(57)【要約】【課題】ＨＵＤに入射する太陽光による画質の低下を低減する。【解決手段】映像光を被投射部材に投射し、前記被投射部材から前記映像光による虚像を視認するユーザのアイボックスに向けて反射させるヘッドアップディスプレイであって、外装筐体と、外装筐体に形成され、映像光が出射する筐体開口部と、外装筐体に収容され、映像光を形成し出射する映像表示装置と、映像表示装置から筐体開口部に至る映像光の光路上に配置された光学素子と、を備え、光学素子の少なくとも一つの表面は自由曲面で形成され、筐体開口部から入射した太陽光のうち、自由曲面で反射されアイボックスに到達する光束の立体角０．０３度における平均輝度が、映像光の最大輝度に対して１／１０以下の輝度である。【選択図】図４Ｂ
2020034856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像光を被投射部材に投射し、前記被投射部材から前記映像光による虚像を視認するユーザのアイボックスに向けて反射させるヘッドアップディスプレイであって、
外装筐体と、
前記外装筐体に形成され、前記映像光が前記外装筐体から出射する筐体開口部と、
前記外装筐体に収容され、前記映像光を形成し出射する映像表示装置と、
前記映像表示装置から前記筐体開口部に至る前記映像光の光路上に配置された光学素子と、を備え、
前記光学素子の少なくとも一つの表面は自由曲面で形成され、
前記筐体開口部から入射した太陽光のうち、前記自由曲面で反射され前記アイボックスに到達する光束の立体角０．０３度における平均輝度が、前記映像光の最大輝度に対して１／１０以下の輝度である、
ことを特徴するヘッドアップディスプレイ。
【請求項２】
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイにおいて、
前記筐体開口部から入射した太陽光のうち、前記自由曲面で反射され前記アイボックスに到達する立体角０．０３度以上の光束の最大輝度は、１０００Ｎｉｔ以下である、
ことを特徴するヘッドアップディスプレイ。
【請求項３】
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイにおいて、
前記筐体開口部から入射した太陽光のうち、前記自由曲面で反射され前記アイボックスに到達する光束の立体角０．０３度における平均輝度が、前記映像光の最大輝度に対して１／３０以下の輝度である、
ことを特徴するヘッドアップディスプレイ。
【請求項４】
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイにおいて、
前記筐体開口部から入射した太陽光のうち、前記自由曲面で反射され前記アイボックスに到達する立体角０．０３度以上の光束の最大輝度は、３００Ｎｉｔ以下である、
ことを特徴するヘッドアップディスプレイ。
【請求項５】
映像光を被投射部材に投射し、前記被投射部材から前記映像光による虚像を視認するユーザのアイボックスに向けて反射させるヘッドアップディスプレイであって、
外装筐体と、
前記外装筐体に形成され、前記映像光が前記外装筐体から出射する筐体開口部と、
前記外装筐体に収容され、前記映像光を形成し出射する映像表示装置と、
前記映像表示装置から前記筐体開口部に至る前記映像光の光路上に配置された光学素子と、を備え、
前記光学素子の少なくとも一つの表面は自由曲面で形成され、
前記自由曲面の有効エリア内にある任意の点における法線が、前記任意の点から前記アイボックス内に到達する前記映像光の光束で形成される立体角内に含まれない、
ことを特徴するヘッドアップディスプレイ。
【請求項６】
請求項５に記載のヘッドアップディスプレイにおいて、
前記自由曲面の有効エリア内にある任意の点における法線が、前記任意の点から前記アイボックス内に到達する前記映像光の光束で形成される立体角から５度以上乖離している、
ことを特徴するヘッドアップディスプレイ。
【請求項７】
請求項５に記載のヘッドアップディスプレイにおいて、
前記光学素子は前記映像光が透過する屈折素子により形成され、前記屈折素子の屈折率をｎとしたときに、前記屈折素子における前記映像光の入射面における有効エリア内にある任意の点における法線が、前記任意の点から前記アイボックス内に到達する前記映像光の光束で形成される立体角と５／ｎ度以上乖離している、
ことを特徴するヘッドアップディスプレイ。
【請求項８】
請求項１、３、５のいずれか一つに記載のヘッドアップディスプレイにおいて、
前記光学素子は、前記映像光が透過する屈折素子であって、前記自由曲面は前記屈折素子における前記映像光の入射面、又は前記映像光の出射面の少なくとも一つである、
ことを特徴するヘッドアップディスプレイ。
【請求項９】
請求項１、３、５のいずれか一つに記載のヘッドアップディスプレイにおいて、
前記光学素子は、前記映像光を前記筐体開口部に向けて反射する凹面反射ミラーであって、前記自由曲面は前記凹面反射ミラーの反射面である、
ことを特徴するヘッドアップディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘッドアップディスプレイに関し、特にヘッドアップディスプレイに入射する太陽光の影響を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両において、通常は、車速やエンジン回転数等の情報は、ダッシュボード内の計器盤（インパネ）に表示される。また、ナビゲーション等の画面は、ダッシュボード内に組み込まれるか、もしくはダッシュボード上に設置されたディスプレイに表示される。運転者がこれらの情報を視認する場合に視線を大きく移動させることが必要となることから、視線の移動量を低減させる技術として、車速等の情報やナビゲーションに係る誘導指示等の情報をウィンドシールド（フロントガラス）等に投射して表示するヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ  Ｕｐ  Ｄｉｓｐｌａｙ、以下では「ＨＵＤ」と記載する）が知られている。
【０００３】
ＨＵＤに関連する技術として、例えば、特許文献１には、「表示装置は、像を表す表示光を出射する表示器と、表示器から出射された表示光が入射し、入射した表示光を透過させて出射する光学レンズと、光学レンズとフロントガラスとの間に配置される外光反射低減部と、を備える。外光反射低減部は、直線偏光板とλ／４位相差板とを積層してなり、直線偏光板がフロントガラス側となるように配置される円偏光板と、円偏光板のフロントガラス側に配置され、表示光を透過し表示光の波長域以外の光を反射するバンドパスフィルターと、を備えてなる（要約抜粋）」表示装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−２２２３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＨＵＤを自動車のダッシュボードに配置すると、ＨＵＤの筐体内に太陽光が入射する。入射した太陽光は、映像光の光路を逆行して光学素子上で反射し、その反射光が映像光の光路に沿って進行し、自動車の運転者の眼に到達する。その結果、映像光に太陽光の反射光が重畳される事になり、映像光のコントラストの低下を招き虚像の画質低下の要因になる。
【０００６】
特許文献１では、映像光に対しては、λ／４位相差板により円偏光に変換した光を直線偏光板に透過させるので、原理的に光量が半分以下になり、その結果映像光の輝度が半分以下に低下してしまうので、そのままでは映像光が暗くなり認識性が悪くなる。またそれを補うため、ＨＵＤの照明光強度を２倍以上に高めれば良いが、そうする事により、消費電力の増大や光源の発熱量が増大し、ＨＵＤ構成部品が熱的なダメージを受ける等の問題がある。
【０００７】
本発明は上記実情に鑑みたものであり、ＨＵＤの筐体に入射する太陽光による画質の低下を低減するＨＵＤを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、特許請求の範囲に記載の構成を有する。その一例を挙げるならば、映像光を被投射部材に投射し、前記被投射部材から前記映像光による虚像を視認するユーザのアイボックスに向けて反射させるヘッドアップディスプレイであって、外装筐体と、前記外装筐体に形成され、前記映像光が前記外装筐体から出射する筐体開口部と、前記外装筐体に収容され、映像光を形成し出射する映像表示装置と、前記映像表示装置から前記筐体開口部に至る前記映像光の光路上に配置された光学素子と、を備え、前記光学素子の少なくとも一つの表面は自由曲面で形成され、前記筐体開口部から入射した太陽光のうち、前記自由曲面で反射され前記アイボックスに到達する光束の立体角０．０３度における平均輝度が、前記映像光の最大輝度に対して１／１０以下の輝度である、ことを特徴する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＨＵＤの筐体に入射する太陽光による画質の低下を低減するＨＵＤを提供することができる。なお、上記した以外の目的、構成、効果については下記実施形態において明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＨＵＤを搭載した車両の運転座席付近を横から見た概略構成図
【図２】ＨＵＤの内部の機能ブロック構成図
【図３Ａ】ＨＵＤの部品配置を示した模式図
【図３Ｂ】従来のＨＵＤの部品配置を示した模式図
【図４Ａ】屈折素子を含むＨＵＤの基本構造と屈折素子の中央部を透過する光線を示す斜視図
【図４Ｂ】図４Ａの要部拡大図
【図５Ａ】屈折素子を含むＨＵＤの基本構造と屈折素子の周縁部を透過する光線を示す斜視図
【図５Ｂ】図５Ａの要部拡大図
【図６】運転者が感じる眩しさを太陽光の相対輝度と外光立体角との関係で示した図
【図７】ＨＵＤの設計手順を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下に示す各実施形態では、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）が自動車等の車両に設置される場合を例として説明するが、電車や航空機等の他の乗り物にも適用可能である。また、乗り物以外の用途に用いるＨＵＤにも適用可能である。
【００１２】
［ＨＵＤ１０−全体の構成］
図１は、ＨＵＤ１０を搭載した車両５０の運転座席付近を横から見た概略構成図である。
【００１３】
図１に示すように、ＨＵＤ１０は、車両５０に搭載されており、例えば車載システムの一部として設けられる。ＨＵＤ１０は、例えば車両５０のダッシュボードの一部に設置されている。
【００１４】
そして車両５０内の運転座席５７に座った運転者５８の目５４（視点とも記載する）から、前方のウィンドシールド５１を通じて、透過される実像（例えば道路等の風景）や、ＨＵＤ１０によって実像に対し重畳表示される虚像５６（例えば矢印画像）を見る。
【００１５】
図１では、説明上の方向として、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を示す。Ｘ方向（図面に垂直な方向）は、第１水平方向であり、車両５０の左右方向、及び虚像５６の表示領域４の横方向の其々に対応する。Ｙ方向（図面内の横方向）は、第２水平方向であり、車両５０の前後方向に対応する。Ｚ方向（図面内の縦方向）は、鉛直方向であり、車両５０の上下方向、及び表示領域４の縦方向の其々に対応する。
【００１６】
ウィンドシールド５１は、ガラス等で構成され、光透過性の視認領域を有する。視認領域は、運転者５８から見て実像が視認できる領域である。ウィンドシールド５１の視認領域内に、ＨＵＤ１０からの映像光ＩＬが投射される投射領域５２が含まれる。
【００１７】
また、投射領域５２に投影された映像光ＩＬを運転者５８の位置で、所定の品質で認識出来る領域すなわちアイボックス５３が、車両５０内に形成される。
【００１８】
ＨＵＤ１０は、外装筐体６０を備える。外装筐体６０の内部に、映像表示装置２０の構成部品や調整光学系４０の構成部品が配置、収容されている。外装筐体６０の一部、例えば上面の一部には、筐体開口部６１が形成される。筐体開口部６１は、防眩板（グレアトラップ）６２で覆われている。
【００１９】
映像表示装置２０は、光源装置（光源モジュール）２１と、液晶表示素子２２とを含んで構成される。映像表示装置２０は、映像データに基づいて映像光ＩＬを生成し出射して、ウィンドシールド５１に対する投射表示を行うプロジェクタである。本実施形態では被投射部材としてウィンドシールド５１を用いて説明するが、被投射部材はウィンドシールド５１の直前に設けられる専用の表示板（コンバイナー）でもよい。
【００２０】
光源装置２１は、ＬＥＤ素子や照明光学系２１２を含み、液晶表示素子２２に対する照明光を生成し照射する。
【００２１】
液晶表示素子２２は、表示制御信号及び光源装置２１からの照明光に基づいて映像光ＩＬを生成し、光学系（特に調整光学系４０と記載する）へ出射する。
【００２２】
調整光学系４０は、映像表示装置２０から近い順に自由曲面形状の屈折素子３０、折返し反射ミラー４２、及び自由曲面形状の凹面反射ミラー４１が配置される。その他の光学素子を含んでもよい。これらの光学素子は、ウィンドシールド５１に対する映像光ＩＬの投射位置、即ち投射領域５２の位置や虚像５６の表示距離等を調整する機能（表示距離調整機構）を実現する。
【００２３】
ＨＵＤ１０は、映像表示装置２０の液晶表示素子２２から出射された映像光ＩＬを、調整光学系４０を用いて反射及び拡大させて、ウィンドシールド５１の投射領域５２に投射する。
【００２４】
［ＨＵＤ１０−機能ブロック］
図２は、図１のＨＵＤ１０の内部の機能ブロック構成を示す。ＨＵＤ１０は、メインコントローラ１０Ａ、映像表示装置２０、調整光学系４０を含む。
【００２５】
映像表示装置２０は、表示コントローラ２０Ａ、光源装置２１、液晶表示素子２２を含む。液晶表示素子２２は、透過型又は反射型液晶表示装置である。上記メインコントローラ１０Ａや表示コントローラ２０Ａは、各コントローラの機能を実現するソフトウェアを実行するプロセッサや、各機能を実現するサーキットにより構成されてもよい。
【００２６】
光源装置２１は、光源２１１、照明光学系２１２を含む。光源２１１は、ＬＥＤ素子等の固体光源、固体光源からの光を捕集するコリメータ等からなる。照明光学系２１２は、偏向変換素子、導光体、又は拡散板等の配光を制御する配光素子等からなる。
【００２７】
調整光学系４０は、屈折素子３０、折返し反射ミラー４２、凹面反射ミラー４１等で構成される。少なくとも凹面反射ミラー４１には、配置角度を可変に調整するためのミラー駆動装置４４（例えば凹面反射ミラー４１を回転可能に保持する回転保持部材と、回転保持部材を回動するモータ）が接続されている。
【００２８】
ＨＵＤ１０は、車載システムに接続されている場合、図示しないエンジン制御部（ＥＣＵ）等からの制御に従って動作可能である。ＨＵＤ１０のメインコントローラ１０Ａは、映像表示装置２０の表示コントローラ２０Ａや、調整光学系４０のミラー駆動装置４４等を制御することで、ウィンドシールド５１における映像光ＩＬの投射位置を変更し、虚像５６の表示位置を制御する。
【００２９】
表示コントローラ２０Ａは、メインコントローラ１０Ａからの表示制御信号に従って、虚像５６として表示する表示オブジェクトを液晶表示素子２２に表示させる。
【００３０】
光源装置２１は、メインコントローラ１０Ａからの照明制御信号に従って光源２１１（例えばＬＥＤ素子等）の発光のオン／オフ等を制御することで照明光を生成し出射する。
【００３１】
光源２１１から発生した照明光は、照明光学系２１２に入射する。照明光学系２１２は、光源２１１から出射した光に対して、光学素子によって液晶表示素子２２及びＨＵＤ１０に好適な照明光を生成するための所定の特性の配向制御が行われ、集光及び均一化されて、面状の照明光として、液晶表示素子２２の面に照射される。液晶表示素子２２は、表示駆動回路を含み、照明光が液晶表示素子２２を透過することで表示オブジェクト像を含む映像光ＩＬが生成され、液晶表示素子２２から出射する。
【００３２】
なお、表示素子としては、液晶表示素子２２に限らず、他の種類の素子も適用可能である。その場合、その表示素子の特性に合わせるように、調整光学系４０や光源装置２１の配光制御を含む特性が実装される。また、光源装置２１及び液晶表示素子２２に代わり、ＭＥＭＳを用いて映像光ＩＬを生成してもよい。
【００３３】
［屈折素子の効果と課題］
図３Ａは、ＨＵＤ１０の部品配置を示した模式図である。また図３Ｂは、従来のＨＵＤ１０ｂの部品配置を示した模式図である。
【００３４】
図３Ａに示すＨＵＤ１０の部品配置は、３面（凹面反射ミラー４１の反射面、屈折素子３０の出射面３０ａ及び入射面３０ｂ）を自由曲面とする事により、設計の自由度が増し、小型化を実現している。より具体的には、ＨＵＤ１０の小型化を図るため、調整光学系４０には屈折素子３０が配置されている。屈折素子３０の凹面レンズの作用及び凹面反射ミラー４１の凹面の曲率を従来の凹面反射ミラー４１ｂ（図３Ｂ参照）よりも大きくした効果により、凹面反射ミラー４１と映像表示装置２０間の光路長を短縮し、その結果ＨＵＤ１０の小型化が可能となる。映像表示装置２０からの映像光ＩＬの出射角及び凹面反射ミラー４１からの映像光ＩＬの出射角は、従来例とほぼ同一である。そのため、虚像５６の倍率及び虚像距離は従来と同等のまま、ＨＵＤ１０の小型化が可能となる。
【００３５】
また、従来の凹面反射ミラー４１ｂは、単純な球面あるいは非球面形状であったのに対して、本実施形態で用いる凹面反射ミラー４１及び屈折素子３０の入射面３０ｂ及び出射面３０ａ（図４Ｂ参照）の少なくとも一つの面は自由曲面形状とした。これにより、収差や歪みの小さなＨＵＤ１０が実現出来る。また、凹面反射ミラー４１および屈折素子３０の入射面３０ｂおよび出射面３０ａのすべてを自由曲面にすることにより、設計の自由度がさらに増し、ＨＵＤの小型化を保ちつつ、さらに収差や歪みの小さなＨＵＤ１０が実現出来る。
【００３６】
自由曲面形状を有した屈折素子３０を配置する事により、上述したようなＨＵＤ１０の小型化や、映像の低収差、低歪み化が可能となる一方、特に太陽光のような輝度の高い外光が入射した場合、屈折素子３０の入射面３０ｂ又は出射面３０ａで反射した光が、ウィンドシールド５１方向に戻り、運転者５８の目５４に入り、虚像５６の視認性を低下させる、いわゆるフレアが発生し、問題となる。
【００３７】
特に、自由曲面形状を有した屈折素子３０は、複雑な形状を有するので前述したフレアが発生しやすい。
【００３８】
［課題（フレア発生）の対策］
図４Ａは屈折素子３０を含むＨＵＤ１０の基本構造と屈折素子３０の中央部を透過する光線を示す斜視図であって、フレア発生を防ぐ構成を説明する。また図４Ｂはその要部拡大図である。また図４Ａは屈折素子３０のほぼ中央を透過する映像光ＩＬに特化して記載したが、図５Ａは屈折素子３０を含むＨＵＤ１０の基本構造と屈折素子３０の周縁部を透過する映像光ＩＬを示す斜視図である。また図５Ｂはその要部拡大図である。
【００３９】
屈折素子３０の出射面３０ａの任意の点Ｏ（図４Ｂ参照）から出射した映像光ＩＬの内で、ウィンドシールド５１で反射され、運転者５８の目５４の位置が想定されるアイボックス５３の左上端位置Ｉ、左下端位置Ｊ、右下端位置Ｋ、右上端位置Ｌに到達する光線を各々Ｏ−Ａ、Ｏ−Ｂ、Ｏ−Ｃ、Ｏ−Ｄ（図４Ｂ参照）とする。その光線の一部は、ウィンドシールド５１を透過し、天空の所定位置、それぞれＱ、Ｒ、Ｓ、Ｔ（図４Ａ参照）に達する。
【００４０】
太陽が天空の位置Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔのいずれか、あるいはＱＲＳＴで形成される矩形内にある場合、屈折素子３０の出射面３０ａの法線が、四角錘Ｏ‐ＡＢＣＤと重なると、屈折素子３０の出射面３０ａの表面で反射した太陽光は、アイボックス５３内に到達する。
【００４１】
屈折素子３０における映像光ＩＬの入射面３０ｂ（図４Ｂ参照）に対しても同様の事が言える。
【００４２】
すなわち、屈折素子３０の入射面３０ｂ及び出射面３０ａにおいて、アイボックス５３の端部に到達する光線Ｏ−Ａ、Ｏ−Ｂ、Ｏ−Ｃ、Ｏ−Ｄを求め、図４Ｂ、図５Ｂに示した様に各任意の点の法線ＯＨが四角錘Ｏ−ＡＢＣＤに交わらない事が、四角錘Ｏ−ＡＢＣＤの頂角内で規定される角度で太陽光が入射した場合、屈折素子３０の出射面３０ａあるいは入射面３０ｂの表面で反射した太陽光がアイボックス５３内に戻らない必要条件となる（条件Ａ）。
【００４３】
また、上記で示した屈折素子３０の出射面３０ａあるいは入射面３０ｂの法線方向の条件下でも、上述した太陽光の方向以外から入射した場合は、太陽光のフレアがアイボックス５３内に戻る恐れがあるが、太陽光の入射口である防眩板６２で覆われた筐体開口部６１が有限であること、及びＨＵＤ１０内での屈折素子３０の配置が、筐体開口部６１に対して奥の方向なので、上記で規定した角度から大きく外れた太陽光は、屈折素子３０に到達しない。
【００４４】
検討の結果、四角錘Ｏ−ＡＢＣＤの斜面を形成する辺の中で、屈折素子３０の出射面３０ａの法線ＯＨあるいは入射面３０ｂの法線Ｏ’Ｈ’の其々に一番近い辺と法線ＯＨ及び法線Ｏ’Ｈ’の其々とがなす角度をそれぞれα、α’とすると、下式（１）又は式（２）を満たすことにより、実質的に太陽光のフレア発生を抑制する事が出来る事が分かった（条件Ｂ）。なお、上記において屈折率ｎの媒質中では、角度の大きさは約１／ｎである。
α≧５ｄｅｇ．・・・（１）
α’／ｎ≧５ｄｅｇ・・・（２）
ただしｎは、屈折素子３０の屈折率である
【００４５】
なお、以上の説明は、屈折素子３０の表面の反射光に対してフレア発生を抑制する手段に関して説明したが、上述した指針は、屈折素子３０に限らず、その他の透過素子、反射素子に関しても適応できる指針である。
【００４６】
［映像光に対して影響がある外光の輝度検討］
しかし、屈折素子３０の入射面３０ｂ、出射面３０ａを自由曲面で設計した場合、特に入射面３０ｂ、出射面３０ａの周辺では、急激に面形状が変化し、それに伴い面の法線方向も大きく変わるので、前記条件Ｂをすべての面上で満足するのは難しく、場合によっては、条件Ａを満足するのが難しい場合がある。その場合は、屈折素子３０により反射された外光すなわちフレアが運転者５８の目５４に入射し、映像光ＩＬの視認性が低下する恐れがある。
【００４７】
その反面、面形状が急激に変わると、前記条件を満足出来ないエリアの面積は小さくなるため、運転者５８の目５４に入射する前記フレアの立体角が小さくなり、その結果、運転者５８の目５４に入射する前記フレアのエネルギーは小さくなり、映像光ＩＬの視認性に与える影響が小さくなる事が期待できる。
【００４８】
そこで、ＨＵＤ１０に矢印等の表示オブジェクト像を含む映像光ＩＬを表示させ、ウィンドシールド５１で反射させる事により所定の虚像５６を表示させると同時に、虚像５６の表示位置と重なる様にウィンドシールド５１越しに所定の立体角を有する外光を照射させ、ＨＵＤ１０の映像光ＩＬの視認性がどの程度低下するか、１０人の試験者で実験を行った。その結果を図６に示す。図６は運転者５８が感じる眩しさを太陽光（反射した太陽光）の相対輝度と外光立体角との関係で示した図である。
【００４９】
外光の立体角は、０．０１度，０．０３度、０．１度，０．３度の４種とした。
【００５０】
外光の輝度は、映像光ＩＬに対して、０．０３倍、０．１倍、０．３倍、１倍、３倍とした。
【００５１】
１０人の試験者の中で、ＨＵＤ１０の映像光ＩＬに対して外光が影響し視認性が低下すると感じた人が４人以上いた条件を×、２〜３人いた条件を△、一人以下であった条件を○に示す。
【００５２】
図６から分かるように、映像光ＩＬに対する相対輝度を１／１０以下にすれば、ＨＵＤ１０の映像光ＩＬの視認性低下が小さい事が分かった。さらに好ましくは、映像光ＩＬに対する相対輝度を１／３０以下にすれば、ＨＵＤ１０の映像光ＩＬの視認性低下がほとんど無い事が分かった。
【００５３】
また、映像光ＩＬに対する相対輝度が１／１０より大きくても外光立体角が０．０３度より小さい条件では、ＨＵＤ１０の映像光ＩＬの視認性低下が小さい条件がある事分かった。例えば外光立体角０．０１度の条件では、外光の輝度に対して１倍程度の輝度でもＨＵＤ１０の映像光ＩＬの視認性低下が小さい。さらに０．３倍程度の輝度では、視認性低下がほとんど無い事が分かった。
【００５４】
その理由として、立体角０．０３度は、人間の眼の分解能近い角度なので、それ以下の立体角でも、ほぼ立体角が０．０３度の外光と認識され、認識される輝度は立体角０．０３度内で平均化された輝度になると考えられる。なお、図６において外光立体角０．０１度において、立体角０．０３度内で平均化すると、△で示した相対輝度は、映像光ＩＬに対する相対輝度１／１０に、○で示した相対輝度は、映像光ＩＬに対する相対輝度１／３０に相当する。
【００５５】
以上の結果から、屈折素子３０の出射面３０ａ又は入射面３０ｂで反射した太陽光（反射太陽光）がアイボックス５３内に到達しても、立体角０．０３度以内の平均輝度がＨＵＤ１０の映像光最大輝度の１／１０以下に抑えれば、ＨＵＤ１０の映像光ＩＬに対して影響が少ない事が分かった。さらに好ましくは、立体角０．０３度以内の平均輝度がＨＵＤ１０の映像光最大輝度の１／３０以下に抑えれば、ＨＵＤ１０の映像光ＩＬに対して影響がほとんど無い事が分かった。すなわちＨＵＤ１０の映像光輝度は、昼間には一般的に約１００００Ｎｉｔなので、太陽光が入射した場合、アイボックス５３内に到達する太陽光起因のフレアの輝度を立体角０．０３度以内の平均輝度で１０００Ｎｉｔ以下、さらに好ましくは３００Ｎｉｔ以下に抑えれば良い。
【００５６】
一方、屈折素子３０の面形状の最適化により、出射面３０ａ又は入射面３０ｂの無反射処理を合わせる事により、太陽光起因のフレアの立体角０．０３度以内における平均輝度を１０００Ｎｉｔ以下できる条件があることが分かった。この現象は、屈折素子３０の表面は無反射処理によって反射率が１％以下と低いため、出来る対策である。一方、反射素子は、反射率が高いので、これと同様の対応は難しく、少なくとも前記条件Ａ、好ましくは前記条件Ｂを満足する必要がある。上記では屈折素子３０の出射面３０ａ及び入射面３０ｂを例に挙げて説明したが、凹面反射ミラー４１の反射面も出射面３０ａ及び入射面３０ｂと同様の自由曲面形状で形成する。
【００５７】
［設計手順］
図７はＨＵＤ１０の設計手順を示すフローチャートである。
【００５８】
まず、ＨＵＤ１０の基本仕様、例えばＦＯＶ（虚像像のエリア、有効エリアともいう）、アイボックスサイズ、虚像距離、画像解像度等から、ＨＵＤ１０の基本部品である凹面反射ミラー４１等の部品サイズと形状を仮決めする（Ｓ１０１）。
【００５９】
次にＨＵＤ１０の基本仕様に従い、ＨＵＤ１０の部品の詳細形状を決める（Ｓ１０２）。本ステップで、屈折素子３０の詳細形状、例えば入射面３０ｂ及び出射面３０ａの形状も決める。
【００６０】
次にＨＵＤ１０の各部品が、車両５０内に配置可能か確認する（Ｓ１０３）。配置不可の場合は（Ｓ１０３／Ｎｏ）、Ｓ１０２へ戻り、再設計する。
【００６１】
配置可の場合は（Ｓ１０３／Ｙｅｓ）、屈折素子３０の入射面３０ｂ及び出射面３０ａの其々にある各代表点（例えば１０×１０の１００点）に対して、アイボックス５３の左上端位置Ｉ、左下端位置Ｊ、右下端位置Ｋ、右上端位置Ｌに到達する光線Ｏ−Ａ、Ｏ−Ｂ、Ｏ−Ｃ、Ｏ−Ｄを求め、かつ各代表点の法線Ｏ’Ｈ’及び法線ＯＨの其々が四角錘Ｏ’−ＡＢＣＤ、四角錘Ｏ−ＡＢＣＤに交わらない事を確認する（図４Ｂ、図５Ｂ参照）（Ｓ１０４）。
【００６２】
具体的には、屈折素子３０の入射面３０ｂ及び出射面３０ａの其々にある各代表点に対して、その法線Ｏ’Ｈ’及び法線ＯＨの其々が代表点毎に求まる四角錘Ｏ−ＡＢＣＤに交わらない事に自由曲面の面形状を変える。それに対応して、各光線が所定の収差に治まる様に、残りの自由曲面の形状を変える。
【００６３】
凹面反射ミラー４１、屈折素子３０の入射面３０ｂ及び出射面３０ａの３面は自由曲面であるため、設計の自由度が大きい。そこで、ＨＵＤ１０に求められる基本仕様（収差、解像度等）を満たしつつ、上記条件（Ｂ）あるいは悪くとも上記条件（Ａ）を満足する形状をほとんど場合見出す事が可能である。そこで、自由曲面の形状設計についてはトライアンドエラーを繰り返し、再設計の余地があれば（Ｓ１０４／Ｎｏ、Ｓ１０５／Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に戻り再設計する。ただし、自由曲面の曲率変化が大きく、条件（Ａ）又は条件（Ｂ）のいずれも満たす事ができず、再設計の余地がない場合（Ｓ１０４／Ｎｏ、Ｓ１０５／Ｎｏ）は、ステップＳ１０６へ進み、その後ステップＳ１０７にて迷光の仕様を確認する。
【００６４】
ステップＳ１０６では、虚像５６の輝度、輝度むら等が、ＨＵＤ１０の基本仕様内（ＦＯＶ仕様、アイボックスサイズｅｔｃ．）で満足出来る様に光源装置２１の設計を実施する（Ｓ１０６）。
【００６５】
そしてＨＵＤ１０の基本仕様を満たしつつ、虚像視認性に影響を与える迷光等が無い事を確認する（Ｓ１０７）。基本仕様を満たしている場合（Ｓ１０７／Ｙｅｓ）、及び再設計の余地がない場合（Ｓ１０７／Ｎｏ、Ｓ１０８／Ｎｏ）、設計処理を終了する。再設計の余地があれば（Ｓ１０８／Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６へ戻る。
【００６６】
本実施形態によれば、自由曲面を有する光学素子を用いたＨＵＤ１０において、自由曲面で反射された太陽光がアイボックス５３に到達することを抑止する。その結果、自由曲面を有する光学素子を用いることにより収差補正や虚像距離等、ＨＵＤ１０の設計自由度を確保しつつ、太陽光による視認性の低下を抑制することができる。
【００６７】
上記各実施形態は本発明を限定する趣旨ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での変形例は本発明の技術的範囲に属する。
【００６８】
例えば条件Ｂの５ｄｅｇは、マージンの一例であり、ＨＵＤ１０の外装筐体６０の筐体開口部６１の形状や外装筐体６０の内部における光学素子の配置角度や位置、またＨＵＤ１０のダッシュボードへの取付角度に応じて適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【００６９】
４            ：表示領域
１０          ：ＨＵＤ
１０Ａ        ：メインコントローラ
２０          ：映像表示装置
２０Ａ        ：表示コントローラ
２１          ：光源装置
２２          ：液晶表示素子
３０          ：屈折素子
３０ａ        ：出射面
３０ｂ        ：入射面
４０          ：調整光学系
４１          ：凹面反射ミラー
４１ｂ        ：凹面反射ミラー
４２          ：折返し反射ミラー
４３          ：屈折素子
４４          ：ミラー駆動装置
５０          ：車両
５１          ：ウィンドシールド
５２          ：投射領域
５３          ：アイボックス
５４          ：目
５６          ：虚像
５７          ：運転座席
５８          ：運転者
６０          ：外装筐体
６１          ：筐体開口部
６２          ：防眩板
２１１        ：光源
２１２        ：照明光学系
Ｉ            ：左上端位置
ＩＬ          ：映像光
Ｊ            ：左下端位置
Ｋ            ：右下端位置
Ｌ            ：右上端位置
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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