(57)【要約】ヘッドアップディスプレイ（１０）は、画像を表示する表示素子（２１０）と、表示素子（２１０）に表示された画像を観察者（Ｄ）の視点領域（４００）に投射させる投射光学系と、を備える。投射光学系は、表示素子（２１０）から観察者（Ｄ）の視点領域（４００）までの光路の間に、コンバイナ（２３０）を有している。コンバイナ（２３０）は、表示素子（２１０）からの光が入射する表面は曲面形状である。観察者（Ｄ）の視点領域（４００）に対応するコンバイナ（２３０）上の有効領域において、コンバイナ（２３０）の水平方向の断面は、中心から端に向かって厚みが変化する形状である。
2017038043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する表示素子と、前記表示素子に表示された画像を観察者の視点領域に投射させる投射光学系と、を備え、
前記投射光学系は、前記表示素子から前記観察者の前記視点領域までの光路の間に、コンバイナを有し、
前記コンバイナは、前記表示素子からの光が入射する表面は曲面形状であり、
前記観察者の前記視点領域に対応する前記コンバイナ上の有効領域において、前記コンバイナの水平方向の断面が、中心から端に向かって厚みが変化する形状であ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】
画像を表示する表示素子と、前記表示素子に表示された画像を観察者の視点領域に投射させる投射光学系と、を備え、
前記投射光学系は、前記表示素子から前記観察者の前記視点領域までの光路の間に、ウインドシールドを有し、
前記ウインドシールドは、前記表示素子からの光が入射する表面は曲面形状であり、
前記観察者の前記視点領域に対応する前記ウインドシールド上の有効領域において、前記ウインドシールドの水平方向の断面が、中心から端に向かって厚みが変化する形状であることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
【請求項３】
前記コンバイナは、前記観察者の前記視点領域に対応する前記コンバイナ上の前記有効領域において、前記コンバイナの水平方向の断面が、中心から少なくとも右または左の一端に向かって厚みが厚くなる形状である請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項４】
前記コンバイナは、前記観察者の前記視点領域に対応する前記コンバイナ上の有効領域において、前記コンバイナの垂直方向の断面が、一端から他端に向かって厚みが薄くなる形状である、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項５】
前記表示素子の映像を反射させ、前記観察者へ導く反射素子を有する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項６】
前記コンバイナの表面および裏面が前記観察者から見て凹面形状である、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項７】
前記コンバイナの表面および裏面が自由曲面形状である、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項８】
前記ウインドシールドは、前記観察者の前記視点領域に対応する前記ウインドシールド上の前記有効領域において、前記ウインドシールドの水平方向の断面が、中心から少なくとも右または左の一端に向かって厚みが厚くなる形状である請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項９】
前記ウインドシールドは、前記観察者の前記視点領域に対応する前記ウインドシールド上の前記有効領域において、前記ウインドシールドの垂直方向の断面が、一端から他端に向かって厚みが薄くなる形状である、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１０】
前記表示素子の映像を反射させ、前記観察者へ導く反射素子を有する、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１１】
前記ウインドシールドの表面および裏面が前記観察者から見て凹面形状である、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１２】
前記ウインドシールドの表面および裏面が自由曲面形状である、請求項２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】
本開示は、反射手段を介して表示画像を虚像として観察者に視認させるヘッドアップディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、コンバイナの表面および裏面で反射して視認される各表示像の虚像が２重像となることを防止しながら、１倍以上の倍率で表示像を明瞭に視認可能にしたヘッドアップディスプレイが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−５８６８８号公報
【発明の概要】
【０００４】
本開示は、観察者の視点領域内の全領域において、コンバイナやウインドシールド等の表面および裏面で反射して視認される虚像が２重像となることを抑制可能なヘッドアップディスプレイを提供する。
【０００５】
本開示の第１の態様のヘッドアップディスプレイは、画像を表示する表示素子と、表示素子に表示された画像を観察者の視点領域に投射させる投射光学系と、を備える。投射光学系は、表示素子から観察者の視点領域までの光路の間に、コンバイナを有している。コンバイナは、表示素子からの光が入射する表面は曲面形状である。観察者の視点領域に対応するコンバイナ上の有効領域において、コンバイナの水平方向の断面は、中心から端に向かって厚みが変化する形状である。
【０００６】
本開示の第２の態様のヘッドアップディスプレイは、画像を表示する表示素子と、表示素子に表示された画像を観察者の視点領域に投射させる投射光学系と、を備える。投射光学系は、表示素子から観察者の視点領域までの光路の間に、ウインドシールドを有している。ウインドシールドは、表示素子からの光が入射する表面は曲面形状である。観察者の視点領域に対応するウインドシールド上の有効領域において、ウインドシールドの水平方向の断面は、中心から端に向かって厚みが変化する形状である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本開示のヘッドアップディスプレイを搭載した、車両の断面を示す模式図である。
【図２】図２は、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光学断面を示す模式図である。
【図３】図３は、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光学断面を示す模式図である。
【図４】図４は、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光学断面を示す模式図である。
【図５】図５は、第５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光学断面を示す模式図である。
【図６Ａ】図６Ａは、第１、第２の実施の形態に係るコンバイナの中心を通る垂直面で切断した縦断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、第１、第２の実施の形態に係るコンバイナの中心を通る水平面で切断した横断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、第５の実施の形態に係るウインドシールドの中心を通る垂直面で切断した縦断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、第５の実施の形態に係るウインドシールドの中心を通る水平面で切断した横断面図である。
【図８】図８は、第１〜第５の数値実施例の座標系を示す図である。
【図９】図９は、第１の数値実施例に対する比較例での観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１０】図１０は、第１の数値実施例に係る観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１１】図１１は、第２の数値実施例に対する比較例での観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１２】図１２は、第２の数値実施例に係る観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１３】図１３は、第３の数値実施例に対する比較例での観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１４】図１４は、第３の数値実施例に係る観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１５】図１５は、第４の数値実施例に対する比較例での観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１６】図１６は、第４の数値実施例に係る観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１７】図１７は、第５の数値実施例に対する比較例での観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１８】図１８は、第５の数値実施例に係る観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【０００９】
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
【００１０】
〔１．構成〕
第１〜第５の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイについて、図面を参照して、以下、説明する。
【００１１】
図１は、第１〜第４の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０を設置した車両１００を示す模式図である。図１、２に示すように、第１〜第４の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０は、車両１００のウインドシールド１２０の下部のダッシュボード１１０に配置される部材とコンバイナ２３０とから構成される。車両１００内部の観察者（通常、車両１００の運転者）Ｄは、ヘッドアップディスプレイ１０を介して虚像Ｉを視認する。光路Ｌが図中に示されている。また、図１、５に示すように、第５の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイは、ダッシュボード１１０に配置される部材とウインドシールド１２０とから構成される。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０の模式図である。図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１０は、筐体２００と、表示素子２１０と、コンバイナ２３０とを備えており、観察者Ｄからみて、コンバイナ２３０は中央に配置されている。ヘッドアップディスプレイ１０は、表示素子２１０が表示する画像を、コンバイナ２３０の表面２３０Ｆを介して反射させ、車両１００内部の観察者Ｄの視点領域４００に導いて虚像Ｉを提示するものである。ここで視点領域は、観察者Ｄが目を移動させる領域であり、観察者が視点領域内で目を移動させた時に観察者は虚像Ｉを視認し得る。ヘッドアップディスプレイ１０は、表示素子２１０に表示された画像を観察者Ｄの視点領域４００に投射させる投射光学系を備え、投射光学系は、表示素子２１０から観察者Ｄの視点領域４００までの光路の間に、コンバイナ２３０を備えている。
【００１３】
（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０の模式図である。図３に示すように、ヘッドアップディスプレイ１０は、筐体２００と、表示素子２１０と、反射素子（折り返しミラー）２２０と、コンバイナ２３０とを備えており、観察者Ｄから見て、コンバイナ２３０は中央に配置されている。ヘッドアップディスプレイ１０は、表示素子２１０が表示する画像を、反射素子２２０と、コンバイナ２３０の表面２３０Ｆとを介して反射させ、車両１００内部の観察者Ｄの視点領域４００に導いて虚像Ｉを提示するものである。ヘッドアップディスプレイ１０は、表示素子２１０に表示された画像を観察者Ｄの視点領域４００に投射させる投射光学系を備え、投射光学系は、表示素子２１０から観察者Ｄの視点領域４００までの光路の間に、コンバイナ２３０を備えている。投射光学系は反射素子２２０およびコンバイナ２３０を備えている。図３では、表示素子２１０からコンバイナ２３０へ光線を導くために１つの反射素子２２０を用いた場合を示しているが、複数の反射素子２２０を備えていても良い。
【００１４】
（第３の実施の形態）
図４は、第３の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイの模式図である。図４に示すように示すように、ヘッドアップディスプレイ１０は、筐体２００と、表示素子２１０と、コンバイナ２３０とを備えており、観察者Ｄから見て、コンバイナ２３０は中央に配置されている。ヘッドアップディスプレイ１０は、表示素子２１０が表示する画像を、コンバイナ２３０の表面２３０Ｆを介して反射させ、車両１００内部の観察者Ｄの視点領域４００に導いて虚像Ｉを提示するものである。ヘッドアップディスプレイ１０は、表示素子２１０に表示された画像を観察者Ｄの視点領域４００に投射させる投射光学系を備え、投射光学系は、表示素子２１０から観察者Ｄの視点領域４００までの光路の間に、コンバイナ２３０を備えている。
【００１５】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０の構成は、第２の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０（図３）の構成とほぼ同じであり、コンバイナ２３０の位置が異なるだけである。第２の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０では、観察者Ｄから見て、コンバイナ２３０は中央に配置されている。すなわち、観察者Ｄの視線上にコンバイナ２３０の縦中心線（幅方向の中央を通る縦線）が位置する。これに対し、第４の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０では、観察者Ｄから見て、コンバイナ２３０は右側に配置されている。すなわち、観察者Ｄから見て、コンバイナ２３０の縦中心線が、観察者Ｄの視線上の位置よりも右側にずれた位置にある。
【００１６】
（第５の実施の形態）
図５は、第５の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイの模式図である。図５に示すように、ヘッドアップディスプレイ１１は、筐体３００と、表示素子３１０と、投射光学系３３０とを備えている。投射光学系３３０は、第１の反射素子３２１および第２の反射素子３２２からなる反射素子群３２０と、ウインドシールド１２０とを備えている。ヘッドアップディスプレイ１１は、表示素子３１０が表示する画像を、反射素子群３２０と、ウインドシールド１２０の表面１２０Ｆとを介して反射させ、車両１００内部の観察者Ｄの視点領域４００に導いて虚像Ｉを提示するものである。投射光学系３３０は、表示素子３１０に表示された画像を観察者Ｄの視点領域４００に投射させるもので、表示素子３１０から観察者Ｄの視点領域４００までの光路の間にウインドシールド１２０を備えている。表示素子３１０からウインドシールド１２０へ光線を導くために、反射素子群３２０を使用せず、表示素子３１０をウインドシールド１２０へ直接投射しても良い。投射光学系３３０に、１枚の反射素子または３枚以上の反射素子を用いても良い。投射光学系３３０にレンズ素子を含んでも良い。
【００１７】
第１〜第４の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０は、筐体２００を備えるが、筐体２００は必須の構成要素ではなく、車両１００のダッシュボード１１０が筐体２００の代わりを担っても良い。
【００１８】
第５の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１１は、筐体３００を備えるが、筐体３００は必須の構成要素ではなく、車両１００のダッシュボード１１０が筐体３００の代わりを担っても良い。
【００１９】
表示素子２１０、３１０に表示される画像情報は、図示しないマイコン等の制御部によって制御される。画像情報としては、エンジンの回転速度、車速、方向指示、道路進行案内表示や、前方車両までの距離、車のバッテリー残量、現在の車速など、各種の情報を表示することができる。表示素子２１０、３１０には、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、有機発光ダイオード（エレクトロルミネッセンス）、蛍光表示装置（セブンセグメント）、プラズマディスプレイなどが用いられる。また、表示素子２１０、３１０の代わりに、プロジェクタや走査型レーザを用いることも可能である。
【００２０】
〔２．効果等〕
以上のように構成されたヘッドアップディスプレイ１０、１１について、図面を用いて、その効果等を以下に説明する。
【００２１】
図２〜図４に示すヘッドアップディスプレイ１０では、表示素子２１０から射出された光線が、コンバイナ２３０の表面２３０Ｆで反射される表示光と、コンバイナの裏面２３０Ｒで反射される表示光とにずれてしまうと、観察者Ｄには２重像となって見えてしまい、画質を著しく悪化させてしまう。また同様に、図５に示すヘッドアップディスプレイ１１では、表示素子３１０から射出された光線が、ウインドシールドの表面１２０Ｆで反射される表示光と、ウインドシールドの裏面１２０Ｒで反射される表示光とにずれてしまうと、観察者Ｄには２重像となって見えてしまい、画質を著しく悪化させてしまう。
【００２２】
図６Ａは、コンバイナ２３０の有効領域の中心を通る垂直面で切断した縦断面図である。図６Ｂはコンバイナ２３０の有効領域の中心を通る水平面で切断した横断面図である。コンバイナ２３０の表面２３０Ｆは表示素子２１０から射出された光線が入射する側の面であり、裏面２３０Ｒは表面２３０Ｆとは反対側の面である。
【００２３】
図６Ａのように、コンバイナ２３０の有効領域は、下部の厚みＴ１から上部の厚みＴ２にかけて厚みが漸次変化するような形状である。また、図６Ｂのように、コンバイナ２３０の有効領域は、中心の厚みＴ３から左右の厚みＴ４とＴ５にかけて漸次変化するような形状である。ここで、上下左右とは、観察者Ｄから見た方向であり、コンバイナ２３０の中心とは、視点領域４００の中心と虚像Ｉの中心とを結ぶ直線と、コンバイナ２３０との交点である。コンバイナ２３０の上端、下端、左端、右端とは、それぞれコンバイナ２３０の有効領域の上端、下端、左端、右端である。コンバイナ２３０の有効領域とは、観察者Ｄの視点領域４００に対応するコンバイナ２３０上の領域であり、観察者Ｄが視点領域４００からコンバイナ２３０を見たときに虚像Ｉが視認されるコンバイナ２３０上の領域である。
【００２４】
図６Ａでは下端の厚みＴ１に比べて上端の厚みＴ２を大きくしており、下端から上端にかけて厚みが単調に増加している例を示しているが、必ずしも厚みＴ１より厚みＴ２が大きくなる必要はない。これらの関係はコンバイナの配置によって変化し得る。例えば、図４のように、コンバイナ２３０に入射する光線が、観察者Ｄから見て上から下へ向かい、コンバイナ２３０から観察者Ｄへ出射する光線が、観察者Ｄから見て上から下へ向かう場合、厚みＴ１のほうが厚みＴ２より大きくなる。
【００２５】
また、図６Ｂでは中心の厚みＴ３に比べて両端部の厚みＴ４、Ｔ５を大きくしており、中心から両端にかけて厚みが単調に増加している例を示している。図６Ｂに示すように、コンバイナ２３０は、観察者Ｄの視点領域に対応するコンバイナ２３０上の有効領域において、コンバイナ２３０の水平方向の断面が、中心から少なくとも右または左の一端に向かって厚みが厚くなる形状である。
【００２６】
図７Ａは、ウインドシールド１２０の有効領域の中心を通る垂直面で切断した縦断面図、図７Ｂはウインドシールド１２０の有効領域の中心を通る水平面で切断した横断面図である。ウインドシールド１２０の表面１２０Ｆは表示素子３１０から射出された光線が入射する側の面であり、裏面１２０Ｒは表面１２０Ｆとは反対側の面である。図７Ａのように、ウインドシールド１２０の有効領域は、下端の厚みＴ１から上端の厚みＴ２にかけて漸次変化するような形状である。上下左右とは、観察者Ｄから見た方向である。また、ウインドシールド１２０の中心とは、視点領域４００の中心と虚像Ｉの中心とを結ぶ直線と、ウインドシールド１２０との交点である。ウインドシールド１２０の上端、下端、左端、右端とは、それぞれウインドシールド１２０の有効領域の上端、下端、左端、右端である。ウインドシールド１２０の有効領域とは、観察者Ｄの視点領域４００に対応するウインドシールド１２０上の領域であり、観察者Ｄが視点領域４００からウインドシールド１２０を見たときに虚像Ｉが視認されるウインドシールド１２０上の領域である。
【００２７】
図７Ａでは下端の厚みＴ１に比べて上端の厚みＴ２を大きくしており、下端から上端にかけて厚みが単調に増加している例を示しているが、必ずしも厚みＴ１より厚みＴ２が大きくなる必要はない。これらの関係はヘッドアップディスプレイの配置によって変化し得る。例えば、ウインドシールドに入射する光線が、観察者から見て上から下へ向かい、ウインドシールドから観察者へ出射する光線が、観察者から見て上から下へ向かう場合、厚みＴ１は厚みＴ２より大きくなる。
【００２８】
また、図７Ｂのように、ウインドシールド１２０の中心の厚みＴ３から左右端の厚みＴ４とＴ５にかけて漸次変化するような形状である。具体的には、Ｔ３よりＴ４が大きくなり、Ｔ３よりＴ５が小さくなる形状である。ここで、Ｔ３よりＴ４が大きくなり、Ｔ３よりＴ５が小さくなる必要はない。これらの関係はヘッドアップディスプレイの配置によって変化し得る。
【００２９】
図７Ｂのように、ウインドシールド１２０の形状が、観察者Ｄから見て左に行くに従って、観察者Ｄの側に湾曲しているような左ハンドル車の場合、厚みＴ３より厚みＴ４が大きくなり、厚みＴ３より厚みＴ５が小さくなる。これに対し、観察者Ｄから見て右に行くに従って、観察者Ｄの側に湾曲しているような右ハンドル車の場合、厚みＴ３より厚みＴ４が小さくなり、厚みＴ３より厚みＴ５が大きくなる。
【００３０】
左ハンドル車および右ハンドル車のいずれの場合も、ウインドシールド１２０は、観察者Ｄの視点領域に対応するウインドシールド１２０上の有効領域において、ウインドシールド１２０の水平方向の断面が、中心から少なくとも右または左の一端に向かって厚みが厚くなる形状である。
【００３１】
コンバイナ２３０やウインドシールド１２０をこのような形状とすることで、コンバイナ２３０やウインドシールド１２０の表面と裏面で反射される表示光を重畳させることができ、観察者Ｄが視認する表示像が２重像になることを回避することができる。
【００３２】
図９、図１１、図１３、図１５、図１７は、それぞれ第１、第２、第３、第４、第５の実施の形態において、コンバイナ２３０またはウインドシールド１２０の表面と裏面の形状を同じにした場合（比較例）の、視点領域４００から虚像Ｉを見た時の模式図である。また、図１０、図１２、図１４、図１６、図１８は、それぞれ第１、第２、第３、第４、第５の実施の形態における、コンバイナ２３０またはウインドシールド１２０を用いた場合の、視点領域４００から虚像Ｉを見た時の模式図である。この場合のコンバイナ２３０またはウインドシールド１２０の表面と裏面の形状は、以下の第１〜第５の数値実施例で説明する。視点領域４００は、横１７０ｍｍ×縦５０ｍｍの矩形である。
【００３３】
図９〜１８において、（１）〜（９）は、視点領域４００の中の観察位置であり、それぞれの観察位置から虚像Ｉを見た時の模式図である。観察位置（１）は視点領域４００の中心であり、その下端と上端がそれぞれ観察位置（２）と観察位置（３）である。視点領域４００の右端での上端、中央、下端の位置がそれぞれ観察位置（５）、（４）、（６）である。視点領域４００の左端での上端、中央、下端の位置がそれぞれ観察位置（８）、（７）、（９）である。実線は視点領域４００から見た場合のコンバイナ２３０の表面２３０Ｆまたはウインドシールド１２０の表面１２０Ｆから反射された光線による虚像を示している。破線は視点領域４００から見た場合のコンバイナ２３０の裏面２３０Ｒまたはウインドシールド１２０の裏面１２０Ｒから反射された光線による虚像を示している。
【００３４】
図１０、図１２、図１４、図１６、図１８に示すように、本開示のコンバイナ２３０またはウインドシールド１２０の形状とすることで、視点領域４００の全域で２重像が良好に補正される。すなわち、視点領域４００内において観察者Ｄはどの位置で観察しても良好な虚像を視認することが可能である。
【００３５】
（数値実施例）
以下、第１〜第３の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイを具体的に実施した数値実施例を説明する。なお、各数値実施例において、各表の長さの単位はすべて「ｍｍ」であり、角度の単位はすべて「°」である。また、各数値実施例において、自由曲面は次式で定義している。
【００３６】
【数１】
2017038043.tif 000003
【００３７】
【数２】
2017038043.tif 000004
【００３８】
【数３】
2017038043.tif 000005
【００３９】
ここで、ｚは面を定義する軸から（ｘ，ｙ）の位置におけるサグ量、ｃは面を定義する軸の原点における曲率、ｋはコーニック定数、ｍ、ｎは、０以上の整数、Ｃｊは単項式ｘｍｙｎの係数である。
【００４０】
また、各数値実施例において、基準となる座標原点は表示素子５００（表示素子２１０または表示素子３１０）の表示画像５１０の中心であり、図８で示すようにＸ，Ｙ，Ｚ軸を定義している。
【００４１】
さらに、各数値実施例中の偏心データにおいて、ＡＤＥとはＸ軸を中心にＺ軸方向からＹ軸方向に回転した量、ＢＤＥとはＹ軸を中心にＸ軸方向からＺ軸方向に回転した量、ＣＤＥとはＺ軸を中心にＸ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。
【００４２】
（第１の数値実施例）
第１の数値実施例の投射光学系は、第１の実施の形態に対応する。第１の数値実施例の投射光学系の構成データを表１に、多項式自由曲面の係数を表２に、コンバイナの諸量を表３に示している。表３のＴ１〜Ｔ５は、数１に記載のｘ、ｙ座標での肉厚であり、図６Ａ、図６ＢのＴ１〜Ｔ５に対応する。
【００４３】
【表１】
2017038043.tif 000006
【００４４】
【表２】
2017038043.tif 000007
【００４５】
【表３】
2017038043.tif 000008
【００４６】
（第２の数値実施例）
第２の数値実施例の投射光学系は、第２の実施の形態に対応する。第２の数値実施例の投射光学系の構成データを表４に、多項式自由曲面の係数を表５に、コンバイナの諸量を表６に示し、表５のＴ１〜Ｔ５は、数１に記載のｘ、ｙ座標での肉厚であり、図６Ａ、図６ＢのＴ１〜Ｔ５に対応する。
【００４７】
【表４】
2017038043.tif 000009
【００４８】
【表５】
2017038043.tif 000010
【００４９】
【表６】
2017038043.tif 000011
【００５０】
（第３の数値実施例）
第３の数値実施例の投射光学系は、第３の実施の形態に対応する。第３の数値実施例の投射光学系の構成データを表７に、多項式自由曲面の係数を表８に、コンバイナの諸量を表９に示し、表９のＴ１〜Ｔ５は、数１に記載のｘ、ｙ座標での肉厚であり、図６Ａ、図６ＢのＴ１〜Ｔ５に対応する。
【００５１】
【表７】
2017038043.tif 000012
【００５２】
【表８】
2017038043.tif 000013
【００５３】
【表９】
2017038043.tif 000014
【００５４】
（第４の数値実施例）
第４の数値実施例の投射光学系は、第４の実施の形態に対応する。第４の数値実施例の投射光学系の構成データを表１０に、多項式自由曲面の係数を表１１に、コンバイナの諸量を表１２に示し、表１２のＴ１〜Ｔ５は、数１に記載のｘ、ｙ座標での肉厚であり、図６Ａ、図６ＢのＴ１〜Ｔ５に対応する。
【００５５】
【表１０】
2017038043.tif 000015
【００５６】
【表１１】
2017038043.tif 000016
【００５７】
【表１２】
2017038043.tif 000017
【００５８】
（第５の数値実施例）
第５の数値実施例の投射光学系は、第５の実施の形態に対応する。第５の数値実施例の投射光学系の構成データを表１３に、多項式自由曲面の係数を表１４に、ウインドシールドの諸量を表１５に示し、表１５のＴ１〜Ｔ５は、数１に記載のｘ、ｙ座標での肉厚であり、図７Ａ、図７ＢのＴ１〜Ｔ５に対応する。
【００５９】
【表１３】
2017038043.tif 000018
【００６０】
【表１４】
2017038043.tif 000019
【００６１】
【表１５】
2017038043.tif 000020
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本開示にかかるヘッドアップディスプレイは、車載用などのヘッドアップディスプレイといった高画質が要求されるヘッドアップディスプレイに好適である。
【符号の説明】
【００６３】
１０，１１  ヘッドアップディスプレイ
１００  車両
１１０  ダッシュボード
１２０  ウインドシールド
１２０Ｆ  ウインドシールドの表面
１２０Ｒ  ウインドシールドの裏面
２００  筐体
２１０  表示素子
２２０  反射素子
２３０  コンバイナ
２３０Ｆ  コンバイナの表面
２３０Ｒ  コンバイナの裏面
３００  筐体
３１０  表示素子
３２０  反射素子群
３２１  第１の反射素子
３２２  第２の反射素子
３３０  投射光学系
４００  視点領域（アイボックス）
５００  表示素子
５１０  表示画像
Ｄ  観察者
Ｉ  虚像
Ｌ  光路
【図１】
2017038043.tif 000021
【図２】
2017038043.tif 000022
【図３】
2017038043.tif 000023
【図４】
2017038043.tif 000024
【図５】
2017038043.tif 000025
【図６Ａ】
2017038043.tif 000026
【図６Ｂ】
2017038043.tif 000027
【図７Ａ】
2017038043.tif 000028
【図７Ｂ】
2017038043.tif 000029
【図８】
2017038043.tif 000030
【図９】
2017038043.tif 000031
【図１０】
2017038043.tif 000032
【図１１】
2017038043.tif 000033
【図１２】
2017038043.tif 000034
【図１３】
2017038043.tif 000035
【図１４】
2017038043.tif 000036
【図１５】
2017038043.tif 000037
【図１６】
2017038043.tif 000038
【図１７】
2017038043.tif 000039
【図１８】
2017038043.tif 000040
【手続補正書】
【提出日】平成30年2月16日(2018.2.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、反射手段を介して表示画像を虚像として観察者に視認させるヘッドアップディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、コンバイナの表面および裏面で反射して視認される各表示像の虚像が２重像となることを防止しながら、１倍以上の倍率で表示像を明瞭に視認可能にしたヘッドアップディスプレイが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−５８６８８号公報
【発明の概要】
【０００４】
本開示は、観察者の視点領域内の全領域において、コンバイナやウインドシールド等の表面および裏面で反射して視認される虚像が２重像となることを抑制可能なヘッドアップディスプレイを提供する。
【０００５】
本開示の第１の態様のヘッドアップディスプレイは、画像を表示する表示素子と、表示素子に表示された画像を観察者の視点領域に投射させる投射光学系と、を備える。投射光学系は、表示素子から観察者の視点領域までの光路の間に、コンバイナを有している。コンバイナは、表示素子からの光が入射する表面は曲面形状である。観察者の視点領域に対応するコンバイナ上の有効領域において、コンバイナの水平方向の断面は、中心から端に向かって厚みが変化する形状である。具体的には、前記観察者が前記コンバイナを見下ろす場合、前記コンバイナは、前記コンバイナの垂直方向の断面が上端から下端に向かって厚みが薄くなる形状で構成される。前記観察者が前記コンバイナを見上げる場合、前記コンバイナは、前記コンバイナの垂直方向の断面が下端から上端に向かって厚みが薄くなる形状で構成される。前記観察者が左ハンドル車両の運転手である場合、前記コンバイナは、前記コンバイナの水平方向の断面が中心から前記観察者の左側に向かって厚みが厚くなる形状で構成される。そして、前記観察者が右ハンドル車両の運転手である場合、前記コンバイナは、前記コンバイナの水平方向の断面が中心から前記観察者の右側に向かって厚みが厚くなる形状で構成される。
【０００６】
本開示の第２の態様のヘッドアップディスプレイは、画像を表示する表示素子と、表示素子に表示された画像を観察者の視点領域に投射させる投射光学系と、を備える。投射光学系は、表示素子から観察者の視点領域までの光路の間に、ウインドシールドを有している。ウインドシールドは、表示素子からの光が入射する表面は曲面形状である。観察者の視点領域に対応するウインドシールド上の有効領域において、ウインドシールドの水平方向の断面は、中心から端に向かって厚みが変化する形状である。具体的には、前記観察者が前記ウインドシールドを見下ろす場合、前記ウインドシールドは、前記ウインドシールドの垂直方向の断面が上端から下端に向かって厚みが薄くなる形状で構成される。前記観察者が前記ウインドシールドを見上げる場合、前記ウインドシールドは、前記ウインドシールドの垂直方向の断面が下端から上端に向かって厚みが薄くなる形状で構成される。前記観察者が左ハンドル車両の運転手である場合、前記ウインドシールドは、前記ウインドシールドの水平方向の断面が中心から前記観察者の左側に向かって厚みが厚くなる形状で構成される。そして、前記観察者が右ハンドル車両の運転手である場合、前記ウインドシールドは、前記ウインドシールドの水平方向の断面が中心から前記観察者の右側に向かって厚みが厚くなる形状で構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本開示のヘッドアップディスプレイを搭載した、車両の断面を示す模式図である。
【図２】図２は、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光学断面を示す模式図である。
【図３】図３は、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光学断面を示す模式図である。
【図４】図４は、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光学断面を示す模式図である。
【図５】図５は、第５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光学断面を示す模式図である。
【図６Ａ】図６Ａは、第１、第２の実施の形態に係るコンバイナの中心を通る垂直面で切断した縦断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、第１、第２の実施の形態に係るコンバイナの中心を通る水平面で切断した横断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、第５の実施の形態に係るウインドシールドの中心を通る垂直面で切断した縦断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、第５の実施の形態に係るウインドシールドの中心を通る水平面で切断した横断面図である。
【図８】図８は、第１〜第５の数値実施例の座標系を示す図である。
【図９】図９は、第１の数値実施例に対する比較例での観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１０】図１０は、第１の数値実施例に係る観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１１】図１１は、第２の数値実施例に対する比較例での観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１２】図１２は、第２の数値実施例に係る観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１３】図１３は、第３の数値実施例に対する比較例での観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１４】図１４は、第３の数値実施例に係る観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１５】図１５は、第４の数値実施例に対する比較例での観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１６】図１６は、第４の数値実施例に係る観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１７】図１７は、第５の数値実施例に対する比較例での観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【図１８】図１８は、第５の数値実施例に係る観察者の視点領域における画像歪みを表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【０００９】
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
【００１０】
〔１．構成〕
第１〜第５の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイについて、図面を参照して、以下、説明する。
【００１１】
図１は、第１〜第４の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０を設置した車両１００を示す模式図である。図１、２に示すように、第１〜第４の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０は、車両１００のウインドシールド１２０の下部のダッシュボード１１０に配置される部材とコンバイナ２３０とから構成される。車両１００内部の観察者（通常、車両１００の運転者）Ｄは、ヘッドアップディスプレイ１０を介して虚像Ｉを視認する。光路Ｌが図中に示されている。また、図１、５に示すように、第５の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイは、ダッシュボード１１０に配置される部材とウインドシールド１２０とから構成される。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０の模式図である。図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１０は、筐体２００と、表示素子２１０と、コンバイナ２３０とを備えており、観察者Ｄからみて、コンバイナ２３０は中央に配置されている。ヘッドアップディスプレイ１０は、表示素子２１０が表示する画像を、コンバイナ２３０の表面２３０Ｆを介して反射させ、車両１００内部の観察者Ｄの視点領域４００に導いて虚像Ｉを提示するものである。ここで視点領域は、観察者Ｄが目を移動させる領域であり、観察者が視点領域内で目を移動させた時に観察者は虚像Ｉを視認し得る。ヘッドアップディスプレイ１０は、表示素子２１０に表示された画像を観察者Ｄの視点領域４００に投射させる投射光学系を備え、投射光学系は、表示素子２１０から観察者Ｄの視点領域４００までの光路の間に、コンバイナ２３０を備えている。
【００１３】
（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０の模式図である。図３に示すように、ヘッドアップディスプレイ１０は、筐体２００と、表示素子２１０と、反射素子（折り返しミラー）２２０と、コンバイナ２３０とを備えており、観察者Ｄから見て、コンバイナ２３０は中央に配置されている。ヘッドアップディスプレイ１０は、表示素子２１０が表示する画像を、反射素子２２０と、コンバイナ２３０の表面２３０Ｆとを介して反射させ、車両１００内部の観察者Ｄの視点領域４００に導いて虚像Ｉを提示するものである。ヘッドアップディスプレイ１０は、表示素子２１０に表示された画像を観察者Ｄの視点領域４００に投射させる投射光学系を備え、投射光学系は、表示素子２１０から観察者Ｄの視点領域４００までの光路の間に、コンバイナ２３０を備えている。投射光学系は反射素子２２０およびコンバイナ２３０を備えている。図３では、表示素子２１０からコンバイナ２３０へ光線を導くために１つの反射素子２２０を用いた場合を示しているが、複数の反射素子２２０を備えていても良い。
【００１４】
（第３の実施の形態）
図４は、第３の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイの模式図である。図４に示すように示すように、ヘッドアップディスプレイ１０は、筐体２００と、表示素子２１０と、コンバイナ２３０とを備えており、観察者Ｄから見て、コンバイナ２３０は中央に配置されている。ヘッドアップディスプレイ１０は、表示素子２１０が表示する画像を、コンバイナ２３０の表面２３０Ｆを介して反射させ、車両１００内部の観察者Ｄの視点領域４００に導いて虚像Ｉを提示するものである。ヘッドアップディスプレイ１０は、表示素子２１０に表示された画像を観察者Ｄの視点領域４００に投射させる投射光学系を備え、投射光学系は、表示素子２１０から観察者Ｄの視点領域４００までの光路の間に、コンバイナ２３０を備えている。
【００１５】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０の構成は、第２の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０（図３）の構成とほぼ同じであり、コンバイナ２３０の位置が異なるだけである。第２の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０では、観察者Ｄから見て、コンバイナ２３０は中央に配置されている。すなわち、観察者Ｄの視線上にコンバイナ２３０の縦中心線（幅方向の中央を通る縦線）が位置する。これに対し、第４の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０では、観察者Ｄから見て、コンバイナ２３０は右側に配置されている。すなわち、観察者Ｄから見て、コンバイナ２３０の縦中心線が、観察者Ｄの視線上の位置よりも右側にずれた位置にある。
【００１６】
（第５の実施の形態）
図５は、第５の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイの模式図である。図５に示すように、ヘッドアップディスプレイ１１は、筐体３００と、表示素子３１０と、投射光学系３３０とを備えている。投射光学系３３０は、第１の反射素子３２１および第２の反射素子３２２からなる反射素子群３２０と、ウインドシールド１２０とを備えている。ヘッドアップディスプレイ１１は、表示素子３１０が表示する画像を、反射素子群３２０と、ウインドシールド１２０の表面１２０Ｆとを介して反射させ、車両１００内部の観察者Ｄの視点領域４００に導いて虚像Ｉを提示するものである。投射光学系３３０は、表示素子３１０に表示された画像を観察者Ｄの視点領域４００に投射させるもので、表示素子３１０から観察者Ｄの視点領域４００までの光路の間にウインドシールド１２０を備えている。表示素子３１０からウインドシールド１２０へ光線を導くために、反射素子群３２０を使用せず、表示素子３１０の画像をウインドシールド１２０へ直接投射しても良い。投射光学系３３０に、１枚の反射素子または３枚以上の反射素子を用いても良い。投射光学系３３０にレンズ素子を含んでも良い。
【００１７】
第１〜第４の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０は、筐体２００を備えるが、筐体２００は必須の構成要素ではなく、車両１００のダッシュボード１１０が筐体２００の代わりを担っても良い。
【００１８】
第５の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１１は、筐体３００を備えるが、筐体３００は必須の構成要素ではなく、車両１００のダッシュボード１１０が筐体３００の代わりを担っても良い。
【００１９】
表示素子２１０、３１０に表示される画像情報は、図示しないマイコン等の制御部によって制御される。画像情報としては、エンジンの回転速度、車速、方向指示、道路進行案内表示や、前方車両までの距離、車のバッテリー残量、現在の車速など、各種の情報を表示することができる。表示素子２１０、３１０には、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、有機発光ダイオード（エレクトロルミネッセンス）、蛍光表示装置（セブンセグメント）、プラズマディスプレイなどが用いられる。また、表示素子２１０、３１０の代わりに、プロジェクタや走査型レーザを用いることも可能である。
【００２０】
〔２．効果等〕
以上のように構成されたヘッドアップディスプレイ１０、１１について、図面を用いて、その効果等を以下に説明する。
【００２１】
図２〜図４に示すヘッドアップディスプレイ１０では、表示素子２１０から射出された光線が、コンバイナ２３０の表面２３０Ｆで反射される表示光と、コンバイナの裏面２３０Ｒで反射される表示光とにずれてしまうと、観察者Ｄには２重像となって見えてしまい、画質を著しく悪化させてしまう。また同様に、図５に示すヘッドアップディスプレイ１１では、表示素子３１０から射出された光線が、ウインドシールドの表面１２０Ｆで反射される表示光と、ウインドシールドの裏面１２０Ｒで反射される表示光とにずれてしまうと、観察者Ｄには２重像となって見えてしまい、画質を著しく悪化させてしまう。
【００２２】
図６Ａは、コンバイナ２３０の有効領域の中心を通る垂直面で切断した縦断面図である。図６Ｂはコンバイナ２３０の有効領域の中心を通る水平面で切断した横断面図である。コンバイナ２３０の表面２３０Ｆは表示素子２１０から射出された光線が入射する側の面であり、裏面２３０Ｒは表面２３０Ｆとは反対側の面である。
【００２３】
図６Ａのように、コンバイナ２３０の有効領域は、下部の厚みＴ１から上部の厚みＴ２にかけて厚みが漸次変化するような形状である。また、図６Ｂのように、コンバイナ２３０の有効領域は、中心の厚みＴ３から左右の厚みＴ４とＴ５にかけて漸次変化するような形状である。ここで、上下左右とは、観察者Ｄから見た方向であり、コンバイナ２３０の中心とは、視点領域４００の中心と虚像Ｉの中心とを結ぶ直線と、コンバイナ２３０との交点である。コンバイナ２３０の上端、下端、左端、右端とは、それぞれコンバイナ２３０の有効領域の上端、下端、左端、右端である。コンバイナ２３０の有効領域とは、観察者Ｄの視点領域４００に対応するコンバイナ２３０上の領域であり、観察者Ｄが視点領域４００からコンバイナ２３０を見たときに虚像Ｉが視認されるコンバイナ２３０上の領域である。
【００２４】
図６Ａでは下端の厚みＴ１に比べて上端の厚みＴ２を大きくしており、下端から上端にかけて厚みが単調に増加している例を示しているが、必ずしも厚みＴ１より厚みＴ２が大きくなる必要はない。これらの関係はコンバイナの配置によって変化し得る。例えば、図４のように、コンバイナ２３０に入射する光線が、観察者Ｄから見て上から下へ向かい、コンバイナ２３０から観察者Ｄへ出射する光線が、観察者Ｄから見て上から下へ向かう場合、厚みＴ１のほうが厚みＴ２より大きくなる。
【００２５】
また、図６Ｂでは中心の厚みＴ３に比べて両端部の厚みＴ４、Ｔ５を大きくしており、中心から両端にかけて厚みが単調に増加している例を示している。図６Ｂに示すように、コンバイナ２３０は、観察者Ｄの視点領域に対応するコンバイナ２３０上の有効領域において、コンバイナ２３０の水平方向の断面が、中心から少なくとも右または左の一端に向かって厚みが厚くなる形状である。
【００２６】
図７Ａは、ウインドシールド１２０の有効領域の中心を通る垂直面で切断した縦断面図、図７Ｂはウインドシールド１２０の有効領域の中心を通る水平面で切断した横断面図である。ウインドシールド１２０の表面１２０Ｆは表示素子３１０から射出された光線が入射する側の面であり、裏面１２０Ｒは表面１２０Ｆとは反対側の面である。図７Ａのように、ウインドシールド１２０の有効領域は、下端の厚みＴ１から上端の厚みＴ２にかけて漸次変化するような形状である。上下左右とは、観察者Ｄから見た方向である。また、ウインドシールド１２０の中心とは、視点領域４００の中心と虚像Ｉの中心とを結ぶ直線と、ウインドシールド１２０との交点である。ウインドシールド１２０の上端、下端、左端、右端とは、それぞれウインドシールド１２０の有効領域の上端、下端、左端、右端である。ウインドシールド１２０の有効領域とは、観察者Ｄの視点領域４００に対応するウインドシールド１２０上の領域であり、観察者Ｄが視点領域４００からウインドシールド１２０を見たときに虚像Ｉが視認されるウインドシールド１２０上の領域である。
【００２７】
図７Ａでは下端の厚みＴ１に比べて上端の厚みＴ２を大きくしており、下端から上端にかけて厚みが単調に増加している例を示しているが、必ずしも厚みＴ１より厚みＴ２が大きくなる必要はない。これらの関係はヘッドアップディスプレイの配置によって変化し得る。例えば、ウインドシールドに入射する光線が、観察者から見て上から下へ向かい、ウインドシールドから観察者へ出射する光線が、観察者から見て上から下へ向かう場合、厚みＴ１は厚みＴ２より大きくなる。
【００２８】
また、図７Ｂのように、ウインドシールド１２０の中心の厚みＴ３から左右端の厚みＴ４とＴ５にかけて漸次変化するような形状である。具体的には、Ｔ３よりＴ４が大きくなり、Ｔ３よりＴ５が小さくなる形状である。ここで、Ｔ３よりＴ４が大きくなり、Ｔ３よりＴ５が小さくなる必要はない。これらの関係はヘッドアップディスプレイの配置によって変化し得る。
【００２９】
図７Ｂのように、ウインドシールド１２０の形状が、観察者Ｄから見て左に行くに従って、観察者Ｄの側に湾曲しているような左ハンドル車の場合、厚みＴ３より厚みＴ４が大きくなり、厚みＴ３より厚みＴ５が小さくなる。これに対し、観察者Ｄから見て右に行くに従って、観察者Ｄの側に湾曲しているような右ハンドル車の場合、厚みＴ３より厚みＴ４が小さくなり、厚みＴ３より厚みＴ５が大きくなる。
【００３０】
左ハンドル車および右ハンドル車のいずれの場合も、ウインドシールド１２０は、観察者Ｄの視点領域に対応するウインドシールド１２０上の有効領域において、ウインドシールド１２０の水平方向の断面が、中心から少なくとも右または左の一端に向かって厚みが厚くなる形状である。
【００３１】
コンバイナ２３０やウインドシールド１２０をこのような形状とすることで、コンバイナ２３０やウインドシールド１２０の表面と裏面で反射される表示光を重畳させることができ、観察者Ｄが視認する表示像が２重像になることを回避することができる。
【００３２】
図９、図１１、図１３、図１５、図１７は、それぞれ第１、第２、第３、第４、第５の実施の形態において、コンバイナ２３０またはウインドシールド１２０の表面と裏面の形状を同じにした場合（比較例）の、視点領域４００から虚像Ｉを見た時の模式図である。また、図１０、図１２、図１４、図１６、図１８は、それぞれ第１、第２、第３、第４、第５の実施の形態における、コンバイナ２３０またはウインドシールド１２０を用いた場合の、視点領域４００から虚像Ｉを見た時の模式図である。この場合のコンバイナ２３０またはウインドシールド１２０の表面と裏面の形状は、以下の第１〜第５の数値実施例で説明する。視点領域４００は、横１７０ｍｍ×縦５０ｍｍの矩形である。
【００３３】
図９〜１８において、（１）〜（９）は、視点領域４００の中の観察位置であり、それぞれの観察位置から虚像Ｉを見た時の模式図である。観察位置（１）は視点領域４００の中心であり、その下端と上端がそれぞれ観察位置（２）と観察位置（３）である。視点領域４００の右端での上端、中央、下端の位置がそれぞれ観察位置（５）、（４）、（６）である。視点領域４００の左端での上端、中央、下端の位置がそれぞれ観察位置（８）、（７）、（９）である。実線は視点領域４００から見た場合のコンバイナ２３０の表面２３０Ｆまたはウインドシールド１２０の表面１２０Ｆから反射された光線による虚像を示している。破線は視点領域４００から見た場合のコンバイナ２３０の裏面２３０Ｒまたはウインドシールド１２０の裏面１２０Ｒから反射された光線による虚像を示している。
【００３４】
図１０、図１２、図１４、図１６、図１８に示すように、本開示のコンバイナ２３０またはウインドシールド１２０の形状とすることで、視点領域４００の全域で２重像が良好に補正される。すなわち、視点領域４００内において観察者Ｄはどの位置で観察しても良好な虚像を視認することが可能である。
【００３５】
（数値実施例）
以下、第１〜第５の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイを具体的に実施した数値実施例を説明する。なお、各数値実施例において、各表の長さの単位はすべて「ｍｍ」であり、角度の単位はすべて「°」である。また、各数値実施例において、自由曲面は次式で定義している。
【００３６】
【数１】
2017038043.tif 000041
【００３７】
【数２】
2017038043.tif 000042
【００３８】
【数３】
2017038043.tif 000043
【００３９】
ここで、ｚは面を定義する軸から（ｘ，ｙ）の位置におけるサグ量、ｃは面を定義する軸の原点における曲率、ｋはコーニック定数、ｍ、ｎは、０以上の整数、Ｃｊは単項式ｘｍｙｎの係数である。
【００４０】
また、各数値実施例において、基準となる座標原点は表示素子５００（表示素子２１０または表示素子３１０）の表示画像５１０の中心であり、図８で示すようにＸ，Ｙ，Ｚ軸を定義している。
【００４１】
さらに、各数値実施例中の偏心データにおいて、ＡＤＥとはＸ軸を中心にＺ軸方向からＹ軸方向に回転した量、ＢＤＥとはＹ軸を中心にＸ軸方向からＺ軸方向に回転した量、ＣＤＥとはＺ軸を中心にＸ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。
【００４２】
（第１の数値実施例）
第１の数値実施例の投射光学系は、第１の実施の形態に対応する。第１の数値実施例の投射光学系の構成データを表１に、多項式自由曲面の係数を表２に、コンバイナの諸量を表３に示している。表３のＴ１〜Ｔ５は、数１に記載のｘ、ｙ座標での肉厚であり、図６Ａ、図６ＢのＴ１〜Ｔ５に対応する。
【００４３】
【表１】
2017038043.tif 000044
【００４４】
【表２】
2017038043.tif 000045
【００４５】
【表３】
2017038043.tif 000046
【００４６】
（第２の数値実施例）
第２の数値実施例の投射光学系は、第２の実施の形態に対応する。第２の数値実施例の投射光学系の構成データを表４に、多項式自由曲面の係数を表５に、コンバイナの諸量を表６に示し、表６のＴ１〜Ｔ５は、数１に記載のｘ、ｙ座標での肉厚であり、図６Ａ、図６ＢのＴ１〜Ｔ５に対応する。
【００４７】
【表４】
2017038043.tif 000047
【００４８】
【表５】
2017038043.tif 000048
【００４９】
【表６】
2017038043.tif 000049
【００５０】
（第３の数値実施例）
第３の数値実施例の投射光学系は、第３の実施の形態に対応する。第３の数値実施例の投射光学系の構成データを表７に、多項式自由曲面の係数を表８に、コンバイナの諸量を表９に示し、表９のＴ１〜Ｔ５は、数１に記載のｘ、ｙ座標での肉厚であり、図６Ａ、図６ＢのＴ１〜Ｔ５に対応する。
【００５１】
【表７】
2017038043.tif 000050
【００５２】
【表８】
2017038043.tif 000051
【００５３】
【表９】
2017038043.tif 000052
【００５４】
（第４の数値実施例）
第４の数値実施例の投射光学系は、第４の実施の形態に対応する。第４の数値実施例の投射光学系の構成データを表１０に、多項式自由曲面の係数を表１１に、コンバイナの諸量を表１２に示し、表１２のＴ１〜Ｔ５は、数１に記載のｘ、ｙ座標での肉厚であり、図６Ａ、図６ＢのＴ１〜Ｔ５に対応する。
【００５５】
【表１０】
2017038043.tif 000053
【００５６】
【表１１】
2017038043.tif 000054
【００５７】
【表１２】
2017038043.tif 000055
【００５８】
（第５の数値実施例）
第５の数値実施例の投射光学系は、第５の実施の形態に対応する。第５の数値実施例の投射光学系の構成データを表１３に、多項式自由曲面の係数を表１４に、ウインドシールドの諸量を表１５に示し、表１５のＴ１〜Ｔ５は、数１に記載のｘ、ｙ座標での肉厚であり、図７Ａ、図７ＢのＴ１〜Ｔ５に対応する。
【００５９】
【表１３】
2017038043.tif 000056
【００６０】
【表１４】
2017038043.tif 000057
【００６１】
【表１５】
2017038043.tif 000058
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本開示にかかるヘッドアップディスプレイは、車載用などのヘッドアップディスプレイといった高画質が要求されるヘッドアップディスプレイに好適である。
【符号の説明】
【００６３】
１０，１１    ヘッドアップディスプレイ
１００    車両
１１０    ダッシュボード
１２０    ウインドシールド
１２０Ｆ    ウインドシールドの表面
１２０Ｒ    ウインドシールドの裏面
２００    筐体
２１０    表示素子
２２０    反射素子
２３０    コンバイナ
２３０Ｆ    コンバイナの表面
２３０Ｒ    コンバイナの裏面
３００    筐体
３１０    表示素子
３２０    反射素子群
３２１    第１の反射素子
３２２    第２の反射素子
３３０    投射光学系
４００    視点領域（アイボックス）
５００    表示素子
５１０    表示画像
Ｄ    観察者
Ｉ    虚像
Ｌ    光路
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する表示素子と、前記表示素子に表示された画像を観察者の視点領域に投射させる投射光学系と、を備え、
前記投射光学系は、前記表示素子から前記観察者の前記視点領域までの光路の間に、コンバイナを有し、
前記コンバイナは、前記表示素子からの光が入射する表面は曲面形状であり、
前記観察者の前記視点領域に対応する前記コンバイナ上の有効領域において、
前記観察者が前記コンバイナを見下ろす場合、前記コンバイナは、前記コンバイナの垂直方向の断面が上端から下端に向かって厚みが薄くなる形状で構成され、
前記観察者が前記コンバイナを見上げる場合、前記コンバイナは、前記コンバイナの垂直方向の断面が下端から上端に向かって厚みが薄くなる形状で構成され、
前記観察者が左ハンドル車両の運転手である場合、前記コンバイナは、前記コンバイナの水平方向の断面が中心から前記観察者の左側に向かって厚みが厚くなる形状で構成され、
前記観察者が右ハンドル車両の運転手である場合、前記コンバイナは、前記コンバイナの水平方向の断面が中心から前記観察者の右側に向かって厚みが厚くなる形状で構成された、
ヘッドアップディスプレイ。
【請求項２】
画像を表示する表示素子と、前記表示素子に表示された画像を観察者の視点領域に投射させる投射光学系と、を備え、
前記投射光学系は、前記表示素子から前記観察者の前記視点領域までの光路の間に、ウインドシールドを有し、
前記ウインドシールドは、前記表示素子からの光が入射する表面は曲面形状であり、
前記観察者の前記視点領域に対応する前記ウインドシールド上の有効領域において、
前記観察者が前記ウインドシールドを見下ろす場合、前記ウインドシールドは、前記ウインドシールドの垂直方向の断面が上端から下端に向かって厚みが薄くなる形状で構成され、
前記観察者が前記ウインドシールドを見上げる場合、前記ウインドシールドは、前記ウインドシールドの垂直方向の断面が下端から上端に向かって厚みが薄くなる形状で構成され、
前記観察者が左ハンドル車両の運転手である場合、前記ウインドシールドは、前記ウインドシールドの水平方向の断面が中心から前記観察者の左側に向かって厚みが厚くなる形状で構成され、
前記観察者が右ハンドル車両の運転手である場合、前記ウインドシールドは、前記ウインドシールドの水平方向の断面が中心から前記観察者の右側に向かって厚みが厚くなる形状で構成された、
ヘッドアップディスプレイ。
【請求項３】
前記表示素子の映像を反射させ、前記観察者へ導く反射素子を有する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項４】
前記コンバイナの表面および裏面が前記観察者から見て凹面形状である、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項５】
前記コンバイナの表面および裏面が自由曲面形状である、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項６】
前記表示素子の映像を反射させ、前記観察者へ導く反射素子を有する、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項７】
前記ウインドシールドの表面および裏面が前記観察者から見て凹面形状である、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項８】
前記ウインドシールドの表面および裏面が自由曲面形状である、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項９】
前記投射光学系において、前記表示素子と前記ウィンドシールドとの光路間に反射素子群をさらに備え、
前記反射素子群の反射面は凹面である、
請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2017038043.tif 000059
【図２】
2017038043.tif 000060
【図３】
2017038043.tif 000061
【図４】
2017038043.tif 000062
【図５】
2017038043.tif 000063
【図６Ａ】
2017038043.tif 000064
【図６Ｂ】
2017038043.tif 000065
【図７Ａ】
2017038043.tif 000066
【図７Ｂ】
2017038043.tif 000067
【図８】
2017038043.tif 000068
【図９】
2017038043.tif 000069
【図１０】
2017038043.tif 000070
【図１１】
2017038043.tif 000071
【図１２】
2017038043.tif 000072
【図１３】
2017038043.tif 000073
【図１４】
2017038043.tif 000074
【図１５】
2017038043.tif 000075
【図１６】
2017038043.tif 000076
【図１７】
2017038043.tif 000077
【図１８】
2017038043.tif 000078
【国際調査報告】
2017038043.tif 000079
2017038043.tif 000080
2017038043.tif 000081
2017038043.tif 000082