示す側面図であり、（Ｂ）は、移動体の正面図である。
【図２】ヘッドアップディスプレイ装置の構成例を説明する概念的な側面図である。
【図３】（Ａ）は、表示スクリーンとしての第１のフレネル素子の正面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の第１のフレネル素子のＡ−Ａ’矢視拡大断面図であり、（Ｃ）及び（Ｄ）は、（Ｂ）に示すフレネル素子の断面構造の変形例である。
【図４】（Ａ）は、表示スクリーンとしての第２のフレネル素子の正面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の第２のフレネル素子のＡ−Ａ’矢視拡大断面図である。
【図５】（Ａ）は、実施例１の虚像投影光学系の側面投影図であり、（Ｂ）は、実施例１の虚像投影光学系による虚像の形成を説明する側面投影図である。
【図６】実施例１の虚像投影光学系における外界からの光線が表示スクリーンを経由してアイボックスまで到達する光路を説明する図である。
【図７】比較例１の虚像投影光学系における外界からの光線が表示スクリーンを経由してアイボックスまで到達する光路を説明する図である。
【図８】比較例２の虚像投影光学系における外界からの光線が表示スクリーンを経由してアイボックスまで到達する光路を説明する図である。
【図９】（Ａ）は、実施例２の虚像投影光学系の側面投影図であり、（Ｂ）は、実施例２の虚像投影光学系のｘｚ平面投影図である。
【図１０】（Ａ）は、実施例２の虚像投影光学系による虚像の形成を説明する側面投影図であり、（Ｂ）は、実施例２の虚像投影光学系による虚像の形成を説明するｘｚ平面投影図である。
【図１１】実施例２の虚像投影光学系における外界からの光線が表示スクリーンを経由してアイボックスまで到達する光路を説明する図である。
【図１２】第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の表示スクリーンを説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の第１実施形態について説明する。
【００１７】
図１（Ａ）及び１（Ｂ）は、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を搭載した移動体の側面図及び正面図である。ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置１００は、移動体２であるフォークリフトに搭載されており、第１虚像投影光学系１０Ａと第２虚像投影光学系１０Ｂとを備える。第１虚像投影光学系１０Ａは、第１描画ユニット１１と第１表示スクリーン２１とを備え、第２虚像投影光学系１０Ｂは、第２描画ユニット１２と第２表示スクリーン２２とを備える。第１及び第２虚像投影光学系１０Ａ，１０Ｂは、描画ユニット１１，１２中の後述する描画デバイスに表示されている画像情報を、表示スクリーン２１，２２を介して運転者（観察者）ＤＲに虚像表示するものである。なお、図１に示すヘッドアップディスプレイ装置１００は２つの虚像投影光学系を備えているが、単独で用いても良い。
【００１８】
移動体２は、正面側のフレーム２ｆに挟まれた状態でフレーム２ｆに支持されたウインドシールド８を有し、上部にルーフ部２ｔを有する。ウインドシールド８の下部内側には、ハンドル等を含む操作部２ｄが配置され、運転者ＤＲによる移動体２の操縦を可能にしている。なお、移動体２は、フォークリフトとして、チルト可能なマスト３ａや、マスト３ａに支持されて昇降するフォーク３ｂを有する。
【００１９】
第１虚像投影光学系１０Ａのうち第１描画ユニット１１は、ウインドシールド８と操作部２ｄとの間に設置されて操作部２ｄ側に固定されており、運転関連情報や危険信号等を含む画像に対応する表示光ＨＫ１を、半透過性を有する第１表示スクリーン２１に向けて射出する。第１表示スクリーン２１は、ウインドシールド８に直接固定されている。これにより、ウインドシールド８が第１表示スクリーン２１の支持体として機能し、第１表示スクリーン２１の周囲に配置される遮光体を少なくすることができる。第１表示スクリーン２１は、コンバイナーとも呼ばれ、半透過性を有する平板状のフレネル素子又はフレネルミラーである。これにより、第１表示スクリーン２１をフラットなウインドシールド８に近づけることが容易になったり、第１表示スクリーン２１自体を目立たないものとしたりできる。なお、平板は、平面を有するものに限らず、曲面を有していてもよく、例えば曲率半径をＥとして、｜Ｅ｜＞１０００ｍｍであればよい。第１表示スクリーン２１又はその有効領域は、矩形の輪郭を有し、横長である。つまり、第１表示スクリーン２１又はその有効領域は、縦のＶＹ方向よりも横のＶＸ方向に関して大きなサイズを有する。第１表示スクリーン２１によって所定の反射角で反射された表示光ＨＫ１は、運転席６に座った運転者ＤＲの瞳ＰＵに導かれる。
【００２０】
第２虚像投影光学系１０Ｂのうち第２描画ユニット１２は、ウインドシールド８とルーフ部２ｔとの境界の窪みに設置されてルーフ部２ｔに固定されており、運転関連情報や危険信号等を含む画像に対応する表示光ＨＫ２を、半透過性を有する第２表示スクリーン２２に向けて射出する。第２表示スクリーン２２は、支持部材１４等を利用してウインドシールド８に固定されている。第２表示スクリーン２２は、コンバイナーとも呼ばれ、半透過性を有する平板状のフレネル素子又はフレネルミラーである。第２表示スクリーン２２又はその有効領域は、矩形の輪郭を有し、横長である。つまり、第２表示スクリーン２２又はその有効領域は、縦のＶＹ方向よりも横のＶＸ方向に関して大きなサイズを有する。第２表示スクリーン２２によって所定の反射角で反射された表示光ＨＫ２は、運転席６に座った運転者ＤＲの瞳ＰＵに導かれる。
【００２１】
図２に示すように、第１虚像投影光学系１０Ａの第１表示スクリーン２１で反射された表示光ＨＫ１は、運転者ＤＲの瞳ＰＵ及びその周辺位置に対応するアイボックスＥＢに導かれる。一方、運転者ＤＲは、第１表示スクリーン２１を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を観察することができる。結果的に、運転者ＤＲは、第１表示スクリーン２１の背後の外界像に重ねて、第１表示スクリーン２１での表示光ＨＫ１の反射によって形成される運転関連情報や危険信号等を含む表示像（虚像）ＩＭ１を観察することができる。第１表示スクリーン２１は、横方向に延びる鉛直平面であるＶＸ−ＶＹ平面に対して−ＶＸ側の横方向から見て時計方向に傾斜して配置されている。つまり、第１表示スクリーン２１は、上端側でアイボックスＥＢに近づくように鉛直のＶＺ方向に対して内側に傾斜している。第１表示スクリーン２１は、第１描画ユニット１１に対して縦のＶＹ方向も異なる位置に配置されているが、横のＶＸ方向には殆ど同じ位置に配置されている。第１表示スクリーン２１は、全体として正のパワーを有し、凹面鏡と同様に機能する。
【００２２】
第２虚像投影光学系１０Ｂの第２表示スクリーン２２で反射された表示光ＨＫ２は、運転者ＤＲの瞳ＰＵ及びその周辺位置に対応するアイボックスＥＢに導かれる。一方、運転者ＤＲは、第２表示スクリーン２２を透過した外界光又は外界像を観察することができる。結果的に、運転者ＤＲは、第２表示スクリーン２２の背後の外界像に重ねて、第２表示スクリーン２２での表示光ＨＫ２の反射によって形成される運転関連情報等を含む表示像（虚像）ＩＭ２を観察することができる。第２表示スクリーン２２は、横方向に延びる鉛直平面であるＶＸ−ＶＹ平面に対して略平行な方向に延びるように配置されている。ただし、第２表示スクリーン２２は、第２描画ユニット１２に対して縦のＶＹ方向だけでなく横のＶＸ方向にも異なる位置に配置されている。第２表示スクリーン２２は、全体として正のパワーを有し、凹面鏡と同様に機能する。
【００２３】
以上において、第２表示スクリーン２２は、第２表示スクリーン２２の上端部ＴＥでウインドシールド８に直接固定され、下端部ＢＥで支持部材１４を介してウインドシールド８に間接的に固定されている。ここで、第２表示スクリーン２２が鉛直方向に延びる鉛直平面であるＶＸ−ＶＹ平面に対して略平行な方向に延びるように配置されているので、第２表示スクリーン２２の上端部ＴＥが目立たない状態となっている。つまり、第２表示スクリーン２２の上端部ＴＥは、一定の幅を有し、これに対して垂直な方向から所定以上上側に傾いた方向から見た場合、ある角度幅を有して目立った状態となる。しかしながら、第２表示スクリーン２２が鉛直平面であるＶＸ−ＶＹ平面に対して略平行な方向に延びるように配置されていれば、第２表示スクリーン２２の上端部ＴＥが一定の幅を有していても比較的目立ちにくいものとなる。
【００２４】
第１描画ユニット１１は、描画デバイス１１ａと照明部１１ｂと表示駆動回路１１ｃとを備える。描画デバイス１１ａは、２次元的な表示面１１ｓを有する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）である。表示面１１ｓに形成された像からの表示光ＨＫ１は、直進して第１表示スクリーン２１に入射する。ここで、描画デバイス１１ａすなわち表示面１１ｓは、縦のＶＹ方向よりも横のＶＸ方向に関して大きなサイズを有する。図２に示す照明部１１ｂは、描画デバイス１１ａを背後から照明する光を射出するＬＥＤその他の光源を有する。表示駆動回路１１ｃは、描画デバイス１１ａに表示動作を行わせる。なお、描画デバイス１１ａからの表示光ＨＫ１を第１表示スクリーン２１に効率良く入射させるため、照明部１１ｂから射出させる照明光の角度分布を調整することができ、或いは描画デバイス１１ａの射出面に表示光ＨＫ１の角度分布を画素単位又は全体で調整する光学素子を配置することができる。以上では、描画デバイス１１ａとして、ＬＣＤを用いる例を説明したが、他の種類の表示素子、例えば有機ＥＬ等の自発光型の表示素子、ＤＭＤやＬＣＯＳ等の反射型の表示素子と、投射レンズ及び拡散板とを組み合わせた光学系を用いることができる。また、描画デバイス１１ａとして、また、描画デバイス１１ａとして、上記のような反射型の素子の代わりに、ＭＥＭＳと拡散板とを組み合わせた光学系を利用した走査型の映像素子を用いてもよい。
【００２５】
第２描画ユニット１２は、描画デバイス１２ａと照明部１２ｂと表示駆動回路１２ｃとを備える。描画デバイス１２ａは、２次元的な表示面１２ｓを有する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）である。表示面１２ｓに形成された像からの表示光ＨＫ２は、直進して第２表示スクリーン２２に入射する。ここで、描画デバイス１２ａすなわち表示面１２ｓは、縦のＶＹ方向よりも横のＶＸ方向に関して大きなサイズを有する。図２に示す照明部１２ｂは、描画デバイス１２ａを背後から照明する光を射出するＬＥＤその他の光源を有する。表示駆動回路１２ｃは、描画デバイス１２ａに表示動作を行わせる。なお、描画デバイス１２ａからの表示光ＨＫ２を第２表示スクリーン２２に効率良く入射させるため、照明部１２ｂから射出させる照明光の角度分布を調整することができ、或いは描画デバイス１２ａの射出面に表示光ＨＫ２の角度分布を画素単位又は全体で調整する光学素子を配置することができる。描画デバイス１２ａとして、第１描画ユニット１１の場合と同様に、自発光型の表示素子、或いは反射型の表示素子と、投射レンズ及び拡散板とを組み合わせた光学系を用いることができる。また、描画デバイス１２ａとして、ＭＥＭＳと拡散板とを組み合わせた光学系を利用した走査型の映像素子を用いてもよい。
【００２６】
図３（Ａ）及び３（Ｂ）に示すように、第１表示スクリーン２１は、フレネル素子（フレネルミラー）５０となっている。フレネル素子５０は、円弧状のぎざぎざの突起が略所定のピッチＰ１で一方向に繰り返し形成されたフレネル構造部５１を有している。フレネル構造部５１は、軸外し型又は偏芯型のパターンを有している。具体的には、図示のフレネル構造部５１は、輪帯を構成する個々の弧の法線が全体として略下方向に向かうように配置されている。フレネル構造部５１は、円弧状の光学面５１ａと、平坦な段差面５１ｂとを有する。光学面５１ａは、機能面に相当し、段差面５１ｂは、非機能面に相当する。機能面は、例えば曲面を表す所定の関数を与えられている面であり、それ以外は非機能面となっている。光学面５１ａは、基準となる凹形状の自由曲面に基づいて形成されている。つまり、自由曲面の光学原点からの高さを参照して複数の帯状領域に分割し複数の光学面５１ａに振り分けている。光学面５１ａの基準となる形状を自由曲面とすることにより、高倍率の光学系が可能となり、高い光学特性（解像度や目の位置をずらしたときの像歪み）を維持したまま、虚像のＦＯＶを広くすることができる。フレネル構造部５１は、例えば、フレネル構造部５１の高さを同じにして自由曲面に応じたフレネル構造部５１のピッチＰ１を決定したり、フレネル構造５１のピッチＰ１を同じにしてフレネル構造部５１の高さを決定したりできる。また、フレネル構造部５１の高さ（段差面５１ｂの第１表示スクリーン２１の厚さ方向の長さ）については、１００μｍ以下であることが好ましい。
【００２７】
図４（Ａ）及び４（Ｂ）に示すように、第２表示スクリーン２２は、フレネル素子（フレネルミラー）１５０となっている。フレネル素子１５０は、円弧状のぎざぎざの突起が略所定のピッチＰ２で一方向に繰り返し形成されたフレネル構造部１５１を有している。フレネル構造部１５１は、軸外し型又は偏芯型のパターンを有している。具体的には、図示のフレネル構造部１５１は、輪帯を構成する個々の弧の法線が全体として右上方向に向かうように配置されている。フレネル構造部１５１は、円弧状の光学面５１ａと、平坦な段差面５１ｂとを有する。第１表示スクリーン２１と同様に、光学面５１ａは、機能面に相当し、段差面５１ｂは、非機能面に相当する。フレネル構造部１５１のピッチＰ２は、例えば場所に応じて変化させることができるが、場所に関わらず一定とすることもできる。また、フレネル構造部１５１の高さ（段差面５１ｂの第２表示スクリーン２２の厚さ方向の長さ）については、１００μｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示すように、フレネル素子５０，１５０は、２枚の基材５３で構成されている。フレネル構造部５１，１５１は、各基材５３の一方の面に設けられており、それらが対向している。フレネル素子５０は、フレネル構造部５１としてハーフミラーコート層からなるハーフミラー５２を有している。つまり、フレネル構造部５１において、光学面５１ａ（機能面）と段差面５１ｂ（非機能面）とには、ハーフミラーコートがコーティングされている。基材５３は、樹脂等で形成され、ハーフミラー５２は、金属や誘電体多層膜で形成される。基材５３の樹脂材料としては、ＵＶ硬化樹脂等が用いられる。ハーフミラー５２における反射率は３０％程度、透過率は７０％程度であることが好ましく、より好ましくは反射率は１０％程度、透過率は９０％程度であることが好ましい。透過率を７０％以上とすることにより、虚像を第１及び第２表示スクリーン２１，２２越しに表示させつつ、外界像も十分に視認可能な状態とすることができ、作業の安定性を維持することができる。図３（Ｃ）に示すように、ハーフミラー５２を有していない一方の基材１５３は平面板でもよいが、その場合には、ハーフミラー５２と反対側の基材１５３との間を略同一の屈折率（境界での反射率が波長５３０ｎｍの光において０．１％以下）を有する媒質５４、具体的にはＵＶ硬化樹脂等で満たす。結果的に、図３（Ｃ）に示すハーフミラー５２は、略同一の屈折率を有する一対の基材５３，１５３で挟まれている状態となっている。これにより、虚像を視認できるだけでなく、フレネル素子５０，１５０を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を歪みのない透過像として視認できる。また、フレネル素子５０，１５０の表面には、反射防止コートを形成することができる。反射防止コートは、誘電体多層膜で形成され、下地としてハードコート層を含むものであってもよい。
【００２９】
また、図３（Ｄ）に示すように、フレネル素子５０，１５０の表面にＰＥＴシート５５を設けてもよく、ＰＥＴシート５５の表面には反射防止コートがコーティングされていてもよい。なお、ＰＥＴシート５５の代わりに、アクリルシート、ＰＣシート、ＣＯＰシートなどを用いてもよい。
【００３０】
フレネル構造部５１，１５１の機能面である光学面５１ａは、自由曲面であり、非機能面である段差面５１ｂによって所定の厚みを有する平板面内に収められているが、段差面５１ｂを除いた場合、連続的に延びる曲面からなり、全体としてアイボックスＥＢ側に凹とされた自由曲面の一部となる。
【００３１】
図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示すように、フレネル構造部５１，１５１は、第１及び第２表示スクリーン表面ＳＡ１に対する光学面５１ａ（機能面）の傾きをａとし、光学面５１ａと段差面５１ｂ（非機能面）とのなす角をｂとしたときに、以下の条件式を満たす。
１８０°−３・ａ＜ｂ＜１８０°−０．５・ａ    …    （１）
ここで、光学面５１ａの傾きａは、第１及び第２表示スクリーン表面ＳＡ１に対して９０°以下の小さい方の角度である。
【００３２】
条件式（１）の値ｂが上限値を越えた場合、光学面５１ａ（機能面）の面積が狭くなりすぎてしまい、虚像の輝度や解像度の低減を招いてしまう。一方、条件式（１）の値ｂが下限値よりも小さい場合、詳細は後述するが、高輝度光源が第１及び第２表示スクリーン２１，２２に映り込む範囲を限定することができない。
【００３３】
また、フレネル構造部５１，１５１は、以下の条件式を満たす。
５°≦ａ≦２５°    …    （２）
条件式（２）の値ａを下限値以上とすることで、第１及び第２表示スクリーン表面ＳＡ１で発生するゴースト（第１及び第２表示スクリーン２１，２２の表面反射による虚像）を回避することができ、条件式（２）の値ａを上限値以下とすることで、虚像の光学特性を良好にすることができる。
【００３４】
図２に示すように、表示制御装置１８は、第１及び第２虚像投影光学系１０Ａ，１０Ｂに画像信号や制御信号を出力し、第１及び第２虚像投影光学系１０Ａ，１０Ｂを個別に動作させることにより、第１及び第２表示スクリーン２１，２２の背後に表示像ＩＭ１，ＩＭ２を表示させる。
【００３５】
以上において、ヘッドアップディスプレイ装置１００は、２つの表示用光学系、つまり第１及び第２虚像投影光学系１０Ａ，１０Ｂを含むが、第１及び第２虚像投影光学系１０Ａ，１０Ｂのいずれか一方のみを組み込むこともできる。
【００３６】
以上で説明したヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置１００によれば、フレネル構造部５１の機能面である光学面５１ａと非機能面である段差面５１ｂとのなす角ｂが条件式（１）の範囲を満たすことにより、虚像のＦＯＶが広くても運転者（作業者）ＤＲの安全性と作業性とを確保でき、高輝度光源からの光が第１表示スクリーン２１に映り込む範囲を特定位置に制限し、かつ第１表示スクリーン２１の表面で生じるゴーストを軽減することができる。
【００３７】
〔実施例〕
以下、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置１００の具体的な実施例について説明する。以下に示す実施例のデータにおいて、Ｓｉ（ｉ＝０，１，２，３，…）は、表示像（虚像）を形成する虚像面側から数えてｉ番目の面（表示像の虚像面を第０番目の面とする）を示している。虚像面に対応する第０面Ｓ０に続く第１面Ｓ１は、仮想的な面であり、第３面Ｓ３は、瞳ＰＵに相当する。
【００３８】
虚像投影光学系１０Ａ，１０Ｂを構成する各面Ｓｉの配置は、面頂点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度（ＡＤＥ，ＢＤＥ，ＣＤＥ）とでそれぞれ特定される。各面Ｓｉの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表されている（単位はｍｍ）。ここで、グローバルな座標軸ｘは、図２に示すＶＸ軸に平行又は略平行に設定され、グローバルな座標軸ｙは、図２に示すＶＹ軸に平行又は略平行に設定され、グローバルな座標軸ｚは、図２に示すＶＺ軸に平行又は略平行に設定される。また、各面Ｓｉの傾きは、その面頂点を中心として、Ｘ軸回りのＡＤＥ又は回転角度（α回転）、Ｙ軸回りのＢＤＥ又は回転角度（β回転）、及びＺ軸回りのＣＤＥ又は回転角度（γ回転）で表されている。なお、回転角度の単位は、°であり、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の正方向から見て反時計回りの方向が、Ｘ軸回転又はα回転、Ｙ軸回転又はβ回転、及びＺ軸回転又はγ回転の回転角度の正方向とする。また、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は、瞳ＰＵ又は瞳面（Ｓ３）のローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と一致した絶対座標系になっている。すなわち、各面Ｓｉの配置データは、瞳面中心を原点としたグローバル座標系で表現される。なお、瞳面（Ｓ３）では、コンバイナー２０から瞳ＰＵに向かう方向が＋Ｚ方向又は＋ｚ方向であり、瞳ＰＵに対して上方向が＋Ｙ方向又は＋ｙ方向であり、瞳ＰＵに対して右方向が＋Ｘ方向又は＋ｘ方向である。
【００３９】
各実施例において、第１及び第２表示スクリーン２１，２２内のハーフミラー５２は、自由曲面であり、その自由曲面形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にＺ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをＸ，Ｙとして以下の「数１」で表す。
〔数１〕
2020154069.tif 000003
ただし、
ｃ  ：頂点曲率（ｃ＝１／Ｒ）
ｋ  ：円錐定数
Ｃｊ：ＸｍＹｎの係数
Ｒ  ：Ｙ曲率半径
【００４０】
〔実施例１〕
以下、実施例１の光学系について説明する。実施例１の光学系は、第１虚像投影光学系１０Ａに対応するものである。実施例１の虚像投影光学系の基本的な仕様を以下の表１に示す。
〔表１〕
2020154069.tif 000004
【００４１】
実施例１の光学面等のデータを以下の表２に示す。
〔表２〕
2020154069.tif 000005
【００４２】
以下の表３は、実施例１のハーフミラー部分の面データを示す。実施例１のハーフミラー部分は、第１表示スクリーン２１のハーフミラー５２に相当する。表中の「＊」は積を表し、「＾」はべき乗条を表すものとする（以降の実施例も同様）。
〔表３〕
2020154069.tif 000006
【００４３】
図５（Ａ）は、実施例１の第１虚像投影光学系の側面投影図（ｙｚ平面投影図）を示す。図５（Ｂ）は、実施例１の第１虚像投影光学系による虚像の投影を説明する側面投影図である。
【００４４】
図６は、実施例１の第１虚像投影光学系における外界からの光線が第１表示スクリーン２１を経由してアイボックスＥＢまで到達する光路を説明する図である。図６の下方に示す光線の状態は、図６の上方に例示するパターンの第１表示スクリーン２１を透過又は反射する光線Ｌ０と光線Ｌ１とについてアイボックスＥＢに入射する光をトレースしたものである（他の実施例及び比較例についても同様）。なお、図６において、光線Ｌ０は、ゴースト光の中で最も水平方向に近い光線を示し、光線Ｌ１の光路と一部共通する。本実施例において、第１表示スクリーン表面ＳＡ１に対する光学面５１ａ（機能面）の傾きａは、７°であり、光学面５１ａと段差面５１ｂ（非機能面）とのなす角ｂは、１６２°であり、条件式（１）及び（２）を満たしている。
【００４５】
図６に示すように、外界（具体的には、移動体２の前方の領域ＡＲ１）からアイボックスＥＢに入射する光線Ｌ０と光線Ｌ１とは、第１表示スクリーン２１に設けられたフレネル構造部５１によって図６に示す範囲ＢＲ１に制限される。これにより、高輝度光源等からの光が第１表示スクリーン２１に映り込む範囲が制限され、結果的に高輝度光源等に起因するゴーストが軽減される。
【００４６】
〔比較例１〕
図７は、比較例１の虚像投影光学系における外界からの光線が第１表示スクリーン１２１を経由してアイボックスＥＢまで到達する光路を説明する図である。本比較例において、表示スクリーン表面ＳＡ１に対する光学面５１ａ（機能面）の傾きａは、７°であり、光学面５１ａと段差面５１ｂ（非機能面）とのなす角ｂは、８３°であり、条件式（１）の範囲外となっている。
【００４７】
図７に示すように、外界（具体的には、移動体２の前方の領域ＡＲ１や移動体２の後方の領域ＡＲ２）からアイボックスＥＢに入射する光線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は、比較例１の表示スクリーン１２１に設けられたフレネル構造部５１で透過又は反射され、外界の比較的広い領域（図７に示す範囲ＢＲ３，ＢＲ４）からの光が表示スクリーン１２１に映り込むこととなり、高輝度光源等に起因するゴーストの原因となる。なお、図７において、光線Ｌ４は、ゴースト光の中で最も水平方向に近い光線を示し、光線Ｌ３の光路と一部共通する。
【００４８】
〔比較例２〕
図８は、比較例２の虚像投影光学系における外界からの光線が第１表示スクリーン２２１を経由してアイボックスＥＢまで到達する光路を説明する図である。本比較例において、表示スクリーン表面ＳＡ１に対する光学面５１ａ（機能面）の傾きａは、７°であり、光学面５１ａと段差面５１ｂ（非機能面）とのなす角ｂは、１５５°であり、条件式（１）の範囲外となっている。
【００４９】
図８に示すように、外界（具体的には、移動体２の前方の領域ＡＲ１や移動体２の後方の領域ＡＲ２）からアイボックスＥＢに入射する光線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は、比較例２の表示スクリーン２２１に設けられたフレネル構造部５１で透過又は反射され、外界の比較的広い領域（図８に示す範囲ＢＲ３，ＢＲ４）からの光が表示スクリーン２２１に映り込むこととなり、高輝度光源等に起因するゴーストの原因となる。なお、図８において、光線Ｌ４は、ゴースト光の中で最も水平方向に近い光線を示し、光線Ｌ３の光路と一部共通する。
【００５０】
〔実施例２〕
以下、実施例２の光学系について説明する。実施例２の光学系は、第２虚像投影光学系１０Ｂに対応するものである。実施例２の虚像投影光学系の基本的な仕様を以下の表４に示す。
〔表４〕
2020154069.tif 000007
【００５１】
実施例２の光学面等のデータを以下の表５に示す。
〔表５〕
2020154069.tif 000008
【００５２】
以下の表６は、実施例２のハーフミラー部分の面データを示す。実施例２のハーフミラー部分は、第２表示スクリーン２２のハーフミラー５２に相当する。
〔表６〕
2020154069.tif 000009
【００５３】
図９（Ａ）は、実施例２の虚像投影光学系の側面投影図（ｙｚ平面投影図）を示し、図９（Ｂ）は、実施例２の虚像投影光学系のｘｚ平面投影図を示す。
【００５４】
図１０（Ａ）は、実施例２の虚像投影光学系による虚像の投影を説明する側面投影図であり、図９（Ａ）に対応し、図１０（Ｂ）は、実施例２の虚像投影光学系による虚像の投影を説明するｘｚ平面投影図であり、図９（Ｂ）に対応する。
【００５５】
図１１は、実施例２の第２虚像投影光学系における外界からの光線が第１表示スクリーン２２を経由してアイボックスＥＢまで到達する光路を説明する図である。本実施例において、第２表示スクリーン表面ＳＡ１に対する光学面５１ａ（機能面）の傾きａは、２０°であり、光学面５１ａと段差面５１ｂ（非機能面）とのなす角ｂは、１４０°であり、条件式（１）及び（２）を満たしている。
【００５６】
図１１に示すように、外界（具体的には、移動体２の前方の領域ＡＲ１や移動体２の後方の領域ＡＲ２）からアイボックスＥＢに入射する光線Ｌ１，Ｌ２は、第２表示スクリーン２２に設けられたフレネル構造部１５１によって図１１に示す範囲ＢＲ１，ＢＲ２に制限される。これにより、高輝度光源等からの光が第２表示スクリーン２２に映り込む範囲が制限され、結果的に高輝度光源等に起因するゴーストが軽減される。また、領域ＡＲ２からアイボックスＥＢに入射する光線Ｌ２は、領域ＡＲ２側に第２描画ユニット１２を配置するため、第２描画ユニット１２で遮られた分だけ外界光の映り込みがさらに軽減する。
【００５７】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置について説明する。なお、第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。
【００５８】
本実施形態において、図１２（Ａ）に示すように、第２表示スクリーン２２の第２フレネル構造部１５１は、角部５１ｃにＲ形状部を有している。なお、第１表示スクリーン２１の第１フレネル構造部５１にも角部を設けてもよい。第２フレネル構造部１５１は、Ｒ形状部の幅をＡとし、Ｒ形状部の曲率半径をＢとしたときに、以下の条件式を満たす。
Ａ≦１０μｍ    …    （３）
５μｍ≦Ｂ≦２０μｍ    …    （４）
条件式（３）及び（４）の範囲を満たすことにより、屋外使用時に太陽などの高輝度光源からの光ＴＫが第２フレネル構造部１５１の角部５１ｃに入射することで発生するゴーストを軽減することができる。
【００５９】
図１２（Ａ）に示すように、第２フレネル構造部１５１の角部５１ｃが、条件式（３）及び（４）を満たす場合、曲率半径Ｂが小さく、その範囲が狭い角部５１ｃに入射した光束は、大きく広がった状態でそれぞれ運転者ＤＲに到達する。運転者ＤＲにとって、条件式（３）及び（４）を満たす角部５１ｃからの光は非常に弱く、線状のゴーストはほとんど確認できない。
【００６０】
図１２（Ｂ）に示すように、第２フレネル構造部１５１の角部５１ｃが、条件式（３）及び（４）を満たさない場合、曲率半径Ｂが大きく、その範囲が広い角部５１ｃに入射した光束は、比較的狭い範囲に広がった状態でそれぞれ運転者ＤＲに到達する。運転者ＤＲにとって、条件式（３）及び（４）を満たす角部５１ｃからの光は比較的強く、線状のゴーストとして視認される。
【００６１】
以上では、具体的な実施形態としてのヘッドアップディスプレイ装置について説明したが、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、上記のものには限られない。例えば、第１及び第２表示スクリーン２１，２２の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。
【００６２】
また、上記実施形態において、フレネル構造部５１，１５１のパターンは第１及び第２虚像投影光学系１０Ａ，１０Ｂの構成に応じて適宜変更することができる。
【００６３】
また、上記実施形態において、第１描画ユニット１１と第１表示スクリーン２１との間に平面ミラーを設けてもよい。また、第２描画ユニット１２と第２表示スクリーン２２との間にも平面ミラーを設けてもよい。
【００６４】
また、上記実施形態において、ウインドシールド８の所定の位置に表示スクリーンを貼り付けてもよいし、ウインドシールド８内に表示スクリーンを埋め込んでもよい。また、表示スクリーンは治具で保持し、その治具はフォークリフトに固定しても良い。さらに、表示スクリーンの配置や傾斜方向も適宜変更することができる。
【００６５】
また、上記実施形態において、フレネル構造部５１の光学面５１ａ（機能面）の基準となる形状を自由曲面としたが、例えば軸対称非球面の一部を含む曲面であってもよい。
【００６６】
また、上記実施形態において、ヘッドアップディスプレイ装置１００をフォークリフトに搭載する例を挙げたが、乗用車等の他の移動体に搭載してもよい。
【符号の説明】
【００６７】
２…移動体、  ８…ウインドシールド、  １０Ａ，１０Ｂ…虚像投影光学系、  １１，１２…描画ユニット、  １１ａ，１２ａ…描画デバイス、  １８…表示制御装置、  ２０…コンバイナー、  ２１，２２，１２１，２２１…表示スクリーン、  ５０，１５０…フレネル素子、  ５１，１５１…フレネル構造部、  ５１ａ…光学面、  ５１ｂ…段差面、  ５１ｃ…角部、  ５２…ハーフミラー、  ５３，１５３…基材、  １００…ヘッドアップディスプレイ装置、  ＤＲ…運転者、  ＥＢ…アイボックス、  ＨＫ１，ＨＫ２…表示光、ＳＡ１…表示スクリーン表面
【図１】
2020154069.tif 000010
【図２】
2020154069.tif 000011
【図３】
2020154069.tif 000012
【図４】
2020154069.tif 000013
【図５】
2020154069.tif 000014
【図６】
2020154069.tif 000015
【図７】
2020154069.tif 000016
【図８】
2020154069.tif 000017
【図９】
2020154069.tif 000018
【図１０】
2020154069.tif 000019
【図１１】
2020154069.tif 000020
【図１２】
2020154069.tif 000021