(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虚像として視認させる。光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが複数形成されている。複数のハーフミラーの少なくとも一つは、フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されている。これにより、一の光学素子によって、異なる箇所に複数のアイボックスを適切に形成することが可能となる。
2014041688.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虚像として視認させる光学素子であって、
前記光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが複数形成されており、
複数の前記ハーフミラーの少なくとも一つは、前記フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記平板を面内で分割した複数の領域に前記複数のハーフミラーが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】
前記平板を面内で上下方向及び又は左右方向に分割した領域のそれぞれに前記ハーフミラーが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記平板の厚さ方向に前記複数のハーフミラーが積層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５】
前記複数のハーフミラーのそれぞれで反射されて前記光学素子から出射された光の明るさが等しくなるように、前記複数のハーフミラーのそれぞれの反射率が設定されていることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記複数のハーフミラーの少なくとも一つは、前記自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心から上下方向及び／又は左右方向にずらされたフレネル構造が適用され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】
前記複数のハーフミラーは、前記自由曲面の焦点距離がそれぞれで異なるフレネル構造が更に適用されてい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】
前記複数のハーフミラーの少なくとも一つは、前記自由曲面の焦点距離が無限大であるフレネル構造が適用されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項９】
請求項１乃至８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。
【請求項１０】
移動体に搭載され、運転席及び助手席の２箇所にアイボックスを形成することを特徴とする請求項９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、虚像として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。一般的に、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小さな画面（実像）を、拡大された虚像として運転者に視認させるために、コンバイナ（合成器）とよばれる凹面ハーフミラーを用いている。昼間でも虚像を明るく視認させるためには、実像の発光輝度を上げれば良いが、消費電力やデバイス価格が増大するため、通常は光の利用効率を上げる手法が用いられている。光の利用効率を上げるためには、実像の発光角度を制限するとともに、コンバイナで反射された光が観察者の頭部に集まるように、凹面ハーフミラーの焦点距離を適切な値に設定すると良い。以下では、コンバイナによって形成される虚像観察可能領域のことを「アイボックス」と呼ぶ。【０００３】
ところで、凹面ハーフミラーコンバイナでアイボックスを形成することは、虚像の輝度を上げるためには有効であるが、観察者が限定されてしまうという課題がある。例えば、運転者に虚像が見えるように運転席の近傍にアイボックスを形成すると、助手席に座る同乗者には虚像が見えない。この課題を解決するために、例えば特許文献１には、運転者と助手席に座る同乗者の両方が虚像を視認できるように、２枚のコンバイナを角度を変えて設置することが提案されている。【０００４】
その他にも、本発明に関連する技術が特許文献２乃至４に提案されている。特許文献２乃至４には、フレネル構造を利用したコンバイナが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０３３０６９号公報
【特許文献２】特許第４７７６６６９号公報
【特許文献３】特開２０１１−１９１７１５号公報
【特許文献４】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】
【０００６】
特許文献１に記載された技術では、２枚のコンバイナを用いることで、アイボックスを２箇所に形成することができる。しかしながら、特許文献１に記載された技術では、装置が大型化してしまったり、コンバイナを２枚利用するためコストがかかってしまったり、２枚のコンバイナの設置角度を調整する必要があった。【０００７】
他方で、特許文献２乃至４に記載された技術では、フレネル構造を利用したコンバイナは平板であるため、車内への設置自由度が増すといった利点がある。しかしながら、特許文献２乃至４に記載された技術では、アイボックスを１箇所にしか形成できなかった。【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、１枚の光学素子によって、複数のアイボックスを適切に形成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虚像として視認させる光学素子であって、前記光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが複数形成されており、複数の前記ハーフミラーの少なくとも一つは、前記フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されていることを特徴とする。【００１０】
請求項９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８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】
【００１１】
【図１】一般的な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】本実施例の基本概念を説明するための図を示す。
【図３】第１実施例に係るコンバイナを説明するための図を示す。
【図４】オフセット量と出射角との関係を説明するための図を示す。
【図５】第１実施例に係る第１変形例を説明するための図を示す。
【図６】第１実施例に係る第２変形例を説明するための図を示す。
【図７】第１実施例に係る第３変形例を説明するための図を示す。
【図８】第１実施例に係る第４変形例を説明するための図を示す。
【図９】第１実施例に係る第５変形例を説明するための図を示す。
【図１０】第１実施例に係る第６変形例を説明するための図を示す。
【図１１】第２実施例に係るコンバイナを説明するための図を示す。
【図１２】焦点距離と虚像距離との関係を説明するための図を示す。
【図１３】第３実施例に係るコンバイナを説明するための図を示す。
【図１４】第３実施例に係るコンバイナによる結像イメージ図を示す。
【図１５】コンバイナの前段に集光レンズが配置された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１６】第４実施例に係るコンバイナを説明するための図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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虚像として視認させる光学素子であって、前記光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが複数形成されており、複数の前記ハーフミラーの少なくとも一つは、前記フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されている。
【００１３】
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虚像として視認させるために利用される。例えば、光学素子は、ヘッドアップディスプレイなどに適用されるコンバイナ（合成器）である。光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが複数形成されている。また、複数のハーフミラーの少なくとも一つは、フレネル構造の元になる自由曲面の中心（例えば頂点）が、当該ハーフミラーの中心（外形中心）に位置しないフレネル構造が適用されている。これにより、一の光学素子によって、異なる箇所に複数のアイボックスを適切に形成することが可能となる。
【００１４】
なお、「フレネル構造」とは、公知のフレネルレンズの面形状に類似する形状が適用された構造を意味する。つまり、「フレネル構造のハーフミラー」とは、公知のフレネルレンズの面形状に類似する形状が適用されたハーフミラーを意味する。
【００１５】
上記の光学素子の一態様では、前記平板を面内で分割した複数の領域に前記複数のハーフミラーが形成されている。例えば、前記平板を面内で上下方向及び／又は左右方向に分割した領域のそれぞれに前記ハーフミラーが形成されている。
【００１６】
上記の光学素子の他の一態様では、前記平板の厚さ方向に前記複数のハーフミラーが積層されている。この場合、前記複数のハーフミラーのそれぞれで反射されて前記光学素子から出射された光の明るさが等しくなるように、前記複数のハーフミラーのそれぞれの反射率が設定されていると良い。こうすることで、複数のアイボックスで視認される虚像の明るさを等しくすることができる。
【００１７】
上記の光学素子の他の一態様では、前記複数のハーフミラーの少なくとも一つは、前記自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心から上下方向及び／又は左右方向にずらされたフレネル構造が適用されている。例えば、光学素子の設置位置や設置角度などに応じて、狙いの位置にアイボックスが形成されるように、ハーフミラーの中心から自由曲面の中心をずらす量が設定される。
【００１８】
上記の光学素子の他の一態様では、前記複数のハーフミラーは、前記自由曲面の焦点距離がそれぞれで異なるフレネル構造が更に適用されている。これにより、一の光学素子によって、異なる距離に位置するように視認される複数の虚像を適切に形成することができる。つまり、複数の虚像距離（光学素子の位置と虚像が視認される位置との距離を意味する）を適切に実現することができる。
【００１９】
上記の光学素子の他の一態様では、前記複数のハーフミラーの少なくとも一つは、前記自由曲面の焦点距離が無限大であるフレネル構造が適用されている。この態様は、集光レンズなどによって集光された光が光学素子に入射されるような構成に好適に適用することができる。
【００２０】
本発明の他の観点では、ヘッドアップディスプレイは、上記の光学素子と、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。好適な例では、ヘッドアップディスプレイは、移動体に搭載され、運転席及び助手席の２箇所にアイボックスを形成する。
【実施例】
【００２１】
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。【００２２】
＜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。【００２３】
図１は、一般的なヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。ヘッドアップディスプレイでは、表示すべき画面（実像ＲＩ）を形成し、実像ＲＩを構成する光をコンバイナ１０で反射させることで、実像ＲＩに対応する虚像ＶＩを運転者に視認させる。例えば、実像ＲＩは、小型液晶ディスプレイによって表示される画面や、プロジェクタによってスクリーンに形成される像（１つの例では射出瞳拡大素子（ＥＰＥ： Exit-Pupil Expander）によって形成される像）に相当する。なお、小型液晶ディスプレイや、プロジェクタ及びスクリーンは、本発明における「光源部」の一例に相当する。一般的なヘッドアップディスプレイでは、コンバイナ１０として凹面ハーフミラーを用い、コンバイナ１０で反射された光が観察者の頭部に集まるように、凹面ハーフミラーの焦点距離を適切な値に設定している。図１において符号ＥＢで示す領域は、観察者の頭部付近に形成される虚像観察可能領域（つまりアイボックス）である。【００２４】
ところで、凹面ハーフミラーのコンバイナ１０でアイボックスＥＢを形成することは、虚像ＶＩの輝度を上げるためには有効であるが、観察者が限定されてしまうという課題がある。例えば、運転者に虚像ＶＩが見えるように運転席の近傍にアイボックスＥＢを形成すると、助手席に座る同乗者には虚像ＶＩが見えない。この課題を解決するために、前述した特許文献１には、運転者と助手席に座る同乗者の両方が虚像ＶＩを視認できるように、２枚のコンバイナを角度を変えて設置することが提案されている。つまり、特許文献１に記載された技術では、２枚のコンバイナを用いることで、アイボックスを２箇所に形成している。しかしながら、この技術では、装置が大型化してしまったり、コンバイナを２枚利用するためコストがかかってしまったり、２枚のコンバイナの設置角度を調整する必要があった。【００２５】
他方で、前述した特許文献２乃至４には、フレネル構造のハーフミラーを利用した平板コンバイナが提案されている。このコンバイナは平板であるため、車内への設置自由度が増すといった利点がある。しかしながら、特許文献２乃至４に記載された技術では、アイボックスを１箇所にしか形成できなかった。【００２６】
これに対して、本実施例は、一般的な凹面ハーフミラーを用いる代わりに、特許文献２乃至４に記載されたようなフレネル構造のハーフミラーを、１枚のコンバイナの内部に複数形成することで、１枚のコンバイナで複数のアイボックスを形成することを図ったものである。【００２７】
図２は、本実施例の基本概念を説明するための図を示している。図２は、３枚のコンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３の例を示しており、３枚のコンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３のそれぞれについて正面図及び断面図（側面図）を示している。なお、正面図及び断面図は、概略的に示したイメージ図を示している。【００２８】
コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３は、内部にフレネル構造のハーフミラーが形成されている。具体的には、コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３は、フレネル構造（フレネルパターン）の元になる仮想放物面Ｓ１の湾曲に応じた微小な反射面（ミラー面）Ｓ２が内部に複数形成されることで、ハーフミラーとして機能する。複数の反射面は、例えば仮想放物面Ｓ１を有するレンズを図２における垂直方向に等間隔で分割して配列したような形状を有する。例えば、コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３は、仮想放物面Ｓ１の湾曲に応じた凹凸が形成された、同じ屈折率を有する２つの部材（以下では適宜「基板」と呼ぶ。基板は言い換えるとカバー層である。）の間に、ある程度の透過性を有する反射薄膜を挟み込むことで作成される。コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３に対して光が垂直に入射した場合、コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３のそれぞれに入射した光は、全て、内部に形成された反射面Ｓ２によって仮想放物面Ｓ１の焦点Ｐ１の方向に反射される。【００２９】
なお、本明細書では、「フレネル構造」とは、公知のフレネルレンズの面形状に類似する形状が適用された構造を意味するものとする。つまり、「フレネル構造のハーフミラー」とは、公知のフレネルレンズの面形状に類似する形状が適用されたハーフミラーを意味するものとする。【００３０】
ここで、コンバイナ１０ｘ１は、その中心（外形中心）に、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２（言い換えると仮想放物面Ｓ１の中心であり、以下同様とする。）が位置している。つまり、コンバイナ１０ｘ１は、ハーフミラーの面上における中心点Ｐ３ｘ１に頂点Ｐ２が位置する仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されている。そのため、コンバイナ１０ｘ１では、内部に形成された反射面Ｓ２の傾きが小さい。他方で、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３は、その中心（外形中心）に、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２が位置していない。つまり、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３は、ハーフミラーの面上における中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３から外れた場所に頂点Ｐ２が位置する仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されている。言い換えると、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３は、フレネルパターンの中心から外れた領域が適用されている。そのため、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３では、内部に形成された反射面Ｓ２の傾きが大きい（つまり反射面Ｓ２が立っている）。【００３１】
以下では、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３のように、ハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３から外れた場所に頂点Ｐ２が位置する仮想放物面Ｓ１をフレネル構造に適用することを、適宜「オフセット」と呼ぶ。また、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２からのオフセットの量を「オフセット量」と呼ぶ。１つの例では、「オフセット量」は、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２がハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３からずらされている量（言い換えると頂点Ｐ２と中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３との距離）で表される。図３に示す例では、コンバイナ１０ｘ２は、ハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ２からオフセット量ＯＦＳｘ２だけ頂点Ｐ２がずらされた仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されており、コンバイナ１０ｘ３は、ハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ３からオフセット量ＯＦＳｘ３だけ頂点Ｐ２がずらされた仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されている。【００３２】
このようにオフセットが適用されたコンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３を用いることで、コンバイナ自体の設置角度を変えることなく、反射されて戻ってくる光の方向を変えることができる。本実施例では、１枚のコンバイナの内部にオフセットの異なる複数のフレネル構造を形成することで、複数のアイボックスを形成すると共に、それらのアイボックスを異なる位置（例えば運転席と助手席）に形成する。【００３３】
なお、フレネル構造の元になる面として放物面を用いることに限定はされない。作り易さの観点から球面形状を用いても良いし、収差を補正するために非球面形状を用いても良い。つまり、種々の自由曲面（例えば焦点が規定されるような曲面）をフレネル構造の元になる面として適用することができる。好適な１つの例では、反射面を覆う基板（カバー層）を加味したハーフミラーの特性が放物面に従ったものであるように（つまり、コンバイナに垂直に光を入射させた場合に、反射面で反射して基板を透過して出射された光が放物面の焦点に向かうように）、フレネル構造の元になる面として非放物面を適用することができる。【００３４】
以下では、本実施例の具体例（第１乃至第４実施例）について説明する。【００３５】
＜第１実施例＞
第１実施例では、コンバイナをその面内で上下方向又は左右方向に分割した領域のそれぞれにフレネル構造のハーフミラーを形成し（つまり２つのハーフミラーを形成し）、２つのハーフミラーの少なくとも一つにオフセットされたフレネル構造を適用する。また、第１実施例では、２つのハーフミラーの一方によって運転席にアイボックスを形成し、２つのハーフミラーの他方によって助手席にアイボックスを形成する。つまり、運転席及び助手席の両方にアイボックスが形成されるように、コンバイナの設置位置や設置角度に応じて、コンバイナ内の２つのハーフミラーの少なくとも一つについて適当なオフセットを与える。【００３６】
図３は、第１実施例に係るコンバイナ１０ａの一例を説明するための図を示す。このコンバイナ１０ａは、図１に示したコンバイナ１０の代わりにヘッドアップディスプレイに対して適用される（後述する各種のコンバイナについても同様であるものとする）。【００３７】
図３（ａ）は、コンバイナ１０ａが設置された車室内を上方及び側方から観察した図（上面図及び側面図）を概略的に示している。図３（ａ）は、コンバイナ１０ａと運転席と助手席との位置関係を示している。ここでは、運転者の正面上方にコンバイナ１０ａを設置した場合を例に挙げる。また、コンバイナ１０ａと運転者頭部との距離Ｌ１が１０００［ｍｍ］であり、運転席と助手席との間隔Ｌ２が７００［ｍｍ］であり、そのような距離Ｌ１、Ｌ２より、コンバイナ１０ａと助手席頭部位置との成す角度θ１が３５［°］となる場合を例に挙げる。加えて、コンバイナ１０ａの基板（カバー層）の屈折率ｎが１．５９であり（基板としてポリカーボネートを用いている）、ハーフミラーに適用するフレネル構造の元になる仮想放物面の焦点距離ｆが３００［ｍｍ］であり、実像ＲＩからの光がコンバイナ１０ａに入射する角度（入射角）θｉｎが０［°］であるものとする。【００３８】
なお、コンバイナ１０ａと助手席頭部位置との成す角度θ１は、助手席にアイボックスを形成するために必要なコンバイナ１０ａの出射角（詳しくは後述するハーフミラー１０ａ２の出射角）となる。以下では、この出射角を適宜「θｏｕｔ」と表記する。【００３９】
図３（ｂ）は、コンバイナ１０ａの正面イメージ図を示している。図３（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ａは、その面内において上下方向に等分割した領域のそれぞれにフレネル構造のハーフミラー１０ａ１、１０ａ２が形成されている。具体的には、コンバイナ１０ａは、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ａ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ａ２が形成されている。上半分に形成されたハーフミラー１０ａ１は、オフセットされていないフレネル構造が適用されている。具体的には、ハーフミラー１０ａ１は、当該ハーフミラー１０ａ１の中心点Ｐ３ａ１に頂点Ｐ２ａ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。【００４０】
他方で、下半分に形成されたハーフミラー１０ａ２は、オフセットされたフレネル構造が適用されている。具体的には、ハーフミラー１０ａ２は、当該ハーフミラー１０ａ２の中心点Ｐ３ａ２から左方向にずれた場所に頂点Ｐ２ａ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。図３に示す例では、ハーフミラー１０ａ２は、中心点Ｐ３ａ２から１１２［ｍｍ］のオフセット量ＯＦＳ１だけ頂点Ｐ２ａ２が左方向にずらされた仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。【００４１】
このようなコンバイナ１０ａを用いることで、上半分のハーフミラー１０ａ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、下半分のハーフミラー１０ａ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。【００４２】
ここで、図３に示した例では、下半分のハーフミラー１０ａ２についてのオフセット量ＯＦＳ１を１１２［ｍｍ］に設定することで、下半分のハーフミラー１０ａ２から助手席の方向に向けて適切に光を出射させることができるのだが、つまりハーフミラー１０ａ２（基板を含む）からの出射角θｏｕｔを３５°とすることができるのだが、そのような狙いの出射角θｏｕｔを実現するために設定すべきオフセット量の求め方について、図４を参照して説明する。【００４３】
図４（ａ）は、出射角θｏｕｔについての導出式の求め方を説明するための図を示している。図４（ａ）は、コンバイナ１０ａの断面イメージ図を示している。図４（ａ）に示すように、入射光は、入射角θｉｎでコンバイナ１０ａに入射し、屈折率ｎの基板で屈折して角度θｉｎ’となる。この場合、スネルの法則より、「ｓｉｎθｉｎ＝ｎ・ｓｉｎθｉｎ’」といった式が成り立つ。そして、この入射光は、ハーフミラー１０ａ２におけるフレネル構造の反射面Ｓ２上の点Ｐ１０に入射する。点Ｐ１０は、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２からｘ方向において「ＯＦＳ」だけ離れた場所に位置する（「ＯＦＳ」はオフセット量に相当する）。仮想放物面Ｓ１は、焦点距離ｆを用いると「ｙ＝ｘ２／４ｆ」と表される。【００４４】
ここで、点Ｐ１０を通る、ｘ軸に平行な直線と、点Ｐ１０での仮想放物面Ｓ１の接線とが成す角度φは、「φ＝ｔａｎ−１（ＯＦＳ／２ｆ）」となる。このような角度φを用いると、角度θｉｎ’の入射光が反射面Ｓ２に入射する角度βは、「β＝φ−θｉｎ’」となる。そして、このように反射面Ｓ２で反射した光は基板の面に対して角度「θｉｎ’＋２β」で入射し、基板から出て行く際に屈折することで出射角θｏｕｔとなる。この場合、スネルの法則より、「ｓｉｎθｏｕｔ＝ｎ・ｓｉｎ（θｉｎ’＋２β）」といった式が成り立つ。この式を書き換えると、出射角θｏｕｔの導出式（１）が得られる。【００４５】
θｏｕｔ＝ｓｉｎ−１［ｎ・ｓｉｎ｛２ｔａｎ−１（ＯＦＳ／２ｆ）−ｓｉｎ−１（ｓｉｎθｉｎ／ｎ）｝］      式（１）
式（１）に示すように、出射角θｏｕｔは、屈折率ｎと、オフセット量ＯＦＳと、焦点距離ｆと、入射角θｉｎとで表される。【００４６】
図４（ｂ）は、上記のような式（１）に対して、図３で例示したパラメータ（ｎ、ｆ、θｉｎについての具体的な値）を代入した場合に得られたグラフを示している。図４（ｂ）では、横軸にオフセット量ＯＦＳ［ｍｍ］を示し、縦軸に出射角θｏｕｔ［°］を示している。図４（ｂ）に示すグラフによれば、図３で例示した３５°の出射角θｏｕｔを実現するためには、オフセット量ＯＦＳを１１２［ｍｍ］に設定すれば良いことがわかる。【００４７】
以上説明した第１実施例によれば、コンバイナ１０ａの内部に２つのフレネル構造のハーフミラー１０ａ１、１０ａ２を形成し、一方のハーフミラー１０ａ２にオフセットを与えることで、運転者の頭部付近と助手席に座る同乗者の頭部付近との２箇所に、アイボックスを適切に形成することができる。また、第１実施例によれば、１枚のコンバイナ１０ａによって２箇所にアイボックスを形成することができるため、特許文献１に記載された技術のように２枚のコンバイナを用いる場合と比較して、装置を小型化することができると共に、コストを低減することができる。また、２枚のコンバイナの設置角度を調整する必要もない。【００４８】
［第１実施例の変形例］
以下では、上記した第１実施例の変形例について説明する。【００４９】
（第１変形例）
図５は、第１実施例に係る第１変形例を説明するための図を示す。図５（ａ）は、第１変形例に係るコンバイナ１０ｂ又はコンバイナ１０ｃが設置された車室内を上方及び側方から観察した図（上面図及び側面図）を概略的に示している。図５（ａ）は、コンバイナ１０ｂ又は１０ｃと運転席と助手席との位置関係を示している。図５（ａ）に示すように、第１変形例では、上記した第１実施例と同様に、運転者の正面上方にコンバイナ１０ｂ又は１０ｃが設置される。【００５０】
図５（ｂ）は、第１変形例に係るコンバイナ１０ｂの正面イメージ図を示している。図５（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｂは、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｂ２が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｂ１が形成されている。コンバイナ１０ｂは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａと異なり、上半分に形成されたハーフミラー１０ｂ２に対してオフセットされたフレネル構造が適用され、下半分に形成されたハーフミラー１０ｂ１に対してオフセットされていないフレネル構造が適用されている。具体的には、上半分に形成されたハーフミラー１０ｂ２は、当該ハーフミラー１０ｂ２の中心点Ｐ３ｂ２から左方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｂ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、下半分に形成されたハーフミラー１０ｂ１は、当該ハーフミラー１０ｂ１の中心点Ｐ３ｂ１に頂点Ｐ２ｂ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｂを用いた場合、下半分のハーフミラー１０ｂ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、上半分のハーフミラー１０ｂ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。【００５１】
図５（ｃ）は、第１変形例に係るコンバイナ１０ｃの正面イメージ図を示している。図５（ｃ）に示すように、コンバイナ１０ｃは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａと異なり、面内において左右方向に等分割した領域のそれぞれにフレネル構造のハーフミラー１０ｃ１、１０ｃ２が形成されている。具体的には、コンバイナ１０ｃは、右半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｃ１が形成され、左半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｃ２が形成されている。右半分に形成されたハーフミラー１０ｃ１は、オフセットされていないフレネル構造が適用されている。具体的には、ハーフミラー１０ｃ１は、当該ハーフミラー１０ｃ１の中心点Ｐ３ｃ１に頂点Ｐ２ｃ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、左半分に形成されたハーフミラー１０ｃ２は、オフセットされたフレネル構造が適用されている。具体的には、ハーフミラー１０ｃ２は、当該ハーフミラー１０ｃ２の中心点Ｐ３ｃ２から左方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｃ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｃを用いた場合、右半分のハーフミラー１０ｃ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、上半分のハーフミラー１０ｃ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。【００５２】
なお、コンバイナ１０ｃにおいて、ハーフミラー１０ｃ１とハーフミラー１０ｃ２とを入れ替えたような構成を採用しても良い。つまり、ハーフミラー１０ｃ１を左半分に位置させ、ハーフミラー１０ｃ２を右半分に位置させたような構成を採用しても良い。【００５３】
（第２変形例）
図６は、第１実施例に係る第２変形例を説明するための図を示す。図６（ａ）は、第２変形例に係るコンバイナ１０ｄ又はコンバイナ１０ｅが設置された車室内を上方及び側方から観察した図（上面図及び側面図）を概略的に示している。図６（ａ）は、コンバイナ１０ｄ又は１０ｅと運転席と助手席との位置関係を示している。図６（ａ）に示すように、第２変形例では、上記した第１実施例と異なり、運転席と助手席との中間位置の上方にコンバイナ１０ｄ又は１０ｅが設置される。【００５４】
図６（ｂ）は、第２変形例に係るコンバイナ１０ｄの正面イメージ図を示している。図６（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｄは、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｄ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｄ２が形成されている。コンバイナ１０ｄは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａと異なり、ハーフミラー１０ｄ１及びハーフミラー１０ｄ２の両方とも、オフセットされたフレネル構造が適用されている。具体的には、上半分に形成されたハーフミラー１０ｄ１は、当該ハーフミラー１０ｄ１の中心点Ｐ３ｄ１から右方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｄ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、下半分に形成されたハーフミラー１０ｄ２は、当該ハーフミラー１０ｄ２の中心点Ｐ３ｄ２から左方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｄ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｄを用いた場合、上半分のハーフミラー１０ｄ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、下半分のハーフミラー１０ｄ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。【００５５】
なお、コンバイナ１０ｄにおいて、ハーフミラー１０ｄ１とハーフミラー１０ｄ２とを入れ替えたような構成を採用しても良い。つまり、ハーフミラー１０ｄ１を下半分に位置させ、ハーフミラー１０ｄ２を上半分に位置させたような構成を採用しても良い。【００５６】
図６（ｃ）は、第２変形例に係るコンバイナ１０ｅの正面イメージ図を示している。図６（ｃ）に示すように、コンバイナ１０ｅは、第１変形例に係るコンバイナ１０ｃと同様に、右半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｅ１が形成され、左半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｅ２が形成されている。また、コンバイナ１０ｅは、上記したコンバイナ１０ｄと同様に、ハーフミラー１０ｅ１及びハーフミラー１０ｅ２の両方とも、オフセットされたフレネル構造が適用されている。具体的には、右半分に形成されたハーフミラー１０ｅ１は、当該ハーフミラー１０ｅ１の中心点Ｐ３ｅ１から右方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｅ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、左半分に形成されたハーフミラー１０ｅ２は、当該ハーフミラー１０ｅ２の中心点Ｐ３ｅ２から左方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｅ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｅを用いた場合、右半分のハーフミラー１０ｅ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、左半分のハーフミラー１０ｅ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。【００５７】
なお、コンバイナ１０ｅにおいて、ハーフミラー１０ｅ１とハーフミラー１０ｅ２とを入れ替えたような構成を採用しても良い。つまり、ハーフミラー１０ｅ１を左半分に位置させ、ハーフミラー１０ｅ２を右半分に位置させたような構成を採用しても良い。【００５８】
（第３変形例）
図７は、第１実施例に係る第３変形例を説明するための図を示す。図７（ａ）は、第３変形例に係るコンバイナ１０ｆ又はコンバイナ１０ｇが設置された車室内を上方及び側方から観察した図（上面図及び側面図）を概略的に示している。図７（ａ）は、コンバイナ１０ｆ又は１０ｇと運転席と助手席との位置関係を示している。図７（ａ）に示すように、第３変形例では、上記した第１実施例と同様に、運転者の正面上方にコンバイナ１０ｆ又は１０ｇが設置されている。しかしながら、第３変形例では、コンバイナ１０ｆ又は１０ｇの設置角度が第１実施例とは異なる。【００５９】
図７（ｂ）は、第３変形例に係るコンバイナ１０ｆの正面イメージ図を示している。図７（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｆは、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｆ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｆ２が形成されている。コンバイナ１０ｆは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａと異なり、ハーフミラー１０ｆ１及びハーフミラー１０ｆ２の両方とも、オフセットされたフレネル構造が適用されている。また、コンバイナ１０ｆは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａと異なり、左右方向のオフセットだけでなく上下方向のオフセットも適用されている。具体的には、上半分に形成されたハーフミラー１０ｆ１は、当該ハーフミラー１０ｆ１の中心点Ｐ３ｆ１から上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｆ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、下半分に形成されたハーフミラー１０ｆ２は、当該ハーフミラー１０ｆ２の中心点Ｐ３ｆ２から左方向及び上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｆ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｆを用いた場合、上半分のハーフミラー１０ｆ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、下半分のハーフミラー１０ｆ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。【００６０】
なお、コンバイナ１０ｆにおいて、ハーフミラー１０ｆ１とハーフミラー１０ｆ２とを入れ替えたような構成を採用しても良い。つまり、ハーフミラー１０ｆ１を下半分に位置させ、ハーフミラー１０ｆ２を上半分に位置させたような構成を採用しても良い。【００６１】
図７（ｃ）は、第３変形例に係るコンバイナ１０ｇの正面イメージ図を示している。図７（ｃ）に示すように、コンバイナ１０ｇは、右半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｇ１が形成され、左半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｇ２が形成されている。また、コンバイナ１０ｇは、上記したコンバイナ１０ｆと同様に、ハーフミラー１０ｇ１及びハーフミラー１０ｇ２の両方にオフセットされたフレネル構造が適用されていると共に、左右方向のオフセットだけでなく上下方向のオフセットも適用されている。具体的には、右半分に形成されたハーフミラー１０ｇ１は、当該ハーフミラー１０ｇ１の中心点Ｐ３ｇ１から上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｇ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、左半分に形成されたハーフミラー１０ｇ２は、当該ハーフミラー１０ｇ２の中心点Ｐ３ｇ２から左方向及び上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｇ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｇを用いた場合、右半分のハーフミラー１０ｇ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、左半分のハーフミラー１０ｇ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。【００６２】
なお、コンバイナ１０ｇにおいて、ハーフミラー１０ｇ１とハーフミラー１０ｇ２とを入れ替えたような構成を採用しても良い。つまり、ハーフミラー１０ｇ１を左半分に位置させ、ハーフミラー１０ｇ２を右半分に位置させたような構成を採用しても良い。【００６３】
（第４変形例）
図８は、第１実施例に係る第４変形例を説明するための図を示す。図８（ａ）は、第４変形例に係るコンバイナ１０ｈ又はコンバイナ１０ｉが設置された車室内を上方及び側方から観察した図（上面図及び側面図）を概略的に示している。図８（ａ）は、コンバイナ１０ｈ又は１０ｉと運転席と助手席との位置関係を示している。図８（ａ）に示すように、第４変形例では、上記した第１実施例と異なり、運転席と助手席との中間位置の上方に１０ｈ又は１０ｉが設置される。また、第４変形例では、コンバイナ１０ｈ又は１０ｉの設置角度が第１実施例とは異なる。【００６４】
図８（ｂ）は、第４変形例に係るコンバイナ１０ｈの正面イメージ図を示している。図８（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｈは、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｈ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｈ２が形成されている。コンバイナ１０ｈは、第３変形例に係るコンバイナ１０ｆと同様に、ハーフミラー１０ｈ１及びハーフミラー１０ｈ２の両方にオフセットされたフレネル構造が適用されていると共に、左右方向及び上下方向についてのオフセットが適用されている。具体的には、上半分に形成されたハーフミラー１０ｈ１は、当該ハーフミラー１０ｈ１の中心点Ｐ３ｈ１から右方向及び上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｈ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、下半分に形成されたハーフミラー１０ｈ２は、当該ハーフミラー１０ｈ２の中心点Ｐ３ｈ２から左方向及び上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｈ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｈを用いた場合、上半分のハーフミラー１０ｈ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、下半分のハーフミラー１０ｈ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。【００６５】
なお、コンバイナ１０ｈにおいて、ハーフミラー１０ｈ１とハーフミラー１０ｈ２とを入れ替えたような構成を採用しても良い。つまり、ハーフミラー１０ｈ１を下半分に位置させ、ハーフミラー１０ｈ２を上半分に位置させたような構成を採用しても良い。【００６６】
図８（ｃ）は、第４変形例に係るコンバイナ１０ｉの正面イメージ図を示している。図８（ｃ）に示すように、コンバイナ１０ｉは、右半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｉ１が形成され、左半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｉ２が形成されている。また、コンバイナ１０ｉは、上記したコンバイナ１０ｈと同様に、ハーフミラー１０ｉ１及びハーフミラー１０ｉ２の両方にオフセットされたフレネル構造が適用されていると共に、左右方向及び上下方向についてのオフセットが適用されている。具体的には、右半分に形成されたハーフミラー１０ｉ１は、当該ハーフミラー１０ｉ１の中心点Ｐ３ｉ１から右方向及び上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｉ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、左半分に形成されたハーフミラー１０ｉ２は、当該ハーフミラー１０ｉ２の中心点Ｐ３ｉ２から左方向及び上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｉ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。このようなコンバイナ１０ｉを用いた場合、右半分のハーフミラー１０ｉ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、左半分のハーフミラー１０ｉ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。【００６７】
なお、コンバイナ１０ｉにおいて、ハーフミラー１０ｉ１とハーフミラー１０ｉ２とを入れ替えたような構成を採用しても良い。つまり、ハーフミラー１０ｉ１を左半分に位置させ、ハーフミラー１０ｉ２を右半分に位置させたような構成を採用しても良い。【００６８】
（第５変形例）
図９は、第１実施例に係る第５変形例を説明するための図を示す。図９（ａ）は、第５変形例に係るコンバイナ１０ｊが設置された車室内を側方から観察した図（側面図）を概略的に示している。図９（ａ）は、コンバイナ１０ｊと運転席との位置関係を示している。第５変形例では、上記した第１実施例と同様に、運転者の正面上方にコンバイナ１０ｊが設置される。【００６９】
図９（ｂ）は、第５変形例に係るコンバイナ１０ｊの正面イメージ図を示している。図９（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｊは、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｊ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｊ２が形成されている。コンバイナ１０ｊは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａと同様に、上半分に形成されたハーフミラー１０ｊ１に対してオフセットされていないフレネル構造が適用され、下半分に形成されたハーフミラー１０ｊ２に対してオフセットされたフレネル構造が適用されている。しかしながら、コンバイナ１０ｊは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａと異なり、下半分に形成されたハーフミラー１０ｊ２に対して、左右方向ではなく上下方向についてのオフセットが適用されている。具体的には、ハーフミラー１０ｊ２は、当該ハーフミラー１０ｊ２の中心点Ｐ３ｊ２から下方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｊ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。【００７０】
このようなコンバイナ１０ｊを用いた場合、図９（ａ）に示すように、上半分のハーフミラー１０ｊ１によって、運転者が符号５０で示す場所に位置する場合の頭部付近にアイボックスが形成され、下半分のハーフミラー１０ｊ２によって、運転者が符号５１で示す場所（符号５０よりも下方の場所）に位置する場合の頭部付近にアイボックスが形成される。【００７１】
以上述べたように、第５変形例によれば、運転席の上下方向に２つのアイボックスを適切に形成することができる。これにより、運転者の座高などに応じたコンバイナ１０ｊの傾斜角度の調整が不要となる。【００７２】
（第６変形例）
図１０は、第１実施例に係る第６変形例を説明するための図を示す。図１０（ａ）は、第６変形例に係るコンバイナ１０ｋが設置された車室内を側方から観察した図（側面図）を概略的に示している。図１０（ａ）は、コンバイナ１０ｋと運転席との位置関係を示している。第６変形例では、上記した第１実施例と同様に、運転者の正面上方にコンバイナ１０ｋが設置される。しかしながら、第６変形例では、コンバイナ１０ｋの設置角度が第１実施例とは異なる。【００７３】
図１０（ｂ）は、第６変形例に係るコンバイナ１０ｋの正面イメージ図を示している。図１０（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｋは、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｋ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｋ２が形成されている。コンバイナ１０ｋは、第５変形例に係るコンバイナ１０ｊと同様に、左右方向ではなく上下方向についてのオフセットが適用されている。この場合、コンバイナ１０ｋは、第５変形例に係るコンバイナ１０ｊと異なり、ハーフミラー１０ｋ１及びハーフミラー１０ｋ２の両方とも、上下方向についてのオフセットが適用されている。具体的には、ハーフミラー１０ｋ１は、当該ハーフミラー１０ｋ１の中心点Ｐ３ｋ１から上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｋ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。他方で、ハーフミラー１０ｋ２は、当該ハーフミラー１０ｋ２の中心点Ｐ３ｋ２から上方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｋ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。【００７４】
このようなコンバイナ１０ｋを用いた場合、図１０（ａ）に示すように、上半分のハーフミラー１０ｋ１によって、運転者が符号５３で示す場所に位置する場合の頭部付近にアイボックスが形成され、下半分のハーフミラー１０ｋ２によって、運転者が符号５２で示す場所（符号５３よりも上方の場所）に位置する場合の頭部付近にアイボックスが形成される。【００７５】
以上述べたような第６変形例によっても、運転席の上下方向に２つのアイボックスを適切に形成することができ、運転者の座高などに応じたコンバイナ１０ｋの傾斜角度の調整が不要となる。【００７６】
（第７変形例）
上記した第１実施例及び第１乃至第６変形例では、コンバイナを等分割した領域にハーフミラーを形成する例を示したが、コンバイナを等分割することに限定はされない。また、第１実施例及び第１乃至第６変形例では、コンバイナを左右方向又は上下方向に分割した領域にハーフミラーを形成する例を示したが、そのようにコンバイナを分割することに限定はされない。コンバイナを３以上の領域に分割してハーフミラーを形成しても良いし、コンバイナを種々の形状を有する領域に分割してハーフミラーを形成しても良い。【００７７】
＜第２実施例＞
次に、第２実施例について説明する。第２実施例では、フレネル構造のハーフミラーがコンバイナの厚さ方向に複数積層される点で、第１実施例と異なる。それ以外の点は、第１実施例と同様である。具体的には、第２実施例でも、複数のハーフミラーの少なくとも一つにオフセットされたフレネル構造を適用し、そのような複数のハーフミラーによって運転席及び助手席の両方にアイボックスを形成する。【００７８】
図１１は、第２実施例に係るコンバイナ１０ｍの一例を説明するための図を示す。図１１（ａ）は、コンバイナ１０ｍが設置された車室内を上方及び側方から観察した図（上面図及び側面図）を概略的に示している。図１１（ａ）は、コンバイナ１０ｍと運転席と助手席との位置関係を示している。ここでは、運転席と助手席との中間位置の上方にコンバイナ１０ｍを設置した場合を例に挙げる。また、コンバイナ１０ｍと運転者頭部との距離Ｌ１が１０００［ｍｍ］であり、運転席と助手席との間隔Ｌ２が７００［ｍｍ］であり、そのような距離Ｌ１、Ｌ２より、コンバイナ１０ｍと運転席頭部位置及び助手席頭部位置との成す角度θ２が１９［°］となる場合を例に挙げる。加えて、コンバイナ１０ｍの基板（カバー層）の屈折率ｎが１．５９であり（基板としてポリカーボネートを用いている）、ハーフミラーに適用するフレネル構造の元になる仮想放物面の焦点距離ｆが３００［ｍｍ］であり、実像ＲＩからの光がコンバイナ１０ｍに入射する角度（入射角）θｉｎが０［°］であるものとする。【００７９】
なお、コンバイナ１０ｍと運転席頭部位置及び助手席頭部位置との成す角度θ２は、運転席及び助手席にアイボックスを形成するために必要なコンバイナ１０ｍの出射角（詳しくは後述するハーフミラー１０ｍ１、１０ｍ２の出射角）となる。つまり、前述した出射角θｏｕｔに相当する。【００８０】
図１１（ｂ）は、第２実施例に係るコンバイナ１０ｍの正面イメージ図を示しており、図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）中の切断線Ａ１−Ａ２に沿ったコンバイナ１０ｍの断面イメージ図を示している。図１１（ｃ）に示すように、フレネル構造のハーフミラー１０ｍ１、１０ｍ２は、コンバイナ１０ｍの厚さ方向に積層されている。具体的には、コンバイナ１０ｍを正面から見た場合において、ハーフミラー１０ｍ１は、ハーフミラー１０ｍ２よりも奥側に形成されている。言い換えると、ハーフミラー１０ｍ２は、ハーフミラー１０ｍ１よりも手前側に形成されている。図１１（ｂ）では、破線は、奥側に形成されたハーフミラー１０ｍ１のイメージを示しており、実線は、手前側に形成されたハーフミラー１０ｍ２のイメージを示している。【００８１】
図１１（ｂ）に示すように、ハーフミラー１０ｍ１及びハーフミラー１０ｍ２は両方とも、オフセットされたフレネル構造が適用されている。具体的には、ハーフミラー１０ｍ１は、当該ハーフミラー１０ｍ１の中心点Ｐ３ｍ（コンバイナ１０ｍ自体の中心点に相当する）から右方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｍ１が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。図１１に示す例では、ハーフミラー１０ｍ１は、中心点Ｐ３ｍから６６［ｍｍ］のオフセット量ＯＦＳ２ａだけ頂点Ｐ２ｍ１が右方向にずらされた仮想放物面が適用されている。他方で、ハーフミラー１０ｍ２は、当該ハーフミラー１０ｍ２の中心点Ｐ３ｍ（コンバイナ１０ｍ自体の中心点に相当する）から左方向にずれた場所に頂点Ｐ２ｍ２が位置する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。図１１に示す例では、ハーフミラー１０ｍ２は、中心点Ｐ３ｍから６６［ｍｍ］のオフセット量ＯＦＳ２ｂだけ頂点Ｐ２ｍ２が左方向にずらされた仮想放物面が適用されている。【００８２】
なお、６６［ｍｍ］のオフセット量ＯＦＳ２ａ、ＯＦＳ２ｂは、図４（ｂ）に示したグラフより、１９［°］の出射角θｏｕｔに対応するオフセット量ＯＦＳとして求められるものである。【００８３】
このようなコンバイナ１０ｍを用いることで、奥側のハーフミラー１０ｍ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、手前側のハーフミラー１０ｍ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。したがって、第２実施例によっても、１枚のコンバイナ１０ｍによって、運転者の頭部付近と助手席に座る同乗者の頭部付近との２箇所に、アイボックスを適切に形成することができる。【００８４】
なお、ハーフミラー１０ｍ１によって運転席の方向に出射される光の明るさと、ハーフミラー１０ｍ２によって助手席の方向に出射される光の明るさとが等しくなるように、ハーフミラー１０ｍ１の反射面Ｓ２ｍ１の反射率（反射膜などの反射率）と、ハーフミラー１０ｍ２の反射面Ｓ２ｍ２の反射率（反射膜などの反射率）とを設定することが望ましい。これを実現するためには、手前側のハーフミラー１０ｍ２の反射面Ｓ２ｍ２の反射率を「Ｒｆ」とし、奥側のハーフミラー１０ｍ１の反射面Ｓ２ｍ１の反射率を「Ｒｂ」とすると、「（１−Ｒｆ）＊Ｒｂ＝Ｒｆ」といった式が成立するような反射率Ｒｆ、Ｒｂを採用すれば良い。例えば、手前側のハーフミラー１０ｍ２の反射面Ｓ２ｍ２の反射率Ｒｆとして２０％を採用した場合、「Ｒｂ＝０．２／（１−０．２）＝０．２５」となることから、奥側のハーフミラー１０ｍ１の反射面Ｓ２ｍ１の反射率Ｒｂとして２５％を採用すれば、運転席で視認される虚像ＶＩの明るさと助手席で視認される虚像ＶＩの明るさとを揃えることができる。【００８５】
なお、上記した第１実施例及び第１乃至第７変形例で示した種々の構成例は、第２実施例に対しても適用することができる。例えば、第１実施例及び第１乃至第７変形例で示した種々のフレネル構造のパターンを、コンバイナの厚さ方向に積層することができる。【００８６】
なお、上記では２層のフレネル構造を積層する実施例を示したが、３層以上のフレネル構造を積層しても良い。【００８７】
＜第３実施例＞
次に、第３実施例について説明する。第３実施例は、コンバイナに形成された複数のハーフミラーにおいて、仮想放物面の焦点距離が異なるフレネル構造が適用される点で、第１及び第２実施例と異なる。つまり、第３実施例では、複数のハーフミラーのそれぞれで焦点距離が異なる仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用される。こうすることで、１枚のコンバイナによって、異なる距離に位置するように視認される複数の虚像ＶＩが形成される。即ち、複数の虚像距離（コンバイナの位置と虚像ＶＩが視認される位置との距離を意味する）が実現される。【００８８】
ここで、図１２を参照して、焦点距離と虚像距離との関係について説明する。図１２において、「Ｌａ」はコンバイナ１０と実像ＲＩとの距離を示し、「Ｌｂ」はコンバイナ１０と虚像ＶＩとの距離（即ち虚像距離）を示している。コンバイナ１０のハーフミラーに適用されるフレネル構造の元になる仮想放物面の焦点距離ｆと、「Ｌａ」及び「Ｌｂ」との間には、以下の式（２）が成立する。【００８９】
１／Ｌａ−１／Ｌｂ＝１／Ｆ    式（２）
式（２）は、実像位置と虚像位置との関係を示す結像式であり、焦点距離ｆを変えるだけで虚像距離Ｌｂを適宜変えることができることを示している。【００９０】
次に、図１３を参照して、第３実施例に係るコンバイナ１０ｎの一例について説明する。図１３（ａ）は、コンバイナ１０ｎが設置された車室内を側方から観察した図（側面図）を概略的に示している。図１３（ａ）は、コンバイナ１０ｎと運転席との位置関係を示している。ここでは、運転者の正面上方にコンバイナ１０ｎを設置した場合を例に挙げる。また、コンバイナ１０ｎと実像ＲＩとの距離Ｌａが２００［ｍｍ］であり、コンバイナ１０ｎの基板（カバー層）の屈折率ｎが１．５９であり（基板としてポリカーボネートを用いている）、実像ＲＩからの光がコンバイナ１０ｎに入射する角度（入射角）θｉｎが０［°］である場合を例に挙げる。【００９１】
図１３（ｂ）は、第３実施例に係るコンバイナ１０ｎの正面イメージ図を示している。図１３（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｎは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａ等と同様に、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｎ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｎ２が形成されている。第３実施例では、ハーフミラー１０ｎ１とハーフミラー１０ｎ２とでは、焦点距離が互いに異なる仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。具体的には、上半分に形成されたハーフミラー１０ｎ１は、下半分に形成されたハーフミラー１０ｎ２よりも、焦点距離が短い仮想放物面が適用されている。【００９２】
図１４は、第３実施例に係るコンバイナ１０ｎによる結像イメージ図を示している。図１４（ａ）は、コンバイナ１０ｎにおいて上半分に形成されたハーフミラー１０ｎ１による結像イメージの上面図を示しており、図１４（ｂ）は、コンバイナ１０ｎにおいて下半分に形成されたハーフミラー１０ｎ２による結像イメージの上面図を示している。これにより、上半分に形成されたハーフミラー１０ｎ１のほうが、下半分に形成されたハーフミラー１０ｎ２よりも、虚像距離が長いことがわかる（Ｌｂ１＞Ｌｂ２）。例えば、上半分のハーフミラー１０ｎ１に対して、焦点距離が２２０［ｍｍ］である仮想放物面を適用し、下半分のハーフミラー１０ｎ２に対して、焦点距離が３００［ｍｍ］である仮想放物面を適用すると、上半分のハーフミラー１０ｎ１による虚像距離Ｌｂ１は２２００［ｍｍ］となり、下半分のハーフミラー１０ｎ２による虚像距離Ｌｂ２は３００［ｍｍ］となる。【００９３】
以上説明した第３実施例によれば、１枚のコンバイナ１０ｎによって、複数の虚像距離を適切に実現することができる。つまり、異なる距離に位置するように視認される複数の虚像ＶＩを適切に形成することができる。【００９４】
なお、コンバイナ１０ｎにおいて、上半分のハーフミラー１０ｎ１を利用して表示させる画像と、下半分のハーフミラー１０ｎ２を利用して表示させる画像とを変えると良い。１つの例では、上半分のハーフミラー１０ｎ１を利用して経路矢印を表示させ、下半分のハーフミラー１０ｎ２を利用して速度計を表示させることができる。他の例では、上半分のハーフミラー１０ｎ１を利用して広域地図（縮尺が小さい地図）を表示させ、下半分のハーフミラー１０ｎ２を利用して詳細地図（縮尺が大きい地図）を表示させることができる。【００９５】
なお、第３実施例と第１実施例とを組み合わせて実施しても良い。具体的には、複数のハーフミラーについて、焦点距離が異なる仮想放物面を元にしたフレネル構造を適用すると共に、複数のハーフミラーの少なくとも一つについて、オフセットされたフレネル構造を適用することができる。１つの例では、運転席と助手席とでコンバイナまでの距離が異なるが、それに因らずに運転席と助手席とで同一の虚像ＶＩ（サイズなどが同一の虚像ＶＩ）が視認されるように、焦点距離が異なると共にオフセットされたフレネル構造を複数のハーフミラーに適用することができる。他の例では、運転席での虚像距離と助手席での虚像距離とが異なるように、焦点距離が異なると共にオフセットされたフレネル構造を複数のハーフミラーに適用することができる。この例では、助手席での虚像距離が運転席での虚像距離よりも短くなるように焦点距離を設定すると良い。【００９６】
厳密に言うと、上記したコンバイナ１０ｎでも、ハーフミラー１０ｎ１、１０ｎ２はオフセットされたフレネル構造が適用されている（図１３（ｂ）参照）。こうしているのは、運転者の頭部の方向に向けて、ハーフミラー１０ｎ１、１０ｎ２の両方から適切に光が出射されるようにするためである（図１３（ａ）参照）。なお、仮想放物面の焦点距離が異なるフレネル構造と、オフセットされたフレネル構造の両方を適用することに限定はされず、オフセットされたフレネル構造を適用せずに、仮想放物面の焦点距離が異なるフレネル構造のみを適用しても良い。【００９７】
また、上記した第１実施例及び第１乃至第７変形例で示した種々の構成例は、第３実施例に対しても適用することができる。例えば、コンバイナの面内での領域の分割例や、フレネル構造のパターン例は、第３実施例に対しても適用することができる。【００９８】
更に、第３実施例と第２実施例とを組み合わせて実施しても良い。その場合、焦点距離が異なる仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用された複数のハーフミラーを、コンバイナの厚さ方向に積層すれば良い。【００９９】
＜第４実施例＞
次に、第４実施例について説明する。第４実施例は、コンバイナに形成された複数のハーフミラーの少なくとも一つについて、焦点距離が無限大である仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用される点で、第１乃至第３実施例と異なる。【０１００】
ここで、図１５に示すように、コンバイナ１０の前段に集光レンズ１１が配置されたヘッドアップディスプレイでは、コンバイナ１０にレンズ機能を具備させる必要はない。つまり、コンバイナ１０は平面ハーフミラーでも良い。好適な例では、第４実施例は、図１５に示すような構成のヘッドアップディスプレイに適用される。【０１０１】
図１６は、第４実施例に係るコンバイナ１０ｐの一例を説明するための図を示す。図１６（ａ）は、コンバイナ１０ｐが設置された車室内を上方及び側方から観察した図（上面図及び側面図）を概略的に示している。図１６（ａ）は、コンバイナ１０ｐと運転席と助手席との位置関係を示している。ここでは、運転席と助手席との中間位置の上方にコンバイナ１０ｐを設置した場合を例に挙げる。図１６（ａ）に示すように、コンバイナ１０ｐには、実像ＲＩを構成する光を集光レンズ１１で集光した光が下方から入射する。【０１０２】
図１６（ｂ）は、第４実施例に係るコンバイナ１０ｐの正面イメージ図を示している。図１６（ｂ）に示すように、コンバイナ１０ｐは、第１実施例で示したコンバイナ１０ａ等と同様に、上半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｐ１が形成され、下半分にフレネル構造のハーフミラー１０ｐ２が形成されている。図１６（ｃ）は、コンバイナ１０ｐの上半分に形成されたハーフミラー１０ｐ１についての図１６（ｂ）中の切断線Ｂ１−Ｂ２に沿った断面イメージ図を示しており、図１６（ｄ）は、コンバイナ１０ｐの下半分に形成されたハーフミラー１０ｐ２についての図１６（ｂ）中の切断線Ｂ３−Ｂ４に沿った断面イメージ図を示している。【０１０３】
図１６（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ハーフミラー１０ｐ１、１０ｐ２は両方とも、焦点距離が無限大である仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されている。焦点距離が無限大である仮想放物面を適用した場合、ハーフミラー１０ｐ１、１０ｐ２が有する複数の反射面は、ハーフミラー１０ｐ１、１０ｐ２の長さ方向に沿って延在するような形状を有すると共に、複数の反射面の傾きが等しくなる。また、ハーフミラー１０ｐ１、１０ｐ２は両方とも、オフセットされたフレネル構造が適用されている。例えば、上半分に形成されたハーフミラー１０ｐ１は、６６［ｍｍ］のオフセット量だけ右方向へオフセットされた仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用され、下半分に形成されたハーフミラー１０ｐ２は、６６［ｍｍ］のオフセット量だけ左方向へオフセットされた仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用される。【０１０４】
このようなコンバイナ１０ｐを用いることで、上半分に形成されたハーフミラー１０ｐ１によって、運転者の頭部付近にアイボックスが形成され、下半分に形成されたハーフミラー１０ｐ２によって、助手席に座る同乗者の頭部付近にアイボックスが形成される。したがって、第４実施例によっても、１枚のコンバイナ１０ｐによって、運転者の頭部付近と助手席に座る同乗者の頭部付近との２箇所に、アイボックスを適切に形成することができる。【０１０５】
なお、ハーフミラー１０ｐ１、１０ｐ２の両方とも、焦点距離が無限大である仮想放物面を元にしたフレネル構造を適用することに限定はされず、ハーフミラー１０ｐ１、１０ｐ２の一方にのみ、焦点距離が無限大である仮想放物面を元にしたフレネル構造を適用しても良い。【０１０６】
なお、上記した第１実施例及び第１乃至第７変形例で示した種々の構成例は、第４実施例に対しても適用することができる。例えば、コンバイナの面内での領域の分割例は、第４実施例に対しても適用することができる。【０１０７】
また、第４実施例と第２実施例とを組み合わせて実施しても良い。その場合、焦点距離が無限大である仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されたハーフミラーを、コンバイナの厚さ方向に積層すれば良い。【０１０８】
また、第４実施例と第３実施例とを組み合わせて実施しても良い。その場合、焦点距離が無限大である仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されたハーフミラーと、焦点距離が無限大でない値を有する仮想放物面を元にしたフレネル構造が適用されたハーフミラーとを用いて、コンバイナを構成すれば良い。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明は、ヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイなどに利用することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１０、１０ａ  コンバイナ
１０ａ１、１０ａ２  ハーフミラー
Ｐ１  焦点
Ｐ２  頂点
Ｓ１  仮想放物面
Ｓ２  反射面
ＲＩ  実像
ＶＩ  虚像
【図１】
2014041688.tif 000003
【図２】
2014041688.tif 000004
【図３】
2014041688.tif 000005
【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】
2014041688.tif 000018
【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虚像として視認させる光学素子であって、
前記光学素子は、前記光学素子の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが複数形成されており、
複数の前記ハーフミラーの少なくとも一つは、前記フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されており、
複数の前記ハーフミラーは、各々異なる自由曲面を元に構成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記平板を面内で分割した複数の領域に前記複数のハーフミラーが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】
前記平板を面内で上下方向及び又は左右方向に分割した領域のそれぞれに前記ハーフミラーが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記平板の厚さ方向に前記複数のハーフミラーが積層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５】
前記複数のハーフミラーのそれぞれで反射されて前記光学素子から出射された光の明るさが等しくなるように、前記複数のハーフミラーのそれぞれの反射率が設定されていることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記複数のハーフミラーの少なくとも一つは、前記自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心から上下方向及び／又は左右方向にずらされたフレネル構造が適用され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】
前記複数のハーフミラーは、前記自由曲面の焦点距離がそれぞれで異なるフレネル構造が更に適用されてい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】
前記複数のハーフミラーの少なくとも一つは、前記自由曲面の焦点距離が無限大であるフレネル構造が適用されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項９】
請求項１乃至８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。
【請求項１０】
移動体に搭載され、運転席及び助手席の２箇所にアイボックスを形成することを特徴とする請求項９に記載の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虚像として視認させる光学素子であって、前記光学素子は、前記光学素子の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが複数形成されており、複数の前記ハーフミラーの少なくとも一つは、前記フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されており、複数の前記ハーフミラーは、各々異なる自由曲面を元に構成されていることを特徴とする。
【国際調査報告】
2014041688.tif 000019
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