(57)【要約】  光学素子は、表示像を構成する光を反射することで当該表示像を視認させる。光学素子は、光の透過性を有すると共に、表示像を構成する光を拡散する機能を有する拡散部と、光の透過性を有すると共に、表示像を構成する光を集光する機能を有する集光部と、を備える。拡散部又は集光部は、表示像を構成する光を反射する機能を更に有する。上記の光学素子によれば、表示像を構成する光に対する拡散機能と集光機能の両方を具備しているため、表示像の明るさと表示像のサイズ（視野角）の両方を適切に確保することが可能となる。
2014041690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示像を構成する光を反射することで当該表示像を視認させる光学素子であって、
光の透過性を有すると共に、前記表示像を構成する光を拡散する機能を有する拡散部と、
光の透過性を有すると共に、前記表示像を構成する光を集光する機能を有する集光部と、を備え、
前記拡散部又は前記集光部は、前記表示像を構成する光を反射する機能を更に有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記集光部は、フレネル構造の凸レンズであり、
前記拡散部は、前記表示像を構成する光が前記凸レンズを介して入射され、当該光を拡散すると共に前記凸レンズに向けて反射し、
フレネル構造の凹レンズを更に備えており、前記凸レンズと前記凸レンズとの間に前記拡散部が挟み込まれていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記凸レンズと前記凹レンズとは、レンズのピッチと、屈折率と、焦点距離の絶対値とが等しいことを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記拡散部と前記凸レンズとの間は、当該凸レンズとは異なる屈折率を有する所定の媒体で埋められており、
前記拡散部と前記凹レンズとの間は、当該凹レンズとは異なる屈折率を有する所定の媒体で埋められていることを特徴とする請求項２又は３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記集光部は、前記光学素子を構成する対向する２つの面のうちの一方の面に形成された、フレネル構造の凸レンズ形状を有する面であり、
前記拡散部は、前記光学素子の内部に形成されており、前記集光部を介して入射された前記表示像を構成する光を拡散すると共に前記集光部に向けて反射し、
前記光学素子を構成する対向する２つの面のうちの他方の面には、フレネル構造の凹レンズ形状を有する面が更に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項６】
前記凸レンズ形状と前記凹レンズ形状とは、レンズのピッチ及び焦点距離の絶対値が等しいことを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記拡散部は、第１拡散部及び第２拡散部を有し、
前記集光部は、前記光学素子の内部に形成された、フレネル構造の凹面ミラー形状を有する反射面であり、
前記第１拡散部は、前記光学素子を構成する対向する２つの面のうちの一方の面に形成されており、前記表示像を構成する光を拡散し、
前記第２拡散部は、前記光学素子を構成する対向する２つの面のうちの他方の面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項８】
前記拡散部は、第１拡散部及び第２拡散部を有し、
前記集光部は、フレネル構造の凹面ミラー形状を有する反射面が内部に形成され、
前記第１拡散部は、前記集光部の一方の面に対向して配置され、前記表示像を構成する光を拡散し、
前記第２拡散部は、前記集光部の他方の面に対向して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項９】
前記第１拡散部と前記集光部との間は、前記第１拡散部の屈折率とは異なる屈折率を有する所定の媒体で埋められており、
前記第２拡散部と前記集光部との間は、前記第２拡散部の屈折率とは異なる屈折率を有する所定の媒体で埋められていることを特徴とする請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記第１拡散部と前記第２拡散部とは、同じ形状を有するマイクロレンズアレイで構成されており、前記マイクロレンズアレイが有する１つのマイクロレンズの焦点距離の２倍の距離だけ離間していることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記フレネル構造として、当該フレネル構造の元になる自由曲面の中心から外れた領域が適用されていることを特徴とする請求項２乃至１０のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記拡散部は、マイクロレンズアレイで構成されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１３】
表示像を構成する光を反射することで当該表示像を視認させる光学素子であって、
前記光学素子は、透過性を有する反射型のマイクロレンズアレイを備えており、
前記マイクロレンズアレイは、前記光学素子の中心から離れるにつれて、マイクロレンズの光軸が外側にずれていく偏心レンズにて構成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項１４】
フレキシブルなシート状に構成され、移動体のフロントガラスに取り付けられることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光学素子と、前記光学素子に向けて前記表示像を構成する光を出射する光源部と、を備えることを特徴と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、前方視界と同時に表示画像を視認させる技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、虚像として画像を視認させるヘッドアップディスプレイなどの表示装置が知られている。通常、ヘッドアップディスプレイでは、小型液晶ディスプレイなどの比較的小さな画面（実像）を、凸レンズや凹面ミラーなどの拡大光学系によって拡大している。こうしているのは、車内には大きなディスプレイを設置することが難しいためである。仮に、大きなディスプレイを直接設置することができれば、凸レンズや凹面ミラーなどの拡大光学系は必要ない。ただし、拡大光学系を用いない場合は視認する画像は虚像ではなく実像になる。【０００３】
また、通常、ヘッドアップディスプレイでは、ディスプレイに表示された情報を前方視界と重畳した状態で視認させるために、コンバイナ（合成器）と呼ばれるハーフミラーを利用している。これは、通常のディスプレイが透明ではないため、直接、運転者の正面にディスプレイを設置してしまうと前方視界を塞いでしまうためである。仮に、透明なディスプレイがあれば、ハーフミラーを用いる必要はない。【０００４】
つまり、車内に設置できる大画面で透明（半透明）なディスプレイがあれば、当該ディスプレイを運転手の正面（フロントガラス近傍）に設置することで、拡大光学系やハーフミラーを用いることなく、ヘッドアップディスプレイを構築することが可能になる。例えば、特許文献１には、基板の中に反射拡散面を形成することで透明性を有した反射型拡散板（以下では適宜「透明拡散板」と呼ぶ）を、プロジェクタと共に用いることで、そのようなヘッドアップディスプレイを構成する手法が提案されている。【０００５】
その他にも、本発明に関連する技術が特許文献２及び３に提案されている。特許文献２には、フレネルレンズを用いた反射型スクリーンが提案され、特許文献３には、フレネルレンズを用いた薄型コンバイナが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１０−５３９５２５号公報
【特許文献２】特開２００９−１６９００６号公報
【特許文献３】特開２０００−２４９９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した特許文献１に提案されたような透明拡散板をヘッドアップディスプレイで利用すると、表示像の明るさと表示像のサイズ（視野角）とがドレードオフの関係になる傾向にある。つまり、表示像を明るくするように構成すると表示像のサイズが小さくなり、表示像のサイズを大きくするように構成すると表示像が暗くなる傾向にあった。【０００８】
本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、表示像の明るさと表示像のサイズ（視野角）の両方を適切に確保することが可能な光学素子及びヘッドアップディスプレイを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明では、表示像を構成する光を反射することで当該表示像を視認させる光学素子であって、光の透過性を有すると共に、前記表示像を構成する光を拡散する機能を有する拡散部と、光の透過性を有すると共に、前記表示像を構成する光を集光する機能を有する集光部と、を備え、前記拡散部又は前記集光部は、前記表示像を構成する光を反射する機能を更に有することを特徴とする。【００１０】
請求項１３に記載の発明では、表示像を構成する光を反射することで当該表示像を視認させる光学素子であって、前記光学素子は、透過性を有する反射型のマイクロレンズアレイを備えており、前記マイクロレンズアレイは、前記光学素子の中心から離れるにつれて、マイクロレンズの光軸が外側にずれていく偏心レンズにて構成されていることを特徴とする。【００１１】
請求項１５に記載の発明では、ヘッドアップディスプレイは、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光学素子と、前記光学素子に向けて前記表示像を構成する光を出射する光源部と、を備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】比較例に係るヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。
【図２】比較例の問題点を説明するための図を示す。
【図３】第１実施例に係る光学素子を説明するための図を示す。
【図４】第１実施例の第１変形例に係る光学素子を説明するための図を示す。
【図５】第１実施例の第２変形例に係る光学素子を説明するための図を示す。
【図６】第２実施例に係る光学素子を説明するための図を示す。
【図７】マイクロレンズアレイ間での反射面の好適な配置位置を説明するための図を示す。
【図８】第２実施例の変形例に係る光学素子を説明するための図を示す。
【図９】第３実施例に係る光学素子を説明するための図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の１つの観点では、表示像を構成する光を反射することで当該表示像を視認させる光学素子であって、光の透過性を有すると共に、前記表示像を構成する光を拡散する機能を有する拡散部と、光の透過性を有すると共に、前記表示像を構成する光を集光する機能を有する集光部と、を備え、前記拡散部又は前記集光部は、前記表示像を構成する光を反射する機能を更に有する。
【００１４】
上記の光学素子は、表示像を構成する光を反射することで当該表示像を視認させるために利用される。拡散部は、光の透過性を有すると共に、表示像を構成する光を拡散する機能を有し、集光部は、光の透過性を有すると共に、表示像を構成する光を集光する機能を有する。そして、拡散部又は集光部は、表示像を構成する光を反射する機能を更に有する。上記の光学素子によれば、表示像を構成する光に対する拡散機能と集光機能の両方を具備しているため、表示像の明るさと表示像のサイズ（視野角）の両方を適切に確保することが可能となる。
【００１５】
上記の光学素子の一態様では、前記集光部は、フレネル構造の凸レンズであり、前記拡散部は、前記表示像を構成する光が前記凸レンズを介して入射され、当該光を拡散すると共に前記凸レンズに向けて反射し、フレネル構造の凹レンズを更に備えており、前記凸レンズと前記凸レンズとの間に前記拡散部が挟み込まれている。
【００１６】
上記態様によれば、表示像を構成する光は、拡散部による反射の前後でフレネル構造の凸レンズを２回透過することとなる。そのため、表示像を構成する光を適切に集光することができる。また、上記の光学素子によれば、フレネル構造の凸レンズと共にフレネル構造の凹レンズを用いることで、表示像を構成する光とは逆方向から入射する光（以下では適宜「透過光」と呼ぶ。）に対するレンズ効果を打ち消すことができ、光学素子における前方の視界などの歪みを抑制することが可能となる。
【００１７】
上記の光学素子において好適には、前記凸レンズと前記凹レンズとは、レンズのピッチと、屈折率と、焦点距離の絶対値とが等しい。これにより、透過光に対する互いのレンズ効果を効果的に打ち消すことができる。
【００１８】
また、上記の光学素子において好適には、前記拡散部と前記凸レンズとの間は、当該凸レンズとは異なる屈折率を有する所定の媒体で埋められており、前記拡散部と前記凹レンズとの間は、当該凹レンズとは異なる屈折率を有する所定の媒体で埋められている。これにより、凸レンズ及び凹レンズのレンズ効果を確保しつつ、拡散部と凸レンズと凹レンズとを一体に構成することができる。
【００１９】
上記の光学素子の他の一態様では、前記集光部は、前記光学素子を構成する対向する２つの面のうちの一方の面に形成された、フレネル構造の凸レンズ形状を有する面であり、前記拡散部は、前記光学素子の内部に形成されており、前記集光部を介して入射された前記表示像を構成する光を拡散すると共に前記集光部に向けて反射し、前記光学素子を構成する対向する２つの面のうちの他方の面には、フレネル構造の凹レンズ形状を有する面が更に形成されている。
【００２０】
上記態様では、光学素子は、集光部と拡散部とが一体に構成されている。この光学素子によっても、表示像を構成する光は、拡散部による反射の前後でフレネル構造の凸レンズ形状を有する面を２回透過することとなる。そのため、表示像を構成する光を適切に集光することができる。また、上記の光学素子によれば、フレネル構造の凸レンズ形状を有する面と共にフレネル構造の凹レンズ形状を有する面を用いることで、透過光に対するレンズ効果を打ち消すことができ、光学素子における前方の視界などの歪みを抑制することが可能となる。
【００２１】
上記の光学素子において好適には、前記凸レンズ形状と前記凹レンズ形状とは、レンズのピッチ及び焦点距離の絶対値が等しい。これにより、透過光に対する互いのレンズ効果を効果的に打ち消すことができる。
【００２２】
上記の光学素子の他の一態様では、前記拡散部は、第１拡散部及び第２拡散部を有し、前記集光部は、前記光学素子の内部に形成された、フレネル構造の凹面ミラー形状を有する反射面であり、前記第１拡散部は、前記光学素子を構成する対向する２つの面のうちの一方の面に形成されており、前記表示像を構成する光を拡散し、前記第２拡散部は、前記光学素子を構成する対向する２つの面のうちの他方の面に形成されている。
【００２３】
上記態様では、光学素子は、集光部と拡散部（第１拡散部及び第２拡散部）とが一体に構成されている。この光学素子によれば、表示像を構成する光は、第１拡散部によって拡散しながらフレネル構造の凹面ミラー形状を有する反射面に向かい、当該反射面で反射されると再び第１拡散部を透過して出射される。つまり、表示像を構成する光は、反射面による反射の前後で第１拡散部を２回透過することで拡散する。この際、反射面が凹面ミラーとして機能することで、表示像を構成する光を適切に集光することができる。また、上記の光学素子によれば、第１拡散部と共に第２拡散部を用いることで、透過光に対するレンズ効果を打ち消すことができ、光学素子の前方の視界などの歪みを抑制することが可能となる。
【００２４】
上記の光学素子の他の一態様では、前記拡散部は、第１拡散部及び第２拡散部を有し、前記集光部は、フレネル構造の凹面ミラー形状を有する反射面が内部に形成され、前記第１拡散部は、前記集光部の一方の面に対向して配置され、前記表示像を構成する光を拡散し、前記第２拡散部は、前記集光部の他方の面に対向して配置されている。
【００２５】
上記態様では、光学素子は、集光部と拡散部（第１拡散部及び第２拡散部）とが別体に構成されている。この光学素子によっても、フレネル構造の凹面ミラー形状を有する反射面が凹面ミラーとして機能することで、表示像を構成する光を適切に集光することができる。また、第１拡散部と共に第２拡散部を用いることで、透過光に対するレンズ効果を打ち消すことができ、光学素子の前方の視界などの歪みを抑制することが可能となる。
【００２６】
上記の光学素子において好適には、前記第１拡散部と前記集光部との間は、前記第１拡散部の屈折率とは異なる屈折率を有する所定の媒体で埋められており、前記第２拡散部と前記集光部との間は、前記第２拡散部の屈折率とは異なる屈折率を有する所定の媒体で埋められている。これにより、第１拡散部及び第２拡散部のレンズ効果などを確保しつつ、第１拡散部と集光部と第２拡散部とを一体に構成することができる。
【００２７】
上記の光学素子において好適には、前記第１拡散部と前記第２拡散部とは、同じ形状を有するマイクロレンズアレイで構成されており、前記マイクロレンズアレイが有する１つのマイクロレンズの焦点距離の２倍の距離だけ離間している。これにより、透過光に対する互いのレンズ効果を効果的に打ち消すことができる。
【００２８】
好適な例では、前記フレネル構造として、当該フレネル構造の元になる自由曲面の中心から外れた領域が適用されている。これにより、アイボックスの位置を上下方向及び／又は左右方向に適宜変えることができる。
【００２９】
また、好適な例では、前記拡散部は、マイクロレンズアレイで構成される。
【００３０】
本発明の他の観点では、表示像を構成する光を反射することで当該表示像を視認させる光学素子であって、前記光学素子は、透過性を有する反射型のマイクロレンズアレイを備えており、前記マイクロレンズアレイは、前記光学素子の中心から離れるにつれて、マイクロレンズの光軸が外側にずれていく偏心レンズにて構成されている。
【００３１】
上記の光学素子によっても、拡散機能と集光機能の両方を適切に実現することができ、表示像の明るさと表示像のサイズ（視野角）の両方を適切に確保することが可能となる。
【００３２】
上記の光学素子において好適には、フレキシブルなシート状に構成され、移動体のフロントガラスに取り付けられる。このような光学素子によれば、運転者などに与える圧迫感や違和感を低減することができる。
【００３３】
本発明の他の観点では、ヘッドアップディスプレイは、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光学素子と、前記光学素子に向けて前記表示像を構成する光を出射する光源部と、を備える。例えば、光源部として、液晶ディスプレイやプロジェクタなどを用いることができる。
【実施例】
【００３４】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。【００３５】
＜基本概念＞
まず、本実施例の内容を説明する前に、本実施例の基本概念について図１及び図２を参照して説明する。【００３６】
図１は、前述した特許文献１に係るヘッドアップディスプレイ（以下では「比較例に係るヘッドアップディスプレイ」と呼ぶ。）を概略的に示した図である。図１に示すように、比較例に係るヘッドアップディスプレイは、車室内に設置して利用されるものであり、主に、運転手の正面（フロントガラス近傍）に設置される、透明性を有する反射型拡散板（透明拡散板）１００と、表示像を構成する光を出射するプロジェクタ２００とを有する。このヘッドアップディスプレイは、表示像を構成する光をプロジェクタ２００から出射し、プロジェクタ２００から出射された光を透明拡散板１００で反射することで、表示像を運転者に視認させる。【００３７】
図１の上側には、光の進行方向に沿った面にて切断した、透明拡散板１００の断面イメージ図を示している。透明拡散板１００は、基板としてのマイクロレンズアレイ１００ａの凸面に半透明反射膜１００ｂを付すことで反射拡散面を形成し、基板とほぼ同じ屈折率のカバー層１００ｃを被せることで作成される。このような透明拡散板１００によれば、プロジェクタ２００から透明拡散板１００に入射する光は拡散して反射され、プロジェクタ２００と逆側から透明拡散板１００に入射する光は直進しながら透過する。【００３８】
次に、図２を参照して、比較例に係る透明拡散板１００の問題点について説明する。図２（ａ）は、曲率半径が比較的長いマイクロレンズアレイ１００ａ１が透明拡散板１００に適用された場合について示している。この場合には、マイクロレンズアレイ１００ａ１による拡散角度が小さいため、表示像は明るいが、表示像の大きさ（視野角）が小さくなる傾向にある。他方で、図２（ｂ）は、曲率半径が比較的短いマイクロレンズアレイ１００ａ２が透明拡散板１００に適用された場合について示している。この場合には、マイクロレンズアレイ１００ａ１による拡散角度が大きいため、表示像の大きさ（視野角）は大きいが、表示像が暗くなる傾向にある。このように、比較例に係る透明拡散板１００では、表示像の明るさと表示像のサイズ（視野角）とがドレードオフの関係になる傾向にある。【００３９】
したがって、本実施例では、表示像の明るさと表示像のサイズ（視野角）の両方を適切に確保すべく、透明性を有する反射型の光学素子として、拡散機能と集光機能の両方を具備する光学素子をヘッドアップディスプレイに適用する。以下で、具体的な実施例の構成について説明する。【００４０】
＜第１実施例＞
まず、図３を参照して、第１実施例に係る光学素子１１０について説明する。第１実施例に係る光学素子１１０は、上記した透明拡散板１００の代わりに適用されることで、ヘッドアップディスプレイを構成する（後述する各種の光学素子についても同様であるものとする）。【００４１】
図３の上側には、光の進行方向に沿った面にて切断した、第１実施例に係る光学素子１１０の断面イメージ図を示している。断面イメージ図に示すように、第１実施例に係る光学素子１１０は、主に、透明拡散板１１１と、フレネル凸レンズ１１２と、フレネル凹レンズ１１３と、を有する。光学素子１１０は、フレネル凸レンズ１１２とフレネル凹レンズ１１３との間に透明拡散板１１１を挟み込んで構成されており、フレネル凸レンズ１１２の側がプロジェクタ２００のほうを向くように配置される。【００４２】
透明拡散板１１１は、マイクロレンズアレイ１１１ａが内部に形成されている。具体的には、透明拡散板１１１は、上記した透明拡散板１００と同様に、基板としてのマイクロレンズアレイ１１１ａの凸面に半透明の反射膜を付すことで反射拡散面を形成し、基板とほぼ同じ屈折率のカバー層を被せることで作成される。このような構成により、透明拡散板１１１は、透明性を有した反射型の拡散板としての機能を発揮する。【００４３】
フレネル凸レンズ１１２は、フレネル構造を有する凸レンズ（言い換えると凸レンズとして機能するように構成されたフレネルレンズ）であり、通常の凸レンズを同心円状の領域に分割して厚みを減らしたレンズである。具体的には、フレネル凸レンズ１１２は、透明拡散板１１１と対向する面に、フレネル構造の凸レンズ形状を有する面１１２ａが形成されている。【００４４】
フレネル凹レンズ１１３は、フレネル構造を有する凹レンズ（言い換えると凹レンズとして機能するように構成されたフレネルレンズ）であり、通常の凹レンズを同心円状の領域に分割して厚みを減らしたレンズである。具体的には、フレネル凹レンズ１１３は、透明拡散板１１１と対向する面に、フレネル構造の凹レンズ形状を有する面１１３ａが形成されている。【００４５】
また、フレネル凸レンズ１１２とフレネル凹レンズ１１３とは、フレネル構造に関するピッチ（同心円状の領域に分割するピッチ）と、屈折率と、焦点距離（フレネル構造の元になる自由曲面（例えば放物面）の焦点に関する距離）とが等しくなるように構成されている。なお、透明拡散板１１１の屈折率は、フレネル凸レンズ１１２及びフレネル凹レンズ１１３と同じ屈折率にしても良いし、異なる屈折率にしても良い。【００４６】
ここで、プロジェクタ２００から出射された光は、フレネル凸レンズ１１２を介して透明拡散板１１１に入射し、透明拡散板１１１によって拡散されると共に反射される。そして、透明拡散板１１１で拡散されて反射された光は、フレネル凸レンズ１１２に再度入射する。このように、プロジェクタ２００から出射された光は、透明拡散板１１１による反射の前後でフレネル凸レンズ１１２を２回透過することとなる。そのため、図３中の矢印Ａ１１、Ａ１２に示すように、プロジェクタ２００からの光を運転者の頭部付近に集めることができる。【００４７】
つまり、第１実施例に係る光学素子１１０によれば、プロジェクタ２００からの光を透明拡散板１１１によって拡散することができると共に、プロジェクタ２００からの光をフレネル凸レンズ１１２によって集光することができる。よって、第１実施例に係る光学素子１１０によれば、拡散機能と集光機能の両方を適切に実現することができ、表示像の明るさと表示像のサイズ（視野角）の両方を適切に確保することが可能となる。即ち、第１実施例に係る光学素子１１０によれば、(半)透明スクリーンでありながら集光機能を有するため、光の利用効率を向上させることが可能となる。【００４８】
他方で、光学素子１１０においてプロジェクタ２００と反対側から入射される光（つまり車両の前方から入射される光）は、フレネル凹レンズ１１３、透明拡散板１１１、フレネル凸レンズ１１２の順に透過していく。この場合、フレネル凸レンズ１１２とフレネル凹レンズ１１３とは、上記したように、ピッチと、屈折率と、焦点距離の絶対値とが等しいため、図３中の矢印Ａ１３、Ａ１４に示すように、透過光に対する互いのレンズ効果が打ち消されることとなる。そのため、第１実施例に係る光学素子１１０によれば、前方視界の歪みを適切に抑制しつつ、透明性を確保することができる。【００４９】
以上のように、第１実施例では、透明拡散板１１１は、本発明における「拡散部」の一例に相当し、フレネル凸レンズ１１２は、本発明における「集光部」の一例に相当する。【００５０】
なお、透明拡散板１１１はできるだけ薄いほうが、斜め方向からの透過光に対して高い透明性を確保することができる。【００５１】
また、透明拡散板１１１とフレネル凸レンズ１１２との隙間、及び透明拡散板１１１とフレネル凹レンズ１１３との隙間は、空気層としても良いが、これらを一体に構成するために透明樹脂などで埋めても良い。但し、隙間を埋める材料は、フレネル凸レンズ１１２及びフレネル凹レンズ１１３のレンズ効果が失われないように、フレネル凸レンズ１１２及びフレネル凹レンズ１１３と異なる屈折率を有するものを用いると良い。【００５２】
更に、フレネル凸レンズ１１２及びフレネル凹レンズ１１３には、それらの中心に、自由曲面の中心（例えば放物面の頂点）が位置しないようなフレネル構造を適用しても良い。つまり、フレネルパターンの中心から外れた領域を、フレネル凸レンズ１１２及びフレネル凹レンズ１１３に適用しても良い。但し、光学素子１１０を正面から観察した場合に、フレネル凸レンズ１１２とフレネル凹レンズ１１３とで凸のレンズ位置と凹のレンズ位置とを揃えるように構成することが望ましい。このようにフレネルパターンの中心から外れた領域を適用することで、アイボックスＥＢの位置を上下方向及び／又は左右方向に適宜変えることができる。【００５３】
加えて、複数のフレネルレンズ形状を用いて、フレネル凸レンズ１１２及びフレネル凹レンズ１１３を構成しても良い（この場合、フレネルパターンの中心から外れた領域を合わせて適用しても良い）。これにより、複数のアイボックスＥＢを形成することができる。【００５４】
次に、図４及び図５を参照して、第１実施例の変形例（第１変形例及び第２変形例）について説明する。【００５５】
図４は、第１実施例の第１変形例に係る光学素子１２０を示している。図４は、光の進行方向に沿った面にて切断した、第１変形例に係る光学素子１２０の断面イメージ図を示している。【００５６】
図４に示すように、光学素子１２０は、対向する２つの面（つまり両面）に、フレネル構造を有する面１２０ｂ、１２０ｃが形成されている。具体的には、光学素子１２０は、対向する２つの面のうちの一方の面に、フレネル構造の凸レンズ形状（言い換えると凸レンズとして機能するように構成されたフレネルレンズの表面形状）を有する面１２０ｂが形成されている。また、光学素子１２０は、対向する２つの面のうちの他方の面に、フレネル構造の凹レンズ形状（言い換えると凹レンズとして機能するように構成されたフレネルレンズの表面形状）を有する面１２０ｃが形成されている。なお、光学素子１２０は、面１２０ｂがプロジェクタ２００のほうを向くように配置される。【００５７】
また、光学素子１２０は、透明拡散部１２０ａが内部に形成されている。透明拡散部１２０ａは、マイクロレンズアレイの凸面に半透明の反射膜を付して構成されている。つまり、光学素子１２０は、透明拡散部１２０ａが形成された基板及び当該基板を覆うカバー層のそれぞれの表面に、フレネル構造の凸レンズ形状を有する面１２０ｂと、フレネル構造の凹レンズ形状を有する面１２０ｃとが形成されたものと言える。【００５８】
なお、面１２０ｂの凸レンズ形状と面１２０ｃの凹レンズ形状とは、レンズのピッチ及び焦点距離の絶対値が等しい。また、基板とカバー層とは、屈折率がほぼ等しい。【００５９】
このような第１変形例に係る光学素子１２０によっても、プロジェクタ２００から出射された光は、透明拡散部１２０ａによる反射の前後でフレネル構造の凸レンズ形状を有する面１２０ｂを２回透過するため、プロジェクタ２００からの光を運転者の頭部付近に集めることができる。よって、拡散機能と集光機能の両方を適切に実現することができ、表示像の明るさと表示像のサイズ（視野角）の両方を適切に確保することが可能となる。また、第１変形例に係る光学素子１２０によれば、面１２０ｂの凸レンズ形状と面１２０ｃの凹レンズ形状とはピッチ及び焦点距離の絶対値が等しいため、透過光に対する互いのレンズ効果が打ち消されるので、前方視界の歪みを適切に抑制しつつ、透明性を確保することができる。【００６０】
更に、第１変形例に係る光学素子１２０によれば、上記した第１実施例に係る光学素子１１０と比較して、厚みを薄くすることができる。但し、第１変形例に係る光学素子１２０では、表面に凹凸があるため、汚れが付着しやすいと言える。そのため、光学素子１２０の表面を透明樹脂などで覆っても良い。ただし、透明樹脂の屈折率は凸レンズと凹レンズの機能が失われないように基板とカバー層の屈折率とは異なるようにする。【００６１】
以上のように、第１実施例の第１変形例では、透明拡散部１２０ａは、本発明における「拡散部」の一例に相当し、フレネル構造の凸レンズ形状を有する面１２０ｂは、本発明における「集光部」の一例に相当する。【００６２】
なお、フレネルパターンの中心から外れた領域を、面１２０ｂ及び面１２０ｃに適用しても良い。但し、光学素子１２０を正面から観察した場合に、凸のレンズ位置と凹のレンズ位置とを揃えるように構成することが望ましい。また、複数のフレネルレンズ形状を用いて面１２０ｂ及び面１２０ｃを構成しても良い（この場合、フレネルパターンの中心から外れた領域を合わせて適用しても良い）。【００６３】
図５は、第１実施例の第２変形例に係る光学素子１３０を示している。図５の上側には、光の進行方向に沿った面にて切断した、第２変形例に係る光学素子１３０の断面イメージ図を示している。【００６４】
第２変形例に係る光学素子１３０は、第１変形例に係る光学素子１２０と同様に、透明拡散部１３０ａと、フレネル構造の凸レンズ形状を有する面１３０ｂと、フレネル構造の凹レンズ形状を有する面１２０ｃとを有する。第２変形例に係る光学素子１３０は、第１変形例に係る光学素子１２０をフレキシブルなシート状に構成したものであり、基本的な構成は第１変形例に係る光学素子１２０と同様である。よって、ここでは、同様の構成については説明を省略することとし、異なる構成についてのみ説明する。【００６５】
第２変形例に係る光学素子１３０は、車両のフロントガラスに取り付けられる。具体的には、光学素子１３０は、フロントガラスの曲率に沿わせて設置される。これにより、運転者などに与える圧迫感や違和感を低減することができる。この場合、フレネル構造の凸レンズ形状を有する面１３０ｂの焦点距離は、光学素子１３０をフロントガラスに沿わせたことによる集光効果を考慮した上で、アイボックスＥＢが運転者の頭部付近に適切に位置するように設定すれば良い。また、フロントガラスが垂直に傾いていたり、左右に傾いていたりする場合には、フレネルパターンの中心から適宜ずらした領域を面１３０ｂに適用することで、アイボックスＥＢが運転者の頭部付近に適切に位置するように設定すれば良い。【００６６】
なお、第２変形例で述べたような光学素子をシート状にする構成は、前述した第１実施例に係る光学素子１１０にも適用することができし、後述する実施例（その変形例も含む）で示す光学素子にも適用することができる。【００６７】
＜第２実施例＞
次に、図６を参照して、第２実施例について説明する。図６の上側には、光の進行方向に沿った面にて切断した、第２実施例に係る光学素子１４０の断面イメージ図を示している。【００６８】
断面イメージ図に示すように、第２実施例に係る光学素子１４０は、対向する２つの面（つまり両面）に、マイクロレンズアレイ１４０ａ、１４０ｃが形成されている。光学素子１４０は、マイクロレンズアレイ１４０ａが形成された面がプロジェクタ２００のほうを向くように配置される。【００６９】
また、光学素子１４０は、内部に、フレネル構造の凹面ミラー形状（言い換えると凹面ミラーとして機能するように構成されたフレネル構造の反射面形状）を有する反射面１４０ｂが形成されている。つまり、光学素子１４０は、マイクロレンズアレイ１４０ａとマイクロレンズアレイ１４０ｃとの間に反射面１４０ｂが形成されている。反射面１４０ｂは、フレネル構造の凹面ミラー形状を有する面に半透明の反射膜を付して構成されている。なお、反射面１４０ｂは、マイクロレンズアレイ１４０ａ側に凹んだ面（凹面）に相当する。【００７０】
更に、マイクロレンズアレイ１４０ａとマイクロレンズアレイ１４０ｃとは、同じ形状を有している。具体的には、マイクロレンズアレイ１４０ａとマイクロレンズアレイ１４０ｃとは、同じ形状を有するマイクロレンズが同じレンズピッチで配列されている。また、マイクロレンズアレイ１４０ａとマイクロレンズアレイ１４０ｃとは、マイクロレンズの焦点距離（屈折率で換算した値を用いるものとする。）の２倍の距離だけ離間している。つまり、倍率が１倍のビームエキスパンダー系になるように構成されている。なお、フレネル構造の反射面１４０ｂについては、マイクロレンズアレイ１４０ａとマイクロレンズアレイ１４０ｃとの中間位置に配置する必要はない。【００７１】
ここで、プロジェクタ２００から出射された光は、マイクロレンズアレイ１４０ａによって集光しながらフレネル構造の反射面１４０ｂに向かい、反射面１４０ｂで反射されると拡散しながら再びマイクロレンズアレイ１４０ａを透過して出射される。この際、フレネル構造の反射面１４０ｂは凹面ミラーとして機能するため、図６中の矢印Ａ２１、Ａ２２に示すように、プロジェクタ２００からの光を運転者の頭部付近に集めることができる。よって、第２実施例に係る光学素子１４０によっても、拡散機能と集光機能の両方を適切に実現することができ、表示像の明るさと表示像のサイズ（視野角）の両方を適切に確保することが可能となる。【００７２】
他方で、車両の前方から光学素子１４０に入射される光は、マイクロレンズアレイ１４０ｃ、反射面１４０ｂ、マイクロレンズアレイ１４０ａの順に透過していく。この場合、マイクロレンズアレイ１４０ａとマイクロレンズアレイ１４０ｃとは、同じ形状を有していると共にマイクロレンズの焦点距離の２倍の距離だけ離間しているため、図６中の矢印Ａ２３、Ａ２４に示すように、透過光に対する互いのレンズ効果が打ち消されることとなる。そのため、第２実施例に係る光学素子１４０によっても、前方視界の歪みを適切に抑制しつつ、透明性を確保することができる。【００７３】
以上のように、第２実施例では、マイクロレンズアレイ１４０ａは、本発明における「第１拡散部」の一例に相当し、マイクロレンズアレイ１４０ｃは、本発明における「第２拡散部」の一例に相当し、フレネル構造の凹面ミラー形状を有する反射面１４０ｂは、本発明における「集光部」の一例に相当する。【００７４】
なお、フレネルパターンの中心から外れた領域を反射面１４０ｂに適用しても良い。これにより、アイボックスＥＢの位置を上下方向及び／又は左右方向に適宜変えることができる。また、複数のフレネルレンズ形状を用いて反射面１４０ｂを構成しても良い（この場合、フレネルパターンの中心から外れた領域を合わせて適用しても良い）。これにより、複数のアイボックスＥＢを形成することができる。【００７５】
ここで、図７を参照して、マイクロレンズアレイ１４０ａとマイクロレンズアレイ１４０ｃとの間における反射面１４０ｂの好適な配置位置について説明する。図７（ａ）は、反射面１４０ｂをマイクロレンズアレイ１４０ｃ側に配置した場合を示し、図７（ｂ）は、反射面１４０ｂをマイクロレンズアレイ１４０ａとマイクロレンズアレイ１４０ｃとの概ね中間に配置した場合を示し、図７（ｃ）は、反射面１４０ｂをマイクロレンズアレイ１４０ａ側に配置した場合を示している。図７（ａ）に示すように反射面１４０ｂを配置した場合には、反射される前に拡散が始まっていることがわかる。他方で、図７（ｃ）に示すように反射面１４０ｂを配置した場合には、反射直後に集光して、その後に拡散していることがわかる。以上より、図７（ｃ）に示すように反射面１４０ｂを配置した場合には拡散度合いが少なくなってしまうので、図７（ａ）や（ｂ）に示すように反射面１４０ｂを配置することが望ましいと言える。【００７６】
次に、図８を参照して、第２実施例の変形例について説明する。図８は、光7の進行方向に沿った面にて切断した、第２実施例の変形例に係る光学素子１５０の断面イメージ図を示している。【００７７】
図８に示すように、第２実施例の変形例に係る光学素子１５０は、マイクロレンズアレイ部１５１、１５３と、フレネル反射面部１５２と、を有する。光学素子１５０は、マイクロレンズアレイ部１５１、１５３の間にフレネル反射面部１５２を挟み込んで構成されており、マイクロレンズアレイ部１５１の側がプロジェクタ２００のほうを向くように配置される。【００７８】
マイクロレンズアレイ部１５１、１５３は、それぞれ、フレネル反射面部１５２に対向する面に、マイクロレンズアレイ１５１ａ、１５３ａが形成されている。つまり、マイクロレンズアレイ部１５１、１５３は、凸面の側がフレネル反射面部１５２のほうを向くように配置されている。また、マイクロレンズアレイ１５１ａ、１５３ａは、同じ形状を有するマイクロレンズが同じレンズピッチで配列されていると共に、マイクロレンズの焦点距離（屈折率で換算した値を用いるものとする。）の２倍の距離だけ離間している。【００７９】
フレネル反射面部１５２は、内部に、フレネル構造の凹面ミラー形状（言い換えると凹面ミラーとして機能するように構成されたフレネル構造の反射面形状）を有する反射面１５２ａが形成されている。反射面１５２ａは、フレネル構造の凹面ミラー形状を有する面に半透明の反射膜を付して構成されており、平板で覆われることでフレネル反射面部１５２を成す。なお、反射面１５２ａは、マイクロレンズアレイ部１５１側に凹んだ面（凹面）に相当する。【００８０】
このような第２実施例の変形例に係る光学素子１５０によっても、フレネル構造の反射面１５２ａが凹面ミラーとして機能することで、プロジェクタ２００からの光を運転者の頭部付近に集めることができる。よって、拡散機能と集光機能の両方を適切に実現することができ、表示像の明るさと表示像のサイズ（視野角）の両方を適切に確保することが可能となる。また、第２実施例の変形例に係る光学素子１５０によれば、マイクロレンズアレイ１５１ａ、１５３ａは、同じ形状を有していると共にマイクロレンズの焦点距離の２倍の距離だけ離間しているため、透過光に対する互いのレンズ効果が打ち消されるので、前方視界の歪みを適切に抑制しつつ、透明性を確保することができる。【００８１】
以上のように、第２実施例の変形例では、マイクロレンズアレイ部１５１は、本発明における「第１拡散部」の一例に相当し、マイクロレンズアレイ部１５３は、本発明における「第２拡散部」の一例に相当し、フレネル反射面部１５２は、本発明における「集光部」の一例に相当する。【００８２】
なお、マイクロレンズアレイ部１５１とフレネル反射面部１５２との隙間、及びマイクロレンズアレイ部１５３とフレネル反射面部１５２との隙間は、空気層としても良いが、これらを一体に構成するために透明樹脂などで埋めても良い。但し、隙間を埋める材料は、マイクロレンズアレイ部１５１、１５３のレンズ効果が失われないように、マイクロレンズアレイ部１５１、１５３と異なる屈折率を有するものを用いると良い。【００８３】
また、フレネルパターンの中心から外れた領域を反射面１５２ａに適用しても良い。更に、複数のフレネルレンズ形状を用いて反射面１５２ａを構成しても良い（この場合、フレネルパターンの中心から外れた領域を合わせて適用しても良い）。【００８４】
＜第３実施例＞
次に、図９を参照して、第３実施例について説明する。図９の上側には、光の進行方向に沿った面にて切断した、第３実施例に係る光学素子１６０の断面イメージ図を示している。【００８５】
断面イメージ図に示すように、第３実施例に係る光学素子１６０は、内部にマイクロレンズアレイ１６０ａが形成されている。マイクロレンズアレイ１６０ａは、凸面に半透明の反射膜が付されている。また、マイクロレンズアレイ１６０ａは、各マイクロレンズの間隔は等ピッチであるが、光学素子１６０の中心から離れるにつれて、各マイクロレンズの光軸が外側にずれていく偏心レンズにて構成されている。マイクロレンズアレイ１６０ａは、周辺部になるほど、光学素子１６０の厚さ方向に対してマイクロレンズの光軸が外側にずらされる量が大きくなっている。例えば、マイクロレンズアレイ１６０ａは、フレネルレンズを構成する面と同様の傾きとなるように、各マイクロレンズの光軸がずらされている。【００８６】
第３実施例に係る光学素子１６０によれば、プロジェクタ２００から出射された光は、マイクロレンズアレイ１６０ａによって拡散されると共に反射される。第３実施例では、マイクロレンズアレイ１６０ａの各マイクロレンズは周辺部になるほど光軸が外側にずらされているため、マイクロレンズアレイ１６０ａによる外側への光の拡散が抑えられる。そのため、図９中の矢印Ａ３１、Ａ３２に示すように、プロジェクタ２００からの光を運転者の頭部付近に集めることができる。よって、第３実施例に係る光学素子１６０によっても、拡散機能と集光機能の両方を適切に実現することができ、表示像の明るさと表示像のサイズ（視野角）の両方を適切に確保することが可能となる。【００８７】
また、第３実施例に係る光学素子１６０では、図９中の矢印Ａ３３、Ａ３４に示すように、車両の前方から入射される光に対して特にレンズ効果を付与しないため、前方視界の歪みを適切に抑制しつつ、透明性を確保することができる。【００８８】
更に、第３実施例に係る光学素子１６０によれば、第１実施例及び第２実施例で示したようなフレネルレンズ（フレネルレンズ形状の面も含む）を用いないため、製造コストを削減することが可能となる。【００８９】
＜変形例＞
上記では、本発明における拡散部としてマイクロレンズアレイを用いる例を示したが、これに限定はされない。マイクロレンズアレイの代わりに、レンチキュラーレンズやランダム散乱面などを、本発明における拡散部として用いても良い。また、第３実施例で示した光学素子１６０において、マイクロレンズアレイ１６０ａの代わりに、レンチキュラーレンズを用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、ヘッドアップディスプレイや反射型スクリーンなどに利用することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０  光学素子
１１１  透明拡散板
１１２  フレネル凸レンズ
１１３  フレネル凹レンズ
２００  プロジェクタ
ＥＢ  アイボックス
【図１】
2014041690.tif 000003
【図２】
2014041690.tif 000004
【図３】
2014041690.tif 000005
【図４】
2014041690.tif 000006
【図５】
2014041690.tif 000007
【図６】
2014041690.tif 000008
【図７】
2014041690.tif 000009
【図８】
2014041690.tif 000010
【図９】
2014041690.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成27年3月9日(2015.3.9)
【手続補正１】
【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】
表示像を構成する光を反射することで当該表示像を視認させる光学素子であって、
光の透過性を有すると共に、前記表示像を構成する光を拡散する機能を有する第１拡散部及び第２拡散部を有する拡散部と、
前記光学素子の内部に形成され、光の透過性を有すると共に、前記表示像を構成する光を集光する機能を有する集光部と、を備え、
前記拡散部又は前記集光部は、前記表示像を構成する光を反射する機能を更に有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記集光部は、フレネル構造の凹面ミラー形状を有する反射面であり、
前記第１拡散部は、前記光学素子を構成する対向する２つの面のうちの一方の面に形成されており、前記表示像を構成する光を拡散し、
前記第２拡散部は、前記光学素子を構成する対向する２つの面のうちの他方の面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記集光部は、フレネル構造の凹面ミラー形状を有する反射面が内部に形成され、
前記第１拡散部は、前記集光部の一方の面に対向して配置され、前記表示像を構成する光を拡散し、
前記第２拡散部は、前記集光部の他方の面に対向して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１拡散部と前記集光部との間は、前記第１拡散部の屈折率とは異なる屈折率を有する所定の媒体で埋められており、
前記第２拡散部と前記集光部との間は、前記第２拡散部の屈折率とは異なる屈折率を有する所定の媒体で埋められていることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記フレネル構造として、当該フレネル構造の元になる自由曲面の中心から外れた領域が適用されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１拡散部と前記第２拡散部とは、同じ形状を有するマイクロレンズアレイで構成されており、前記マイクロレンズアレイが有する１つのマイクロレンズの焦点距離の２倍の距離だけ離間していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項７】
フレキシブルなシート状に構成され、移動体のフロントガラスに取り付けられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学素子と、前記光学素子に向けて前記表示像を構成する光を出射する光源部と、を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
請求項１に記載の発明では、表示像を構成する光を反射することで当該表示像を視認させる光学素子であって、光の透過性を有すると共に、前記表示像を構成する光を拡散する機能を有する第１拡散部及び第２拡散部を有する拡散部と、前記光学素子の内部に形成され、光の透過性を有すると共に、前記表示像を構成する光を集光する機能を有する集光部と、を備え、前記拡散部又は前記集光部は、前記表示像を構成する光を反射する機能を更に有することを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
請求項８に記載の発明では、ヘッドアップディスプレイは、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学素子と、前記光学素子に向けて前記表示像を構成する光を出射する光源部と、を備えることを特徴とする。
【国際調査報告】
2014041690.tif 000012
2014041690.tif 000013
2014041690.tif 000014
2014041690.tif 000015
2014041690.tif 000016
2014041690.tif 000017