(57)【要約】【課題】描画デバイスのサイズ増加を抑えつつ虚像のＦＯＶを広くでき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の横方向の焦点距離をｆｘとし、表示スクリーン２１の縦方向の焦点距離をｆｙとして、条件式  ０．５＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９    …    （１）  を満たす。【選択図】図２
2020042135.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の横方向の焦点距離をｆｘとし、前記表示スクリーンの縦方向の焦点距離をｆｙとして、下記の条件式
０．５＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９
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。
【請求項２】
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は、内部にフレネル構造を有し、前記フレネル構造には、ハーフミラーが形成されてい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ことを特徴とする請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項５】
前記表示スクリーンは、鉛直方向に略平行な方向に配置される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。
【請求項６】
前記表示スクリーンは、上端側でアイボックスに近づくように鉛直方向に対して内側に傾斜している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。
【請求項７】
前記表示スクリーンは、上端側でアイボックスから離れるように鉛直方向に対して外側に傾斜している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。
【請求項８】
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５〜７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９】
前記ウインドシールドは、前記鉛直方向に略平行な方向に配置され、又は、上端側でアイボックスに近づくように前記鉛直方向に対して内側に傾斜していることを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１０】
前記表示スクリーンは、凹面鏡であること特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【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。表示スクリーンの曲率をウインドシールドに近づける場合、描画デバイスのサイズを大きくすることで表示スクリーンの存在感を抑えつつ虚像のＦＯＶを広くできるが、描画デバイスが大きくなると作業者の視界を妨げたり、作業者が描画デバイスに衝突したりする可能性が高くなる。
【０００４】
ヘッドアップディスプレイとして、表示像を形成する光源部と、光源部からの光が上方から入射するフレネル構造のハーフミラーとを備え、ハーフミラーがフロントガラスと同じ方向に傾斜しているものが公知となっている（特許文献１）。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、ハーフミラーの配置や姿勢を目立たなくする手法に着目しており、描画デバイスのサイズ増加を抑えつつ虚像のＦＯＶを広くする手法については何ら開示がない。
【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、描画デバイスのサイズ増加を抑えつつ虚像のＦＯＶを広くでき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、表示スクリーンの横方向の焦点距離をｆｘとし、表示スクリーンの縦方向の焦点距離をｆｙとして、下記の条件式
０．５＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９    …    （１）
を満たす。
【０００８】
上記ヘッドアップディスプレイ装置によれば、横方向の焦点距離ｆｘと縦方向の焦点距離ｆｙとの比に関する条件式（１）を満たすので、特に横方向に関して高倍率の光学系が可能となり、広いＦＯＶの虚像が得られるヘッドアップディスプレイ装置ながら、描画デバイスを相対的に小さくすることができる。これにより、描画デバイスを作業者の視界を妨げない位置、かつ、作業者が描画デバイスに衝突することを回避できる位置に配置することが容易になる。
【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、表示スクリーンは、平板である。この場合、表示スクリーンをウインドシールドに近づけることが容易になり、表示スクリーンを目立たないものとできる。
【００１０】
本発明の別の側面では、表示スクリーンは、内部にフレネル構造を有し、フレネル構造には、ハーフミラーが形成されている。この場合、表示スクリーンの光透過性を確保することができ、表示スクリーンの存在感を低減することができる。
【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。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、表示スクリーンは、鉛直方向に略平行な方向に配置される。この場合、観察者にとって表示スクリーンが比較的目立ちにくい。また、表示スクリーンの上端部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。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、表示スクリーンは、上端側でアイボックスに近づくように鉛直方向に対して内側に傾斜している。この場合、観察者にとって表示スクリーンの存在が比較的目立ちにくい。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、表示スクリーンは、上端側でアイボックスから離れるように鉛直方向に対して外側に傾斜している。この場合、表示スクリーンの上端部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。
【００１５】
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できる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、ウインドシールドは、鉛直方向に略平行な方向に配置され、又は、上端側でアイボックスに近づくように鉛直方向に対して内側に傾斜している。この場合、表示スクリーンが鉛直方向の略平行な方向に延び、或いは上端側でアイボックスに近づくように鉛直方向に対して内側に傾斜して延びているとき、表示スクリーンのウインドシールドに対する角度が小さくなり、表示スクリーンの突起を少なくできる。
【００１７】
表示スクリーンは、凹面鏡である。この場合、表示スクリーンを簡易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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、図３（Ａ）の第２のフレネル素子の正面図であり、（Ｃ）は、図３（Ａ）のフレネル素子のＡ−Ａ’矢視拡大断面図であり、（Ｄ）は、図３（Ｃ）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、実施例１の虚像投影光学系の側面投影図（ｙｚ平面投影図）であり、（Ｂ）は、実施例１の虚像投影光学系のｘｚ平面投影図である。
【図５】（Ａ）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ｘｚ平面投影図である。
【図６】（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の虚像投影光学系による虚像の形成を説明する側面投影図である。
【図７】（Ａ）は、比較例１の虚像投影光学系の側面投影図であり、（Ｂ）は、比較例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８】第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の要部の側面投影図である。
【図９】第３実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の要部の側面投影図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、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。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。
【００２３】
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、ウインドシールド８に直接固定されている。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。
【００２４】
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平面に対して略平行な方向に延びるように配置されている。ただし、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（図１（Ｂ）参照）。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。ただし、第１表示スクリーン２１は、その横方向又はＶＸ方向の焦点距離をｆｘとし、その縦方向又はＶＹ方向の焦点距離をｆｙとして、下記の条件式（１）を満たす。
０．５＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９    …    （１）
この場合、第１表示スクリーン２１の横の焦点距離ｆｘが縦の焦点距離ｆｙよりも小さいが、その半分よりも大きい。つまり、第１表示スクリーン２１の横のパワーは、第１表示スクリーン２１の縦のパワーよりも倍程度未満の範囲で大きく、第１表示スクリーン２１の横の倍率は、第１表示スクリーン２１の縦の倍率よりも倍程度未満の範囲で大きい。結果的に、表示像（虚像）ＩＭ１の横方向の倍率は、その縦方向の倍率の２倍程度未満となって、表示像ＩＭ１の横サイズを維持したままで、第１描画ユニット１１又はその像形成素子１１ａのサイズを最大で半分程度に抑えることができ、省スペース化を図ることができる。この場合、表示像（虚像）ＩＭ１の像面が横方向と縦方向とで異なるものとなるが、表示する画像を微細としなければ、運転者ＤＲにとってあまり目立たないものとできる。
【００２５】
第１表示スクリーン２１の焦点距離の縦横比ｆｘ／ｆｙについては、下記の条件式（１）’を満たすことが、非点隔差を抑える観点でより好ましい。
０．６＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９    …    （１）’
【００２６】
なお、第１表示スクリーン２１は、自由曲面であるので、その曲率半径は、近軸で考える。つまり、第１表示スクリーン２１の焦点距離ｆｘ，ｆｙは、描画ユニット１１の中心とアイボックスＥＢの中心とを通る光軸周辺の近軸域で考えて、光線束が最も細くなる位置から焦点距離を決定し、或いは、近軸のサグ量に対してフィッティングを行って焦点距離を決定することができる。焦点距離は、設計時に光学ソフト上で確認することができ、製品については実験的に集光位置を測位することで焦点距離を決定することができる。
【００２７】
以上において、第１表示スクリーン２１は、第１表示スクリーン２１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１表示スクリーン２１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１表示スクリーン２１の上端部ＴＥが目立たない状態となっている。つまり、第１表示スクリーン２１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視た場合、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１表示スクリーン２１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、表示スクリーン２１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。
【００２８】
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−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２表示スクリーン２２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（図１（Ｂ）参照）。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。ただし、第２表示スクリーン２２は、その横方向又はＶＸ方向の焦点距離をｆｘとし、その縦方向又はＶＹ方向の焦点距離をｆｙとして、下記の条件式（１）を満たす。
０．５＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９    …    （１）
つまり、第２表示スクリーン２２も、第１表示スクリーン２１と同様に、横の焦点距離ｆｘが縦の焦点距離ｆｙよりも小さいがその半分よりも大きいものとなっている。
【００２９】
第２表示スクリーン２２の焦点距離の縦横比ｆｘ／ｆｙについては、下記の条件式（１）’を満たすことが、非点隔差を抑える観点でより好ましい。
０．６＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９    …    （１）’
【００３０】
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、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。
【００３１】
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。
【００３２】
図３（Ａ）を参照して、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５１を有している。フレネル構造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５１は、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、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。フレネル構造５１のピッチＰ１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。
【００３３】
図３（Ｂ）を参照して、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１５１を有している。フレネル構造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５１は、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１５１は、円弧状の光学面５１ａと、平坦な段差面５１ｂとを有する。フレネル構造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。
【００３４】
図３（Ｃ）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。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。ハーフミラー５２における反射率は１５％程度、透過率は８５％程度であることが好ましい。ハーフミラー５２を有していない一方の基材５３は平面でもよいが、その場合には、ハーフミラー５２と反対側の基材５３との間を略同一の屈折率を有する媒質で満たす。結果的に、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。
【００３５】
フレネル構造５１，１５１の光学面５１ａは、自由曲面であり、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。
【００３６】
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５４を設けてもよく、ＰＥＴシート５４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。
【００３７】
図２に戻って、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。
【００３８】
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。
【００３９】
以上で説明した第１実施形態のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置１００によれば、横方向又はＶＸ方向の焦点距離ｆｘと縦方向又はＶＹ方向の焦点距離ｆｙとの比に関する上記条件式（１）を満たすので、特に横方向に関して高倍率の光学系が可能となり、広いＦＯＶの虚像が得られるヘッドアップディスプレイ装置１００ながら、描画デバイス１１ａ，１２ａは相対的に小さくすることができる。これにより、描画デバイス１１ａ，１２ａを作業者の視界を妨げない位置、かつ、作業者が描画デバイス１１ａ，１２ａに衝突することを回避できる位置に配置することが容易になる。
【００４０】
〔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。
【００４１】
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。
【００４２】
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〕
2020042135.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
【００４３】
〔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〕
2020042135.tif 000004
【００４４】
実施例１の光学面等のデータを以下の表２に示す。
〔表２〕
2020042135.tif 000005
【００４５】
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〕
2020042135.tif 000006
【００４６】
図４（Ａ）は、実施例１の虚像投影光学系の側面投影図（ｙｚ平面投影図）を示し、図４（Ｂ）は、実施例１の虚像投影光学系のｘｚ平面投影図を示す。
【００４７】
図５（Ａ）は、実施例１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４（Ａ）に対応し、図５（Ｂ）は、実施例１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４（Ｂ）に対応する。
【００４８】
実施例１の虚像投影光学系の場合、横方向又はＶＸ方向の焦点距離ｆｘ＝４８０ｍｍであり、縦方向又はＶＹ方向の焦点距離ｆｙ＝５６６ｍｍであり、ｆｘ／ｆｙ＝０．８５となって、条件式（１）の値ｆｘ／ｆｙは、０．５〜０．９の範囲内にある。
【００４９】
〔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〕
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【００５０】
実施例２の光学面等のデータを以下の表５に示す。
〔表５〕
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【００５１】
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〕
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【００５２】
図６（Ａ）は、実施例２の虚像投影光学系の側面投影図を示す。図６（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側面投影図である。
【００５３】
実施例２の虚像投影光学系の場合、横方向又はＶＸ方向の焦点距離ｆｘ＝４７１ｍｍであり、縦方向又はＶＹ方向の焦点距離ｆｙ＝７６５ｍｍであり、ｆｘ／ｆｙ＝０．６２となって、条件式（１）の値ｆｘ／ｆｙは、０．５〜０．９の範囲内にある。
【００５４】
〔比較例１〕
以下、比較例１の光学系について説明する。比較例１の光学系は、第２虚像投影光学系１０Ｂに対応するが、後述するように条件式（１）を満たさない。比較例１の虚像投影光学系の基本的な仕様を以下の表７に示す。
〔表７〕
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【００５５】
比較例１の光学面等のデータを以下の表８に示す。
〔表８〕
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【００５６】
以下の表９は、比較例１のハーフミラー部分の面データを示す。
〔表９〕
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【００５７】
図７（Ａ）は、比較例１の虚像投影光学系の側面投影図を示す。図７（Ｂ）は、比較例１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る。
【００５８】
比較例１の虚像投影光学系の場合、横方向又はＶＸ方向の焦点距離ｆｘ＝３７９ｍｍであり、縦方向又はＶＹ方向の焦点距離ｆｙ＝７６８ｍｍであり、ｆｘ／ｆｙ＝０．４９となって、条件式（１）の値ｆｘ／ｆｙは、下限値よりも小さい。この場合、詳細な説明を省略するが、ＭＴＦの値と、瞳ＰＵの位置による歪曲とが、実施例１、２に比較して顕著に悪化する。
【００５９】
〔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。
【００６０】
図８に示すように、本実施形態において、ウインドシールド８は、ＶＸ−ＶＹ面に略沿って鉛直方向に略延びており、第１表示スクリーン２２１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反時計方向に僅かに傾斜して配置されている。つまり、図示の第１表示スクリーン２２１は、上端側でアイボックスＥＢから離れるように鉛直のＶＺ方向に対して外側に僅かに傾斜している。この結果、第１表示スクリーン２１の上端部ＴＥが比較的目立ちにくいものとなっている。
【００６１】
本実施形態において、第１表示スクリーン２２１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。ただし、第１表示スクリーン２２１は、その横方向又はＶＸ方向の焦点距離をｆｘとし、その縦方向又はＶＹ方向の焦点距離をｆｙとして、下記の条件式（１）を満たす。
０．５＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９    …    （１）
この場合、第１表示スクリーン２２１の横の焦点距離ｆｘは、縦の焦点距離ｆｙよりも小さいが、その半分よりも大きい。
【００６２】
〔第３実施形態〕
以下、第３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３実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は第１又は第２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。
【００６３】
図９に示すように、本実施形態において、第１表示スクリーン３２１は、アイボックスＥＢ側から見て凹面となっている。つまり、第１表示スクリーン３２１は、非フレネル型の凹面鏡であり、全体として正のパワーを有する。ただし、第１表示スクリーン３２１は、その横方向又はＶＸ方向の焦点距離をｆｘとし、その縦方向又はＶＹ方向の焦点距離をｆｙとして、下記の条件式（１）を満たす。
０．５＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９    …    （１）
この場合、第１表示スクリーン３２１の横の焦点距離ｆｘは、縦の焦点距離ｆｙよりも小さいが、その半分よりも大きい。
【００６４】
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。
【００６５】
また、上記実施形態において、フレネル構造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。
【００６６】
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、凹ミラー、凸ミラー、鞍型ミラーなどの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、凹ミラー、凸ミラー、鞍型ミラーなどのミラーを設けてもよい。
【００６７】
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。
【符号の説明】
【００６８】
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、  １１ｓ，１２ｓ…表示面、  １４…支持部材、  １８…表示制御装置、  ２０…コンバイナー、  ２１，２２，２２１…表示スクリーン、  ５０，１５０…フレネル素子、  ５１，１５１…フレネル構造、  ５２…ハーフミラー、  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、  ＩＭ１，ＩＭ２…表示像
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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