(57)【要約】【課題】効率的に虚像の輝度ムラを低減可能なＨＵＤ装置を提供する。【解決手段】ＨＵＤ装置は、車両に搭載され、画像をウインドシールドに投影することにより、画像を乗員により視認可能に虚像表示する。ＨＵＤ装置は、互いに配列され、照明を行なう複数の照明ユニット１０と、照明対象面３２を有し、各照明ユニット１０がそれぞれ照明対象面３２のうち対応箇所を照明することにより、画像が形成される画像形成部３０と、を備える。各照明ユニット１０は、発光強度が最大となるピーク方向ＰＤから乖離するに従って発光強度が低下する放射角度分布にて、照明光を発する発光素子１２と、発光素子１２と向き合って配置され、照明光のうちピーク方向ＰＤの光を含む一部放射束を取り込んで集光により平行化する集光部１４と、を有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体（１）に搭載され、画像を投影部材（３）に投影することにより、前記画像を乗員により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、
互いに配列され、照明を行なう複数の照明ユニット（１０，２１０）と、
照明対象面（３２，２３２）を有し、各前記照明ユニットがそれぞれ前記照明対象面のうち対応箇所を照明することにより、前記画像が形成される画像形成部（３０，２３０）と、を備え、
各前記照明ユニットは、
発光強度が最大となるピーク方向（ＰＤ）から乖離するに従って発光強度が低下する放射角度分布にて、照明光を発する発光素子（１２，２１２）と、
前記発光素子と向き合って配置され、前記照明光のうち前記ピーク方向の光を含む一部放射束を取り込んで集光により平行化する集光部（１４，２１４）と、を有するヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２】
前記発光素子の発光強度が前記ピーク方向に対して５０％以上である分布範囲の前記照明光を前記一部放射束として集光可能とするＦ値をＦｍｉｎとし、前記発光素子の発光強度が前記ピーク方向に対して９０％以上である分布範囲の前記照明光を前記一部放射束として集光可能とするＦ値をＦｍａｘとすると、
各前記照明ユニットにおいて、各前記集光部のＦ値は、Ｆｍｉｎ以上、かつ、Ｆｍａｘ以下である請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項３】
前記照明ユニットの配列にて、一配列方向（ＡＤ）における前記発光素子の配列個数をＮａとし、前記一配列方向に対応する前記照明対象面の寸法をＬａとし、各前記集光部の焦点距離をｆとすると、Ｌａ／Ｎａは、
ｆ／Ｆｍａｘ≦Ｌｔ／Ｎａ≦ｆ／Ｆｍｉｎ
の範囲に設定されている請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
各照明ユニットは、互いに交差する第１配列方向（ＡＤ１）及び第２配列方向（ＡＤ２）の２次元方向に配列され、
前記照明ユニットの配列にて、前記発光素子の総数をＮｓとし、前記照明対象面の面積をＳｔとし、各前記集光部の焦点距離をｆとすると、Ｓｔ／Ｎｓは、
ｆ２／Ｆｍａｘ２≦Ｓｔ／Ｎｓ≦ｆ２／Ｆｍｉｎ２
の範囲に設定されている請求項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】
各前記照明ユニットにおいて、前記集光部は、前記照明光を複合光学面（２０）にて屈折させるレンズ素子（１８）を有し、
前記複合光学面は、前記照明光を集光により平行化する集光面（２１）と、前記照明光を前記集光面の集光による屈折とは逆側に偏向する偏向面（２２）とが、交互に連なる交互配列構造を、形成している請求項１から４のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項６】
各前記照明ユニットにて、前記集光部は、前記発光素子と前記対応箇所との間の光路上に２つの集光素子（１５，１８）を有し、
前記照明ユニットの配列にて、一配列方向における前記発光素子の配列個数をＮａとし、前記一配列方向に対応する前記照明対象面の寸法をＬａとし、前記発光素子と各前記集光素子のうち前記対応箇所側の集光素子との間の距離をＬｏｐとし、各前記集光素子間の距離をｄとすると、Ｌａ／Ｎａは、
（Ｌｏｐ−ｄ）／Ｆｍａｘ≦Ｌａ／Ｎａ≦（Ｌｏｐ−ｄ）／Ｆｍｉｎ
の範囲に設定されている請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項７】
各前記照明ユニットは、互いに交差する第１配列方向及び第２配列方向の２次元方向に配列され、
各前記照明ユニットにおいて、前記集光部は、前記発光素子と前記対応箇所との間の光路上に２つの集光素子を有し、
前記照明ユニットの配列にて、前記発光素子の総数をＮｓとし、前記照明対象面の面積をＳｔとし、前記発光素子と各前記集光素子のうち前記対応箇所側の集光素子との間の距離をＬｏｐとし、各前記集光素子間の距離をｄとすると、Ｓｔ／Ｎｓは、
（Ｌｏｐ−ｄ）２／Ｆｍａｘ２≦Ｓｔ／Ｎｓ≦（Ｌｏｐ−ｄ）２／Ｆｍｉｎ２
の範囲に設定されている請求項２又は６に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項８】
前記発光素子のうち少なくとも１つは、前記照明光を複合光学面にて屈折するレンズ素子であり、
前記複合光学面は、前記照明光を集光により平行化する集光面と、前記照明光を前記集光面の集光による屈折とは逆側に偏向する偏向面とが、交互に連なる交互配列構造を、形成している請求項６又は７に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項９】
前記画像形成部は、前記照明対象面に沿って配置され、前記集光部により平行化された前記照明光を拡散する拡散部（３４）を有する請求項１から８のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１０】
移動体（１）に搭載され、画像を投影部材（３）に投影することにより、前記画像を乗員により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において、
互いに配列され、照明を行なう複数の照明ユニット（１０，２１０）と、
照明対象面（３２，２３２）を有し、各前記照明ユニットがそれぞれ前記照明対象面のうち対応箇所を照明することにより、前記画像が形成される画像形成部（３０，２３０）と、を備え、
各前記照明ユニットは、
発光強度が最大となるピーク方向（ＰＤ）から乖離するに従って発光強度が低下する放射角度分布にて、照明光を発する発光素子（１２，２１２）と、
前記発光素子と向き合って配置され、前記照明光のうち前記ピーク方向の光を含む一部分を取り込んで集光により平行化する集光部（１４，２１４）と、を有するヘッドアップディスプレイ装置の生産方法であって、
前記照明ユニットの配列において、前記発光素子の前記放射角度分布に応じて前記集光部のＦ値を設定するＦ値設定ステップ（Ｓ１０）と、
前記Ｆ値に基づいて、前記照明ユニットの配列により前記照明対象面の全体が照明されるように、前記照明ユニットの総数を設定するユニット数設定ステップ（Ｓ２０）と、を含むヘッドアップディスプレイ装置の生産方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体に搭載され、画像を乗員により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（以下、ＨＵＤ装置を略称とする）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、移動体に搭載され、画像を乗員により視認可能に虚像表示するＨＵＤ装置が知られている。特許文献１に開示のＨＵＤ装置は、互いに配列され、照明を行なう複数の照明ユニットと、照明対象面を有し、各照明ユニットがそれぞれ照明対象面のうち対応箇所を照明することにより、画像が形成される画像形成部と、を備えている。
【０００３】
ここで、各照明ユニットは、照明光を発する発光素子と、発光素子と向き合って配置され、照明光を集光する集光部と、を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０８４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１には、発光素子がどのような放射角度分布を有するのかも、発光素子の照明光に対する集光部の集光機能の詳細も、開示されていない。したがって、発光素子からの光を効率的に利用して、輝度ムラを低減することが困難であった。
【０００６】
本発明は、以上説明した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、効率的に虚像の輝度ムラを低減可能な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】
【０００７】
開示される発明のひとつは、移動体（１）に搭載され、画像を投影部材（３）に投影することにより、画像を乗員により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、
互いに配列され、照明を行なう複数の照明ユニット（１０，２１０）と、
照明対象面（３２，２３２）を有し、各照明ユニットがそれぞれ照明対象面のうち対応箇所を照明することにより、画像が形成される画像形成部（３０，２３０）と、を備え、
各照明ユニットは、
発光強度が最大となるピーク方向（ＰＤ）から乖離するに従って発光強度が低下する放射角度分布にて、照明光を発する発光素子（１２，２１２）と、
発光素子と向き合って配置され、照明光のうちピーク方向の光を含む一部放射束を取り込んで集光により平行化する集光部（１４，２１４）と、を有する。
【０００８】
このような発明によると、各照明ユニットにおいて、発光素子から発せられる照明光は、発光素子と向き合って配置された集光部により集光される。より詳細には、各照明ユニットにおいて、発光強度が最大となるピーク方向から乖離するに従って発光強度が低下する放射角度分布の照明光のうち、ピーク方向の光を含む一部放射束が、集光部の集光により平行化される。要するに、照明光のうちピーク方向に対して発光強度が低い部分を除外して、照明光を平行化することが可能となる。このような集光部により平行化された照明光が画像形成部の照明対象面のうち対応箇所を照明する。そして、互いに配列された各照明ユニットにより、照明対象面の全体への均一化された照明が可能となるので、画像全体の輝度ムラを抑制することができる。以上により、画像の投影部材への投影により表示される虚像の輝度ムラを低減可能となるのである。
【０００９】
開示される発明の他のひとつは、移動体（１）に搭載され、画像を投影部材（３）に投影することにより、画像を乗員により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において、
互いに配列され、照明を行なう複数の照明ユニット（１０，２１０）と、
照明対象面（３２，２３２）を有し、各照明ユニットがそれぞれ照明対象面のうち対応箇所を照明することにより、画像が形成される画像形成部（３０，２３０）と、を備え、
各照明ユニットは、
発光強度が最大となるピーク方向（ＰＤ）から乖離するに従って発光強度が低下する放射角度分布にて、照明光を発する発光素子（１２，２１２）と、
発光素子と向き合って配置され、照明光のうちピーク方向の光を含む一部分を取り込んで集光により平行化する集光部（１４，２１４）と、を有するヘッドアップディスプレイ装置の生産方法であって、
照明ユニットの配列において、発光素子の放射角度分布に応じて集光部のＦ値を設定するＦ値設定ステップ（Ｓ１０）と、
Ｆ値に基づいて、照明ユニットの配列により照明対象面の全体が照明されるように、照明ユニットの総数を設定するユニット数設定ステップ（Ｓ２０）と、を含む。
【００１０】
照明光のうちピーク方向の光を含む一部放射束を取り込む集光部において、Ｆ値が過小な場合、照明光の発光強度がより低い部分まで集光されてしまい、輝度ムラの低減効果が小さくなる。一方でＦ値が過大な場合、照明対象面を照明するためにより多数の照明ユニットが必要となる。
【００１１】
そこで本発明の生産方法では、照明ユニットにおいて、発光素子の放射角度分布に応じて集光部のＦ値が設定される。そして、設定されたＦ値に基づいて、照明ユニットの総数が設定される。照明ユニットの総数の設定により、当該照明ユニットの配列により照明対象面の全体が照明される。こうして、各集光部のＦ値が好適な値に設定されると共に、互いに配列された各照明ユニットにより、照明対象面の全体への均一化された照明が可能となる。したがって、照明ユニットの必要数と画像全体に亘る輝度ムラの低減効果との調和を図ることができる。以上により、画像の投影部材への投影により表示される虚像の輝度ムラを低減したＨＵＤ装置が提供可能となるのである。
【００１２】
なお、括弧内の符号は、記載内容の理解を容易にすべく、後述する実施形態において対応する構成を例示するものに留まり、発明の内容を限定することを意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態におけるＨＵＤ装置の車両への搭載状態を示す模式図である。
【図２】第１実施形態における照明ユニットの配列を示す模式図である。
【図３】第１実施形態における発光素子の放射角度分布を示すグラフである。
【図４】図２の照明ユニットのひとつの構成を簡略化して示す模式図である。
【図５】図２の照明ユニットの配列の構成を簡略化して示す模式図である。
【図６】図５の集光部を第１レンズ素子と第２レンズ素子とに分離して示した図である。
【図７】第１実施形態において、集光部のＦ値が０．５の場合の照明対象面の輝度を示すシミュレーション画像である。
【図８】第１実施形態において、集光部のＦ値が０．７の場合の照明対象面の輝度を示すシミュレーション画像である。
【図９】第１実施形態において、集光部のＦ値が１．０の場合の照明対象面の輝度を示すシミュレーション画像である。
【図１０】配列方向断面における照明対象面の輝度分布を示すグラフである。
【図１１】第１実施形態におけるＨＵＤ装置の生産方法を示すフローチャートである。
【図１２】第２実施形態における図５に対応する図である。
【図１３】変形例３における照明ユニットの配列を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の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。
【００１５】
（第１実施形態）
図１に示すように、本発明の第１実施形態によるＨＵＤ装置１００は、移動体の一種である車両１に搭載され、インストルメントパネル２内に収容されている。ＨＵＤ装置１００は、車両１の投影部材としてのウインドシールド３に画像を投影する。これにより、ＨＵＤ装置１００は、画像を車両１の乗員により視認可能に虚像表示する。すなわち、ウインドシールド３に反射される画像の光が、車両１の室内において乗員のアイポイントＥＰに到達し、乗員が当該光を知覚する。そして、乗員は、虚像ＶＩ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ＶＩとして表示される各種情報としては、例えば、車速、燃料残量等の車両状態値、又は道路情報、視界補助情報等の車両情報が挙げられる。
【００１６】
車両１のウインドシールド３は、透光性のガラスないしは合成樹脂等により板状に形成されている。ウインドシールド３において、室内側の面は、画像が投影される投影面３ａを滑らかな凹面状又は平面状に形成している。なお、投影部材として、ウインドシールド３の代わりに、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、当該コンバイナに画像を投影するものであってもよい。
【００１７】
このようなＨＵＤ装置１００の具体的構成を、図１〜６に基づいて、以下に説明する。ＨＵＤ装置１００は、複数の照明ユニット１０、画像形成部３０、平面鏡４０、及び凹面鏡４２を備えており、これらはハウジング５０に収容され、保持されている。
【００１８】
複数の照明ユニット１０は、図２に示すように、互いに配列されている。特に本実施形態では、一配列方向ＡＤに配列された照明ユニット１０が３つ設けられている。各照明ユニット１０は、それぞれ発光素子１２及び集光部１４を有している。
【００１９】
各照明ユニット１０において、発光素子１２は、発熱の少ない発光ダイオード素子である。発光素子１２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。より詳細に、発光素子１２は、チップ状の青色発光ダイオード素子を、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。青色発光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照明光が発せられる。
【００２０】
ここで図３に示すように、発光素子１２は、発光強度が最大となるピーク方向ＰＤから乖離するに従って発光強度が相対的に低下する放射角度分布にて、照明光を発する。
【００２１】
各照明ユニット１０において集光部１４は、図２に示すように、発光素子１２と対になるように設けられ、発光素子１２と向き合って配置されている。具体的に第１実施形態の集光部１４は、２つのレンズ素子１５，１８を有するレンズ群となっている。
【００２２】
第１レンズ素子１５は、透光性の合成樹脂ないしはガラス等からなる集光素子であり、集光部１４において発光素子１２側に配置されている。第１レンズ素子１５は、発光素子１２側において、入射側屈折面１６を、滑らかな平面状に有している。また第１レンズ素子１５は、第２レンズ素子１８側において、射出側屈折面１７を、滑らかな凸曲面状に形成している。
【００２３】
そして、照明ユニット１０の配列において各第１レンズ素子１５は、一部品として一体的に形成されてレンズアレイを構成している。
【００２４】
第２レンズ素子１８は、透光性の合成樹脂ないしはガラス等からなる集光素子であり、集光部１４において画像形成部３０側に配置されている。第２レンズ素子１８は、第１レンズ素子１５側において、入射側屈折面１６を、滑らかな平面状に形成している。また、第２レンズ素子１８は、画像形成部３０側において、照明光を屈折させる複合光学面２０を形成している。
【００２５】
複合光学面２０は、第２レンズ素子１８の全面に亘って形成されている。複合光学面２０は、集光面２１と、偏向面２２とが交互に連なる交互配列構造を、形成している。
【００２６】
集光面２１は、集光仮想面Ｓｉｃを配列方向ＡＤに所定の分割幅Ｗｓで領域分割した一分割領域として、形成されている。ここで、集光仮想面Ｓｉｃは、画像形成部３０側に凸となる凸面として滑らかな曲面状となっている。
【００２７】
偏向面２２は、偏向仮想面Ｓｉｄを配列方向ＡＤに所定の分割幅Ｗｓで領域分割した一分割領域として、形成されている。偏向仮想面Ｓｉｄは、集光仮想面Ｓｉｃの面頂点に対応する箇所で逆勾配に変わる複数の斜面Ｓｉｓにより構成されており、本実施形態において各斜面Ｓｉｓは、滑らかな平面状となっている。ここで、各斜面Ｓｉｓの勾配は、集光仮想面Ｓｉｃの対応する箇所の勾配とは逆勾配となるように設定されている。
【００２８】
ここで、集光面２１及び偏向面２２の領域分割における分割幅Ｗｓは、様々に設定されているが、各面間でサグ量がおよそ一定になるように設定されることで、第２レンズ素子１８全体の厚みを一定化している。これら集光面２１と偏向面２２とが交互に配列されることで、集光仮想面Ｓｉｃのうち一部の形状、及び偏向仮想面Ｓｉｄのうち一部の形状が抽出されて、複合光学面２０上に再現されている。なお、図２では、分割幅Ｗｓのうち一部にのみその寸法が示されている。
【００２９】
こうした集光面２１は、照明光を集光により平行化し、偏向面２２は、照明光を集光面２１による屈折とは逆側に偏向するようになっている。
【００３０】
各集光面２１のうち、集光仮想面Ｓｉｃの面頂点を含む集光面２１において面頂点２１ａは、発光素子１２と第１レンズ素子１５の射出側屈折面１７の面頂点１７ａとを結ぶ直線ＳＬ上に配置されている。この直線ＳＬは配列方向ＡＤと実質直交している。こうした第２レンズ素子１８は、照明ユニット１０の配列において、一部品として一体的に形成されて複合型フレネルレンズアレイを構成している。
【００３１】
そして、発光素子１２は、集光部１４の焦点ＦＰ上に配置されている。より詳細には、各レンズ素子１５，１８の合成焦点距離（すなわち主平面ＰＣから焦点までの距離、図６も参照）である集光部１４の焦点距離をｆとすると、発光素子１２の配置において、例えば、直線ＳＬに沿った方向において焦点距離ｆの１０％、配列方向ＡＤにおいて焦点距離ｆの５％の誤差が許容される。加えて発光素子１２は、ピーク方向ＰＤを直線ＳＬに沿わせて照明光を発するようになっている。
【００３２】
これら各照明ユニット１０におけるこうした発光素子１２と集光部１４との配置構成及び集光部１４のＦ値の設定の結果、集光部１４は、照明光のうちピーク方向ＰＤの光を含む一部放射束を取り込んで集光により平行化するようになっている。平行化された光が直線ＳＬに沿うことで、各照明ユニット１０において直線ＳＬに沿った光路が構成されている。
【００３３】
より詳細に、発光素子１２の発光強度がピーク方向ＰＤに対して、第１所定割合（本実施形態では５０％）以上である分布範囲の照明光を一部放射束として集光可能とするＦ値をＦｍｉｎとする。また、発光素子１２の発光強度がピーク方向ＰＤに対して、第１所定割合よりも高い第２所定割合（本実施形態では９０％）以上である分布範囲の照明光を一部放射束として集光可能とするＦ値をＦｍａｘとする。すると、集光部１４のＦ値は、Ｆｍｉｎ以上、かつ、Ｆｍａｘ以下となっている。なお、本実施形態におけるＦ値の定義については後述する。
【００３４】
本実施形態の放射角度分布の発光素子１２について言えば、Ｆｍｉｎの場合、図３の相対発光強度が０．５となる角度を参照すると、約±６０度となっているので、集光部１４は、照明光のうち−６０度〜＋６０度の範囲を一部放射束として取り込むこととなる。Ｆｍａｘの場合、図３の相対発光強度が０．９となる角度を参照すると、約±２０度となっているので、集光部１４は、照明光のうち−２５度〜＋２５度の範囲を一部放射束として取り込むこととなる。
【００３５】
このように照明を行なう一照明ユニット１０は、このように一部放射束を平行化して、画像形成部３０において直線ＳＬと実質直交している照明対象面３２のうち、対応箇所を照明する。
【００３６】
本実施形態の画像形成部３０は、図１に示すように、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、ＴＦＴ）を用いた液晶パネルであって、例えば２次元方向に配列された複数の液晶画素から形成されるアクティブマトリクス型の液晶パネルである。画像形成部３０では、一対の偏光板及び一対の偏光板に挟まれた液晶層等が積層されている。偏光板は、電場ベクトルが所定方向の光を透過させ、電場ベクトルが所定方向と実質垂直な方向の光を吸収する性質を有し、一対の偏光板は当該所定方向を実質直交して配置される。液晶層は、液晶画素毎の電圧印加により、印加電圧に応じて液晶層に入射する光の偏光方向を回転させることが可能となっている。
【００３７】
したがって、画像形成部３０は、パネルの照明ユニット１０側表面である照明対象面３２への光の入射により、液晶画素毎の当該光の透過率を制御して、画像を形成することが可能となっている。隣り合う液晶画素には、互いに異なる色（例えば、赤、緑、及び青）のカラーフィルタが設けられており、これらの組み合わせにより、様々な色が実現されるようになっている。
【００３８】
ここで各照明ユニット１０がそれぞれ照明対象面３２のうち、対応箇所を照明することにより、照明対象面３２の全体が照明されるようになっている。本実施形態では、一配列方向ＡＤに３つの照明ユニット１０が配列されることにより、配列方向ＡＤに対応する方向を長手方向とする矩形状の画像が形成される。
【００３９】
さらに画像形成部３０は、照明ユニット１０側表面において、拡散部３４を有している。拡散部３４は、照明対象面３２に沿って配置され、例えばフィルム状に形成される。あるいは拡散部３４は、例えば照明対象面３２に微小な凹凸を設けることにより形成されてもよい。こうした拡散部３４は、平行化された照明光を拡散してから画像形成部３０を透過させる。
【００４０】
画像形成部３０により形成された画像の光は、平面鏡４０に入射する。
【００４１】
平面鏡４０は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、反射面４１としてアルミニウムを蒸着させること等により形成されている。反射面４１は、滑らかな平面状に形成されている。そして、平面鏡４０は、画像形成部３０からの画像の光を、凹面鏡４２へ向けて反射する。
【００４２】
凹面鏡４２は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、反射面４３としてアルミニウムを蒸着させること等により形成されている。反射面４３は、凹面鏡４２の中心が凹む凹面として、滑らかな曲面状に形成されている。そして、凹面鏡４２は、平面鏡４０からの画像の光を、ウインドシールド３へ向けて反射する。
【００４３】
凹面鏡４２とウインドシールド３との間においてハウジング５０に開口部が設けられている。開口部には、透光性の防塵カバー５２が設けられている。したがって、凹面鏡４２からの画像の光は、当該防塵カバー５２を透過して、ウインドシールド３に反射される。こうして乗員がウインドシールド３に反射された光を虚像ＶＩとして視認可能となるのである。
【００４４】
次に、本実施形態の照明ユニット１０の配列について、図４〜６に簡略化して示される配列方向ＡＤの断面構成図を用いて詳細に説明する。
【００４５】
まず、図４を基に、一つの照明ユニット１０が照明対象面３２の対応箇所を照明する照明幅Ｈについて考える。今、発光素子１２が焦点ＦＰ上に配置されている。したがって、集光部１４の焦点距離ｆを用いて、集光部１４のＦ値であるＦｎｏはＦｎｏ＝ｆ／Ｈで定義され得るから、平行化された光による照明幅ＨはＨ＝ｆ／Ｆｎｏで表される。前述の通り、集光部１４のＦ値は、Ｆｍｉｎ以上、かつ、Ｆｍａｘ以下に設定されているので、結局、照明幅Ｈは、
ｆ／Ｆｍａｘ≦Ｈ≦ｆ／Ｆｍｉｎ  …（式１）
の範囲を取り得る。
【００４６】
次に、図５に示す照明ユニット１０の配列にて、配列方向ＡＤにおける発光素子１２の配列個数をＮａとし、配列方向ＡＤに対応する照明対象面３２の寸法をＬａとする。配列方向ＡＤにおいて照明対象面３２の全幅を隙間なく照明するためには、Ｎａ＝Ｌａ／Ｈの配列個数が必要である。したがって、本実施形態では、Ｌａ／Ｎａが
ｆ／Ｆｍａｘ≦Ｌａ／Ｎａ≦ｆ／Ｆｍｉｎ  …（式２）
の範囲に設定されている。
【００４７】
図５に対して集光部１４を第１レンズ素子１５及び第２レンズ素子１８を分離して図示した図６を用いて、さらに詳細を説明する。ここで発光素子１２と第２レンズ素子１８との間の距離をＬｏｐとし、両レンズ素子１５，１８間の距離をｄとする。さらに、第１レンズ素子１５の焦点距離をｆ１、第２レンズ素子１８の焦点距離をｆ２とすると、集光部１４の焦点距離ｆは、
１／ｆ＝１／ｆ１＋１／ｆ２−ｄ／（ｆ１・ｆ２）  …（式３）
を満足する。
【００４８】
このとき距離Ｌｏｐは、Ｌｏｐ＝ｄ＋ｆ・（１−ｄ／ｆ２）である。ここで、ｆ２はｄに対して大きいため、ｄ／ｆ２≒０と近似すると、結局、Ｌｏｐ＝ｄ＋ｆと書ける。これを用いて式２を書き換えると、Ｌａ／Ｎａは、
（Ｌｏｐ−ｄ）／Ｆｍａｘ≦Ｌａ／Ｎａ≦（Ｌｏｐ−ｄ）／Ｆｍｉｎ  …（式４）
の範囲に設定されていることがわかる。
【００４９】
ここで、式２あるいは式４を満足するように設計されたＨＵＤ装置１００について、発明者が行なった虚像表示の輝度シミュレーションについて説明する。各照明ユニット１０において、集光部１４のＦ値をＦｎｏ＝０．５（図７）、Ｆｎｏ＝０．７（図８）、Ｆｎｏ＝１．０（図９）にそれぞれ設定した場合が図示されている。さらに配列方向ＡＤ断面における輝度分布が図１０に図示されている。
【００５０】
これを検証すると、Ｌａ／Ｎａが式２の下限に近くなるＦｎｏ＝１．０の場合では、これよりもＦ値が小さい場合に比べて輝度ムラが抑制されていることがわかる。その一方で比較的、寸法Ｌａ当たりの配列個数は多くなり得る。そして、式２の範囲を超えて、Ｆ値をＦｍａｘよりも大きく設定すると、Ｆ＝１．０の場合と比べて輝度ムラの抑制効果が然程変わらないのにもかかわらず、寸法Ｌａ当たりの配列個数Ｎａが急増してしまう。
【００５１】
一方、Ｌａ／Ｎａが式２の上限に近くなるＦｎｏ＝０．５の場合では、これよりもＦ値が小さい場合に比べて、寸法Ｌａ当たりの配列個数Ｎａは少なくて済む。その一方で比較的、輝度ムラは大きくなる。そして、式２の範囲を超えて、Ｆ値をＦｍｉｎよりも小さく設定すると、輝度ムラによって虚像ＶＩの視認性に大きな影響が生じる。
【００５２】
以下では、このようなＨＵＤ装置１００の生産方法について、特に照明ユニット１０を配列する方法を中心に、図１１のフローチャートを用いて説明する。
【００５３】
まず、ステップＳ１０では、Ｆ値設定ステップとして、照明ユニット１０の配列において、発光素子１２の放射角度分布に応じた集光部１４のＦ値を設定する。特に本実施形態では、集光部１４のＦ値をＦｍｉｎ以上、かつ、Ｆｍａｘ以下に設定する。ステップＳ１０の終了後、ステップＳ２０へ移る。
【００５４】
ステップＳ２０では、ユニット数設定ステップとして、Ｆ値に基づいて、照明ユニット１０の配列により照明対象面３２の全体が照明されるように、照明ユニット１０の総数を設定する。具体的には、Ｆ値及び焦点距離ｆより照明幅Ｈが得られるので、これに基づいてＬａ／Ｈの値を切り上げることで得られた自然数を、配列個数Ｎａとして設定すればよい。ステップＳ２０の終了後、ステップＳ３０へ移る。
【００５５】
ステップＳ３０では、照明ユニット１０の配列の組み立てを行なう。すなわち、各照明ユニット１０がそれぞれ照明対象面３２のうち対応箇所を照明することにより、照明対象面３２の全体が照明されるように、各照明ユニット１０を互いに配列する。
【００５６】
さらにその他の要素が前述のように構成されることにより、ＨＵＤ装置１００が完成する。
【００５７】
（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説明する。
【００５８】
第１実施形態によると、各照明ユニット１０において、発光素子１２から発せられる照明光は、発光素子１２と向き合って配置された集光部１４により集光される。より詳細には、各照明ユニット１０において、発光強度が最大となるピーク方向ＰＤから乖離するに従って発光強度が低下する放射角度分布の照明光のうち、ピーク方向ＰＤの光を含む一部放射束が、集光部１４の集光により平行化される。要するに、照明光のうちピーク方向ＰＤに対して発光強度が低い部分を除外して、照明光を平行化することが可能となる。このような集光部１４により平行化された照明光が画像形成部３０の照明対象面３２のうち対応箇所を照明する。そして、互いに配列された各照明ユニット１０により、照明対象面３２の全体への均一化された照明が可能となるので、画像全体の輝度ムラを抑制することができる。以上により、画像のウインドシールド３への投影により表示される虚像ＶＩの輝度ムラを低減可能となるのである。
【００５９】
照明光のうちピーク方向ＰＤの光を含む一部放射束を取り込む集光部１４において、Ｆ値が過小な場合、照明光の発光強度がより低い部分まで集光されてしまい、輝度ムラの低減効果が小さくなる。一方でＦ値が過大な場合、照明対象面３２を照明するためにより多数の照明ユニット１０が必要となる。そこで第１実施形態では、集光部１４のＦ値は、Ｆｍｉｎ以上、かつ、Ｆｍａｘ以下となっている。したがって、照明ユニット１０の必要数と輝度ムラの低減効果との調和が図られて、効率的に虚像ＶＩの輝度ムラを低減することが可能となる。
【００６０】
また、第１実施形態によると、式２の範囲にＬａ／Ｎａが設定されているので、一配列方向ＡＤにおいて、発光素子１２の配列個数Ｎａの増加を抑制しつつ、照明対象面３２への照明を確実に均一化できる。
【００６１】
また、第１実施形態によると、照明光は、集光部１４が有するレンズ素子１８の複合光学面２０にて屈折される。ここで、複合光学面２０は、照明光を集光により平行化する集光面２１と、偏向面２２とが、交互に連なる交互配列構造を、形成している。この交互配列構造では、発光素子１２から対応する集光部１４に取り込まれた光は、当該集光面２１により集光される一方、対応する集光部１４に取り込まれずに隣の照明ユニット１０に入射した光についても、一部が偏向面２２により再び対応する照明ユニット１０側に偏光され得る。したがって、隣の照明ユニット１０と光が混ぜ合わされるだけでなく、取り込まれなかった光が再利用されることとなるので、虚像ＶＩの輝度ムラを低減することができる。
【００６２】
また、第１実施形態によると、式４の範囲にＬａ／Ｎａが設定されている。これにより、２つの集光素子としてレンズ素子１５，１８を有する集光部１４において、一配列方向ＡＤにおいて、発光素子１２の配列個数Ｎａの増加を抑制しつつ、照明対象面３２への照明を確実に均一化できる。
【００６３】
また、第１実施形態によると、画像形成部３０は、照明対象面３２に沿って配置される拡散部３４を有するので、集光部１４により照明光が平行化されても、拡散部３４により画像の光が拡散される。したがって、効率的に虚像ＶＩの輝度ムラを低減しつつ、当該虚像ＶＩを視認可能な視野角を拡大することができる。
【００６４】
また、第１実施形態のＨＵＤ装置１００の生産方法では、照明ユニット１０において、発光素子１２の放射角度分布に応じて集光部１４のＦ値が設定される。そして、設定されたＦ値に基づいて、照明ユニット１０の総数が設定される。照明ユニット１０の総数の設定により、当該照明ユニット１０の配列により照明対象面３２の全体が照明される。こうして、各集光部１４のＦ値が好適な値に設定されると共に、互いに配列された各照明ユニット１０により、照明対象面３２の全体への均一化された照明が可能となる。したがって、照明ユニット１０の必要数と画像全体に亘る輝度ムラの低減効果との調和を図ることができる。以上により、画像のウインドシールド３への投影により表示される虚像ＶＩの輝度ムラを低減したＨＵＤ装置が提供可能となるのである。
【００６５】
（第２実施形態）
図１２に示すように、本発明の第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。
【００６６】
第２実施形態の各照明ユニット２１０は、互いに交差する第１配列方向ＡＤ１及び第２配列方向ＡＤ２の２次元方向に、配列されている。特に第２実施形態では、第１配列方向ＡＤ１は、画像形成部２３０の照明対象面２３２の左右方向に対応し、第２配列方向ＡＤ２は、照明対象面２３２の上下方向に対応している。こうして、第１配列方向ＡＤ１と第２配列方向ＡＤ２とが実質直交している。
【００６７】
そして、照明ユニット２１０の配列にて、第１配列方向ＡＤ１における発光素子２１２の配列個数をＮａｈとし、照明対象面２３２の左右方向の寸法をＬａｈとすると、第１実施形態の式２，４と同様に、Ｌａｈ／Ｎａｈは、
ｆ／Ｆｍａｘ≦Ｌａｈ／Ｎａｈ≦ｆ／Ｆｍｉｎ  …（式５）
（Ｌｏｐ−ｄ）／Ｆｍａｘ≦Ｌａｈ／Ｎａｈ≦（Ｌｏｐ−ｄ）／Ｆｍｉｎ  …（式６）
の範囲に設定されている。
【００６８】
また、照明ユニット２１０の配列にて、第２配列方向ＡＤ２における発光素子２１２の配列個数をＮａｖとし、照明対象面２３２の左右方向の寸法をＬａｖとすると、第１実施形態の式２，４と同様に、Ｌａｖ／Ｎａｖは、
ｆ／Ｆｍａｘ≦Ｌａｖ／Ｎａｖ≦ｆ／Ｆｍｉｎ  …（式７）
（Ｌｏｐ−ｄ）／Ｆｍａｘ≦Ｌａｖ／Ｎａｖ≦（Ｌｏｐ−ｄ）／Ｆｍｉｎ  …（式８）
の範囲に設定されている。
【００６９】
ここで、各配列方向ＡＤ１，ＡＤ２に配列された発光素子２１２の総数をＮｓとし、照明対象面２３２の面積をＳｔとする。Ｎｓ＝Ｎａｈ・Ｎａｖ、Ｓｔ＝Ｌａｈ・Ｌａｖであるから、式５，７よりＳｔ／Ｎｓは、
ｆ２／Ｆｍａｘ２≦Ｓｔ／Ｎｓ≦ｆ２／Ｆｍｉｎ２  …（式９）
の範囲に設定されていることがわかる。
【００７０】
同様に、式６，８よりＳｔ／Ｎｓは、
（Ｌｏｐ−ｄ）２／Ｆｍａｘ２≦Ｓｔ／Ｎｓ≦（Ｌｏｐ−ｄ）２／Ｆｍｉｎ２
…（式１０）
の範囲に設定されていることがわかる。
【００７１】
なお、図１２では、一部の照明ユニット２１０にのみ発光素子２１２及び集光部２１４の符号が付されている。
【００７２】
また、生産方法としては、第１実施形態のステップＳ２０と同様の配列個数Ｎａｈ，Ｎａｖの設定を、各配列方向ＡＤ１，ＡＤ２について行なうことで、照明ユニットの総数を設定することができる。
【００７３】
このような第２実施形態においても、集光部２１４が照明光のうちピーク方向ＰＤの光を含む一部放射束を取り込んで集光により平行化しているので、第１実施形態に準じた作用効果を奏することが可能となる。
【００７４】
また、第２実施形態によると、２次元方向に配列された照明ユニット２１０の配列において式９の範囲にＳｔ／Ｎｓが設定されているので、発光素子２１２の総数Ｎｓの増加を抑制しつつ、照明対象面２３２の全体への照明を確実に均一化できる。
【００７５】
また、第２実施形態によると、２次元方向に配列された照明ユニット２１０の配列において式１０の範囲にＳｔ／Ｎｓが設定されている。これにより、２つの集光素子を有する集光部２１４において、発光素子２１２の総数Ｎｓの増加を抑制しつつ、照明対象面２３２への照明を確実に均一化できる。
【００７６】
（他の実施形態）
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は、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。
【００７７】
具体的に変形例１としては、第２レンズ素子１８は、集光面２１と偏向面２２とが交互に連なる交互配列構造を形成した複合光学面２０を採用していなくてもよい。この例として、第２レンズ素子１８は、滑らかな曲面状の屈折面により、一部放射束を集光により平行化するものであってもよい。
【００７８】
変形例２としては、各照明ユニット１０において集光部１４は、１つのレンズ素子により構成されていてもよい。また、各照明ユニット１０において集光部１４は、３つ以上のレンズ素子により構成されていてもよい。
【００７９】
変形例３としては、各照明ユニット１０において集光部１４は、レンズ素子以外の集光素子を採用することができる。図１３の例では、集光部１４は、集光素子として反射素子を含んでいる。
【００８０】
変形例４としては、画像形成部３０は、拡散部３４を有していなくてもよい。
【００８１】
変形例５としては、発光素子１２は、ピーク方向ＰＤから乖離するに従って発光強度が低下する放射角度分布であればよく、図３に示す分布よりも、指向性の高い発光素子又は指向性の低い発光素子を採用することができる。
【００８２】
第２実施形態に関する変形例６としては、第１配列方向ＡＤ１と第２配列方向ＡＤ２とは、互いに交差するものであれば、直交していなくてもよい。
【００８３】
変形例７としては、車両１以外の船舶ないしは飛行機等の各種移動体（輸送機器）に、本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１００  ＨＵＤ装置、１  車両（移動体）、３  ウインドシールド（投影部材）、１０，２１０  照明ユニット、１２，２１２  発光素子、１４，２１４  集光部、１５  第１レンズ素子（集光素子）、１８  第２レンズ素子（集光素子）、２０  複合光学面、２１  集光面、２２  偏向面、３０，２３０  画像形成部、３２，２３２  照明対象面、３４  拡散部、ＰＤ  ピーク方向
【図１】
2017134175.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】
2017134175.tif 000009
【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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