(57)【要約】出射面のレンズ形状を薄型化でき、光の拡散度合を方向によって変えることができるヘッドアップディスプレイ装置を提供する。ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置１０は、表示器２０からの表示光Ｌを外部の透光部材２に出射し、反射した表示光Ｌによる虚像Ｖを視認させるＨＵＤ装置１０で、表示器２０は、光源２１と、光源２１の光を略平行化する第１の光学素子２２と、出射された光を進行方向に直交する第１の方向に拡散させる第２の光学素子２３と、出射された光を進行方向に直交し第１の方向と交差する第２の方向に拡散させる第３の光学素子２４と、通過した光に基づく画像の表示光Ｌを出射する液晶表示パネル２５と、を備え、第３の光学素子２４は、平面視多重の楕円上に配列されたフレネルレンズ形状の光出射面２４ｏと、第２の方向に沿って延び第１の方向に並ぶ複数のシリンドリカルレンズ部２４ａの光入射面２４ｉと、を備える。
2019225572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示器からの表示光を外部に位置する透光部材に向けて出射し、前記透光部材で反射した前記表示光によって虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記表示器は、
光源と、
前記光源からの光を略平行化する第１の光学素子と、
前記第１の光学素子から出射される光を、前記光の進行方向に直交する第１の方向に拡散させる第２の光学素子と、
前記第２の光学素子から出射される光を、前記進行方向に直交し、且つ、前記第１の方向と交差する第２の方向に拡散させる第３の光学素子と、
前記第１〜第３の光学素子を通過した前記光に基づき画像に応じた前記表示光を出射する液晶表示パネルと、を備え、
前記第３の光学素子は、
平面視多重の楕円上に配列されたフレネルレンズ形状に形成された光出射面と、
前記第２の方向に沿って延びかつ前記第１の方向に並ぶ複数のシリンドリカルレンズ部を有する光入射面と、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。
【請求項２】
前記第３の光学素子は、前記光出射面の前記多重の楕円の短径方向が前記第１の方向に沿い、前記多重の楕円の長径方向が前記第２の方向に沿って配列されている、
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】
前記透光部材は、矩形の表示領域を備え、
前記第３の光学素子は、前記光出射面の前記多重の楕円の短径方向が前記矩形の表示領域の長手方向に沿い、前記多重の楕円の長径方向が前記矩形の表示領域の短手方向に沿って配列されている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
前記第３の光学素子は、前記光出射面において前記多重の楕円に沿う複数の溝を有し、
前記複数の溝は、それぞれ略同一の深さで形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至３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、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表示器からの表示光を外部に位置する透光部材に向けて出射し、透光部材で反射した表示光によって虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置が知られており、表示器には、光源からの光を、均斉度を高めて照明している。例えば、下記特許文献１に開示されたヘッドアップディスプレイ装置では、光源からの光をコンデンサレンズで集光するとともに、平行化し、２つのレンチキュラレンズで縦方向（鉛直方向）及び横方向（左右方向）に光を拡散させ、さらに２つ目のレンチキュラレンズの出射面をトロイダル状（２方向に湾曲した形状）の凹面状として拡散させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−９８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１のヘッドアップディスプレイ装置では、２つ目のレンチキュラレンズの出射面を凹面状としているため周縁部の厚さが厚くなり、表示器、ひいてはヘッドアップディスプレイ装置のコンパクト化の妨げとなっており、薄型化が望まれている。
また、出射面は、表示器や透光部材の形状に応じて縦横等の２つの交差する方向への光の拡散度合を変えて配向する必要もある。【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、出射面のレンズ形状を薄型化でき、光の拡散度合を方向によって変えることができる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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、
表示器からの表示光を外部に位置する透光部材に向けて出射し、前記透光部材で反射した前記表示光によって虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記表示器は、
光源と、
前記光源からの光を略平行化する第１の光学素子と、
前記第１の光学素子から出射される光を、前記光の進行方向に直交する第１の方向に拡散させる第２の光学素子と、
前記第２の光学素子から出射される光を、前記進行方向に直交し、且つ、前記第１の方向と交差する第２の方向に拡散させる第３の光学素子と、
前記第１〜第３の光学素子を通過した前記光に基づき画像に応じた前記表示光を出射する液晶表示パネルと、を備え、
前記第３の光学素子は、
平面視多重の楕円上に配列されたフレネルレンズ形状に形成された光出射面と、
前記第２の方向に沿って延びかつ前記第１の方向に並ぶ複数のシリンドリカルレンズ部を有する光入射面と、を備える、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、出射面のレンズ形状を薄型化でき、光の拡散度合を方向によって変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のヘッドアップディスプレイ装置の一実施の形態に係る車両に適用した概略断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る分解して示す部分拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態の第３の光学素子に係り、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は部分拡大断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る光の経路を示す概略説明図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る光の経路の部分拡大説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の一実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を、図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０は、図１に示すように、例えば、車両１のダッシュボード内に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、車両１のフロントガラス（透光部材）２に向けて画像を表す表示光Ｌをケース４０に開口された出射部４１から出射する。視認者Ｍ（主に車両１の運転者）は、フロントガラス２で反射した表示光Ｌを受けて、フロントガラス２を通して見える背景に重畳した虚像Ｖを視認する。この表示される画像（表示領域）は、例えば、視認者Ｍから見て縦方向（短手方向）および横方向（長手方向）に延びる長方形状（矩形）をなす。
なお、以下の説明では、ヘッドアップディスプレイ装置１０の構成について、図１などの図中示すＸ、Ｙ、Ｚ座標系を用いて説明する。本実施形態では、Ｘ方向は車両の前後方向に沿い、Ｙ方向は車両の幅（左右）（横）方向に沿い、Ｚ方向は車両の高さ（上下）（縦）方向に沿う方向とする。
【００１０】
ヘッドアップディスプレイ装置１０は、表示器２０と、反射部３０と、ケース４０と、を備える。
【００１１】
（構成）
表示器２０は、液晶表示器（例えばＹ−Ｚ平面上に配置される）で構成され、光源２１と、光源２１からの光を略平行化する第１の光学素子２２と、第１の光学素子２２から出射される光を、光の進行方向（Ｘ方向）に直交する第１の方向（例えばＺ方向）に拡散させる第２の光学素子２３と、第２の光学素子２３から出射される光を、進行方向に直交し、且つ、第１の方向と交差する第２の方向（例えばＹ方向）に拡散させる第３の光学素子２４と、第１〜第３の光学素子２２〜２４を通過した光に基づき画像に応じた表示光Ｌを出射する（例えばＸ方向に出射する）液晶表示パネル２５と、を備えて構成される。
また、第３の光学素子２４は、平面視多重の楕円上に配列されたフレネルレンズ形状に形成された光出射面２４ａと、第２の方向（例えばＹ方向）に沿って延びかつ第１の方向（例えばＺ方向）に並ぶ複数のシリンドリカルレンズ部を有する光入射面２４ｉと、を備えて構成される。
【００１２】
光源２１は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）からなる。光源２１は、基板２１ａ上にマトリックス状に配置され、例えば、Ｚ方向を行方向としＹ方向を列方向とした場合に、２行×６列のマトリックス状に１２個のＬＥＤが配置され、例えば前方（Ｘ方向）の第１〜第３の光学素子２２〜２４及び液晶表示パネル（Ｙ−Ｚ平面）２５に向けて光を出射する。
基板２１ａは、その後面がケース４０に固定された放熱部材４２と接触するように取り付けられており、これにより、効率よく放熱できるようにしてある。
【００１３】
第１〜第３の光学素子２２〜２４は、光源２１の前方（光源２１側から液晶表示パネル２５側に向け）から第１の光学素子２２、第２の光学素子２３、第３の光学素子２４の順に配置されている。第１の光学素子２２は、光源２１からの光を集光し、略平行化する。第２の光学素子２３は、第１の光学素子２２を通過した光を出射方向、例えばＸ方向と直交する第１の方向、例えばＺ方向に拡散させる。第３の光学素子２４は、第２の光学素子２３を通過した光を、例えばＸ方向と直交する第１の方向と交差する第２の方向、例えばＹ方向に拡散させる。
これら第１〜第３の光学素子２２〜２４により、光源２１からの光が均斉化され、例えばＹ−Ｚ平面に拡散させて液晶表示パネル２５に照射されることになる。
なお、第１〜第３の光学素子２２〜２４の具体的な構成については、後述する。
【００１４】
液晶表示パネル２５は、透明電極膜が形成された一対の透光性基板に液晶を封入した液晶セル２５ａと、液晶セル２５ａの前面に貼着された偏光板２５ｂと、液晶セル２５ａの後面に貼着された偏光板２５ｃと、からなり、ケース体２５ｄに保持される。
液晶表示パネル２５は、第１〜第３の光学素子２２〜２４を通過した複数の光に基づき表示画像に応じた表示光Ｌを出射する。
【００１５】
反射部３０は、凹面鏡３１を備える。凹面鏡３１は、支持部材（図示せず）を介してケース４０に固定されている。凹面鏡３１は、樹脂（例えばポリカーボネート）に金属（例えばアルミニウム）を蒸着させて凹面状の反射面を形成したものである。凹面鏡３１は、図示しないミラーホルダーに両面テープにより接着される。凹面鏡３１によって、表示器２０から出射された表示光Ｌが拡大され、拡大された虚像Ｖを表示することができる。凹面鏡３１には、角度調整機構が備えられており、ミラーホルダーを介して歯車とステッピングモータによって駆動され、凹面鏡３１の角度を調整できるようにケース４０に支持されている。
これにより、視認者Ｍは、押しボタンスイッチなどの操作で画像を表す表示光Ｌが目の位置に反射されるように（即ち、虚像Ｖを視認できるように）凹面鏡３１の角度を調整する。
なお、反射部３０は、凹面鏡３１だけで構成する場合に限らず、光源２１からの光の出射方向（例えばＺ方向）によっては、平面鏡などを介在させて光の出射方向を、例えばＸ方向に変えた後、凹面鏡３１に向けて光を出射するように構成することもできる。
【００１６】
ケース４０は、表示器２０及び反射部３０などの構成機器が収容される。ケース４０は、非透光性樹脂材料（例えばポリプロピレン）からなり光源２１からの光を外部に漏らさず、内部に収容された光源２１からの光を第１〜第３の光学素子２２〜２４に向けて出射する。ケース４０は、第３の光学素子２４の前方に液晶表示パネル２５が収容され、液晶表示パネル２５の前方に反射部３０の凹面鏡３１が収容されている。また、ケース４０は、上面に出射部４１が開口されて形成されている。
これにより、表示器２０の液晶表示パネル２５が発した表示光Ｌは、凹面鏡３１を介して出射部４１から透光部材であるフロントガラス２に向けて出射される。
【００１７】
ケース４０は、出射部４１に形成され表示光Ｌを出射させる曲面形状（例えば２次曲面形状）の開口を覆って表示光Ｌを透過させる曲面形状の透光性カバー４３を備える。出射部４１は、平面形状が矩形に開口され、太陽光などの外部からの光の反射による表示光Ｌへの影響を抑えるため曲面形状（例えば２次曲面形状）とされる。出射部４１には、カバーガラスを構成する透光性カバー４３が被せられて周囲が貼着されている。透光性カバー４３は、透明性の高分子シート、例えばポリカーボネート（ＰＣ：Poly Carbonate）やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ：Poly Ethylene Terephthalate）の平面状の透光性樹脂シートＳが用いられるほか、出射部４１の曲面形状に合わせて、平面状の透光性樹脂シートＳを熱成形、例えば熱プレス成形、圧空成形、真空成形などによって、例えば２次曲面形状に加工されたものが用いられる。こうすることで、平面状のシートをそのまま貼着する場合のように、透光性カバー４３に平面状に戻ろうとする力が加わらず、安定した状態で取り付けることができる。
【００１８】
ケース４０は、第２，第３の光学素子２３，２４などが収容される前方の矩形の筒状の第１収容部４４と、第１の光学素子２２及び基板２１ａなどが収容される後方の一回り大きい矩形の筒状の第２収容部４５と、を備えて互いが連結されて一体とされている。第１収容部４４は、その前端部がケース４０の中間の隔壁４０ａに連結され、第２収容部４５は、その後端部がケース４０に取り付けられた放熱部材４２に固定されている。
第１収容部４４の内部には、第２，第３の光学素子２３，２４が収容されて、図１に示すように、素子面（光の透過面）をＹ−Ｚ平面上に保持されている。第２収容部４５の内部には、光源２１が取り付けられた基板２１ａと、その前方に配置された第１の光学素子２２とが収容されて、図１に示すように、基板２１ａおよび第１の光学素子２２の素子面（光の透過面）をＹ−Ｚ平面上に保持されている。
基板２１ａは、放熱部材４２に位置決めされて所定の位置に固定され、第１〜第３の光学素子２２〜２４は、それぞれ第１収容部４４及び第２収容部４５に位置決めされて所定の位置に固定される。
なお、このように第１〜第３の光学素子２２〜２４を、Ｙ−Ｚ平面上に配置することで、光の進行方向がＸ方向となり、光の進行方向に直交する第１の方向がＺ方向となり、光の進行方向に直交し、かつ第１の方向に交差する第２の方向がＹ方向となっている。すなわち、本実施の形態では、縦方向（短手方向）がＺ方向に一致し、横方向（長手方向）がＹ方向に一致している。
【００１９】
次に、光源２１の前方に配置される第１〜第３の光学素子２２〜２４について説明する。
第１の光学素子２２は、第１のレンズ（コンデンサレンズ）として構成され、第１のレンズ２２は、透明な光学樹脂または光学ガラスにより矩形（長方形）の略板状に形成されている。第１のレンズ２２は、図１に示すように、複数配置された凸レンズ部２２ａと、第２収容部４５の内部に嵌め込まれる脚部２２ｂとを備える。
【００２０】
脚部２２ｂは、第１のレンズ２２の縦方向（Ｚ方向）における第１のレンズ２２の両側部においてＬ字の柱状に形成される。脚部２２ｂは、凸レンズ部２２ａの側部から縦方向に沿って延出し、その先端が第１のレンズ２２の厚さ方向（本例ではＸ方向に一致する方向）に沿って屈曲するように形成されている。第１のレンズ２２は、その脚部２２ｂの先端面が基板２１ａの上面に接触するように配置される。
これにより、第１のレンズ２２は、脚部２２ｂを通じて第２収容部４５内に保持される。また、第１のレンズ２２は、第１収容部４４と第２収容部４５との段差によって基板２１ａから離間するＸ方向への移動が規制されている。
【００２１】
第１のレンズ２２の凸レンズ部２２ａは、図２に行方向を示すように、両面が凸レンズ状に形成されるとともに、光源２１と同様に２行×６列のマトリックス状に配置されている。各凸レンズ部２２ａは、各光源２１からの光が入射されるように、Ｘ方向において各光源２１に対向して配置されている。第１のレンズ２２の各凸レンズ部２２ａは、光源２１から出射される複数の光を集光するとともに、複数の光をＸ方向に沿うように略平行化する。また、第１のレンズ２２（各凸レンズ部２２ａ）から出射される光の出射領域Ｒ１は、液晶表示パネル２５の画像表示領域Ｒよりも広い範囲（Ｙ方向およびＺ方向に沿う幅寸法）とされている（図４（Ｚ方向のみを示す）参照）。
【００２２】
第２の光学素子２３は、第２のレンズ（レンチキュラレンズ）として構成され、第２のレンズ２３は、透明な光学樹脂または光学ガラスにより矩形（長方形）の略板状に形成される。第２のレンズ２３は、複数の光が入射する入射面２３ｉと、第２のレンズ２３の内部を通過した複数の光が出射する出射面２３ｏと、を備え、上下縁部の突起部が第１収容部４４に位置決めされて保持固定される。第２のレンズ２３は、第１のレンズ２２から出射される略平行化された複数の光を、略平行化された光の進行方向（Ｘ方向）に直交する第１の方向（Ｚ方向）に拡散させる。
【００２３】
第２のレンズ２３の入射面２３ｉには、図２に示すように、複数の凸レンズ部２３ａが形成され、第２のレンズ２３の出射面２３ｏには、複数の凸レンズ部２３ｂが形成されている。
つまり、この場合、入射面２３ｉ及び出射面２３ｏには、第２のレンズ２３の短手方向である第１の方向（Ｚ方向）、及び第２のレンズ２３の長手方向である第２の方向（Ｙ方向）に沿うように凸形状のレンズ部２３ａ、２３ｂが複数個アレイ状に配列されている。入射面２３ｉの凸レンズ部２３ａ及び出射面２３ｏの凸レンズ部２３ｂは、第２のレンズ２３の厚さ方向に対向する位置に設けられる。
これにより、本実施の形態の第２のレンズ２３では、第１のレンズ２２から出射される略平行化された複数の光を、略平行化された光の進行方向（Ｘ方向）に直交する第１の方向（Ｚ方向）と交差する第２の方向（Ｙ方向）にも拡散させるものとなっている。
なお、ここでの第１の方向（Ｚ方向）は、車両の高さ方向とされ、第２の方向（Ｙ方向）は、車幅（左右）方向となっている。
【００２４】
第２のレンズ２３の入射面２３ｉ及び出射面２３ｏは、その凸レンズ部２３ａ，２３ｂによって、第１のレンズ２２からの光を第２のレンズ２３の短手方向（つまり縦（Ｚ）方向）及び第２のレンズ２３の長手方向（つまり横（Ｙ）方向）に拡散する機能を有し、凸レンズ部２３ａ，２３ｂのピッチ及び曲率半径に基づき、光の拡散角度を調整することができる。また、第２のレンズ２３の出射面２３ｏは、その凸レンズ部２３ｂによって、完全に平行化されていない光の拡散角度を調整することもできる。
【００２５】
なお、本例の場合、第２のレンズ２３（出射面２３ｏ）から出射される光の出射領域Ｒ２は、液晶表示パネル２５による画像表示領域Ｒよりも広く形成されている（図４（Ｚ方向のみを示す）参照）。
【００２６】
第３の光学素子２４は、第３のレンズ（フレネルレンズ）として構成され、図３に示すように、平面視多重の楕円上に配列されたフレネルレンズ形状に形成された出射面（光出射面）２４ｏと、第２の方向に沿って延びかつ第１の方向に並ぶ複数のシリンドリカルレンズ部２４ａを有する入射面（光入射面）２４ｉと、を備えて構成される。
第３のレンズ２４は、図１〜図４に示すように、透明光学樹脂または光学ガラスにより矩形の略板状に形成され、図示しない保持部により第１収容部４４に位置決めされて第２のレンズ２３の前方に保持固定される。第３のレンズ２４は、複数の光が入射する入射面２４ｉを備えるシリンドリカルレンズ部２４ａと、第３のレンズ２４の内部をそのレンズ厚さＤ方向に通過した複数の光を出射する凹面状の出射面２４ｏを備えるフレネルレンズ部２４ｂと、を備える。
第３のレンズ２４は、出射面２４ｏをフレネルレンズ部２４ｂとすることで、これまでのレンチキュラレンズとする場合に比べ出射面２４ｏのレンズ形状（レンズ厚さＤ）を薄型化することができ、平面視多重の楕円上に配列したフレネルレンズ部２４ｂによって第２のレンズ２３から出射された光の角度を第１の方向（Ｚ方向）及び第２の方向（Ｙ方向）に調整し、光の拡散度合を方向によって変えて出射することができるようにしている。
【００２７】
第３のレンズ２４の入射面２４ｉは、図３（ｂ）に示すように、第３のレンズ２４の短手方向である第１の方向（Ｚ方向）に沿う凸形状及び長手方向である第２の方向（Ｙ方向）に沿う凸形状が複数個アレイ状に配列されてシリンドリカルレンズ部２４ａを構成されている。
これにより、本実施の形態の第３のレンズ２３では、シリンドリカルレンズ部２４ａによって第２のレンズ２３から出射される略平行化された光の進行方向（Ｘ方向）に直交する第１の方向（Ｚ方向）と交差する第２の方向（Ｙ方向）に拡散させるものとなる。
なお、ここでの第１の方向（Ｚ方向）は、車両の高さ方向とされ、第２の方向（Ｙ方向）は、車幅（左右）方向となっている。
【００２８】
第３のレンズ２４の出射面２４ｏは、液晶表示パネル２５の横に長い矩形の画像表示領域Ｒに合わせて光を拡散可能とする平面視多重の楕円上に配列された凹トロイダル面のフレネルレンズ形状の溝として形成されている。すなわち、出射面２４ｏは、フレネルレンズ形状の溝が配置される楕円の短径方向が、図３（ａ）に示すように、第１の方向（Ｚ方向）とされ、楕円の長径方向ａが第２の方向（Ｙ方向）とされている。楕円状に配列されたフレネルレンズ形状は、隣接する楕円の溝ピッチｐが楕円の短径方向ｂと楕円の長径方向ａとで変えてあり、液晶表示パネル２５の画像表示領域Ｒに合わせて光をＺ方向及びＹ方向に拡散する角度を変えて拡散可能としている。
【００２９】
また、通常の凸レンズ状のフレネルレンズでは、溝が同心円状でピッチを一定にして形成されるが、第３のレンズ２４の出射面２４ｏは、凹トロイダル面（２次曲面）となる楕円の短径方向ｂと長径方向ａとのピッチｐが異なる配列（ｐ1＞ｐ2＞ｐ3＞…）の溝とされ、例えば溝深さｄを一定として形成している。これにより、第３のレンズ２４の金型を設計する場合に、設計要素の溝ピッチｐや溝深さｄなどの内の１つの溝深さｄを一定とすることで、設計要素を１つ固定することで設計や製作の容易化を図っている。
【００３０】
第３のレンズ２４では、凹トロイダル面のフレネルレンズ形状は、例えば、出射面２４ｏの短手方向（短径方向ｂ）に沿う曲面の曲率半径は、出射面２４ｏの長手方向（長径方向ａ）に沿う曲面の曲率半径より大きく設定されており、出射面２４ｏは、液晶表示パネル２５の画像表示領域Ｒの全域を照明するように光を拡散する機能を備えている。
また、第３のレンズ２４（出射面２４ｏ）から出射される光は、その出射領域Ｒ３が画像表示領域Ｒよりも広く形成されている（図４（Ｚ方向のみを示す）参照）。
【００３１】
（作用）
次に、第１〜第３のレンズ２２〜２４の作用について説明する。
各光源２１からは、図４に示すように、第１のレンズ２２の各凸レンズ部２２ａに向けて光が出射される。第１のレンズ２２の凸レンズ部２２ａは、各光源２１からの光を集光し、その入射面及び出射面において光が屈折され、Ｘ方向に沿うように略平行化され、凸レンズ部２２ａの出射面から出射される。
【００３２】
第１のレンズ２２から出射された光は、第２のレンズ２３の入射面２３ｉ側の各凸レンズ部２３ａが入射される。第２のレンズ２３では、縦方向（Ｚ方向）及び横方向（Ｙ方向）において、入射された光を所定の拡散角度にて拡散する。ここで、第２のレンズ２３内に導かれる光は、第２のレンズ２３の厚み方向に対して略平行化された光と、第２のレンズ２３の厚み方向に対して平行化されていない光とで構成されており、第２のレンズ２３の出射面２３ｏ側の各凸レンズ部２３ｂは、平行化されていない光を、略平行化された光と同様に拡散するように調整する。
【００３３】
具体的には、図５に示すように、第２のレンズ２３の出射面２３ｏの形状（つまり凸レンズ部２３ｂを構成する凸レンズ形状）によって、スネルの法則により出射面２３ｏから出る非平行光は、各凸レンズ部２３ｂによって屈折することで、平行光が第２のレンズ２３を通過した場合と同様の拡散角度になるように角度調整された上で、第２のレンズ２３から出射される。これにより、第２のレンズ２３を通過する光が所定のばらつきをもって縦方向及び横方向に拡散することが抑制され、第２のレンズ２３による縦方向及び横方向における光の拡散角度が制限される。
【００３４】
第２のレンズ２３を通過した光線は、図４に示すように、第３のレンズ２４の入射面２４ｉに入射され、第３のレンズ２４内に進む光は、出射面２４ｏから出射される。この際、第３のレンズ２４の射出面２４ｏは、第３のレンズ２４の内部を通過した光を凹トロイダル形状のフレネルレンズ部２４ｂによって所定の拡散角度でＺ方向及びＹ方向に拡散し、その拡散した光を液晶表示パネル２５（画像表示領域Ｒ）の全域（Ｚ方向及びＹ方向）に照射する。
【００３５】
また、第３のレンズ２４は、上述した先行技術文献（特許文献１）に記載されている凹トロイダル面のレンズと同様に、第２のレンズ２３を構成する各凸レンズ２３ｂから出射する光を、液晶表示パネル２５（画像表示領域Ｒ）の対応する全領域に照明する。
なお、第３のレンズ２４は、平面視多重の楕円上に配列されたフレネルレンズ形状に形成された出射面２４ｏと、第２の方向に沿って延びかつ第１の方向に並ぶ複数のシリンドリカルレンズ部２４ａを有する入射面２４ｉと、を備えることから、フレネルレンズ部２４ｂによって厚さＤが薄くなっており、レンズ形状を薄型化することができ、表示器２０をよりコンパクトに構成することができ、ひいてはヘッドアップディスプレイ装置１０自体をコンパクトにすることができる。
なお、第３のレンズ２４は、フレネルレンズ形状として薄肉化を図っているが、フレネルレンズ形状としない通常の凹トロイダルレンズ形状のレンズと同等の性能を有することを実験により確認している。
【００３６】
（効果）
以上、説明した一実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）ヘッドアップディスプレイ装置１０は、表示器２０からの表示光Ｌを外部に位置するフロントガラス（透光部材）２に向けて出射し、フロントガラス２で反射した表示光Ｌによって虚像Ｖを視認させるヘッドアップディスプレイ装置１０であって、表示器２０は、光源２１と、光源２１からの光を略平行化する第１のレンズ（第１の光学素子）２２と、第１のレンズ２２から出射される光を、光の進行方向に直交する第１の方向に拡散させる第２のレンズ（第２の光学素子）２３と、第２のレンズ２３から出射される光を、進行方向に直交し、且つ、第１の方向と交差する第２の方向に拡散させる第３のレンズ（第３の光学素子）２４と、第１〜第３のレンズ２２〜２４を通過した光に基づき画像に応じた表示光Ｌを出射する液晶表示パネル２５と、を備え、第３のレンズ２４は、平面視多重の楕円上に配列されたフレネルレンズ形状に形成された光出射面２４ｏと、第２の方向に沿って延びかつ第１の方向に並ぶ複数のシリンドリカルレンズ部２４ａを有する光入射面２４ｉと、を備える。
かかる構成によれば、第１のレンズ２２と第２のレンズ２３と第３のレンズ２４とで構成される３つのレンズ２２〜２４を用いて、液晶表示パネル２５（画像表示領域Ｒ）の全域を照射することが可能であり、第３のレンズ２４を平面視多重の楕円上に配列されたフレネルレンズ形状に形成された光出射面２４ｏと、第２の方向に沿って延びかつ第１の方向に並ぶ複数のシリンドリカルレンズ部２４ａを有する光入射面２４ｉと、を備える構成とすることで、従来技術に比べてレンズの厚さＤを薄くすることができ、レンズ形状の薄型化によって、表示器２０をよりコンパクトに構成することができ、ひいてはヘッドアップディスプレイ装置１０自体をコンパクトにすることができる。
また、第３のレンズ２４が平面視多重の楕円上に配列されたフレネルレンズ形状に形成された光出射面２４ｏを備えることによって光の拡散度合を方向によって変えることができる。
【００３７】
（２）ヘッドアップディスプレイ装置１０は、第３のレンズ２４は、出射面（光出射面）２４ｏの多重の楕円の短径方向ｂが第１の方向に沿い、多重の楕円の長径方向ａが第２の方向に沿って配列されている。
かかる構成によれば、第３のレンズ２４による光の拡散方向を第１の方向と第２の方向とで変えることができ、液晶表示パネル２５（画像表示領域Ｒ）の形状に合わせて矩形の全域を照射することが可能である。
【００３８】
（３）ヘッドアップディスプレイ装置１０は、フロントガラス２は、矩形の表示領域Ｒを備え、第３の光学素子２４は、光出射面２４ｏの多重の楕円の短径方向ｂが矩形の画像表示領域Ｒの長手方向に沿い、多重の楕円の長径方向ａが矩形の表示領域Ｒの短手方向に沿って配列されている。
かかる構成によれば、第３のレンズ２４による光の拡散方向を第１の方向と第２の方向とで変えることができ、フロントガラス２の矩形の画像表示領域Ｒの長手方向と短手方向の形状に合わせて全域を照射することが可能である。
【００３９】
（４）ヘッドアップディスプレイ装置１０は、第３のレンズ２４は、出射面２４ｏにおいて多重の楕円に沿う複数の溝を有し、複数の溝は、それぞれ略同一の溝深さｄで形成されている。
かかる構成によれば、第３のレンズ２４の出射面２４ｏの金型を設計する場合に、多重の楕円とするための設計要素の溝ピッチｐや溝深さｄなどの内の１つの溝深さｄを一定とすることで、設計要素を１つ規定でき、これによって金型の設計や製作の容易化を図ることができる。
【００４０】
（変形例）
なお、本発明は、要旨を逸脱しない範囲において種々の改良、並びに設計の変更が可能なことは勿論であり、上記各実施の形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
【００４１】
上記実施の形態における第２のレンズ２３の出射面２３ｏに形成される凸レンズ部２３ｂを省略し、その出射面２３ｏを平面状に形成してもよい。
【００４２】
上記実施の形態では、第２のレンズ２３及び第３のレンズ２４は、それぞれの保持部を介して第１収容部４４に保持するようにしたが、保持部を省略してもよく、例えば接着剤を用いて接着してもよい。
【００４３】
上記実施の形態では、第３のレンズ２４の入射面２４ｉは、シリンドリカル面形状を有していたが、平面形状であってもよい。
【００４４】
上記実施の形態では、光源２１は、ＬＥＤであったが、レーザーなどその他の光源であってもよい。
【００４５】
また、第３のレンズ２４の凹トロコダイル面の溝ピッチｐ及び大きさ（曲率半径）あるいは、溝深さｄなどは、適宜変更可能であることは言うまでもない。これらを変更することで、光の拡散角度を調整することができる。
【００４６】
上記実施の形態では、第１のレンズ２２の凸レンズ部２２ａは、両凸レンズ状に形成されていたが、平凸レンズ状、フレネルレンズ状で形成してもよい。また、第１のレンズ２２に替えて第１の光学素子２２として光を略平行化するリフレクタを設けてもよい。
【００４７】
上記実施の形態における凹面鏡３１を省略してもよい。この場合、表示部２０からの表示光Ｌを直接、透光部材であるフロントガラス２に照射する。
【００４８】
上記実施の形態では、第２のレンズ２３が光を拡散する第１の方向であるＺ方向（縦方向）と、第２の方向であるＹ方向（横方向）とは互いに直交していたが、交差していればよく、必ずしも直交している必要はない。
【００４９】
上記実施の形態では、第１〜第３のレンズ２２〜２４は、矩形の略板状に形成したが、これに限らず、例えば、正方形、円、楕円または多角形の板状で形成されてもよい。第１〜第３のレンズ２２〜２４の形状変更に応じて、第１及び第２収容部４４，４５の形状も変更する必要がある。
【００５０】
上記実施の形態では、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置に適用したが、車載用に限らず、飛行機、船等の乗り物に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置に適用してもよい。また、透光部材は、フロントガラスに限られず、専用のコンバイナであってもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１      車両
２      フロントガラス
１０    ヘッドアップディスプレイ装置
２０    表示器
２１    光源
２１ａ  基板
２２    第１のレンズ（第１の光学素子）
２２ａ  凸レンズ部
２２ｂ  脚部
２３    第２のレンズ（第２の光学素子）
２３ａ  凸レンズ部
２３ｂ  凸レンズ部
２３ｉ  入射面
２３ｏ  出射面
２４    第３のレンズ（第３の光学素子）
２４ａ  シリンドリカルレンズ部
２４ｂ  フレネルレンズ部
２４ｉ  入射面（光入射面）
２４ｏ  出射面（光出射面）
２５    液晶表示パネル
２５ａ  液晶セル
２５ｂ  偏光板
２５ｃ  偏光板
２５ｄ  ケース体
３０    反射部
３１    凹面鏡
４０    ケース
４０ａ  隔壁
４１    出射部
４２    放熱部材
４３    透光性カバー
４４    第１収容部
４５    第２収容部
ａ      長径方向
ｂ      短径方向
Ｄ      レンズ厚さ
ｄ      溝深さ
Ｌ      表示光
Ｍ      視認者
ｐ      溝ピッチ
Ｒ      画像表示領域
Ｒ１    出射領域
Ｒ２    出射領域
Ｒ３    出射領域
Ｖ      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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【国際調査報告】
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