(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両のウインドシールド又は前記ウインドシールドの近傍の光反射部材が形成する表示面上に表示像として結像されることになる光を投射する投射部と、前記投射部から投射された光を前記表示面に導く光学系と、を備え、所定のアイポイントから前記表示像の虚像を視認可能とする車両用投影表示装置であって、
前記投射部から投射された光を用いて少なくとも一部が湾曲した形状を有する中間像を形成すると共に、前記中間像から放たれる光を前記光学系に導入させる中間像形成光学部材を備え、
前記光学系は、凹面鏡を含み、
前記中間像形成光学部材は、前記凹面鏡の焦点と前記凹面鏡の凹面との間に前記中間像が位置するように、前記投射部と前記凹面鏡との間に配置され、
前記中間像形成光学部材が、マイクロレンズアレイを含む、
車両用投影表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用投影表示装置において、
前記中間像形成光学部材が、
前記光学系及び前記表示面の少なくとも一方の特性に起因して前記虚像に生じる像面湾曲に関する収差を補正する形状を有する前記中間像を形成する、
車両用投影表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両のウインドシールド（窓ガラス）等の光反射を利用して表示を行う車両用投影表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、一般的な車両用のヘッドアップディスプレイ装置（以下「ＨＵＤ装置」という。）は、表示すべき様々な情報を含む光の像をフロントウインドシールド又はフロントウインドシールドの近傍のコンバイナ（反射板）に投影し、フロントウインドシールド等で反射した光が運転者の視点の方向に向かうように光路を形成するようになっている。これにより、運転者は、車両の前方の風景を視認しながら、フロントウインドシールド等に映るＨＵＤ装置から投影された像（以下「表示像」という。）を虚像として視認できる。つまり、運転者は通常の運転状態を維持したまま、視線を移動することなくＨＵＤ装置による表示像を視認できる。
【０００３】
ところで、ＨＵＤ装置のようにウインドシールド等の表面に表示像を投影する装置においては、運転者に視認される虚像に歪みが発生する場合がある。例えば、この歪みの原因として、ウインドシールドの表面に投影された表示像を運転者が斜め方向から見ること、及び、ウインドシールドの表面自体が緩やかな曲面形状であること等が挙げられる。更に、ウインドシールドの場所毎に曲率や水平面（又は鉛直面）に対する傾斜角度が異なるため、虚像には状況に応じて様々な歪みが生じる場合がある。加えて、拡大光学系を用いて表示像を投影する場合、その拡大光学系に含まれるレンズ及びミラー等の曲面形状に起因して歪みが生じる場合がある。これら歪みは、表示像の視認性に悪影響を及ぼす。
【０００４】
従来から、このような歪み（収差）の中でも、「像面湾曲」による表示像（虚像）の三次元的な歪みが表示像の視認性を低下させる大きな要因とされている。
【０００５】
このような三次元的な表示像の歪みを低減するため、特許文献１に記載のＨＵＤ装置（以下「従来装置」という。）は、レーザモジュールから出射されるレーザ光を、ウインドシールド等に投影する前に、ＨＵＤ装置の光学系の途中に設けられた所定形状に湾曲したスクリーン上に投影させている。その後、このスクリーンに投影された像（湾曲像）から放たれた（反射した）光は、凹面鏡等を経てウインドシールドに投影される。このように、従来装置は、湾曲したスクリーン上に湾曲像を一旦形成することにより、虚像の像面湾曲を補正している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−２５２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来装置は、上述したように、ＨＵＤ装置の光学系の途中（光路上）に特定の形状を有するスクリーンを採用することにより、ウインドシールド等の特性に起因して生じる「像面湾曲」による表示像（虚像）の三次元的な歪みを低減している。
【０００８】
しかしながら、従来装置においては、スクリーンの表面にて光が反射する際に光が散乱して光路下流側に伝達される光量が減少するため、光の利用効率が悪い。更に、太陽光などの外光がスクリーンに入射した場合、この外光に起因して表示像の視認性が低下する可能性がある。
【０００９】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ウインドシールド等の形状およびＨＵＤ装置の光学系に起因して生じる像面湾曲を従来装置のスクリーンを用いることなく低減し、表示像の視認性を改善することが可能な車両用投影表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成するために、本発明に係る車両用投影表示装置は、下記（１）〜（２）の特徴を有している。
（１）
車両のウインドシールド又は前記ウインドシールドの近傍の光反射部材が形成する表示面上に表示像として結像されることになる光を投射する投射部と、前記投射部から投射された光を前記表示面に導く光学系と、を備え、所定のアイポイントから前記表示像の虚像を視認可能とする車両用投影表示装置であって、
前記投射部から投射された光を用いて少なくとも一部が湾曲した形状を有する中間像を形成すると共に、前記中間像から放たれる光を前記光学系に導入させる中間像形成光学部材を備え、
前記光学系は、凹面鏡を含み、
前記中間像形成光学部材は、前記凹面鏡の焦点と前記凹面鏡の凹面との間に前記中間像が位置するように、前記投射部と前記凹面鏡との間に配置され、
前記中間像形成光学部材が、マイクロレンズアレイを含む、
車両用投影表示装置であること。
（２）
上記（１）に記載の車両用投影表示装置において、
前記中間像形成光学部材が、
前記光学系及び前記表示面の少なくとも一方の特性に起因して前記虚像に生じる像面湾曲に関する収差を補正する形状を有する前記中間像を形成する、
車両用投影表示装置であること。
【００１１】
上記（１）の構成の車両用投影表示装置によれば、少なくとも一部が湾曲した中間像から放たれる光（換言すると、少なくとも一部が湾曲した像に由来する光）が光学系に導入されるため、この中間像（湾曲像）の形状をウインドシールドの形状等に起因して生じる像面湾曲を考慮して調整することにより、像面湾曲を補正できる。更に、従来装置のようなスクリーンを用いる必要がないため、光の利用効率の低下もなく、外光に起因する表示像の視認性の低下も避けられる。
更に、上記（１）の構成の車両用投影表示装置によれば、光伝達効率を低下させることなく、中間像から放たれた光を光学系に受け渡すことができる。よって、光の利用効率を高めることができる。
上記（２）の構成の車両用投影表示装置によれば、車両のウインドシールドの形状等に起因する像面湾曲を考慮して中間像の形状が定められるため、像面湾曲を効率よく低減し、表示像の視認性を高められる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の車両用投影表示装置によれば、従来装置のような特別なスクリーンを用いなくても、ウインドシールドの形状等およびＨＵＤ装置の光学系に起因して生じる像面湾曲を低減し、表示像の視認性を改善することが可能である。
【００１３】
以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、ＨＵＤ装置を搭載した車両を側方側から視た場合の各要素の位置関係を表す縦断面図である。
【図２】図２は、図１に示した車両用投影表示装置において中間像形成光学部材が存在しない場合の光路を示す光路図である。
【図３】図３は、図１に示した車両用投影表示装置において中間像形成光学部材が存在する場合の光路を示す光路図である。
【図４】図４は、実施形態の車両用投影表示装置の構成及び光路を示す光路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の車両用投影表示装置に関する具体的な実施の形態について、各図を参照しながら以下に説明する。
【００１６】
＜車両用投影表示装置の基本的な構成例＞
本実施形態に係る車両用投影表示装置（以下「ＨＵＤ装置１００」という。）を搭載した車両を側方側から視た場合の各要素の位置関係を図１に示す。
【００１７】
ＨＵＤ装置１００は、車両のダッシュボード（図示省略）の内側に収容されており、ダッシュボードの上面の一部分に形成した開口部ＯＰを通じ、表示面（本例においてはウインドシールドＷＳ）上に表示像として結像されることになる光を投射するように構成されている。
【００１８】
ＨＵＤ装置１００は、表示デバイス１０、中間像形成光学部材２０、凹面鏡３０、及び、図示されない表示制御部を備えている。表示デバイス１０は、任意の二次元画像を表示可能な表示面（湾曲していない平面状の形状）を有している。中間像形成光学部材２０は、表示デバイス１０から投射された光を用いて少なくとも一部が湾曲した形状を有する中間像（湾曲像）を形成可能な部材であり、その詳細は後述される。凹面鏡３０は、中間像形成光学部材２０が形成した中間像から放たれる光を受けると共に、表示面（ウインドシールドＷＳ）に向けて反射する。
【００１９】
表示デバイス１０の表示面には、車両に運転に役立つ情報（例えば、車速の数値やｋｍ／ｈのような文字情報）が必要に応じて表示される。表示デバイス１０の表示面に表示された二次元の表示像を含む光は、表示デバイス１０から出射され、中間像形成光学部材２０を経た後、凹面鏡３０にて反射して開口部ＯＰから出射される。開口部ＯＰから出射された光は、ウインドシールドＷＳの表面で反射して、アイポイントＥＰに向かう。したがって、運転者はアイポイントＥＰの位置で、ＨＵＤ装置１００が投射する表示像を視認できる。実際には、運転者は、ウインドシールドＷＳよりも遠方の所定の位置に表示された虚像ＩＭＧを視認することになる。凹面鏡３０は光学的に倍率を有するので、運転者が視認する表示像を拡大した状態で投射できる。
【００２０】
なお、図１の例ではＨＵＤ装置１００が出射した光をウインドシールドＷＳの面で反射しているが、ウインドシールドＷＳの代わりに、コンバイナあるいはハーフミラーと呼ばれる光学反射部材を用いても良い。
【００２１】
＜光路の説明＞
図２及び図３は、凹面鏡３０に導入される表示画像の形状（平面形状または湾曲形状）と、運転者に視認される虚像の形状（湾曲形状または平面形状）と、の関係を説明するための模式図である。図２及び図３において、点ｆは凹面鏡３０の焦点を表し、点ｃは凹面鏡３０の球心を表す。なお、図２及び図３においては、本発明の原理の理解を容易にするため、凹面鏡３０が単一の曲率半径を持つと仮定されている。
【００２２】
図２は、図１に示した車両用投影表示装置において中間像形成光学部材２０が「存在しない」場合の光路を示している。図２の場合、表示デバイス１０の表示面が平面形状であるため、凹面鏡３０に導入される前の表示画像１０Ａも、平面形状を有することになる。
【００２３】
この場合、表示画像１０Ａが凹面鏡３０にて反射される際にその反射面の形状（曲面形状）の影響を受けるため、ウインドシールドＷＳに結像する像が湾曲する。その結果、運転者が視認する虚像ＩＭＧは、湾曲した形状を有する（即ち、像面湾曲が生じる）ことになる。例えば、虚像ＩＭＧは、光軸の奥行き方向に対する歪みを有することになる。
【００２４】
これに対し、図３は、図１に示した車両用投影表示装置において中間像形成光学部材２０が「存在する」場合（即ち、本実施形態の場合）における光路を示している。図３の場合、後述されるように、中間像形成光学部材２０が湾曲した中間像（湾曲像）２０Ａを形成し、その中間像２０Ａが凹面鏡３０に導入されることになる。なお、後述されるように、中間像２０Ａは、凹面鏡３０及びウインドシールドＷＳの形状等に起因して生じる像面湾曲を低減し得る形状を有するように形成されている。
【００２５】
そのため、この場合、上述した図２の場合とは異なり、ウインドシールドＷＳに結像する像が湾曲しない。その結果、運転者が視認する虚像ＩＭＧは、平面形状を有する（即ち、像面湾曲が生じない）ことになる。これにより、ＨＵＤ装置１００の光学系に凹面鏡３０を用い且つウインドシールドＷＳを表示面として用いる場合であっても、それらの影響を低減し、表示像の視認性を高められる。
【００２６】
なお、図２及び図３においては、便宜上、凹面鏡３０の影響だけを図示しているが、実際にはウインドシールドＷＳの面も一般的には曲面であるため、ウインドシールドＷＳの曲面も像面湾曲を生じさせる要因となり得る。
【００２７】
そこで、中間像形成光学部材２０が形成する中間像（湾曲像）の形状は、例えば、凹面鏡３０の影響及びウインドシールドＷＳの影響の双方を考慮して決定すればよい。これにより、図３に示すように像面湾曲のない虚像ＩＭＧが得られる。但し、中間像の形状は必ずしもこれら双方を考慮して決定される必要はなく、凹面鏡３０及びウインドシールドＷＳの少なくとも一方を考慮して中間像の形状が決定されれば、中間像形成光学部材２０が存在しない場合に比べて像面湾曲を低減できる。
【００２８】
＜実施形態の車両用投影表示装置の構成＞
ＨＵＤ装置１００の構成及び光路を図４に詳細に示す。図４においては、説明の便宜上、中間像形成光学部材２０の光学特性を一つの凸レンズ（図中の２０）にて概略的に表現し、凹面鏡３０及びウインドシールドＷＳの光学特性を一つの凸レンズ（図中の３０）にて概略的に表現している。この凸レンズ（図中の３０）は、その機能から光学系３０とも称呼される。なお、図４は、実際の中間像形成光学部材２０が図示した単一の凸レンズによって構成されることを意味せず、実際の光学系が単一の凸レンズによって構成されることを意味しない。
【００２９】
更に、図４においては、具体的な表示デバイス１０としてプロジェクタ１１が用いられている。プロジェクタ１１は、光源１１ａ、ディスプレイ１１ｂ及び投射用レンズ１１ｃを備えている。ディスプレイ１１ｂは透過型液晶表示器である。但し、ディスプレイ１１ｂとして、一般的なプロジェクタと同様に様々な種類の表示デバイスを利用することが可能である。例えば、ＬＣＯＳ（エルコス：Liquid  crystal  on  silicon）、ＤＭＤ(Digital  Micro-mirror  Device）のような反射型デバイスを利用してもよく、ＭＥＭＳ（メムス：Micro  Electro  Mechanical  Systems）を用いたスキャナによってプロジェクタを構成してもよい。光源については、ＬＥＤ及びレーザ等が用いられ得る。
【００３０】
図４の例では、光源１１ａから出射された照明光は、ディスプレイ１１ｂを透過する際に、ディスプレイ１１ｂに表示された二次元表示画像に応じて濃淡等が変調され、表示画像の情報を含む光として投射用レンズ１１ｃに入射する。
【００３１】
プロジェクタ１１の投射用レンズ１１ｃから投射された光は、中間像形成光学部材２０に導入される。中間像形成光学部材２０は、光学レンズ、凸レンズ、フレネルレンズ、マイクロレンズアレイ及び反射鏡等から構成され、投射用レンズ１１ｃから投射された光を用いて少なくとも一部が湾曲した形状（図３にて説明した湾曲した形状）を有する中間像２０Ａを形成する。中間像２０Ａは、上述した各種レンズの形状および光学特性などを調整することにより、光学系３０に起因して生じる像面湾曲を低減し得る形状を有するように形成される。そして、中間像２０Ａから放たれる光が光学系３０に導入される。
【００３２】
光学系３０は、中間像２０Ａから放たれた光を結像し、その結像した光がアイポイントＥＰにおいて虚像ＩＭＧとして視認される。
【００３３】
以上に説明したように、ＨＵＤ装置１００は、中間像２０Ａが上述した湾曲形状を有するため、光学系３０に含まれる各要素に起因する像の歪みが低減される。その結果、虚像ＩＭＧは平面形状を有する（図３も参照。）。即ち、像面湾曲が低減される。
【００３４】
更に、ＨＵＤ装置１００は、中間像形成光学部材２０が従来装置のスクリーン等を用いることなく中間像２０Ａの光をそのまま光学系３０側に導くため、効率よく光を伝達できる。これにより、例えば、図４に示すプロジェクタ１１の光源１１ａに要求される発光強度を下げることができ、消費電力及び発熱を低減できる。更に、太陽光等の外光の散乱を防止できるため、虚像ＩＭＧの視認性が向上する。
【００３５】
ここで、上述した本発明に係る車両用投影表示装置の実施形態の特徴を、下記（１）〜（３）に簡潔に纏めて列記する。
（１）
車両のウインドシールド（ＷＳ）又は前記ウインドシールドの近傍の光反射部材が形成する表示面上に表示像として結像されることになる光を投射する投射部（表示デバイス１０又はプロジェクタ１１）と、前記投射部から投射された光を前記表示面に導く光学系（凹面鏡３０）と、を備え、所定のアイポイント（ＥＰ）から前記表示像の虚像を視認可能とする車両用投影表示装置（ＨＵＤ装置１００）であって、
前記投射部（１０又は２０）から投射された光を用いて少なくとも一部が湾曲した形状を有する中間像（２０Ａ）を形成すると共に、前記中間像から放たれる光を前記光学系（３０）に導入させる中間像形成光学部材（２０）を備えた、
車両用投影表示装置（１００）。
（２）
上記（１）に記載の車両用投影表示装置において、
前記中間像形成光学部材（２０）が、
前記光学系（５０又は４０）及び前記表示面（ＷＳ）の少なくとも一方の特性に起因して前記虚像（６０Ａ〜６０Ｃ）に生じる像面湾曲に関する収差を補正する形状を有する前記中間像を形成する、
車両用投影表示装置。
（３）
上記（１）に記載の車両用投影表示装置であって、
前記中間像形成光学部材（２０）が、
光学レンズ、フレネルレンズ及びマイクロレンズアレイの少なくとも１つを含む、
車両用投影表示装置。
【符号の説明】
【００３６】
１００  ＨＵＤ装置
１０  表示デバイス
１０Ａ  表示画像
１１  プロジェクタ
２０  中間像形成光学部材
２０Ａ  中間像
３０  凹面鏡（光学系）
ＩＭＧ  虚像
ＯＰ  開口部
ＷＳ  ウインドシールド
ＥＰ  アイポイント
【図１】
0006611310.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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