(57)【要約】  小型でありながら、良好な画質の虚像を提示することができるヘッドアップディスプレイを提供する。画像を虚像（Ｉ）として表示するヘッドアップディスプレイ（１００）であって、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、画像を拡大して投影する投射光学系（１４０）と、を有し、投射光学系（１４０）は、画像からの光路の順に、第１光学素子（１２３）、および第２光学素子（１２５）を有し、第１光学素子（１２３）は、垂直方向よりも水平方向の発散作用が大きく、第２光学素子（１２５）は、垂直方向よりも水平方向の収束作用が大きい。
2020003611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を虚像として観察者に表示するヘッドアップディスプレイであって、  前記ヘッドアップディスプレイは、前記画像を表示する表示デバイスと、前記画像を拡大して投影する投射光学系と、を有し、  前記投射光学系は、前記画像からの光路の順に、第１光学素子、および第２光学素子を有し、  前記第１光学素子は、垂直方向よりも水平方向の発散作用が大きく、  前記第２光学素子は、垂直方向よりも水平方向の収束作用が大きい、  ヘッドアップディスプレイ。
【請求項２】
前記虚像の水平視野角をＸＦ、前記虚像の垂直視野角をＹＦ、前記画像の横表示サイズをＸＩ、および前記画像の横表示サイズをＸＩとする時、以下の条件式（３）、  ０．６２＜（ＸＩ×ＹＦ）／（ＹＩ×ＸＦ）＜０．９０・・・（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。
【請求項３】
前記第１光学素子と前記第２光学素子の合成パワーは、水平方向よりも垂直方向の方が大きい、  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。
【請求項４】
前記第１光学素子の水平方向のパワーをＰ１Ｘ、前記第１光学素子の垂直方向のパワーをＰ１Ｙとするとき、以下の条件式（１）、  １．０＜Ｐ１Ｘ／Ｐ１Ｙ＜１．５・・・（１）を満足する、  請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項５】
前記第２光学素子の水平方向のパワーをＰ２Ｘ、前記第２光学素子の垂直方向のパワーをＰ２Ｙとするとき、以下の条件式（２）、  １．０＜Ｐ２Ｘ／Ｐ２Ｙ＜２．０・・・（２）を満足する、  請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項６】
前記第１光学素子は自由曲面レンズである、  請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項７】
前記第１光学素子は自由曲面ミラーである、  請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項８】
前記第１光学素子は発散作用を有する、  請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項９】
前記虚像は、前記観察者の視線に対して４５度以上傾斜している、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイを搭載した移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本開示は、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、ヘッドアップディスプレイにおいて、立体的に配置された第１および第２の虚像がそれぞれ独立していることを運転者に正しく認識させるため、第１の虚像を第２の虚像に比べて大きく傾ける技術を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−２０６１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかしながら、特許文献１のように、ヘッドアップディスプレイにおいて虚像を傾けると、画像を表示する表示デバイスの縦方向の使用領域が広がってしまい、表示デバイスのサイズが大きくなってしまうという問題があった。また、表示デバイスの縦方向のサイズを単に短くするだけでは、光学の収差特性的に限界があり、良質な画質の虚像を提示することができない。そこで、本開示は、小型でありながら、良好な画質の虚像を提示することができるヘッドアップディスプレイを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  本開示のヘッドアップディスプレイは、  画像を虚像として観察者に表示するヘッドアップディスプレイであって、  前記ヘッドアップディスプレイは、前記画像を表示する表示デバイスと、前記画像を拡大して投影する投射光学系と、を有し、  前記投射光学系は、前記画像からの光路の順に、第１光学素子、および第２光学素子を有し、  前記第１光学素子は、垂直方向よりも水平方向の発散作用が大きく、  前記第２光学素子は、垂直方向よりも水平方向の収束作用が大きい。
【発明の効果】
【０００６】  本開示におけるヘッドアップディスプレイは、表示デバイスの画像サイズは、焦点距離が短い垂直方向において小さく、焦点距離が長い水平方向において大きくすることができる。したがって、虚像を観察者の視線に対して傾けた場合でも、表示デバイスの垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイスの小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイを搭載した車両の断面を示す図
【図２】実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図
【図３】（Ａ）は実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの投射光学系を説明するための模式図、（Ｂ）は実施の形態１における表示デバイスの画像サイズを説明するための模式図である。
【図４】実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイの表示デバイスおよび投射光学系の構成を示す図
【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。  なお、発明者（ら）は、当業者が本開示を十分に理解するために添付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。
【０００９】（実施の形態１）  以下、図１〜３を用いて、実施の形態１を説明する。[１−１．構成][１−１−１．  ヘッドアップディスプレイの全体構成]  本開示の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、説明する。  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の断面を示す図である。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下部のダッシュボード２１０内部に配置される。観察者Ｄは、ヘッドアップディスプレイ１００から投射される画像を虚像Ｉとして認識する。
【００１０】  本実施の形態においては、虚像Ｉは、路面Ｒに沿って表示させる。このように、虚像Ｉを路面Ｒに沿って表示させることにより、奥行き感のある自然なＡＲ(Augmented Reality)表示を実現させることができ、ドライバーの認識力をアップさせることができる。
【００１１】  図２は、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の構成を示す模式図である。図３（Ａ）は、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の投射光学系を説明するための模式図、図３（Ｂ）は、表示デバイス１１０のサイズを説明するための模式図である。
【００１２】  図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０と、投射光学系１４０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が拡散特性を有する光学部材となっており、表示デバイス１１０に表示する画像を投射光学系１４０を介してウインドシールド２２０に投射する。投射された光は、ウインドシールド２２０において反射され、観察者Ｄの視点領域３００に導かれる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させる。ここで、視点とは、観察者Ｄの目をレンズと考えた場合の主点であり、視点領域３００とは、虚像Ｉを欠けることなく視認できる、観察者Ｄの視点の位置する領域である。
【００１３】  ここで、本開示において、前方とは、観察者Ｄから見て車両２００のウインドシールド２２０のある方向である。後方とは、前方の反対の方向である。また、下方とは車両２００が走行する路面Ｒの方向である。上方とは、下方の反対の方向である。内側とは、運転席の観察者Ｄから見て助手席側である。外側とは、内側の反対方向である。
【００１４】  図２に示すように、表示デバイス１１０から出射し、視点領域３００の中心に到達する光線のうち、虚像Ｉの上端Ｉ_ｕに相当する光線を上光線Ｌｕとし、虚像Ｉの上端Ｉ_ｌに相当する光線を下光線Ｌｌとする。また、表示デバイス１１０から出射する光線のうち、虚像Ｉの中心部を通り、視点領域３００の中心に到達する光線を基準光線Ｌｃとする。すなわち、観察者Ｄから見た場合、基準光線Ｌｃは、虚像Ｉの中心から観察者Ｄの視点までの光路に相当する。観察者Ｄが視認する基準光線Ｌｃは、実際には表示デバイス１１０から光学系を経て観察者Ｄに到達したものである。そのため、虚像Ｉの中心から出射する基準光線Ｌｃに対応する、表示デバイス１１０から観察者Ｄに到達するまでの光線も基準光線Ｌｃと表現される。また、これらの光線に対応する光路も同様に基準光線Ｌｃと表現される。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】  表示デバイス１１０は、図示しないＣＰＵ等の制御部による制御に基づき、表示画像を表示する。表示デバイス１１０には、例えば、バックライト付きの液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）や有機発光ダイオード（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、プラズマディスプレイなどを用いることができる。また、表示デバイス１１０として、光を拡散または反射するスクリーンと、プロジェクタや走査型レーザを用いて画像を生成してもよい。表示デバイス１１０は、道路進行案内表示や、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、各種の情報を表示することができる。また、表示デバイス１１０は、投射光学系１４０やウインドシールド２２０で発生する歪みや、図示を省略するカメラで取得する観察者Ｄの位置に応じて、あらかじめ画像を電子的に歪ませておくことで、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることができる。また、表示デバイス１１０は、投射光学系１４０で発生する色収差に応じて、あらかじめ複数波長の表示画素を表示位置毎にずらして表示することで、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることができる。
【００１６】  投射光学系１４０は、負のパワーを有する第１光学素子としての自由曲面レンズ１２３と、正のパワーを有する第２光学素子としての自由曲面ミラー１２５とを備える。ここで、負のパワーとは発散作用を意味し、正のパワーとは収束作用を意味する。投射光学系１４０は、自由曲面レンズ１２３によって拡大された画像を、自由曲面ミラー１２５を介して反射することにより、ウインドシールド２２０に投射する。
【００１７】  本実施の形態においては、虚像Ｉは、観察者Ｄの視線に対して傾斜しており、路面Ｒに沿って表示される。このように虚像Ｉを傾斜して表示するため、表示デバイス１１０は、図２に示すように、基準光線Ｌｃに対して反時計回り方向に角度|θ１|傾けて配置されている。
【００１８】[１−１−２．投射光学系の構成]  投射光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、負のパワーを有する自由曲面レンズ１２３と、正のパワーを有する自由曲面ミラー１２５とが配置されている。投射光学系１４０は、自由曲面レンズ１２３と自由曲面ミラー１２５とにより、テレフォト型と呼ばれる光学系になっている。
【００１９】  本実施形態においては、自由曲面レンズ１２３は、図３（Ａ）に点線で示す垂直方向よりも、二点鎖線で示す水平方向の発散作用が大きくなるように設計されている。また、自由曲面ミラー１２５は、図３（Ａ）に点線で示す垂直方向よりも、二点鎖線で示す水平方向の収束作用が大きくなるように設計されている。
【００２０】  このように構成することにより、垂直方向においては、自由曲面レンズ１２３と自由曲面ミラー１２５とによるテレフォト作用が小さくなり、短焦点となるので、合成パワーを大きくすることができる。そのため、倍率が上がり、表示デバイス１１０に表示される画像の垂直方向のサイズを小さくすることができる。また、水平方向においては、自由曲面レンズ１２３と自由曲面ミラー１２５とによるテレフォト作用が大きくなり、長焦点となるので、合成パワーを小さくすることができる。そのため、倍率が下がり、表示デバイス１１０に表示される画像の水平方向のサイズを大きくすることができる。
【００２１】  自由曲面レンズ１２３の水平方向のパワーをＰ１Ｘ、自由曲面レンズ１２３の垂直方向のパワーをＰ１Ｙとするとき、自由曲面レンズ１２３は、以下の条件式（１）を満足するように設計されている。
【００２２】  １．０＜Ｐ１Ｘ／Ｐ１Ｙ＜１．５・・・（１）
【００２３】  また、自由曲面ミラー１２５の水平方向のパワーをＰ２Ｘ、自由曲面ミラー１２５の垂直方向のパワーをＰ２Ｙとするとき、自由曲面ミラー１２５は、以下の条件式（２）を満足するように設計されている。
【００２４】  １．０＜Ｐ２Ｘ／Ｐ２Ｙ＜２．０・・・（２）
【００２５】  以上のような投射光学系１４０を用いることにより、図３（Ｂ）に示すように、表示デバイス１１０の画像サイズは、焦点距離が短い垂直方向において小さく、焦点距離が長い水平方向において大きくすることができる。したがって、虚像Ｉを観察者Ｄの視線に対して傾けた場合でも、表示デバイス１１０の垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイス１１０の小型化を図ることができる。ここで、虚像Ｉを観察者Ｄの視線に対して傾けた状態とは、図２に示すように表示デバイス１１０を基準光線Ｌｃに対して反時計回り方向に角度|θ１|だけ傾けた状態である。
【００２６】  本実施の形態においては、表示デバイス１１０により表示される画像のサイズと、視野角との関係は、以下のように設定されている。
【００２７】  本実施の形態における虚像Ｉの水平視野角をＸＦ、虚像の垂直視野角をＹＦ、表示デバイス１１０における画像の横表示サイズをＸＩ、および表示デバイス１１０における画像の横表示サイズをＸＩとする時、以下の条件式（３）を満足する。
【００２８】  ０．６２＜（ＸＩ×ＹＦ）／（ＹＩ×ＸＦ）＜０．９０・・・（３）
【００２９】  視野角が持つアスペクト比を、ＸＦ／ＹＦで表し、表示画像のアスペクト比を、ＸＩ／ＹＩで表した時、上記条件式（３）は、視野角が持つアスペクト比に対する表示画像のアスペクト比の比として表される。以降、「アスペクト比の比」と表現する。
【００３０】  上述したように、本実施の形態の投射光学系１４０では、垂直方向と水平方向とで焦点距離の差が出る。アスペクト比の比における上限は、１にすることは望ましいが、アスペクト比の比を１に近づける程、垂直方向と水平方向との焦点距離の差が大きくなり、収差特性的な限界に達する。具体的には、アスペクト比の比が大きくなると、偏心非点収差の影響が大きくなる。そこで、本実施の形態においては、上記比の上限を０．９０に設定し、良好な画質の虚像を提示することを可能としている。
【００３１】  また、アスペクト比の比が小さくなると、表示デバイス１１０が大型化する。そこで、本実施の形態においては、アスペクト比の比の下限を０．６２に設定し、表示デバイス１１０が大型化の抑制を可能としている。
【００３２】  このように、本実施の形態における投射光学系１４０は、自由曲面レンズ１２３は、垂直方向よりも水平方向の発散作用が大きく、自由曲面ミラー１２５は、垂直方向よりも水平方向の収束作用が大きくなるように構成した。その結果、表示デバイス１１０を基準光線Ｌｃに対して傾斜角|θ１|で傾斜させた場合でも、小型でありながら、良好な画質の虚像Ｉを提示することができるヘッドアップディスプレイ１００を提供することが可能となる。
【００３３】[１−２．効果等]  実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイの一例としてのヘッドアップディスプレイ１００は、画像を虚像Ｉとして観察者Ｄに表示する。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、画像を拡大して投影する投射光学系１４０とを有する。投射光学系１４０は、画像からの光路の順に、自由曲面レンズ１２３、および自由曲面ミラー１２５を有し、自由曲面レンズ１２３は、垂直方向よりも水平方向の発散作用が大きく、自由曲面ミラー１２５は、垂直方向よりも水平方向の収束作用が大きい。
【００３４】  実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００によれば、表示デバイス１１０の画像サイズは、焦点距離が短い垂直方向において小さく、焦点距離が長い水平方向において大きくすることができる。したがって、虚像Ｉを観察者Ｄの視線に対して傾けた場合でも、表示デバイス１１０の垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイス１１０の小型化を図ることができる。
【００３５】（実施の形態２）  次に、図４を用いて、実施の形態２を説明する。[２−１．構成]  図４は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００における表示デバイス１１０および投射光学系１４０の構成を示す図である。図４に示すように、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ１００においては、第１光学素子として、自由曲面レンズ１２３の代わりに、自由曲面ミラー１２４を備える。
【００３６】  本実施の形態においても、自由曲面ミラー１２４は、垂直方向よりも水平方向の発散作用が大きくなるように設計されている。また、自由曲面ミラー１２５は、実施の形態１と同様に、垂直方向よりも、二点鎖線で示す水平方向の収束作用が大きくなるように設計されている。
【００３７】  このように構成することにより、垂直方向においては、自由曲面ミラー１２４と自由曲面ミラー１２５とによるテレフォト作用が小さくなり、短焦点となるので、合成パワーを大きくすることができる。そのため、倍率が上がり、表示デバイス１１０に表示される画像の垂直方向のサイズを小さくすることができる。また、水平方向においては、自由曲面ミラー１２４と自由曲面ミラー１２５とによるテレフォト作用が大きくなり、長焦点となるので、合成パワーを小さくすることができる。そのため、倍率が下がり、表示デバイス１１０に表示される画像の水平方向のサイズを大きくすることができる。
【００３８】  本実施の形態においても、自由曲面ミラー１２４の水平方向のパワーをＰ１Ｘ’、自由曲面ミラー１２４の垂直方向のパワーをＰ１Ｙ’とするとき、自由曲面ミラー１２４は、以下の条件式（１）’を満足するように設計されている。
【００３９】  １．０＜Ｐ１Ｘ’／Ｐ１Ｙ’＜１．５・・・（１）’
【００４０】  また、自由曲面ミラー１２５の水平方向のパワーをＰ２Ｘ、自由曲面ミラー１２５の垂直方向のパワーをＰ２Ｙとするとき、自由曲面ミラー１２５は、以下の条件式（２）を満足するように設計されている。
【００４１】  １．０＜Ｐ２Ｘ／Ｐ２Ｙ＜２．０・・・（２）
【００４２】  以上のような投射光学系１４０を用いることにより、表示デバイス１１０の画像サイズは、焦点距離が短い垂直方向において小さく、焦点距離が長い水平方向において大きくすることができる。したがって、虚像Ｉを観察者Ｄの視線に対して傾けた場合でも、表示デバイス１１０の垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイス１１０の小型化を図ることができる。
【００４３】  また、本実施の形態においても、表示デバイス１１０により表示される画像のサイズと、視野角との関係は、以下のように設定されている。
【００４４】  本実施の形態における虚像の水平視野角をＸＦ、虚像の垂直視野角をＹＦ、表示デバイス１１０における画像の横表示サイズをＸＩ、および表示デバイス１１０における画像の横表示サイズをＸＩとする時、以下の条件式（３）を満足する。
【００４５】  ０．６２＜（ＸＩ×ＹＦ）／（ＹＩ×ＸＦ）＜０．９０・・・（３）
【００４６】  視野角が持つアスペクト比を、ＸＦ／ＹＦで表し、表示画像のアスペクト比を、ＸＩ／ＹＩで表した時、上記条件式は、視野角が持つアスペクト比に対する表示画像のアスペクト比の比として表される。以降、「アスペクト比の比」と表現する。
【００４７】  上述したように、本実施の形態の投射光学系１４０では、垂直方向と水平方向とで焦点距離の差が出る。アスペクト比の比における上限は、１にすることは望ましいが、アスペクト比の比を１に近づける程、垂直方向と水平方向との焦点距離の差が大きくなり、収差特性的な限界に達する。具体的には、アスペクト比の比が大きくなると、偏心非点収差の影響が大きくなる。そこで、本実施の形態においては、上記比の上限を０．９０に設定し、良好な画質の虚像を提示することを可能としている。
【００４８】  また、アスペクト比の比が小さくなると、表示デバイス１１０が大型化する。そこで、本実施の形態においては、アスペクト比の比の下限を０．６２に設定し、表示デバイス１１０が大型化の抑制を可能としている。
【００４９】  このように、本実施の形態における投射光学系１４０は、自由曲面ミラー１２４は、垂直方向よりも水平方向の発散作用が大きく、自由曲面ミラー１２５は、垂直方向よりも水平方向の収束作用が大きくなるように構成した。その結果、虚像Ｉを観察者Ｄの視線に対して傾斜させた場合でも、小型でありながら、良好な画質の虚像を提示することができるヘッドアップディスプレイ１００を提供することが可能となる。
【００５０】[２−２．  効果等]  実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイの一例としてのヘッドアップディスプレイ１００は、画像を虚像Ｉとして観察者Ｄに表示する。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、画像を拡大して投影する投射光学系１４０とを有する。投射光学系１４０は、画像からの光路の順に、自由曲面ミラー１２４、および自由曲面ミラー１２５を有し、自由曲面ミラー１２４は、垂直方向よりも水平方向の発散作用が大きく、自由曲面ミラー１２５は、垂直方向よりも水平方向の収束作用が大きい。
【００５１】  実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００によれば、表示デバイス１１０の画像サイズは、焦点距離が短い垂直方向において小さく、焦点距離が長い水平方向において大きくすることができる。したがって虚像Ｉを観察者Ｄの視線に対して傾けた場合でも、表示デバイス１１０の垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイス１１０の小型化を図ることができる。
【００５２】  実施の形態１、２では、虚像Ｉは路面Ｒに沿って表示させているが、観察者Ｄの視線に対して４５度以上傾けることでも奥行き感を表現することができる。
【００５３】（実施形態の概要）  （１）本開示のヘッドアップディスプレイは、画像を虚像として観察者に表示するヘッドアップディスプレイであって、前記ヘッドアップディスプレイは、前記画像を表示する表示デバイスと、前記画像を拡大して投影する投射光学系と、を有し、前記投射光学系は、前記画像からの光路の順に、第１光学素子、および第２光学素子を有し、前記第１光学素子は、垂直方向よりも水平方向の発散作用が大きく、前記第２光学素子は、垂直方向よりも水平方向の収束作用が大きい。
【００５４】  本開示のヘッドアップディスプレイによれば、表示デバイスの画像サイズは、焦点距離が短い垂直方向において小さく、焦点距離が長い水平方向において大きくすることができる。したがって、虚像を観察者の視線に対して傾けた場合でも、表示デバイスの垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイスの小型化を図ることができる。
【００５５】  （２）（１）のヘッドアップディスプレイにおいて、前記虚像の水平視野角をＸＦ、前記虚像の垂直視野角をＹＦ、前記画像の横表示サイズをＸＩ、および前記画像の横表示サイズをＸＩとする時、以下の条件式（３）、  ０．６２＜（ＸＩ×ＹＦ）／（ＹＩ×ＸＦ）＜０．９０・・・（３）を満足する。したがって、虚像を観察者の視線に対して傾斜させた場合でも、小型でありながら、良好な画質の虚像を提示することができるヘッドアップディスプレイを提供することが可能となる。
【００５６】  （３）（１）または（２）のヘッドアップディスプレイにおいて、前記第１光学素子と前記第２光学素子の合成パワーは、水平方向よりも垂直方向の方が大きい。したがって、虚像を観察者の視線に対して傾斜させた場合でも、表示デバイスの垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイスの小型化を図ることができる。
【００５７】  （４）（１）ないし（３）のいずれか一のヘッドアップディスプレイにおいて、前記第１光学素子の水平方向のパワーをＰ１Ｘ、前記第１光学素子の垂直方向のパワーをＰ１Ｙとするとき、以下の条件式（１）、  １．０＜Ｐ１Ｘ／Ｐ１Ｙ＜１．５・・・（１）を満足する。したがって、虚像を観察者の視線に対して傾斜させた場合でも、表示デバイスの垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイスの小型化を図ることができる。
【００５８】  （５）（１）ないし（３）のヘッドアップディスプレイにおいて、前記第２光学素子の水平方向のパワーをＰ２Ｘ、前記第２光学素子の垂直方向のパワーをＰ２Ｙとするとき、以下の条件式（２）、  １．０＜Ｐ２Ｘ／Ｐ２Ｙ＜２．０・・・（２）を満足する。したがって、虚像を観察者の視線に対して傾斜させた場合でも、表示デバイスの垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイスの小型化を図ることができる。
【００５９】  （６）（１）ないし（５）のヘッドアップディスプレイにおいて、前記第１光学素子は自由曲面レンズである。したがって、第１光学素子の発散作用を垂直方向よりも水平方向において大きくすることができ、虚像を観察者の視線に対して傾斜させた場合でも、表示デバイスの垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイスの小型化を図ることができる。
【００６０】  （７）（１）ないし（５）のヘッドアップディスプレイにおいて、前記第１光学素子は自由曲面ミラーである。したがって、第１光学素子の発散作用を垂直方向よりも水平方向において大きくすることができ、表虚像を観察者の視線に対して傾斜させた場合でも、表示デバイスの垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイスの小型化を図ることができる。
【００６１】  （８）（１）ないし（７）のヘッドアップディスプレイにおいて、前記第１光学素子は発散作用を有する。したがって、第１光学素子の発散作用を垂直方向よりも水平方向において大きくすることができ、虚像を観察者の視線に対して傾斜させた場合でも、表示デバイスの垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイスの小型化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】  本開示は、液晶ディスプレイ等の表示デバイス、および自由曲面レンズまたは自由曲面ミラー等の投射光学系を用いたヘッドアップディスプレイに適用可能である。具体的には、車両用などのヘッドアップディスプレイに、本開示は適用可能である。
【符号の説明】
【００６３】  １００  ヘッドアップディスプレイ  １１０  表示デバイス  １１１  表示画像  １２３  自由曲面レンズ  １２４  自由曲面ミラー  １２５  自由曲面ミラー  １４０  投射光学系  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  Ｒ      路面  Ｌｃ    基準光線  Ｌｕ    上光線  Ｌｌ    下光線
【図１】
2020003611.tif 000003
【図２】
2020003611.tif 000004
【図３】
2020003611.tif 000005
【図４】
2020003611.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月1日(2020.4.1)
【手続補正１】
【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】
画像を虚像として観察者に表示するヘッドアップディスプレイであって、
前記ヘッドアップディスプレイは、前記画像を表示する表示デバイスと、前記画像を拡大して投影する投射光学系と、を有し、
前記投射光学系は、前記画像からの光路の順に、第１光学素子、および第２光学素子を有し、
前記第１光学素子は、垂直方向よりも水平方向の発散作用が大きく、
前記第２光学素子は、垂直方向よりも水平方向の収束作用が大きく、
前記第１光学素子と前記第２光学素子の合成パワーは、水平方向よりも垂直方向の方が大きく、
前記虚像は、下端が前記観察者に近く、上端が前記観察者に遠くなるように、前記観察者の視線に対して４５度以上傾斜している、
ヘッドアップディスプレイ。
【請求項２】
前記虚像の水平視野角をＸＦ、前記虚像の垂直視野角をＹＦ、前記画像の横表示サイズをＸＩ、および前記画像の縦表示サイズをＹＩとする時、以下の条件式（３）、
０．６２＜（ＸＩ×ＹＦ）／（ＹＩ×ＸＦ）＜０．９０・・・（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。
【請求項３】
前記表示デバイスは、前記虚像の下端を表示する下端側が前記投写光学系に近づくように、前記投射光学系の基準光線に対して所定の角度で傾斜している、
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。
【請求項４】
前記第１光学素子の水平方向のパワーをＰ１Ｘ、前記第１光学素子の垂直方向のパワーをＰ１Ｙとするとき、以下の条件式（１）、
１．０＜Ｐ１Ｘ／Ｐ１Ｙ＜１．５・・・（１）
を満足する、
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項５】
前記第２光学素子の水平方向のパワーをＰ２Ｘ、前記第２光学素子の垂直方向のパワーをＰ２Ｙとするとき、以下の条件式（２）、
１．０＜Ｐ２Ｘ／Ｐ２Ｙ＜２．０・・・（２）
を満足する、
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項６】
前記第１光学素子は自由曲面レンズである、
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項７】
前記第１光学素子は自由曲面ミラーである、
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項８】
前記第１光学素子は発散作用を有する、
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項９】
前記虚像は、前方の路面に沿って表示される、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイを搭載した移動体。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
り、表示デバイス１１０に表示される画像の垂直方向のサイズを小さくすることができる。また、水平方向においては、自由曲面レンズ１２３と自由曲面ミラー１２５とによるテレフォト作用が大きくなり、長焦点となるので、合成パワーを小さくすることができる。そのため、倍率が下がり、表示デバイス１１０に表示される画像の水平方向のサイズを大きくすることができる。
［００２１］
自由曲面レンズ１２３の水平方向のパワーをＰ１Ｘ、自由曲面レンズ１２３の垂直方向のパワーをＰ１Ｙとするとき、自由曲面レンズ１２３は、以下の条件式（１）を満足するように設計されている。
［００２２］
１．０＜Ｐ１Ｘ／Ｐ１Ｙ＜１．５・・・（１）
［００２３］
また、自由曲面ミラー１２５の水平方向のパワーをＰ２Ｘ、自由曲面ミラー１２５の垂直方向のパワーをＰ２Ｙとするとき、自由曲面ミラー１２５は、以下の条件式（２）を満足するように設計されている。
［００２４］
１．０＜Ｐ２Ｘ／Ｐ２Ｙ＜２．０・・・（２）
［００２５］
以上のような投射光学系１４０を用いることにより、図３（Ｂ）に示すように、表示デバイス１１０の画像サイズは、焦点距離が短い垂直方向において小さく、焦点距離が長い水平方向において大きくすることができる。したがって、虚像Ｉを観察者Ｄの視線に対して傾けた場合でも、表示デバイス１１０の垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイス１１０の小型化を図ることができる。ここで、虚像Ｉを観察者Ｄの視線に対して傾けた状態とは、図２に示すように表示デバイス１１０を基準光線Ｌｃに対して反時計回り方向に角度｜θ１｜だけ傾けた状態である。
［００２６］
本実施の形態においては、表示デバイス１１０により表示される画像のサイズと、視野角との関係は、以下のように設定されている。
［００２７］
本実施の形態における虚像Ｉの水平視野角をＸＦ、虚像の垂直視野角をＹＦ、表示デバイス１１０における画像の横表示サイズをＸＩ、および表示デバイス１１０における画像の縦表示サイズをＹＩとする時、以下の条件式（３）を満足する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
。
［００３８］
本実施の形態においても、自由曲面ミラー１２４の水平方向のパワーをＰ１Ｘ’、自由曲面ミラー１２４の垂直方向のパワーをＰ１Ｙ’とするとき、自由曲面ミラー１２４は、以下の条件式（１）’を満足するように設計されている。
［００３９］
１．０＜Ｐ１Ｘ’／Ｐ１Ｙ’＜１．５・・・（１）’
［００４０］
また、自由曲面ミラー１２６の水平方向のパワーをＰ２Ｘ、自由曲面ミラー１２５の垂直方向のパワーをＰ２Ｙとするとき、自由曲面ミラー１２５は、以下の条件式（２）を満足するように設計されている。
［００４１］
１．０＜Ｐ２Ｘ／Ｐ２Ｙ＜２．０・・・（２）
［００４２］
以上のような投射光学系１４０を用いることにより、表示デバイス１１０の画像サイズは、焦点距離が短い垂直方向において小さく、焦点距離が長い水平方向において大きくすることができる。したがって、虚像Ｉを観察者Ｄの視線に対して傾けた場合でも、表示デバイス１１０の垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイス１１０の小型化を図ることができる。
［００４３］
また、本実施の形態においても、表示デバイス１１０により表示される画像のサイズと、視野角との関係は、以下のように設定されている。
［００４４］
本実施の形態における虚像の水平視野角をＸＦ、虚像の垂直視野角をＹＦ、表示デバイス１１０における画像の横表示サイズをＸＩ、および表示デバイス１１０における画像の縦表示サイズをＹＩとする時、以下の条件式（３）を満足する。
［００４５］
０．６２＜（ＸＩ×ＹＦ）／（ＹＩ×ＸＦ）＜０．９０・・・（３）
［００４６］
視野角が持つアスペクト比を、ＸＦ／ＹＦで表し、表示画像のアスペクト比を、ＸＩ／ＹＩで表した時、上記条件式は、視野角が持つアスペクト比に対する表示画像のアスペクト比の比として表される。以降、「アスペクト比の比」と表現する。
［００４７］
上述したように、本実施の形態の投射光学系１４０では、垂直方向と水平
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
サイズを大きくすることを防止し、表示デバイス１１０の小型化を図ることができる。
［００５２］
実施の形態１、２では、虚像Ｉは路面Ｒに沿って表示させているが、観察者Ｄの視線に対して４５度以上傾けることでも奥行き感を表現することができる。
［００５３］
（実施形態の概要）
（１）本開示のヘッドアップディスプレイは、画像を虚像として観察者に表示するヘッドアップディスプレイであって、前記ヘッドアップディスプレイは、前記画像を表示する表示デバイスと、前記画像を拡大して投影する投射光学系と、を有し、前記投射光学系は、前記画像からの光路の順に、第１光学素子、および第２光学素子を有し、前記第１光学素子は、垂直方向よりも水平方向の発散作用が大きく、前記第２光学素子は、垂直方向よりも水平方向の収束作用が大きい。
［００５４］
本開示のヘッドアップディスプレイによれば、表示デバイスの画像サイズは、焦点距離が短い垂直方向において小さく、焦点距離が長い水平方向において大きくすることができる。したがって、虚像を観察者の視線に対して傾けた場合でも、表示デバイスの垂直方向のサイズを大きくすることを防止し、表示デバイスの小型化を図ることができる。
［００５５］
（２）（１）のヘッドアップディスプレイにおいて、前記虚像の水平視野角をＸＦ、前記虚像の垂直視野角をＹＦ、前記画像の横表示サイズをＸＩ、および前記画像の縦表示サイズをＹＩとする時、以下の条件式（３）、
０．６２＜（ＸＩ×ＹＦ）／（ＹＩ×ＸＦ）＜０．９０・・・（３）
を満足する。したがって、虚像を観察者の視線に対して傾斜させた場合でも、小型でありながら、良好な画質の虚像を提示することができるヘッドアップディスプレイを提供することが可能となる。
［００５６］
（３）（１）または（２）のヘッドアップディスプレイにおいて、前記第１光学素子と前記第２光学素子の合成パワーは、水平方向よりも垂直方向の方が大きい。したがって、虚像を観察者の視線に対して傾斜させた場合でも
【国際調査報告】
2020003611.tif 000007
2020003611.tif 000008
2020003611.tif 000009