(57)【要約】【課題】装置を大型化することなく、かつ、運転者に視認させる虚像（表示像）の歪みを抑制しつつ拡大可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】移動体内に配置され、映像を照射する照射源と、前記映像の光線を偏向する偏向部材と、前記偏向部材により偏向された映像の光線を透過させると共に、該光線の透過時に該映像を拡大する光学部材と、前記光学部材を透過した映像の光線を透過かつ反射することにより、前記移動体の乗員に拡大された前記映像を虚像として視認させる反射手段とにより構成されるヘッドアップディスプレイ装置において、前記偏向部材は、前記照射源と前記光学部材との間の光路上において該照射源から照射された映像の光軸に対して傾斜して配置されるとともに、該光学部材および前記反射手段の少なくとも一方に起因する前記乗員が視認する前記虚像の歪みを補正する。【選択図】図３
2007272061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体内に配置され、映像を照射する照射源（３１）と、
前記映像の光線を偏向する偏向部材（３３）と、
前記偏向部材（３３）により偏向された映像（３１ａ）の光線を透過させると共に、該光線の透過時に該映像（３１ａ）を拡大する光学部材（３２）と、
前記光学部材（３２）を透過した映像（３１ｂ）の光線を透過かつ反射することにより、前記移動体の乗員に拡大された前記映像を虚像（５）として視認させる反射手段（１）とにより構成されるヘッドアップディスプレイ装置において、
前記偏向部材（３３）は、前記照射源（３１）と前記光学部材（３２）との間の光路上において該照射源（３１）から照射された映像の光軸に対して傾斜して配置されるとともに、該光学部材（３２）および前記反射手段（１）の少なくとも一方に起因する前記乗員が視認する前記虚像（５）の歪みを補正す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】
前記偏向部材（３３）は、前記照射源（３１）から照射された映像の光軸と前記偏向部材（３３）とが交わる点において回転対称軸を持たない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】
前記偏向部材（３３）により偏向された映像（３１ａ）は、前記光学部材（３２）を透過する際に歪むものであって、
前記偏向部材（３３）は、該歪を補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
前記光学部材（３２）により拡大された映像（３１ｂ）は、前記反射手段（１）を透過または反射する際に歪むものであって、
前記偏向部材（３３）は、該歪を補正することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項５】
前記光学部材（３２）の入射側端面（３２ａ）は、前記偏向部材（３３）により偏向された映像（３１ａ）の光軸に対して垂直に設置されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項６】
前記光学部材（３２）の入射側端面（３２ａ）は、該光学部材（３２）により偏向された映像（３１ｂ）の光軸に対して所定斜度で設置され、
前記所定斜度は、前記出射側端面（３２ｂ）に入射した外乱光（８１）が、前記光学部材（３２）の該出射側端面（３２ｂ）に対向する前記入射側端面（３２ａ）により反射された際に、該反射後の外乱光（８２ｂ，８３）を前記乗員の視野外に偏向可能な角度であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項７】
前記光学部材（３２）の出射側端面（３２ｂ）は、該光学部材（３２）により偏向された映像（３１ｂ）の光軸に対して垂直に設置されることを特徴とする請求項１ないし請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項８】
前記光学部材（３２）の出射側端面（３２ｂ）は、該光学部材（３２）により偏向された映像（３１ｂ）の光軸に対しては所定斜度で設置され、
前記所定斜度は、前記出射側端面（３２ｂ）に入射した外乱光（８１）が、該出射側端面（３２ｂ）により反射された際に、該反射後の外乱光（８２ａ，８３）を前記乗員の視野外に偏向可能な角度であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項９】
前記照射源（３１）により照射された映像は、前記光学部材（３２）および前記偏向部材（３３）により拡大され、前記映像を拡大する前記光学部材（３２）の拡大率は、前記偏向部材（３３）の拡大率よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１０】
前記光学部材はフレネルレンズ（３２）であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１１】
前記フレネルレンズ（３２）は回転対称であることを特徴とする請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１２】
前記フレネルレンズはシリンドリカルフレネルレンズであり、
前記シリンドリカルフレネルレンズの第一方向への倍率は、前記反射手段（１）の第二方向への曲率によって決定され、
前記シリンドリカルフレネルレンズの前記第一方向に直交する第三方向への倍率は、前記反射手段（１）の前記第二方向に直交する第四方向への曲率によって決定されることを特徴とする請求項１０または請求項１１のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１３】
前記フレネルレンズ（３２）は、平面基板状の透過部材上に構成されていることを特徴とする請求項１０ないし請求項１２のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１４】
前記フレネルレンズは、入射側端面（３２ａ）もしくは出射側端面（３２ｂ）の少なくとも一方が曲面基板状の透過部材上に構成されていることを特徴とする請求項１０ないし請求項１２のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１５】
前記偏向部材（３３）により反射された映像（３１ａ）の光線が入射する前記光学部材（３２）の入射側端面（３２ａ）と、該光学部材（３２）により偏向された映像（３１ｂ）の光線が出射する出射側端面（３２ｂ）とは、ねじれの関係であることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１６】
前記照射源（３１）から照射された映像の光線は、前記偏向部材（３３）を含め少なくとも１枚以上の反射鏡により偏向されるとともに、前記光学部材（３２）により拡大されることを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１７】
前記照射源（３１）により照射された映像が、前記光学部材（３２）に入射されるまでの間において、該映像の光軸のうち複数が同一平面上に存在することを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１８】
前記光学部材（３２）は屈折率の異なる複数種の材料からなることを特徴とする請求項１ないし請求項１７のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１９】
前記偏向部材（３３）は、前記反射手段（１）の反射特性に応じて選択的に交換可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項１８のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２０】
前記虚像（５）は、照射源（３１）が照射した映像と相似の関係であることを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか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、フロントウィンドシールドに反射した表示光を運転者に虚像として視認させるヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、移動体である車両のインストルメントパネル内側に配置され、フロントウィンドシールドへ向けて表示光を出射することにより、フロントウィンドシールドに反射した表示光を運転者に虚像として視認させるヘッドアップディスプレイ装置が知られている。
【０００３】
このようなヘッドアップディスプレイ装置は、操縦に必要な補助情報等を車両の前景と重畳視認させるものであり、運転中に大きな視線移動を行うことなく補助情報等を認識することができるようになる。この時、運転者の眼から、虚像表示までの距離は離れているほうが良い。それは視線を移動して虚像表示を見る際、眼の焦点合わせの労力が少なくなるという利点があるからである。
【０００４】
最終反射体であるフロントウィンドシールドの反射点と表示デバイス（液晶パネル等）間の距離は、フロントウィンドシールドの反射点と虚像表示との間の距離となる。このため、要求される表示距離となるようにフロントウィンドシールドに対して表示デバイスを物理的に離して設置する必要がある。しかしながら、インストルメントパネル内の空間には物理的に離して設置するだけの余裕はない。
【０００５】
そこで、フロントウィンドシールドと表示デバイスとを実際に離して設置した場合と等価となるように、表示デバイスと拡大用の光学部品（レンズ、拡大鏡等）により虚像を作り、最終反射体に対して表示デバイスを離して設置したのと同様の条件とする方法が知られている。すなわち、図１７に示すように、表示デバイスと拡大用の光学部品との関係は、１／ａ−１／ｂ＝１／ｆとなり、拡大用光学部品（ここではレンズ）と表示デバイス間の距離ａとレンズの焦点ｆによってレンズと虚像表示の距離ｂが決まる。
【０００６】
ここで、ヘッドアップディスプレイ装置の表示器筐体を小型化するために焦点ｆ値を小さくして距離ａを短くすると、表示歪みが大きくなりすぎて視認性の良い表示が提供できなくなる。よって、与えられたスペース内で、表示デバイスと拡大用光学部品とをできるだけ離れた位置に設置し、拡大用光学部品の拡大率をなるべく小さくして要求仕様を満足させることで、表示歪み等を最小にして視認性の良い表示を提供することが望ましい。
【０００７】
例えば、特許文献１に記載の発明では、焦点ｆを表示像の像面湾曲が目立たない程度の比較的大きな値とした非球面凸レンズを拡大光学系として使用することで表示像の歪みを抑圧している。そして、表示デバイスからこの非球面凸レンズに至るまでに複数枚の平面鏡により光路を偏向し、限られた空間内を光路として複数回使用することで表示器筐体の小型化を図っている。
【特許文献１】特開平４−２４７４８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の発明では、拡大光学系の拡大率を表示像の歪みが目立たない程度に抑えているため、フロントウィンドシールドに表示する表示像を十分に拡大できないという問題があった。これに対し、仮に光路長を長くすれば、表示像の歪を無くしながら拡大することは可能である。しかし、この場合、光路長が長くなるために、表示器筐体が大型化するという問題があった。すなわち、従来の技術では、表示器筐体を大型化することなく、かつ、表示像を歪ませることなく十分に拡大することが難しかった。
【０００９】
本発明は、かかる問題を鑑みてなされたもので、装置を大型化することなく、かつ、運転者に視認させる虚像（表示像）の歪みを抑制しつつ拡大可能なヘッドアップディスプレイ装置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】
【００１０】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、移動体内に配置され、映像を照射する照射源（３１）と、前記映像の光線を偏向する偏向部材（３３）と、前記偏向部材（３３）により偏向された映像（３１ａ）の光線を透過させると共に、該光線の透過時に該映像（３１ａ）を拡大する光学部材（３２）と、前記光学部材（３２）を透過した映像（３１ｂ）の光線を透過かつ反射することにより、前記移動体の乗員に拡大された前記映像を虚像（５）として視認させる反射手段（１）とにより構成されるヘッドアップディスプレイ装置において、前記偏向部材（３３）は、前記照射源（３１）と前記光学部材（３２）との間の光路上において該照射源（３１）から照射された映像の光軸に対して傾斜して配置されるとともに、該光学部材（３２）および前記反射手段（１）の少なくとも一方に起因する前記乗員が視認する前記虚像（５）の歪みを補正することを特徴とする。
【００１１】
偏向部材を照射源と光学部材との間の光路上に配置することで、映像の光線幅が拡がる前に該光線を偏向部材の反射面に照射することができる。すなわち、映像の光線幅が拡がった後に照射する場合に比べて、偏向部材のサイズを小さくすることができ、あわせてヘッドアップディスプレイ装置自体を小型化できる。
【００１２】
さらに、反射手段に反射された映像（虚像）は、光学部材、またはおよび、反射手段が原因となって歪むが、虚像がこの歪みによって所定形状となるように偏向部材で予め映像を補正しているため、乗員は歪みの少ない虚像を視認することができる。そして、偏向部材が反射手段に反射された映像（虚像）の歪を補正することができるため、光学部材は映像を大きく拡大することができる。すなわち、映像（虚像）の歪みを抑制しつつ、照射源から照射された映像を拡大可能である。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、前記偏向部材（３３）は、前記照射源（３１）から照射された映像の光軸と前記偏向部材（３３）とが交わる点において回転対称軸を持たないことを特徴とする。
【００１４】
偏向部材を映像の光軸と交わる点において回転対称軸を持たない（非回転対称な）形状とすることで、光軸に対して傾斜して配置（いわゆる軸外し）した状態でも、反射手段で反射される際に生じる拡大映像の歪みを補正することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、前記偏向部材（３３）により偏向された映像（３１ａ）は、前記光学部材（３２）を透過する際に歪むものであって、前記偏向部材（３３）は、該歪を補正することを特徴とする。
【００１６】
映像は光学部材を透過する際に歪むが、この歪を偏向部材により補正するために、偏向部材に光学部材の持つ反射特性と相補的な反射特性をもたせる。これにより、反射手段に投影された虚像の歪を抑制することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記光学部材（３２）により拡大された映像（３１ｂ）は、前記反射手段（１）を透過または反射する際に歪むものであって、前記偏向部材（３３）は、該歪を補正することを特徴とする。
【００１８】
映像は反射手段を透過および反射する際に歪むが、この歪を偏向部材により補正するために、偏向部材に反射手段の持つ反射特性と相補的な反射特性をもたせる。これにより、反射手段に投影された虚像の歪を抑制することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、前記光学部材（３２）の入射側端面（３２ａ）は、前記偏向部材（３３）により偏向された映像（３１ａ）の光軸に対して垂直に設置されることを特徴とする。
【００２０】
このように、光学部材に入射する反射手段により偏向された映像の光線が、入射側端面に垂直に入射されることで、この映像の光線が光学部材を透過し、拡大効果を得る際に生じる映像の収差、歪みを抑制することができる。また、入射側端面にフレネルパターンを形成した場合には、特に有効な効果を奏する。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、前記光学部材（３２）の入射側端面（３２ａ）は、該光学部材（３２）により偏向された映像（３１ｂ）の光軸に対して所定斜度で設置され、前記所定斜度は、前記出射側端面（３２ｂ）に入射した外乱光（８１）が、前記光学部材（３２）の該出射側端面（３２ｂ）に対向する前記入射側端面（３２ａ）により反射された際に、該反射後の外乱光（８２ｂ，８３）を前記乗員の視野外に偏向可能な角度であることを特徴とする。
【００２２】
このように、光学部材において映像の光線が入射される側の端面で反射された外乱光を、乗員の視野外に偏向することで、反射された外乱光が正規の表示像（虚像）と重なって乗員に視認されることを防止できる。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、前記光学部材（３２）の出射側端面（３２ｂ）は、該光学部材（３２）により偏向された映像（３１ｂ）の光軸に対して垂直に設置されることを特徴とする。
【００２４】
このように、光学部材から出射する映像の光線が、出射側端面から垂直に出射されることで、この映像の光線が光学部材を透過し、拡大効果を得る際に生じる映像の収差、歪みを抑制することができる。また、出射側端面にフレネルパターンを形成した場合には、特に有効な効果を奏する。なお、請求項５の発明と、本請求項７の発明とを組み合わせた場合には、入射側端面、出射側端面の少なくとも一方にフレネルパターンを形成すれば、映像の収差、歪みを抑制することができる。
【００２５】
請求項８に記載の発明は、前記光学部材（３２）の出射側端面（３２ｂ）は、該光学部材（３２）により偏向された映像（３１ｂ）の光軸に対しては所定斜度で設置され、前記所定斜度は、前記出射側端面（３２ｂ）に入射した外乱光（８１）が、該出射側端面（３２ｂ）により反射された際に、該反射後の外乱光（８２ａ，８３）を前記乗員の視野外に偏向可能な角度であることを特徴とする。
【００２６】
このように、光学部材において映像の光線が出射される側の端面で反射された外乱光を、乗員の視野外に偏向することで、反射された外乱光が正規の表示像（虚像）と重なって乗員に視認されることを防止できる。
【００２７】
請求項９に記載の発明は、前記照射源（３１）により照射された映像は、前記光学部材（３２）および前記偏向部材（３３）により拡大され、前記映像を拡大する前記光学部材（３２）の拡大率は、前記偏向部材（３３）の拡大率によりも大きいことを特徴とする。
【００２８】
フレネルレンズに映像の拡大機能の半分以上を持たせることにより、補正用の偏向部材の曲率を小さく抑えることができる。
【００２９】
請求項１０に記載の発明は、前記光学部材はフレネルレンズ（３２）であることを特徴とする。
【００３０】
光学部材をフレネルレンズとすることで、光学部材の厚みを薄くすることができ、装置を小型化することができる。
【００３１】
請求項１１に記載の発明は、前記フレネルレンズ（３２）は回転対称であることを特徴とする。
【００３２】
回転対称なフレネルレンズは製造が容易であるため、製造コスト面で有利となる。
【００３３】
請求項１２に記載の発明は、前記フレネルレンズはシリンドリカルフレネルレンズであり、前記シリンドリカルフレネルレンズの第一方向への倍率は、前記反射手段（１）の第二方向への曲率によって決定され、前記シリンドリカルフレネルレンズの前記第一方向に直交する第三方向への倍率は、前記反射手段（１）の前記第二方向に直交する第四方向への曲率によって決定されることを特徴とする。
【００３４】
光学部材を透過し反射手段に投影された虚像は、反射手段の持つ反射特性、すなわち第二方向の曲率と、第四方向への曲率とにより歪む。そのため、偏向部材は、反射手段の第二方向の曲率に起因する歪みを第一方向への倍率で補正し、反射手段の第四二方向の曲率に起因する歪みを第三方向への倍率で補正する。これにより、反射手段に投影された虚像の歪みを抑制することができる。
【００３５】
請求項１３に記載の発明は、前記フレネルレンズ（３２）は、平面基板状の透過部材上に構成されていることを特徴とする。
【００３６】
フレネルレンズを平面基板状の部材の上に構成することで、フレネルレンズを平面基板状の部材の上に構成しない場合に比べて、フレネルレンズの体積を小さくすることができる。
【００３７】
請求項１４に記載の発明は、前記フレネルレンズは、入射側端面（３２ａ）もしくは出射側端面（３２ｂ）の少なくとも一方が曲面基板状の透過部材上に構成されていることを特徴とする。
【００３８】
フレネルレンズの入射側端面もしくは出射側端面のどちらか一方、もしくは両面を曲面基板状とすることで、フレネルレンズに入射する外光の反射光を運転者の視認領域外に偏向することができる。
【００３９】
請求項１５に記載の発明は、前記偏向部材（３３）により反射された映像（３１ａ）の光線が入射する前記光学部材（３２）の入射側端面（３２ａ）と、該光学部材（３２）により偏向された映像（３１ｂ）の光線が出射する出射側端面（３２ｂ）とは、ねじれの関係であることを特徴とする。
【００４０】
光学部材の入射側端面と出射側端面とを傾斜させることで、光学部材に入射する外光の反射光を運転者の視認領域外に偏向することができる。
【００４１】
請求項１６に記載の発明は、前記照射源（３１）から照射された映像の光線は、前記偏向部材（３３）を含め少なくとも１枚以上の反射鏡により偏向されるとともに、前記光学部材（３２）により拡大されることを特徴とする。
【００４２】
このように、映像の光線が拡がる前に偏向部材に照射される構成とすることで、偏向部材のサイズを小さくすることができ、製造コスト面で有利となる。
【００４３】
また、偏向部材の数を複数とした場合には、複数の偏向部材により映像の光線を複数回偏向することで、装置筐体内の同一空間内を光路として複数回使用でき、拡大に必要な光路をより小さな体積の中で確保することができる。
【００４４】
請求項１７に記載の発明は、前記照射源（３１）により照射された映像が、前記光学部材（３２）に入射されるまでの間において、該映像の光軸のうち複数が同一平面上に存在することを特徴とする。
【００４５】
映像の光線を同一平面内で偏向する構成としたことで、光線を同一平面内で偏向しない場合に比べて偏向部材のサイズを小さくすることができ、装置の小型化が可能となる。
【００４６】
請求項１８に記載の発明は、前記光学部材（３２）は屈折率の異なる複数種の材料からなることを特徴とする。
【００４７】
これにより、光学部材で拡大され、光学部材を出射された後の映像に生じる色収差を抑圧できる。
【００４８】
請求項１９に記載の発明は、前記偏向部材（３３）は、前記反射手段（１）の反射特性に応じて選択的に交換可能であることを特徴とする。
【００４９】
一般に移動体によって反射手段の反射特性は異なるが、この反射特性に応じて偏向部材を選択的に交換可能とすることで、より汎用性の高いヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となり、製造コスト面で有利となる。
【００５０】
請求項２０に記載の発明は、前記虚像（５）は、照射源（３１）が照射した映像と相似の関係であることを特徴とする。
【００５１】
これにより、表示手段の解像度を無駄にすることなく、乗員に拡大された映像を虚像として視認させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下、実施例１から実施例２および各変形例を用いて、本発明を実施するための最良の形態を述べる。
【００５３】
〔実施例１〕
図１から図５を用いて、本発明のヘッドアップディスプレイ装置について説明する。
【００５４】
図１に、本実施例１におけるヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図を示し、図２にヘッドアップディスプレイ装置における光学系の概略図を示す。また、図３は、装置筐体内部の光路図を示す。
【００５５】
図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置は、照射源である表示デバイス３１と、表示デバイス３１の表示像を拡大する光学部材であるフレネルレンズ３２と、自由曲面鏡３３とからなる光学系により構成される。これらの光学系を形成する部品は、車両のフロントウィンドシールド１下部に位置するインストルメントパネル２の内側に形成される。そして、フレネルレンズ３２は、インストルメントパネル２の開口部２ａ付近に、後述の反射像３１ａの光線軸に対して垂直に設置（いわゆる共軸）されている。また、このフレネルレンズ３２は、板状の透明部材上に反射像３１ａの光線軸を中心とした複数の円状の溝を形成した形状である。また、この複数の円状の溝は、自由曲面鏡側およびフロントウィンドシールド１側の両方に形成されている。
【００５６】
さらに、表示デバイス３１とフレネルレンズ３２との間には、表示デバイス３１の表示像を偏向させる偏向部材としての自由曲面鏡３３が、表示像の光軸に対して傾けて（いわゆる軸外し、例えば１０°〜４５°傾ける。）設置される。なお、本実施例１を含む各実施例において、光軸とは、表示像などを構成する複数の光線束の重心に位置する光線を示す。
【００５７】
また、図１の符号４は、アイポイント４、符号４ａは運転者の目４ａ、符号５は運転者の目４ａに投影された提示虚像５を示す。
【００５８】
図２に示す光学系において、自由曲面鏡３３により反射された反射像３１ａとフレネルレンズ３２との間の距離をｌ１、フレネルレンズ３２において光軸が通過する点とフロントウィンドシールド１において光軸が通過する点との距離をｌ２、フロントウィンドシールド１において光軸が通過する点と運転者の目４ａまでの距離をｌ３、フロントウィンドシールド１において光軸が通過する点と提示虚像５までの距離をｌ４とする。このとき、例えばｌ１＝１５０ｍｍ、ｌ２＝２００ｍｍ、ｌ３＝６００ｍｍ、ｌ４＝１４００ｍｍとすると、光学系としては（ｌ４−ｌ２）／ｌ１＝１２００／１５０＝８倍の倍率が必要となる。この際、装置を搭載する移動体内のインストルメントパネル内の空間に応じて、表示デバイス３１から拡大用光学部材であるフレネルレンズ３２までの距離を決定する。そのうえで、フレネルレンズ３２が光学系全体の倍率の大半（例えば７．５倍程度）の倍率を持つようにフレネルレンズ３２の焦点距離を決定する。また、自由曲面鏡３３の形状は、フレネルレンズ３２の倍率を考慮しつつ、フロントウィンドシールド１、およびフレネルレンズ３２による映像の歪みを補正するように決定される。
【００５９】
ここで、図４を用いて、自由曲面鏡３３について詳しく説明する。一般に、自由曲面鏡３３とは、反射面の光軸方向厚さｚが、光軸と垂直な平面内の座標（ｘ，ｙ）の多項式ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）で表現される反射鏡のことである。特に、本実施例１の自由曲面鏡３３は、ｚ軸方向に対して非回転対称の形状を有する。また一般に、フレネルレンズ３２は映像を拡大・透過する際において、フロントウィンドシールド１は映像を反射・透過する際において、透過前の映像を歪めてしまう。このため、自由曲面鏡３３により反射された反射像３１ａが、フレネルレンズ３２とフロントウィンドシールド１とを透過して歪み、提示虚像５として運転者に視認された際に、この提示虚像５が所望の形状（例えば、長方形）となるように、自由曲面鏡３３は、表示デバイス３１から照射された表示像を反射する際に、フレネルレンズ３２およびフロントウィンドシールド１による歪みに対して相補的な歪みを表示像に作用させる。すなわち、予め自由曲面鏡３３によって反射像３１ａを歪ませておくことで、フレネルレンズ３２およびフロントウィンドシールド１による歪を補正する。
【００６０】
図３を用いて示すように、自由曲面鏡３３により反射された表示像（反射像３１ａ）の光軸は、フレネルレンズ３２の入射側端面３２ａに対して垂直に入射される。このとき、表示デバイス３１から照射された表示像の光線束と、反射像３１ａの光線束とが交差し、２重光路空間６１が発生するが、光線束の進行方向が一致していないため、互いの光線が干渉することはない。そして、フレネルレンズ３２の入射側端面３２ａに対して垂直に入射された反射像３１ａの光軸は、フレネルレンズ３２の出射側端面３２ｂから垂直に出射され、これに伴い表示像を元とする反射像３１ａが拡大される。反射像３１ａを拡大することで得られた拡大像３１ｂは図１に示すように、フロントウィンドシールド１に投影される。
【００６１】
フロントウィンドシールド１に投影された拡大像３１ｂの光線の一部は、フロントウィンドシールド１により運転者の目４ａ方向に反射される。この反射によって、運転者は提示虚像５を視認することができる。
【００６２】
以下、本実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の効果を説明する。
【００６３】
第一の効果として、自由曲面鏡３３が、フレネルレンズ３２およびフロントウィンドシールド１による歪を補正することで、運転者に歪の少ない提示虚像５を視認させることができる。
【００６４】
第二の効果を以下に述べる。前述したようにフレネルレンズ３２で映像を拡大すると拡大像３１ｂは大きく歪む。しかし、自由曲面鏡３３は拡大に伴う歪みも補正することが可能であるため、フレネルレンズ３２は十分に反射像３１ａを拡大可能である。これにより、表示デバイス３１が照射する表示像が小さかったとしても、フレネルレンズ３２が十分に反射像３１ａを拡大するため、運転者は大きな提示虚像５を視認することができる。
【００６５】
第三の効果を以下に述べる。図５（ａ）は、提示虚像５までの距離をｌ２として、フレネルレンズ３２により表示像が拡大される前に自由曲面鏡３３が表示像を反射する構成であり、この時の装置の最大幅をｌ５としている。これに対して、図５（ｂ）は、図５（ａ）と同様に提示虚像５までの距離をｌ２としながら、フレネルレンズ３２により表示像が拡大された後に自由曲面鏡３３が拡大された表示像（拡大像３１ｂ）を反射する構成であり、装置の最大幅をｌ６としている。これらの図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、自由曲面鏡３３は、フレネルレンズ３２により表示像が拡大される前に表示像を反射するため、拡大された表示像（拡大像３１ｂ）を反射する場合に比べて、小さい面積で表示像を反射することができる。また、図５（ａ）の装置の最大幅ｌ５が、図５（ｂ）の装置の最大幅ｌ６よりも小さいことから、装置の最大幅も小さくすることができる。
【００６６】
第四の効果として、フレネルレンズ３２に映像の拡大機能の大半を持たせることにより、補正用の自由曲面鏡３３の曲率を小さく抑えることができる。一般に自由曲面鏡３３に対して光線を軸外しで入射すると映像が激しく歪むが、自由曲面鏡３３の曲率を小さく抑えることで自由曲面鏡３３により反射された表示像（反射像３１ａ）の歪みを低減することができる。
【００６７】
第五の効果として、フレネルレンズ３２に拡大機能を持たせ表示像の拡大に要する光路を短縮しつつ、このフレネルレンズ３２を装置筐体の開口部２ａ付近に設置することで、限られた装置筐体空間内において表示デバイス３１とフレネルレンズ３２との光路距離を長く取ることができ、より効果的に映像を拡大できる。
【００６８】
なお、自由曲面鏡３３が補正する歪とは、形状歪み（ディストーション）、像面湾曲、非点収差のうちいずれか１種類以上である。
【００６９】
〔変形例１〕
本実施例１では、光路を偏向する偏向部材として１枚の自由曲面鏡３３を用いていた。しかし、偏向部材は、自由曲面鏡３３のみでなくても良い。図６に示すように、自由曲面鏡３３に加えて、平面鏡３４により光路を偏向し、同一の空間内を光線が３回通過する３重光路空間を設けるような構成しても良い。
【００７０】
このように、同一空間内を方向が一致することなく複数回光線が通過する構成とすれば、ヘッドアップディスプレイ装置内の光学部品配置の配置自由度が向上するため、表示デバイス３１と自由曲面鏡３３とフレネルレンズ３２とを、装置が小型となるように配置することができる。なお、図６のように、平面鏡３４は１枚でなく、２枚以上を用いても良い。
【００７１】
〔変形例２〕
本実施例１では、光学部材が、板状の透明部材の両面に溝が形成されたフレネルレンズ３２であったが、これを図７のように、中空の半球の表裏に溝が形成された半球フレネルレンズ７１を用いても良い。この時、反射像３１ａの光軸は、半球フレネルレンズ７１の曲面に対して垂直に入射されている。これにより、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【００７２】
〔実施例２〕
図８を用いて実施例２について説明する。この実施例２は、反射像３１ａがフレネルレンズ３２の入射側端面に斜めに入射するとともに、フレネルレンズ３２から拡大像３１ｂが斜めに出射される点で、実施例１と異なる。なお、前述の実施例１と同等の構成については、実施例１と同様の符号を付し、本実施例２における説明を省略する。
【００７３】
図８において、破線で示されているフレネルレンズ３２は、実施例１において反射像３１ａに対して共軸で設置されたフレネルレンズ３２を表す。このとき、外光源の光線８１は、フレネルレンズ３２の出射側端面３２ｂで反射された後さらにフロントウィンドシールド１で反射される。この出射側端面３２ｂで反射された反射光８２ａ’は拡大像３１ｂと略平行である。また、フロントウィンドシールド１で反射された反射光８３’は、フロントウィンドシールド１で反射された拡大像３１ｂと略平行である。これにより、実施例１の構成では、外光源の光線８１が提示虚像５と重なって運転者に視認されてしまい、運転者がちらつきを感じるという可能性がある。
【００７４】
そこで、図８に示すように、本実施例２では、フレネルレンズ３２を、反射像３１ａの光軸を含む垂直な平面に対して
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以上の角度だけ傾ける軸外しとなるように設置する。なお、パラメータＥｖはＪＩＳ規格ＪＩＳＤ００２１で規格されるアイレンジの高さである。このように、θｄ以上の角度だけ傾ける軸外しとなるようにフレネルレンズ３２を設置すると、図７に示すように、移動体外から入射してくる太陽等の外光源の光線８１が、出射側端面３２ｂで反射され反射光８２ａとなり、さらに反射光８２ａがフロントウィンドシールド１で反射され反射光８３となって、運転者のアイレンジ外の方向に照射される。
【００７５】
これにより、反射光８３は正規の提示虚像５と重なって運転者に視認されない。この時の傾斜角度θｄは提示虚像５の歪みがあまり大きくならない程度に任意で定めることができる。（例えば、０°＜θｄ≦１０°）
ところで、フレネルレンズ３２を軸外しで配置すると、フレネルレンズ３２を共軸で配置した場合に比べて、拡大像３１ｂおよび提示虚像５が歪む。しかし、自由曲面鏡３３の反射面の形状を、フロントウィンドシールド１に起因する歪と、フレネルレンズ３２を軸外しで配置したことに起因する歪みの両方を補正できるような形状とすれば、実施例１と同様に提示虚像５を任意の形状（例えば長方形）で運転者に視認させることができる。
【００７６】
〔変形例３〕
本実施例２に使用するフレネルレンズは、平面基板上にフレネルパターンを形成したものであった。しかし、光学部材３２を、図９に示すように、平面上にフレネルパターンを形成した入射側端面３３ａが拡大像３１ａの光軸と垂直で、出射側端面３２ｂが拡大像３１ｂの光軸と傾斜する形状としても良い。こうすることで、図９に示すように、出射側端面３２ｂにおける外光の表面反射光８２ａをアイレンジ４外に偏向することができる。
【００７７】
〔変形例４〕
図１０は、本変形例４で用いられるフレネルレンズであり、このフレネルレンズは、入射側端面３２ａと出射側端面３２ｂとが平行でない形状（いわゆる楔形）で、入射側端面３２ａと出射側端面３２ｂの平面上にはフレネルパターンが形成されている。そして、図１１に示すように、このフレネルレンズは、入射側端面３２ａが拡大像３１ａの光軸と、出射側端面３２ｂが拡大像３１ｂの光軸と傾斜するように配置されている。このように配置することで、図１１に示すように、出射側端面３２ｂにおける外光の表面反射光８２ａと、入射面３２ａにおける外光の裏面反射光８２ｂとをそれぞれ、表示光（虚像５）と異なる方向へ偏向することができる。
【００７８】
〔変形例５〕
図１２に示すように、光学部材を入射側端面３２ａと出射側端面３２ｂとがねじれの関係にある形状としても良い。
【００７９】
〔変形例６〕
図１３に示すように、光学部材を、平面上にフレネルパターンを形成した入射側端面３２ａと、曲面状の出射側端面３２ｂからなる形状としても良い。（例えば、図４に示すような自由曲面や、一方向に曲率を持つシリンドリカル形状。）このような形状とすることで、出射側端面３２ｂにおける外光の表面反射光８２ａを偏向することができる。図１３では、インストルメントパネル１によって表面反射光８２ａが遮られる一例を示している。また、入射側端面３２ａは、拡大像３１ａの光軸と垂直であっても、傾斜していても良い。垂直であれば、拡大像３１ａが光学部材を透過する際に生じる歪みを最小とすることができ、傾斜させれば、入射側端面３２ａでの外光の裏面反射光８２ｂを表示光（虚像５）と異なる方向へ偏向することができる。
【００８０】
〔変形例７〕
図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すように、光学部材を、入射側端面３２ａおよび出射側端面３２ｂを曲面とするとともに、入射側端面３２ａと出射側端面３２ｂとの間の距離を一定でないような形状としても良い。図１５は、インストルメントパネル１によって、入射側端面３２ａにおける外光の裏面反射光８２ｂと、出射側端面３２ｂにおける外光の表面反射光８２ａが遮られる一例を示している。また、図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示すように、光学部材を均一厚さのシリンドリカル曲面形状としても良い。さらには、入射側端面３２ａ、出射側端面３２ｂの形状を図４に示すような自由曲面形状としても良い。
【００８１】
〔その他の実施例〕
前述の実施例１の変形例３において説明した半球フレネルレンズ７１を実施例２または実施例２の変形例４から７に適用しても、実施例２または各変形例と同様の作用効果を奏することができる。
【００８２】
前述の各実施例および変形例では、反射像３１ａを拡大する光学部材として、フレネルレンズ３２または半球フレネルレンズ７１を例に説明をしたが、使用する光学部材はフレネルレンズに限定されない。反射像３１ａを拡大する光学部材は、反射像３１ａを大きく歪ませることなく拡大できることが望ましいが、自由曲面鏡３３によりこの歪を補正することが可能であるため、例えばシリンドリカル凸レンズなどを用いても実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】実施例１において示されるヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。
【図２】実施例１において示されるヘッドアップディスプレイ装置における光学系の概略図である。
【図３】実施例１において示されるヘッドアップディスプレイ装置の筐体内部の光路図である。
【図４】実施例１において示される自由曲面鏡の曲面形状を示す透過斜視図である。
【図５】実施例１において示されるフレネルレンズと自由曲面鏡との配置を入れ替えた場合における自由曲面鏡と装置全体の最大幅を比較する図であり、図５（ａ）はフレネルレンズにより表示像が拡大される前に自由曲面鏡が表示像を反射する構成、図５（ｂ）は、フレネルレンズにより表示像が拡大された後に自由曲面鏡が表示像を反射する構成である。
【図６】実施例１の変形例１において示されるヘッドアップディスプレイ装置の筐体内部の光路図である。
【図７】実施例１の変形例２において示されるヘッドアップディスプレイ装置の筐体内部の光路図である。
【図８】実施例２において示される図であり、外光の反射光がアイレンジに到達しないように、フレネルレンズを軸外しで設置した状態を示す説明図である。
【図９】実施例２の変形例３において示される図であり、外光の反射光がアイレンジに到達しないように、フレネルレンズを軸外しで設置した状態を示す説明図である。
【図１０】実施例２の変形例４において示される図であり、楔形のフレネルレンズを示す斜視図である。
【図１１】実施例２の変形例４において示される図であり、外光の反射光がアイレンジに到達しないように、楔形のフレネルレンズの入射側端面を軸外しで設置した状態を示す説明図である。
【図１２】実施例２の変形例５において示される図であり、入射側端面と出射側端面とがねじれの関係であるフレネルレンズを示す斜視図である
【図１３】実施例２の変形例６において示される図であり、外光の反射光がインストルメントパネル１で遮られ、アイポイントに到達しないようにフレネルレンズを設置した状態を示す説明図である。
【図１４】実施例２の変形例７の厚さが不均一で入射側端面および出射側端面が曲面形状の光学部材を示す図面であり、図１４（ａ）は光学部材の斜視図、図１４（ｂ）は光学部材の側面図である。
【図１５】実施例２の変形例７において示される図であり、外光の反射光がインストルメントパネル１で遮られ、アイポイントに到達しないように図１４の光学部材を設置した状態を示す説明図である。
【図１６】実施例２の変形例７の厚さが均一で入射側端面および出射側端面が曲面形状の光学部材を示す図面であり、図１６（ａ）は光学部材の斜視図、図１６（ｂ）は光学部材の側面図である。
【図１７】一般的な表示デバイスと拡大用の光学部品と虚像との位置関係を表す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１  フロントウィンドシールド
２  インストルメントパネル
２ａ  開口部
３１  表示デバイス
３１ａ  反射像
３１ｂ  拡大像
３２  フレネルレンズ
３３  自由曲面鏡
３３ａ  入射側端面
３３ｂ  出射側端面
３４  平面鏡
４  アイレンジ
４ａ  運転者の眼
５  表示虚像
６１  ２重光路空間
６２  ３重光路空間
７１  半球フレネルレンズ
８１  外光
８２ａ  出射側端面に反射した外光の反射光
８２ａ’  実施例１における出射側端面に反射した外光の反射光
８２ｂ  入射側端面に反射した外光の反射光
８３  フロントウィンドシールドに反射した反射光の反射光
９  拡大光学系
１０ａ  元画像
１０ｂ  表示虚像
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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