JP4325724B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両等の移動体に備えられるヘッドアップディスプレイ装置に関する。

従来、自動車等の移動体（以下、車両という）に備えられ、その車両のインストルメントパネル（以下、インパネという）内側に配置された映像投射器（液晶ディスプレイ等）より各種情報を映像光として照射し、フロントウインドシールドの内面に反射させ、各種情報を虚像（以下、表示像という）として運転者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置という）が知られている。

この種のＨＵＤ装置では、表示像を車両の前景に重畳させて表示するものが一般的であり、運転者が表示像を視認する際、目の焦点を簡単に合わせることができるように、できるだけ前景に近い位置（運転者の目の位置から離れた位置）に表示像を投影することが重要である。

そのためには、表示像を視認させる運転者と映像投射器との間の距離を長くする必要がある。しかし、表示像を視認させる運転者と映像投射器との間の距離を単純に長くすると、ＨＵＤ装置自体が大型化してしまうという問題がある。

これに対して、映像投射器とフロントウインドシールドとの間の光路上に複数の反射ミラーを設置して光路を屈曲させたり、映像投射器とフロントウインドシールドとの間に拡大用のレンズを配置して光路を等価的に長くしたりすることで、ＨＵＤ装置の全長を短く抑え、ＨＵＤ装置を小型化することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、図２１は、拡大用のレンズとして一般的な凸レンズによって光路を等価的に長くすることができる原理を示す説明図である。
図２１に示すように、映像光１００を表示する映像投射器を凸レンズＣの焦点Ｆよりも凸レンズＣに近い位置に配置した場合に、表示像１０１は虚像となり、凸レンズＣから見て映像投射器の配置された方向と同じ方向に表示される（即ち、像が作られる）。

そして、凸レンズＣの中心と運転者に視認される表示像１０１との距離をｂ、凸レンズＣの中心と映像投射器の映像光１００を表示する部位との距離をａ、凸レンズＣの焦点距離をｆとして、距離ａ、距離ｂ、焦点距離ｆは（１）式に示す関係を有する。

つまり、（１）式から明らかなように、凸レンズＣから焦点Ｆまでの範囲内で、映像光１００を表示する映像投射器と凸レンズＣとの距離ａを長くすることにより、表示像の投影位置までの距離ｂを長くすること、即ち、映像投射器から虚像を視認する運転者までの光路を等価的に長くすることができるのである。

但し、ＨＵＤ装置では、図２２に示すように、レンズ２０２（凸レンズＣ）と運転者との間にフロントウインドシールド２０３が存在し、フロントウインドシールド２０３には、その下方から映像光が照射されるような配置を有している。つまり、運転者には、フロントウインドシールド２０３に反射することで進行方向が変化した映像光１００が視認され、その結果、虚像は、映像投射器と同じフロントウインドシールド２０３の下方ではなく、フロントウインドシールド２０３を透過した位置に現れることになる。
特開２００２−２０２４７５号公報

しかし、特許文献１に記載のＨＵＤ装置では、図２３に示すように、太陽光２００等の外光が入射する角度によっては、フロントウインドシールド２０３を透過してレンズ２０２に反射し、運転者のアイレンジ２０４に反射光２０１が入り込むことがある。

この結果、図２４に示すように、反射光２０１が表示像の光に比べて強いため、運転者に許容されない強いノイズとなり、表示像の視認性に影響を及ぼすという問題があった。
本発明は、上記問題点を解決して、外光の影響を受けることなく、視認性のよい表示像を投影することが可能であり、さらには装置の小型化が可能な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。

上記の目的を達成するためになされた発明である請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置は、移動体に搭載される装置であって、光を透過かつ反射する反射手段によって映像光を反射させて、その反射した映像光からなる映像を移動体の乗員に虚像として視認させるように、予め設定された特定方向に対して光に所定の度合いで集束または発散する光学的作用を与えると共にその光を透過させる光学手段を備えている。

なお、光学手段において、以下では、映像光の入射側の面を入射側端面、映像光の出射側の面を出射側端面、さらに、特定方向に直交する断面のうち、入射側端面との交線を入射側交線、出射側端面との交線を出射側交線とする。

また、当該ヘッドアップディスプレイ装置では、映像投射手段が、光学手段を介して反射手段に映像光を投射し、遮光手段が、反射手段における映像光の非投射面側から光学手段に向けて入射する外光の一部を遮る。

ここで、光学手段は、遮光手段にて遮られることなく自身（光学手段）に到達して反射した外光が視認領域（移動体の乗員に視認させる領域，所謂アイレンジ）の領域外を指向するように、入射側交線における法線と、出射側交線における法線とが共に、入射側端面に入射する映像の主光軸に対して傾斜するように配置されている。なお、映像の主光軸とは、映像投射手段によって投射される映像の中心を通る光線軸のことを指す。

したがって、本発明のヘッドアップディスプレイ装置によれば、反射手段における映像の非投射面側から光学手段に向けて入射する外光のうち、光学手段で反射してアイレンジに入り込む方向に入射する外光を、遮光手段が必ず遮ることになる。その結果、当該ヘッドアップディスプレイ装置は、外光の影響を受けることなく、視認性のよい表示像を投影することができる。

ところで、光学手段は、請求項２に記載のように、入射側交線と出射側交線とが非平行となる形状であることが望ましい。
このように構成されたヘッドアップディスプレイ装置によれば、出射側端面から出射される映像光の出射角を比較すると、出射側端面および入射側端面での反射（多重反射）を経た後に出射する映像光と、この多重反射を経ることなく出射する映像光とで異なるため、前者の映像光（多重反射後の出射光）がさらに反射手段で反射された映像光を視認領域外に指向することができる。つまり、多重反射を経た映像光からなるゴースト像を、移動体の乗員に虚像として視認させることを防止し、視認性のさらによい表示像を投影することができる。

また、このように構成されたヘッドアップディスプレイ装置では、光学手段に入射する映像の主光軸の法線に対して傾斜する角度を傾斜角度とすると、入射側端面の傾斜角度に対して出射側端面の傾斜角度を大きくとれるため、光学手段にて反射した外光が、より多く遮光手段で遮られることとなる。このため、外光がアイレンジに入り込むことをより容易に防止すると共に、レンズの設置深さを比較的浅く設定することができ、ひいては、装置の搭載性をさらに向上させることができる。

また、光学手段は、請求項３に記載のように、特定方向に沿った傾斜軸（第１の傾斜軸）を軸にして傾斜して配置されていることが望ましい。
具体的に言うと、光学手段は、映像が水平方向のみに光学的作用の影響を受けるように、特定方向が水平方向に合わせた向きに設定されていることが望ましい。なお、「合わせた向き」とは、特定方向と水平方向とを一致させることを表すが、必ずしも厳密に一致させることは要求しない。例えば、特定方向と水平方向とのなす角度が±２０°程度の範囲内にあればよいものとする。

或いは、請求項４に記載のように、光学手段は、特定方向が映像の水平方向と一致するように配置されてもよい。
このように光学手段を配置した場合、水平方向に直交する面内では、光学手段による光学的作用の影響を受けないため、光学手段にて反射した外光が視認領域外を指向するような光学手段の傾斜角度を確実に求めることができる。

なお、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、光学手段は、例えば、請求項５に記載のように、シリンドリカルレンズにより構成されていてもよいし、請求項６に記載のように、フレネルレンズにより構成されていてもよい。

特に、後者の場合、レンズを薄型化することができるため、より一層装置の小型化に寄与することができる。
また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、光学手段は、請求項７に記載のように、屈折率及び色分散が異なる材料からなる複数のレンズからなり、これらの複数のレンズは、色収差が補正されるように組み合わされている構成であってもよく、この場合、光学手段の有する光学的作用によって生じる色収差を補正することができるため、視認性のよい虚像が得られる。

なお、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、光学手段は、請求項８に記載のように、映像を拡大させる光学的作用を有することが望ましい。
このような光学手段を配置すると、映像の光路を等価的に長くすることができるため、装置の小型化に寄与することができる。

ところで、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、請求項９に記載のように、光を偏向させる一つないし複数の偏向手段が、映像投射手段から光学手段に至る映像光の経路上に配置されていることが望ましい。

この場合、映像投射手段からの照射方向を光学手段の光軸方向と一致させる必要がなくなるため、映像投射手段のレイアウトの自由度が増す。さらに、複数の偏向手段を配置した場合には、映像の光路を複数屈曲させることにより、限られた空間内を有効利用して映像の光路を長くすることができるため、より一層装置の小型化に寄与することができる。

そして、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、偏向手段の少なくとも一つは、請求項１０に記載のように、光に光学的作用を与えることが望ましい。以下では、このように光に光学的作用を与える偏向手段を特に機能付偏向手段と呼ぶ。

このような機能付偏向手段を配置すると、光学手段によって映像に与える光学的作用を補完するため、視認状態の良好な虚像が得られる。
さらに、請求項１１に記載のように、機能付偏向手段の少なくとも一つが与える光学的作用は、映像の拡大であることが望ましい。

この場合、光学手段によって映像に与える拡大作用を補完するため、視認状態のより良い虚像が得られる。
また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、光学的作用を有する機能付偏向手段の少なくとも一つは、請求項１２に記載のように、偏向手段の入射側端面（反射面）における映像の主光軸上の法線がこの機能付偏向手段に入射する映像の主光軸に対して傾斜するように配置されており、その傾斜角度は、光学手段が傾斜して配置されていることで生じる虚像の歪みを相殺するような角度であることが望ましい。

この場合、光学的作用を有する光学手段が傾斜して配置されていることによって生じる虚像の歪みを、光学的作用を有する機能付偏向手段が傾斜して配置されていることによって生じる歪みにより相殺することで、歪みの少ない視認状態の良好な虚像が得られる。

そして、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、請求項１３に記載のように、機能付偏向手段の一つは、光学手段の前段に配置され、且つ、第１の傾斜軸と同一平面内に位置する第２の傾斜軸を軸にして傾斜していることが望ましい。なお、光学手段の前段に配置されている状態とは、機能付偏向手段からの出射光が光学手段の入射光となるように配置されている状態を意味する。

また、機能付偏向手段は、同一平面内での第１の傾斜軸と第２の傾斜軸とのなす角度が±２０°程度の範囲内にあるように配置されていることが望ましいが、特に、請求項１４に記載のように、第１の傾斜軸と第２の傾斜軸とが平行となるように配置されていると更によい。

この場合、光学手段が傾斜して配置されていることで生じる虚像の歪みを相殺するような傾斜角度が設定されやすくなり、機能付偏向手段の配置が容易になる。さらに、装置構成の設置スペースに無駄がなくなり、ひいては装置を小型化することができる。

さらに、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、光学的作用を有する偏向手段の少なくとも一つは、請求項１５に記載のように、光学手段または反射手段の少なくともいずれか一方の形状によって生じる虚像の歪みを相殺する光学的作用を与える形状を有していてもよい。

この場合、光学手段または反射手段が有する光学的作用に合わせて偏向手段を設計すればよく、より歪みの少ない、視認状態の良好な虚像が得られる。
ところで、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、請求項１６に記載のように、映像投射手段を内装する筐体を備え、遮光手段がこの筐体の開口部を形成する内壁を兼用し、この遮光手段によって外光の一部が到達しないように光学手段が配置されてもよい。

この場合、遮光手段が、映像投射手段を内装する筐体の一部を兼用するため、部品点数を削減することができる。その結果、装置の製造コストを削減することができる。
なお、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、光学手段は、請求項１７に記載のように、筐体の内部を防塵するカバーを兼用するとしてもよい。

この場合、光学手段が筐体の内部を防塵するカバーを兼用するため、部品点数をさらに削減することができる。その結果、装置の製造コストをさらに削減することができる。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施例］
＜全体構成＞
図１は、本発明が適用された第１実施例のヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置という）が車両に適用された状態を示す概略構成図、図２はその主要部の拡大図である。

図１に示すように、ＨＵＤ装置１は、フロントウインドシールド９の下縁から車室内側へ延出するインストルメントパネル（以下、インパネという）２の内側に配置され、各種情報を映像光８０として投射する表示デバイス５と、表示デバイス５から投射された映像光８０を拡大かつ反射する自由曲面鏡６と、自由曲面鏡６で反射された映像光８１を拡大かつ透過するシリンドリカルレンズ７とを備えている。

なお、シリンドリカルレンズ７を透過した映像光８２は、フロントウインドシールド９にて反射して、車両の乗員のアイレンジ３に到達する。これにより、乗員には、映像光８３の虚像が、車両の前景（フロントウインドシールド９を挟んで乗員とは反対側）の表示像４の位置に存在するように視認される。

また、インパネ２には、当該インパネ２の上面部に開口を有し、自由曲面鏡６で反射された映像光８１をフロントウインドシールド９に導くための筒状の導光部２ａが形成されており、シリンドリカルレンズ７は、この導光部２ａを隙間なく塞ぐように配置されている。つまり、シリンドリカルレンズ７は、導光部２ａの開口を塞ぐことで、インパネ２内部を防塵するカバーを兼ねている。

但し、インパネ２（導光部２ａを形成する内壁を含む）は、遮光性の樹脂により形成されている。つまり、インパネ２の上面部や導光部２ａを形成する内壁への入射光は、反射せず吸収されるように構成されている。

以下では、導光部２ａを通過（シリンドリカルレンズ７を透過）する映像の主光軸８の進行方向をＺ方向、車両の車幅方向（表示像４の水平方向）をＸ方向、Ｘ方向及びＺ方向のいずれとも直交する方向をＹ方向と称する。

また、図２に示すように、自由曲面鏡６のうち、表示デバイス５から投射された映像光８０を反射する面を反射面６ａと称し、シリンドリカルレンズ７のうち、反射面６ａで反射された映像光８１が入射する面を入射側端面７ａ、透過した映像光８２が出射する面を透過面７ｂと称する。

＜シリンドリカルレンズの構成，作用＞
シリンドリカルレンズ７は、レンズの厚さ方向（光を透過させる方向）と直交する二方向のうち、一方向のみがレンズとして作用（予め定められた度合いで集束または発散）する周知のものである。

なお、図３は、シリンドリカルレンズ７単体の斜視図であり、図示されているように、以下では、レンズの厚さ方向をγ方向、レンズとして作用する方向（作用軸方向）をα方向、レンズとして作用しない方向（非作用軸方向）をβ方向と称する。

図３に示すように、シリンドリカルレンズ７は、γ方向の両端に位置する２つの面のうち、一方の面が長方形の平坦面７０となっており、他方の面が円柱の一部の曲面を形成したレンズ形成面７１となっている。また、シリンドリカルレンズ７は、α方向に直交する断面のうち、平坦面７０との交線と、レンズ形成面７１との交線とが平行となる形状（即ち、断面が長方形となる形状）を有している。

また、図４（ａ）は、シリンドリカルレンズ７のα−γ平面での断面形状、及びγ方向に沿ってレンズ形成面７１から入射する光の進行方向を示す説明図、図４（ｂ）は、β−γ平面での断面形状、及びγ方向に沿ってレンズ形成面７１から入射する光の進行方向、及び、その透過光の進行方向を示す説明図である。

但し、レンズ形成面７１上におけるα方向の中心位置での入射光の進行方向を表すベクトルを入射ベクトルＬｃ、その入射光に基づく透過光の進行方向を表すベクトルを透過ベクトルＴｃと称し、また、レンズ形成面７１上におけるα方向の中心位置から、α−β平面内でα方向のみに離れた位置での入射光の進行方向を表すベクトルを入射ベクトルＬｅ、その入射光に基づく透過光の進行方向を表すベクトルを透過ベクトルＴｅと称する。

図示されているように、シリンドリカルレンズ７は、γ方向に沿った入射光に対して、α方向には光学的作用を及ぼす（α−γ平面内において透過ベクトルＴｃ，Ｔｅの向きが異なる）が、β方向には光学的作用を及ぼすことがない（β−γ平面内において透過ベクトルＴｃ，Ｔｅの向きが同じとなる）。

＜シリンドリカルレンズの配置＞
このように形成されたシリンドリカルレンズ７は、図５及び図６に示すように、レンズ形成面７１が入射側端面７ａ、平坦面７０が透過面７ｂとなり、且つ、シリンドリカルレンズ７の作用軸方向（α方向）が表示像４の水平方向（Ｘ方向）と一致し、シリンドリカルレンズ７の厚さ方向（γ方向）に対する映像光８１の主光軸の進行方向（Ｚ方向）およびβ方向に対するＹ方向が傾斜角度θｘだけ傾斜した、いわゆる軸外しの状態で、導光部２ａの開口から設置深さｄの位置に取り付けられる。

但し、図６に示すように、傾斜角度θｘおよび設置深さｄは、シリンドリカルレンズ７の透過面７ｂに入射する光の入射角度（水平面に対する角度）が、遮蔽上限入射角度θｕ以上である場合に、シリンドリカルレンズ７の透過面７ｂで反射した光がアイレンジ３に到達しないように設定され（図６（ｂ）参照）、また、遮蔽上限入射角度θｕ以下の入射角度で入射する外光が、インパネ２に遮られてシリンドリカルレンズ７に到達不能となるように設定されている（図６（ａ）参照）。

なお、シリンドリカルレンズ７は、Ｘ方向にのみ光学的作用を有するように、Ｘ方向に作用軸方向（α方向）を一致させて配置されているため、Ｙ−Ｚ平面内では、シリンドリカルレンズ７の透過面７ｂに入射する外光の反射方向を一意に特定することができる。

また、遮蔽上限入射角度θｕ、ひいては設置深さｄや傾斜角度θｘは、フロントウインドシールド９の形状や導光部２ａの形成位置や向き等に基づいて、車種毎に適宜設定される。

＜軸外しの影響＞
ここで、図７は、シリンドリカルレンズ７が、軸外しの状態で取り付けられていることによる影響を示す説明図である。

但し、図７（ａ）は、導光部２ａに取り付けられた状態のシリンドリカルレンズ７をＹ方向から眺めた斜視図、図７（ｂ）は、同じくシリンドリカルレンズ７をＸ方向から眺めた側面図である。

前述のようにＺ方向（主光軸８の進行方向）に対してγ方向（シリンドリカルレンズ７の厚さ方向）が傾斜するように配置されたシリンドリカルレンズ７では、図７（ａ）に示すように、Ｘ−Ｚ平面で見た場合、Ｚ方向に沿って入射する映像光８１のうち、Ｘ方向（＝α方向）の中心位置に入射する映像光８１ｃの入射ベクトルＬｃに対して、その映像光８１ｃの透過ベクトルＴｃは同じ向きを有し、その中心位置からＸ方向に距離Ｘｅだけ離れた位置に入射する映像光８１ｅの入射ベクトルＬｅに対して、その映像光８１ｅの透過ベクトルＴｅは角度を有したものとなる。つまり、シリンドリカルレンズ７は、入射位置がＸ方向に異なる入射光に対して光学的作用（本実施形態では拡大）を及ぼす。

また、このシリンドリカルレンズ７は、図７（ｂ）に示すように、Ｙ−Ｚ平面で見た場合、Ｚ方向に沿って入射する映像光８１のうち、同一Ｘ−Ｙ平面内でＹ方向にのみ離れた位置に入射する映像光８１ｃ，８１ｄの透過ベクトルＴｃ，Ｔｄは、同一方向を向く。つまり、シリンドリカルレンズ７は、入射位置がＹ方向に異なる入射光に対して光学的作用を及ぼすことがない。

但し、Ｙ−Ｚ平面内でＹ方向の入射位置が同じであっても、Ｘ方向の入射位置が異なる映像光８１ｃ，８１ｅの透過ベクトルＴｃ，Ｔｅは、互いに異なった方向を向く。しかも、その方向のずれは、Ｘ方向の中心位置に入射する映像光８１ｃ，８１ｄの透過ベクトルＴｃ，Ｔｄの向き（即ちＺ方向）を基準として、Ｘ方向の中心位置からずれるほど大きくなる。

これは、入射位置がＸ方向に異なると、その入射位置での法線ベクトルの三次元的な向きが異なったものとなり、その影響が透過ベクトルのＹ−Ｚ平面内での向きに現れるためである。

具体的には、シリンドリカルレンズ７の入射側端面７１における映像光８１ｃの入射位置での法線ベクトルをＮｃ、映像光８１ｅの入射位置での法線ベクトルをＮｅとして、これらの法線ベクトルＮｃ，ＮｅがＸ−Ｚ平面上でなす角を角度φｘとすると、法線ベクトルＮｃ，Ｎｅのベクトル成分はそれぞれ（２）のように表すことができる。但し、入射ベクトルＬｃと入射ベクトルＬｅは共に等しいため、ここでは、入射ベクトルＬｃ，Ｌｅを同一の単位ベクトルで表している。

また、シリンドリカルレンズ７を透過した映像光８２の透過ベクトルＴは、シリンドリカルレンズ７に入射する映像光８１の入射ベクトルをＬ、入射側端面７１における映像光８１の入射位置での法線ベクトルをＮ、シリンドリカルレンズ７の屈折率をηとすると、（３）式に示す関係を有する。

したがって、透過ベクトルＴｃ，Ｔｅは、（２）の入射ベクトルＬｃ，Ｌｅ、および法線ベクトルＮｃ，Ｎｅのベクトル成分を（３）式に代入することによりそれぞれ求めることができる。

つまり、（２）および（３）式から明らかなように、Ｘ方向の中心位置からＸ方向に離れた位置に入射する映像光８１ｅがレンズを透過した映像光８２ｅの方向を示す透過ベクトルＴｅは、そのＹ方向およびＺ方向のベクトル成分において角度φｘの影響を受ける。このため、Ｘ方向（＝α方向）の中心位置に入射する映像光８１ｃがレンズを透過した映像光８２ｃの進行方向を示す透過ベクトルＴｃと、この透過ベクトルＴｅとの間には、Ｙ−Ｚ平面上でのずれ（即ち、出射角度のずれ）が生じるわけである。

このずれにより、図８（ａ）に示すように、映像光８２ｃがフロントウインドシールド９で反射した映像光８３ｃに基づく表示像４ｃと、映像光８２ｅがフロントウインドシールド９で反射した映像光８３ｅに基づく表示像４ｅの位置も、鉛直方向（図では下方）にずれたものとなり、そのずれは、水平方向の両端（Ｘ方向の中心位置から離れる）ほど大きくなる。

したがって、軸外しの状態で配置されたシリンドリカルレンズ７は、車両の乗員に視認される表示像４に、図８（ｂ）に示すような、扇形形状の歪みを生じさせることになる。
なお、図８は、ＨＵＤ装置１で実際に得られる作用を示すものではなく、表示デバイス５から、自由曲面鏡６を介することなく、シリンドリカルレンズ７に映像光を直接投射した場合の作用を示す説明図である。

＜自由曲面鏡の構成、作用＞
次に、自由曲面鏡６は、図９（ａ）に示すように、光を反射する反射面６ａを有し、当該自由曲面鏡６の光軸方向をγ方向、これと直交する二つの方向をα方向及びβ方向、γ方向の座標をγ、α−β平面内の座標を（α，β）として、その反射面６ａの形状が、多項式γ＝ｆ（α，β）で表現される曲面からなる周知のものである（図１１参照）。

なお、反射面６ａの曲面は、入射光をα方向及びβ方向に拡大すると共に、フロントウインドシールド９の形状に基づいて生じる表示像４の歪みを補正する光学的作用が得られるような曲率に設定されている。

ここで、図１０（ａ）は、α−γ平面での自由曲面鏡６の断面形状、及びβ方向から見た反射面６ａで反射した光の進行方向を示す説明図、図１０（ｂ）は、β−γ平面での自由曲面鏡６の断面形状、及びα方向から見た反射面６ａで反射した光の進行方向を示す説明図である。

なお、以下では、自由曲面鏡の反射面６ａ上におけるα方向およびβ方向の中心位置での入射光の進行方向を表すベクトルを入射ベクトルＬｃ、その入射光に基づく反射光の進行方向を表すベクトルを反射ベクトルＲｃと称し、また、このα方向およびβ方向の中心位置からα−β平面内でα方向に離れた位置での入射光の進行方向を表すベクトルを入射ベクトルＬｅ、その入射光に基づく反射光の進行方向を表すベクトルを反射ベクトルＲｅと称する。

つまり、自由曲面鏡６は、γ方向に沿った入射光に対して、α方向及びβ方向のいずれにも光学的作用を及ぼす（α−γ平面内およびβ−γ平面内のいずれにおいて反射ベクトルＲｃ，Ｒｅの向きが異なる）が、図示されているように、α−β平面内におけるβ方向の中心位置での入射光が反射面６ａで反射した反射光（反射ベクトルＲｃ，Ｒｅ）は、β−γ平面で見た場合、同一方向を向くこととなる。

＜自由曲面鏡の配置＞
このように形成された自由曲面鏡６は、図１２に示すように、α方向がＸ方向（表示像４の水平方向）と一致し、且つ、γ方向に対するＺ方向（β方向に対するＹ方向も同様）が傾斜角度θｍだけ傾斜した、いわゆる軸外しの状態で、しかも、自由曲面鏡６の中心で反射した光が、シリンドリカルレンズ７の中心を透過するような位置に配置される。

＜軸外しの影響＞
ここで、図１３は、自由曲面鏡６が、軸外しの状態で取り付けられていることによる影響を示す説明図である。但し、図示されているように、以下では、表示デバイス５から投射された映像の主光軸８の進行方向をｚ方向、この映像の水平方向をｘ方向、ｚ方向及びｘ方向のいずれとも直交する方向をｙ方向と称する。

図１３（ａ）は、ＨＵＤ装置１に取り付けられた状態の自由曲面鏡６をｙ軸方向から眺めた斜視図であり、図１３（ｂ）は、同じく自由曲面鏡６をｘ軸方向（＝Ｘ軸方向）から眺めた側面図である。

前述のようにＺ方向に対してγ方向が傾斜する（ｚ方向に対してもγ方向が傾斜する）ように配置された自由曲面鏡６では、図１３（ａ）に示すように、ｘ−ｚ平面で見た場合、ｚ方向に沿って入射する映像光８０のうち、同一ｘ−ｙ平面内においてｘ方向にのみ離れた位置に入射する映像光８０ｃ，８０ｅは、その入射位置での法線ベクトルＮｃ，Ｎｅが互いに異なったものとなる。

このため、図１３（ｂ）に示すように、ｙ−ｚ平面で見た場合、映像光８０ｃ，８０ｅの反射ベクトルＲｅ，Ｒｃは、法線ベクトルＮｃ，Ｎｅが異なることの影響を受けて、互いに異なった方向を向くことになる。

具体的には、法線ベクトルＮｃ，Ｎｅがｘ−ｚ平面内でなす角を角度φｍとすると、法線ベクトルＮｃ，Ｎｅのベクトル成分は（４）のように表すことができる。但し、入射ベクトルＬｃと入射ベクトルＬｅは共に等しいため、ここでは、入射ベクトルＬｃ，Ｌｅを同一の単位ベクトルで表している。

また、自由曲面鏡６で反射した映像光８１の進行方向を示す反射ベクトルＲは、自由曲面鏡６に入射する映像光８０の進行方向を表す入射ベクトルをＬ、反射面６ａにおける映像光８０の入射位置での法線方向を表す法線ベクトルをＮとすると、（５）式に示す関係を有する。

したがって、反射ベクトルＲｃ，Ｒｅは、（４）の入射ベクトルＬｃ，Ｌｅ、および法線ベクトルＮｃ，Ｎｅのベクトル成分を（５）式に代入することによりそれぞれ求めることができる。

つまり、（５）式から明らかなように、ｘ方向の中心位置からずれた位置に入射する映像光８０ｅが反射した映像光８１ｅの進行方向を示す反射ベクトルＲｅは、そのｙ方向およびｚ方向のベクトル成分において角度φｍの影響を受ける。このため、ｘ方向の中心位置に入射する映像光８０ｃが反射した映像光８１ｃの進行方向を示す反射ベクトルＲｃと、この反射方向ベクトルＲｅとの間には、ｙ−ｚ平面上でのずれ（即ち、反射角度のずれ）が生じる。

このずれにより、図１４（ａ）に示すように、映像光８１ｃがフロントウインドシールド９で反射した映像光８３ｃに基づく表示像４ｃと、映像光８１ｅがフロントウインドシールド９で反射した映像光８３ｅに基づく表示像４ｅの位置も、鉛直方向（図では上方）にずれたものとなり、そのずれは、水平方向の両端（ｘ方向の中心位置から離れる）ほど大きくなる。

したがって、軸外しの状態で配置された自由曲面鏡６は、車両の乗員に視認される表示像４に、図１４（ｂ）に示すような、逆扇形形状の歪みを生じさせることになる。
なお、図１４は、ＨＵＤ装置１で実際に得られる作用を示すものではなく、表示デバイス５から投射された映像光を自由曲面鏡６にて反射させて、シリンドリカルレンズ７を介することなく、フロントウインドシールド９に映像光を直接投射した場合の作用を示す説明図である。

つまり、Ｘ方向の入射位置が互いに異なる映像光が、自由曲面鏡６で反射することによってＹ−Ｚ面内で生じるＹ方向への位置ずれをΔＭ、シリンドリカルレンズ７を透過することによってＹ−Ｚ面内で生じるＹ方向への位置ずれをΔＬとして、自由曲面鏡６の傾斜角度θｍは、自由曲面鏡６によって生じる表示像４の歪みと、シリンドリカルレンズ７によって生じる表示像４の歪みとが相殺されるように、ΔＭがΔＬと同じ大きさとなり、且つ、Ｙ方向内でのずれの方向が反対となるように設定されている。

なお、上記実施例において、フロントウインドシールド９が反射手段、シリンドリカルレンズ７が光学手段、表示デバイス５が映像投射手段、インパネ２が遮蔽手段、自由曲面鏡６が偏向手段に相当する。

＜第１実施例の効果＞
以上説明したように、本実施例のＨＵＤ装置１では、シリンドリカルレンズ７の傾斜角度θｘおよび設置深さｄが、その透過面７ｂに入射する光の入射角度が遮蔽上限入射角度θｕ以上である場合に、透過面７ｂで反射した光がアイレンジ３に到達しないように設定され、且つ、遮蔽上限入射角度θｕ以下の入射角度で入射する外光が、インパネ２に遮られてシリンドリカルレンズ７に到達不能となるように、シリンドリカルレンズ７が導光部２ａ内に取り付けられている。

したがって、ＨＵＤ装置１によれば、シリンドリカルレンズ７で反射した外光が、乗員のアイレンジ３に入り込むことがないため、視認性のよい表示像４を得ることができる。
また、ＨＵＤ装置１では、シリンドリカルレンズ７が傾斜して配置されていることによる表示像４の歪み（扇形形状の歪み）と、自由曲面鏡６が傾斜して配置されていることによる表示像４の歪み（逆扇形形状の歪み）が相殺するように配置されている。すなわち、シリンドリカルレンズ７の倍率と傾斜角度、自由曲面鏡６の倍率と傾斜角度のバランスをとることで、歪みを相殺することができ、簡易な構成にて、歪みのない表示像４を乗員に視認させることができる。

＜第１実施例の変形例＞
なお、上記実施例では、光学手段としてシリンドリカルレンズ７を用いているが、このシリンドリカルレンズ７の代わりに、図１５に示すような、一方向にのみ光学的作用を有するリニアフレネルレンズ７００を用いてもよい。

この場合、図からも明らかなように、リニアフレネルレンズ７００は、シリンドリカルレンズ７と比較して厚みが少ないため、ＨＵＤ装置１の小型化に寄与することができる。
また、シリンドリカルレンズ７の代わりに、図１６に示すように、入射光を拡大するための曲率をα方向に有したうえで、基板そのものが円筒の内面の形状をした凹面７１１であり、もう一方の面が凹面７１１に沿った凸面７１２である曲面基板状シリンドリカルレンズ７１０を用いてもよい。また、図１７に示すような曲面基板状リニアフレネルレンズを用いてもよい。

このように、レンズ基板を円筒面状の曲面基板とすることで、図１８（ａ）に示すように、遮光上限角度θｕが小さくなり、また、図１８（ｂ）に示すように、遮光上限角度θｕ以上の角度で入射する外光をアイレンジ外へ偏向することが容易となり、ひいては、インパネ２の遮光部を低くすることができる。即ち、搭載位置（即ち、設置深さｄ）を浅くすることができるため、インパネ内での搭載性を向上させることができる。

また、屈折率及び色分散が異なる材料からなる複数のレンズを、色収差が補正されるように組み合わせることで構成された色消しレンズ、アクロマートレンズ、アポクロマートレンズ等を用いても良い。

この場合、色収差が非常に小さい表示像４を得ることができ、表示像４の視認性を更に向上させることができる。
また、シンドリカルレンズ７の代わりに、α方向だけでなくβ方向にも光学的作用を有する自由曲面レンズを用いてもよい。但し、β方向の光学的作用は、傾斜角度θｘと設置深さｄを適宜設定することで、透過面７ｂで反射した外光がアイレンジ３に入り込まないように制御できる程度の微少なものである必要がある。

この場合、例えば、フロントウインドシールド９の形状に基づく歪みを、自由曲面鏡６ではなく、この自由曲面レンズに補正させるように構成してもよい。
また、上記実施例では、α方向をＸ方向に一致させてシリンドリカルレンズ７を配置したが、図１９に示すように、α方向をＸ方向に対して傾斜角度θｙだけ傾斜させて配置してもよい。但し、この傾斜により、α方向の光学的作用の影響がＹ−Ｚ平面内にも現れることになるため、傾斜角度θｙは、その光学的作用の影響を受けても、透過面７ｂで反射した外光がアイレンジ３に入り込まない範囲内で設定する必要がある。

この場合、表示像４の水平方向に対する歪みの補正を微調整することができ、表示像４の視認性を向上させることができる。
また、上記実施例では、偏向手段として、自由曲面鏡６を一つだけ用いているが、図２０に示すように、自由曲面鏡６が反射した映像光８ｂを、更に反射させてシリンドリカルレンズ７に導く反射鏡６６を追加してもよい。

この場合、同じ空間を映像光の経路として重複して使用することになるため、限られたインパネ２内部の空間内であっても、映像光の経路を長くすることができ、より一層ＨＵＤ装置１の小型化に寄与することができる。

なお、反射鏡６６は、一つに限らず二つ以上設けても良い。また、反射鏡６６は、拡大などの光学的作用を有していてもよい。
また、上記実施例では、シリンドリカルレンズ７と表示デバイス５とが同じＹ−Ｚ平面上（Ｘ方向の位置が同じ）に配置されるような向きに、自由曲面鏡６を設置しているが、インパネ２内の空間形状に応じて、これらが異なるＹ−Ｚ平面上（即ち、Ｘ方向の位置が異なる）に配置されるような向きに、自由曲面鏡６を設置してもよい。

つまり、自由曲面鏡６の向きを適宜設定することにより、当該装置構成の配置の自由度を向上させることができる。
さらに、上記実施例では、シリンドリカルレンズ７を軸外しの状態で配置したことによる歪みを、その歪みを相殺する歪みが生じるように自由曲面鏡６を傾斜させることで補正しているが、自由曲面鏡６やシリンドリカルレンズ７の代わりに配置される自由曲面レンズの曲面形状によって、補正するように構成してもよい。

［第２実施例］
次に第２実施例について説明する。
図２５は、楔形シリンドリカルレンズ７３０の形状を示す斜視図および断面図である。

なお、本実施例のヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）１は、第１実施例の装置におけるシリンドリカルレンズ７を楔形シリンドリカルレンズ７３０に代える点が異なるだけであるため、この相違する部分を中心に説明する。

＜楔形シリンドリカルレンズの構成，作用＞
図２５に示すように、楔形シリンドリカルレンズ７３０は、作用軸方向（α方向）に直交する面（断面）のうち、透過面７ｂ（７３１）との交線（以下、出射側交線という）が入射側端面７ａ（７３２）との交線（以下、入射側交線という）と非平行となる形状、即ち、断面が楔形を有する形状のレンズである。

なお、図２５（ａ）は、楔形シリンドリカルレンズ７３０単体の斜視図であり、図示されているように、以下では、第１実施例のシリンドリカルレンズ７（図３参照）に対応させて、作用軸方向をα方向、非作用軸方向をβ方向、厚さ方向をγ方向と称する。つまり、楔形シリンドリカルレンズ７３０は、γ方向の両端に位置する２つの面のうち、一方の面が長方形の平坦面７３１となっており、他方の面が円柱の一部の曲面に近似する形状をしたレンズ形成面７３２となっている。

また、図２５（ｂ）は、楔形シリンドリカルレンズ７３０のβ−γ平面での断面形状を示す説明図であり、図示されているように、楔形シリンドリカルレンズ７３０は、出射側交線が入射側交線に対して予め規定された楔角度θｗ（例えば、θｗ＝２°）だけ傾きを有するように形成されている。但し、楔角度θｗは、楔形シリンドリカルレンズ７３０をＨＵＤ装置１に組み込んだ際に、プリズム効果による色収差の影響が表示像４に現れない範囲で設定される。

次に、図２６は、楔形シリンドリカルレンズ７３０が、第１実施例のシリンドリカルレンズ７の代わりに、導光部２ａ内に取り付けられた状態を示す概略図である。
図２６に示すように、楔形シリンドリカルレンズ７３０は、透過面７３１が車両の前方側を向き、且つ、レンズの厚さが車両の後方側に向かって大きくなる向きに配置される。

このように楔形シリンドリカルレンズ７３０が配置されたＨＵＤ装置１では、入射側端面７３２に入射する映像光８１のうち、レンズ内部で反射されることなく透過面７３１を出射する光８２が、フロントウインドシールド９に反射されてアイレンジ３に到達する。一方、透過面７３１及び入射側端面７３２での反射（即ち、レンズ内部での多重反射）を経た後に透過面７３１を出射する光（ゴースト光）８０２は、レンズ内部で反射されることなく透過面７３１を出射する光８２に比べて車両のより後方側を指向するため、フロントウインドシールド９に反射されるとアイレンジ３の外側上方を指向することになる。

＜第２実施例の効果＞
したがって、本実施例のＨＵＤ装置１によれば、ゴースト光からなるゴースト像が、虚像として乗員によって視認されてしまうことを防止し、ひいては、視認性のよい表示像４を確実に投射させることができる。

さらに言うと、導光部２ａ内に取り付けられた楔形シリンドリカルレンズ７３０では、透過面７３１の傾斜角度が入射側端面７３２の傾斜角度に比べて大きいため、楔形シリンドリカルレンズ７３０で反射した外光が、より多くインパネ２（車両前方側）に遮られることとなる。

したがって、本実施例のＨＵＤ装置１によれば、外光がアイレンジ３に入り込むことをより容易に防止すると共に、楔形シリンドリカルレンズ７３０の設置深さｄを比較的浅く設定することができ、ひいては、装置の搭載性をさらに向上させることができる。

＜第２実施例の変形例＞
なお、上記実施例では、楔形シリンドリカルレンズ７３０をシリンドリカルレンズ７の代わりに用いているが、これに限るものではなく、断面が楔形を有する形状の他のレンズであってもよい。例えば、図２７に示すように、非作用軸方向（β方向）に直交する面（断面）のうち、出射側交線が入射側交線と非平行となるようにとなる形状であって、楔形シリンドリカルレンズ７３０と同等の機能を実現することができる楔形フレネルレンズ７４０を、シリンドリカルレンズ７の代わりに用いてもよい。

また、上記実施例の楔形シリンドリカルレンズ７３０は、透過面７３１が車両の前方側を向き、且つ、レンズの厚さが車両の後方側に向かって大きくなる向きに配置されるが、これに限らず、図２８に示すように、透過面７３１が車両の後方側を向き、且つ、レンズの厚さが車両の前方側に向かって大きくなる向きに配置されてもよい。この場合、レンズ内部での多重反射を経た後に透過面７３１を出射するゴースト光８０２は、レンズ内部で反射されることなく透過面７３１を出射する光８２に比べて車両のより前方側を指向するため、フロントウインドシールド９に反射されてアイレンジ３の外側下方を指向することになる。

本発明（第１実施例）のヘッドアップディスプレイ装置が車両に適用された状態を示す概略構成図。 本発明（第１実施例）のヘッドアップディスプレイ装置が車両に適用された状態を示す概略構成の主要部を示す拡大図。 シリンドリカルレンズの斜視図。 シリンドリカルレンズの断面形状、及び当該シリンドリカルレンズに入射する光の進行を示す説明図。 シリンドリカルレンズの傾斜状態を示す第１の説明図。 シリンドリカルレンズの配置状態を示す説明図。 シリンドリカルレンズが軸外しの状態で取り付けられていることによる影響を示す第１の説明図。 シリンドリカルレンズが軸外しの状態で取り付けられていることによる影響を示す第２の説明図。 自由曲面鏡の斜視図。 自由曲面鏡の断面形状、及び当該自由曲面鏡に入射する光の進行を示す説明図。 自由曲面鏡の反射面を表現する説明図。 自由曲面鏡の傾斜状態および配置状態を示す説明図。 自由曲面鏡が軸外しの状態で取り付けられていることによる影響を示す第１の説明図。 自由曲面鏡が軸外しの状態で取り付けられていることによる影響を示す第２の説明図。 リニアフレネルレンズの斜視図。 曲面基板状シリンドリカルレンズの斜視図。 曲面基板状リニアフレネルレンズの斜視図。 曲面基板状シリンドリカルレンズ（又は曲面基板状リニアフレネルレンズ）の配置状態を示す説明図。 シリンドリカルレンズの傾斜状態を示す第２の説明図。 複数の自由曲面鏡の配置状態を示す説明図。 拡大用のレンズとして一般的な凸レンズによって光路を等価的に長くすることができる原理を示す説明図。 虚像がフロントウインドシールドを透過した位置に現れることを示す説明図。 レンズに反射した太陽光が乗員のアイレンジに入り込む様子を示す説明図。 表示像に現れる太陽光によるノイズを示す写真。 楔形シリンドリカルレンズの斜視図および断面図。 楔形シリンドリカルレンズの配置状態を示す第１の説明図。 楔形フレネルレンズの斜視図および断面図。 楔形シリンドリカルレンズの配置状態を示す第２の説明図。

符号の説明

１…ＨＵＤ装置、２…インパネ、３…アイレンジ、４…表示像、５…表示デバイス、６…自由曲面鏡、７…シリンドリカルレンズ、８…主光軸、９…フロントウインドシールド。

Claims (17)

1. 光を透過かつ反射する反射手段を備えた移動体に搭載され、前記反射手段が反射した映像光からなる映像を、前記移動体の乗員に虚像として視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
   予め設定された特定方向に対して光に所定の度合いで集束または発散する光学的作用を与え、且つ該光を透過させる光学手段と、
   前記光学手段を介して前記反射手段に映像光を投射する映像投射手段と、
   前記反射手段における前記映像光の非投射面側から前記光学手段に向けて入射する外光の一部を遮る遮光手段と、
   を備え、
   前記光学手段において、前記映像光の入射側および出射側の面を入射側端面および出射側端面、前記特定方向に直交する断面のうち、前記入射側端面との交線を入射側交線、及び、前記出射側端面との交線を出射側交線として、
   前記遮光手段にて遮られることなく前記光学手段に到達し該光学手段にて反射した外光が、前記映像を前記移動体の乗員に視認させる領域である視認領域の領域外を指向するように、前記光学手段は、前記入射側交線における法線と、前記出射側交線における法線とが共に、前記入射側端面に入射する前記映像の主光軸に対して傾斜するように配置されていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記光学手段は、前記入射側交線と前記出射側交線とが非平行となる形状であ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。
3. 前記光学手段は、前記特定方向に沿った第１の傾斜軸を軸にして傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記特定方向は、前記映像の水平方向であることを特徴とする請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記光学手段は、シリンドリカルレンズからなることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記光学手段は、フレネルレンズからなることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
7. 前記光学手段は、屈折率及び色分散が異なる材料からなる複数のレンズからなり、該複数のレンズは、色収差が補正されるように組み合わされていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
8. 前記光学手段が与える光学的作用は、映像の拡大であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
9. 光を偏向させる一つないし複数の偏向手段を備え、
   前記偏向手段は、前記映像投射手段から前記光学手段に至る前記映像光の経路上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
10. 前記偏向手段の少なくとも一つは、光に光学的作用を与える機能付偏向手段からなることを特徴とする請求項９に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
11. 前記機能付偏向手段が与える光学的作用は、映像の拡大であることを特徴とする請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
12. 前記機能付偏向手段の少なくとも一つは、該機能付偏向手段の入射側端面における前記映像の主光軸上の法線が該機能付偏向手段に入射する前記映像の主光軸に対して傾斜するように配置されており、その傾斜角度は、前記光学手段が傾斜して配置されていることで生じる前記虚像の歪みを相殺するような角度であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
13. 前記機能付偏向手段の一つは、前記光学手段の前段に配置され、且つ、前記特定方向に沿った第１の傾斜軸と同一平面内に位置する第２の傾斜軸を軸にして傾斜していることを特徴とする請求項１２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
14. 前記光学手段及び前記機能付偏向手段は、前記第１の傾斜軸と前記第２の傾斜軸とが平行となるように配置されていることを特徴とする請求項１３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
15. 前記偏向手段の少なくとも一つは、前記光学手段または前記反射手段の少なくともいずれか一方の形状によって生じる前記虚像の歪みを相殺する光学的作用を与える形状を有することを特徴とする請求項９ないし請求項１４のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
16. 前記映像投射手段を内装して開口部を有する筐体を備え、
    前記光学手段は、前記筐体の開口部を形成する内壁を兼用する遮光手段によって外光の一部が到達しないように配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
17. 前記光学手段は、前記筐体の内部を防塵するカバーを兼用することを特徴とする請求項１６に記載のヘッドアップディスプレイ装置。