(57)【要約】  本発明は、黒塗り以外の方法でコバ面からの迷光の発生を防ぐことができるヘッドアップディスプレイを提供する。  本発明は、画像を観察者（Ｄ）に虚像（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、画像を拡大して投影する投射光学系（１４０）を有し、投射光学系（１４０）はレンズ素子（１２３）と反射鏡（１２５）を有し、観察者（Ｄ）の視点領域（３００）の中心に到達し、虚像（Ｉ）の中心に相当する光線を基準光線（Ｌｃ）としたとき、レンズ素子（１２３）は基準光線（Ｌｃ）に対して傾けて配置され、レンズ素子（Ｌｃ）は、画像の光が入射する入射面と、画像の光が出射する出射面と、第１コバ部（１２３ａ）と、第２コバ部（１２３ｂ）とを有し、画像から出射した光が、入射面、第２コバ部（１２３ｂ）、出射面の順に進むとき、出射面から出射した光は、反射鏡（１２５）の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部（１２３ｂ）が傾斜している。
2020045098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を観察者に虚像として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、前記画像を拡大して投影する投射光学系を有し、  前記投射光学系はレンズ素子と反射鏡を有し、  前記観察者の視点領域の中心に到達し、前記虚像の中心に相当する光線を基準光線としたとき、  前記レンズ素子は前記基準光線に対して傾けて配置され、  前記レンズ素子は、前記画像の光が入射する入射面と、前記画像の光が出射する出射面と、第１コバ部と、第２コバ部とを有し、  前記画像から出射した光が、前記入射面、前記第２コバ部、前記出射面の順に進むとき、前記出射面から出射した光は、前記反射鏡の中心部よりも下方に到達するように前記第２コバ部が傾斜している、ヘッドアップディスプレイ。
【請求項２】
前記反射鏡の中心部は、前記反射鏡の中心から前記反射鏡の大きさの２／３の領域である、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項３】
前記画像から出射した光が、前記入射面、前記第２コバ部、前記出射面の順に進むとき、前記出射面から出射した光は、前記反射鏡よりも下方に到達するように前記第２コバ部が傾斜している、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】
前記レンズ素子は、自由曲面形状である、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コバ部は、前記第１コバ部よりも小さい領域で構成される、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項６】
前記第２コバ部は、鏡面性を有する、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２コバ部は、不連続な傾斜形状を有する、請求項１ないし請求項６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２コバ部は、曲面部を有する、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】
前記第２コバ部は、部分的に傾斜角が異なる、請求項１ないし請求項８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１０】
前記第２コバ部は、複数の平面部を有する、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。
【請求項１１】
前記出射面から出射した光は、前記入射面、前記第２コバ部、および前記出射面の順に進むとき、前記反射鏡よりも下方に到達する、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
【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、スクリーン板側から順に、負の屈折力の凹レンズと、正の屈折力の凸レンズと、回転非対称な自由曲面レンズと回転非対称な自由曲面ミラーとを並べて配置する技術を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開２０１６／１６２９２８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、自由曲面レンズを用いた場合には、液晶表示デバイスから出射された光が、自由曲面レンズのコバ面で反射し、迷光が発生するという問題がある。迷光を防ぐためには、コバ面を黒塗りすることも考えられるが、製造コストが高くなる。そこで、本開示は、黒塗り以外の方法でコバ面からの迷光の発生を防ぐ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、  画像を観察者に虚像として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、前記画像を拡大して投影する投射光学系を有し、  前記投射光学系はレンズ素子と反射鏡を有し、  前記観察者の視点領域の中心に到達し、前記虚像の中心に相当する光線を基準光線としたとき、  前記レンズ素子は前記基準光線に対して傾けて配置され、  前記レンズ素子は、前記画像の光が入射する入射面と、前記画像の光が出射する出射面と、第１コバ部と、第２コバ部とを有し、  前記画像から出射した光が、前記入射面、前記第２コバ部、前記出射面の順に進むとき、前記出射面から出射した光は、前記反射鏡の中心部よりも下方に進行するように前記第２コバ部が傾斜している。
【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によれば、第２コバ部で反射することにより発生した迷光が、反射鏡の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部を傾斜させたので、第２コバ部で反射することにより発生した迷光が、観察者に視認されることを防止することができる。
【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】実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの自由曲面レンズを拡大した模式図である。
【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レンズを拡大した模式図である。
【図５】実施の形態３におけるヘッドアップディスプレイのレンズを拡大した模式図である。
【図６】実施の形態４におけるヘッドアップディスプレイのレンズを拡大した模式図である。
【図７】実施の形態７におけるヘッドアップディスプレイのレンズを拡大した模式図である。
【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から図３を参照して、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】  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は、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の自由曲面レンズ１２３を拡大した模式図である。
【００１１】  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。
【００１２】  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。
【００１３】  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。
【００１４】  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。
【００１５】  投射光学系１４０は、負のパワーを有するレンズ素子としての自由曲面レンズ１２３と、正のパワーを有する反射鏡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によって屈折された画像を、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。
【００１６】[１−１−２．レンズ素子の構成]  本実施形態においては、自由曲面レンズ１２３は、太陽光の迷光回避のため、図２に示すように、車両２００の断面視において、自由曲面レンズ１２３の出射面が下方を向くように基準光線Ｌｃに対して傾けて配置している。
【００１７】  また、自由曲面レンズ１２３をこのように傾けただけでは、表示デバイス１１０による表示光が、第２コバ部１２３ｂで反射し、迷光が発生する。そこで、本実施の形態では、自由曲面レンズ１２３は、第２コバ部１２３ｂの領域が、第１コバ部１２３ａの領域よりも小さくなるように形成されている。自由曲面レンズ１２３をこのように形成することにより、第２コバ部１２３ｂの領域が狭くなり、表示デバイス１１０の表示光が第２コバ部１２３ｂで反射して発生する迷光を抑えることができる。
【００１８】  さらに、本実施の形態においては、図３に示すように、自由曲面レンズ１２３の出射面下部を矢印Ａ方向に延長し、第２コバ部１２３ｂの面を、従来の第２コバ部１２３ｂ’の面よりも、基準光線Ｌｃから離れる方向に傾斜させている。
【００１９】  また、本実施の形態においては、第２コバ部１２３ｂは鏡面性を有している。したがって、表示デバイス１１０から第２コバ部１２３ｂに入射した光は拡散されることなく、迷光に寄与する光路を限定できる。また、第２コバ部１２３ｂに黒塗り加工を施した場合のように、太陽光が自由曲面ミラー１２５を介して第２コバ部１２３ｂに集光した場合に、第２コバ部１２３ｂが加熱されることを防止することができる。
【００２０】  第２コバ部１２３ｂをこのように傾斜させることにより、図２に示すように、表示デバイス１１０から出射した光が、自由曲面レンズ１２３の入射面、第２コバ部１２３ｂ、自由曲面レンズ１２３の出射面の順に進むとき、自由曲面レンズ１２３の出射面から出射した迷光ＳＬは、自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達する。その結果、迷光ＳＬは、ウインドシールド２２０の上部に到達し、観察者Ｄに視認されることがない。ここで、自由曲面ミラー１２５の中心部は、自由曲面ミラー１２５の中心から自由曲面ミラー１２５の大きさの２／３の領域である。
【００２１】  第２コバ部１２３ｂの傾斜の角度は、自由曲面レンズ１２３の出射面から出射した迷光ＳＬが、自由曲面ミラー１２５の反射面に到達することなく、自由曲面ミラー１２５よりも下方に進むように設定してもよい。
【００２２】  以上のように、本実施の形態は、表示デバイス１１０からの出射光が入射する自由曲面レンズ１２３の出射面を下方に傾けて配置し、第２コバ部１２３ｂの領域を第１コバ部１２３ａの領域よりも小さくし、かつ、第２コバ部１２３ｂの面を、第２コバ部１２３ｂからの反射光が自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように傾斜させた。したがって、表示デバイス１１０から出射し、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生する迷光ＳＬが、観察者Ｄに視認されることを防止することができる。
【００２３】[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、画像を観察者Ｄに虚像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、画像を拡大して投影する投射光学系１４０を有し、投射光学系１４０はレンズ素子としての自由曲面レンズ１２３を有し、観察者Ｄの視点領域３００の中心に到達し、虚像Ｉの中心に相当する光線を基準光線Ｌｃとしたとき、自由曲面レンズ１２３は基準光線Ｌｃに対して傾けて配置され、自由曲面レンズ１２３は、画像の光が入射する入射面と、画像の光が出射する出射面と、第１コバ部１２３ａと、第２コバ部１２３ｂとを有し、画像から出射した光が、入射面、第２コバ部１２３ｂ、出射面の順に進むとき、出射面から出射した光は、反射鏡としての自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部１２３ｂが傾斜している。
【００２４】  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、第２コバ部１２３ｂの領域を第１コバ部１２３ａの領域よりも小さくしたので、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生する迷光を減少させることができる。また、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生した迷光が、自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部１２３ｂを傾斜させた。その結果、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生した迷光が、観察者Ｄに視認されることを防止することができる。
【００２５】（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におけるレンズ素子の構成を示す模式図である。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、レンズ素子として、自由曲面レンズ１２３の変わりに、出射面が一定の曲率の曲面であるレンズ１２４を用いる。
【００２６】  レンズ１２４は、上方の第１コバ部１２４ａと、下方の第２コバ部１２４ｂとを備えている。レンズ１２４は、出射面が一定の曲率の曲面であるレンズを二等分し、上半分だけをレンズ１２４として用いる。本実施の形態においても、表示デバイス１１０からの出射光が入射するレンズ１２４の出射面を下方に傾けて配置し、第２コバ部１２４ｂの領域を第１コバ部１２４ａの領域よりも小さくしている。また、第２コバ部１２４ｂは、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生した迷光が、自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように傾斜している。ここで、レンズ１２４は、出射面が一定の曲率の曲面であるレンズを二等分し、上半分だけをレンズ１２４として用いたものに限らず、第２コバ部１２４ｂの領域が第１コバ部１２５ａの領域よりも小さくなるように、任意の比率でレンズ１２４の上側を使用しても良い。
【００２７】  以上のように、本実施の形態は、表示デバイス１１０からの出射光が入射するレンズ１２４の出射面を下方に傾けて配置し、第２コバ部１２４ｂの領域を第１コバ部１２４ａの領域よりも小さくし、かつ、第２コバ部１２４ｂの面を、第２コバ部１２４ｂからの反射光が自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように傾斜させた。したがって、表示デバイス１１０から出射し、第２コバ部１２４ｂで反射することにより発生する迷光ＳＬが、観察者Ｄに視認されることを防止することができる。
【００２８】  また、本実施の形態においては、第２コバ部１２４ｂは鏡面性を有している。したがって、表示デバイス１１０から第２コバ部１２３ｂに入射した光は拡散されることなく、迷光に寄与する光路を限定できる。また、第２コバ部１２４ｂに黒塗り加工を施した場合のように、太陽光が自由曲面ミラー１２５を介して第２コバ部１２３ｂに集光した場合に、第２コバ部１２３ｂが加熱されることを防止することができる。
【００２９】[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、画像を観察者Ｄに虚像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、画像を拡大して投影する投射光学系１４０を有し、投射光学系１４０はレンズ素子としてのレンズ１２４を有し、観察者Ｄの視点領域３００の中心に到達し、虚像Ｉの中心に相当する光線を基準光線Ｌｃとしたとき、レンズ１２４は基準光線Ｌｃに対して傾けて配置され、レンズ１２４は、画像の光が入射する入射面と、画像の光が出射する出射面と、第１コバ部１２４ａと、第２コバ部１２４ｂとを有し、画像から出射した光が、入射面、第２コバ部１２４ｂ、出射面の順に進むとき、出射面から出射した光は、反射鏡としての自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部１２４ｂが傾斜している。
【００３０】  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、第２コバ部１２４ｂの領域を第１コバ部１２４ａの領域よりも小さくしたので、第２コバ部１２４ｂで反射することにより発生する迷光を減少させることができる。また、第２コバ部１２４ｂで反射することにより発生した迷光が、自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部１２４ｂを傾斜させた。その結果、第２コバ部１２４ｂで反射することにより発生した迷光が、観察者Ｄに視認されることを防止することができる。
【００３１】（実施の形態３）  次に、図５を用いて、実施の形態３を説明する。[３−１．構成]  図５は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００におけるレンズ素子の構成を示す模式図である。図５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、レンズ素子として、自由曲面レンズ１２３を用いるが、第２コバ部１２３ｂは、不連続な傾斜形状を有している。
【００３２】  自由曲面レンズ１２３は、上方の第１コバ部１２３ａと、下方の第２コバ部１２３ｂとを備えている。自由曲面レンズ１２３は、本実施の形態においても、出射面を下方に傾けて配置し、第２コバ部１２３ｂの領域を第１コバ部１２３ａの領域よりも小さくしている。また、第２コバ部１２３ｂは、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生した迷光が、自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように傾斜している。そして、本実施の形態では、この第２コバ部１２３ｂの傾斜形状は、不連続な複数の傾斜形状から構成されている。
【００３３】  第２コバ部１２３ｂをこのように構成することにより、第２コバ部１２３ｂの一つ一つの傾斜形状における面の大きさは、実施の形態１の第２コバ部１２３ｂに比べて小さくなり、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生する迷光を、さらに減少させることができる。
【００３４】  また、本実施の形態においては、第２コバ部１２３ｂは鏡面性を有している。したがって、表示デバイス１１０から第２コバ部１２３ｂに入射した光は拡散されることなく、迷光に寄与する光路を限定できる。また、第２コバ部１２３ｂに黒塗り加工を施した場合のように、太陽光が自由曲面ミラー１２５を介して第２コバ部１２３ｂに集光した場合に、第２コバ部１２３ｂが加熱されることを防止することができる。
【００３５】  以上のように、本実施の形態は、表示デバイス１１０からの出射光が入射するレンズ１２３の出射面を下方に傾けて配置し、第２コバ部１２３ｂの領域を第１コバ部１２３ａの領域よりも小さくし、かつ、第２コバ部１２３ｂの面を、第２コバ部１２３ｂからの反射光が自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように傾斜させた。しかも、第２コバ部１２３ｂの傾斜形状は、不連続な複数の傾斜形状から構成した。したがって、表示デバイス１１０から出射し、第２コバ部１２４ｂで反射することにより発生する迷光ＳＬが、観察者Ｄに視認されることを防止することができる。
【００３６】[３−２．  効果等]  実施の形態３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、画像を観察者Ｄに虚像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、画像を拡大して投影する投射光学系１４０を有し、投射光学系１４０はレンズ素子としての自由曲面レンズ１２３を有し、観察者Ｄの視点領域３００の中心に到達し、虚像Ｉの中心に相当する光線を基準光線Ｌｃとしたとき、自由曲面レンズ１２３は基準光線Ｌｃに対して傾けて配置され、自由曲面レンズ１２３は、画像の光が入射する入射面と、画像の光が出射する出射面と、第１コバ部１２３ａと、第２コバ部１２３ｂとを有し、画像から出射した光が、入射面、第２コバ部１２３ｂ、出射面の順に進むとき、出射面から出射した光は、反射鏡としての自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部１２３ｂが傾斜している。また、第２コバ部１２３ｂは、不連続な傾斜形状を有する。
【００３７】  実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００によれば、第２コバ部１２３ｂの領域を第１コバ部１２３ａの領域よりも小さく、かつ、不連続な傾斜形状を有するようにしたので、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生する迷光を減少させることができる。また、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生した迷光が、自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部１２３ｂに傾斜形状を持たせた。その結果、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生した迷光が、観察者Ｄに視認されることを防止することができる。
【００３８】（実施の形態４）  次に、図６を用いて、実施の形態３を説明する。[４−１．構成]  図６は、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００におけるレンズ素子の構成を示す模式図である。図６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、レンズ素子として、自由曲面レンズ１２３を用いるが、第２コバ部１２３ｂは曲面部を有している。
【００３９】  自由曲面レンズ１２３は、上方の第１コバ部１２３ａと、下方の第２コバ部１２３ｂとを備えている。自由曲面レンズ１２３は、本実施の形態においても、出射面を下方に傾けて配置し、第２コバ部１２３ｂの領域を第１コバ部１２３ａの領域よりも小さくしている。また、第２コバ部１２３ｂは、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生した迷光が、自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように傾斜している。そして、本実施の形態では、この第２コバ部１２３ｂの傾斜形状は、曲面部で構成されている。
【００４０】  第２コバ部１２３ｂの傾斜形状は、このように曲面部によっても構成することができ、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生した迷光が、自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するようにすることができる。
【００４１】  また、本実施の形態においては、第２コバ部１２３ｂは鏡面性を有している。したがって、表示デバイス１１０から第２コバ部１２３ｂに入射した光は拡散されることなく、迷光に寄与する光路を限定できる。また、第２コバ部１２３ｂに黒塗り加工を施した場合のように、太陽光が自由曲面ミラー１２５を介して第２コバ部１２３ｂに集光した場合に、第２コバ部１２３ｂが加熱されることを防止することができる。
【００４２】  以上のように、本実施の形態は、表示デバイス１１０からの出射光が入射するレンズ１２３の出射面を下方に傾けて配置し、第２コバ部１２３ｂの領域を第１コバ部１２３ａの領域よりも小さくし、かつ、第２コバ部１２３ｂの面を、第２コバ部１２３ｂからの反射光が自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように傾斜させた。しかも、第２コバ部１２３ｂの傾斜形状は、曲面部から構成した。したがって、表示デバイス１１０から出射し、第２コバ部１２４ｂで反射することにより発生する迷光ＳＬが、観察者Ｄに視認されることを防止することができる。
【００４３】[４−２．  効果等]  実施の形態４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、画像を観察者Ｄに虚像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、画像を拡大して投影する投射光学系１４０を有し、投射光学系１４０はレンズ素子としての自由曲面レンズ１２３を有し、観察者Ｄの視点領域３００の中心に到達し、虚像Ｉの中心に相当する光線を基準光線Ｌｃとしたとき、自由曲面レンズ１２３は基準光線Ｌｃに対して傾けて配置され、自由曲面レンズ１２３は、画像の光が入射する入射面と、画像の光が出射する出射面と、第１コバ部１２３ａと、第２コバ部１２３ｂとを有し、画像から出射した光が、入射面、第２コバ部１２３ｂ、出射面の順に進むとき、出射面から出射した光は、反射鏡としての自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部１２３ｂが傾斜している。また、第２コバ部１２３ｂは、曲面部を有する。
【００４４】  実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００によれば、第２コバ部１２３ｂの領域を第１コバ部１２３ａの領域よりも小さくしたので、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生する迷光を減少させることができる。また、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生した迷光が、自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部１２３ｂに曲面部により傾斜形状を持たせた。その結果、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生した迷光が、観察者Ｄに視認されることを防止することができる。
【００４５】（実施の形態５）  次に、図７を用いて、実施の形態３を説明する。[５−１．構成]  図７は、実施の形態５に係るヘッドアップディスプレイ１００におけるレンズ素子の構成を示す模式図である。図７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、レンズ素子として、自由曲面レンズ１２３を用いるが、第２コバ部１２３ｂは複数の平面部を有し、平面部の傾斜角は部分的に異なる。
【００４６】  自由曲面レンズ１２３は、上方の第１コバ部１２３ａと、下方の第２コバ部１２３ｂとを備えている。自由曲面レンズ１２３は、本実施の形態においても、出射面を下方に傾けて配置し、第２コバ部１２３ｂの領域を第１コバ部１２３ａの領域よりも小さくしている。また、第２コバ部１２３ｂは、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生した迷光が、自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように傾斜している。そして、本実施の形態では、この第２コバ部１２３ｂの傾斜形状は、複数の平面部で構成されており、平面部の傾斜角は部分的に異なっている。
【００４７】  第２コバ部１２３ｂの傾斜形状は、このように部分的に傾斜角が異なる複数の平面部によっても構成することができ、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生した迷光が、自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するようにすることができる。
【００４８】  また、本実施の形態においては、第２コバ部１２３ｂは鏡面性を有している。したがって、表示デバイス１１０から第２コバ部１２３ｂに入射した光は拡散されることなく、迷光に寄与する光路を限定できる。また、第２コバ部１２３ｂに黒塗り加工を施した場合のように、太陽光が自由曲面ミラー１２５を介して第２コバ部１２３ｂに集光した場合に、第２コバ部１２３ｂが加熱されることを防止することができる。
【００４９】  以上のように、本実施の形態は、表示デバイス１１０からの出射光が入射するレンズ１２３の出射面を下方に傾けて配置し、第２コバ部１２３ｂの領域を第１コバ部１２３ａの領域よりも小さくし、かつ、第２コバ部１２３ｂの面を、第２コバ部１２３ｂからの反射光が自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように傾斜させた。しかも、第２コバ部１２３ｂの傾斜形状は、部分的に傾斜角が異なる複数の平面部から構成した。したがって、表示デバイス１１０から出射し、第２コバ部１２４ｂで反射することにより発生する迷光ＳＬが、観察者Ｄに視認されることを防止することができる。
【００５０】[５−２．  効果等]  実施の形態４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、画像を観察者Ｄに虚像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、画像を拡大して投影する投射光学系１４０を有し、投射光学系１４０はレンズ素子としての自由曲面レンズ１２３を有し、観察者Ｄの視点領域３００の中心に到達し、虚像Ｉの中心に相当する光線を基準光線Ｌｃとしたとき、自由曲面レンズ１２３は基準光線Ｌｃに対して傾けて配置され、自由曲面レンズ１２３は、画像の光が入射する入射面と、画像の光が出射する出射面と、第１コバ部１２３ａと、第２コバ部１２３ｂとを有し、画像から出射した光が、入射面、第２コバ部１２３ｂ、出射面の順に進むとき、出射面から出射した光は、反射鏡としての自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部１２３ｂが傾斜している。また、第２コバ部１２３ｂは、部分的に傾斜角が異なり、複数の平面部を有する。
【００５１】  実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００によれば、第２コバ部１２３ｂの領域を第１コバ部１２３ａの領域よりも小さくしたので、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生する迷光を減少させることができる。また、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生した迷光が、自由曲面ミラー１２５の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部１２３ｂに部分的に傾斜角が異なる複数の平面部により傾斜形状を持たせた。その結果、第２コバ部１２３ｂで反射することにより発生した迷光が、観察者Ｄに視認されることを防止することができる。
【００５２】（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、画像を観察者に虚像として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、前記画像を拡大して投影する投射光学系を有し、前記投射光学系はレンズ素子と反射鏡を有し、前記観察者の視点領域の中心に到達し、前記虚像の中心に相当する光線を基準光線としたとき、前記レンズ素子は前記基準光線に対して傾けて配置され、前記レンズ素子は、前記画像の光が入射する入射面と、前記画像の光が出射する出射面と、第１コバ部と、第２コバ部とを有し、前記画像から出射した光が、前記入射面、前記第２コバ部、前記出射面の順に進むとき、前記出射面から出射した光は、前記反射鏡の中心部よりも下方に到達するように前記第２コバ部が傾斜している。
【００５３】  本開示のヘッドアップディスプレイによれば、第２コバ部で反射することにより発生した迷光が、反射鏡の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部を傾斜させたので、第２コバ部で反射することにより発生した迷光が、観察者に視認されることを防止することができる。
【００５４】  （２）（１）のヘッドアップディスプレイにおいて、レンズ素子は、自由曲面形状である。したがって、第２コバ部で反射することにより発生した迷光が、観察者に視認されることを防止しつつ、高画質な画像を観察者に虚像として認識させることができる。
【００５５】  （３）（１）または（２）のヘッドアップディスプレイにおいて、第２コバ部は、第１コバ部よりも小さい領域で構成される。したがって、第２コバ部で反射することにより発生した迷光を減少させることができ、迷光が、観察者に視認されることを防止することができる。
【００５６】  （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、第２コバ部は、鏡面性を有する。したがって、第２コバ部に黒塗り加工を施した場合のように、第２コバ部が加熱されることを防止することができる。
【００５７】  （５）（１）ないし（４）のヘッドアップディスプレイにおいて、第２コバ部は、不連続な傾斜形状を有する。したがって、第２コバ部で反射することにより発生した迷光を減少させることができ、かつ、第２コバ部で反射することにより発生した迷光が、反射鏡の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部を傾斜させたので、迷光が観察者に視認されることを防止することができる。
【００５８】  （６）（１）ないし（５）のヘッドアップディスプレイにおいて、第２コバ部は、曲面部を有する。したがって、第２コバ部で反射することにより発生した迷光が、反射鏡の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部に傾斜を持たせることができ、迷光が観察者に視認されることを防止することができる。
【００５９】  （７）（１）ないし（６）のヘッドアップディスプレイにおいて、第２コバ部は、部分的に傾斜角が異なる。したがって、第２コバ部で反射することにより発生した迷光が、反射鏡の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部に傾斜を持たせることができ、迷光が観察者に視認されることを防止することができる。
【００６０】  （８）（１）ないし（７）のヘッドアップディスプレイにおいて、第２コバ部は、複数の平面部を有する。したがって、第２コバ部で反射することにより発生した迷光が、反射鏡の中心部よりも下方に到達するように第２コバ部に傾斜を持たせることができ、迷光が観察者に視認されることを防止することができる。
【００６１】  （９）（１）ないし（８）のヘッドアップディスプレイにおいて、出射面から出射した光は、入射面、第２コバ部、および出射面の順に進むとき、前記反射鏡よりも下方に到達する。したがって、迷光が観察者に視認されることを防止することができる。
【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、およびレンズ素子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  １２３ａ  第１コバ部  １２３ｂ  第２コバ部  １２４  レンズ  １２４ａ  第１コバ部  １２４ｂ  第２コバ部  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  ＳＬ    迷光
【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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【手続補正書】
【提出日】令和2年4月10日(2020.4.10)
【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を有し、
前記投射光学系はレンズ素子と反射鏡を有し、
前記虚像の中心部に相当する光線を基準光線としたとき、
前記レンズ素子は、前記表示デバイスが表示した前記画像の光が入射する入射面と、前記画像の光が出射する出射面と、前記基準光線に対して上側にある第１コバ部と、前記基準光線に対して下側にある第２コバ部とを有し、
前記レンズ素子は、前記出射面が下方を向くように前記基準光線に対して傾けて配置され、
前記表示デバイスから出射した光が、前記入射面、前記第２コバ部、前記出射面の順に進むとき、前記出射面から出射した光は、前記反射鏡の中心部よりも下方に到達するように前記第２コバ部が傾斜している、
ヘッドアップディスプレイ。
【請求項２】
前記反射鏡の中心部は、前記反射鏡の中心から前記反射鏡の大きさの２／３の領域である、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項３】
前記表示デバイスから出射した光が、前記入射面、前記第２コバ部、前記出射面の順に進むとき、前記出射面から出射した光は、前記反射鏡の中心部よりも下方に到達し、
前記反射鏡の中心部よりも下方で反射した光は、前記観察者の視点領域外に到達するように、
前記第２コバ部が傾斜している、
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】
前記レンズ素子は、自由曲面形状である、
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コバ部は、前記第１コバ部よりも小さい領域で構成される、
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２コバ部は、鏡面性を有する、
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２コバ部は、不連続な傾斜形状を有する、
請求項１ないし請求項６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２コバ部は、曲面部を有する、
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】
前記第２コバ部は、部分的に傾斜角が異なる、
請求項１ないし請求項８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１０】
前記第２コバ部は、複数の平面部を有する、
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。
【請求項１１】
前記表示デバイスから出射した光が、前記入射面、前記第２コバ部、および前記出射面の順に進むとき、前記出射面から出射した光は、前記反射鏡の中心部よりも下方に到達し、
前記反射鏡の中心部よりも下方で反射した光は、前記観察者の視点領域外にある車両のウインドシールドの上部に到達するように、前記第２コバ部が傾斜している、
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。
【国際調査報告】
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