(57)【要約】  表示面（１１１）の中心から出射され視点領域の中心に到達する光線を基準光線（Ｌｃ）とする。基準光線（Ｌｃ）と第１反射素子（１２１）の反射面（１２１ａ）との交点を基準交点（１２１ｃ）とする。第１反射素子（１２１）に入射する基準光線（Ｌｃ）と第１反射素子（１２１）で反射した基準光線（Ｌｃ）とを含む平面を基準平面とする。第１反射素子（１２１）の反射面（１２１ａ）と基準平面との交線を基準交線（Ｂｃ）とする。基準交点（１２１ｃ）における第１反射素子（１２１）の反射面（１２１ａ）に対する接平面を基準接平面（１７０）とする。基準接平面（１７０）上において基準交点（１２１ｃ）から等距離にある鉛直方向上側の点（１７０ｕ）及び鉛直方向下側の点（１７０ｌ）の２点から、第１反射素子（１２１）の反射面（１２１ａ）までの、それぞれの高さをサグ量とする。各垂線（１２１ｕ，１２１ｌ）が、基準交線（Ｂｃ）と交差するとき、点（１７０ｕ）におけるサグ量よりも（１７０ｌ）点におけるサグ量の方が大きい。
2016079927.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する表示面を有する表示デバイスと、
前記表示面に表示された画像を観察者の視点領域に投射する投射光学系と、を備え、
前記投射光学系は、前記表示面から前記視点領域までの光路の順に、第１反射素子と第２反射素子とを有し、前記第１反射素子と前記第２反射素子の少なくとも一方の反射面は凹面形状を有し、
前記表示面の中心から出射され前記視点領域の中心に到達する光線を基準光線とし、
前記基準光線と前記第１反射素子の反射面との交点を基準交点とし、
前記第１反射素子に入射する前記基準光線と前記第１反射素子で反射した前記基準光線とを含む平面を基準平面とし、
前記第１反射素子の反射面と前記基準平面との交線を基準交線とし、
前記基準交点における前記第１反射素子の反射面に対する接平面を基準接平面とし、
前記基準接平面上において前記基準交点から等距離にある鉛直方向上側の点及び鉛直方向下側の点の２点から、前記第１反射素子の反射面までの、それぞれの高さをサグ量とし、
前記鉛直方向上側の点と前記鉛直方向下側の点の２点から前記基準接平面と垂直になるようにたてた各垂線が、基準交線と交差するとき、
前記鉛直方向下側の点におけるサグ量よりも前記鉛直方向上側の点におけるサグ量の方が大きい、
ヘッドアップディスプレイ。
【請求項２】
前記第２反射素子に入射する前記基準光線は、水平且つ前記表示面に向かう方向のベクトル成分を有し、
以下の条件（１）を満足する請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ：
１．７  ＜  ＤＬ１  /  ＤＬ２  ・・・（１）
ここで、
ＤＬ１：表示デバイスと第１反射素子間の基準光線の光路長
ＤＬ２：第１反射素子と第２反射素子間の基準光線の光路長
である。
【請求項３】
車両に搭載され、
前記第１反射素子に入射する前記基準光線は、前記車両における前方方向のベクトル成分を有する、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項４】
前記第２反射素子の反射面は凹面形状を有する、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項５】
前記第２反射素子の反射領域は前記第１反射素子の反射領域よりも大きい、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項６】
前記第２反射素子の反射面は回転非対称な自由曲面形状である、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項７】
前記表示デバイスの表示面の少なくとも一部は、前記第２反射素子よりも鉛直方向上側に位置する、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項８】
更に、前記表示面の上端と前記第２反射素子の反射面の車両前方側端部を結ぶ仮想線上に遮光壁を備える、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項９】
以下の条件（２）を満足する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ：
５  ＜  ＩＬ  ＜  ２５  ・・・（２）
ここで、
ＩＬ：表示デバイスから出射する基準光線の出射角［ｄｅｇ］
である。
【請求項１０】
以下の条件（３）を満足する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ：
２５  ＜  Ｉ２  ＜  ４５  ・・・（３）
ここで、
Ｉ２：第２反射素子に入射する基準光線の入射角［ｄｅｇ］
である。
【請求項１１】
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイを備えた、車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、投射光学系を介して、表示デバイスの表示面に表示された画像を虚像として観察者に視認させるヘッドアップディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、フレネルレンズと凹面ミラーを備え、表示面に表示された画像をそのフレネルレンズで拡大し、虚像として観察者に視認させるヘッドアップディスプレイを開示する。特許文献２は、焦点距離の長いレンズを備え、表示面に表示された画像をその焦点距離の長いレンズで拡大し、虚像として観察者に視認させるヘッドアップディスプレイを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２７２０６１号公報
【特許文献２】特開平４−２４７４８９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、観察者の視点領域の全域で画面歪みが小さいヘッドアップディスプレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示に係るヘッドアップディスプレイは、画像を表示する表示面を有する表示デバイスと、表示面に表示された画像を観察者の視点領域に投射する投射光学系と、を備える。投射光学系は、表示面から視点領域までの光路の順に、第１反射素子と第２反射素子とを有する。第１反射素子と第２反射素子の少なくとも一方の反射面は凹面形状を有する。表示面の中心から出射され視点領域の中心に到達する光線を基準光線とする。基準光線と第１反射素子の反射面との交点を基準交点とする。第１反射素子に入射する基準光線と第１反射素子で反射した基準光線とを含む平面を基準平面とする。第１反射素子の反射面と基準平面との交線を基準交線とする。基準交点における第１反射素子の反射面に対する接平面を基準接平面とする。基準接平面上において基準交点から等距離にある鉛直方向上側の点及び鉛直方向下側の点の２点から、第１反射素子の反射面までの、それぞれの高さをサグ量とする。鉛直方向上側の点と鉛直方向下側の点の２点から基準接平面と垂直になるようにたてた各垂線が、基準交線と交差するとき、鉛直方向下側の点におけるサグ量よりも鉛直方向上側の点におけるサグ量の方が大きい。
【発明の効果】
【０００６】
本開示によれば、観察者の視点領域の全域で画面歪みが小さいヘッドアップディスプレイを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本開示に係るヘッドアップディスプレイを搭載した車両を示す模式図である。
【図２】図２は、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模式図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る第１反射素子と基準光線との関係を説明するための図である。
【図４】図４は、実施の形態１に係る投射光学系の形状を説明するための図である。
【図５】図５は、観察者の視点領域から見た虚像を説明するための模式図である。
【図６】図６は、数値実施例１に係る観察者の視点領域における画像歪みを表した図である。
【図７】図７は、数値実施例２に係る観察者の視点領域における画像歪みを表した図である。
【図８】図８は、数値実施例３に係る観察者の視点領域における画像歪みを表した図である。
【図９】図９は、数値実施例４に係る観察者の視点領域における画像歪みを表した図である。
【図１０】図１０は、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模式図である。
【図１１】図１１は、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模式図である。
【図１２】図１２は、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイを説明するための模式図である。
【図１３】図１３は、実施の形態１に係る数値実施例１〜４の座標系を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１０】
（実施の形態１）
［１−１．構成］
［１−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００の具体的な実施の形態及び実施例を、図面を参照して、以下に説明する。
【００１１】
図１は、本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００を搭載した車両２００を示す模式図である。
【００１２】
図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、車両２００のウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。
【００１３】
図２は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、筐体１４０と、投射光学系１２０と、表示デバイス１１０とを備える。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像を、虚像Ｉとして車両２００の内部の観察者Ｄに視認させるものである。表示面１１１に表示された画像は、ウインドシールド２２０を介して反射して、観察者Ｄの視点領域３００（アイボックスと称する場合もある）に導かれ、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
【００１４】
ここで、虚像Ｉの上端を形成する光線を光線Ｌｕとする。また、虚像Ｉの下端を形成する光線を光線Ｌｌとする。また、虚像Ｉの中心を形成する光線（表示面１１１の中心から出射され視点領域３００の中心に到達する光線）を基準光線Ｌｃとする。ただし、観察者Ｄの視点が視点領域３００の中心にあるものとする。
【００１５】
筺体１４０は開口１３０を有している。この開口１３０には、透明の開口カバー１３１が設けられている。この開口カバー１３１は、一部に湾曲形状を有している。そのため、開口カバー１３１に反射した太陽光などの外光が、観察者Ｄに届き難くなっている。この開口カバー１３１をレンズ形状とすることで、虚像Ｉの倍率を調整することも可能である。なお、この開口カバー１３１は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００において必須の構成要素ではない。また、筐体１４０も、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００において必須の構成要素ではなく、車両２００のダッシュボード２１０が筐体１４０の代わりを担っても良い。
【００１６】
投射光学系１２０は、第１反射素子としての第１ミラー１２１と、第２反射素子としての第２ミラー１２２とを有している。第１ミラー１２１で反射し第２ミラー１２２に入射する基準光線Ｌｃは、水平且つ表示面１１１に向かう方向のベクトル成分を有する。また、表示面１１１から出射され第１ミラー１２１に入射する基準光線Ｌｃは、車両２００における前方方向のベクトル成分を有する。表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、さらにウインドシールド２２０を介して反射して、視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。ここで、視点領域３００とは、観察者Ｄが虚像Ｉの全体を欠けることなく観察できる目の移動可能領域を指す。
【００１７】
表示デバイス１１０は、いずれも図示しない、液晶表示装置、光源を含むバックライトユニット、拡散板、偏向レンズ等からなる。表示デバイス１１０では、図示しないマイコン等の制御部によって、表示画像情報が制御される。表示面１１１には、表示画像情報として、道路進行案内、前方車両までの距離、車のバッテリー残量、現在の車速などの各種情報を表示することができる。表示デバイス１１０には、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、有機発光ダイオード（エレクトロルミネッセンス）、プラズマディスプレイなどの表示装置が用いられる。また、表示装置の代わりに、プロジェクタや走査型レーザを用いることも可能である。
【００１８】
筺体１４０の内部には遮光壁１５０が配置されている。この遮光壁１５０は、表示デバイス１１０の表示面１１１から出射された光線が第１ミラー１２１を介さずに第２ミラー１２２に直接入射することで発生する迷光を防ぐ。遮光壁１５０は、それ単体で筐体１４０に固定されている。なお、遮光壁１５０の筐体１４０への固定は上記態様に限定されず、遮光壁１５０が表示デバイス１１０または第２ミラー１２２と一体となって固定されていても良い。
【００１９】
［１−１−２．投射光学系と表示装置の配置構成］
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００では、表示デバイス１１０が、筐体１４０の内部において、第２ミラー１２２よりも鉛直方向上側に配置されている。表示デバイス１１０は、表示面１１１の少なくとも一部が、第２ミラー１２２よりも鉛直方向上側に配置されていることが望ましい。これにより、光線Ｌｌが第２ミラー１２２と干渉することなく、筐体１４０をコンパクトに構成することができる。
【００２０】
また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。このとき、表示デバイス１１０は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１で反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
【００２１】
また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように、偏心している。
【００２２】
ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示された画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
【００２３】
第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向表示デバイス側に配置されている。車両２００に搭載される場合、第２ミラー１２２は、第１ミラー１２１よりも車両後方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
【００２４】
実施の形態１において、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２も、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、第１ミラー１２１で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。
【００２５】
さらに、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを凹面形状とすることで、１枚のミラーがもつパワーを分散させることができ、組み立て時の歪曲収差感度を低減することができる。
【００２６】
また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００２７】
また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００２８】
図３は、実施の形態１に係る第１ミラー１２１と基準光線Ｌｃとの関係を説明するための図である。
【００２９】
基準光線Ｌｃは、表示デバイス１１０の表示面１１１の中心から射出され、第１ミラー１２１の反射面１２１ａに入射して、基準光線Ｌｃと反射面１２１ａとの交点である基準交点１２１ｃで反射される。このとき、第１ミラー１２１に入射する基準光線Ｌｃと、第１ミラー１２１で反射した基準光線Ｌｃとを含む平面を、基準平面と定義する。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａと基準平面との交線を、基準交線Ｂｃと定義する。
【００３０】
図４は、実施の形態１に係る投射光学系１２０の形状を説明するための図である。
【００３１】
基準交点１２１ｃにおける第１ミラー１２１の反射面１２１ａに対する接平面を基準接平面１７０と定義する。基準接平面１７０上において基準交点１２１ｃから等距離にある鉛直方向上側の点を点１７０ｕ、鉛直方向下側の点を点１７０ｌとする。これら２点から第１ミラー１２１の反射面１２１ａまでのそれぞれの高さをサグ量とする。ここで、点１７０ｕと点１７０ｌの２点から基準接平面１７０と垂直になるようにたてた各垂線１２１ｕ，１２１ｌが、基準交線Ｂｃと交差するとき、点１７０ｌにおけるサグ量よりも点１７０ｕにおけるサグ量の方が大きい。これにより、観察者Ｄの視点領域３００の全域で画面歪みが小さいヘッドアップディスプレイ１００を提供することができる。
【００３２】
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００で使用している第１ミラー１２１では、反射面１２１ａが回転非対称な形状を有するが、Ｘ方向とＹ方向とで曲率の符号が異なる、いわゆる鞍型の面形状を有しても良い。
【００３３】
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００で使用している第２ミラー１２２では、反射面１２２ａが回転非対称な形状を有するが、Ｘ方向とＹ方向とで曲率の符号が異なる、いわゆる鞍型の面形状を有しても良い。
【００３４】
［１−１−３．遮光壁の配置構成］
筺体１４０は遮光壁１５０を備えている。図４に示すように、表示デバイス１１０の表示面１１１の上端と第２ミラー１２２の車両前方側（図面左側）端部を結ぶ仮想線上には遮光壁１５０が位置する。
【００３５】
これにより、表示デバイス１１０の表示面１１１から出射された光線が第１ミラー１２１を介さずに第２ミラー１２２に直接入射することで発生する迷光を、防ぐことができる。
【００３６】
［１．２．効果等］
以上のように構成されたヘッドアップディスプレイ１００について、図５〜９を用いて、その効果を以下に説明する。
【００３７】
図５は、観察者Ｄの視点領域３００から見た虚像Ｉを説明するための模式図である。実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００において、視点領域３００は、横１３０ｍｍ×縦４０ｍｍの矩形である。
【００３８】
図６〜図９は、観察者Ｄの視点領域３００における画像歪みを表した図である。図６〜図９において、実線は、各数値実施例１〜４におけるヘッドアップディスプレイ１００を用いて投射した虚像Ｉを示している。破線は、視点領域３００から見た場合の虚像Ｉの理想の形状を示している。
【００３９】
図６〜図９のそれぞれにおいて、（１）は、観察者Ｄから見て視点領域３００の中心の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（２）は、視点領域３００の左上の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（３）は、視点領域３００の左下の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（４）は、視点領域３００の右上の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（５）は視点領域３００の右下の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。
【００４０】
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００を用いることによって、視点領域３００の全域で画面歪みが良好に補正される。すなわち、視点領域３００内において観察者Ｄはどの位置で観察しても良好な虚像Ｉを視認することが可能である。
【００４１】
なお、さらに良好な虚像Ｉを視認するために、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示させる画像をあらかじめ電子的に歪ませておいても良い。
【００４２】
［１．３．望ましい条件］
以下、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００が満足することが望ましい条件を説明する。なお、ヘッドアップディスプレイ１００に対して、複数の好ましい条件が規定されるが、これら複数の条件すべてを満足する構成が最も望ましい。しかしながら、個別の条件を満足することにより、それぞれ対応する効果を奏するヘッドアップディスプレイ１００を得ることも可能である。
【００４３】
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、画像を表示する表示デバイス１１０と、表示デバイス１１０に表示された画像を投射する投射光学系１２０とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１ミラー１２１と、第２ミラー１２２とを有する。
【００４４】
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像を、ウインドシールド２２０に投影し、虚像Ｉを観察者Ｄに視認させている。これにより、観察者Ｄの前方視界を遮ることなく、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像を観察者Ｄに視認させることができる。
【００４５】
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第１ミラー１２１の反射面１２１ａが自由曲面形状であることが望ましい。これにより、ウインドシールド２２０で発生する画面歪みを良好に補正し、視点領域３００の全域で画面歪みの少ない良好な虚像Ｉを視認することができる。
【００４６】
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第２ミラー１２２の反射面１２２ａが自由曲面形状であることが望ましい。これにより、ウインドシールド２２０で発生する画面歪みを良好に補正し、視点領域３００の全域で画面歪みの少ない良好な虚像Ｉを視認することができる。
【００４７】
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第１ミラー１２１の反射面１２１ａが、凹面形状または平面形状である。これにより、第１ミラー１２１の反射面１２１ａが凸面形状の場合に比べて、反射で生じる虚像Ｉの歪みを抑制することができる。
【００４８】
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第２ミラー１２２の反射面１２２ａが、凹面形状または平面形状である。これにより、第２ミラー１２２が凸面形状の場合に比べて、反射で生じる虚像Ｉの歪みを抑制することができる。
【００４９】
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第１ミラー１２１の外形形状が台形である。これにより、第１ミラー１２１に関して、表示面１１１に表示された画像が反射する領域以外の不要な領域を削減することができ、ヘッドアップディスプレイ１００を小型化することができる。なお、第１ミラー１２１の外形形状は台形に限られず、有効領域の形状に応じて適宜変更できるものである。
【００５０】
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（１）を満足することが望ましい。
【００５１】
１．７  ＜  ＤＬ１  ／  ＤＬ２  ・・・（１）
ここで、
ＤＬ１：表示デバイス１１０と第１ミラー１２１間の基準光線Ｌｃの光路長（厳密には、表示デバイス１１０の表示面１１１と、第１ミラー１２１の反射面１２１ａとの間の基準光線Ｌｃの光路長。）
ＤＬ２：第１ミラー１２１と第２ミラー１２２間の基準光線Ｌｃの光路長（厳密には、第１ミラー１２１の反射面１２１ａと、第２ミラー１２２の反射面１２２ａとの間の基準光線Ｌｃの光路長。）
である。
【００５２】
条件（１）は、表示デバイス１１０と第１ミラー１２１の面間隔と、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の面間隔の比率を規定する条件である。条件（１）を満足した場合は虚像Ｉの歪みを補正しやすい。そのため、観察者Ｄの視点領域３００の全域で画面歪みが小さいヘッドアップディスプレイ１００を提供することができる。条件（１）の下限を下回ると、表示デバイス１１０と第１ミラー１２１の面間隔が小さくなるため、第１ミラー１２１の凹面の曲率を強くする必要があり、虚像Ｉの歪みを補正することが困難となる。また、表示デバイス１１０と第１ミラー１２１の面間隔が小さくなることで、遮光壁１５０の効果が小さくなり、迷光の抑制が困難となる。
【００５３】
さらに以下の条件（１Ａ）を満足することにより上述の効果をさらに奏功させることができる。
【００５４】
１．７  ＜  ＤＬ１  ／  ＤＬ２  ＜  ４．０  ・・・（１Ａ）
条件（１Ａ）の上限値を上回ると、表示デバイス１１０と第１ミラー１２１の面間隔が大きくなるため、小型なヘッドアップディスプレイを提供することが困難となる。
【００５５】
また、さらに以下の条件（１Ｂ）を満足することにより上述した効果をさらに奏功させることができる。
【００５６】
１．７  ＜  ＤＬ１  ／  ＤＬ２  ＜  ３．０  ・・・（１Ｂ）
実施の形態１にかかるヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（２）を満足することが望ましい。
【００５７】
５  ＜  ＩＬ  ＜  ２５  ・・・（２）
ここで、
ＩＬ：表示デバイス１１０から出射する基準光線Ｌｃの出射角［ｄｅｇ］
である。
【００５８】
条件（２）は表示デバイス１１０の表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃの出射角を規定する条件である。条件（２）の下限を下回ると、太陽光などの外光が、観察者Ｄの目に届く迷光となることを防ぐことが困難となる。この迷光とは、太陽光などの外光が、第２ミラー１２２、第１ミラー１２１、表示デバイス１１０の表示面１１１、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２、ウインドシールド２２０の順に反射して生じる迷光のことである。また、条件（２）の上限を上回ると、表示面１１１に表示された画像のコントラストが低下し、虚像Ｉの視認性能が低下する。
【００５９】
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（３）を満足することが望ましい。
【００６０】
２５  ＜  Ｉ２  ＜  ４５  ・・・（３）
ここで、
Ｉ２：第２ミラー１２２に入射する基準光線Ｌｃの入射角［ｄｅｇ］
である。
【００６１】
条件（３）は、第１ミラー１２１から第２ミラー１２２に入射する基準光線Ｌｃの入射角を規定する条件である。条件（３）の下限を下回る場合、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の面間隔が大きくなり、筐体１４０の深さ方向の寸法が大型化する。また、条件（３）の上限を上回ると、第２ミラー１２２で発生する非対称な歪曲収差を補正することが困難となる。
【００６２】
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、遮光壁１５０の上端が、第２ミラー１２２と表示面１１１に表示された画像とを結んだ直線よりも上方にあることが望ましい。これにより、表示面１１１に表示された画像が第１ミラーを介さずに第２ミラー１２２に直接入射することで発生する迷光を、防ぐことができる。
【００６３】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２について説明する。実施の形態１と同様の構成部材については同じ符号を付し、実施の形態１と同様の構成及び機能については詳細な説明を省略する場合がある。
【００６４】
［２−１．構成］
［２−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図１０は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。図１０に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。投射光学系１２０は、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２を有している。表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、屈折光学系１６０を介して屈折して、さらにウインドシールド２２０を介して反射する。そして、観察者Ｄの視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
【００６５】
［２−１−２．投射光学系と表示装置の配置構成］
表示デバイス１１０は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも下側に配置されている。また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。このとき、表示デバイス１１０は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１に反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
【００６６】
また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示された画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように、偏心している。
【００６７】
ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示された画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
【００６８】
第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向車両前方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
【００６９】
第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凸面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、第１ミラー１２１で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。
【００７０】
さらに、第１ミラー１２１の反射面１２１ａを凸面形状とすることで、第２ミラー１２２の凹面パワーを増大させることができ、筐体１４０を小型化することができる。
【００７１】
また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００７２】
また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００７３】
（実施の形態３）
以下、実施の形態３について説明する。上記実施の形態と同様の構成部材については同じ符号を付し、上記実施の形態と同様の構成及び機能については詳細な説明を省略する場合がある。
【００７４】
［３−１．構成］
［３−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図１１は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。
【００７５】
図１１に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。投射光学系１２０は、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２を有している。表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、屈折光学系１６０を介して屈折して、さらにウインドシールド２２０を介して反射する。そして、観察者Ｄの視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
【００７６】
［３−１−２．投射光学系と表示装置の配置構成］
表示デバイス１１０は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも上側に配置されている。また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。これにより、表示デバイス１１０の表示面１１１（液晶面）を、太陽光の暴露から防ぐことができる。また、このとき、表示デバイス１１０は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１に反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
【００７７】
また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように偏心している。
【００７８】
ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示された画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
【００７９】
第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向車両前方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
【００８０】
第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第１ミラー１２１の反射面１２１ａを凹面形状とすることで、第２ミラー１２２で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。また、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが凹面形状であって、他方の反射面が凸面形状であってもよい。
【００８１】
さらに、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを凹面形状とすることで、１枚のミラーがもつパワーを分散させることができ、組み立て時の歪曲収差感度を低減することができる。
【００８２】
また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００８３】
また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００８４】
（実施の形態４）
以下、実施の形態４について説明する。上記実施の形態と同様の構成部材については同じ符号を付し、上記実施の形態と同様の構成及び機能については詳細な説明を省略する場合がある。
【００８５】
［４−１．構成］
［４−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図１２は、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。このとき、簡単のため図１２は一部が射影図となっている。
【００８６】
図１２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。投射光学系１２０は、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２を有している。表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、屈折光学系１６０を介して屈折して、さらにウインドシールド２２０を介して反射する。そして、観察者Ｄの視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
【００８７】
［４−１−２．投射光学系と表示装置の配置構成］
表示デバイス１１０、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２は、それぞれの少なくとも一部が、同一水平面内に配置されている。
【００８８】
また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。これにより、表示面１１１（液晶面）を太陽光の暴露から防ぐことができる。また、このとき、表示デバイス１１０の表示面１１１は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１に反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
【００８９】
また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように、偏心している。
【００９０】
ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示される画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
【００９１】
第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向車両前方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
【００９２】
第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凸面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、第１ミラー１２１で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。
【００９３】
さらに、第１ミラー１２１の反射面１２１ａを凸面形状とすることで、第２ミラー１２２の凹面パワーを増大させることができ、筐体１４０を小型化することができる。
【００９４】
また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００９５】
また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００９６】
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１〜４を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１〜４で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
【００９７】
（数値実施例）
以下、実施の形態１〜４に係るヘッドアップディスプレイを具体的に実施した数値実施例１〜４を説明する。なお、各数値実施例１〜４において、各表の長さの単位はすべて「ｍｍ」であり、角度の単位はすべて「°」である。また、各数値実施例において、自由曲面は次式で定義している。
【００９８】
【数１】
2016079927.tif 000003
【００９９】
【数２】
2016079927.tif 000004
【０１００】
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、Ｃｊは単項式ｘｍｙｎの係数である。
【０１０１】
図１３は、実施の形態１に係る数値実施例１〜４の座標系を示す図である。各数値実施例１〜４において、基準となる座標原点は、表示面１１１に表示された画像の中心であり、図１３で示すようにＸ，Ｙ，Ｚ軸を定義している。
【０１０２】
さらに、各数値実施例１〜４中の偏心データにおいて、ＡＤＥとは、ミラーをＸ軸を中心にＺ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。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を意味する。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。
【０１０３】
（数値実施例１）
数値実施例１の投射光学系１２０の構成データを表１に、多項式自由曲面の係数を表２に示す。
【０１０４】
【表１】
2016079927.tif 000005
【０１０５】
【表２】
2016079927.tif 000006
【０１０６】
（数値実施例２）
数値実施例２の投射光学系１２０の構成データを表３に、多項式自由曲面の係数を表４に示す。
【０１０７】
【表３】
2016079927.tif 000007
【０１０８】
【表４】
2016079927.tif 000008
【０１０９】
（数値実施例３）
数値実施例３の投射光学系１２０の構成データを表５に、多項式自由曲面の係数を表６に示す。
【０１１０】
【表５】
2016079927.tif 000009
【０１１１】
【表６】
2016079927.tif 000010
【０１１２】
（数値実施例４）
数値実施例４の投射光学系１２０の構成データを表７に、多項式自由曲面の係数を表８に示す。
【０１１３】
【表７】
2016079927.tif 000011
【０１１４】
【表８】
2016079927.tif 000012
【０１１５】
以下の表９に、各数値実施例１〜４における表示面１１１に表示された画像のサイズ、虚像Ｉのサイズ、観察者Ｄの瞳から虚像Ｉまでの距離を示す。
【０１１６】
【表９】
2016079927.tif 000013
【０１１７】
以下の表１０に、各数値実施例１〜４における条件（１）〜（３）の数値を示す。
【０１１８】
【表１０】
2016079927.tif 000014
【０１１９】
以下の表１１に、数値実施例１〜３における第１ミラー１２１のサグ量を示す。ただし、基準交線Ｂｃからの距離は、符号が＋のときが鉛直上側、符号が−のときが鉛直下側を示す。
【０１２０】
【表１１】
2016079927.tif 000015
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本開示にかかるヘッドアップディスプレイは、車載用などのヘッドアップディスプレイといった高画質が要求されるヘッドアップディスプレイに好適である。
【符号の説明】
【０１２２】
１００  ヘッドアップディスプレイ
１１０  表示デバイス
１１１  表示面
１２０  投射光学系
１２１  第１ミラー（第１反射素子）
１２１ａ  第１反射素子の反射面
１２１ｃ  基準交点
１２１ｌ  垂線
１２１ｕ  垂線
１２２  第２ミラー（第２反射素子）
１２２ａ  第２反射素子の反射面
１３０  開口
１３１  開口カバー
１４０  筐体
１５０  遮光壁
１６０  屈折光学系
１７０  基準接平面
１７０ｌ  鉛直方向下側の点
１７０ｕ  鉛直方向上側の点
２００  車両
２１０  ダッシュボード
２２０  ウインドシールド
３００  視点領域
Ｄ  観察者
Ｉ  虚像
Ｂｃ  基準交線
Ｌｃ  基準光線
Ｌｌ  虚像の下端を形成する光線
Ｌｕ  虚像の上端を形成する光線
【図１】
2016079927.tif 000016
【図２】
2016079927.tif 000017
【図３】
2016079927.tif 000018
【図４】
2016079927.tif 000019
【図５】
2016079927.tif 000020
【図６】
2016079927.tif 000021
【図７】
2016079927.tif 000022
【図８】
2016079927.tif 000023
【図９】
2016079927.tif 000024
【図１０】
2016079927.tif 000025
【図１１】
2016079927.tif 000026
【図１２】
2016079927.tif 000027
【図１３】
2016079927.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成29年5月9日(2017.5.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、投射光学系を介して、表示デバイスの表示面に表示された画像を虚像として観察者に視認させるヘッドアップディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、フレネルレンズと凹面ミラーを備え、表示面に表示された画像をそのフレネルレンズで拡大し、虚像として観察者に視認させるヘッドアップディスプレイを開示する。特許文献２は、焦点距離の長いレンズを備え、表示面に表示された画像をその焦点距離の長いレンズで拡大し、虚像として観察者に視認させるヘッドアップディスプレイを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２７２０６１号公報
【特許文献２】特開平４−２４７４８９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、観察者の視点領域の全域で画面歪みが小さいヘッドアップディスプレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示に係るヘッドアップディスプレイは、画像を表示する表示面を有する表示デバイスと、表示面に表示された画像を観察者の視点領域に投射する投射光学系と、を備える。投射光学系は、表示面から視点領域までの光路の順に、第１反射素子と第２反射素子とを有する。第１反射素子と第２反射素子の少なくとも一方の反射面は凹面形状を有する。表示面の中心から出射され視点領域の中心に到達する光線を基準光線とする。基準光線と第１反射素子の反射面との交点を基準交点とする。第１反射素子に入射する基準光線と第１反射素子で反射した基準光線とを含む平面を基準平面とする。第１反射素子の反射面と基準平面との交線を基準交線とする。基準交点における第１反射素子の反射面に対する接平面を基準接平面とする。基準接平面上において基準交点から等距離にある鉛直方向上側の点及び鉛直方向下側の点の２点から、第１反射素子の反射面までの、それぞれの高さをサグ量とする。鉛直方向上側の点と鉛直方向下側の点の２点から基準接平面と垂直になるようにたてた各垂線が、基準交線と交差するとき、鉛直方向下側の点におけるサグ量よりも鉛直方向上側の点におけるサグ量の方が大きい。
【発明の効果】
【０００６】
本開示によれば、観察者の視点領域の全域で画面歪みが小さいヘッドアップディスプレイを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本開示に係るヘッドアップディスプレイを搭載した車両を示す模式図である。
【図２】図２は、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模式図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る第１反射素子と基準光線との関係を説明するための図である。
【図４】図４は、実施の形態１に係る投射光学系の形状を説明するための図である。
【図５】図５は、観察者の視点領域から見た虚像を説明するための模式図である。
【図６】図６は、数値実施例１に係る観察者の視点領域における画像歪みを表した図である。
【図７】図７は、数値実施例２に係る観察者の視点領域における画像歪みを表した図である。
【図８】図８は、数値実施例３に係る観察者の視点領域における画像歪みを表した図である。
【図９】図９は、数値実施例４に係る観察者の視点領域における画像歪みを表した図である。
【図１０】図１０は、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模式図である。
【図１１】図１１は、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模式図である。
【図１２】図１２は、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイを説明するための模式図である。
【図１３】図１３は、実施の形態１に係る数値実施例１〜４の座標系を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１０】
（実施の形態１）
［１−１．構成］
［１−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００の具体的な実施の形態及び実施例を、図面を参照して、以下に説明する。
【００１１】
図１は、本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００を搭載した車両２００を示す模式図である。
【００１２】
図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、車両２００のウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。
【００１３】
図２は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、筐体１４０と、投射光学系１２０と、表示デバイス１１０とを備える。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像を、虚像Ｉとして車両２００の内部の観察者Ｄに視認させるものである。表示面１１１に表示された画像は、ウインドシールド２２０を介して反射して、観察者Ｄの視点領域３００（アイボックスと称する場合もある）に導かれ、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
【００１４】
ここで、虚像Ｉの上端を形成する光線を光線Ｌｕとする。また、虚像Ｉの下端を形成する光線を光線Ｌｌとする。また、虚像Ｉの中心を形成する光線（表示面１１１の中心から出射され視点領域３００の中心に到達する光線）を基準光線Ｌｃとする。ただし、観察者Ｄの視点が視点領域３００の中心にあるものとする。
【００１５】
筺体１４０は開口１３０を有している。この開口１３０には、透明の開口カバー１３１が設けられている。この開口カバー１３１は、一部に湾曲形状を有している。そのため、開口カバー１３１に反射した太陽光などの外光が、観察者Ｄに届き難くなっている。この開口カバー１３１をレンズ形状とすることで、虚像Ｉの倍率を調整することも可能である。なお、この開口カバー１３１は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００において必須の構成要素ではない。また、筐体１４０も、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００において必須の構成要素ではなく、車両２００のダッシュボード２１０が筐体１４０の代わりを担っても良い。
【００１６】
投射光学系１２０は、第１反射素子としての第１ミラー１２１と、第２反射素子としての第２ミラー１２２とを有している。第１ミラー１２１で反射し第２ミラー１２２に入射する基準光線Ｌｃは、水平且つ表示面１１１に向かう方向のベクトル成分を有する。また、表示面１１１から出射され第１ミラー１２１に入射する基準光線Ｌｃは、車両２００における前方方向のベクトル成分を有する。表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、さらにウインドシールド２２０を介して反射して、視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。ここで、視点領域３００とは、観察者Ｄが虚像Ｉの全体を欠けることなく観察できる目の移動可能領域を指す。
【００１７】
表示デバイス１１０は、いずれも図示しない、液晶表示装置、光源を含むバックライトユニット、拡散板、偏向レンズ等からなる。表示デバイス１１０では、図示しないマイコン等の制御部によって、表示画像情報が制御される。表示面１１１には、表示画像情報として、道路進行案内、前方車両までの距離、車のバッテリー残量、現在の車速などの各種情報を表示することができる。表示デバイス１１０には、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、有機発光ダイオード（エレクトロルミネッセンス）、プラズマディスプレイなどの表示装置が用いられる。また、表示装置の代わりに、プロジェクタや走査型レーザを用いることも可能である。
【００１８】
筺体１４０の内部には遮光壁１５０が配置されている。この遮光壁１５０は、表示デバイス１１０の表示面１１１から出射された光線が第１ミラー１２１を介さずに第２ミラー１２２に直接入射することで発生する迷光を防ぐ。遮光壁１５０は、それ単体で筐体１４０に固定されている。なお、遮光壁１５０の筐体１４０への固定は上記態様に限定されず、遮光壁１５０が表示デバイス１１０または第２ミラー１２２と一体となって固定されていても良い。
【００１９】
［１−１−２．投射光学系と表示装置の配置構成］
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００では、表示デバイス１１０が、筐体１４０の内部において、第２ミラー１２２よりも鉛直方向上側に配置されている。表示デバイス１１０は、表示面１１１の少なくとも一部が、第２ミラー１２２よりも鉛直方向上側に配置されていることが望ましい。これにより、光線Ｌｌが第２ミラー１２２と干渉することなく、筐体１４０をコンパクトに構成することができる。
【００２０】
また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。このとき、表示デバイス１１０は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１で反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
【００２１】
また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように、偏心している。
【００２２】
ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示された画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
【００２３】
第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向表示デバイス側に配置されている。車両２００に搭載される場合、第２ミラー１２２は、第１ミラー１２１よりも車両後方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
【００２４】
実施の形態１において、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２も、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、第１ミラー１２１で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。
【００２５】
さらに、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを凹面形状とすることで、１枚のミラーがもつパワーを分散させることができ、組み立て時の歪曲収差感度を低減することができる。
【００２６】
また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００２７】
また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００２８】
図３は、実施の形態１に係る第１ミラー１２１と基準光線Ｌｃとの関係を説明するための図である。
【００２９】
基準光線Ｌｃは、表示デバイス１１０の表示面１１１の中心から射出され、第１ミラー１２１の反射面１２１ａに入射して、基準光線Ｌｃと反射面１２１ａとの交点である基準交点１２１ｃで反射される。このとき、第１ミラー１２１に入射する基準光線Ｌｃと、第１ミラー１２１で反射した基準光線Ｌｃとを含む平面を、基準平面と定義する。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａと基準平面との交線を、基準交線Ｂｃと定義する。
【００３０】
図４は、実施の形態１に係る投射光学系１２０の形状を説明するための図である。
【００３１】
基準交点１２１ｃにおける第１ミラー１２１の反射面１２１ａに対する接平面を基準接平面１７０と定義する。基準接平面１７０上において基準交点１２１ｃから等距離にある鉛直方向上側の点を点１７０ｕ、鉛直方向下側の点を点１７０ｌとする。これら２点から第１ミラー１２１の反射面１２１ａまでのそれぞれの高さをサグ量とする。ここで、点１７０ｕと点１７０ｌの２点から基準接平面１７０と垂直になるようにたてた各垂線１２１ｕ，１２１ｌが、基準交線Ｂｃと交差するとき、点１７０ｌにおけるサグ量よりも点１７０ｕにおけるサグ量の方が大きい。これにより、観察者Ｄの視点領域３００の全域で画面歪みが小さいヘッドアップディスプレイ１００を提供することができる。
【００３２】
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００で使用している第１ミラー１２１では、反射面１２１ａが回転非対称な形状を有するが、Ｘ方向とＹ方向とで曲率の符号が異なる、いわゆる鞍型の面形状を有しても良い。
【００３３】
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００で使用している第２ミラー１２２では、反射面１２２ａが回転非対称な形状を有するが、Ｘ方向とＹ方向とで曲率の符号が異なる、いわゆる鞍型の面形状を有しても良い。
【００３４】
［１−１−３．遮光壁の配置構成］
筺体１４０は遮光壁１５０を備えている。図４に示すように、表示デバイス１１０の表示面１１１の上端と第２ミラー１２２の車両前方側（図面左側）端部を結ぶ仮想線上には遮光壁１５０が位置する。
【００３５】
これにより、表示デバイス１１０の表示面１１１から出射された光線が第１ミラー１２１を介さずに第２ミラー１２２に直接入射することで発生する迷光を、防ぐことができる。
【００３６】
［１．２．効果等］
以上のように構成されたヘッドアップディスプレイ１００について、図５〜９を用いて、その効果を以下に説明する。
【００３７】
図５は、観察者Ｄの視点領域３００から見た虚像Ｉを説明するための模式図である。実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００において、視点領域３００は、横１３０ｍｍ×縦４０ｍｍの矩形である。
【００３８】
図６〜図９は、観察者Ｄの視点領域３００における画像歪みを表した図である。図６〜図９において、実線は、各数値実施例１〜４におけるヘッドアップディスプレイ１００を用いて投射した虚像Ｉを示している。破線は、視点領域３００から見た場合の虚像Ｉの理想の形状を示している。
【００３９】
図６〜図９のそれぞれにおいて、（１）は、観察者Ｄから見て視点領域３００の中心の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（２）は、視点領域３００の左上の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（３）は、視点領域３００の左下の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（４）は、視点領域３００の右上の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。（５）は視点領域３００の右下の位置から虚像Ｉを見たときの画面歪みを示す図である。
【００４０】
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００を用いることによって、視点領域３００の全域で画面歪みが良好に補正される。すなわち、視点領域３００内において観察者Ｄはどの位置で観察しても良好な虚像Ｉを視認することが可能である。
【００４１】
なお、さらに良好な虚像Ｉを視認するために、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示させる画像をあらかじめ電子的に歪ませておいても良い。
【００４２】
［１．３．望ましい条件］
以下、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００が満足することが望ましい条件を説明する。なお、ヘッドアップディスプレイ１００に対して、複数の好ましい条件が規定されるが、これら複数の条件すべてを満足する構成が最も望ましい。しかしながら、個別の条件を満足することにより、それぞれ対応する効果を奏するヘッドアップディスプレイ１００を得ることも可能である。
【００４３】
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、画像を表示する表示デバイス１１０と、表示デバイス１１０に表示された画像を投射する投射光学系１２０とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１ミラー１２１と、第２ミラー１２２とを有する。
【００４４】
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像を、ウインドシールド２２０に投影し、虚像Ｉを観察者Ｄに視認させている。これにより、観察者Ｄの前方視界を遮ることなく、表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像を観察者Ｄに視認させることができる。
【００４５】
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第１ミラー１２１の反射面１２１ａが自由曲面形状であることが望ましい。これにより、ウインドシールド２２０で発生する画面歪みを良好に補正し、視点領域３００の全域で画面歪みの少ない良好な虚像Ｉを視認することができる。
【００４６】
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第２ミラー１２２の反射面１２２ａが自由曲面形状であることが望ましい。これにより、ウインドシールド２２０で発生する画面歪みを良好に補正し、視点領域３００の全域で画面歪みの少ない良好な虚像Ｉを視認することができる。
【００４７】
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第１ミラー１２１の反射面１２１ａが、凹面形状または平面形状である。これにより、第１ミラー１２１の反射面１２１ａが凸面形状の場合に比べて、反射で生じる虚像Ｉの歪みを抑制することができる。
【００４８】
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第２ミラー１２２の反射面１２２ａが、凹面形状または平面形状である。これにより、第２ミラー１２２が凸面形状の場合に比べて、反射で生じる虚像Ｉの歪みを抑制することができる。
【００４９】
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、第１ミラー１２１の外形形状が台形である。これにより、第１ミラー１２１に関して、表示面１１１に表示された画像が反射する領域以外の不要な領域を削減することができ、ヘッドアップディスプレイ１００を小型化することができる。なお、第１ミラー１２１の外形形状は台形に限られず、有効領域の形状に応じて適宜変更できるものである。
【００５０】
本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（１）を満足することが望ましい。
【００５１】
１．７  ＜  ＤＬ１  ／  ＤＬ２  ・・・（１）
ここで、
ＤＬ１：表示デバイス１１０と第１ミラー１２１間の基準光線Ｌｃの光路長（厳密には、表示デバイス１１０の表示面１１１と、第１ミラー１２１の反射面１２１ａとの間の基準光線Ｌｃの光路長。）
ＤＬ２：第１ミラー１２１と第２ミラー１２２間の基準光線Ｌｃの光路長（厳密には、第１ミラー１２１の反射面１２１ａと、第２ミラー１２２の反射面１２２ａとの間の基準光線Ｌｃの光路長。）
である。
【００５２】
条件（１）は、表示デバイス１１０と第１ミラー１２１の面間隔と、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の面間隔の比率を規定する条件である。条件（１）を満足した場合は虚像Ｉの歪みを補正しやすい。そのため、観察者Ｄの視点領域３００の全域で画面歪みが小さいヘッドアップディスプレイ１００を提供することができる。条件（１）の下限を下回ると、表示デバイス１１０と第１ミラー１２１の面間隔が小さくなるため、第１ミラー１２１の凹面の曲率を強くする必要があり、虚像Ｉの歪みを補正することが困難となる。また、表示デバイス１１０と第１ミラー１２１の面間隔が小さくなることで、遮光壁１５０の効果が小さくなり、迷光の抑制が困難となる。
【００５３】
さらに以下の条件（１Ａ）を満足することにより上述の効果をさらに奏功させることができる。
【００５４】
１．７  ＜  ＤＬ１  ／  ＤＬ２  ＜  ４．０  ・・・（１Ａ）
条件（１Ａ）の上限値を上回ると、表示デバイス１１０と第１ミラー１２１の面間隔が大きくなるため、小型なヘッドアップディスプレイを提供することが困難となる。
【００５５】
また、さらに以下の条件（１Ｂ）を満足することにより上述した効果をさらに奏功させることができる。
【００５６】
１．７  ＜  ＤＬ１  ／  ＤＬ２  ＜  ３．０  ・・・（１Ｂ）
実施の形態１にかかるヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（２）を満足することが望ましい。
【００５７】
５  ＜  ＩＬ  ＜  ２５  ・・・（２）
ここで、
ＩＬ：表示デバイス１１０から出射する基準光線Ｌｃの出射角［ｄｅｇ］
である。
【００５８】
条件（２）は表示デバイス１１０の表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃの出射角を規定する条件である。条件（２）の下限を下回ると、太陽光などの外光が、観察者Ｄの目に届く迷光となることを防ぐことが困難となる。この迷光とは、太陽光などの外光が、第２ミラー１２２、第１ミラー１２１、表示デバイス１１０の表示面１１１、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２、ウインドシールド２２０の順に反射して生じる迷光のことである。また、条件（２）の上限を上回ると、表示面１１１に表示された画像のコントラストが低下し、虚像Ｉの視認性能が低下する。
【００５９】
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、以下の条件（３）を満足することが望ましい。
【００６０】
２５  ＜  Ｉ２  ＜  ４５  ・・・（３）
ここで、
Ｉ２：第２ミラー１２２に入射する基準光線Ｌｃの入射角［ｄｅｇ］
である。
【００６１】
条件（３）は、第１ミラー１２１から第２ミラー１２２に入射する基準光線Ｌｃの入射角を規定する条件である。条件（３）の下限を下回る場合、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の面間隔が大きくなり、筐体１４０の深さ方向の寸法が大型化する。また、条件（３）の上限を上回ると、第２ミラー１２２で発生する非対称な歪曲収差を補正することが困難となる。
【００６２】
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、遮光壁１５０の上端が、第２ミラー１２２と表示面１１１に表示された画像とを結んだ直線よりも上方にあることが望ましい。これにより、表示面１１１に表示された画像が第１ミラーを介さずに第２ミラー１２２に直接入射することで発生する迷光を、防ぐことができる。
【００６３】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２について説明する。実施の形態１と同様の構成部材については同じ符号を付し、実施の形態１と同様の構成及び機能については詳細な説明を省略する場合がある。
【００６４】
［２−１．構成］
［２−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図１０は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。図１０に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。投射光学系１２０は、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２を有している。表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、屈折光学系１６０を介して屈折して、さらにウインドシールド２２０を介して反射する。そして、観察者Ｄの視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
【００６５】
［２−１−２．投射光学系と表示装置の配置構成］
表示デバイス１１０は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも下側に配置されている。また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。このとき、表示デバイス１１０は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１に反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
【００６６】
また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示された画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように、偏心している。
【００６７】
ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示された画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
【００６８】
第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向車両前方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
【００６９】
第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凸面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、第１ミラー１２１で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。
【００７０】
さらに、第１ミラー１２１の反射面１２１ａを凸面形状とすることで、第２ミラー１２２の凹面パワーを増大させることができ、筐体１４０を小型化することができる。
【００７１】
また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００７２】
また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００７３】
（実施の形態３）
以下、実施の形態３について説明する。上記実施の形態と同様の構成部材については同じ符号を付し、上記実施の形態と同様の構成及び機能については詳細な説明を省略する場合がある。
【００７４】
［３−１．構成］
［３−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図１１は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。
【００７５】
図１１に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。投射光学系１２０は、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２を有している。表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、屈折光学系１６０を介して屈折して、さらにウインドシールド２２０を介して反射する。そして、観察者Ｄの視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
【００７６】
［３−１−２．投射光学系と表示装置の配置構成］
表示デバイス１１０は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも上側に配置されている。また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。これにより、表示デバイス１１０の表示面１１１（液晶面）を、太陽光の暴露から防ぐことができる。また、このとき、表示デバイス１１０は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１に反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
【００７７】
また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように偏心している。
【００７８】
ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示された画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
【００７９】
第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向車両前方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
【００８０】
第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第１ミラー１２１の反射面１２１ａを凹面形状とすることで、第２ミラー１２２で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。また、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが凹面形状であって、他方の反射面が凸面形状であってもよい。
【００８１】
さらに、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の反射面１２１ａ，１２２ａを凹面形状とすることで、１枚のミラーがもつパワーを分散させることができ、組み立て時の歪曲収差感度を低減することができる。
【００８２】
また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００８３】
また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００８４】
（実施の形態４）
以下、実施の形態４について説明する。上記実施の形態と同様の構成部材については同じ符号を付し、上記実施の形態と同様の構成及び機能については詳細な説明を省略する場合がある。
【００８５】
［４−１．構成］
［４−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成］
図１２は、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための模式図である。このとき、簡単のため図１２は一部が射影図となっている。
【００８６】
図１２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２２０の下側に位置するダッシュボード２１０の内部に配置されている。投射光学系１２０は、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２を有している。表示デバイス１１０の表示面１１１に表示された画像は、第１ミラー１２１を介して反射して、次に第２ミラー１２２を介して反射して、屈折光学系１６０を介して屈折して、さらにウインドシールド２２０を介して反射する。そして、観察者Ｄの視点領域３００に届き、虚像Ｉとして観察者Ｄに視認される。
【００８７】
［４−１−２．投射光学系と表示装置の配置構成］
表示デバイス１１０、第１ミラー１２１、第２ミラー１２２は、それぞれの少なくとも一部が、同一水平面内に配置されている。
【００８８】
また、表示デバイス１１０の表示面１１１は、第１ミラー１２１の方向に向けられている。これにより、表示面１１１（液晶面）を太陽光の暴露から防ぐことができる。また、このとき、表示デバイス１１０の表示面１１１は、表示面１１１から出射する基準光線Ｌｃが表示面１１１に対して傾いた状態となるように配置されていることが望ましい。これにより、外光が筐体１４０の内部に進入して表示デバイス１１０の表示面１１１に反射することにより発生する迷光を、防ぐことができる。
【００８９】
また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映る方向に向けられている。また、第１ミラー１２１の反射面１２１ａは、表示面１１１に表示される画像が第２ミラー１２２に映るように、偏心している。
【００９０】
ここで、第２ミラー１２２の反射領域は、表示面１１１に表示される画像を拡大して虚像Ｉとして表示させるために、第１ミラー１２１の反射領域よりも大きい。反射領域とは入射光を反射させるミラーの領域であり、反射領域が大きくなるほどミラーも大きくなる。
【００９１】
第２ミラー１２２は、筐体１４０の内部において、第１ミラー１２１よりも水平方向車両前方側に配置されている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射する方向に向けられている。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａは、第１ミラー１２１からの反射光がウインドシールド２２０に入射するように、偏心している。
【００９２】
第１ミラー１２１は、反射面１２１ａが凸面形状且つ自由曲面形状のミラーである。また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａが凹面形状且つ自由曲面形状のミラーである。第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、第１ミラー１２１で発生する画像歪み（表示面１１１に表示された画像が非対称に偏心歪曲する画像歪み）を、良好に補正することができる。また、第２ミラー１２２の反射面１２２ａを凹面形状とすることで、観察者Ｄは表示面１１１に表示された画像よりも拡大された虚像Ｉを視認することができる。ただし、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は、どちらか一方の反射面のみが自由曲面形状であって、他方の反射面が平面形状であってもよい。
【００９３】
さらに、第１ミラー１２１の反射面１２１ａを凸面形状とすることで、第２ミラー１２２の凹面パワーを増大させることができ、筐体１４０を小型化することができる。
【００９４】
また、第１ミラー１２１は、反射面１２１ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００９５】
また、第２ミラー１２２は、反射面１２２ａに自由曲面形状を採用している。これは、反射で生じた虚像Ｉの歪みを補正し、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにするためである。
【００９６】
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１〜４を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１〜４で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
【００９７】
（数値実施例）
以下、実施の形態１〜４に係るヘッドアップディスプレイを具体的に実施した数値実施例１〜４を説明する。なお、各数値実施例１〜４において、各表の長さの単位はすべて「ｍｍ」であり、角度の単位はすべて「°」である。また、各数値実施例において、自由曲面は次式で定義している。
【００９８】
【数１】
2016079927.tif 000029
【００９９】
【数２】
2016079927.tif 000030
【０１００】
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である。ｒは面を定義する軸の原点における曲率半径である。ｃは面を定義する軸の原点における曲率である。ｋはコーニック定数であり、多項式係数のＣ１に相当する。Ｃｊ（ｊ＞１）は単項式ｘｍｙｎの係数である。ただし、ｍおよびｎは０以上の整数である。
【０１０１】
図１３は、実施の形態１に係る数値実施例１〜４の座標系を示す図である。各数値実施例１〜４において、基準となる座標原点は、表示面１１１に表示された画像の中心であり、図１３で示すようにＸ，Ｙ，Ｚ軸を定義している。
【０１０２】
さらに、各数値実施例１〜４中の偏心データにおいて、ＡＤＥとは、ミラーをＸ軸を中心にＺ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。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を意味する。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。
【０１０３】
（数値実施例１）
数値実施例１の投射光学系１２０の構成データを表１に、多項式自由曲面の係数を表２に示す。
【０１０４】
【表１】
2016079927.tif 000031
【０１０５】
【表２】
2016079927.tif 000032
【０１０６】
（数値実施例２）
数値実施例２の投射光学系１２０の構成データを表３に、多項式自由曲面の係数を表４に示す。
【０１０７】
【表３】
2016079927.tif 000033
【０１０８】
【表４】
2016079927.tif 000034
【０１０９】
（数値実施例３）
数値実施例３の投射光学系１２０の構成データを表５に、多項式自由曲面の係数を表６に示す。
【０１１０】
【表５】
2016079927.tif 000035
【０１１１】
【表６】
2016079927.tif 000036
【０１１２】
（数値実施例４）
数値実施例４の投射光学系１２０の構成データを表７に、多項式自由曲面の係数を表８に示す。
【０１１３】
【表７】
2016079927.tif 000037
【０１１４】
【表８】
2016079927.tif 000038
【０１１５】
以下の表９に、各数値実施例１〜４における表示面１１１に表示された画像のサイズ、虚像Ｉのサイズ、観察者Ｄの瞳から虚像Ｉまでの距離を示す。
【０１１６】
【表９】
2016079927.tif 000039
【０１１７】
以下の表１０に、各数値実施例１〜４における条件（１）〜（３）の数値を示す。
【０１１８】
【表１０】
2016079927.tif 000040
【０１１９】
以下の表１１に、数値実施例１〜３における第１ミラー１２１のサグ量を示す。ただし、基準交線Ｂｃからの距離は、符号が＋のときが鉛直上側、符号が−のときが鉛直下側を示す。
【０１２０】
【表１１】
2016079927.tif 000041
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本開示にかかるヘッドアップディスプレイは、車載用などのヘッドアップディスプレイといった高画質が要求されるヘッドアップディスプレイに好適である。
【符号の説明】
【０１２２】
１００    ヘッドアップディスプレイ
１１０    表示デバイス
１１１    表示面
１２０    投射光学系
１２１    第１ミラー（第１反射素子）
１２１ａ    第１反射素子の反射面
１２１ｃ    基準交点
１２１ｌ    垂線
１２１ｕ    垂線
１２２    第２ミラー（第２反射素子）
１２２ａ    第２反射素子の反射面
１３０    開口
１３１    開口カバー
１４０    筐体
１５０    遮光壁
１６０    屈折光学系
１７０    基準接平面
１７０ｌ    鉛直方向下側の点
１７０ｕ    鉛直方向上側の点
２００    車両
２１０    ダッシュボード
２２０    ウインドシールド
３００    視点領域
Ｄ    観察者
Ｉ    虚像
Ｂｃ    基準交線
Ｌｃ    基準光線
Ｌｌ    虚像の下端を形成する光線
Ｌｕ    虚像の上端を形成する光線
【手続補正２】
【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】
画像を表示する表示面を有する表示デバイスと、
前記表示面に表示された画像を観察者の視点領域に投射する投射光学系と、を備え、
前記投射光学系は、前記表示面から前記視点領域までの光路の順に、第１反射素子と第２反射素子とを有し、前記第１反射素子と前記第２反射素子の少なくとも一方の反射面は凹面形状を有し、
前記表示面の中心から出射され前記視点領域の中心に到達する光線を基準光線とし、
前記基準光線と前記第１反射素子の反射面との交点を基準交点とし、
前記第１反射素子に入射する前記基準光線と前記第１反射素子で反射した前記基準光線とを含む平面を基準平面とし、
前記第１反射素子の反射面と前記基準平面との交線を基準交線とし、
前記基準交点における前記第１反射素子の反射面に対する接平面を基準接平面とし、
前記基準接平面上において前記基準交点から等距離にある鉛直方向上側の点及び鉛直方向下側の点の２点から、前記第１反射素子の反射面までの、それぞれの高さをサグ量とし、
前記鉛直方向上側の点と前記鉛直方向下側の点の２点から前記基準接平面と垂直になるようにたてた各垂線が、前記基準交線と交差するとき、
前記鉛直方向下側の点におけるサグ量よりも前記鉛直方向上側の点におけるサグ量の方が大きい、
ヘッドアップディスプレイ。
【請求項２】
前記第２反射素子に入射する前記基準光線は、水平且つ前記表示面に向かう方向のベクトル成分を有し、
以下の条件（１）を満足する請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ：
１．７  ＜  ＤＬ１  /  ＤＬ２  ・・・（１）
ここで、
ＤＬ１：表示デバイスと第１反射素子間の基準光線の光路長
ＤＬ２：第１反射素子と第２反射素子間の基準光線の光路長
である。
【請求項３】
車両に搭載され、
前記第１反射素子に入射する前記基準光線は、前記車両における前方方向のベクトル成分を有する、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項４】
前記第２反射素子の反射面は凹面形状を有する、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項５】
前記第２反射素子の反射領域は前記第１反射素子の反射領域よりも大きい、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項６】
前記第２反射素子の反射面は回転非対称な自由曲面形状である、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項７】
前記表示デバイスの前記表示面の少なくとも一部は、前記第２反射素子よりも鉛直方向上側に位置する、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項８】
更に、前記表示面の上端と前記第２反射素子の反射面の車両前方側端部を結ぶ仮想線上に遮光壁を備える、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項９】
以下の条件（２）を満足する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ：
５  ＜  ＩＬ  ＜  ２５  ・・・（２）
ここで、
ＩＬ：表示デバイスから出射する基準光線の出射角［ｄｅｇ］
である。
【請求項１０】
以下の条件（３）を満足する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ：
２５  ＜  Ｉ２  ＜  ４５  ・・・（３）
ここで、
Ｉ２：第２反射素子に入射する基準光線の入射角［ｄｅｇ］
である。
【請求項１１】
前記画像における前記鉛直方向上側の点に入射する画像の位置から前記鉛直方向上側の点までの距離は、前記画像における前記鉛直方向下側の点に入射する画像の位置から前記鉛直方向下側の点までの距離に対して短い、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１２】
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイを備えた、車両。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2016079927.tif 000042
【図２】
2016079927.tif 000043
【図３】
2016079927.tif 000044
【図４】
2016079927.tif 000045
【図５】
2016079927.tif 000046
【図６】
2016079927.tif 000047
【図７】
2016079927.tif 000048
【図８】
2016079927.tif 000049
【図９】
2016079927.tif 000050
【図１０】
2016079927.tif 000051
【図１１】
2016079927.tif 000052
【図１２】
2016079927.tif 000053
【図１３】
2016079927.tif 000054
【国際調査報告】
2016079927.tif 000055
2016079927.tif 000056
2016079927.tif 000057
2016079927.tif 000058