(57)【要約】      （修正有）【課題】小型な虚像表示装置を提供する。【解決手段】像表示装置は、被投影部材に画像を投影し、被投影部材に対して観察者と反対側に虚像を形成する。虚像表示装置は、画像を投影する投影部材と、被投影部材に画像を導き、虚像を形成する投射光学系と、を備える。観察者の視認領域中央から虚像の中心までの距離（ＶＩＤ）は、２５００ｍｍ以上である。投射光学系は、少なくとも１つの反射部材を有する。投影部材から虚像へ向かう光路において、反射部材のうち光線を最後に反射させる最終反射部材の反射面は、下記の条件（１）を満足する。１０°＜｜θｚｍａｘ−θｚｍｉｎ｜＜３０°（１）、ここで、θｚ：最終反射部材の形状を定義する定義式の原点を通る接平面に垂直な法線ベクトルと、最終反射部材上の任意の点における接平面の法線ベクトルとの成す角、θｚｍａｘ：θｚの最大値、θｚｍｉｎ：θｚの最小値、である。【選択図】図２
2018101099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被投影部材に画像を投影し、前記被投影部材に対して観察者と反対側に虚像を形成する虚像表示装置であって、
前記画像を投影する投影部材と、
前記被投影部材に前記画像を導き、前記虚像を形成する投射光学系と、
を備え、
観察者の視認領域中央から前記虚像の中心までの距離（ＶＩＤ）は、２５００ｍｍ以上であり、
前記投射光学系は、
少なくとも１つの反射部材
を有し、
前記投影部材から前記虚像へ向かう光路において、前記反射部材のうち光線を最後に反射させる最終反射部材の反射面が、下記の条件（１）を満足する虚像表示装置：
１０°＜｜θｚｍａｘ−θｚｍｉｎ｜＜３０°・・・（１）
ここで、
θｚ：前記最終反射部材の形状を定義する定義式の原点を通る接平面に垂直な法線ベクトルと、前記最終反射部材上の任意の点における接平面の法線ベクトルとの成す角、
θｚｍａｘ：θｚの最大値、
θｚｍｉｎ：θｚの最小値、
である。
【請求項２】
下記の条件（２）を満足する、請求項１に記載の虚像表示装置：
０＜ＬＷＳ／ＶＩＤ＜０．６０・・・（２）
ここで、
ＬＷＳ：観察者の視認領域中央から前記虚像の中心までを結んだ直線上の、観察者から前記被投影部材までの距離、
である。
【請求項３】
下記の条件（３）を満足する、請求項１に記載の虚像表示装置：
１．０＜ＬＭ／ＬＤ＜８．０・・・（３）
ここで、
ＬＭ：前記投影部材から前記虚像へ向かう前記投射光学系の中心光路における、前記最終反射部材と、前記最終反射部材の１つ前の光学素子との間隔、
ＬＤ：前記投影部材から前記光学素子までの中心光路における間隔、
である。
【請求項４】
前記最終反射部材は、回転非対称であり、観察者に対して凹面形状である
請求項１から請求項３のいずれかに記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記投射光学系は、２枚の反射部材で構成される、
請求項１から請求項３のいずれかに記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記投射光学系は、前記投影部材から前記虚像へと順に、
１枚のレンズ素子と、
１枚の反射部材と、
で構成される、
請求項１から請求項３のいずれかに記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記記載のレンズ素子は、回転非対称の形状である、
請求項６に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記被投影部材は移動体に搭載されるウインドシールドである
請求項１から請求項７のいずれかに記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記最終反射部材と前記被投影部材は、コンバイナである、
請求項１から請求項７のいずれかに記載の虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、反射部材を介して表示画像を虚像として観察者に視認させる虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、観察者の視点領域全域で画面歪みが小さく、小型な虚像表示装置を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１９４７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、小型な虚像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示における虚像表示装置は、被投影部材に画像を投影し、被投影部材に対して観察者と反対側に虚像を形成する。虚像表示装置は、画像を投影する投影部材と、被投影部材に画像を導き、虚像を形成する投射光学系と、を備える。観察者の視認領域中央から虚像の中心までの距離（ＶＩＤ）は、２５００ｍｍ以上である。投射光学系は、少なくとも１つの反射部材を有する。投影部材から虚像へ向かう光路において、反射部材のうち光線を最後に反射させる最終反射部材の反射面は、下記の条件（１）を満足する。
【０００６】
１０°＜｜θｚｍａｘ−θｚｍｉｎ｜＜３０°・・・（１）
ここで、
θｚ：最終反射部材の形状を定義する定義式の原点を通る接平面に垂直な法線ベクトルと、最終反射部材上の任意の点における接平面の法線ベクトルとの成す角、
θｚｍａｘ：θｚの最大値、
θｚｍｉｎ：θｚの最小値、
である。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、小型な虚像表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の虚像表示装置を搭載した、車両の断面を示す模式図
【図２】実施の形態１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
【図３】実施の形態２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
【図４】実施の形態３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
【図５】実施の形態１〜３に係る投影部材の座標系を示す概略図
【図６】実施の形態１〜３に係る虚像表示装置における投射光学系の最終反射部材の傾斜角θｚの説明図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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、これらにより特許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。
【００１１】
［１．  構成］
［１．１  概略構成］
実施の形態１〜３に係る虚像表示装置について、図面を参照して、以下では、虚像表示装置としてヘッドアップディスプレイを一例として、説明する。
【００１２】
図１は、実施の形態１〜３に係る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。
【００１３】
画像を投影するヘッドアップディスプレイ１０は、車両２０のダッシュボード２１の内部に配置される。ヘッドアップディスプレイ１０は、車両２０に配置された光透過性の被投影部材であるウインドシールド２２（または後述のコンバイナ６０）に画像を投影し、これによりウインドシールド２２の観察者３０側とは反対側にヘッドアップディスプレイ１０が投影する画像の虚像４０を形成する。観察者３０は、ヘッドアップディスプレイ１０により投影される画像の虚像４０がウインドシールド２２を通して、視認可能となるものである。図１に示す２点鎖線は、投影される画像の中心光路Ｌを示しており、以下の説明においても、中心光路Ｌは、２点鎖線で図示している。
【００１４】
(実施の形態１)
図２は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１０の模式図である。
【００１５】
ヘッドアップディスプレイ１０は、被投影部材であるウインドシールド２２に画像を投影し、ウインドシールド２２に対して、観察者３０と反対側に虚像４０を形成する。ヘッドアップディスプレイ１０は、投影部材であるＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）１３と、ＬＣＤ１３に表示された画像をウインドシールド２２に導き虚像４０を形成する投射光学系と、を備える。
【００１６】
投射光学系は、反射部材１２と最終反射部材１１を備える。最終反射部材１１は、ウインドシールド２２に対して略鉛直下方に配置され、ＬＣＤ１３からの光を、ウインドシールド２２へ導く。最終反射部材１１の観察者側の表面は凹面形状である。これにより、観察者３０は、ウインドシールド２２を通して、画像の虚像４０が視認可能となる。ウインドシールド２２に投影される画像は、あらかじめ想定される視認領域であるアイボックス（Ｅｙｅ  Ｂｏｘ）３１から、観察者３０は画像の虚像４０が視認可能となる。
なお、ＬＣＤ１３からの光を最終反射部材１１に至る光路にはレンズ素子や反射部材などの光学素子を複数配置してもよい。
【００１７】
(実施の形態２)
図３は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１０の模式図である。
【００１８】
ヘッドアップディスプレイ１０は、被投影部材であるウインドシールド２２に画像を投影し、ウインドシールド２２に対して、観察者３０と反対側に虚像４０を形成する。ヘッドアップディスプレイ１０は、投影部材であるＬＣＤ１３と、ＬＣＤ１３に表示された画像をウインドシールド２２に導き虚像４０を形成する投射光学系と、を備える。
【００１９】
投射光学系は、レンズ素子５０と最終反射部材１１を備える。最終反射部材１１は、最終反射部材１１は、ウインドシールド２２に対して略鉛直下方に配置され、ＬＣＤ１３からの光を、ウインドシールド２２へ導く。最終反射部材１１の観察者側の表面は凹面形状である。これにより、観察者３０は、ウインドシールド２２を通して、画像の虚像４０が視認可能となる。ウインドシールド２２に投影される画像は、あらかじめ想定される視認領域であるアイボックス３１から、観察者３０は画像の虚像４０が視認可能となる。
なお、レンズ素子は複数配置してもよい。ＬＣＤ１３からの光を最終反射部材１１まで導くために、レンズ素子の他に、反射部材を複数配置してもよい。
【００２０】
(実施の形態３)
図４は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１０の模式図である。
【００２１】
ヘッドアップディスプレイ１０は、被投影部材であるコンバイナ６０に画像を投影し、コンバイナ６０に対して、観察者３０と反対側に虚像４０を形成する。ヘッドアップディスプレイ１０は、投影部材であるＬＣＤ１３と、ＬＣＤ１３に表示された画像をコンバイナ６０に導き虚像４０を形成する投射光学系と、を備える。
【００２２】
投射光学系は、反射部材１２とコンバイナ６０を備える。コンバイナ６０は、半透過性の部材であり、被投影部材であるとともに最終反射部材として機能する。コンバイナ６０は、ウインドシールド２２に対して略鉛直下方に配置され、観察者側の表面は凹面形状である。反射部材１２は、ＬＣＤ１３からの光を、コンバイナ６０へ導く。これにより、観察者３０は、コンバイナ６０を通して、ウインドシールド２２ごしに画像の虚像４０が視認可能となる。観察者３０は、コンバイナ６０に投影される画像を、あらかじめ想定される視認領域であるアイボックス３１から、虚像４０として視認可能となる。
なお、投射光学系は、反射部材１２は必須ではなく、ＬＣＤ１３からの光を直接、コンバイナ６０へ導いても良い。投射光学系は、光路中にレンズ素子を複数配置してもよい。ＬＣＤ１３からの光をコンバイナ６０まで導くために、レンズ素子の他に、反射部材を複数配置してもよい。
【００２３】
［１．２  投影部材］
図５は、実施の形態１〜３における投影部材の座標系を示す概略図である。
【００２４】
実施の形態１〜３では、投影部材の一例として、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）１３について説明した。投影部材は、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の表示装置でもよい。また、プロジェクタや走査型レーザであってもよい。したがって、投影部材はＬＣＤに限定されない。
【００２５】
［１．３  最終反射部材の詳細構成］
図６は、実施の形態１〜３における最終反射部材１１の傾斜角θｚを説明する説明図である。最終反射部材の反射面の形状を定義する定義式の原点Ｏ、原点Ｏでの反射面の法線ベクトルＮ１、任意の反射面上の点での法線ベクトルＮ２とし、法線ベクトルＮ１と法線ベクトルＮ２の成す角を傾斜角θｚとする。
【００２６】
［２．条件および効果など］
虚像表示装置であるヘッドアップディスプレイ１０は、被投影部材であるウインドシールド２２（またはコンバイナ６０）に画像を投影し、被投影部材に対して観察者３０と反対側に虚像４０を形成する。ヘッドアップディスプレイ１０は、画像を投影する投影部材であるＬＣＤ１３と、被投影部材に画像を導き、虚像４０を形成する投射光学系と、を備える。観察者３０の視認領域であるアイボックス３１の中央から虚像４０の中心までの距離（ＶＩＤ）は、２５００ｍｍ以上である。投射光学系は、少なくとも１つの反射部材（反射部材１１、反射部材１２、コンバイナ６０など）を有する。ＬＣＤ１３から虚像４０へ向かう光路において、反射部材（最終反射部材１１、反射部材１２、コンバイナ６０など）のうち光線を最後に反射させる最終反射部材１１（またはコンバイナ６０）の反射面は、下記の条件（１）を満足する。
【００２７】
１０°＜｜θｚｍａｘ−θｚｍｉｎ｜＜３０°・・・（１）
ここで、
θｚ：最終反射部材１１（またはコンバイナ６０）の形状を定義する定義式の原点を通る接平面に垂直な法線ベクトルと、最終反射部材１１（またはコンバイナ６０）上の任意の点における接平面の法線ベクトルとの成す角、
θｚｍａｘ：θｚの最大値、
θｚｍｉｎ：θｚの最小値、
である。
【００２８】
条件（１）の下限値である１０°を下回ると、最終反射部材１１（またはコンバイナ６０）のパワーが弱くなり、全体の光路長が伸びてしまうため、虚像表示装置が大型化してしまう。条件（１）の上限値である３０°を超えると、最終反射部材１１（またはコンバイナ６０）のパワーが強くなりすぎてしまい、実験した結果によると、太陽光によるヘッドアップディスプレイ１０内の部材の温度が１００度を超え、ドット欠け等の不具合が発生する。
【００２９】
すなわち、ヘッドアップディスプレイ１０を小型にできる。
【００３０】
また、ヘッドアップディスプレイ１０は、下記の条件（２）を満足することが望ましい。
【００３１】
０．０１＜ＬＷＳ／ＶＩＤ＜０．６０・・・（２）
ここで、
ＬＷＳ：観察者３０のアイボックス３１中央から虚像４０の中心までを結んだ直線上の、観察者３０からウインドシールド２２（実施の形態３の場合はコンバイナ６０）までの距離、
である。
【００３２】
条件（２）の下限値である０．０１を下回ると、投射光学系の光路長が長くなり、ヘッドアップディスプレイ１０が大型化してしまう。条件（２）の上限値である０．６を超えると、投射光学系の光路長が短くなり、光線と投影部材や、光線と反射部材との間に干渉が発生してしまう。
【００３３】
すなわち、ヘッドアップディスプレイ１０を小型にできる。
【００３４】
また、ヘッドアップディスプレイ１０は、下記の条件（３）を満足することが望ましい。
【００３５】
１．０＜ＬＭ／ＬＤ＜８．０・・・（３）
ここで、
ＬＭ：ＬＣＤ１３から虚像４０へ向かう投射光学系の中心光路Ｌにおける、最終反射部材１１（またはコンバイナ６０）と、最終反射部材１１（またはコンバイナ６０）の１つ前の光学素子（実施の形態１の反射部材１２、実施の形態２のレンズ素子５０、実施の形態３の反射部材１２）との間隔、
ＬＤ：ＬＣＤ１３から光学素子（実施の形態１の反射部材１２、実施の形態２のレンズ素子５０、実施の形態３の反射部材１２）までの中心光路Ｌにおける間隔、
である。
【００３６】
条件（３）の下限値である１．０を下回ると、ＬＣＤ１３と光学素子（実施の形態１の反射部材１２、実施の形態２のレンズ素子５０、実施の形態３の反射部材１２）の距離が長くなるため、装置が大型化してしまう。条件（３）の上限値である８．０を超えると、ＬＣＤ１３と光学素子（実施の形態１の反射部材１２、実施の形態２のレンズ素子５０、実施の形態３の反射部材１２）の距離が短くなりすぎてしまい、ＬＣＤ１３と光線との干渉が発生してしまう。
【００３７】
すなわち、ヘッドアップディスプレイ１０を小型にできる。
【００３８】
（数値実施例）
以下、本開示における虚像表示装置について、具体的な数値実施例を説明する。なお、以下で説明する数値実施例において、表中の長さの単位は（ｍｍ）であり、角度の単位は（度）である。また、自由曲面は、次の数式で定義されるものである。
【００３９】
【数１】
2018101099.tif 000003
【００４０】
【数２】
2018101099.tif 000004
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、ｒは面を定義する軸の原点における曲率半径、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およびｎは、数２を満たす整数、Ｃｊは単項式ｘｍｙｎの係数である。
【００４１】
また、各数値実施例において、基準となる座標原点はＬＣＤ１３の表示画像７１の中心であり、図５で示すようにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を定義している。
【００４２】
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。
【００４３】
（数値実施例１）
数値実施例１の投射光学系は、実施の形態１の投影光学系の一例である。数値実施例１の投射光学系の構成データを表１に、ウインドシールド２２の曲率を表２に、多項式自由曲面の係数を表３に、示す。
【００４４】
【表１】
2018101099.tif 000005
【００４５】
【表２】
2018101099.tif 000006
【００４６】
【表３】
2018101099.tif 000007
（数値実施例２）
数値実施例２の投射光学系は、実施の形態１の投影光学系の一例である。数値実施例２の投射光学系の構成データを表４に、ウインドシールド２２の曲率を表５に、多項式自由曲面の係数を表６に、示す。
【００４７】
【表４】
2018101099.tif 000008
【００４８】
【表５】
2018101099.tif 000009
【００４９】
【表６】
2018101099.tif 000010
（数値実施例３）
数値実施例３の投射光学系は、実施の形態１の投影光学系の一例である。数値実施例３の投射光学系の構成データを表７に、ウインドシールド２２の曲率を表８に、多項式自由曲面の係数を表９に、示す。
【００５０】
【表７】
2018101099.tif 000011
【００５１】
【表８】
2018101099.tif 000012
【００５２】
【表９】
2018101099.tif 000013
（数値実施例４）
数値実施例４の投射光学系は、実施の形態１の投影光学系の一例である。数値実施例４の投射光学系の構成データを表１０に、ウインドシールド２２の曲率を表１１に、多項式自由曲面の係数を表１２に、示す。
【００５３】
【表１０】
2018101099.tif 000014
【００５４】
【表１１】
2018101099.tif 000015
【００５５】
【表１２】
2018101099.tif 000016
（数値実施例５）
数値実施例５の投射光学系は、実施の形態１の投影光学系の一例である。数値実施例５の投射光学系の構成データを表１３に、ウインドシールド２２の曲率を表１４に、多項式自由曲面の係数を表１５に、示す。
【００５６】
【表１３】
2018101099.tif 000017
【００５７】
【表１４】
2018101099.tif 000018
【００５８】
【表１５】
2018101099.tif 000019
（数値実施例６）
数値実施例６の投射光学系は、実施の形態２の投影光学系の一例である。数値実施例６の投射光学系の構成データを表１６に、ウインドシールド２２の曲率を表１７に、多項式自由曲面の係数を表１８に、示す。
【００５９】
【表１６】
2018101099.tif 000020
【００６０】
【表１７】
2018101099.tif 000021
【００６１】
【表１８】
2018101099.tif 000022
（数値実施例７）
数値実施例７の投射光学系は、実施の形態３の投影光学系の一例である。数値実施例７の投射光学系の構成データを表１９に、多項式自由曲面の係数を表２０に、示す。
【００６２】
【表１９】
2018101099.tif 000023
【００６３】
【表２０】
2018101099.tif 000024
（数値実施例のまとめ）
表２１は、画像の表示サイズ、虚像サイズ、観察者の視点から虚像までの距離（ＶＩＤ）の一例を示す。また、表２２は、条件（１）〜（３）の値を示す。
【００６４】
【表２１】
2018101099.tif 000025
【００６５】
【表２２】
2018101099.tif 000026
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本開示にかかる虚像表示装置は、車載などに搭載するヘッドアップディスプレイに好適である。
【符号の説明】
【００６７】
１０  ヘッドアップディスプレイ（虚像表示装置）
１１  最終反射部材
１２  反射部材
１３  ＬＣＤ
２０  車両
２１  ダッシュボード
２２  ウインドシールド
３０  観察者
３１  アイボックス
４０  虚像
５０  レンズ素子
６０  コンバイナ
７１  表示画像
Ｌ    中心光路
Ｎ１  最終反射部材の原点での法線ベクトル
Ｎ２  最終反射部材の任意の点での法線ベクトル
【図１】
2018101099.tif 000027
【図２】
2018101099.tif 000028
【図３】
2018101099.tif 000029
【図４】
2018101099.tif 000030
【図５】
2018101099.tif 000031
【図６】
2018101099.tif 000032