(57)【要約】【課題】歪みのない良好な虚像を観察することのできる小型かつ安価なヘッドアップディスプレイを提供する。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ２００は、画像を表示する画像表示部３０と、画像表示部３０から画像表示光を受けるレンズ光学系１０とを有する光学ユニット１６とを備える。レンズ光学系１０は、画像表示部側より順に、要素凸レンズのレンズ径およびレンズピッチが大きくなるように構成された第１凸レンズ群２０と、第２凸レンズ群２２と、第３凸レンズ群２４とを備える。光学ユニット１６は、画像表示部３０とレンズ光学系１０との間に、フロントガラス３２で反射されることにより生ずる虚像５４の歪みを補正するための第１光路補正部材２０２を備える。【選択図】図１５
2010152005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する画像表示部と、前記画像表示部から画像表示光を受けるレンズ光学系とを有する光学ユニットを備え、前記画像表示光が前記レンズ光学系を通った後、車両のフロントガラスにより観察者に向けて反射されることにより、観察者の前方に前記画像の虚像を形成するヘッドアップディスプレイであって、
前記レンズ光学系は、前記画像表示部側より順に、複数の凸レンズが平面状に配置された第１凸レンズ群と、複数の凸レンズが平面状に配置された第２凸レンズ群と、複数の凸レンズが平面状に配置された第３凸レンズ群とを備え、前記第１凸レンズ群、前記第２凸レンズ群、前記第３凸レンズ群の順に、前記凸レンズのレンズ径およびレンズピッチが大きくなるように構成されており、
前記光学ユニットは、前記画像表示部と前記レンズ光学系との間に、前記フロントガラスで反射されることにより生ずる前記虚像の歪みを補正するための光路補正部材を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
【請求項２】
前記光路補正部材は、車種に応じて交換が可能なように前記光学ユニットに取り付けられてい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。
【請求項３】
前記光路補正部材は、互いに交差する２つのシリンドリカルレンズを含んで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項４】
前記光路補正部材は、前記画像表示部に近接して配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項５】
前記第２凸レンズ群は、その主平面が第１凸レンズ群の結像面に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項６】
前記レンズ光学系は、
一方の面に規則的に配置された複数の第１外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第１内側凸レンズとを有する第１レンズアレイプレートと、
一方の面に規則的に配置された複数の第２外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第２内側凸レンズとを有する第２レンズアレイプレートと、を備え、
前記第１内側凸レンズと前記第２内側凸レンズが対向するように、前記第１レンズアレイプレートと前記第２レンズアレイプレートとが積層されており、
前記複数の第１外側凸レンズが前記第１凸レンズ群を構成し、前記第１内側凸レンズと前記第２内側凸レンズの複数の組が前記第２凸レンズ群を構成し、前記複数の第２外側凸レンズが前記第３凸レンズ群を構成することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項７】
前記第１内側凸レンズと前記第２内側凸レンズは、レンズ径およびレンズピッチが等しいことを特徴とする請求項６に記載の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、車両に搭載され、運転者などに虚像を表示するヘッドアップディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、車両のフロントガラスの前方に車速などの情報を表示するヘッドアップディスプレイが知られている。運転者は、ヘッドアップディスプレイにより表示された表示画像と車両前方の風景とを重ね合わせて見ることにより、車両運転中に視線の移動をあまり行わずに車速などの情報を確認することができる。
【０００３】
図１は、従来のヘッドアップディスプレイの一例を示す。このヘッドアップディスプレイは、特許文献１に開示されたものである。図１に示すように、車のダッシュボードに配置される光学ユニット８０は、表示器８８、平面鏡８１、凹面鏡８２で構成されている。表示器８８の光は、平面鏡８１と拡大光学系である凹面鏡８２で反射され、出射窓８７を通って、フロントウィンド１０１に設けられたコンバイナ１０２で運転者に向けて反射される。運転者にとっては、前方に表示の虚像１０３が視認される。
【０００４】
平面鏡８１の役割は、光学ユニット８０の形状的制約で、表示器８８から凹面鏡８２に至る光路を一直線にできない場合の、光路の折り曲げである。
【０００５】
図２は、凹面鏡８２による遠方拡大表示の説明図を示す。表示器８８と凹面鏡８２（中心点をＱとする）の距離をＬ１、表示器上の点Ｐの凹面鏡による虚像をＰ'としたときのＱＰ'の距離をＬ２、点Ｑとコンバイナ１０２の中心の点Ｒの距離をＬ３、点Ｒと運転者の目の位置（点Ｅ）の距離をＬ４とする。
【０００６】
運転者の目の位置（点Ｅ）と前方に形成される虚像Ｐ"の距離は、Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４である。このうち、Ｌ３とＬ４は自動車により決まり、乗用車の場合は、１ｍ程度である。このため、目の焦点移動を行わずに表示と車外風景を視認できるように、より遠方に虚像を表示するためには、Ｌ２を大きくする必要がある。
【０００７】
Ｌ２を大きくする方法の一つは、凹面鏡８２の焦点距離を短く（曲率半径を小さく）して表示器８８から凹面鏡８２に至る光路長Ｌ１を、凹面鏡の焦点距離よりも短い状態で、できるだけ焦点距離に近づけることである。これにより、大きな拡大倍率が得られ、表示器８８が小さくて済む。
【０００８】
別の方法としては、焦点距離の長い（曲率半径の大きい）凹面鏡８２を用い、Ｌ１を長くとる方法がある。この方法では、低拡大率であっても、表示距離を大きくすることができる。たとえば図３に示す光学ユニットの如く、平面鏡９１、９２、凹面鏡９３を設けて、限られた空間に光路を重複させる構成としている。これにより光学ユニットの小型化を図っている。
【０００９】
また、車両のフロントガラスは、通常、縦方向（上下方向）と横方向（左右方向）とで曲率が異なる曲面形状に形成されている。このような曲面形状のフロントガラスに像を投射するヘッドアップディスプレイを構成した場合、縦方向と横方向の曲率差に基づく虚像の歪みが生じる。そこで、たとえば特許文献２には、フロントガラスと表示情報源との間に、曲面形状のフロントガラスで反射することにより生ずる像の歪みや傾きを補正するための補正光学部材を設けたヘッドアップディスプレイが開示されている。
【特許文献１】特開平０６−５５９５７号公報
【特許文献２】特開２００５−２０２１４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図１の従来のヘッドアップディスプレイの光学ユニットでは、より遠方に表示の虚像を表示するために、光学系の光路長Ｌ１を長くしないで、光学系の拡大倍率を大きくすると、光学ユニットを大きくすることなく、表示像をより遠方に表示できるが、表示像の歪み、収差が大きく、視点を変えたときに像の流れが生じるという問題がある。
【００１１】
一方、図３の光学ユニットの如く、光学系の拡大倍率を大きくしないで、光学系の光路長Ｌ１を大きくとると、表示像の歪み、収差、視点を変えたときの像の流れの問題を生じないで、表示像をより遠方に表示できるが、光路を鉛直方向の面内で折り曲げているため、光学ユニットの厚みが大きく小型化は不十分で、自動車のダッシュボード内に収納できないという問題点がある。
【００１２】
また、上述の特許文献２では、表示情報源の後段に設けられたレンズや曲面ミラーから成る光学部材と、フロントガラスとの間に補正光学部材を設けているが、このような位置に補正光学部材を設けた場合、表示情報源の像が光学部材によって拡大されているため、表示情報源よりもサイズの大きい補正光学部材を用いなければならず、光学ユニットの小型化の妨げになる可能性がある。また、サイズの大きい補正用光学部材を用いることにより、光学ユニットが高価になってしまう。
【００１３】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、歪みのない良好な虚像を視認することのできる小型かつ安価なヘッドアップディスプレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明のある態様のヘッドアップディスプレイは、画像を表示する画像表示部と、画像表示部から画像表示光を受けるレンズ光学系とを有する光学ユニットとを備え、画像表示光がレンズ光学系を通った後、車両のフロントガラスにより観察者に向けて反射されることにより、観察者の前方に画像の虚像を形成するヘッドアップディスプレイである。レンズ光学系は、画像表示部側より順に、複数の凸レンズが平面状に配置された第１凸レンズ群と、複数の凸レンズが平面状に配置された第２凸レンズ群と、複数の凸レンズが平面状に配置された第３凸レンズ群とを備え、第１凸レンズ群、第２凸レンズ群、第３凸レンズ群の順に、凸レンズのレンズ径およびレンズピッチが大きくなるように構成されている。光学ユニットは、画像表示部とレンズ光学系との間に、フロントガラスで反射されることにより生ずる虚像の歪みを補正するための光路補正部材を備える。
【００１５】
この態様によると、画像表示部から放射状に放出された画像表示光を受けた第１凸レンズ群の各凸レンズは、各凸レンズの結像点に画像表示部に表示された画像の倒立像を形成する。第２凸レンズ群の各凸レンズは、この各倒立像の光束を受けて、各凸レンズの光軸方向に曲げる。第３凸レンズ群の各凸レンズは、この曲げられた各光束を受け、視点から画像表示部までの光路長よりも遠方に画像表示部に表示された画像の虚像を形成する。第３凸レンズ群の凸レンズのレンズピッチおよび曲率半径を調整することで、虚像を任意の位置に形成することができる。この態様によれば、上述した特許文献１のように光学系の光路長を大きくとらなくとも、任意の位置に画像表示部に表示された画像の虚像を形成することができるので、ヘッドアップディスプレイの光学ユニットを小型化できる。
【００１６】
また、この態様によると、画像表示部とレンズ光学系との間に光路補正部材を備えることにより、歪みのない良好な虚像を観察者に表示することができる。レンズ光学系の前段に光路補正部材を設けることにより、画像表示部と比較してそれ程サイズが大きい光路補正部材を用いずとも歪みを補正できる。従って、ヘッドアップディスプレイの光学ユニットを小型化できる。また、サイズの小さい光路補正部材を用いることにより、ヘッドアップディスプレイを安価にすることができる。
【００１７】
光路補正部材は、車種に応じて交換が可能なように光学ユニットに取り付けられていてもよい。一般に、フロントガラスの形状は車種によって異なる。そのため、それぞれ異なった虚像の歪みが生じる。この態様のように車種に応じて光路補正部材を交換可能に構成することにより、車種に応じて適切な光路補正部材を選択できる汎用性の高いヘッドアップディスプレイを実現できる。
【００１８】
光路補正部材は、互いに交差する２つのシリンドリカルレンズを含んで構成されていてもよい。このような光路補正部材を用いることにより、フロントガラスの縦方向と横方向の曲率差に基づいて生じる虚像の歪みを好適に補正することができる。
【００１９】
光路補正部材は、画像表示部に近接して配置されていてもよい。光路補正部材を画像表示部近づけるほど、より小型の光路補正部材を用いることができ、より小型且つ安価なヘッドアップディスプレイを構成できる。
【００２０】
第２凸レンズ群は、その主平面が第１凸レンズ群の結像面に位置するように配置されていてもよい。このような位置に第２凸レンズ群を配置することにより、画像表示部からの光束を好適に曲げ、物体よりも遠方に虚像を形成することができる。
【００２１】
レンズ光学系は、一方の面に規則的に配置された複数の第１外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第１内側凸レンズとを有する第１レンズアレイプレートと、一方の面に規則的に配置された複数の第２外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第２内側凸レンズとを有する第２レンズアレイプレートとを備え、第１内側凸レンズと第２内側凸レンズが対向するように、第１レンズアレイプレートと第２レンズアレイプレートとが積層されており、複数の第１外側凸レンズが第１凸レンズ群を構成し、第１内側凸レンズと第２内側凸レンズの複数の組が第２凸レンズ群を構成し、複数の第２外側凸レンズが第３凸レンズ群を構成してもよい。第１内側凸レンズと第２内側凸レンズは、レンズ径およびレンズピッチが等しくてもよい。
【００２２】
この場合、２枚のレンズアレイプレートを積層することで上述のレンズ光学系を構成できるので、レンズ光学系を簡易な構造とすることができ、コストを低減することができる。
【００２３】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、歪みのない良好な虚像を視認することのできる安価かつ小型のヘッドアップディスプレイを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイを図面を参照して説明する。
【００２６】
（第１の実施の形態）
図４は、本発明の第１の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイに用いられるレンズ光学系１０を説明するための図である。図４に示すように、レンズ光学系１０は、複数の凸レンズが両面に形成された第１レンズアレイプレート１２と第２レンズアレイプレート１４とが積層された構造となっている。図４では、第２レンズアレイプレート１４の第２外側面１４ｃ上に、複数の第２外側凸レンズ１４ａが配置されている様子が示されている。
【００２７】
レンズ光学系１０は、第１レンズアレイプレート１２の第１外側面１２ｃ側である物体側に位置する物体４０からの光を受けて、第２レンズアレイプレート１４の第２外側面１４ｃ側である観察側に位置する観察者４４に、虚像４２を表示するものである。虚像４２は、観察者４４の視点から物体４０までの光路長よりも遠方に形成される。レンズ光学系１０を用いることにより、観察者に虚像を表示するヘッドアップディスプレイを構成することができる。
【００２８】
図５は、レンズ光学系１０の断面図である。上述したように、レンズ光学系１０は、両面に複数の凸レンズが配置された第１レンズアレイプレート１２と、第２レンズアレイプレート１４とが積層された構造となっている。すなわち、第１レンズアレイプレート１２の一方の面である第１外側面１２ｃ上には、複数の第１外側凸レンズ１２ａが規則的に配置されており、他方の面である第１内側面１２ｄ上には、複数の第１内側凸レンズ１２ｂが規則的に配置されている。また、第２レンズアレイプレート１４の一方の面である第２外側面１４ｃ上には、複数の第２外側凸レンズ１４ａが規則的に配置されており、他方の面である第２内側面１４ｄ上には、複数の第２内側凸レンズ１４ｂが規則的に配置されている。第１レンズアレイプレート１２と第２レンズアレイプレート１４は、第１内側凸レンズ１２ｂと第２内側凸レンズ１４ｂとが対向するように積層されている。
【００２９】
第１外側面１２ｃ、第１内側面１２ｄ、第２外側面１４ｃおよび第２内側面１４ｄ上において、第１外側凸レンズ１２ａ、第１内側凸レンズ１２ｂ、第２外側凸レンズ１４ａおよび第２内側凸レンズ１４ｂは、それぞれ最密充填配列で配置されている。図４には、第２レンズアレイプレート１４の第２外側面１４ｃ上に、第２外側凸レンズ１４ａが最密充填配列で配置されている様子が示されている。
【００３０】
本実施の形態において、平面状に配置された複数の第１外側凸レンズ１２ａは、第１凸レンズ群２０を構成している。以下においては適宜、第１外側凸レンズ１２ａを「第１要素凸レンズ２１」と称する。
【００３１】
また、平面状に配置された第１内側凸レンズ１２ｂと第２内側凸レンズ１４ｂは、同一のレンズ径およびレンズピッチであり、対向する第１内側凸レンズ１２ｂと第２内側凸レンズ１４ｂは、光軸が一致し、且つ凸レンズの表面同士が当接するように配置されている。このように配置された第１内側凸レンズ１２ｂと第２内側凸レンズ１４ｂの１つの組は、１つの凸レンズとして機能する。従って、以下においては適宜、対向する第１内側凸レンズ１２ｂと第２内側凸レンズ１４ｂの組を「第２要素凸レンズ２３」として扱う。そして、複数の第２要素凸レンズ２３は、第２凸レンズ群２２を構成している。
【００３２】
また、平面状に配置された複数の第２外側凸レンズ１４ａは、第３凸レンズ群２４を構成している。以下においては適宜、第２外側凸レンズ１４ａを「第３要素凸レンズ２５」と称する。
【００３３】
本実施の形態においては、第１凸レンズ群２０、第２凸レンズ群２２、第３凸レンズ群２４の順に、凸レンズのレンズ径およびレンズピッチが大きくなるように構成されている。すなわち、第１要素凸レンズ２１のレンズ径ｄ１＜第２要素凸レンズ２３のレンズ径ｄ２＜第３要素凸レンズ２５のレンズ径ｄ３、且つ、第１要素凸レンズ２１のレンズピッチｐ１＜第２要素凸レンズ２３のレンズピッチｐ２＜第３要素凸レンズ２５のレンズピッチｐ３となるように構成されている。なお、本実施の形態において、レンズピッチとは、最も近接する２つのレンズの中心間の距離である。また、レンズ径とは、レンズとしての機能を有する部分の直径である。
【００３４】
また、本実施の形態においては、第２凸レンズ群２２は、その主平面が第１凸レンズ群２０の結像面に位置するように配置されている。第２凸レンズ群２２の主平面とは、各第２要素凸レンズ２３における第１内側凸レンズ１２ｂと第２内側凸レンズ１４ｂとの接点が位置している平面である。第１凸レンズ群２０の結像面とは、各第１要素凸レンズ２１の結像点が位置している平面である。後述するように、このような位置に第２凸レンズ群２２を配置することにより、物体からの光束を好適に曲げ、物体よりも遠方に虚像を形成することができる。また、第１凸レンズ群２０に対する第３凸レンズ群２４の位置は、後述するように、物体から第１凸レンズ群２０までの距離に応じて設定される。
【００３５】
第１レンズアレイプレート１２および第２レンズアレイプレート１４は、射出成形により形成される。第１レンズアレイプレート１２および第２レンズアレイプレート１４の材質は、射出成形に使用可能で、必要な波長帯域の光に対して光透過性が高く、吸水性の低いものが望ましい。望ましい材質としては、シクロオレフィン系樹脂や、オレフィン系樹脂、ノルボルネン系樹脂、ポリカーボネートなどを例示することができる。
【００３６】
図６（ａ）〜（ｃ）は、レンズ光学系１０の動作を説明するための図である。図６（ａ）は、物体「Ｆ」を距離Ｄだけ離れた位置から両眼で観察すると、観察者は、物体を距離Ｄの位置に確認できることを示している。
【００３７】
ここで、図６（ｂ）に示すように、物体と観察者の視点との間にレンズ径およびレンズピッチの異なる第１凸レンズ群２０と第３凸レンズ群２４を所望の間隔で配置し、物体からの光を、第１凸レンズ群２０の各第１要素凸レンズ２１から放射される光束に分けて考える。ここで、第１凸レンズ群２０と第３凸レンズ群２４との間隔は、物体から放射される光束が、角度変化なく第３凸レンズ群２４から出射し、物体から第１凸レンズ群２０の個々の第１要素凸レンズ２１に張った光線角度（放射角度）に整合するように決める。
【００３８】
図６（ｂ）のような構成の場合、物体から放射状に放出された光を受けた第１凸レンズ群２０の各第１要素凸レンズ２１は、各第１要素凸レンズ２１の結像点に倒立像（要素画像とも呼ぶ）を形成する。第３凸レンズ群２４の各第３要素凸レンズ２５は、この各要素画像の各光束を受けて、観察者に向けて放出する。観察者がこのような放射光線を両眼で観察すると、物体は、観察者の視点から距離Ｄの位置に反転して視認できる。
【００３９】
次いで、図６（ｃ）に示すように、第１凸レンズ群２０と第３凸レンズ群２４の間に、第１凸レンズ群２０よりレンズ径およびレンズピッチが大きく、第３凸レンズ群２４よりレンズ径およびレンズピッチが小さく、しかも第１凸レンズ群２０、第３凸レンズ群２４よりも屈折力の大きな第２凸レンズ群２２を追加する。第２凸レンズ群２２は、上述したように、その主平面が第１凸レンズ群２０の結像面に位置するように配置される。
【００４０】
第２凸レンズ群２２の各第２要素凸レンズ２３は、各要素画像の結像に寄与した各光束を、各第２要素凸レンズ２３の光軸方向に曲げる。このように第２凸レンズ群２２の各第２要素凸レンズ２３により光束が曲げられることにより、観察者は、曲げられた光束の視点から反対方向の延長線上に、虚像である観察像を視認できる。第３凸レンズ群２４のレンズピッチおよび第３要素凸レンズ２５の曲率半径を調整することで、観察像を任意の位置Ｄ’に結像させることができる。もちろん、物体と第１凸レンズ群２０の距離Ｅを変更することにより、観察像の倍率を変化させることができる。
【００４１】
つまり、第１凸レンズ群２０により、高品位な倒立像を形成し、第３凸レンズ群２４のレンズピッチ、曲率半径、および第２凸レンズ群２２と第３凸レンズ群２４の位置を調整して、倒立像を読み出すことで、任意の位置に虚像を結像することが可能となり、視差と視度の両立を図ることができる。
【００４２】
このように、レンズ光学系１０によれば、物体と第１凸レンズ群２０との距離Ｅを大きくとらなくても、任意の位置に物体の虚像を形成することができるので、ヘッドアップディスプレイに用いる光学ユニットを小型化できる。
【００４３】
図７は、本発明の第１の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための図である。このヘッドアップディスプレイ１００は、画像表示部３０と、上述したレンズ光学系１０とを備える。レンズ光学系１０と画像表示部３０は、ハウジング１８内に収容されており、ヘッドアップディスプレイ１００の光学ユニット１６を構成している。光学ユニット１６は、たとえば車両のダッシュボード内に収納される。
【００４４】
画像表示部３０は、たとえば液晶ディスプレイで構成され、図示しない画像処理部からの信号に基づいて、車速、燃料残量などの情報を画像５２として表示する。
【００４５】
レンズ光学系１０は、第１レンズアレイプレート１２の第１外側面１２ｃが画像表示部３０の表面と対向するように配置される。画像表示部３０から出射された光は、第１凸レンズ群２０に入射した後、第２凸レンズ群２２を通って第３凸レンズ群２４より出射される。レンズ光学系１０は、第３凸レンズ群２４から出射した光がフロントガラス３２に対して所定の入射角、たとえば４５度の入射角で入射するように配置される。
【００４６】
本実施の形態において、フロントガラス３２は平面状である。フロントガラス３２は、レンズ光学系１０から出射された画像表示光を運転者５０に向けて反射するとともに、車両前方からの光を運転者５０に向けて透過する。これにより、運転者５０は、車両前方の風景を視認しつつ、視点からフロントガラス３２までの光路の延長線上に画像５２の虚像５４を視認することができる。
【００４７】
ここで、画像表示部３０からレンズ光学系１０の第１凸レンズ群２０までの距離をＤ１、レンズ光学系１０の第３凸レンズ群２４からフロントガラス３２までの距離をＤ２、フロントガラス３２から運転者５０の視点までの距離をＤ３、フロントガラス３２から虚像５４までの距離をＤ４とする。このとき、運転者５０の視点から画像５２までの光路長は、Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３である。また、運転者５０の視点から虚像５４までの光路長は、Ｄ３＋Ｄ４である。レンズ光学系１０は、図６において説明したのと同様に、運転者５０の視点から虚像５４までの光路長Ｄ３＋Ｄ４を、運転者５０の視点から画像５２までの光路長Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３よりも長くすることができる。
【００４８】
運転者５０が車両前方の風景と虚像５４とを重ね合わせて視認することができるように、虚像５４は、車両前方の出来るだけ遠方に形成されることが好ましい。たとえば、フロントガラス３２から虚像５４までの距離Ｄ４は、１ｍ以上を確保することが望ましい。図３に示すような従来のヘッドアップディスプレイの光学ユニットでは、フロントガラスから虚像までの距離を１ｍ確保するためには、画像から凹面鏡までの光路長を１ｍ確保する必要があった。この場合、光学ユニットを小型化することは難しい。しかしながら、レンズ光学系１０を用いてヘッドアップディスプレイ１００を構成することにより、距離Ｄ１＋Ｄ２を距離Ｄ４よりも小さくすることができる。従って、光学ユニット１６内においてそれほど大きな光路長を確保する必要がないため、光学ユニット１６を小型化することができる。
【００４９】
また、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００によれば、非常に簡易な構成により、画像表示部３０に表示された画像５２の奥行き画像である虚像５４を構成できる。奥行き感のある画像を形成する装置としては、従来より、映像投影系の結像位置にレンチキュラスクリーンを配置し、両眼視差を含んだ画像をそれぞれ左右の眼に空間的に分離して提示する装置が開示されている。しかしながら、このような装置では、両眼視差を含んだ左右の画像を観察者の頭の中で合成して奥行き感を得るものであるので、奥行き感のある画像を認識するのに疲労感を伴ってしまう。しかしながら、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００では、両眼視差を含んだ左右の画像を観察者の頭の中で合成するような作業は必要なく、容易に奥行き感のある虚像５４を視認できるため、観察者が疲労感を感じることはない。
【００５０】
次に、第１の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００を実際に試作した実施例について説明する。図８は、試作した第１実施例の光学系を示す図である。また、図９は、第１実施例において用いたレンズ光学系１０の諸元を示す図である。第１実施例においては、図７の運転者の位置にカメラ６０を置き、また、虚像が形成される位置に、目印６２を置いた。
【００５１】
図８に示すように、第１実施例においては、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１＝５０ｍｍ、第３凸レンズ群２４からフロントガラス３２までの距離Ｄ２＝１００ｍｍ、フロントガラス３２からカメラ６０までの距離Ｄ３＝１０００ｍｍ、フロントガラス３２から目印６２までの距離Ｄ４＝４００ｍｍと設定した。
【００５２】
また、図９に示すように、第１凸レンズ群２０をレンズ径＝１．６５９ｍｍ、レンズピッチ＝１．１７３ｍｍ、焦点距離＝１．９１５ｍｍと設定した。また、第２凸レンズ群２２を、レンズ径＝１．６９７ｍｍ、レンズピッチ＝１．２ｍｍ、焦点距離＝１．９１５ｍｍと設定した。また、第３凸レンズ群２４を、レンズ径＝１．７３５ｍｍ、レンズピッチ＝１．２２７ｍｍ、焦点距離＝３．５５９ｍｍと設定した。また、第１レンズアレイプレート１２の厚みを３．０９５ｍｍとし、第２レンズアレイプレート１４の厚みを５．８７ｍｍと設定した。なお、レンズの屈折率は、１．５６である。
【００５３】
このように構成された第１実施例において、大きさが９ｍｍ角の文字「Ｍ」を画像表示部３０に表示し、カメラ６０によって形成された虚像を撮像した。図１０は、カメラ６０により撮像された虚像５４を示す図である。図１０に示すように、目印６２とともに虚像が形成できていることが分かる。虚像の大きさは、約１８ｍｍ角であり、約２倍に拡大された虚像を表示することができた。
【００５４】
このように実施例１より、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１を５０ｍｍと短くしても、フロントガラス３２から距離Ｄ４＝４００ｍｍの位置に視差と視度を持った虚像が結像できることが判り、ヘッドアップディスプレイ１００の光学ユニットをコンパクトにしかも低コストに構成できることが分かった。
【００５５】
図１１は、試作した第２実施例の光学系を示す図である。また、図１２は、第２実施例において用いたレンズ光学系１０の諸元を示す図である。第２実施例においては、図７の運転者の位置にカメラ６０を置き、また、虚像が形成される位置に、目印６２として方眼チャートを置いている。
【００５６】
図１１に示すように、第１実施例においては、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１＝２４０ｍｍ、第３凸レンズ群２４からフロントガラス３２までの距離Ｄ２＝２４０ｍｍ、フロントガラス３２からカメラ６０までの距離Ｄ３＝１０００ｍｍ、フロントガラス３２から目印６２までの距離Ｄ４＝１０００ｍｍと設定した。
【００５７】
また、図１２に示すように、第１凸レンズ群２０をレンズ径＝０．８６３ｍｍ、レンズピッチ＝０．７４７ｍｍ、焦点距離＝１．４２９ｍｍと設定した。また、第２凸レンズ群２２を、レンズ径＝０．８６６ｍｍ、レンズピッチ＝０．７５ｍｍ、焦点距離＝１．２５ｍｍと設定した。また、第３凸レンズ群２４を、レンズ径＝０．８７２ｍｍ、レンズピッチ＝０．７５５ｍｍ、焦点距離＝３．２１７ｍｍと設定した。また、第１レンズアレイプレート１２の厚みを２．２０８ｍｍとし、第２レンズアレイプレート１４の厚みを５．００ｍｍと設定した。なお、レンズの屈折率は、１．５６である。
【００５８】
このように構成された第２実施例において、大きさが約９ｍｍ角の文字「Ｍ」を画像表示部３０に表示し、カメラ６０によって形成された虚像を撮像した。図１３は、カメラ６０により撮像された虚像５４を示す図である。図１３に示すように、目印６２の方眼チャートとともに虚像が形成できていることが分かる。虚像の大きさは、約１８ｍｍ角であり、約２倍に拡大された虚像を表示することができた。
【００５９】
このように実施例２より、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１を２４０ｍｍと短くしても、フロントガラス３２から距離Ｄ４＝１０００ｍｍの位置に視差と視度を持った虚像が結像できることが分かり、ヘッドアップディスプレイ１００の光学ユニットをコンパクトにしかも低コストに構成できることが分かった。
【００６０】
図１４は、試作した第３実施例の光学系を示す図である。図１１に示す第２実施例において、さらに、画像表示部３０と第１凸レンズ群２０との距離Ｄ１を短縮し、あるいは凸レンズ群の表示（光線束）透過領域を拡大するためには、画像表示部３０と第１凸レンズ群２０の間に単レンズまたはフレネルレンズを配置して、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０の各凸レンズに入射する光束を、各凸レンズの光軸方向に曲げることで実現できる。
【００６１】
図１４に示す第３実施例では、屈折率１．６０７、１．４９８で板厚１０ｍｍの両面に意匠面を形成した２枚の非球面フレネルレンズ６４、６６を、画像表示部３０と第１凸レンズ群２０の間に設置している。このように構成することで、画像表示部３０と第１凸レンズ群２０との距離Ｄ１を８０ｍｍに短縮でき（非球面フレネルレンズの設計値は以下の通り）、虚像倍率が約６倍になることが実験により分かっている。
・非球面レンズ設計値（屈折率n=1.607、物体側を１面目とする）
１面目：曲率=-0.02028、Conic係数a0=0、a2=0、a4=  1.3777E-06、a6=-3.6567E-10、・・・・・。
２面目：曲率=-0.01060、Conic係数a0=0、a2=0、a4=-3.2833E-08、a6=  1.1356E-11、・・・・・。
・非球面レンズ設計値（n=1.498、物体側を３面目）
３面目：曲率=-0.00271、Conic係数a0=0、a2=0、a4=  1.8098E-08、a6=-6.6097E-12、・・・・・。
４面目：曲率=-0.02349、Conic係数a0=-0.7259、a2=0、a4=3.4313E-07、a6=2.4388E-11、・・・・。
【００６２】
また、各要素凸レンズ、あるいは物体と第１凸レンズ群２０との間の単レンズを非球面化する、要素凸レンズのレンズ径をφ０．７〜φ０．８にすることで、要素レンズの粒状感と光学性能を格段に向上することができる。また、上記レンズ径により、第３凸レンズ群２４のレンズピッチの変更幅、いわゆる虚像の奥行幅も得られる。さらには上記単レンズの焦点距離、あるいは物体と第１凸レンズ群２０との間の距離変更で虚像の倍率も変更できる。
【００６３】
（第２の実施の形態）
図１５は、本発明の第２の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ２００を説明するための図である。ヘッドアップディスプレイ２００においては、図７に示す第１の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００と同一または対応する構成要素については同一の符号を付すとともに詳細な説明を省略する。
【００６４】
本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ２００においては、フロントガラス３２は縦方向（上下方向）と横方向（左右方向）とで曲率が異なる曲面形状となっている。このようにフロントガラス３２が曲面形状となっている場合、画像表示部３０に表示された画像をそのままレンズ光学系１０に通してフロントガラス３２で反射させてしまうと、フロントガラス３２の縦方向と横方向の曲率差に基づく虚像の歪みが生じてしまうおそれがある。
【００６５】
この虚像の歪みを防止するために、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ２００においては、光学ユニット１６内の画像表示部３０とレンズ光学系１０との間に、フロントガラス３２で反射されることにより生ずる虚像の歪みを補正するための第１光路補正部材２０２が設けられている。なお、第２の実施の形態において、運転者の視点移動に対して歪みのない像を形成させなければならない範囲は、左右１５０ｍｍ、上下６０ｍｍである。
【００６６】
本実施の形態において、第１光路補正部材２０２は、第１シリンドリカルレンズ２０４と第２シリンドリカルレンズ２０６とを含んでいる。第１シリンドリカルレンズ２０４と第２シリンドリカルレンズ２０６は、互いに交差し、且つ共に曲面状のレンズ面がレンズ光学系１０側に位置するように配置されている。本実施の形態においては、第１シリンドリカルレンズ２０４が横方向の虚像の歪みを補正し、第２シリンドリカルレンズ２０６が縦方向の虚像の歪みを補正するように構成されている。
【００６７】
本実施の形態において、第１光路補正部材２０２は、車種に応じて交換が可能なように光学ユニット１６内に取り付けられている。一般に、フロントガラス３２の形状は車種によって異なるため、それぞれ異なった虚像の歪みが生じる。車種に応じて第１光路補正部材２０２を交換可能に構成することにより、車種に応じて適切な第１光路補正部材２０２を選択できる汎用性の高いヘッドアップディスプレイ２００を構成することができる。
【００６８】
以上説明したように、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ２００によれば、画像表示部３０とレンズ光学系１０との間に第１光路補正部材２０２を備えることにより、歪みのない良好な虚像５４を観察者に表示することができる。本実施の形態では、像を拡大するレンズ光学系１０の前段に第１光路補正部材２０２が設けられているため、画像表示部３０と比較してそれ程サイズが大きい第１光路補正部材２０２を用いずとも歪みを補正できる。従って、ヘッドアップディスプレイ２００の光学ユニット１６を小型化できる。また、サイズの小さい第１光路補正部材２０２を用いることにより、ヘッドアップディスプレイ２００を安価にすることができる。
【００６９】
なお、本実施の形態においても図５に示すレンズ光学系１０を用いてヘッドアップディスプレイ２００を構成しているため、第１の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００と同様に、光学ユニット１６を小型化することができる。
【００７０】
図１５では画像表示部３０とレンズ光学系１０の中間に第１光路補正部材２０２を配置しているが、第１光路補正部材２０２は、画像表示部３０にできるだけ近接して配置されることが好ましい。画像表示部３０からの光は放射状に放出されるため、第１光路補正部材２０２を画像表示部３０近づけて配置するほど、より小型の第１光路補正部材２０２を用いることができ、その結果より小型且つ安価なヘッドアップディスプレイ２００を構成できる。
【００７１】
また、図１５では、２つのシリンドリカルレンズを用いた第１光路補正部材２０２を示したが、光路補正部材はこれに限られず、縦方向と横方向の歪みを補正するよう設計された自由曲面のレンズを用いてもよい。この場合、１つのレンズで虚像を補正できるので、安価なヘッドアップディスプレイを構成できる。
【００７２】
図１５では画像表示部３０とレンズ光学系１０の中間に第１光路補正部材２０２を配置したが、第１光路補正部材２０２を、レンズ光学系１０の上方、すなわち、レンズ光学系１０とフロントガラス３２との間に配置してもよい。第１シリンドリカルレンズ２０４と第２シリンドリカルレンズ２０６は互いに交差し、且つ共に曲面状のレンズ面がフロントガラス３２側に位置するように配置する。この場合も、歪みのない良好な虚像５４を観察者に表示することができる。
【００７３】
また、第１シリンドリカルレンズ２０４および第２シリンドリカルレンズ２０６の一方を画像表示部３０とレンズ光学系１０の間に配置し、他方をレンズ光学系１０の上方に配置してもよい。第１シリンドリカルレンズ２０４と第２シリンドリカルレンズ２０６は互いに交差し、且つ共に曲面状のレンズ面がフロントガラス３２方向を向くように配置する。この場合も、歪みのない良好な虚像５４を観察者に表示することができる。
【００７４】
（第３の実施の形態）
図１６は、本発明の第３の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ３００を説明するための図である。ヘッドアップディスプレイ３００においても、第１および第２の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイと同一または対応する構成要素については同一の符号を付すとともに詳細な説明を省略する。本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ３００では、図１５に示す第２の実施の形態と同様の光学ユニット１６を用いているが、光学ユニット１６内におけるレンズ光学系、画像表示部および第１光路補正部材などの構成要素については図示を省略している。
【００７５】
図１６に示すヘッドアップディスプレイ３００は、フロントガラス３２における画像表示光の入射角θｉｎおよび反射角θｏｕｔが変化するよう光学ユニット１６を移動させる移動機構（図示せず）を備える。この移動機構は、フロントガラス３２における投影領域の中央を中心とした円に沿って光学ユニット１６を移動することができるように構成されている。このように光学ユニット１６を移動させる移動機構は、たとえばスライドレール、モータ等を用いて構成することができる。図１６では、光学ユニット１６を位置１６ａ、１６ｂ、１６ｃの３つの位置に移動させた様子を示している。
【００７６】
このように光学ユニット１６を移動可能に構成することにより、フロントガラス３２における画像表示光３０２の入射角θｉｎおよび反射角θｏｕｔが変化するので、運転者５０の視点の高さが変化した場合であっても、運転者５０に虚像を視認させることができる。図１６では、光学ユニット１６が位置１６ａのときに最も低い視点５０ａに画像表示光３０２が到達し、光学ユニット１６が位置１６ｂのときに真ん中の視点５０ｂに画像表示光３０２が到達し、光学ユニット１６が位置１６ｃのときに最も高い視点５０ｃに画像表示光３０２が到達する様子が示されている。
【００７７】
本実施の形態において、真ん中の視点５０ｂから最も低い視点５０ａまでの距離および真ん中の視点５０ｂから最も高い視点５０ｃまでの距離は、１００ｍｍである。従って、真ん中の視点５０ｂから上下１００ｍｍの視点移動に対応できるように、光学ユニット１６の移動機構を構成する。本実施の形態では、運転者の座高の範囲を考慮して真ん中の視点５０ｂからの視点の移動距離を上下１００ｍｍと設定したが、この距離はもちろん他の値であってもよい。
【００７８】
しかしながら、図１６に示すようにフロントガラス３２が曲面形状となっている場合、光学ユニット１６から出射された画像表示光３０２をそのままフロントガラス３２で反射させてしまうと、たとえば光学ユニット１６が位置１６ｂのときにフロントガラス３２の曲面形状に基づく虚像の歪みが第１光路補正部材により補正されていたとしても、光学ユニット１６を位置１６ａや位置１６ｃに移動した場合に再び虚像の歪みが生じてしまう。
【００７９】
そこで、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ３００においては、光学ユニット１６とフロントガラス３２との間に、フロントガラス３２における画像表示光３０２の入射角θｉｎおよび反射角θｏｕｔを変化させることにより生ずる虚像の歪みを補正するための第２光路補正部材３０４が設けられている。この第２光路補正部材３０４は、自身への画像表示光３０２の入射位置および入射角に応じて異なる歪み補正を施すよう構成されている。すなわち、光学ユニット１６が位置１６ａの場合には画像表示光３０２は第２光路補正部材３０４の部位３０４ａに入射し、光学ユニット１６が位置１６ｂの場合には画像表示光３０２は第２光路補正部材３０４の部位３０４ｂに入射し、光学ユニット１６が位置１６ｃの場合には画像表示光３０２は第２光路補正部材３０４の部位３０４ｃに入射するが、第２光路補正部材３０４は、部位３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃごとに異なる歪み補正を画像表示光３０２に施すよう構成されているのである。
【００８０】
このような第２光路補正部材３０４を光学ユニット１６とフロントガラス３２との間に設けることにより、フロントガラス３２における画像表示光３０２の入射角θｉｎおよび反射角θｏｕｔが変化した場合であっても、画像表示光３０２に対して適切な歪み補正を施すことが可能となる。その結果、観察者の視点の高さが変わった場合であっても歪みのない良好な虚像を表示することができる。
【００８１】
なお、本実施の形態においても図５に示すレンズ光学系１０を用いてヘッドアップディスプレイ３００を構成しているため、第１の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００と同様に、光学ユニット１６を小型化することができる。
【００８２】
ヘッドアップディスプレイ３００は、運転者の視点の高さを検出する検出部と、検出された視点の高さに基づいて、フロントガラス３２で反射された画像表示光３０２が運転者５０の視点に到達するよう移動機構を制御する制御部とを備えていてもよい。
【００８３】
検出部は、運転者の手動により視点の高さを入力するものであってもよいし、運転者の眼球の位置を画像認識等で検出することにより自動的に視点の高さを検出するものであってもよい。
【００８４】
制御部は、演算処理を実行するＣＰＵ、制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ等を含んで構成されている。制御部は、光学ユニット１６の位置と視点の高さとの関係を予め保持しており、検出部により視点の高さが検出されると、該関係を参照して光学ユニット１６を配置すべき位置を求める。そして、制御部は光学ユニット１６が該位置となるように移動機能のモータに指示を出す。
【００８５】
このような検出部と制御部を備えることにより、運転者の視点の高さが変化した際に行うべき調整が容易となる。勿論、運転者が手動で光学ユニット１６の位置を調整するよう構成してもよい。この場合、装置構成が簡易化されるため、安価なヘッドアップディスプレイ３００を構成することができる。
【００８６】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】従来のヘッドアップディスプレイの一例を示す図である。
【図２】凹面鏡による遠方拡大表示の説明図を示す図である。
【図３】従来の別の光学ユニットの一例を示す図である。
【図４】第１の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイに用いられるレンズ光学系を説明するための図である。
【図５】レンズ光学系の断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、レンズ光学系の動作を説明するための図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイを説明するための図である。
【図８】試作した第１実施例の光学系を示す図である。
【図９】第１実施例において用いたレンズ光学系の諸元を示す図である。
【図１０】カメラにより撮像された虚像を示す図である。
【図１１】試作した第２実施例の光学系を示す図である。
【図１２】第２実施例において用いたレンズ光学系の諸元を示す図である。
【図１３】カメラにより撮像された虚像を示す図である。
【図１４】試作した第３実施例の光学系を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイを説明するための図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイを説明するための図である。
【符号の説明】
【００８８】
１０  レンズ光学系、  １２  第１レンズアレイプレート、  １４  第２レンズアレイプレート、  １６  光学ユニット、  １８  ハウジング、  ２０  第１凸レンズ群、  ２１  第１要素凸レンズ、  ２２  第２凸レンズ群、  ２３  第２要素凸レンズ、  ２４  第３凸レンズ群、  ２５  第３要素凸レンズ、  ３０  画像表示部、  ３２  フロントガラス、  ４０  物体、  ４２  虚像、  ５２  画像、  ５４  虚像、  ６０  カメラ、  ６２  目印、  １００、２００、３００  ヘッドアップディスプレイ、  ２０２  第１光路補正部材、  ２０４  第１シリンドリカルレンズ、  ２０６  第２シリンドリカルレンズ、  ３０４  第２光路補正部材。
【図１】
2010152005.tif 000003
【図２】
2010152005.tif 000004
【図３】
2010152005.tif 000005
【図５】
2010152005.tif 000006
【図６】
2010152005.tif 000007
【図７】
2010152005.tif 000008
【図８】
2010152005.tif 000009
【図９】
2010152005.tif 000010
【図１１】
2010152005.tif 000011
【図１２】
2010152005.tif 000012
【図１４】
2010152005.tif 000013
【図１５】
2010152005.tif 000014
【図１６】
2010152005.tif 000015
【図４】
2010152005.tif 000016
【図１０】
2010152005.tif 000017
【図１３】
2010152005.tif 000018