(57)【要約】  運転者側から見て、凹面形状の一部となる虚像面形状を有するヘッドアップディスプレイ装置を提供する。そのためヘッドアップディスプレイ装置(30)は、画像情報を表示する画像形成ユニット(10)と、画像形成ユニット(10)から出射された光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系(5)を含む投影光学系と、を含み、接眼光学系(5)は、球面レンズ(51)(52)(53)と、自由曲面ミラー(56)を含み、光の出射方向に沿って球面レンズ(51)(52)(53)、自由曲面ミラー(56)の順に配置されることにより構成される。
2017061040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像情報を含む光を出射する画像形成ユニットから出射された光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系を含む投影光学系であって、
前記接眼光学系は球面レンズ及び自由曲面ミラーを含み、前記光の出射方向に沿って前記球面レンズ、前記自由曲面ミラーの順に配置して構成される、
ことを特徴とする投影光学系。
【請求項２】
前記接眼光学系は、前記球面レンズ及び前記自由曲面ミラーの間に自由曲面レンズを更に配置して構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
【請求項３】
前記自由曲面レンズ及び前記自由曲面ミラーの間に反射ミラーを更に配置して構成される、
ことを特徴とする請求項２に記載の投影光学系。
【請求項４】
前記接眼光学系によって虚像面に投影される表示画像の面が平面形状であり、且つ、前記虚像面に前記光が入射する側から見て、前記虚像面が凹面状、もしくはその部分形状である、
ことを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
【請求項５】
前記虚像面の垂直方向の断面形状は、前記虚像面に前記光が入射する側に位置する前記虚像の観察者から見た上側の視線方向の虚像距離が、下側の視線方向の虚像距離よりも大きい、
ことを特徴とする請求項４に記載の投影光学系。
【請求項６】
前記虚像面の水平方向の断面形状は、前記虚像面に前記光が入射する側に位置する前記虚像の観察者から見た正面の視線方向の虚像距離が、左右側の視線方向の虚像距離よりも大きい、
ことを特徴とする請求項４に記載の投影光学系。
【請求項７】
画像情報を含む光を出射する画像形成ユニットと、
前記画像形成ユニットから出射された光を反射することで運転者に観察させる虚像を表示させる接眼光学系と、を備え、
前記接眼光学系は、球面レンズ及び自由曲面ミラーを含み、前記光の出射方向に沿って前記球面レンズ、前記自由曲面ミラーの順に配置して構成される、
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８】
前記接眼光学系は、前記球面レンズ及び前記自由曲面ミラーの間に自由曲面レンズを更に配置して構成される、
ことを特徴とする請求項７に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項９】
前記自由曲面レンズ及び前記自由曲面ミラーの間に反射ミラーを更に配置して構成される、
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】
前記接眼光学系によって虚像面に投影される表示画像の面が平面形状であり、且つ、前記運転者から見て、前記虚像面が凹面状、もしくはその部分形状である、
ことを特徴とする請求項７に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１１】
前記虚像面の垂直方向の断面形状は、前記運転者から見た上側の視線方向の虚像距離が、下側の視線方向の虚像距離よりも大きい、
ことを特徴とする請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１２】
前記虚像面の水平方向の断面形状は、前記運転者から見た正面の視線方向の虚像距離が、左右側の視線方向の虚像距離よりも大きい、
ことを特徴とする請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１３】
前記画像形成ユニットは、投影対象となる画像情報を表示する透過性を有する液晶表示パネル、前記液晶表示パネルを透過した前記画像情報を含む光束が入射されるリレー光学系、及び拡散機能を有するスクリーン板を含んで構成される、
ことを特徴とする請求項７に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１４】
前記画像形成ユニットは、レーザー光源、当該レーザー光源を光走査する光走査部、及び拡散機能を有するスクリーン板を含んで構成される、
ことを特徴とする請求項７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、投影光学系及びそれを用いたヘッドアップディスプレイ装置に関し、特に自動車や航空機なのでフロントガラスに画像を投影し、その画像をフロントガラス越しに虚像として観察するようにした投影光学系およびそれを用いたヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドアップディスプレイ装置に関する技術として、特許文献１には、「透過型の液晶表示パネル、液晶表示パネルに背後から光を照射するバックライト、液晶表示パネル上に表示される画像を拡大投影する投影光学系を備える。投影光学系は、リレーレンズと投影レンズ（接眼光学系）とからなる。リレーレンズは、いくつかの条件を満たすことでテレセントリック性の表示光を効率良く利用するように構成されており、液晶表示パネルに表示された画像を拡大して実像を結像する。投影レンズは、実像をさらに拡大して、自動車のフロントガラスに投影し、運転手に対して虚像を表示する（要約抜粋）」構成が開示されている。【０００３】
この特許文献１のヘッドアップディスプレイ装置では、運転者の前方２ｍ先に、スピードメータやタコメータ、水温計、燃料計等の各種計器類の値を虚像で表示している。これによって、各種計器類の値を虚像で見る視線方向と、運転者が見る前景の視線方向との差が小さくなるので、この２つの視線方向の間での視線移動に要する時間を低減できる。【０００４】
また、各種計器類等を直接見る距離よりも、虚像までの距離（２ｍ前方）の方が、運転者が見ている前景までの距離に近くなるので、前景の中の対象物に眼のピントを合わせた状態と、虚像にピントを合わせた状態の間での眼のピント合わせに要する時間も短縮できる。【０００５】
この２つの利点により、ヘッドアップディスプレイ装置による、自動車の運転の安全性の向上が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２２９５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されたヘッドアップディスプレイ装置例では、液晶表示パネルに表示した映像光は、リレー光学系で実像（特許文献１の図２のＩｒ）として写像され、接眼光学系（同図のＬ１）を介して、虚像（同図のＩｖ）を観察する構成になっている。写像関係で整理すると、液晶表示パネル上の映像光（平面）が実像Ｉｒ（平面）に写像され、さらに、実像Ｉｒ（平面）が虚像Ｉｖ（平面）に写像されている。【０００８】
しかしながら、運転者の前景は、二次元状の平面ではなく、三次元状の空間である。そこで、図１２を用いて、自動車（自車）に乗った運転者からの視線方向とそこまでの距離について説明する。【０００９】
自車１０１の運転者が見る前景としての視野範囲には、前方を走る前走車１０２や、その手前の路面１０５（例えば、路面に落下物が無いかどうか等）や、道路の端で近くを走る自転車や、歩道の歩行者などが存在する。【００１０】
前方を走る前走車１０２を見る視線方向１０３は真正面の方向から視線をやや下げた方向になるが、道路上でその手前の路面１０５を見る視線方向１０４は、さらに、視線を下げた方向になる。このように、運転中に運転者が注意すべき対象物は、視線方向に応じてそこまでの距離が異なり、虚像面全体では大きく傾いているようにみえることが分かる。【００１１】
従って、自動車の運転の安全性をさらに向上させるために、運転中に注視している対象物までの距離と、そのときに表示する虚像までの距離を近づけることで、眼のピント合わせのための時間を短縮することが重要である。この点に関し、特許文献１の技術は、３次元空間内では異なる視線方向及び視線距離に対象物が有る場合にも、各対象物に関する情報を平面状の虚像面に表示することにより対象物までの距離とその虚像までの距離が十分には近くできず、虚像の観察者が目のピント合わせをする際の負荷を更に低減させる技術が望まれているという実情がある。【００１２】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、ヘッドアップディスプレイ装置を用いて虚像を観察する運転者が、対象物及びその対象物に関する情報を表示する虚像を観察する際の視線移動にかかる負荷をより低減する技術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】
【００１３】
上記した課題を解決するために、本発明は画像情報を含む光を出射する画像形成ユニットから出射された光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系を含む投影光学系であって、前記接眼光学系は球面レンズ及び自由曲面ミラーを含み、前記光の出射方向に沿って前記球面レンズ、前記自由曲面ミラーの順に配置して構成される、ことを特徴とする。【００１４】
また本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置において画像形成ユニットと上記投影光学系とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ヘッドアップディスプレイ装置を用いて虚像を観察する運転者が、対象物及びその対象物に関する情報を表示する虚像を観察する際の視線移動にかかる負荷をより低減する技術を提供することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態の接眼光学系の全体光線図であり、（ａ）はＹＺ平面において虚像面の映像情報を運転者の眼で見ている様子を表し、（ｂ）はＸＺ平面において虚像面の映像情報を運転者の眼で見ている様子を表している。
【図２】第１実施形態の接眼光学系の要部拡大図
【図３】第１実施形態に係る接眼光学系のレンズ部の斜視拡大図
【図４】第１実施形態に係る接眼光学系のレンズデータを示す図
【図５】第１実施形態に係る接眼光学系の自由曲面係数の図
【図６】第１実施形態に係る接眼光学系の奇数次非球面係数の図
【図７】虚像面とその接平面の関係を示す説明図
【図８】第１実施形態の接眼光学系の歪性能を表す図
【図９】第１実施形態の接眼光学系のスポット図
【図１０】第１実施形態の接眼光学系の虚像距離を表す図
【図１１】ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図
【図１２】運転者の視野方向とその距離の違いを説明する図
【図１３】傾いた斜面での写像関係を説明する図
【図１４】スクリーン板（拡散板）での映像光の入射と出射の関係を説明する図
【図１５】微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems）を用いたヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図
【図１６】リレー光学系を用いない液晶表示パネル方式でのヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面等を用いて、本発明の一実施形態及び各種実施例について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００１８】
図１１を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置の基本構成について説明する。図１１はヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。
【００１９】
図１１に示すヘッドアップディスプレイ装置３０は、画像形成ユニット１０及び接眼光学系５を含む投影光学系２０から出射された映像光を、自動車（不図示）のフロントガラス６で反射させて運転者の眼８に入射させる構成を備える。
【００２０】
より詳しくは、バックライト１から液晶表示パネル２に照射された光束は、液晶表示パネル２に表示された映像情報を含んだ映像光束として、リレー光学系３に入射する。リレー光学系３での結像作用により、液晶表示パネル２上の映像情報は拡大されスクリーン板（拡散板）４上に拡大投写される。液晶表示パネル２上の点Ｐ１・Ｐ２・Ｐ３が、それぞれスクリーン板（拡散板）４の点Ｑ１・Ｑ２・Ｑ３に対応する。リレー光学系３を用いることで、表示サイズの小さい液晶表示パネルを使用することができる。バックライト１、液晶表示パネル２、リレー光学系３、及びスクリーン板（拡散板）４は、スクリーン板（拡散板）４上に画像情報（映像情報）を形成するので、これらを総称して画像形成ユニット１０という。
【００２１】
次に、スクリーン板（拡散板）４上の画像情報は、接眼光学系５によって、フロントガラス６に投写され、フロントガラス６で反射した光束が、運転者の眼８の位置に到達する。運転者の眼から見ると、あたかも、虚像面７の画像情報を見ているような関係性が成立する。スクリーン板（拡散板）４上の点Ｑ１・Ｑ２・Ｑ３が、それぞれ虚像面７の点Ｖ１・Ｖ２・Ｖ３に対応する。尚、眼８の位置を動かしても、虚像面７上の点Ｖ１・Ｖ２・Ｖ３が見ることができる範囲が、アイボックス９である。このように、接眼光学系は、カメラのファインダーの接眼レンズや、顕微鏡での接眼レンズと同様に、物（空間像）の像（虚像）を運転者の眼の前に表示する光学系である。
【００２２】
また、スクリーン板（拡散板）４は、マイクロレンズを２次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成される。これにより拡散作用が生じ、スクリーン板４を出射する光束の広がり角を大きくしており、アイボックス９の大きさを、所定の大きさにしている。尚、スクリーン板（拡散板）４の拡散作用は、拡散粒子を内蔵することでも実現できる。
【００２３】
背景技術で説明したが、運転中には、前走車の確認（ブレーキランプや右折・左折ランプの点灯）や、その手前の道路の路面の確認（落下物の有無など）や、さらに手前で道路の端の自転車・歩行者の確認などを行っている。
【００２４】
また、運転者はスピードメータや燃料計などの情報も確認するので、ヘッドアップディスプレイ装置を装備し、このヘッドアップディスプレイ装置により各種計器類の情報を虚像として運転者の前方に表示することにより、計器を確認する際の運転者の視線方向の移動が小さくなり、且つ、眼のピント合わせに要する時間も短縮でき、運転の安全性が向上できる。
【００２５】
ところで、前景の中の前走車と、その手前の路面と、さらに手前の道路の端の自転車・歩行者では、運転者からの距離が異なるので、それらに関係した情報を表示する虚像の距離を変えることで、さらに眼のピント合わせに要する時間を短縮でき、さらに、運転の安全性が向上できる。
【００２６】
前走車の位置、手前の路面、さらに手前で道路の端の自転車・歩行者の位置を繋いだ曲面は、運転者からみて凹面形状に見える。その凹面形状の部分に表示した虚像は、接眼光学系に対して斜めになっている。
【００２７】
ここで、像面（虚像面）に対して斜投写しながらも、歪性能に優れた光学系を実現できる回転非対称な形状である自由曲面レンズと自由曲面ミラーを用いた投影光学系の第１実施形態について説明する。
【００２８】
＜第１実施形態＞
第１実施形態は、図１１のヘッドアップディスプレイ装置３０のうち、特に虚像面７の形状に特徴がある。そこで、図１を参照して虚像面７の形状について説明する。図１は第１実施形態の接眼光学系５の全体光線図であり、（ａ）はＹＺ平面において虚像面７の映像情報を運転者の眼で見ている様子を表し、（ｂ）はＸＺ平面において虚像面７の映像情報を運転者の眼で見ている様子を表している。ＹＺ平面では右眼と左眼が重なっており（符号８参照）、ＸＺ平面では右眼と左眼が別々に見えている。ここで運転者は虚像面に光が入射する側に位置する虚像の観察者に相当する。
【００２９】
図１（ａ）のＹＺ図での虚像面７は、正面の視線方向に対して視線方向が下がると虚像距離が小さくなっている。また、図１（ｂ）のＸＺ図での虚像面７は、正面の視線方向に対して視線方向を左右に振ると虚像距離が小さくなっている。従って、運転者側からみた虚像面は、凹面形状であり、その凹面形状の部分に虚像を表示している。
【００３０】
図２は第１実施形態の接眼光学系の要部拡大図である。図２に示すように、接眼光学系５はスクリーン板（拡散板）４側から順に、正の屈折力の凸レンズ５１と、負の屈折力の凹レンズ５２と、正の屈折力の凸レンズ５３と、回転非対称な自由曲面レンズ５４と、シリンダミラー５５と、回転非対称な自由曲面ミラー５６と、フロントガラス６とを並べて配置することにより構成されている。回転非対称な自由曲面レンズ５４は、台形歪み補正作用を有する。
【００３１】
図３は、第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のレンズ部の斜視拡大図である。図３に示すように、自由曲面レンズ５４は、回転非対称な形状に構成される。尚、凹レンズ５２及び凸レンズ５３は、大きな偏心量（前後面での偏心は無し）を持っている。
【００３２】
図４は第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のレンズデータを示す図である。図４に示すレンズデータでは、曲率半径は曲率半径の中心位置が進行方向にある場合を正の符合で表し、面間距離は、各面の頂点位置から次の面の頂点位置までの光軸上の距離を表している。
【００３３】
偏心はＹ軸方向の値であり、倒れはＹＺ平面内でＸ軸回りの回転であり、偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用し、「普通偏心」では、偏心・倒れが作用した新しい座標系上での面間距離の位置に次の面が配置される。デセンタ・アンド・リターンの偏心及び倒れは、その面でのみ作用し、次の面に影響しない。
【００３４】
硝材名のＰＭＭＡはプラスチックのアクリル（Polymethyl methacrylate）であり、硝材名５８．３は屈折率が１．５８でアッベ数が３０の材料を表す。
【００３５】
図５は、第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の自由曲面係数の図である。図５の自由曲面係数は、下式（１）により求められる。
【数１】
2017061040.tif 000003
但し、自由曲面形状は、ＸＹＺ軸（Ｚ軸＝光軸）の座標空間において、円錐定数Ｋと曲率ｃ（＝曲率半径の逆数）で定義される回転対称な成分（円錐項）と、自由曲面係数Ｃｊで定義される回転非対称な成分（ＸＹ多項式項）で定義される。
【００３６】
例えば、Ｘが２次（ｍ＝２）でＹが３次（ｎ＝３）の場合は、ｊ＝｛(２＋３)２＋２＋３×３｝／２＋１＝１９であるＣ１９の係数が対応する。また、自由曲面のそれぞれの光軸の位置は、図４のレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。
【００３７】
図６は、第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の奇数次非球面係数の図である。図６の奇数次非球面係数は、下式（２）により求められる。
【数２】
2017061040.tif 000004
但し、奇数次非球面形状は回転対称な形状であり、ＸＹＺ軸（Ｚ軸＝光軸）の座標空間において、円錐定数Ｋと曲率ｃ（＝曲率半径の逆数）で定義される円錐項と、光軸Ｚからの距離ｈ（＝√（Ｘ２＋Ｙ２））とｈの１〜１３次の係数ＡＲ１〜ＡＲ１３で定義される。
【００３８】
また、第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のアナモフィック非球面係数は、下式（３）により求められる。但し、アナモフィック非球面形状は、回転非対称な形状であり、ＸＹＺ軸（Ｚ軸＝光軸）の座標空間において、ＸＺ断面での円錐定数Ｋｘと曲率ｃｕｘ（＝曲率半径の逆数）と、ＹＺ断面での円錐定数Ｋｙと曲率ｃｕｙ（＝曲率半径の逆数）で定義される。式（３）のｃｕｙ（＝１／ｒｄｙ）とｃｕｘ（＝１／ｒｄｘ）は図４で、ｒｄｙ＝９６８６ｍｍ、ｒｄｘ＝５５３１ｍｍであり、その他の係数は、全て０とした（記載省略）。
【数３】
2017061040.tif 000005
【００３９】
また、以下に、第１実施形態の接眼光学系のアイボックスサイズや、視野角などの値を、水平方向、垂直方向の順に示す。
アイボックスサイズ  １００×５０ｍｍ
スクリーン板での映像光の有効サイズ  ４０．３０×１８．８６ｍｍ
接平面での虚像サイズ      １６０３×５３４ｍｍ
視野角（全画角）          ５．４×１．８度
【００４０】
次に、第１実施形態の光学性能について図７から図９を用いて説明する。図７は虚像面７と、運転者８からみた投影虚像面７０の関係を説明する図である。図８は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の歪性能を表す図である。図９は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置のスポット図である。
【００４１】
図７の曲面形状の虚像面７での歪性能は、図８（ｂ）に示すように大きな歪量となっているが、虚像面７自体が曲面形状なので、運転者からみたみかけの歪性能とは異なる。そこで、運転者の眼の位置を基準に、虚像面７に接する接平面への投影虚像面７０での歪性能を計算したのが、図８（ａ）であり、運転者の眼からみた歪性能が矩形状になっていることが分かる。
【００４２】
図９は、虚像面７に物点を配置し、スクリーン板４でのスポット図を計算したスポット図を示しており、良好な光学性能を実現している。尚、このスポット図では、アイボックス９の大きさが水平１００ｍｍ×垂直５０ｍｍの全光束でのスポット図であり、実際の運転者が見る虚像の場合は、人の眼の虹彩の大きさ（最大でφ７ｍｍといわれている）でのスポット図は、図９よりも大幅に良くなっている。
【００４３】
次に、図１０は虚像面７の視野範囲の各点での虚像距離を示す図である。虚像面の形状、即ち、虚像面の各点までの虚像距離は、虚像面７の上辺の中央で最大値１６．２ｍ、上辺の左右端で１２．２ｍ、虚像面７の下辺の中央で１３．０ｍ、下辺の左右端で１１．１ｍとなっている。
【００４４】
本実施形態の作用効果について説明する。図１３は、接眼光学系５との関係で、視線方向と虚像面を表示した図である。接眼光学系５に対して虚像面７を傾けているので、写像関係を満足するためには、物面、即ちスクリーン板（拡散板）４を虚像面７とは逆方向に傾けることが必要となる。この写像関係が、シャインプルフの法則である。
【００４５】
このとき、スクリーン板（拡散板）４の上での映像光の形を矩形状（符号４ａ）とすれば、通常では虚像面７上の像は、図１３に示したような台形状（符号７ａ）になる。
【００４６】
図１４は、液晶表示パネル２上の映像光がリレー光学系３により、スクリーン板（拡散板）４に写像する様子を説明する図である。
【００４７】
図１４（ａ）は、スクリーン板（拡散板）４を通過した映像光が、接眼光学系５に向かうための配置である。この配置では、液晶表示パネル２のリレー光学系３による実像が、スクリーン板（拡散板）４に対して斜めに形成されるので、スクリーン板（拡散板）４の上の映像光の解像度が劣化してしまう。
【００４８】
一方で、図１４（ｂ）は、液晶表示パネル２とリレー光学系３とスクリーン板（拡散板）４を平行に配置することで、液晶表示パネル２の像とスクリーン板（拡散板）４の位置を一致させることができるので、スクリーン板（拡散板）４での解像度を優先した配置である。しかし、この配置では、スクリーン板（拡散板）４を通過する正透過の映像光の出射方向が、接眼光学系５の配置方向とずれるので、スクリーン板（拡散板）４での拡散作用があっても、最終的に表示される虚像が暗くなってしまう。
【００４９】
尚、スクリーン板（拡散板）４の拡散度を大きくすることで、接眼光学系に向かう光線を確保することは可能であるが、映像光を大きく拡散するので、やはり、最終的な虚像が暗くなってしまう。
【００５０】
以上の説明では、液晶表示パネル２での映像光をリレー光学系３で写像した実像をスクリーン板（拡散板）４で拡散する構成だが、スクリーン板（拡散板）の位置に、直接、液晶表示パネル（と拡散板）を配置する構成でも良いが、この場合でも図１４（ｂ）と同様に、液晶表示パネルを出射した光束が、接眼光学系の配置方向とずれるので、最終的な虚像が暗くなってしまう。
【００５１】
上記のように虚像面を単に傾斜させる構成の場合は、虚像の明るさと高解像度との両立が困難である。これに対し、本実施形態では、虚像面を曲面状に形成し、且つ、斜投写での収差補正能力を有する自由曲面ミラーおよび自由曲面レンズを用いることにより、虚像の明るさの確保と解像度の劣化の抑止とを両立することができる。
【００５２】
更にスクリーン板（拡散板）を曲面化させずに、虚像面の曲面化を実現しており、製造の容易さと同時に達成し、図１４（ａ）で説明したように、スクリーン板（拡散板）での解像度の劣化も防止できている。
【００５３】
本実施形態によれば、自由曲面レンズと自由曲面ミラーを用いた投影光学系により、スクリーン板（拡散板）での表示画像が平面状でありながら、虚像面形状を運転者側から見て凹面形状の一部としたヘッドアップディスプレイ装置を提供できる。
【００５４】
そして本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置によれば、前走車の位置に相当する虚像範囲に前走車に関する注意喚起情報を表示し、その手前の道路の路面の位置に相当する虚像範囲に落下物の存在を表示するなどの表示が可能である。
【００５５】
尚、前景の中の注意喚起の対象物とは関係しない、「自車のスピード」情報などは、通常の運転状態での視野方向となる、前走車の位置に相当する虚像範囲に表示することが望ましい。
【００５６】
＜第２実施形態＞
第２実施形態は、画像形成ユニット１０の構成が第１実施形態とは異なる点に特徴がある。図１５は、微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems）を用いたヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。
【００５７】
図１５に示すように、第一実施形態の画像形成ユニット１０に代えて、第二実施形態に係る画像形成ユニット１０ａはレーザー光源１２１と、レーザー光源１２１を光走査する光走査部１２２であって、ミラー１２２ａ及びミラー１２２ａのレーザー光源１２１に対する角度を変えるミラー駆動部１２２ｂを含む光走査部１２２と、拡散機能を有するスクリーン板１２３とを含む微小電気機械システムを用いた画像形成ユニット１０ａを用いてもよい。
【００５８】
＜第３実施形態＞
第３実施形態も、画像形成ユニット１０の構成が第１実施形態とは異なる点に特徴がある。図１６は、リレー光学系を用いない液晶表示パネル方式でのヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。第１実施形態では図１０に示すように、液晶表示パネル２の映像光をリレー光学系３で写像しているが、図１６のように、第３実施形態に係る画像形成ユニット１０ｂでは、バックライト１の光を直接、第１実施形態より大きな液晶表示パネル２に照射し、液晶表示パネル２に表示された映像情報を含んだ映像光束として、接眼光学系５で虚像７として表示する構成である。
【００５９】
尚、この第３実施形態では、バックライト１の光束の広がりが不十分な場合は、液晶表示パネル２の近傍に拡散板を配置する。
【００６０】
また、第１・第２実施形態に共通な効果として、自由曲面レンズと自由曲面ミラーの間に配置した反射ミラーで光路を折り曲げることで、自由曲面ミラーと合わせて光路をＺ字状に折り曲げ、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化を実現している。尚、自由曲面レンズと自由曲面ミラーの間の反射ミラーを配置せずに、自由曲面ミラーを除くヘッドアップディスプレイ装置本体をバックミラーの近傍に配置する構成では、この反射ミラーを不要とできる。
【００６１】
更に、虚像面の解像度の低下を許容する構成においては、曲面レンズと自由曲面ミラーの間に自由曲面レンズを配置しない構成も可能である。この場合においても、上記各実施形態と同様、虚像面に投影される表示画像の面（投影虚像面）が平面形状であり、且つ、虚像面に光が入射する側から見て、虚像面が凹面状、もしくはその部分形状とすることは可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１…バックライト、２…液晶表示パネル、３…リレー光学系、４…スクリーン板（拡散板）、５…接眼光学系、６…フロントガラス、７…虚像面、８…アイボックス、９…運転者の眼、１０…画像形成ユニット、５１…第１レンズ、５２…第２レンズ、５３…第３レンズ、５４…自由曲面レンズ、５５…シリンダミラー、５６…自由曲面ミラー、７０…投影虚像面、１０１…自車、１０２…前走車、１０３…遠距離の視線、１０４…近距離の視線、１０５…路面
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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