(57)【要約】【課題】収差が良好に補正された虚像を表示する小型のヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置１０は、画像の情報を持つ表示光２１を生成し、これを拡大投影するミラー光学系２２と、表示光２１を反射して虚像を表示するフロントガラスとからなる。ミラー光学系２２は、表示光２１を生成する液晶パネル２３、第１平面ミラー２６、非回転対称非球面形状の凹面ミラー２８等からなる。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、第１平面ミラー２６で表示光２１を反射して凹面ミラー２８へと導く。虚像の中心となる主光線の経路を基準光軸Ｌ１とすると、凹面ミラー２８は２０＜α＜２５を満たす偏向角α（度）で基準光軸Ｌ１を偏向するように、表示光２１を再度第１平面ミラー２６へと反射する。再度第１平面ミラー２６に入射した表示光２１は、フロントガラスへと拡大投影される。【選択図】図２
2009115908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の位置にいる観察者に対面する反射面で、画像表示パネルからの表示光を観察者側に反射し、前記反射面越しに前記画像表示パネルに表示された画像を虚像として拡大表示するミラー光学系において、
前記虚像の中心となる前記表示光を追跡した主光線の経路を基準光軸とするときに、
前記画像表示パネルからの表示光を反射し、前記基準光軸を偏向する第１平面ミラーと、
面形状が非回転対称非球面であり、前記基準光軸に対して偏心して配置され、前記第１平面ミラーで反射された前記表示光を反射して、前記表示光を再度前記第１平面ミラーに入射させ、前記画像表示パネルに表示された画像を拡大投影する凹面ミラーと、
を備え、
前記第１平面ミラーは、前記凹面ミラーから拡大投影された前記画像を前記反射面で反射させて虚像として表示することを特徴とするミラー光学系。
【請求項２】
前記第１平面ミラーから前記凹面ミラーに入射する前記表示光の基準光軸と、前記凹面ミラーから前記第１平面ミラーに入射する前記表示光の基準光軸とのなす角α（度）が
１５  ＜  α  ＜  ３３
を満たすことを特徴とする請求項１記載のミラー光学系。
【請求項３】
前記画像表示パネルは、前記基準光軸に対して傾斜して配置されることを特徴とする請求項１または２記載のミラー光学系。
【請求項４】
前記画像表示パネルと前記第１平面ミラーとの間に、前記表示光を前記第１平面ミラーに反射して導く第２平面ミラーを備えることを特徴とする請求項１ないし３に記載のミラー光学系。
【請求項５】
請求項１ないし４に記載のミラー光学系を備えることを特徴とする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、自動車や航空機などのフロントガラスに画像表示光を投影し、フロントガラス越しにその虚像が観察できるようにした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】
例えば自動車のフロントガラスにより画像の表示光を観察者である運転手に向かって反射させ、スピードメータなどの計器類の画像を虚像として観察できるようにしたヘッドアップディスプレイ装置が特許文献１などで知られている。計器類の画像は、フロントガラス越しに運転手から２ｍ以上離れた位置に虚像として拡大表示されることから、運転手は通常の前方視野とともに視線方向や視度をほとんど変えずに表示画像を観察することができる。
【０００３】
こうした用途で用いられる光学系ユニットは、特許文献１にも記載のように、画像表示パネル、照明光源、投影光学系とから構成される。画像表示パネルには透過型液晶表示パネルが多用され、その背後に設けられたバックライト光源が照明光源となり、液晶表示パネルを透過した画像表示光を投影光学系に入射させる。投影光学系には凹面ミラーが用いられ、凹面ミラーからの収束反射光が表示光としてフロントガラスに入射し、さらにフロントガラスの反射により表示光が観察者へと向けられるようになっている。
【０００４】
一般に、自動車などではフロントガラスの近傍に広いスペースを確保することが難しいことから、例えば画像表示パネルや凹面ミラーのサイズをコンパクト化したい要求がある。その反面、観察される虚像は観察者から２ｍ以上離れた位置となるため、その画像サイズは小さくても１５０ｍｍ程度にする必要がある。さらに、運転手の両眼の位置が必ずしも一定ではなく、左右に２０ｍｍ程度ずれても両眼での観察を可能にするには、射出瞳のサイズを少なくとも１００ｍｍ程度は確保し、また表示光を運転手に向けて反射させるフロントガラスが、運転手と虚像の表示位置とのほぼ中間に位置していることを考慮すると、凹面ミラーの口径を１２５ｍｍ程度にしておく必要がある。
【０００５】
画像表示パネルに表示された小さな表示画像を拡大投影する場合、凹面ミラーから虚像までの像距離をＬ、像倍率をβ、凹面ミラーの焦点距離をｆとすると、Ｌ＝（１＋β）×ｆとなる（結像公式）。そして、像距離Ｌを１１００ｍｍ、画像表示パネル上の画像サイズを１５ｍｍとし、これを１０倍に投影して１５０ｍｍの像を得ようとすると、凹面ミラーの焦点距離ｆは１００ｍｍとなる。前述の理由から、凹面ミラーの口径を１２５ｍｍにした場合、凹面ミラーの明るさ（焦点距離／口径）は０．８と非常に明るいものになるが、これとともに収差もできるだけ抑えることが望まれる。
【特許文献１】特開２００６−１１１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のヘッドアップディスプレイ装置の光学ユニットは、凹面ミラーで表示光を大きな偏向角で反射させているため球面収差や非点収差が出やすくなる。例えば特許文献１記載の光学系では、画像中心を通る主光線に相当する基準光軸を凹面ミラーで折り曲げる際に、折り曲げ前後の光軸相互間の角度（偏向角α）が６０度程度にも達し、収差を軽減して良好な結像性能を得るには焦点距離を例えば３００ｍｍ程度まで長くしなければならない。このため、観察しやすいサイズで画像表示を行おうとすると、画像表示パネルのサイズやその照明系も大きくなって、スペース、コスト、消費電力の増大を避けることができない。
【０００７】
本発明は以上の背景を考慮してなされたもので、画像表示パネルを小型化しながらも、観察しやすい画像サイズで虚像を表示することができ、しかも収差を抑える点でも有利なミラー光学系、及びこれを用いた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】
【０００８】
本発明のミラー光学系は、所定の位置にいる観察者に対面する反射面で、画像表示パネルからの表示光を観察者側に反射し、前記反射面越しに前記画像表示パネルに表示された画像を虚像として拡大表示するミラー光学系であり、前記虚像の中心となる前記表示光を追跡した主光線の経路を基準光軸とするときに、前記画像表示パネルからの表示光を反射し、前記基準光軸を偏向する第１平面ミラーと、面形状が非回転対称非球面であり、前記基準光軸に対して偏心して配置され、前記第１平面ミラーで反射された前記表示光を反射して、前記表示光を再度前記第１平面ミラーに入射させ、前記画像表示パネルに表示された画像を拡大投影する凹面ミラーと、を備え、前記第１平面ミラーは、前記凹面ミラーから拡大投影された前記画像を前記反射面で反射させて虚像として表示することを特徴とする。
【０００９】
また、前記第１平面ミラーから前記凹面ミラーに入射する前記表示光の基準光軸と、前記凹面ミラーから前記第１平面ミラーに入射する前記表示光の基準光軸とのなす角α（度）が１５＜α＜３３を満たすことを特徴とする。
【００１０】
また、前記画像表示パネルは、前記基準光軸に対して傾斜して配置されることを特徴とする。
【００１１】
また、前記画像表示パネルと前記第１平面ミラーとの間に、前記表示光を前記第１平面ミラーに反射して導く第２平面ミラーを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、上述のミラー光学系を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、画像表示パネルと凹面ミラーとの間に第一平面ミラーを設け、凹面ミラーに入射する表示光と凹面ミラーで反射された表示光をこの第一平面ミラーで反射させる独特の構成により、凹面ミラーによる基準光軸の偏向角が１５〜３３度の範囲に抑えられるようになり、ミラー光学系全体をコンパクトにまとめながらも適切な表示画像サイズを得ることができ、また凹面ミラーを基準光軸に関して回転非対称非球面形状にすることによって収差も特に良好に補正される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、その光学系（ミラー光学系２２）を自動車１２のダッシュボード１３に配置され、スピードメータの値などを運転手（観察者）１４の前方にフロントガラス１８（反射面）越しに表示する。
【００１５】
このヘッドアップディスプレイ装置１０は、内蔵する小型の液晶パネルに表示する画像をフロントガラス１８に拡大投影し、運転手１４の方向へ反射させる。したがって、このヘッドアップディスプレイ装置１０により表示される像は虚像１９である。すなわち、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、フロントガラス１８上に画像が結像して実像が表示されるのではなく、運転手１４にはフロントガラス１８越しの距離Ｄの位置に虚像１９が表示される。
【００１６】
この虚像１９が表示される距離Ｄは、運転中に視線を殆ど動かさずに、かつ、目のピント調節が殆ど行われずに、虚像１９を見ることができるように十分に長くなっており、例えば運転手から２ｍ以上の距離となっている。
【００１７】
図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、表示する像の情報を持つ表示光２１を生成するとともにこれを拡大投影するミラー光学系２２と、この表示光２１を運転手１４等の観察者の方向に反射する反射面（フロントガラス１８）とからなる。ミラー光学系２２は、液晶パネル（画像表示パネル）２３、光源２４、第１平面ミラー２６、第２平面ミラー２７、凹面ミラー２８などからなるミラー光学系２２を備えている。
【００１８】
液晶パネル２３は、例えば０．８型等、小型の透過型液晶パネルである。この液晶パネル２３には、スピードメータやタコメータ、水温計、燃料計など各種計器類の値が表示される。液晶パネル２３に表示される画像は、前述のように、フロントガラス１８の前方に虚像として拡大投影される。
【００１９】
また、表示する虚像１９の中心となる主光線の経路を基準光軸Ｌ１とし、この基準光軸Ｌ１を運転手１４（又は虚像１９）側から逆にヘッドアップディスプレイ装置１０，ミラー光学系２２側に追跡すると、液晶パネル２３の表示面は、この基準光軸Ｌ１に対して９０度ではなく、所定角度だけ傾斜して配置されている。
【００２０】
こうした基準光軸Ｌ１に対する液晶パネル２３の傾斜は、虚像１９のピントが表示範囲内の全ての範囲で合うような傾斜角度γとなっている。すなわち、虚像１９の上端を見る運転手１４の視線は液晶パネル２３の表示面の上端でピントが合い、かつ、虚像１９の下端を見る運転手１４の視線もまた液晶パネル２３の表示面の下端でピントが合うように、液晶パネル２３は基準光軸Ｌ１に対して角度γだけ傾斜して配置されている。
【００２１】
また、液晶パネル２３に表示される画像は、上述の傾斜角度γにあわせて、この液晶パネル２３を直視する場合に表示すべき画像の形状を変換した形状の画像となっている。
【００２２】
光源２４は、例えば白色のＬＥＤなどからなり、液晶パネル２３の背面に配置される。すなわち、光源２４はいわゆるバックライトであり、液晶パネル２３の背後から照明光を一様に照射する。この光源２４による照明光は、液晶パネル２３を透過するときに、液晶パネル２３に表示された画像の情報を持った表示光２１として液晶パネル２３から出射する。なお、光源２４は白色ＬＥＤからなるが、これに限らず、所望の色の光源とすることができる。例えば、赤色，緑色，青色等の単色ＬＥＤから構成しても良く、またこれらの単色ＬＥＤをいくつか組み合わせて所望の色で像を表示させるようにしたものであっても良い。さらに、光源２４としてはＬＥＤに限らず、他の周知のランプ等を用いても良い。
【００２３】
第２平面ミラー２７は、液晶パネル２３から出射する表示光を反射し、後述する第１平面ミラー２６に導く。すなわち、この第２平面ミラー２７は、反射面を液晶パネル２３の表示面側及び第１平面ミラー２６の反射面側に向けて、液晶パネル２３と第１平面ミラー２６との間に配置されている。
【００２４】
このように第２平面ミラー２７は、液晶パネル２３と第１平面ミラー２６の間に配置されるが、これは表示光２１を基準とした光学的なものであり、ヘッドアップディスプレイ装置１０の断面を見れば、第１平面ミラー２６の端部の上方に配置されていても良い（図２）。また、後述するように、第１平面ミラー２６が表示光２１をフロントガラス１８へ向けて反射するが、この第２平面ミラー２７の配置は、第１平面ミラー２６がフロントガラス１８へ反射する表示光２１の範囲には重ならない位置に配置されている。
【００２５】
第１平面ミラー２６は、第２平面ミラー２７によって反射された表示光２１を反射して凹面ミラー２８へと導く。さらに、この第１平面ミラー２６には、凹面ミラー２８から再び表示光２１が入射する。したがって、第１平面ミラー２６は、第２平面ミラー２７からの表示光２１と、凹面ミラー２８からの表示光２１とをともに受けるような配置及び大きさに設けられている。また、凹面ミラー２８から入射する表示光２１は、第１平面ミラー２６で反射され、フロントガラス１８へと導かれる。
【００２６】
凹面ミラー２８は、第１平面ミラー２６によって反射された表示光２１を、第１平面ミラー２６へ向けて反射する。この凹面ミラー２８は、液晶パネル２３に表示される画像を拡大して反射し、投影するミラーであり、第１平面ミラー２６側に反射面である凹面を向けて配置されている。また、凹面ミラー２８の面形状は、単に凹面というだけでなく、非回転対称の非球面形状となっている。
【００２７】
前述の基準光軸Ｌ１は、この凹面ミラー２８によって第１平面ミラー２６に向けて折り返される。この基準光軸Ｌ１の折り返しの角度、すなわち、第１平面ミラー２６から凹面ミラー２８へ入射する表示光２１の基準光軸Ｌ１と、凹面ミラー２８から第１平面ミラー２６へ入射する表示光２１の基準光軸Ｌ１とがなす角度（以下、偏向角）をα（度）とすると、１５＜α＜３３を満たすように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は構成されている。
【００２８】
この基準光軸Ｌ１の偏向角αの範囲は、表示光２１が第１平面ミラー２６から凹面ミラー２８へと反射され、再び第１平面ミラー２６へと戻り、これがフロントガラス１８へと導かれるというヘッドアップディスプレイ装置１０に独自の光路順を保ち、運転手１４に虚像１９を正しく表示するための条件範囲である。
【００２９】
すなわち、凹面ミラー２８での基準光軸Ｌ１の偏向角αが上述の条件式の下限を下回ると、液晶パネル２３（第２平面ミラー２７）から第１平面ミラー２６に入射する表示光２１と、凹面ミラー２８から第１平面ミラー２６に入射し、フロントガラス１８の方向へ拡大投影する表示光２１との分離が困難となる。例えば、凹面ミラー２８で反射された表示光２１は、第１平面ミラー２６でフロントガラス１８の方向へは反射されずに、第２平面ミラー２７，液晶パネル２３の方向へ反射されてしまい虚像１９を表示することができなくなる。
【００３０】
また、凹面ミラー２８での基準光軸Ｌ１の偏向角αが上述の条件式の上限を超えると、凹面ミラー２８で反射される表示光２１は、第１平面ミラー２６に戻らなくなってしまったり、あるいは、大きな第１平面ミラーや収差補正のために長い焦点距離を必要とする大きな凹面ミラーを必要とし、かえってヘッドアップディスプレイ装置１０が大型化してしまうことになる。
【００３１】
また、凹面ミラー２８は、第１平面ミラー２６から入射する表示光２１を拡大して投影するといういわゆるレンズの効果を発揮するミラーであるから、この凹面ミラー２８での基準光軸Ｌ１の折り返しの角度αが大きな値であるほど、凹面ミラー２８の収差の影響が大きくなる。したがって、凹面ミラー２８での基準光軸Ｌ１の偏向角αが上述の条件式の範囲内となっていれば、ヘッドアップディスプレイ装置１０をコンパクトに構成してもこのような凹面ミラー２８による収差は殆ど問題にならない程度となる。
【００３２】
このように、偏向角αの範囲は、ヘッドアップディスプレイ装置１０の光路順を保ち正しく虚像を表示し、かつ凹面ミラーの収差を抑えるという制約から、上述のように１５＜α＜３３の範囲内の値であることが好ましく、１５＜α＜３２の範囲内の値であることがより好ましい。さらに、偏光角αの値が２０＜α＜２５の範囲内であれることが特に好ましい。
【００３３】
図３に示すように、凹面ミラー２８の面形状は非回転対称な非球面形状、いわゆる自由曲面３１となっている。この自由曲面３１の光軸Ｌ２は、例えば、凹面ミラー２８の外側にあり、凹面ミラー２８に基準光軸Ｌ１を中心とした回転対称性はない。すなわち、凹面ミラー２８は、自由曲面３１を偏心した配置で用いられる。凹面ミラー２８がこうした非回転対称非球面形状であることで、凹面ミラー２８は表示光２１を拡大投影すると同時に、表示する虚像１９の全体でこの凹面ミラー２８で生じる収差を良好に補正する。
【００３４】
なお、この凹面ミラー２８の面形状は全く対称性のない完全な自由曲面となっているが、必ずしも完全な自由曲面である必要はなく、表示光を拡大投影する反射面の形状によっては線対称性等の対称性があっても良い。すなわち、表示光２１を拡大投影するフロントガラス１８は運転手１４に対して前後に傾斜して配置され、かつ運転手１４の正面を基準として左右に非対称な形状となっているから、上述のように凹面ミラー２８もまた全く対称性のない完全な自由曲面形状となっている。しかし、例えば、運転手１４等の観察者にとって左右に対称な平面に表示光を拡大投影して虚像を表示する場合には、正常な形状の虚像を表示するために、凹面ミラーの面形状は基準光軸を中心として左右対称なシリンドリカル形状となっていることが好ましい。
【００３５】
上述のように構成されるヘッドアップディスプレイ装置の具体的な例として、液晶パネルからの表示光を第２平面ミラーによらず直接的に第１平面ミラーで反射する最も基本的な例を、以下に実施例として示す。
【００３６】
［実施例１］
図４に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０ａのミラー光学系２２ａは、第１平面ミラー２６ａ、凹面ミラー２８ａ、液晶パネル２３等から構成される。このヘッドアップディスプレイ装置１０ａは、自動車のフロントガラスに表示光を拡大投影して反射させ、虚像を表示するように構成した。このヘッドアップディスプレイ装置１０ａの各部は、運転手に対して、前方２ｍのフロントガラス越しの位置に虚像を表示するように配置した。また、ヘッドアップディスプレイ装置１０ａによって表示される虚像の大きさが運転手にとって十分に見やすい大きさとなるように、表示する虚像のサイズ（幅ｈ（ｍｍ），高さｖ（ｍｍ））がｈ×ｖ＝１５０×５０となるように、ヘッドアップディスプレイ装置１０ａを構成した。このとき、運転手（観察者）が表示された虚像を両眼視する観察範囲、すなわち入射瞳の大きさは、幅１００ｍｍ×高さ４０ｍｍとした。
【００３７】
第１平面ミラー２６ａが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向（運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置１０ａの縦方向）の長さＡが７６ｍｍ、横方向（運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置１０ａの横方向）の長さが１２２ｍｍとなっている。同様に、凹面ミラー２８ａが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向の長さＢが４６ｍｍ、横方向が１２２ｍｍとなっている。
【００３８】
このヘッドアップディスプレイ装置１０ａの各部の詳細な配置等を示すために、基準光軸Ｌ１が第１平面ミラー２６ａに反射される点を座標系の原点Ｏとし、この基準光軸Ｌ１の延長方向を正方向とするｚ軸を定める。さらに、このｚ軸に垂直で第１平面ミラー２６上の方向にｘ軸を定め、ｘ軸とｚ軸とに垂直な方向で凹面ミラー２８ａが配置された方向を正方向とするｙ軸を定める。なお、座標系が左手系となるように、ｘ軸の正方向を定める。
【００３９】
このように座標系を定めるときに、第１平面ミラー２６ａ、凹面ミラー２８ａ、液晶パネル２３の各々の具体的な座標を表１に示す。この表１に示す座標のスケールは全てｍｍとする。また、同時に、表１の下段には、ヘッドアップディスプレイ装置１０ａの各種条件を併せて示す。
【００４０】
【表１】
2009115908.tif 000003
【００４１】
表１に示すように、第１平面ミラー２６ａは、拡大投影する表示光がフロントガラスの方向に適切に偏向されるように、ｘ軸方向を回転軸として、ｘｚ平面から４０．０度傾けて配置するとともに、運転手から原点Ｏまでの基準光軸に沿った距離が９４３ｍｍとなるように配置した。
【００４２】
また、液晶パネル２３は、その表示面と基準光軸Ｌ１との交点（表示面の中心）座標が（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０．０，−３６．７９，−５４．６１）となるように配置した。さらに、表示面の法線とｚ軸とのなす角が１０．６１度となるように、かつ、表示面の法線と基準光軸Ｌ１とのなす角（液晶パネル２３の傾斜角）γが１１．４度となるように、ｘ軸方向を軸として液晶パネル２３を回転して配置した。また、液晶パネル２３の表示面の大きさは、幅ｈ（ｍｍ）×高さｖ（ｍｍ）＝１５×５の大きさのものを用いた。
【００４３】
凹面ミラー２８ａは、その光軸Ｌ２の位置が（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０．０，２６．３７，−７６．４３）となるように配置するとともに、光軸Ｌ２とｙ軸とのなす角が７１．７８度となるようにｘ軸方向を軸として回転して配置した。この凹面ミラー２８ａ上の基準光軸Ｌ１との交点から虚像までの距離、すなわち虚像から凹面ミラー２８ａまでの光路長Ｌは１０２０ｍｍとなっている。また、凹面ミラー２８ａの面形状は、下記数１で表される。ここで、ＣＸ，ＣＹ，ＫＡＸ，ＫＡＹ，Ａ４，Ｋ２，Ａ６，Ｋ３は非回転対称非球面係数であり、その具体的な値は表２に示す。
【００４４】
【数１】
2009115908.tif 000004
【００４５】
【表２】
2009115908.tif 000005
【００４６】
このように構成したヘッドアップディスプレイ装置１０ａでは、凹面ミラー２８ａにおける基準光軸Ｌ１の偏向角αは２２度であり（表１）、１５＜α＜３３の範囲内の値であり、特に２０＜α＜２５の範囲に収まる値となっている。また、このヘッドアップディスプレイ装置１０ａの投影倍率β（表示する虚像のサイズ／液晶パネル上の画像サイズ）は１０倍であり、凹面ミラー２８ａの焦点距離ｆは９２．７３ｍｍとなっている。
【００４７】
また、液晶パネル２３の中心（表示面と基準光軸との交点）を原点とし、水平方向をＸ軸とするＸＹ座標系を定め、この液晶パネル２３上の像座標（０．０，２．５），（０．０，０．０），（０．０，−２．５），（７．５，２．５），（７．５，０．０），（７．５，−２．５）の各点のスポットダイアグラムを図５（Ａ）〜（Ｆ）に示す。なお、像座標のスケールは何れもｍｍであり、また、各スポットダイアグラムは、基準長さ（図５右上）が２００μｍとなるスケールで示す。
【００４８】
［実施例２］
図６に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０ｂのミラー光学系２２ｂは、第１平面ミラー２６ｂ、凹面ミラー２８ｂ、液晶パネル２３等から構成される。このヘッドアップディスプレイ装置１０ｂは、前述の実施例１と同様に自動車のフロントガラス越しに虚像を表示するように構成したものであり、運転手に対して前方２ｍのフロントガラス越しの位置に虚像を表示する。また、ヘッドアップディスプレイ装置１０ｂが表示する虚像のサイズは幅ｈ×高さｖ＝１５０ｍｍ×５０ｍｍ、入射瞳の大きさは１００ｍｍ×４０ｍｍとした。
【００４９】
第１平面ミラー２６ｂが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向（運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置１０ｂの縦方向）の長さＡが７０ｍｍ、横方向（運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置１０ａの横方向）の長さが１２２ｍｍとなっている。同様に、凹面ミラー２８ｂが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向の長さＢが４６ｍｍ、横方向が１２２ｍｍとなっている。
【００５０】
また、実施例１と同様に、基準光軸と第１平面ミラー２６ｂとの交点を原点とするｘｙｚ座標系を定め、第１平面ミラー２６ｂ、凹面ミラー２８ｂ、液晶パネル２３の各々の具体的な座標を表３に示す。また、同時に、表３の下段には、ヘッドアップディスプレイ装置１０ｂの各種条件を併せて示す。
【００５１】
【表３】
2009115908.tif 000006
【００５２】
表３に示すように、第１平面ミラー２６ｂは、ｘ軸方向を回転軸として、ｘｚ平面から４０．６８度傾けて配置するとともに、運転手から座標系原点Ｏまでの距離が９４３ｍｍとなるように配置した。
【００５３】
また、液晶パネル２３は、その表示面と基準光軸Ｌ１との交点（表示面の中心）座標が（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０．００，−３０．３２，−５７．６２）となるように配置した。さらに、表示面の法線とｚ軸とのなす角が７．７７度となるように、かつ、表示面の法線と基準光軸Ｌ１とのなす角（液晶パネル２３の傾斜角）γが１０．２度となるように、ｘ軸方向を軸として液晶パネル２３を回転して配置した。また、液晶パネル２３の表地面の大きさは、幅ｈ×高さｖ＝１５ｍｍ×５ｍｍの大きさのものを用いた。
【００５４】
凹面ミラー２８ｂは、その光軸Ｌ２の位置が（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０．００，３０．８４，−５５．１８）となるように配置するとともに、光軸Ｌ２とｙ軸とのなす核が７７．００度となるようにｘ軸方向を軸として回転して配置した。この凹面ミラー２８ｂ上の基準光軸Ｌ１との交点から虚像までの距離、すなわち虚像から凹面ミラー２８ａまでの光路長Ｌは１０２０ｍｍとなっている。また、凹面ミラー２８ｂの面形状は実施例１と同様に前述の数１で表され、その非回転対称非球面係数ＣＸ，ＣＹ，ＫＡＸ，ＫＡＹ，Ａ４，Ｋ２，Ａ６，Ｋ３の具体的な値は表４に示す。
【００５５】
【表４】
2009115908.tif 000007
【００５６】
さらに、前述の実施例１と同様に、液晶パネル２３の中心（表示面と基準光軸との交点）を原点とし、水平方向をＸ軸とするＸＹ座標系を定め、この液晶パネル２３上の像座標（０．０，２．５），（０．０，０．０），（０．０，−２．５），（７．５，２．５），（７．５，０．０），（７．５，−２．５）の各点のスポットダイアグラムを図７（Ａ）〜（Ｆ）に示す。なお、像座標のスケールは何れもｍｍであり、また、各スポットダイアグラムは、基準長さ（図７右上）が２００μｍとなるスケールで示す。
【００５７】
このように構成したヘッドアップディスプレイ装置１０ｂは、凹面ミラー２８ｂにおける基準光軸Ｌ１の偏向角αは１８度（表３）、１５＜α＜３３の範囲、特に２０＜α＜２５の範囲内の値となっている。また、このヘッドアップディスプレイ装置１０ｂの投影倍率βは１０倍であり、凹面ミラー２８ｂの焦点距離ｆは９２．７３ｍｍとなっている。
【００５８】
［実施例３］
図８に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０ｃのミラー光学系２２ｃは、第１平面ミラー２６ｃ、凹面ミラー２８ｃ、液晶パネル２３等から構成される。このヘッドアップディスプレイ装置１０ｃは、前述の実施例１，２と同様に自動車のフロントガラス越しに虚像を表示するように構成したものであり、運転手に対して前方２ｍの位置に虚像を表示する。また、ヘッドアップディスプレイ装置１０ｃが表示する虚像のサイズもまた、前述の実施例１，２と同様に、幅ｈ×高さｖ＝１５０ｍｍ×５０ｍｍ、入射瞳の大きさは１００ｍｍ×４０ｍｍとした。
【００５９】
第１平面ミラー２６ｃが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向（運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置１０ｃの縦方向）の長さＡが９０ｍｍ、横方向（運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置１０ｃの横方向）の長さが１２２ｍｍとなっている。同様に、凹面ミラー２８ｂが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向の長さＢが４７ｍｍ、横方向が１２２ｍｍとなっている。
【００６０】
また、実施例１，２と同様に、基準光軸Ｌ１と第１平面ミラー２６ｃとの交点を原点とするｘｙｚ座標系を定め、第１平面ミラー２６ｃ、凹面ミラー２８ｃ、液晶パネル２３の各々の具体的な座標を表５に示す。また、同時に、表５の下段には、ヘッドアップディスプレイ装置１０ｃの各種条件を併せて示す。
【００６１】
【表５】
2009115908.tif 000008
【００６２】
表５に示すように、第１平面ミラー２６ｃは、ｘ軸方向を回転軸として、ｘｚ平面から３７．１５度傾けて配置するとともに、運転手から座標系原点までの距離が９４３ｍｍとなるように配置した。
【００６３】
また、液晶パネル２３は、その表示面と基準光軸Ｌ１との交点（表示面の中心）座標が（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０．００，−４８．９１，−４７．９２）となるように配置した。さらに、表示面の法線とｚ軸とのなす角が１４．３０度となるように、かつ、表示面の法線と基準光軸Ｌ１とのなす角（液晶パネル２３の傾斜角）γが１５．７度となるように、ｘ軸方向を軸として液晶パネル２３を回転して配置した。また、液晶パネル２３の表示面の大きさは、幅ｈ×高さｖ＝１５ｍｍ×５ｍｍの大きさのものを用いた。
【００６４】
凹面ミラー２８ｃは、その光軸Ｌ２の位置が（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０．００，１７．１９，−９５．０８）となるように配置するとともに、光軸Ｌ２とｙ軸とのなす角が６４．８６度と成るようにｘ軸方向を軸として回転して配置した。この凹面ミラー２８ｃ上の基準光軸Ｌ１との交点から虚像までの距離、すなわち虚像から凹面ミラー２８ａまでの光路長Ｌは１０２０ｍｍとなっている。また、凹面ミラー２８ｃの面形状は実施例１，２と同様に前述の数１で表され、その非回転対称非球面係数ＣＸ，ＣＹ，ＫＡＸ，ＫＡＹ，Ａ４，Ｋ２，Ａ６，Ｋ３の具体的な値は表６に示す。
【００６５】
【表６】
2009115908.tif 000009
【００６６】
さらに、前述の実施例１，２と同様に、液晶パネル２３の中心（表示面と基準光軸との交点）を原点とし、水平方向をＸ軸とするＸＹ座標系を定め、この液晶パネル２３上の像座標（０．０，２．５），（０．０，０．０），（０．０，−２．５），（７．５，２．５），（７．５，０．０），（７．５，−２．５）の各点のスポットダイアグラムを図９（Ａ）〜（Ｆ）に示す。なお、像座標のスケールは何れもｍｍであり、また、各スポットダイアグラムは、基準長さ（図９右上）が２００μｍとなるスケールで示す。
【００６７】
このように構成したヘッドアップディスプレイ装置１０ｃは、凹面ミラー２８ｃにける基準光軸Ｌ１の偏向角αは３０度であり（表５）、１５＜α＜３３の範囲に収まり、特に２０＜α＜２５の範囲内の値となっている。また、このヘッドアップディスプレイ装置１０ｃの投影倍率βは１０倍であり、凹面ミラー２８ｃの焦点距離ｆは９２．７３ｍｍとなっている。
【００６８】
以上のように、本発明のミラー光学系及びこれを搭載するヘッドアップディスプレイ装置は、基準光軸Ｌ１が第１平面ミラーに折り返される独特の光路順となる構成であることや、凹面ミラーの焦点距離も短いことから、凹面ミラーや液晶パネル（及びこれを照明する光源）は小型のものを用いることができる。したがって、ミラー光学系及びこれを搭載するヘッドアップディスプレイ装置は、全体としてもコンパクトに構成される。また、ヘッドアップディスプレイ装置の各部が小型化されると、ヘッドアップディスプレイ装置の製造コストは低減され、かつ、虚像表示時の消費電力も抑えられる。さらには、凹面ミラーにおける基準光軸Ｌ１の偏向角αが１５＜α＜３３の範囲に収まるものとなっていることで、前述のような独特の光路順を実現するとともに、凹面ミラーによる収差を改善することができる。また、液晶パネルを基準光軸Ｌ１に対して傾斜して配置することで、表示された虚像の何れの位置においてもピントの合った虚像を観察することができる。また、第２平面ミラーを配置して、液晶パネルからの表示光を折り返して第１平面ミラーに入射させるようにすることで、ヘッドアップディスプレイ装置の縦方向（観察者から見たヘッドアップディスプレイの縦方向）の長さを、すなわち厚みをさらに軽減することができる。
【００６９】
なお、上述の実施形態や実施例で示すように、第１平面ミラー，凹面ミラー，液晶パネルの各々の配置を、運転者（観察者）側から順に液晶パネル，（第２平面ミラー，）第１平面ミラー，凹面ミラーの順に配置するが、これらのヘッドアップディスプレイ装置を構成する各部の配置順序はこれに限らない。すなわち、上述の実施形態や実施例で示すヘッドアップディスプレイ装置は、その長手方向を運転手等に対して略垂直になるように配置するいわゆる横置きにヘッドアップディスプレイを設置するために、各部は上述のような配置となっている。しかしながら、例えば、いわゆる縦置きに設置するヘッドアップディスプレイ装置１０ｄの場合には、図５に示すように、ミラー光学系２２ｄの各部を、運転手等の観察者側から、光源２４ｄ，液晶パネル２３ｄ，第２平面ミラー２７ｄ，凹面ミラー２８ｄ，第１平面ミラー２６ｄの順に配置しても良い。
【００７０】
なお、上述の実施形態では、本発明のヘッドアップディスプレイ装置として自動車用のものを例に説明するが、これに限らず、航空機や船舶等の他のものにも本発明のヘッドアップディスプレイ装置を好適に用いることができる。このように、自動車以外に本発明のヘッドアップディスプレイ装置を適用する場合には、表示光を拡大投影する反射面（自動車ではフロントガラス）の形状に応じて、非回転対称非球面の面形状としながらも凹面ミラーの詳細な面形状を個々に決定する必要がある。また、車種等によってはフロントガラスの傾斜や湾曲の状態は異なるから、本発明のヘッドアップディスプレイ装置を自動車に用いる場合であっても、同様の調節が必要となる。
【００７１】
なお、上述の実施形態では、画像表示パネルが透過型液晶パネルである例を説明するが、これに限らず、画像表示パネルは反射型液晶パネルであっても。良く、液晶のモードも適宜選択して良い。また、画像表示パネルは、液晶を用いるものに限られず、表示光を出射することができれば、他の周知の画像表示パネルを用いても良い。
【００７２】
なお、ヘッドアップディスプレイ装置は、自動車のダッシュボード等に設置されるものであるから、このヘッドアップディスプレイ装置を構成する各部は、耐熱性に優れたものであることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】ヘッドアップディスプレイ装置の概略を示す説明図である。
【図２】ヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す概略的な断面図である。
【図３】凹面ミラーの面形状を示す説明図である。
【図４】実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の具体的な構成を示す断面図である。
【図５】実施例１のミラー光学系のスポットダイアグラム。
【図６】実施例２のヘッドアップディスプレイ装置の具体的な構成を示す断面図である。
【図７】実施例２のミラー光学系のスポットダイアグラム。
【図８】実施例３のヘッドアップディスプレイ装置の具体的な構成を示す断面図である。
【図９】実施例３のミラー光学系のスポットダイアグラム。
【図１０】ミラー光学系の各部が他の配置となっている例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０，１０ａ〜ｄ  ヘッドアップディスプレイ装置
１２  自動車
１４  運転手（観察者）
１８  フロントガラス（反射面）
２２，２２ａ〜ｄ  ミラー光学系
２３  液晶パネル（画像表示パネル）
２４  光源
２６，２６ａ〜ｄ  第１平面ミラー
２７  第２平面ミラー
２８，２８ａ〜ｄ  凹面ミラー
Ｌ１  基準光軸
Ｌ２  凹面ミラーの光軸
【図１】
2009115908.tif 000010
【図２】
2009115908.tif 000011
【図３】
2009115908.tif 000012
【図４】
2009115908.tif 000013
【図５】
2009115908.tif 000014
【図６】
2009115908.tif 000015
【図７】
2009115908.tif 000016
【図８】
2009115908.tif 000017
【図９】
2009115908.tif 000018
【図１０】
2009115908.tif 000019