(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示部材に形成される凹面状の投影面に表示画像を投影することにより、予め想定された視認領域から前記表示画像の虚像を視認可能とするヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記投影面に投影される前記表示画像が結像され、当該投影面の湾曲による前記虚像の像面湾曲を補正する凸面状である結像面、を有するスクリーン部材と、
前記結像面にて前記表示画像として結像される光を、前記結像面の斜め下方向から投射する投射器と、
前記スクリーン部材の斜め下方向に位置する自由曲面レンズを有し、前記投射器によって斜め下方向から投射される光の集光する集光位置を、凸面状である前記結像面上に調整する集光位置調整光学系と、を備え、
前記自由曲面レンズは、入射面の鉛直方向の形状を規定する多項式に三次の項を含むことにより、前記入射面の鉛直方向における下半分を前記投射器に向かって凸面状に突出させて、前記結像面の下半分に到達する光の集光位置を前記投射器に近接させると共に、前記入射面の鉛直方向における上半分を前記投射器に対して凹面状に窪ませて、前記結像面の上半分に到達する光の集光位置を前記投射機から離間させることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２】
前記結像面に結像された前記表示画像を拡大しつつ反射させることにより前記投影面に当該表示画像を投影する凹面状の反射面、を有する拡大鏡部、をさらに備え、
前記結像面は、前記投影面の湾曲による像面湾曲と共に前記反射面の湾曲による像面湾曲を補正する凸面状であることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項３】
表示部材に形成される投影面に表示画像を投影することにより、予め想定された視認領域から前記表示画像の虚像を視認可能とするヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記投影面に投影される前記表示画像が結像される結像面、を有するスクリーン部材と、
前記結像面にて前記表示画像として結像される光を、前記結像面の斜め下方向から投射する投射器と、
前記結像面に結像された前記表示画像を拡大しつつ反射させることにより前記投影面に当該表示画像を投影する凹面状の反射面、を有する拡大鏡部と、
前記スクリーン部材の斜め下方向に位置する自由曲面レンズを有し、前記投射器によって斜め下方向から投射される光の集光する集光位置を、凸面状である前記結像面上に調整する集光位置調整光学系と、を備え、
前記結像面は、前記反射面の湾曲による前記虚像の像面湾曲を補正する凸面状であり、
前記自由曲面レンズは、入射面の鉛直方向の形状を規定する多項式に三次の項を含ことにより、前記入射面の鉛直方向における下半分を前記投射器に向かって凸面状に突出させて、前記結像面の下半分に到達する光の集光位置を前記投射器に近接させると共に、前記入射面の鉛直方向における上半分を前記投射器に対して凹面状に窪ませて、前記結像面の上半分に到達する光の集光位置を前記投射機から離間させることを特徴するヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
前記反射面は、前記表示部材に投影される前記表示画像を鉛直方向よりも水平方向に大きく拡大する凹面状であり、
前記結像面は、当該結像面に結像される前記表示画像の鉛直方向及び水平方向のうち水平方向に湾曲することにより、当該水平方向の像面湾曲を補正する凸面状であることを特徴とする請求項２又は３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項５】
前記投射器は、投射するレーザ光によって前記結像面を走査することにより当該結像面に前記表示画像を結像させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項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】
本発明は、ウィンドシールド等の表示部材に表示画像を投影することにより、当該表示画像の虚像を視認可能とするヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ヘッドアップディスプレイ装置では、ウィンドシールド等を含めた光学系にて生じる収差が、虚像として表示される画像に歪みを生じさせることが知られている。このような光学系における収差の一つが、像面歪曲による収差である。像面歪曲によって生じる虚像の二次元的な歪みを低減する技術として、例えば特許文献１〜３に開示の装置及びシステムが知られている。
【０００３】
特許文献１に開示のホログラフィック表示システムは、表示虚像の光を投射する発光表示手段、及び発光表示手段による光が投影される反射型ホログラムを備えている。発光表示手段によって投射される表示像の形状は、反射型ホログラムにて生じる歪みを補正するよう、予め歪められている。故に、表示虚像の二次元的な歪みの抑制が可能となる。
【０００４】
また、特許文献２に開示のホログラフィック表示装置は、表示像となる光を投射する表示体及び光源と、当該表示体による光が投影されるホログラムコンバイナとを備えている。表示体によって投射される表示像の形状は、ホログラムコンバイナにて生じる歪みを補正するよう、予め歪められている。故に、表示像の二次元的な歪みの抑制が可能となる。
【０００５】
さらに、特許文献３に開示の表示装置は、画像の光を投射する画像表示面、及び画像表示面からの光が投影されるハーフミラーを備えている。画像表示面から投射される画像は、ハームミラーにて生じる歪みを補正するよう、予め歪められている。故に、虚像の二次元的な歪みの抑制が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２５７２２５号公報
【特許文献２】特開平１０−１４９０８５号公報
【特許文献３】特開平１１−３０７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
さて、近年では例えば特許文献３のように、視認者前方に位置する凹面状のウィンドシールド等に表示画像を投影するヘッドアップディスプレイ装置が、一般的となっている。このようなヘッドアップディスプレイ装置では、上述した二次元的な像面歪曲による収差に加えて、三次元的な像面湾曲による収差が生じることとなる。すると、視認者に視認される表示画像の虚像は、中央部分から辺縁部分に向かうに従い、視認者の視認領域に近づく形状となってしまうのである。
【０００８】
ここで、特許文献３等に開示の構成において表示画像を表示する画像表示面は、平面状に形成されている。加えて、このような画像表示面の形状を変更することは、一般に困難である。故に、画像表示面からウィンドシールドまでの光路距離の調整、ひいては虚像の結像位置の調整は、困難となる。よって、虚像の三次元的な歪みは、低減され得ない。虚像に三次元的な歪みのある場合、視認領域内において当該視認者が視点の位置を移動させると、表示画像の虚像には、形状の変化及び位置の変化が生じる。したがって、虚像として表示される表示画像の表示品質が、不十分となり得た。
【０００９】
本願発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、虚像として表示される表示画像の表示品質の向上可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、表示部材に形成される凹面状の投影面に表示画像を投影することにより、予め想定された視認領域から表示画像の虚像を視認可能とするヘッドアップディスプレイ装置であって、投影面に投影される表示画像が結像され、投影面の湾曲による虚像の像面湾曲を補正する凸面状である結像面、を有するスクリーン部材と、結像面にて表示画像として結像される光を、結像面の斜め下方向から投射する投射器と、スクリーン部材の斜め下方向に位置する自由曲面レンズを有し、投射器によって斜め下方向から投射される光の集光する集光位置を、凸面状である結像面上に調整する集光位置調整光学系と、を備え、自由曲面レンズは、入射面の鉛直方向の形状を規定する多項式に三次の項を含むことにより、入射面の鉛直方向における下半分を投射器に向かって凸面状に突出させて、結像面の下半分に到達する光の集光位置を投射器に近接させると共に、入射面の鉛直方向における上半分を投射器に対して凹面状に窪ませて、結像面の上半分に到達する光の集光位置を投射機から離間させることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、表示部材に形成される投影面に表示画像を投影することにより、予め想定された視認領域から表示画像の虚像を視認可能とするヘッドアップディスプレイ装置であって、投影面に投影される表示画像が結像される結像面、を有するスクリーン部材と、結像面にて表示画像として結像される光を、結像面の斜め下方向から投射する投射器と、結像面に結像された表示画像を拡大しつつ反射させることにより投影面に当該表示画像を投影する凹面状の反射面、を有する拡大鏡部と、スクリーン部材の斜め下方向に位置する自由曲面レンズを有し、投射器によって斜め下方向から投射される光の集光する集光位置を、凸面状である結像面上に調整する集光位置調整光学系と、を備え、結像面は、反射面の湾曲による虚像の像面湾曲を補正する凸面状であり、自由曲面レンズは、入射面の鉛直方向の形状を規定する多項式に三次の項を含むことにより、入射面の鉛直方向における下半分を投射器に向かって凸面状に突出させて、結像面の下半分に到達する光の集光位置を投射器に近接させると共に、入射面の鉛直方向における上半分を投射器に対して凹面状に窪ませて、結像面の上半分に到達する光の集光位置を投射機から離間させることを特徴とする。
【００１２】
これらの発明では、スクリーン部材の有する結像面が、像面湾曲を補正する凸面状に形成されている。故に、投射器によって投射される光の進行方向に沿った結像面から投影面までの光路距離は、表示画像の中央部分から辺縁部分に向かうに従い、遠くなり得る。以上により、凸面状の結像面は、表示画像の虚像において辺縁部分を中央部分よりも遠くに結像させる結像位置の調整作用を発揮する。一方、投影面の湾曲又は反射面の湾曲に起因する像面湾曲により、表示画像の虚像は、中央部分から辺縁部分に向かうに従い、視認領域に近づく形状となる。この虚像の三次元的な歪みは、上述の結像面による調整作用によって低減され得る。故に、視認領域内において視認者が視点の位置を移動させたとしても、視認者によって視認される表示画像の虚像における形状の変化及び位置の変化は、共に抑制される。したがって、虚像として表示される表示画像の表示品質の向上が、実現可能となる。
【００１３】
ここで、投射器によって投射される光の集光する集光位置は、当該投射器を中心とした同心球面上となる。故に、凸面状の結像面の中央部分に表示画像の光が集光するよう集光位置を規定した場合には、結像面の辺縁部分において集光位置が結像面上からずれることとなる。一方で、結像面の辺縁部分に表示画像の光が集光するよう集光位置を規定した場合には、結像面の中央部分において集光位置が結像面上からずれることとなる。以上により、結像面に結像される表示画像は、不鮮明になるおそれがあった。
【００１５】
そこで、請求項１及び請求項３に記載の発明では、集光位置調整光学系が、投射器によって投射される光の集光する集光位置を、結像面上に調整する。故に、表示画像は、結像面の全域に亘って当該結像面にて鮮明に結像され得る。以上により、視認者によって視認される表示画像の虚像も、鮮明になり得る。このような集光位置調整光学系の作用発揮によれば、虚像の三次元的な歪みを低減するために結像面を凸面状とした場合でも、虚像の鮮明さは失われ難い。したがって、表示画像の表示品質を向上させる確実性を高めることが可能となる。
【００１６】
請求項２に記載の発明では、ヘッドアップディスプレイ装置は、結像面に結像された表示画像を拡大しつつ反射させることにより投影面に当該表示画像を投影する凹面状の反射面、を有する拡大鏡部、をさらに備え、結像面は、投影面の湾曲による像面湾曲と共に反射面の湾曲による像面湾曲を補正する凸面状であることを特徴する。
【００１７】
この発明によれば、拡大鏡部の有する凹面状の反射面によって表示画像が拡大される形態では、表示画像の虚像に生じる像面湾曲による三次元的な歪みも、拡大されてしまう。そこで、結像面が、投影面の像面湾曲と共に反射面の湾曲による像面湾曲を補正する凸面状にされる。このような結像面は、拡大された虚像の拡大された三次元的な歪みであっても、調整作用の発揮によって低減し得る。
【００１８】
加えて、凹面状の反射面によって表示画像が拡大される請求項３に記載の発明でも、結像面は、拡大された虚像の拡大された三次元的な歪みを、調整作用の発揮によって低減し得る。以上により、これら請求項２及び請求項３の発明では、視認者に視認され易いように拡大されたうえで形状変化及び位置変化の抑制された表示画像の虚像が、視認可能となり得る。したがって、表示画像の表示品質は、さらに向上可能となる。
【００１９】
請求項４に記載の発明では、反射面は、表示部材に投影される表示画像を鉛直方向よりも水平方向に大きく拡大する凹面状であり、結像面は、当該結像面に結像される表示画像の鉛直方向及び水平方向のうち水平方向に湾曲することにより、当該水平方向の像面湾曲を補正する凸面状であることを特徴とする。
【００２０】
一般に、視認者の視点移動が鉛直方向よりも水平方向に容易であることにより、表示画像は、鉛直方向よりも水平方向に大きくされる。このような表示画像を実現するために、拡大鏡部の反射面は、表示画像を鉛直方向よりも水平方向に大きく拡大する凹面状とされる。この形態では、大きく拡大される水平方向の像面湾曲による歪みが、視認者に視認される虚像において顕著となる。
【００２１】
そこで、結像面は、当該結像面に結像された表示画像の水平方向に湾曲する凸面状とされる。故に、結像面の調整作用は、拡大鏡部による拡大によって顕著になる表示画像の水平方向の歪みを効果的に低減し得る。加えて、鉛直方向及び水平方向のうち水平方向に湾曲する簡素な形状の結像面は形成容易であるので、当該結像面を有するスクリーン部材の獲得が確実なものとなり得る。したがって、表示画像の表示品質向上の実現性を高めることが可能となる。
【００２２】
請求項５に記載の発明では、投射器は、投射するレーザ光によって結像面を走査することにより当該結像面に表示画像を結像させることを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、出力の高いレーザ光の走査によって結像面に結像される表示画像は、高いコントラストを備える。このような表示画像を投影することにより視認可能となる虚像は、高いコントラストを有するので、高い視認性を獲得し得る。このような高い視認性を有し且つ歪みの低減された虚像を視認可能とするヘッドアップディスプレイ装置は、優れた表示品質を獲得できる。
【００２４】
加えて、請求項１及び請求項３に記載の構成と組み合わされることにより、結像面に結像される表示画像は、集光位置調整光学系の作用によって、さらに鮮明なものとなり得る。故に、表示画像の虚像は、歪みが低減されたうえでさらに視認容易なものとなる。したがって、レーザ光の走査によって表示画像を結像させる投射器は、集光位置調整光学系と組み合わされることにより、表示画像の表示品質向上に顕著に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置の車両における配置を説明するための図である。
【図２】レーザスキャナの構成及び作動を詳しく説明するための図である。
【図３】ヘッドアップディスプレイ装置の各構成の配置を詳しく説明するための図である。
【図４】本発明の一実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置の特徴部分である凸面状の結像面の作用を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置の特徴部分である自由曲面レンズの作用を説明するための図である。
【図６】凸面状の結像面が虚像に与える効果を説明するための図であって、（ａ）は、結像面に結像される表示画像の形状を示し、（ｂ）は、結像面が平面状である場合の虚像の形状を示し、（ｃ）は、アイポイントを右方向に移動させた視認者によって視認される（ｂ）の虚像の形状を示し、（ｄ）は、結像面が凸面状である場合の虚像の形状を示し、（ｅ）は、アイポイントを右方向に移動させた視認者によって視認される（ｄ）の虚像の形状を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
（基本構成）
本発明の一実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置１００は、例えば車両のインスツルメントパネル内に収容されている。ヘッドアップディスプレイ装置１００は、車両のウィンドシールド９０等の表示部材に表示画像７１を投影することにより、予め想定されたアイボックス６０から表示画像７１の虚像７０を視認可能とする。ウィンドシールド９０の車室側の面に形成され、ヘッドアップディスプレイ装置１００によって表示画像７１の投影される投影面９１は、凹面状に湾曲している。投影面９１に投影された表示画像７１の光は、当該投影面９１によってアイボックス６０に向けて反射して、視認者のアイポイント６１に到達する。この表示画像７１の光を知覚する視認者は、ウィンドシールド９０の前方に結像された当該表示画像７１の虚像７０を視認できる。
【００２８】
投影面９１に投影される表示画像７１は、車両の鉛直方向よりも水平方向に大きい横長の画像である。これは一般に、視認者のアイポイント６１が鉛直方向よりも水平方向に容易であることによる。表示画像７１には、例えば、ヘッドアップディスプレイ装置１００の搭載されている車両の走行速度、ナビゲーションシステムによる進行方向の指示、及び車両のウォーニング等を示す画像部が含まれている。
【００２９】
まず、ヘッドアップディスプレイ装置１００の構成を、図１及び図２に基づいて説明する。ヘッドアップディスプレイ装置１００は、レーザスキャナ１０、スクリーン３０、及び凹面鏡４０を備えている。尚、以下の説明では、視認者に視認される虚像７０の水平方向をｘ軸方向、鉛直方向をｙ軸方向とする。そして、各構成において投射、結像、及び投影される表示画像７１のｘ軸方向を各構成における水平方向とし、ｙ軸方向を各構成における鉛直方向とする。
【００３０】
レーザスキャナ１０は、光源部１３、光学部２０、微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems；ＭＥＭＳ）ミラー２６、及びコントローラ１１を有している。
【００３１】
光源部１３は、三つのレーザ投射部１４，１５，１６等によって構成されている。各レーザ投射部１４，１５，１６は、互いに異なる周波数、即ち異なる色相のレーザ光を投射する。具体的には、レーザ投射部１４は、赤色のレーザ光を投射する。レーザ投射部１５は、青色のレーザ光を投射する。レーザ投射部１６は、緑色のレーザ光を投射する。以上のように、異なる色相のレーザ光を加色混合することにより、種々の色が再現可能とされている。各レーザ投射部１４，１５，１６は、コントローラ１１と接続されている。各レーザ投射部１４，１５，１６は、コントローラ１１からの制御信号に基づいて、各色相のレーザ光を投射する。
【００３２】
光学部２０は、三つのコリメートレンズ２１、ダイクロイックフィルタ２２，２３，２４、及び集光レンズ２５等によって構成されている。各コリメートレンズ２１は、各レーザ投射部１４，１５，１６のレーザ光の投射方向に、それぞれ配置されている。コリメートレンズ２１は、レーザ光を屈折させることにより、平行光を生成する。
【００３３】
各ダイクロイックフィルタ２２，２３，２４は、各コリメートレンズ２１を挟んで各レーザ投射部１４，１５，１６の投射方向に、それぞれ配置されている。ダイクロイックフィルタ２２，２３，２４は、特定の周波数の光を反射させ、それ以外の周波数の光を透過させる。具体的には、レーザ投射部１４の投射方向に配置されるダイクロイックフィルタ２２は、赤色を示す周波数の光を反射させ、それ以外の周波数の光を透過させる。レーザ投射部１５の投射方向に配置されるダイクロイックフィルタ２３は、青色を示す周波数の光を反射させ、それ以外の周波数の光を透過させる。レーザ投射部１６の投射方向に配置されるダイクロイックフィルタ２４は、緑色を示す周波数の光を反射させ、それ以外の周波数の光を透過させる。各ダイクロイックフィルタ２２，２３，２４は、集光レンズ２５に向けてレーザ光を反射させる。
【００３４】
集光レンズ２５は、平面状の入射面及び凸面状の出射面を有する平凸レンズである。集光レンズ２５は、入射面に入射するレーザ光を屈折させることにより、収束させる。これにより集光レンズ２５を通過したレーザ光は、スクリーン３０の後述する結像面３１にて集光する。
【００３５】
ＭＥＭＳミラー２６は、コントローラ１１と接続されており、全体として矩形板状を呈している。ＭＥＭＳミラー２６は、外枠部２９、内枠部２８、及びミラー部２７等によって構成されている。
【００３６】
外枠部２９は、内枠部２８及びミラー部２７の外周側を囲む矩形の枠状である。外枠部２９は、レーザスキャナ１０の筐体（図示しない）等によって固定されている。内枠部２８は、外枠部２９の内周側に配置されており、矩形の枠状に形成されている。内枠部２８は、鉛直方向に延伸する低速軸２８ａによって外枠部２９に支持されている。内枠部２８は、低速軸２８ａまわりに回転変位可能である。外枠部２９と内枠部２８との間には、低速軸２８ａまわりに内枠部２８を回転変位させる電極群（図示しない）が設けられている。
【００３７】
ミラー部２７は、内枠部２８の内周側に配置されており、円盤状に形成されている。ミラー部２７の光学部２０と対向する表面には、高効率での光の反射を実現するために、アルミニウム等を蒸着させた金属薄膜が形成されている。ミラー部２７は、水平方向に延伸する高速軸２７ａによって内枠部２８に支持されている。ミラー部２７は、高速軸２７ａまわりに回転変位可能である。内枠部２８とミラー部２７との間には、高速軸２７ａまわりにミラー部２７を回転変位させる電極群（図示しない）が設けられている。以上の構成によるＭＥＭＳミラー２６は、コントローラ１１によって出力される駆動信号に基づいて、外枠部２９及び内枠部２８間の電極群並びに内枠部２８及びミラー部２７間の電極群を各々作動させる。これによりミラー部２７の向きは、鉛直方向（図２  矢印ＶＳ参照）及び水平方向（図２  矢印ＨＳ参照）に調整可能となる。
【００３８】
コントローラ１１は、プロセッサ等によって構成される制御装置であって、各レーザ投射部１４，１５，１６及びＭＥＭＳミラー２６と接続されている。コントローラ１１は、各レーザ投射部１４，１５，１６に制御信号を出力することにより、レーザ光を断続的にパルス点灯させる。加えてコントローラ１１は、ＭＥＭＳミラー２６に駆動信号を出力することにより、ミラー部２７によって反射されるレーザ光の方向を、図２に示される走査線ＳＬのように制御する。
【００３９】
レーザスキャナ１０は、上述したコントローラ１１の制御により、スクリーン３０の後述する結像面３１にて表示画像７１として結像される光を投射する。具体的には、投射されるレーザ光による点状の発光の走査により、当該点状の発光を一つの画素として組み立てられる表示画像７１が、スクリーン３０の結像面３１に描画される。このようなレーザスキャナ１０の走査によって描画される表示画像７１は、例えば、毎秒６０フレームの画像であって、水平（ｘ軸）方向及び鉛直（ｙ軸）方向にそれぞれ４８０画素及び２４０画素を有する画像である。
【００４０】
スクリーン３０は、ガラス等の基材の表面にアルミニウム等を蒸着させることにより形成される反射型のスクリーンである。スクリーン３０は、車両の鉛直方向においてレーザスキャナ１０の上方に配置されている（図３参照）。スクリーン３０は、結像面３１を有している。結像面３１は、スクリーン３０に蒸着されたアルミニウム等による金属薄膜によって、形成されている。結像面３１には、レーザスキャナ１０からｙｚ面（図３参照）に沿ってレーザ光が投射されることにより、表示画像７１が結像される。結像面３１には、レーザ光を拡散するための微小な凹凸が形成されている。結像面３１は、表示画像７１を形成するレーザ光であって当該結像面３１に入射するレーザ光を、拡散させつつ凹面鏡４０に向けて反射させる。
【００４１】
凹面鏡４０は、ガラス等の基材の表面にアルミニウム等を蒸着させることにより、形成されている。凹面鏡４０は、スクリーン３０の結像面３１によって反射されたレーザ光をウィンドシールド９０の投影面９１に反射させる反射面４１を有している。反射面４１は、中央部分が結像面３１及び投影面９１から遠ざかる方向に凹む凹面状であって、滑らかに形成されている。反射面４１は、結像面３１によって反射された表示画像７１を拡大しつつ反射させることにより、投影面９１に当該表示画像７１を投影する。この反射面４１の湾曲による表示画像７１の拡大率は、当該表示画像７１の水平方向と鉛直方向とで異なっている。具体的には、反射面４１では、表示画像７１を鉛直方向よりも水平方向に大きく拡大するよう、水平方向の湾曲が鉛直方向の湾曲よりも大きくされている。
【００４２】
（特徴部分）
次に、本発明の一実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置１００の特徴部分について説明する。図１及び図３に示されるように、スクリーン３０の結像面３１は、凸面状に形成されている。加えて、レーザスキャナ１０とスクリーン３０との間には、自由曲面レンズ５０が設けられている。以下、図３〜図６に基づいて、結像面３１及び自由曲面レンズ５０について詳細に説明する。
【００４３】
図３及び図４に示されるように、スクリーン３０の結像面３１は、当該結像面３１に結像される表示画像７１の鉛直方向及び水平方向のうち、水平方向に湾曲している。具体的には、辺縁部分３３から中央部分３２に向かうほど、レーザ光の進行（ｚ軸）方向において凹面鏡４０の反射面４１、ひいては投影面９１に近接する凸面状である。この結像面３１の形状は、反射面４１の湾曲及び投影面９１の湾曲（図４では図示を省略）による虚像７０の像面湾曲を補正するものである。
【００４４】
ここで、像面湾曲による虚像７０の三次元的な歪みについて詳細に説明する。結像面３１によって反射されたレーザ光は、湾曲した反射面４１及び投影面９１によってさらに反射される。この反射によって、結像される虚像７０には像面湾曲による収差が生じる。具体的には、図４に示されるように、結像面３１の辺縁部分３３によって反射されるレーザ光は、結像面３１の中央部分３２によって反射されるレーザ光よりも、ウィンドシールド９０に近い位置で結像する。故に、結像面が平坦である場合に、視認者に視認される表示画像７１の虚像７０は、中央部分７０ａから辺縁部分７０ｂに向かうに従い、アイボックス６０（図１参照）に近づく形状となる（図４  二点鎖線参照）。
【００４５】
そこで、結像面３１は、虚像７０の像面湾曲を補正する凸面状に形成される。この結像面３１の形状によって、レーザ光の進行方向に沿った結像面３１から投影面９１までの光路距離は、結像面３１の中央部分３２から辺縁部分３３に向かうに従い、遠くなる。故に、結像面３１は、結像された虚像７０の辺縁部分７０ｂを中央部分７０ａよりも遠くに結像させる結像位置の調整作用を発揮する。このような調整作用により、像面湾曲によって投影面９１に近接した虚像７０の辺縁部分７０ｂは、当該投影面９１から遠ざけられる。以上により、虚像７０の三次元的な歪みは、低減される。
【００４６】
以上の結像面３１が虚像７０に与える効果を、表１に示される仕様での具体的なシミュレーション結果に基づいて、さらに詳細に説明する。表１には、凸面状の結像面３１を備える仕様が示されている。この表１に示される結像面３１は、水平（ｘ軸）方向に二次の項を有している。故に、結像面３１は、水平方向に放物線状に湾曲した形状である。また、表２には、平面状の結像面を備える仕様が示されている。そして、表１及び表２の各仕様において、アイボックス６０内のアイポイント６１から視認される虚像７０のレーザ光のスポット径を、表３にて比較する。尚、スポット径とは、進行方向と直交する面におけるレーザ光の直径である。このスポット径が小さくなるほど、虚像７０は、アイポイント６１の位置変化に伴って動き難く、且つ鮮明となる。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
【表２】
0005370427.tif 000003
【００４９】
【表３】
0005370427.tif 000004
【００５０】
表３に示されるように、凸面状の結像面３１を用いることにより、虚像７０の中央部分７０ａのスポット径が小さくなる。加えて、虚像７０の全体における最大のスポット径も小さくなる。故に、虚像７０は、アイポイント６１の移動に伴って動き難く、且つ鮮明となる。
【００５１】
次に、自由曲面レンズ５０の作用を説明する。レーザスキャナ１０によって投射されるレーザ光の集光する集光位置は、図５に示されるように当該スキャナ１０を中心とした同心球面ＳＦ（図５  破線参照）上となる。故に、水平方向の走査（図５  矢印ＨＳ参照）が行われた際のレーザ光の集光位置は、凸面状である結像面３１の形状によって、当該結像面３１上から顕著にずれる。具体的に、結像面３１の中央部分３２に合わせて集光位置を規定した場合には、辺縁部分３３の集光位置は、結像面３１よりもレーザスキャナ１０側にずれることとなる（図５  矢印Ｇ１参照）。一方で、結像面３１の辺縁部分３３に合わせて集光位置を規定した場合には、中央部分３２の集光位置は、結像面３１よりもレーザスキャナ１０とは反対側にずれることとなる（図５  矢印Ｇ２参照）。以上により、結像面３１に結像される表示画像７１は、不鮮明になるおそれがある。
【００５２】
そこで、レーザスキャナ１０と結像面３１との間に自由曲面レンズ５０が設けられている。自由曲面レンズ５０は、レーザ光の進行方向においてレーザスキャナ１０と対向する自由曲面状の入射面５１と、平面状の出射面５２とを有するレンズであって、光学用のガラスによって形成されている。自由曲面レンズ５０は、レーザスキャナ１０によって投射されるレーザ光の集光する集光位置を結像面３１上に調整する。具体的に、自由曲面レンズ５０の入射面５１は、水平方向において凹形状に形成されている。故に、結像面３１の水平方向における辺縁部分３３にて表示画像７１を描画するレーザ光の集光位置は、レーザスキャナ１０から遠ざかる。以上により、結像面３１の中央部分３２に合わせて集光位置を規定した場合でも、表示画像７１の辺縁部分の集光位置は、結像面３１上に位置し得る。このような自由曲面レンズ５０の作用によって、レーザ光の集光位置は、結像面３１の全域に亘って結像面３１上に位置する。故に、表示画像７１は、結像面３１の全域に亘って鮮明に結像される。したがって、視認者によって視認される表示画像７１の虚像７０（図４参照）も、全体に亘って鮮明な像となる。
【００５３】
以上の自由曲面レンズ５０が虚像７０に与える効果を、表４に示される仕様での具体的なシミュレーション結果に基づいて、さらに詳細に説明する。表４には、自由曲面レンズ５０を備える仕様が示されている。この表４に示される自由曲面レンズ５０の入射面５１は、水平（ｘ軸）方向において二次及び四次の項を有している。加えて、入射面５１は、鉛直（ｙ軸）方向において二次、三次、及び四次の項を有している。
【００５４】
【表４】
0005370427.tif 000005
【００５５】
表４に示される自由曲面レンズ５０において、水平方向の偶数次の項により、自由曲面レンズ５０は、水平方向において凹形状に形成されている。レーザ光の集光位置は、湾曲する結像面３１上に調整される。さらに、自由曲面レンズ５０に奇数次である三次の項が含まれることにより、入射面５１の鉛直方向における下半分は、レーザスキャナ１０に向かって凸面状に突出する。一方で、入射面５１の鉛直方向における上半分は、レーザスキャナ１０に対して凹面状に窪む。このような入射面５１の形状によれば、入射面５１の下半分を通過して、結像面３１の下半分に到達するレーザ光は、自由曲面レンズ５０の省略された形態と比較して、レーザスキャナ１０に近接する位置にて集光される。一方で、入射面５１の上半分を通過して、結像面３１の上半分に到達するレーザ光は、自由曲面レンズ５０の省略された形態と比較して、レーザスキャナ１０から離間する位置にて集光される。
【００５６】
ここで、本実施形態では、レーザスキャナ１０がスクリーン３０の下方に配置されているので、レーザスキャナ１０からスクリーン３０までの距離は、鉛直方向に沿って上方に向かうに従い、拡大する。故に、上述の自由曲面レンズ５０によって集光位置が調整されることによれば、ｙｚ面に沿って下方からレーザ光が投射される形態であっても、レーザ光の集光位置は、結像面３１の全域に亘って当該結像面３１上に調整され得る。このような作用を発揮する自由曲面レンズ５０が設けられた場合と、省略された場合との比較を、表５に示す。
【００５７】
【表５】
0005370427.tif 000006
【００５８】
この表５に示されるように、レーザスキャナ１０とスクリーン３０との間に自由曲面レンズ５０が設けられることにより、虚像７０の中央部分７０ａにおけるスポット径は、わずかに大きくなる。しかし、虚像７０の全体にいて最大となるスポット径は、小さくなる。故に、虚像７０は、アイポイント６１の移動に伴って動き難く、且つ全体に亘って鮮明となる。
【００５９】
ここまで説明した本実施形態において、アイボックス６０内で視認者がアイポイント６１を移動させた場合の虚像７０の変化を、図６に基づいて説明する。図６（ａ）は、結像面３１に結像される表示画像７１の形状を示している。結像面が平面状である場合、視認者によって視認される虚像７０は、図６（ｂ）に示される形状となる。この虚像７０は、水平方向に湾曲した形状となっている（図１及び図４の二点鎖線による虚像７０参照）。故に、視認者がアイポイント６１を例えば右方向に移動させた場合には、虚像７０は、図６（ｃ）に示される形状となる。具体的には、虚像７０の右半分が水平方向に圧縮される一方で、虚像７０の左半分は、水平方向に拡大される。加えて、虚像７０が湾曲しているので、当該虚像７０とアイポイント６１との間の間隔は、当該アイポイント６１の水平方向の動きによって変化する。故に、視認者がアイポイント６１を移動させると、虚像７０は、視認者に近づく。以上のように、虚像７０の形状及び位置は、アイポイント６１の移動によって大きく変化する。
【００６０】
対して、図６（ｄ）に示されるのは、凸面状の結像面３１による虚像７０である。図６（ｄ）に示される虚像７０では、水平方向の湾曲が低減されている（図１及び図４の実線による虚像７０参照）。この形態において、視認者がアイポイント６１を右方向に移動させた場合には、虚像７０は、図６（ｅ）に示される形状となる。図６（ｅ）に示される虚像７０では、水平方向における右半分の圧縮及び左半分の拡大は、図６（ｃ）に示される虚像７０よりも低減されている。加えて、虚像７０の湾曲が低減されているので、当該虚像７０とアイポイント６１との間の間隔は、当該アイポイント６１の水平方向の動きによっては変化し難い。
【００６１】
以上の説明のように、本実施形態では、アイボックス６０内において視認者がアイポイント６１を移動させたとしても、視認者によって視認される虚像７０の形状の変化及び位置の変化は、共に抑制される。したがって、虚像７０として表示される表示画像７１の表示品質の向上が、実現可能となる。
【００６２】
加えて、虚像７０の三次元的な歪みを低減するために結像面３１を凸面状とした本実施形態であっても、自由曲面レンズ５０が集光位置を調整する作用を発揮することにより、虚像７０の鮮明さは失われ難い。したがって、表示画像７１の表示品質を向上させる確実性を高めることが可能となる。
【００６３】
また本実施形態のように、凹面鏡４０によって表示画像７１が拡大される形態では、虚像７０に生じる像面湾曲による三次元的な歪みも、拡大されてしまう。しかし、結像面３１は、拡大された虚像７０の拡大された三次元的な歪みを、調整作用の発揮によって低減し得る。故に、視認者に視認され易いように拡大されたうえで形状変化及び位置変化の抑制された虚像７０が、視認可能となる。したがって、表示画像７１の表示品質は、さらに向上可能となる。
【００６４】
さらに本実施形態では、凹面鏡４０の反射面４１は、表示画像７１を鉛直方向よりも水平方向に大きく拡大する。この形態では、大きく拡大される水平方向の像面湾曲による歪みが、虚像７０において顕著となる。そこで、結像面３１は、水平方向に湾曲する凸面状とされる。故に、結像面３１の調整作用は、顕著になる表示画像７１の水平方向の歪みを効果的に低減し得る。加えて、水平方向に湾曲する簡素な形状の結像面３１は形成容易であるので、スクリーン３０の獲得が確実なものとなる。したがって、表示画像７１の表示品質向上の実現性を高めることが可能となる。
【００６５】
また加えて本実施形態によれば、出力の高いレーザ光の走査によって結像面３１に結像される表示画像７１は、高いコントラストを備える。故に、虚像７０は、高い視認性を獲得できる。このように高い視認性を有し且つ歪みの低減された虚像７０を視認可能とするヘッドアップディスプレイ装置１００は、優れた表示品質を獲得できる。
【００６６】
さらに加えて本実施形態では、レーザスキャナ１０に自由曲面レンズ５０が組み合わされることにより、結像面３１に結像される表示画像７１は、当該自由曲面レンズ５０の集光位置調整作用によってさらに鮮明なものとなる。故に、表示画像７１の虚像７０は、歪みが低減されたうえでさらに視認容易なものとなる。したがって、レーザスキャナ１０は、自由曲面レンズ５０と組み合わされることにより、表示画像７１の表示品質向上に顕著に貢献できる。
【００６７】
さらに加えて本実施形態では、自由曲面レンズ５０の入射面５１及び出射面５２のうち、主に入射面５１が、レーザ光の集光位置を調整する作用を発揮する。入射面５１を曲面状とすることにより、入射面５１に入射するレーザ光の入射角度は、直角に近い角度となる。故に、レーザ光が自由曲面レンズ５０を通過する際に生じる色収差が、低減可能となる。
【００６８】
さらに、反射型のスクリーン３０を用いることにより、レーザ光の光路の一部は、ヘッドアップディスプレイ装置１００の内部にて折り返すように配置され得る。故に、光路の距離を確保しつつ、インスツルメントパネル内に収容可能なようにヘッドアップディスプレイ装置１００を小型化することが、可能となる。
【００６９】
尚、本実施形態において、レーザスキャナ１０が特許請求の範囲に記載の「投影器」に相当し、スクリーン３０が特許請求の範囲に記載の「スクリーン部材」に相当し、凹面鏡４０が特許請求の範囲に記載の「拡大鏡部」に相当し、自由曲面レンズ５０が特許請求の範囲に記載の「集光位置調整光学系」に相当し、アイボックス６０が特許請求の範囲に記載の「視認領域」に相当し、ウィンドシールド９０が特許請求の範囲に記載の「表示部材」に相当する。
【００７０】
（他の実施形態）
以上、本発明による一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明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。
【００７１】
上記実施形態では、ヘッドアップディスプレイ装置１００によって表示画像７１の投影される「表示部材」として、ウィンドシールド９０が用いられていた。しかし、投影面の形成される「表示部材」は、ウィンドシールド９０に限定されない。例えば、「表示部材」は、ウィンドシールド９０の車内側の表面に貼りつけられた透光性の材料よりなるコンバイナ等であってもよい。
【００７２】
さらに、コンバイナは、ウィンドシールド９０と別体で設けられていてもよい。このようなコンバイナが「表示部材」として用いられる形態では、「拡大鏡部」に相当する凹面鏡等は、省略されていてもよい。コンバイナの有する投影面が凹面状に湾曲していれば、運転者に視認される虚像は、結像面に結像された表示画像よりも拡大されたものとなる。故に、「拡大鏡部」の省略が可能となるのである。
【００７３】
又は、ウィンドシールドとは別体のコンバイナが「表示部材」として用いられる形態では、当該コンバイナは、平面状に形成されていてもよい。「拡大鏡部」によって所望の拡大率が獲得可能であれば、投影面の湾曲による拡大作用は、得られなくてもよくなる。故に、平面状の投影面に表示画像を投影する形態が、可能となるのである。
【００７４】
上記実施形態では、反射面４１の湾曲及びの投影面９１の湾曲によって、鉛直方向よりも水平方向に拡大された表示画像７１の虚像７０が、運転者に視認可能とされていた。故に、結像面３１は、画角を要する水平方向における虚像７０の歪みを効果的に抑制するように、水平方向にのみ湾曲する形状であった。しかし、水平方向及び鉛直方向における拡大率は、適宜変更されてよい。よって、鉛直方向における画角が必要な場合には、結像面は、水平方向に加えて鉛直方向にも湾曲する形状であってよい。具体的には、結像面の形状を規定する多項式（表１参照）は、ｙの偶数次（例えば二次）の項を含むことが望ましい。
【００７５】
上記実施形態では、反射型のスクリーン３０が用いられていた。しかし、スクリーンは、凸面状に形成可能であれば、反射型のものに限定されない。例えば、透光性の材料によって形成された透過型のスクリーンが用いられてもよい。この形態では、レーザスキャナは、凸面状に形成された結像面の反対側であって、スクリーンを挟んで凹面鏡とは反対側から、表示画像を結像させるためのレーザ光を投射する。
【００７６】
上記実施形態では、スクリーン３０の結像面３１は、二次の項を含む放物線状の曲面であった。しかし、ウィンドシールドの形状、ひいては投影面の形状は、ヘッドアップディスプレイ装置の搭載される車種によって、様々である。故に、ウィンドシールド及び投影面が車両の鉛直方向に対して傾斜して設けられている場合には、結像面の形状を規定する多項式（表１参照）は、投影面の傾斜を補正するように、ｙの奇数次（例えば三次）の項を含むことが望ましい。
【００７７】
上記実施形態では、レーザスキャナ１０とスクリーン３０との間に設けられた自由曲面レンズ５０が、「集光位置調整光学系」であった。しかし、自由曲面レンズ５０に代えて自由曲面ミラーが、「集光位置調整光学系」として設けられていてもよい。ミラーを用いる形態では、集光位置の調整に際してレーザ光に生じる色収差の抑制が可能となる。又は、複数のレンズ及びミラー等によって、「集光位置調整光学系」が構成されていてもよい。或いは、レーザスキャナ１０の備える集光レンズ２５が、「集光位置調整光学系」の一部として構成されていてもよい。
【００７８】
上記実施形態では、自由曲面レンズ５０は、出射面５２が平面状であって、入射面５１が自由曲面状に形成されていた。しかし、出射面が自由曲面状に形成され、入射面が平面状に形成されていてもよい。又は、出射面及び入射面が、共に自由曲面状に形成されていてもよい。或いは、単純な凹面状又は凸面状の曲面として、出射面及び入射面は形成されていてもよい。
【００７９】
上記実施形態では、結像面３１の中央部分３２に規定されたレーザ光の集光位置を自由曲面レンズ５０の作用によって辺縁部分３３にて遠ざけることにより、結像面３１に結像される表示画像７１は、全域に亘って鮮明化されていた。しかし、結像面３１における光の集光位置は、中央部分３２を基準に規定されなくてもよい。例えば、結像面３１の辺縁部分３３を基準として規定された光の集光位置が、自由曲面レンズ等の「集光位置調整光学系」の作用によって、結像面３１の中央部分３２にてレーザスキャナに近づけられてもよい。又は、中央部分３２と辺縁部分３３との中間を基準として規定された光の集光位置が、「集光位置調整光学系」の作用によって中央部分３２ではレーザスキャナに近づけられ、且つ辺縁部分３３ではレーザスキャナから遠ざけられてもよい。
【００８０】
上記実施形態では、レーザスキャナ１０から結像面３１に向かう光軸は、ｙｚ面に沿っていた。このような形態に伴って、自由曲面レンズ５０の形状を規定する多項式（表４参照）は、ｙの奇数次（三次）の項を含んでいた。しかし、ヘッドアップディスプレイ装置の搭載される車種のインスツルメントパネル内において確保可能なスペース、及びウィンドシールドの形状等により、結像面に対するレーザスキャナの相対位置は、適宜変更可能でなければならない。故に、自由曲面レンズの形状を規定する多項式は、レーザスキャナの配置に対応した項を含むことが望ましい。具体的には、レーザスキャナから結像面に向かう光軸がｘｚ面に沿う形態、即ちレーザ光が結像面の側方から投影される形態では、自由曲面レンズ形状を規定する多項式は、ｘの奇数次の項を含むことが望ましい。さらに、レーザ光が結像面の斜め下方から投影される形態では、自由曲面レンズ形状を規定する多項式は、ｘの奇数次の項及びｙの奇数次の項を共に含むことが望ましい。
【００８１】
上記実施形態では、レーザ光の走査によって結像面３１に表示画像７１を結像させるレーザスキャナ１０が、「投射器」として用いられていた。しかし、結像面にて表示画像として結像される光を投射することが可能であれば、種々の構成が「投射器」として用いられてよい。具体的には、例えばLiquid crystal on silicon（ＬＣＯＳ）及びDigital Mirror Device（ＤＭＤ）等を、光源及びレンズ等の光学系と共に有する所謂プロジェクタが、「投射器」として用いられてよい。
【００８２】
ＬＣＯＳは、シリコン製の基板と透光性の基板との間に液晶層を挟み込むことにより形成されている。液晶層は、配列された複数の画素を形成している。シリコン製の基板には、液晶を駆動するための回路と、光を反射するための電極が設けられている。ＬＣＯＳに透光性の基板から入射した光源光は、液晶層を通過しつつ、シリコン製の基板に設けられた電極によって反射されて、当該ＬＣＯＳから出射される。液晶層に表示画像の元となる画像を形成することによれば、ＬＣＯＳを備えるプロジェクタは、結像面にて表示画像として結像される光を投射することができる。
【００８３】
ＤＭＤは、基板上に多数の微小鏡面を配列することにより形成されている。これら微小鏡面の各々が、一つの画素を形成している。各微小鏡面は、制御信号に基づいて傾斜角度を変更することができる。ＤＭＤに入射した光源光は、各微小鏡面によって反射される。以上のＤＭＤは、各微小鏡面の傾斜角度を制御することによれば、画像を形成することができる。故に、ＤＭＤを備えるプロジェクタは、結像面にて表示画像として結像される光を投射することができる。
【００８４】
上記実施形態では、高速軸２７ａ及び低速軸２８ａという複数の可動軸を有するＭＥＭＳミラー２６が、レーザ光を走査する構成として用いられていた。しかし、レーザスキャナは、一つの可動軸を有するＭＥＭＳミラーを複数備える形態であってもよい。具体的には、水平方向にレーザ光を走査するための第一のＭＥＭＳミラーと鉛直方向にレーザ光を走査するための第二のＭＥＭＳミラーとを組み合わせた構成によって、二次元の表示画像を形成する上記実施形態のＭＥＭＳミラー２６に相当する機能が実現されていてもよい。
【００８５】
上記実施形態では、車両のウィンドシールド９０に表示画像７１を投影するヘッドアップディスプレイ装置１００に本発明を適用した例を示したが、本発明は、各種の輸送機器に搭載され、表示画像７１の虚像７０を視認者に視認可能とする種々のヘッドアップディスプレイ装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１０  レーザスキャナ（投射器）、１１  コントローラ、１３  光源部、１４，１５，１６  レーザ投射部、２０  光学部、２１  コリメートレンズ、２２，２３，２４  ダイクロイックフィルタ、２５  集光レンズ、２６  ＭＥＭＳミラー、２７  ミラー部、２７ａ  高速軸、２８  内枠部、２８ａ  低速軸、２９  外枠部、３０  スクリーン（スクリーン部材）、３１  結像面、３２  中央部分、３３  辺縁部分、４０  凹面鏡（拡大鏡部）、４１  反射面、５０  自由曲面レンズ（集光位置調整光学系）、５１  入射面、５２  出射面、６０  アイボックス（視認領域）、６１  アイポイント、７０  虚像、７０ａ  中央部分、７０ｂ  辺縁部分、７１  表示画像、９０  ウィンドシールド（表示部材）、９１  投影面、１００  ヘッドアップディスプレイ装置、Ｇ１，Ｇ２  結像面からの集光位置のずれ量、ＨＳ  水平方向の走査範囲、ＶＳ  鉛直方向の査範囲、ＳＦ  同心球面、ＳＬ  走査線
【図１】
0005370427.tif 000007
【図２】
0005370427.tif 000008
【図３】
0005370427.tif 000009
【図４】
0005370427.tif 000010
【図５】
0005370427.tif 000011
【図６】
0005370427.tif 000012