(57)【要約】【課題】視認者にとってピントが合わせ易く、疲労感を発生させ難い虚像を表示可能なＨＵＤ装置を提供する。【解決手段】ＨＵＤ装置は、結像部に画像の表示光を反射させることにより、画像を視認可能に虚像表示する。ＨＵＤ装置は、表示光の光束を拡張すると共に、表示光を結像部側へ導く導波路３０と、表示光の光源として機能する光源部１１と、光源部１１から提供された光によって、導波路３０へと表示光を入射させる入射光学系ＩＯＳと、を備える。入射光学系ＩＯＳは、第１のメリジオナル断面ＭＳ１上に規定される入射光学系ＩＯＳの第１の焦点距離と、第２のメリジオナル断面ＭＳ２上に規定される入射光学系ＩＯＳの第２の焦点距離とを、互いに異ならせている。【選択図】図５
2019191313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像部（３ａ）に画像の表示光を反射させることにより、前記画像を視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記表示光の光束を拡張すると共に、前記表示光を前記結像部側へ導く導波路（３０）と、
前記表示光の光源として機能する光源部（１１）と、
前記光源部から提供された光によって、前記導波路へと前記表示光を入射させる入射光学系（ＩＯＳ）と、を備え、
前記入射光学系において、互いに直交する第１のメリジオナル断面（ＭＳ１）と第２のメリジオナル断面（ＭＳ２）とを、定義すると、
前記入射光学系は、前記第１のメリジオナル断面上に規定される前記入射光学系の第１の焦点距離と、前記第２のメリジオナル断面上に規定される前記入射光学系の第２の焦点距離とを、互いに異ならせているヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２】
前記導波路には、前記表示光の光束が非点隔差を有する非点光束として入射し、
前記導波路は、前記非点隔差を残存させて前記表示光の光束を射出するように構成されている請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項３】
前記入射光学系は、
前記画像を生成する画像素子部（１２）と、
前記画像素子部から射出された前記表示光を集光する投射レンズ部（１３）と、を有し、
前記投射レンズ部が形成している屈折面（１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ）のうち少なくとも１面を、アナモルフィック面とすることにより、前記第１の焦点距離と、前記第２の焦点距離とを、異ならせている請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
前記投射レンズ部が形成している前記屈折面のうち、光路上において最も前記導波路側に位置する前記屈折面は、アナモルフィック面である請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項５】
前記入射光学系は、
前記画像を生成する画像素子部（１２）と、
前記導波路の入力ポートと対向する位置に配置され、光路上の前記画像素子部側から入射する前記表示光を反射により前記入力ポート側へ折り返す折り返しミラー（２２０）と、を有し、
前記折り返しミラーが形成している反射面（２２１）を、アナモルフィック面とすることにより、前記第１の焦点距離と、前記第２の焦点距離とを、異ならせている請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項６】
前記入射光学系は、
前記表示光の光束を走査することにより、前記画像を描画する走査部（３１２ｅ）と、
前記走査部に供給する前記表示光の光束の状態を屈折により調整する調整レンズ部（３１２ａ）と、を備え、
前記調整レンズ部が形成している屈折面（３１２ｂ，３１２ｃ）のうち少なくとも１面を、アナモルフィック面とすることにより、前記第１の焦点距離と、前記第２の焦点距離とを、異ならせている請求項１又は２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】
この明細書による開示は、ヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置を略称とする）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＨＵＤ装置が知られている。特許文献１に開示のＨＵＤ装置は、画像の表示光の光束を拡張する導波路を有している。また、特許文献２に開示のＨＵＤ装置は、結像部に画像の表示光を反射させることにより、画像を視認可能に虚像表示するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１７−５２８７３９号公報
【特許文献２】特開２０１７−１８１６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
さて、特許文献１のＨＵＤ装置のような導波路から射出した表示光を、特許文献２のような結像部に反射させ、虚像を表示する構成において、虚像が結像部の形状及び配置の影響を受ける。この結果、視認者にとって、乱視の見え方のような虚像の表示となり、虚像のピントが合わせ難くなるため、虚像の視認に伴った疲労感の発生が懸念されている。
【０００５】
開示されるひとつの目的は、視認者にとってピントが合わせ易く、疲労感を発生させ難い虚像を表示可能なＨＵＤ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ここに開示された態様は、結像部（３ａ）に画像の表示光を反射させることにより、画像を視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
表示光の光束を拡張すると共に、表示光を結像部側へ導く導波路（３０）と、
表示光の光源として機能する光源部（１１）と、
光源部から提供された光によって、導波路へと表示光を入射させる入射光学系（ＩＯＳ）と、を備え、
入射光学系において、互いに直交する第１のメリジオナル断面（ＭＳ１）と第２のメリジオナル断面（ＭＳ２）とを、定義すると、
入射光学系は、第１のメリジオナル断面上に規定される入射光学系の第１の焦点距離と、第２のメリジオナル断面上に規定される入射光学系の第２の焦点距離とを、互いに異ならせている。
【０００７】
このような態様によると、入射光学系の互いに直交するメリジオナル断面上に規定される第１の焦点距離と第２の焦点距離とが互いに異なっている。このような焦点距離の違いにより、光源部から光を提供された入射光学系によって、導波路へと入射する表示光の光束に、結像部の形状の影響を修正するような非点隔差を予め付与することが可能となる。非点隔差付与後、導波路によって表示光の光束が拡張され、当該表示光が結像部に反射されるので、結像状態の良い虚像を表示させることが可能となる。したがって、視認者にとってピントが合わせ易く、疲労感を発生させ難い虚像を表示可能なＨＵＤ装置を提供することができる。
【０００８】
なお、括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態のＨＵＤ装置の車両への搭載状態を示す図である。
【図２】第１実施形態のＨＵＤ装置の斜視図である。
【図３】第１実施形態のＨＵＤ装置の上面図である。
【図４】第１実施形態のＨＵＤ装置の側面図である。
【図５】第１実施形態のプロジェクタユニット及び折り返しミラーを示す図であって、入射光学系を説明するための図である。
【図６】第１実施形態の入力ポート及び拡張ポートにおける回折格子構造を説明するための図である。
【図７】第１実施形態の出力ポートにおける回折格子構造を説明するための図である。
【図８】第１実施形態の導波路の機能を説明するための図である。
【図９】第２実施形態のＨＵＤ装置の側面図である。
【図１０】第３実施形態のプロジェクタユニット及び折り返しミラーを示す図である。
【図１１】変形例２のホログラム素子を示す図である。
【図１２】変形例４のハーフミラー型導波路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。
【００１１】
（第１実施形態）
図１に示すように、本開示の第１実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置１００は、車両１に用いられ、当該車両１のインストルメントパネル２内に収容されることにより、当該車両１に搭載されている。ＨＵＤ装置１００は、車両１のウインドシールド３に設定された結像部３ａへ向けて画像の表示光を射出する。これによりＨＵＤ装置１００は、画像を、視認者としての乗員により視認可能に虚像表示する。すなわち、結像部３ａにて反射される画像の表示光が、車両１の室内に設定された視認領域ＥＢに到達することにより、視認領域ＥＢにアイポイントＥＰが位置する乗員が当該表示光を虚像ＶＲＩとして知覚する。そして、乗員は、虚像ＶＲＩとして表示される各種情報を認識することができる。虚像表示される各種情報としては、例えば車速、燃料残量等の車両１の状態を示す情報、又は視界補助情報、道路情報等のナビゲーション情報が挙げられる。
【００１２】
以下において、特に断り書きがない限り、前方、後方、前後方向、上方、下方、上下方向、左方、右方、及び左右方向の表記は、水平面ＨＰ上の車両１を基準として記載される。
【００１３】
車両１のウインドシールド３は、例えばガラスないしは合成樹脂により透光性の板状に形成され、インストルメントパネル２よりも上方に配置されている。ウインドシールド３は、下方から上方へ向かう程、より後方となるように傾斜して配置されている。ウインドシールド３は、画像が投影される結像部３ａを、滑らかな凹状に湾曲するアナモルフィック面状に形成している。このようなウインドシールド３の形状は、一般的に、車両１の用途ないしはデザイン等に基づいて車両メーカにより設定されている。例えば結像部３ａは、上下方向よりも左右方向に大きく湾曲するように形成されていることにより、左右方向の曲率が上下方向の曲率よりも大きくなるような凹面状に形成されている。ＨＵＤ装置１００は、このようなウインドシールド３の結像部３ａに表示光を投射するように構成されている。
【００１４】
視認領域ＥＢは、ＨＵＤ装置１００により表示される虚像ＶＲＩが所定の規格（例えば虚像ＶＲＩ全体を所定の輝度以上で視認できる）を満たすように視認可能となる空間領域であって、アイボックスとも称される。視認領域ＥＢは、典型的には、車両１に設定されたアイリプスと重なるように設定される。アイリプスは、乗員のアイポイントＥＰの空間分布を統計的に表したアイレンジに基づいて、楕円体状に設定されている。
【００１５】
このようなＨＵＤ装置１００の具体的構成を、図２〜８も用いて、以下に説明する。ＨＵＤ装置１００は、図２〜４に示すように、プロジェクタユニット１０、折り返しミラー２０、導波路３０等により構成されている。これら構成要素は、例えば、中空形状に形成された遮光性を有するハウジング６の内部に、収容されている。本実施形態のＨＵＤ装置１００は、従来のような大型の凹面鏡等が不要な構成を実現したことにより、大幅な小型化が図られている。
【００１６】
プロジェクタユニット１０は、画像の表示光（以下、単に表示光という）を投射する。プロジェクタユニット１０は、図５に示すように、光源部１１、画像素子部１２及び投射レンズ部１３等により構成され、これらはケーシング１０ａに収容されている。プロジェクタユニット１０の具体的構成の一例を、以下に説明する。
【００１７】
光源部１１は、表示光の光源として機能する。光源部１１には、例えば複数のレーザ発振器が採用される。各レーザ発振器は、例えば半導体レーザを採用しており、可視領域にて波長が互いに異なるレーザ光を発振する。レーザ発振器が３つ設けられる場合には、例えばピーク波長が４９０〜５３０ｎｍの範囲、好ましくは５１５ｎｍである緑色のレーザ光を発振するレーザ発振器と、例えばピーク波長が４３０〜４７０ｎｍの範囲、好ましくは６４０ｎｍである青色のレーザ光を発振するレーザ発振器と、例えばピーク波長が６００〜６５０ｎｍの範囲、好ましくは６４０ｎｍである赤色のレーザ光を発振するレーザ発振器とが、採用され得る。
【００１８】
画像素子部１２には、例えばＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）等のシリコン基板上に液晶層が設けられて形成された反射型液晶素子が採用される。反射型液晶素子は、例えば各レーザ発振器がそれぞれ発する各波長の光に対応するように複数設けられる。各反射型液晶素子は、画素電極が２次元に配列されることにより構成された液晶画素毎に、入射する光の反射率を制御することができる。各反射型液晶素子は、反射率の制御によって、各波長に対応した画像を生成することが可能となる。その後、各波長に対応した画像がダイクロイックプリズムを用いて互いに合成され、表示光が投射レンズ部１３に入射することとなる。また、ＨＵＤ装置１００による光学系において、反射型液晶素子と虚像ＶＲＩとが共役関係となる。
【００１９】
投射レンズ部１３は、画像素子部１２からの表示光を集光して、プロジェクタユニット１０の外部（特に本実施形態では折り返しミラー２０）へ投射する。投射レンズ部１３は、全体の光学パワーが正となるレンズ群を構成するように、複数のレンズ１４，１５，１６を有している。各レンズ１４，１５，１６は、画像素子部１２から射出された表示光を屈折して、当該表示光の投射状態を調整する。
【００２０】
このようにして、プロジェクタユニット１０は、図２，４に示すように、車両１の前方から後方へ向かって表示光を投射する。
【００２１】
折り返しミラー２０は、表示光による光路上において、導波路３０よりもプロジェクタユニット１０側、すなわちプロジェクタユニット１０と導波路３０との間に配置される。折り返しミラー２０は、例えば合成樹脂ないしはガラスからなる基材の表面に、アルミニウムの金属蒸着等により、反射面２１を形成した反射鏡である。反射面２１は、例えば滑らかな平面状に形成されている。プロジェクタユニット１０から折り返しミラー２０に入射した表示光は、導波路３０の入力ポート３３へ向けて反射される。
【００２２】
導波路３０は、図３，４に示すように、例えばガラスないしは合成樹脂により透光性の板状基材３１の板表面３１ａ，３１ｂに、入力ポート３３、拡張ポート３５、及び出力ポート３７が設けられて平板状に形成されている。導波路３０は、プロジェクタユニット１０及び折り返しミラー２０よりも上方において、前後方向及び左右方向に輪郭が矩形状となるように延設されており、入力ポート３３を折り返しミラー２０と上下方向に対向させている。換言すると、入力ポート３３は、板状基材３１のうち下方を向く板表面３１ａに設けられている。
【００２３】
一方、拡張ポート３５及び出力ポート３７は、板状基材３１のうち上方を向く板表面３１ｂ、換言すると、板表面３１ａとは反対側の板表面３１ｂに設けられている。拡張ポート３５は、入力ポート３３に対して前方にずれた位置に、入力ポート３３とは板厚方向（本実施形態では上下方向）の重なりを避けるように、配置されている。出力ポート３７は、拡張ポート３５に対して、左方又は右方にずれた位置に、入力ポート３３及び拡張ポート３５とは板厚方向の重なりを避けるように、配置されている。
【００２４】
このような導波路３０の板表面３１ａ，３１ｂに沿う仮想平面上にて、入力ポート３３と拡張ポート３５とを結ぶ方向Ｄ１が、前後方向に沿うように定義され、拡張ポート３５と出力ポート３７とを結ぶ方向Ｄ２が、左右方向に沿うように定義される。方向Ｄ１と方向Ｄ２とは、実質的に９０度の角度をなしている。
【００２５】
板状基材３１における入力ポート３３側の板表面３１ａと、拡張ポート３５及び出力ポート３７側の板表面３１ｂとは、互いに実質平行に配置されると共に、各々平面状かつ表示光を反射によって導光可能な鏡面状に形成されている。
【００２６】
入力ポート３３は、拡張ポート３５及び出力ポート３７よりも、表面積が小さくなるように、矩形状、より詳細には正方形状に形成されている。入力ポート３３は、板状基材３１よりも薄く形成され、板表面３１ａに対して接合されている。入力ポート３３には、プロジェクタユニット１０により投射された表示光が折り返しミラー２０を介して入射され、入力ポート３３は、当該表示光を導波路３０の内部へと導入する。本実施形態の入力ポート３３には、回折光学素子（Diffractive Optical Element；ＤＯＥ）の一種である回折格子構造３４が採用されている。
【００２７】
回折格子構造３４は、図６に拡大して示すように、方向Ｄ１とは直交する直交方向に直線状に延伸したプリズム状の延伸構造３４ａが方向Ｄ１に沿って周期的に配列されることで、格子状に形成されている。回折格子構造３４は、延伸構造３４ａの配列ピッチ及び構造の高さを、表示光の各波長を考慮して適切に設定されると共に、ブレーズ化されていることで、回折次数が１次である１次回折光の回折効率が他の次数の回折光の回折効率よりも高くなるように形成されている。そして、表示光が回折格子構造３４に入射した際に、１次回折光は、板表面３１ｂにて全反射される角度で、板状基材３１の内部かつ拡張ポート３５側へ向けて回折される。そして、１次回折光は、板表面３１ａ，３１ｂの間を全反射されながら往復し、拡張ポート３５へと逐次到達する。
【００２８】
拡張ポート３５は、図３に示すように、入力ポート３３から遠ざかるように、方向Ｄ１に沿って延伸すると共に、入力ポート３３から遠ざかる程、方向Ｄ１とは直交する直交方向に拡幅する台形状に形成されている。拡張ポート３５は、板状基材３１よりも薄く形成され、板表面３１ｂに対して接合されている。本実施形態の拡張ポート３５には、回折光学素子の一種である回折格子構造３６が採用されている。
【００２９】
回折格子構造３６は、図６に拡大して示すように、方向Ｄ１に対して斜めに交差する方向Ｄ３（図３も参照）に直線状に延伸したプリズム状の延伸構造３６ａが当該方向Ｄ３とは直交する直交方向に周期的に配列されることで、格子状に形成されている。例えば方向Ｄ１と方向Ｄ２とが９０度の角度をなす本実施形態では、方向Ｄ３は、９０度の半角である４５度の角度を、方向Ｄ１に対してなしている。回折格子構造３６は、入力ポート３３の回折格子構造３４と同様に、特定次数の回折光の回折効率が他の次数の回折効率よりも高くなるように形成されている。
【００３０】
そして、表示光が入力ポート３３から拡張ポート３５の回折格子構造３６に入射した際に、特定次数の回折光は、板表面３１ａにて全反射される角度で、板状基材３１の内部へ向けて回折される。このとき、方向Ｄ３が入力ポート３３からの表示光が進む方向Ｄ１に対して交差していることで、表示光は、板状基材３１の内部において、実質的に、方向Ｄ２に沿って出力ポート３７へ向かう成分と、方向Ｄ１に沿って拡張ポート３５のうち入力ポート３３からより遠ざかる成分とに実質的に分かれる。この結果、表示光が、その光束を拡張ポート３５にて方向Ｄ１に拡張されると共に、方向Ｄ２に偏向されていく。
【００３１】
方向Ｄ２に偏向された光は、入力ポート３３での回折と同様に、板表面３１ａにて全反射される角度に進むことで、板表面３１ａ，３１ｂの間を全反射されながら往復し、出力ポート３７へと逐次到達する。
【００３２】
出力ポート３７は、図３，４に示すように、拡張ポート３５から遠ざかるように、方向Ｄ２に沿って延伸することによって、方向Ｄ２を長手方向とする矩形状（長方形状）に形成されている。この出力ポート３７の形状が視認領域ＥＢの形状に概ね対応している。出力ポート３７は、板状基材３１よりも薄く形成され、板表面３１ｂに対して接合されている。本実施形態の出力ポート３７には、回折光学素子の一種である回折格子構造３８が採用されている。
【００３３】
回折格子構造３８は、図７に拡大して示すように、方向Ｄ２と直交する方向Ｄ１に沿って延伸するプリズム状の突起構造３８ａが互いに間隔を空けて周期的に配列されている。各突起構造３８ａの間には、突起構造３８ａの先端とは段差をなす平面状の平面構造３８ｂが形成されていることにより、突起構造３８ａと平面構造３８ｂとがストライプ状に交互配置されている。回折格子構造３８にて、突起構造３８ａの配列ピッチ及び構造の高さは、表示光の各波長を考慮して適切に設定される。これにより、回折次数が０次である０次回折光と、回折次数が１次である１次回折光とが、異なる方向に所定の比率で分岐されるように、各々の回折効率が設定されている。
【００３４】
より詳細に、回折格子構造３８は、拡張ポート３５により導光された表示光が入射した際に、０次回折光を、板状基材３１の内部かつ拡張ポート３５からより遠ざかる方向Ｄ２へ回折させる。この０次回折光は板表面３１ａに全反射されて、出力ポート３７において拡張ポート３５に対してより遠い位置に到達する。その一方で、回折格子構造３８は、１次回折光を、板状基材３１の外部、すなわち導波路３０の外部へ向けて回折させる。この結果、表示光は、出力ポート３７にてその光束を０次回折光によって方向Ｄ２に拡張されると共に、出力ポート３７の各箇所から１次回折光によって導波路３０の外部である結像部３ａへ向けて射出される。
【００３５】
このようにして、図８に示すように、光（電磁波）の伝送路としての導波路３０は、表示光の光束を方向Ｄ１及び方向Ｄ２に拡張すると共に、当該表示光を光路上の結像部３ａ側へ導く。換言すると、導波路３０は、ＨＵＤ装置１００による光学系の射出瞳を拡大する射出瞳拡大素子として、機能している。
【００３６】
導波路３０から射出された表示光が出力ポート３７から上方のウインドシールド３へ向けて進むこととなる。このとき、車両１の左右方向を長手方向とする出力ポート３７により、表示光の光束は、車両１の左右方向の径が車両１の前後方向の径よりも大きな状態で、ウインドシールド３の結像部３ａへ入射する。そして、表示光の光束が結像部３ａにて反射されると、表示光の進行方向が後方へと偏向され、車両１の左右方向の径が車両１の上下方向の径よりも大きな状態で、例えば乗員の座席の上方に位置する視認領域ＥＢへと到達することとなる。したがって、視認領域ＥＢは、車両１の左右方向の径が車両１の上下方向の径よりも大きな矩形状に形成される。
【００３７】
さて、図５に示すように、本実施形態の投射レンズ部１３は、３つのレンズが画像素子部１２側から凸レンズ１４、凹レンズ１５、凸レンズ１６の順に配置された所謂トリプレットのレンズ構成となっている。具体的に、最も画像素子部１２側の凸レンズ１４の入射側屈折面１４ａ及び射出側屈折面１４ｂには、光軸まわりの任意の角度の回転に対して実質的な対称性を有する回転対称形状が採用されている。２つの凸レンズ１４，１６に挟まれた凹レンズ１５の入射側屈折面１５ａ及び射出側屈折面１５ｂにも、光軸まわりの任意の角度の回転に対して実質的な対称性を有する回転対称形状が採用されている。
【００３８】
最も折り返しミラー２０側（換言すると導波路３０側）の凸レンズ１６の入射側屈折面１６ａには、光軸まわりの任意の角度の回転に対して実質的な対称性を有する回転対称形状が採用されている。一方、凸レンズ１６の射出側屈折面１６ｂには、光軸まわりの任意の角度の回転に対して対称性をもたず、９０度の回転にのみ実施的な対称性を有する回転非対称形状が採用されている。より詳細に射出側屈折面１６ｂは、アナモルフィック面の一種である凸状のトロイダル面となっている。
【００３９】
そして、光源部１１と導波路３０の入力ポート３３との間の光路上に配置される要素、具体的に本実施形態では画像素子部１２、投射レンズ部１３及び折り返しミラー２０を合わせて、入射光学系ＩＯＳと改めて定義する。入射光学系ＩＯＳは、全体として正の光学パワーを有し、光源部１１から提供された光によって、導波路３０へと表示光を入射させる光学系である。
【００４０】
この入射光学系ＩＯＳにおいて、互いに直交する第１のメリジオナル断面ＭＳ１と、第２のメリジオナル断面ＭＳ２とが定義され得る。例えば、凸レンズ１６の射出側屈折面１６ｂにおいて、最も曲率が大きな方向と、光軸方向ＡＤとを含むように、第１のメリジオナル断面ＭＳ１が定義でき、最も曲率が小さな方向と、光軸方向ＡＤとを含むように、第２のメリジオナル断面ＭＳ２が定義できる。この第１のメリジオナル断面ＭＳ１は、虚像ＶＲＩにおいて上下方向に対応した断面であり、第２のメリジオナル断面ＭＳ２は、虚像ＶＲＩにおいて左右方向に対応した断面である。
【００４１】
そして、第１のメリジオナル断面ＭＳ１上に規定される入射光学系ＩＯＳの第１の焦点距離と、第２のメリジオナル断面ＭＳ２上に規定される入射光学系ＩＯＳの第２の焦点距離は、互いに異なっている。結像部３ａの曲率が小さな方向に対応した第１の焦点距離が、結像部３ａの曲率が大きな方向に対応した第２の焦点距離よりも短くなっている。この焦点距離の差異は、特に本実施形態では、凸レンズ１６の射出側屈折面１６ｂの形状に起因している。
【００４２】
焦点距離の差異により、入射光学系ＩＯＳの折り返しミラー２０から導波路３０の入力ポート３３には、非点隔差を有する非点光束が表示光の光束として入射するようになっている。換言すると、入力ポート３３へ入射する表示光の光束の波面もまた、トロイダル面のような回転非対称形状となっている。
【００４３】
導波路３０は、上述の板表面３１ａ，３１ｂの構成及び各ポート３３，３５，３７の構成によって、入射した表示光の光束の非点隔差を残存させるようになっている。すなわち、表示光の光束は、導波路３０の内部にて径を拡張されつつも、出力ポート３７からの射出時において、波面における回転非対称形状が維持される。なお、ここでいう非点隔差の残存とは、出力時に入力時と同程度の非点隔差が維持される場合に留まらず、入力時よりも非点隔差が縮小しつつも、虚像ＶＲＩの結像に影響を与える程度に残っている場合も含む。
【００４４】
導波路３０から非点隔差が残存した非点光束が表示光の光束として射出されることにより、左右方向の曲率が上下方向の曲率よりも大きくなるような凹面状に形成された結像部３ａにて反射される際に、非点隔差が低減ないしは消失するように（換言すると、波面が球面に近づくように）修正される。
【００４５】
（作用効果）
以上説明した第１実施形態の作用効果を以下に改めて説明する。
【００４６】
第１実施形態によると、入射光学系ＩＯＳの互いに直交するメリジオナル断面ＭＳ１，ＭＳ２上に規定される第１の焦点距離と第２の焦点距離とが互いに異なっている。このような焦点距離の違いにより、光源部１１から光を提供された入射光学系ＩＯＳによって、導波路３０へと入射する表示光の光束に、結像部３ａの形状の影響を修正するような非点隔差を予め付与することが可能となる。非点隔差付与後、導波路３０によって表示光の光束が拡張され、当該表示光が結像部３ａに反射されるので、結像状態の良い虚像ＶＲＩを表示させることが可能となる。したがって、視認者にとってピントが合わせ易く、疲労感を発生させ難い虚像ＶＲＩを表示可能なＨＵＤ装置１００を提供することができる。
【００４７】
また、第１実施形態によると、表示光の光束が非点隔差を有する非点光束として入射する導波路３０は、この非点隔差を残存させて表示光の光束を射出するように構成されている。表示光の光束は、導波路３０により非点隔差が残存した状態で結像部３ａに反射されることとなるため、容易に結像部３ａの形状の影響を修正することができ、結像状態の良い虚像ＶＲＩを表示させることができる。
【００４８】
また、第１実施形態によると、入射光学系ＩＯＳは、投射レンズ部１３が形成している屈折面１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂのうち少なくとも１面を、アナモルフィック面とすることにより、第１の焦点距離と、第２の焦点距離とを、異ならせている。すなわち、投射レンズ部１３による各種収差の補正作用と、非点格差の付与とが相俟って、虚像ＶＲＩの結像状態を一層良好なものとすることができる。
【００４９】
また、第１実施形態によると、投射レンズ部１３が形成している屈折面１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂのうち、光路上において最も導波路３０側に位置する射出側屈折面１６ｂは、アナモルフィック面である。より導波路３０側の屈折面１６ｂをアナモルフィック面とすることにより、表示光が投射レンズ部１３への入射時よりも拡がった状態で、アナモルフィック面を通過させることが可能となる。故に、表示光の光束全体に、より精度よく非点隔差を付与することができるので、虚像ＶＲＩの結像状態を一層良好なものとすることができる。
【００５０】
（第２実施形態）
図９に示すように、第２実施形態は第１実施形態の変形例である。第２実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。
【００５１】
第２実施形態において、投射レンズ部２１３の各屈折面には、任意の角度の回転に対して実質的な対称性を有する回転対称形状が採用されている。一方、折り返しミラー２２０の反射面２２１は、アナモルフィック面の一種である凹状のシリンドリカル面となっている。
【００５２】
より詳細に、反射面２２１は、円筒の母線が左右方向に沿ったシリンドリカル面となっている。この結果、反射面２２１は、左右方向の曲率が、当該左右方向と直交する方向の曲率よりも小さく設定されている。本実施形態では、反射面２２１での左右方向は、虚像ＶＲＩの左右方向に対応している。
【００５３】
第２実施形態においても、入射光学系ＩＯＳの第１の焦点距離と、入射光学系ＩＯＳの第２の焦点距離は、互いに異なっている。この焦点距離の差異は、特に本実施形態では、折り返しミラー２２０の形状に起因している。
【００５４】
以上説明した第２実施形態によると、折り返しミラー２２０が形成している反射面２２１を、アナモルフィック面とすることにより、第１の焦点距離と、第２の焦点距離とを、異ならせている。すなわち、入射光学系ＩＯＳにおいて表示光が最も拡がった状態となる入力ポート３３の入射の直前で、表示光にアナモルフィック面を通過させることが可能となる。故に、表示光の光束全体に、より精度よく非点隔差を付与することができるので、虚像ＶＲＩの結像状態を一層良好なものとすることができる。
【００５５】
（第３実施形態）
図１０に示すように、第３実施形態は第１実施形態の変形例である。第３実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。
【００５６】
第３実施形態のプロジェクタユニット１０には、ＭＥＭＳスキャナ方式が採用されている。第３実施形態の光源部３１１には、発光ダイオード素子が採用されている。発光ダイオード素子は、光源用回路基板上に配置され、当該基板上の配線パターンを通じて、電源と電気的に接続されている。発光ダイオード素子は、チップ状の青色ダイオード素子を、透光性を有する合成樹脂に黄色蛍光剤を混合した黄色蛍光体により封止することにより形成されている。青色ダイオード素子から電流量に応じて発せられる青色光により、黄色蛍光体が励起されて黄色光を発光し、青色光と黄色光との合成により疑似白色の光が発せられる。
【００５７】
第３実施形態の画像素子部３１２は、調整レンズ部３１２ａ、導光ミラー３１２ｄ及び走査部３１２ｅを有している。調整レンズ部３１２ａは、１つのレンズからなり、光源部３１１からの光を集光することで、平行光束化する。調整レンズ部３１２ａにより表示光の光束の状態が調整されて、導光ミラー３１２ｄを反射した後、当該表示光の光束が走査部３１２ｅに供給される。
【００５８】
より詳細に、本実施形態の調整レンズ部３１２ａの入射側屈折面３１２ｂ及び射出側屈折面３１２ｃのうち少なくとも一方は、アナモルフィック面の一種である凸状のトロイダル面となっている。特に本実施形態では、射出側屈折面３１２ｃが、凸状のトロイダル面となっている。
【００５９】
走査部３１２ｅには、走査ミラー３１２ｆが採用されている。走査ミラー３１２ｆは、微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems；ＭＥＭＳ）を用い、表示光の光束を時間的に走査可能に構成されたＭＥＭＳミラーである。走査ミラー３１２ｆは、アルミニウムの金属蒸着等により、反射面を形成している。反射面は、当該反射面に沿って互いに実質直交する２つの回転軸まわりに、回動可能となっている。
【００６０】
このような走査ミラー３１２ｆは、コントローラと電気的に接続されており、その走査信号に従って回動することで、反射面の向きを変えることができる。
【００６１】
走査ミラー３１２ｆの反射面には、表示光の光束が入射される。そして、走査ミラー３１２ｆがコントローラにより制御されることで、光源部３１１と連動して、表示光の光束の反射面への入射箇所である偏向点ＴＬを起点として、時間的に表示光の光束の投射方向を偏向走査することが可能となっている。こうした表示光の光束が走査ミラー３１２ｆの振れ角に応じた走査角度範囲ＲＧに走査されることによって、走査ミラー３１２ｆは、虚像ＶＲＩとして表示される画像を描画して生成することを可能としている。
【００６２】
偏向点ＴＬでの偏向によって走査ミラー３１２ｆに走査された表示光の光束は、プロジェクタユニット１０から折り返しミラー２０に反射され、導波路３０の入力ポート３３へ向けて表示光として投射される。
【００６３】
第３実施形態の入射光学系ＩＯＳは、調整レンズ部３１２ａ、導光ミラー３１２ｄ、走査部３１２ｅ及び折り返しミラー２０によって構成される。入射光学系ＩＯＳの第１の焦点距離と、入射光学系ＩＯＳの第２の焦点距離は、互いに異なっている。この焦点距離の差異は、特に本実施形態では、調整レンズ部３１２ａの形状に起因している。
【００６４】
以上説明した第３実施形態によると、調整レンズ部３１２ａが形成している屈折面３１２ｂ，３１２ｃのうち少なくとも１面を、アナモルフィック面とすることにより、第１の焦点距離と、第２の焦点距離とを、異ならせている。すなわち、走査部３１２ｅにより表示光の光束が走査される前に、表示光がアナモルフィック面を通過するので、描画後の各画素に均一的に非点隔差を付与することができ、虚像ＶＲＩの結像状態を一層良好なものとすることができる。
【００６５】
（他の実施形態）
以上、複数の実施形態について説明したが、本開示は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。
【００６６】
具体的に変形例１としては、結像部３ａは、ウインドシールド３に設けられていなくてもよい。例えば車両１と別体となっているコンバイナを車両１内に設置して、当該コンバイナに結像部３ａが設定されていてもよい。
【００６７】
変形例２としては、図１１に示すように、導波路３０の入力ポート３３、拡張ポート３５及び出力ポート３７のうち少なくとも１つにおいて、回折光学素子の一種であるホログラム素子９３９が採用されていてもよい。ホログラム素子９３９は、例えば合成樹脂ないしはガラス等の一対の透光基板層９３９ａに、ホログラム層９３９ｂが挟まれることによって、薄い平板状に形成されている。ホログラム層９３９ｂは、例えば合成樹脂からなる組成物により透光性に形成されて、縞状の周期的な屈折率分布を有する。こうした屈折率分布によって、表示光を回折することができる。この構成であれば、太陽光の熱の影響で導波路３０の性能が変化し難い。
【００６８】
変形例３としては、導波路３０において入力ポート３３、拡張ポート３５及び出力ポート３７が導光に用いる回折光は、他の次数の回折光であってもよく、例えば１次回折光よりも高次の回折光であってもよい。
【００６９】
変形例４としては、図１２に示すように、導波路３０として、板状基材３１の内部にハーフミラー９３０ａを配列し、当該ハーフミラー９３０ａによる表示光の透過光及び反射光への分岐によって、当該表示光の光束を拡張するハーフミラー型導波路が採用されてもよい。
【００７０】
変形例５としては、プロジェクタユニット１０として、ＤＬＰ（登録商標，Digital Light Processing）方式を採用することができ、画像素子部１２として、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を採用することができる。
【００７１】
第１実施形態に関する変形例６としては、凸レンズ１６の射出側屈折面１６ｂは、シリンドリカル面又は自由曲面であってもよい。
【００７２】
第１実施形態に関する変形例７としては、投射レンズ部１３が形成している屈折面１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂのうち、任意の屈折面をアナモルフィック面としてもよく、複数の屈折面又は全部の屈折面をアナモルフィック面としてもよい。
【００７３】
第２実施形態に関する変形例８としては、折り返しミラー２２０の反射面２２１は、トロイダル面又は自由曲面であってもよい。
【００７４】
第１，２実施形態に関する変形例９としては、投射レンズ部１３，２１３は、トリプレットのレンズ構成に限らず、任意のレンズ数により構築された各種のレンズ構成を採用することができる。
【００７５】
第３実施形態に関する変形例１０としては、プロジェクタユニット３１０において、光源部３１１に、第１実施形態のように複数のレーザ発振器を採用してもよい。この場合、調整レンズ部３１２ａは、各レーザ発振器に個別に対応するように複数のレンズを並列に配置して構成されていてもよい。また、導光ミラー３１２ｄは、各レーザ発振器から調整レンズ部３１２ａを経た各レーザ光の光束を、合成するように、複数のダイクロイックミラーに置換されていてもよい。
【００７６】
変形例１１としては、折り返しミラー２０に左右方向に沿って伸びる回転軸を設定し、当該回転軸を回転させて、虚像ＶＲＩの表示位置及び視認領域ＥＢの位置が上下移動するような調整機構を追加してもよい。
【００７７】
変形例１２としては、ＨＵＤ装置１００は、航空機、船舶、あるいは移動しない筐体（例えばゲーム筐体）等の各種の乗り物に適用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１００  ＨＵＤ装置、３ａ  結像部、１１  光源部、３０  導波路、ＩＯＳ  入射光学系、ＭＳ１  第１のメリジオナル断面、ＭＳ２  第２のメリジオナル断面
【図１】
2019191313.tif 000003
【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】
2019191313.tif 000009
【図８】
2019191313.tif 000010
【図９】
2019191313.tif 000011
【図１０】
2019191313.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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