JP6547138B2 - 自由曲面レンズ、および、ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Description

本開示は、透過型の反射部材に光を投射して虚像を提示するヘッドアップディスプレイや、その光の投射に用いられる自由曲面レンズ等に関する。

特許文献１は、ウインドシールドに表示像を投影するヘッドアップディスプレイ装置を開示する。このヘッドアップディスプレイ装置は、液晶表示部と、標準光源と、凹面鏡と、凹レンズと、を備える。液晶表示部は、表示像の基となる基画像を生成する。標準光源は、背面側から当該液晶表示部に向けて光を放射する。凹面鏡は、基画像の光像を反射することでウインドシールドに表示像を投影する。凹レンズの形状は、液晶表示部側に平面を向けた平凹レンズ形状である。凹レンズは、液晶表示部と凹面鏡との間に位置する。

特許文献２は、ウインドシールドに表示像を投影するヘッドアップディスプレイ装置を開示する。このヘッドアップディスプレイ装置は、液晶表示部と、標準光源と、凹面鏡と、自由曲面レンズと、を備える。液晶表示部は、表示像の基となる基画像を生成する。標準光源は、背面側から当該液晶表示部に向けて光を放射する。凹面鏡は、基画像の光像を反射することでウインドシールドに表示像を投影する。自由曲面レンズの形状は、液晶表示部側に平面を向けた平凹レンズ形状である。自由曲面レンズは、液晶表示部と凹面鏡との間に位置する。

特開２００４−１２６０２５号公報 特開２０１１−２４７９９７号公報

本開示は、高いコントラストを有し、歪みの少ない虚像を提示し、外光による迷光を抑制するのに有効なヘッドアップディスプレイを提供する。

本開示におけるヘッドアップディスプレイは、観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイである。ヘッドアップディスプレイは、表示デバイスと、投射光学系と、を備える。表示デバイスは、画像を表示する。投射光学系は、屈折レンズを有する。投射光学系は、表示デバイスに表示された画像を観察者に投射する。観察者の視点領域の中心に到達し、虚像の中心に相当する光線を基準光線とする。観察者の視点領域の中心に到達し、虚像の車両外側端に相当する光線を基準外側光線とする。屈折レンズの入射面は、基準光線上において、表示デバイス側の面である。屈折レンズの出射面は、基準光線上において、前記入射面と反対側の面である。基準光線と入射面との交点を原点とする。原点における入射面の接平面と基準外側光線との交点と、原点と、を含む直線の方向をＸ軸方向とする。上記接平面において、Ｘ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。このとき、屈折レンズは基準光線に対して傾けて配置される。入射面は、Ｘ軸方向において表示デバイス側に対し凹面である。入射面のＹ軸方向における曲率は、入射面のＸ軸方向における曲率よりも小さい。

本開示におけるヘッドアップディスプレイは、高いコントラストを有し、歪みの少ない虚像を提示し、外光による迷光を抑制するのに有効である。

図１は、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を説明するための模式図である。 図２は、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である。 図３は、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である。 図４は、実施の形態１における投射光学系の構成を示す模式図である。 図５は、実施の形態１における投射光学系の構成を示す模式図である。 図６は、実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイに対する外光の入射の様子を示す図である。 図７は、実施の形態２のヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図である。 図８は、実施の形態２のヘッドアップディスプレイに対する外光の入射の様子を示す図である。 図９は、実施の形態３のヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図である。 図１０は、実施の形態３のヘッドアップディスプレイに対する外光の入射の様子を示す図である。 図１１は、実施の形態３のヘッドアップディスプレイの動作を示す図である。 図１２は、実施の形態４のヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図である。 図１３は、実施の形態４のヘッドアップディスプレイに対する外光の入射の様子を示す図である。 図１４は、実施の形態４のヘッドアップディスプレイの動作を示す図である。 図１５は、実施の形態５のヘッドアップディスプレイを搭載した車両を説明するための模式図である。 図１６は、実施の形態５のヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図である。 図１７は、実施の形態５のヘッドアップディスプレイの動作を示す図である。 図１８Ａは、実施の形態１〜４のレンズ形状を示す図である。 図１８Ｂは、実施の形態１〜４のレンズ形状を示す図である。 図１８Ｃは、実施の形態１〜４のレンズ形状を示す図である。 図１８Ｄは、実施の形態１〜４のレンズ形状を示す図である。 図１９Ａは、実施の形態５のレンズ形状を示す図である。 図１９Ｂは、実施の形態５のレンズ形状を示す図である。 図１９Ｃは、実施の形態５のレンズ形状を示す図である。 図１９Ｄは、実施の形態５のレンズ形状を示す図である。

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、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
以下、図１〜６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。

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の構成を説明するための模式図である。

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１２０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が表示する画像をウインドシールド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、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が走行する地面の方向である。上方とは、下方の反対の方向である。外側とは、車両２００が左ハンドルである場合、観察者Ｄから見て左側である。このとき、内側とは観察者から見て右側である。また、視点領域３００は、観察者Ｄが虚像Ｉを欠けることなく視認できる領域である。

また、図２に示すように、表示デバイス１１０における画像の中心から観察者Ｄの視点までの光路を基準光線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。また、虚像Ｉの車両外側端に相当する、表示デバイス１１０上の表示位置を基準外側画像端とする。虚像Ｉの車両内側端に相当する、表示デバイス１１０上の表示位置を基準内側画像端とする。そして、表示デバイス１１０の基準外側画像端から観察者Ｄの視点までの光路を基準外側光線Ｌｏとする。すなわち、虚像Ｉの車両外側端に相当する光の光路が基準外側光線Ｌｏである。同様に、表示デバイス１１０の基準内側画像端から観察者Ｄの視点までの光路を基準内側光線Ｌｉとする。ただし、観察者Ｄの視点は、視点領域３００の中心にあるものとする。

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１１１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（エレクトロルミネッセンス）、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１２０やウインドシールド２２０で発生する歪みや、カメラ１７０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１２０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。

投射光学系１２０は、自由曲面形状のレンズ１２１と、凹面形状の反射面を有するミラー１２２とを備える。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した画像をウインドシールド２２０に投射する。具体的には、表示デバイス１１０が表示した画像光は、レンズ１２１を通してミラー１２２に入射する。ミラー１２２は、画像光を反射し、ウインドシールド２２０に投射する。

［１−１−２．投射光学系の構成］
以下、図２〜４及び図１８Ａ〜図１８Ｄを用いて、投射光学系１２０の構成について説明する。

レンズ１２１は、図３に示すように表示デバイス１１０よりも車両２００の前方方向に位置する。レンズ１２１は、図４に示すように基準光線Ｌｃに対して下方に傾けて配置されている。

また、レンズ１２１は、図１８Ａ〜図１８Ｄに示すように、Ｘ軸方向とＹ軸方向で曲率の異なる自由曲面レンズである。レンズ１２１の表示デバイス１１０側の面（入射面）は、Ｘ軸方向は表示デバイス１１０側に凹な凹面形状である。レンズ１２１の入射面のＹ軸方向の曲率は、Ｘ軸方向の曲率よりも小さい。すなわち、レンズ１２１のＹ軸方向の形状は、Ｘ軸方向の曲率より小さな凹面形状、凸面形状、または、平面形状である。また、レンズ１２１のミラー１２２側の面（出射面）は、Ｘ軸方向はミラー１２２側に凸な凸面形状である。レンズ１２１の出射面は、Ｙ軸方向は凹面形状である。実施の形態１では、一例として、レンズ１２１の入射面のＹ軸方向は屈折力を持たない形状としている。なお、レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０側にＸ軸方向よりも小さい曲率の凹面を向けても良い。また、レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０側に凸面を向けても良い。あるいは、レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０側に局所的に凹面、凸面、または、平面を向けた形状であっても良い。また、実施の形態１ではレンズ１２１の出射面のＹ軸方向はミラー１２２側に凹面を向けているが、凸面を向けても良い。

太陽光などの外光が、ミラー１２２からレンズ１２１へ入射したとき、外光はレンズ１２１の出射面や入射面によって反射される。レンズ１２１において反射された反射光がミラー１２２へ入射すると、外光がウインドシールド２２０へ投射され、観察者Ｄに視認される恐れがある。これは、車両２００を運転する観察者Ｄの視界を妨げるため、望ましくない。

本実施の形態においては、図４で示すように、レンズ１２１の入射面及び出射面は、基準光線Ｌｃに対して下方に傾いている。すなわち、レンズ１２１は、基準光線Ｌｃに対して傾いている。これにより、反射光はミラー１２２より下方へ反射され、視点領域３００に入射しないようにできる。ここで、レンズ１２１の基準光線Ｌｃに対する傾きは、基準光線Ｌｃに沿って入射した外光が入射面または出射面において反射したとき、その反射光がミラー１２２に入射しない角度とすることが望ましい。さらに望ましくは、ミラー１２２からレンズ１２１へ入射した外光がレンズ１２１の入射面または出射面において反射したとき、その反射光がミラー１２２に入射しない角度とすることが望ましい。なお、レンズ１２１が基準光線Ｌｃに対して傾いているとは、レンズ１２１の光学的な屈折面が基準光線Ｌｃに対して垂直な平面に対して水平でないということである。

さらに、レンズ１２１の出射面は、入射面よりも下方に向けて設けられている。すなわち、レンズ１２１のＹ軸方向の形状は、くさび形状となっている。レンズ１２１のＹ軸方向に沿った断面形状をくさび形状とすることにより、レンズ１２１の上方を通る光の光路長が、レンズ１２１の下方を通る光の光路長よりも長くなる。すなわち、表示デバイス１１０から出射された映像光がミラー１２２に到達するまでの光路長を、Ｙ軸方向の位置に応じて変えることができる。これにより、ミラー１２２において生じる偏心像面湾曲を良好に補正することができる。

ここで、図５に示すように、基準光線Ｌｃとレンズ１２１の入射面との交点を原点Ｏとする。原点Ｏにおけるレンズ１２１の入射面の接平面を接平面Ｐとする。基準外側光線Ｌｏと接平面Ｐとの交点と、原点Ｏとを含む直線をＸ軸とする。接平面Ｐ上において、Ｘ軸と垂直な直線をＹ軸とする。なお、図５では車両内外方向とＸ軸方向が一致しているが、それに限定されるものではない。

ミラー１２２は、レンズ１２１よりも車両２００の前方方向に位置する。ミラー１２２は、レンズ１２１から出射された光線をウインドシールド２２０に向けて反射する。ミラー１２２の反射面は、偏心して配置されている。ここで、ミラー１２２の反射面は凹面形状である。すなわち、ミラー１２２は、レンズ１２１から入射した光を拡大してウインドシールド２２０に投射する。これにより、表示デバイス１１０で表示する画像を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることができる。また、ミラー１２２は自由曲面形状である。これは反射で生じた虚像のひずみを補正するためである。これにより、観察者Ｄが視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにできる。

ここで、レンズ１２１の入射面は、薄膜の多層構造による反射防止コートを施している。これにより、レンズ１２１の入射面における反射率を低減することができる。

ここで、レンズ１２１の出射面は、薄膜の多層構造による反射防止コートを施している。これにより、レンズ１２１の入射面における反射率を低減することができる。ここで、レンズ１２１は、ミラー１２２の反射面の下端よりも上方に配置される。こうすることで、ヘッドアップディスプレイ１００を車両２００の上下方向に薄く構成することができる。

なお、反射防止コートは、例えばＳＷＳ（ＳｕｂＷａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、サブ波長構造体）のような微細周期構造を用いてもよい。

［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１００（ヘッドアップディスプレイの一例）は、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させるヘッドアップディスプレイである。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０（表示デバイスの一例）と、投射光学系１２０と、を備える。表示デバイス１１０は、画像を表示する。投射光学系１２０は、レンズ１２１（屈折レンズの一例）を有し、表示デバイス１１０に表示された画像を観察者Ｄに投射する。ここで、視点領域３００の中心に観察者Ｄの視点があるとき、虚像Ｉの中心から観察者Ｄの視点に向かう光線を基準光線Ｌｃとする。視点領域３００の中心に観察者Ｄの視点があるとき、虚像Ｉの車両外側端から観察者Ｄの視点に向かう光線を基準外側光線Ｌｏとする。レンズ１２１の入射面は、基準光線Ｌｃ上において表示デバイス１１０側の光学面である。レンズ１２１の出射面は、基準光線Ｌｃ上において入射面と反対側の光学面である。基準光線Ｌｃとレンズ１２１の入射面との交点を原点Ｏとする。レンズ１２１の入射面の原点Ｏにおける接平面を接平面Ｐとする。接平面Ｐと基準外側光線Ｌｏとの交点と、原点Ｏと、を含む直線の方向をＸ軸方向とする。接平面Ｐにおいて、Ｘ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。レンズ１２１は基準光線Ｌｃに対して傾けて配置される。レンズ１２１の表示デバイス１１０側にある入射面は、Ｘ軸方向において表示デバイス１１０側に対し凹面を形成している。また、レンズ１２１の入射面のＹ軸方向における曲率は、入射面のＸ軸方向における曲率よりも小さい。

実施の形態１に係るレンズ１２１（自由曲面レンズの一例）は、第１の像面と第２の像面とを共役関係にする結像光学系に用いられる。本開示の自由曲面レンズは、光学面として、第１光学面と第２光学面とを有する。ここで、第１光学面は、レンズ１２１の入射面に相当する。第２光学面は、レンズ１２１の出射面に相当する。ヘッドアップディスプレイ１００の結像光学系は、表示デバイス１１０が表示する画像である実像（第１の像面）を、観察者Ｄから視認される虚像Ｉ（第２の像面）として結像させる。すなわち、ヘッドアップディスプレイ１００の結像光学系は、レンズ１２１を用いて、第１の像面と第２の像面を共役関係にしている。ヘッドアップディスプレイ１００の基準光線Ｌｃ、すなわち、第２の像面の中心に対応する光線は、レンズ１２１の第１光学面と第２光学面とを通る。ここで、基準光線Ｌｃと第１光学面との交点における第１光学面の接平面を接平面Ｐとする。レンズ１２１のＸ軸方向とＹ軸方向は、接平面Ｐにおいて、互いに直交する２つの方向であり、図１８Ａ〜図１９Ｄに示したものと同様である。

本開示の自由曲面レンズによれば、ヘッドアップディスプレイ１００のような結像光学系において、外光の反射を抑えつつ、良好な光学的特性を実現できる。

なお、レンズ１２１において、Ｘ軸方向の曲率とは、Ｘ軸を含みＹ軸方向に垂直な平面における断面形状の曲率のことである。Ｙ軸方向の曲率とは、Ｙ軸を含みＸ軸方向に垂直な平面における断面形状の曲率のことである。

ヘッドアップディスプレイ１００の投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、レンズ１２１と、ミラー１２２とを有する。

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０に表示された画像を、ウインドシールド２２０に投影し、虚像Ｉを観察者Ｄに視認させている。これにより、観察者Ｄの前方視界を遮ることなく、表示デバイス１１０に表示された画像を観察者Ｄに視認させることができる。

また、本開示のヘッドアップディスプレイ１００によれば、小型でありながら、視点領域３００の全域で画面歪みが良好に補正できるヘッドアップディスプレイが実現できる。さらに、本開示の構成によれば、外光による迷光の発生が抑制されるヘッドアップディスプレイを実現できる。すなわち、視点領域３００内において観察者Ｄはどの位置で観察しても良好な虚像Ｉを視認することが可能である。

実施の形態１のレンズ１２１は基準光線Ｌｃに対して下方に傾けて配置している。これにより、図６に示すように太陽光などの外光がレンズ１２１の出射面、または、入射面によって反射する場合でも、視点領域３００に入射することを防ぐことができる。

また、レンズ１２１のＸ軸方向は負の屈折力を有する。これにより、表示デバイス１１０から出射してレンズ１２１に入射する光線のＸ軸方向の広がりを抑制することができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００は、コントラスト特性の良好な虚像Ｉを提示することができる。

また、レンズ１２１のＸ軸方向は表示デバイス１１０に凹面を向けた負のメニスカス形状である。これにより、表示デバイス１１０から出射する光線が、レンズ１２１のレンズ面に入射する角度を、入射面に対して垂直に近づけることができる。これにより、偏心歪みの影響を低減することができる。

また、レンズ１２１の出射面は、自由曲面形状である。具体的には、レンズ１２１は、Ｘ軸方向において対称でない。これにより、レンズ１２１は、ウインドシールド２２０で発生する非対称な歪みを良好に補正することができる。

また、レンズ１２１の出射面のＹ軸方向は、レンズ１２１の入射面のＹ軸方向よりも下方に傾けている。すなわち、基準光線Ｌｃに垂直な平面を基準としたとき、レンズ１２１の出射面のＹ軸方向の傾きは、レンズ１２１の入射面のＹ軸方向の傾きよりも大きい。言い換えると、基準光線Ｌｃと出射面の交点における接平面と基準光線Ｌｃとのなす角は、基準光線Ｌｃと入射面の交点における接平面と基準光線Ｌｃとのなす角に比べて小さい。レンズ１２１の入射面及び出射面が傾いていることにより、太陽光が出射面側で反射した場合でも、その反射光が視点領域３００に入射するのを防ぐことができる。また、レンズ１２１の出射面のＹ軸方向は、レンズ１２１の入射面のＹ軸方向よりも下方に傾けることにより、レンズ１２１の上方の光路長が下方の光路長よりも長くなる。これにより、レンズ１２１を通過するときのＹ軸方向の位置に応じて光路長を変えることができる。これにより、ミラー１２２で発生する偏心像面湾曲を良好に補正することができる。

また、レンズ１２１の入射面には反射防止コートを施している。これにより、表示デバイス１１０で表示した画像の透過率を下げることなく、良好な虚像Ｉを観察者Ｄに視認させることができる。また、太陽光などの外光がレンズ１２１の入射面と出射面との間で多重反射して視点領域３００に到達した場合でも、輝度を十分に下げることができる。

また、レンズ１２１の出射面には反射防止コートを施している。これにより、表示デバイス１１０で表示した画像の透過率を下げることなく、良好な虚像Ｉを観察者Ｄに視認させることができる。また、太陽光などの外光がレンズ１２１の入射面と出射面との間で多重反射して視点領域３００に到達した場合でも、輝度を十分に下げることができる。

一般的に、入射面と出射面との間で多重反射した反射光は、入射面または出射面において１度だけ反射した反射光よりも輝度が低い。つまり、多重反射した反射光の輝度を低下させても、１度だけ反射した反射光の輝度が十分に低下させられなければ効果が薄い。本実施の形態においては、入射面および出射面が基準光線Ｌｃに傾いていることにより、入射面または出射面において１度だけ反射した反射光は、ミラー１２２に到達しない。これにより、多重反射した反射光を抑えることにより、大きな効果が得られる。

多重反射する反射光のうち、まず入射面で反射され、次に出射面で反射され、最後に入射面で反射されてミラー１２２に到達した反射光について述べる。ここで、入射面における反射率をＲｉとする。同様に、出射面における反射率をＲｏとする。上記の反射光の輝度は、おおむねＲｉの２乗とＲｏとを乗じた値に比例する。すなわち、特に入射面に反射防止コートを施すことにより、反射光の輝度を効率的に低下させることができる。また、出射面に反射防止コートを施した場合も、Ｒｏの減少におおむね比例して反射光の輝度を低下させることができる。１度だけ反射した反射光においては、反射光の輝度はＲｉ＋Ｒｏに比例するため、Ｒｏだけが減少しても、反射光の輝度はそれに比例しない。本開示の構成によれば、出射面に反射防止コートを施すことにより、反射光の輝度を効果的に低下させることができる。同様に、入射面と出射面との両方に反射防止コートを施した場合においても、本開示の構成によれば、反射光の輝度を効果的に低下させることができる。

投射光学系１２０は、表示デバイス１１０の直後に全体として負のパワーのレンズ１２１を配置している。また、表示デバイス１１０が表示する表示画像１１１の光が最初に入射するレンズ１２１の面は凹面である。これにより、ミラー１２２の正のパワーを高めることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００を小型に構成することができる。

実施の形態１に係るレンズ１２１は、全体として凹面レンズである。すなわち、レンズ１２１は、Ｘ軸方向とＹ軸方向の両方において、凹面レンズとして機能する光学素子である。これにより、レンズ１２１は、結像光学系における凹面レンズとして使用できる。さらに、レンズ１２１は、自由曲面レンズである。これにより、結像光学系の光学的特性を良好に補正できる。

実施の形態１に係るレンズ１２１の第１光学面（入射面）は、Ｘ軸方向において凹面である。さらに、第１光学面のＹ軸方向の曲率は、第１光学面のＸ軸方向の曲率よりも小さい。第１光学面のＸ軸方向の曲率を大きく取ることにより、レンズ１２１のＸ軸方向において、第１光学面の中心から遠い部分においても、第１の像面からの光の入射角が大きくなる。これにより、レンズ１２１のＸ軸方向において、中心から遠い部分における光学的特性の劣化を抑えられる。特に、レンズ１２１のＸ軸方向の長さがＹ軸方向の長さより長いとき、レンズ１２１の中心から遠い部分における光学的特性の劣化は、一般的にＸ軸方向のほうがＹ軸方向よりも大きい。レンズ１２１のＸ軸方向の長さがＹ軸方向の長さより長いとき、第１光学面のＹ軸方向の曲率は、第１光学面のＸ軸方向の曲率よりも小さいことにより、光学的特性の劣化をより効果的に抑制できる。なお、レンズ１２１の外形における長さに限られない。すなわち、虚像ＩのＸ軸方向に対応する長さがＹ軸方向に対応する長さより長いときにおいても同様である。

実施の形態１に係るレンズ１２１の第２光学面（出射面）は、Ｘ軸方向において凸面である。これにより、第１光学面のＸ軸方向の形状を曲率の大きい凹面とすることができる。さらに、第２光学面のＸ軸方向の曲率は、第１光学面のＸ軸方向の曲率よりも小さい。さらに、前記第２光学面の前記Ｙ軸方向の曲率は、前記第２光学面の前記Ｘ軸方向の曲率よりも小さい。これにより、レンズ１２１の光学的特性は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の全体として凹面レンズとすることができる。

実施の形態１に係るレンズ１２１の第１光学面と第２光学面とは、基準光線Ｌｃに垂直な平面に対して傾いている。これにより、基準光線Ｌｃに沿って入射した光に対する反射光は、基準光線Ｌｃと異なる方向に向けて出射される。さらに、レンズ１２１のＸ軸方向に垂直な平面における断面形状はくさび形である。すなわち、レンズ１２１のＹ軸方向における曲線形状の中心（光学中心）は、レンズ１２１の中心から離れた位置、例えば、レンズ１２１の外にある。一般的に凹レンズは、光学中心から離れた部分は、光学中心に近い部分と比較して、光路長が長くなり、レンズ１２１の面内で光学的特性が不均一となる。一方、実施の形態１に係るレンズ１２１は、Ｙ軸方向において、光路長を変化させる。これにより他の光学素子の特性を相殺し、レンズ１２１を用いた結像光学系の全体としての光学的特性を補正することができる。

本開示の自由曲面レンズに係る結像光学系の第１の像面の面積は、第２の像面の面積よりも小さい。すなわち、結像光学系は、第２の像面は第１の像面を拡大するもの、あるいは、第１の像面は第２の像面を縮小するものである。ここで、レンズ１２１の第１の像面側（縮小側）の光学面が第１光学面である。レンズ１２１の第２の像面側（拡大側）の光学面が第２光学面である。これにより、結像光学系を小型化しつつ、結像光学系の光学的特性を良好にすることができる。

（実施の形態２）
実施の形態２のヘッドアップディスプレイ１００は、λ／４波長板１２３と、偏光カバー１０１とを有する点において実施の形態１と異なる。以下、図７および図８を用いて実施の形態１と異なる点を中心に説明し、同様の構成についてはその説明を省略する。

［２−１．構成］
図７は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための光路を説明する模式図である。図７に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、偏光カバー１０１と、表示デバイス１１０と、投射光学系１２０と、を備える。投射光学系１２０は、レンズ１２１と、凹面形状の反射面を有するミラー１２２と、λ／４波長板１２３とを備える。

投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した画像をウインドシールド２２０に投射する。具体的には、表示デバイス１１０が表示した画像光は、レンズ１２１とλ／４波長板１２３を通してミラー１２２に入射する。ミラー１２２が反射する画像光は、偏光カバー１０１を通してウインドシールド２２０に投射される。ここで、実施の形態２では、偏光カバー１０１はＰ偏光の光を吸収し、Ｓ偏光の光を透過させる作用を持つとしている。しかし、これに限定する必要はなく、偏光カバー１０１は、Ｓ偏光の光を吸収または反射し、Ｐ偏光の光を透過しても良い。また、偏光カバー１０１は、Ｐ偏光の光を反射し、Ｓ偏光の光を透過させても良い。また、偏光カバー１０１は、湾曲した形状としている。偏光カバー１０１が湾曲形状であることにより、太陽光などの外光が偏光カバー１０１で反射されて視点領域３００に届くことを抑えられる。

レンズ１２１は、実施の形態１と同様の構成を有する。具体的には、レンズ１２１は、表示デバイス１１０よりも車両２００の前方方向に位置し、基準光線Ｌｃに対して下方に傾けて配置している。また、レンズ１２１は、図１８Ａ〜図１８Ｄに示すものと同様に、Ｘ軸方向とＹ軸方向で曲率の異なる自由曲面レンズである。レンズ１２１の表示デバイス１１０側の面（入射面）は、Ｘ軸方向は表示デバイス１１０側に凹な凹面形状である。レンズ１２１の入射面のＹ軸方向における曲率は、Ｘ軸方向における曲率よりも小さい。レンズ１２１のミラー１２２側の面（出射面）は、Ｘ軸方向はミラー１２２側に凸な凸面形状である。レンズ１２１の出射面は、Ｙ軸方向は凹面形状である。実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、レンズ１２１の入射面のＹ軸方向は屈折力を持たない形状としている。なお、レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０側にＸ軸方向よりも小さい曲率の凹面を向けても良い。また、レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０側に凸面を向けても良い。あるいは、レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０側に局所的に凹面、凸面、または、平面を向けた形状であっても良い。また、実施の形態１と同様に、レンズ１２１の出射面のＹ軸方向はミラー１２２側に凹面を向けているが、凸面を向けても良い。

実施の形態１と同様に、レンズ１２１の出射面は、レンズ１２１の入射面よりも基準光線Ｌｃに対して下方に傾いており、車両の上下前後断面ではくさび形状となっている。これにより、太陽光などの外光がレンズ１２１の出射面、入射面によって反射する場合でも、その反射光が視点領域３００に入射することがない。また、レンズ１２１のＹ軸方向に沿った断面形状をくさび形状とすることで、上方の光路長が下方の光路長よりも長くなり、ミラー１２２で発生する偏心像面湾曲を良好に補正することができる。

λ／４波長板１２３は、レンズ１２１よりも車両前方方向に位置する平板形状の偏光素子である。λ／４波長板１２３は、レンズ１２１から出射された光の偏光をλ／４回転させて出射する作用をもつ。また、λ／４波長板１２３は基準光線に対して下方に傾けて配置される。これにより、太陽光などの外光がλ／４波長板１２３で反射した場合でも、視点領域３００に外光が到達するのを防ぐことができる。

ミラー１２２は、λ／４波長板１２３よりも車両２００の前方方向に位置する。ミラー１２２の反射面は、λ／４波長板１２３から出射された光線をウインドシールド２２０に向けて反射するよう、偏心して配置されている。ここで、ミラー１２２の反射面は凹面形状である。これにより、表示デバイス１１０で表示する画像を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることが可能となる。また、ミラー１２２は自由曲面形状である。これにより、反射で生じる歪みを、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるように補正する。

ここで、レンズ１２１は、ミラー１２２の反射面の下端よりも上方に配置される。こうすることで、ヘッドアップディスプレイ１００を車両２００の上下方向に薄く構成することができる。

［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１００は、画像を表示する表示デバイス１１０と、表示デバイス１１０に表示された画像を投射する投射光学系１２０と、偏光カバー１０１とを備え、投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、レンズ１２１と、λ／４波長板１２３、ミラー１２２とを有する。

実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００は、上記実施の形態１の効果に加え、λ／４波長板１２３をレンズ１２１よりも車両前方方向に配置し、偏光カバー１０１をミラー１２２とウインドシールド２２０の間に配置する。これにより、太陽光などの外光がレンズ１２１の入射面または出射面または表示デバイス１１０の表示面で多重反射した光が視点領域３００に到達した場合でも、輝度を十分に下げることができる。図８で示すように、太陽光は、偏光カバー１０１を通ってミラー１２２へ入射する。偏光カバー１０１はＰ偏光の光を吸収するため、偏光カバー１０１に入射した太陽光のうちＳ偏光成分の光のみがミラー１２２に到達する。ミラー１２２に到達したＳ偏光成分の光は、ミラー１２２により反射されてλ／４波長板１２３に入射する。λ／４波長板１２３を透過することにより、Ｓ偏光の光は円偏光に変換される。λ／４波長板１２３を透過した光は、レンズ１２１の入射面または出射面または表示デバイス１１０の表示面で多重反射した後、再度λ／４波長板１２３に入射する。λ／４波長板１２３に入射した円偏光の光は、λ／４波長板１２３を透過することによりＰ偏光の光に変換される。すなわち、外光がレンズ１２１や表示デバイス１１０において反射され、再びミラー１２２に入射するとき、その反射光はＰ偏光となる。このＰ偏光の反射光は、ミラー１２２で反射されて偏光カバー１０１に入射しても、偏光カバー１０１がＰ偏光の光を吸収するため、偏光カバー１０１を通過できない。これにより、レンズ１２１や表示デバイス１１０において反射された外光が観察者Ｄに迷光として認識されにくくなる。特に、レンズ１２１や表示デバイス１１０において多重反射された外光が観察者Ｄに迷光として認識されにくくなる。

（実施の形態３）
実施の形態３のヘッドアップディスプレイ１００は、λ／４波長板１２４、λ／２波長板１２５を有する点において実施の形態２と異なる。以下、図９〜図１１を用いて実施の形態２と異なる点を中心に説明し、同様の構成についてはその説明を省略する。

［３−１．構成］
図９は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための光路を説明する模式図である。図９に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、偏光カバー１０１と、表示デバイス１１０と、投射光学系１２０と、を備える。投射光学系１２０は、レンズ１２１と、凹面形状の反射面を有するミラー１２２と、λ／４波長板１２３と、λ／４波長板１２４と、λ／２波長板１２５を備える。

投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した画像をウインドシールド２２０に投射する。具体的には、表示デバイス１１０が表示した画像光は、λ／４波長板１２４とλ／２波長板１２５とレンズ１２１とλ／４波長板１２３とを通してミラー１２２に入射する。ミラー１２２が反射する画像光は、偏光カバー１０１を通してウインドシールド２２０に投射される。ここで、実施の形態３では、偏光カバー１０１はＰ偏光の光を吸収し、Ｓ偏光の光を透過するように設けられている。しかし、これに限定されることはない。例えば、偏光カバー１０１は、Ｓ偏光の光を吸収または反射し、Ｐ偏光の光を透過しても良い。また、偏光カバー１０１は、Ｐ偏光の光を反射し、Ｓ偏光の光を透過させても良い。

実施の形態３では、λ／４波長板１２４とλ／２波長板１２５は表示デバイス１１０とレンズ１２１の間に配置される。ただし、λ／４波長板１２４とλ／２波長板１２５の配置はこれに限定されるものではない。例えば、λ／４波長板１２４とλ／２波長板１２５の順序を入れ替えて配置しても良い。

レンズ１２１は、実施の形態１と同様の構成を有する。具体的には、レンズ１２１は、表示デバイス１１０よりも車両２００の前方方向に位置し、基準光線Ｌｃに対して下方に傾けて配置している。また、レンズ１２１は、図１８Ａ〜図１８Ｄに示すものと同様に、Ｘ軸方向とＹ軸方向で曲率の異なる自由曲面レンズである。レンズ１２１の表示デバイス１１０側の面（入射面）は、Ｘ軸方向は表示デバイス１１０側に凹な凹面形状である。レンズ１２１の入射面のＹ軸方向の曲率は、Ｘ軸方向の曲率よりも小さい。レンズ１２１のミラー１２２側の面（出射面）は、Ｘ軸方向はミラー１２２側に凸な凸面形状である。レンズ１２１の出射面のＹ軸方向は凹面形状である。実施の形態３においても、実施の形態１と同様に、レンズ１２１の入射面のＹ軸方向は屈折力を持たない形状としている。なお、レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０側にＸ軸方向よりも小さい曲率の凹面を向けても良い。また、レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０側に凸面を向けても良い。あるいは、レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０側に局所的に凹面、凸面、または平面を向けた形状であっても良い。また、実施の形態１と同様に、レンズ１２１の出射面のＹ軸方向はミラー１２２側に凹面を向けているが、凸面を向けても良い。

実施の形態１と同様に、レンズ１２１の出射面は、レンズ１２１の入射面よりも基準光線Ｌｃに対して下方に傾いており、車両の上下前後断面ではくさび形状となっている。これにより、太陽光などの外光がレンズ１２１の出射面、入射面によって反射する場合でも、その反射光が視点領域３００に入射することがない。また、レンズ１２１のＹ軸方向に沿った断面形状をくさび形状とすることで、上方の光路長が下方の光路長よりも長くなり、ミラー１２２で発生する偏心像面湾曲を良好に補正することができる。

λ／４波長板１２３はレンズ１２１よりも車両前方方向に位置する。λ／４波長板１２３は、レンズ１２１から入射した光の偏光をλ／４回転させて出射する。また、λ／４波長板１２３は基準光線Ｌｃに対して下方に傾けて配置される。これにより、太陽光などの外光がλ／４波長板１２３で反射した場合でも、視点領域３００に外光が到達するのを防ぐことができる。

λ／２波長板１２５は表示デバイス１１０よりも車両前方方向に位置する。λ／２波長板１２５は、表示デバイス１１０から入射した光の偏光をλ／２回転させて出射する。また、λ／２波長板１２５は基準光線Ｌｃに対して下方に傾けて配置される。これにより、太陽光などの外光がλ／２波長板１２５で反射した場合でも、視点領域３００に外光が到達するのを防ぐことができる。

λ／４波長板１２４は、λ／２波長板１２５よりも車両前方方向に位置する。λ／４波長板１２４は、λ／２波長板１２５から入射した光の偏光をλ／４回転させて出射する。また、λ／４波長板１２４は基準光線Ｌｃに対して下方に傾けて配置される。これにより、太陽光などの外光がλ／４波長板１２４で反射した場合でも、視点領域３００に外光が到達するのを防ぐことができる。

ミラー１２２は、λ／４波長板１２３よりも車両２００の前方方向に位置する。ミラー１２２の反射面は、λ／４波長板１２３から出射された光線をウインドシールド２２０に向けて反射するよう、偏心して配置されている。ここで、ミラー１２２の反射面は凹面形状である。これにより、表示デバイス１１０で表示する画像を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることが可能となる。また、ミラー１２２は自由曲面形状である。これは反射で生じた虚像のひずみを補正するためである。これにより、観察者Ｄが視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるようにできる。

ここで、レンズ１２１は、ミラー１２２の反射面の下端よりも上方に配置される。こうすることで、ヘッドアップディスプレイ１００を車両２００の上下方向に薄く構成することができる。

［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１００は、表示デバイス１１０と、投射光学系１２０と、偏光カバー１０１とを備える。表示デバイス１１０は、画像を表示する。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０に表示された画像を投射する。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、λ／２波長板１２５と、λ／４波長板１２４と、レンズ１２１と、λ／４波長板１２３、ミラー１２２とを有する。

実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００は、実施の形態１の構成に加え、λ／４波長板１２３をレンズ１２１よりも車両前方方向に設けている。さらに、偏光カバー１０１をミラー１２２とウインドシールド２２０との間に配置する。これにより、太陽光などの外光がレンズ１２１の入射面または出射面または表示デバイス１１０の表示面で多重反射した光が視点領域３００に到達した場合でも、輝度を十分に下げることができる。図１０で示すように、太陽光のうちＳ偏光成分の光のみが偏光カバー１０１を通過してミラー１２２に到達する。ミラー１２２に入射したＳ偏光の光は、λ／４波長板１２３を透過することにより、円偏光の光に変換される。λ／４波長板１２３を透過した円偏光の光は、レンズ１２１の入射面または出射面または表示デバイス１１０の表示面で多重反射した後、再度λ／４波長板１２３に入射する。λ／４波長板１２３に入射した円偏光の反射光は、λ／４波長板１２３によりＰ偏光の光に変換され、ミラー１２２に入射する。ミラー１２２で反射されたＰ偏光の反射光は偏光カバー１０１で吸収され、観察者Ｄには迷光として認識されなくなる。

更に、実施の形態３では、表示デバイス１１０からの光路の順に、λ／２波長板１２５と、λ／４波長板１２４と、レンズ１２１と、λ／４波長板１２３、ミラー１２２と、偏光カバー１０１とが配置されている。これにより、表示デバイス１１０として液晶表示装置を用いた場合でも透過率の低下が少ない良好な虚像Ｉを観察者Ｄに視認させることができる。図１１で示すように、表示デバイス１１０からＳ偏光として出射された表示光は、λ／２波長板１２５によりＰ偏光に変換される。λ／２波長板１２５から出射された光はλ／４波長板１２４により円偏光に変換される。λ／４波長板１２４から出射された光は、レンズ１２１を透過した後に、λ／４波長板１２３によりＳ偏光に変換され、ミラー１２２に入射する。ミラー１２２で反射されたＳ偏光の光は偏光カバー１０１で吸収されることなく、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認される。なお、実施の形態３では、表示デバイス１１０から出射される表示光はＳ偏光としているが、表示光がＰ偏光である場合はλ／２波長板１２５を取り除くことによって、同様の効果を得ることが可能である。

（実施の形態４）
実施の形態４のヘッドアップディスプレイ１００は、λ／４波長フィルム１２６を有し、λ／４波長板１２３が無い点において実施の形態３と異なる。以下、図１２〜図１４を用いて実施の形態３と異なる点を中心に説明し、同様の構成についてはその説明を省略する。

［４−１．構成］
図１２は、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための光路を説明する模式図である。図１２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、λ／４波長フィルム１２６を貼り合わせた偏光カバー１０１と、表示デバイス１１０と、投射光学系１２０と、を備える。投射光学系１２０は、レンズ１２１と、凹面形状の反射面を有するミラー１２２と、λ／４波長板１２４と、λ／２波長板１２５とを備える。

投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した画像をウインドシールド２２０に投射する。具体的には、表示デバイス１１０が表示した画像光は、λ／４波長板１２４とλ／２波長板１２５とレンズ１２１とを通してミラー１２２に入射する。ミラー１２２が反射する画像光は、λ／４波長フィルム１２６と偏光カバー１０１とを通して、ウインドシールド２２０に投射される。ここで、実施の形態４では、偏光カバー１０１はＰ偏光の光を吸収し、Ｓ偏光の光を透過させるが、これに限定されるものではない。例えば、偏光カバー１０１は、Ｓ偏光の光を吸収または反射し、Ｐ偏光の光を透過しても良い。また、偏光カバー１０１は、Ｐ偏光の光を反射し、Ｓ偏光の光を透過させても良い。また、λ／４波長フィルム１２６は偏光カバー１０１に貼り合わせる必要はなく、別体として設けられても良い。また、λ／４波長フィルム１２６の代わりにλ／４波長板をミラー１２２と偏光カバー１０１の間に配置しても良い。

実施の形態４では、実施の形態３と同様に、λ／４波長板１２４とλ／２波長板１２５は、表示デバイス１１０とレンズ１２１との間に配置される。ただし、λ／４波長板１２４とλ／２波長板１２５の配置はこれに限定されるものではなく、λ／４波長板１２４とλ／２波長板１２５の順序を入れ替えて配置しても良い。

レンズ１２１は、実施の形態１と同様の構成を有する。具体的には、レンズ１２１は、表示デバイス１１０よりも車両２００の前方方向に位置し、基準光線Ｌｃに対して下方に傾けて配置している。また、レンズ１２１は、図１８Ａ〜図１８Ｄに示すものと同様に、Ｘ軸方向とＹ軸方向で曲率の異なる自由曲面レンズである。レンズ１２１の表示デバイス１１０側の面（入射面）は、Ｘ軸方向は表示デバイス１１０側に凹な凹面形状である。レンズ１２１の入射面のＹ軸方向の曲率は、Ｘ軸方向の曲率よりも小さい。レンズ１２１のミラー１２２側の面（出射面）は、Ｘ軸方向はミラー１２２側に凸な凸面形状である。レンズ１２１の出射面のＹ軸方向は凹面形状である。実施の形態４においても、実施の形態１と同様に、レンズ１２１の入射面のＹ軸方向は屈折力を持たない形状となっているが、これに限られない。例えば、レンズ１２１の入射面のＹ軸方向は、入射面のＸ軸方向の曲率よりも小さい曲率の凹面であっても良い。あるいは、レンズ１２１の入射面のＹ軸方向は、表示デバイス１１０側に凸であっても良い。あるいは、レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０側に局所的に凹面、凸面、または平面を向けた形状であっても良い。また、実施の形態１と同様に、レンズ１２１の出射面のＹ軸方向はミラー１２２側に凹であるが、凸であっても良い。

実施の形態１と同様に、レンズ１２１の出射面は、レンズ１２１の入射面よりも基準光線Ｌｃに対して下方に傾いており、車両の上下前後断面ではくさび形状となっている。これにより、太陽光などの外光がレンズ１２１の出射面、入射面によって反射する場合でも、その反射光が視点領域３００に入射することがない。また、レンズ１２１のＹ軸方向に沿った断面形状がくさび形状とすることで、上方の光路長が下方の光路長よりも長くすることができる。これにより、ミラー１２２で発生する偏心像面湾曲を良好に補正することができる。

λ／４波長フィルム１２６は、偏光カバー１０１の車両下方方向の面側に貼り合わせている。λ／４波長フィルム１２６は、ミラー１２２から入射した光の偏光をλ／４回転させて出射する。ここで、偏光カバー１０１が湾曲形状であることにより、λ／４波長フィルム１２６も湾曲形状となる。これにより、太陽光などの外光が偏光カバー１０１とλ／４波長フィルム１２６との間で反射されて視点領域３００に届くことを抑えられる。

ミラー１２２は、レンズ１２１よりも車両２００の前方方向に位置する。ミラー１２２の反射面は、レンズ１２１から出射された光線をウインドシールド２２０に向けて反射するよう、偏心して配置されている。ここで、ミラー１２２の反射面は凹面形状である。これにより、表示デバイス１１０で表示する画像を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることが可能となる。また、ミラー１２２は自由曲面形状である。これは反射で生じた虚像のひずみを、視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるように補正するためである。

ここで、レンズ１２１は、ミラー１２２の反射面の下端よりも上方に配置される。こうすることで、ヘッドアップディスプレイ１００を車両２００の上下方向に薄く構成することができる。

［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１００は、表示デバイス１１０と、投射光学系１２０と、偏光カバー１０１とを備える。表示デバイス１１０は、画像を表示する。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０に表示された画像を投射する。偏光カバー１０１には、λ／４波長フィルム１２６が貼られている。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、λ／２波長板１２５と、λ／４波長板１２４と、レンズ１２１と、ミラー１２２とを有する。

実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００は、実施の形態１の効果に加え、λ／４波長フィルム１２６を偏光カバー１０１の下方に貼り合わせて配置する。これにより、太陽光などの外光がレンズ１２１の入射面または出射面または表示デバイス１１０の表示面で多重反射した光が視点領域３００に到達した場合でも、輝度を十分に下げることができる。図１３で示すように、太陽光は、偏光カバー１０１を通してλ／４波長フィルム１２６に入射する。これにより、太陽光のうちＳ偏光成分の光のみがλ／４波長フィルム１２６に到達する。λ／４波長フィルム１２６を透過したＳ偏光の光は円偏光の光に変換され、ミラー１２２に到達する。ミラー１２２で反射された光はレンズ１２１の入射面と出射面の間で多重反射した後、再度ミラー１２２に入射する。ミラー１２２で反射された円偏光の光は、λ／４波長フィルム１２６でＰ偏光の光に変換され、偏光カバー１０１で吸収される。これにより、観察者Ｄには迷光として認識されなくなる。

更に、実施の形態４では、表示デバイス１１０からの光路の順に、λ／２波長板１２５と、λ／４波長板１２４と、レンズ１２１と、ミラー１２２と、λ／４波長フィルム１２６と、偏光カバー１０１とを配置するする。これにより、表示デバイス１１０が液晶表示装置である場合でも透過率の低下が少ない良好な虚像Ｉを観察者Ｄに視認させることができる。図１４で示すように、表示デバイス１１０からＳ偏光として出射された表示光は、λ／２波長板１２５によりＰ偏光に変換される。λ／２波長板１２５を出射した光はλ／４波長板１２４により円偏光に変換される。λ／４波長板１２４を出射した光は、レンズ１２１を通してミラー１２２に入射する。ミラー１２２で反射された円偏光の光はλ／４波長フィルム１２６でＳ偏光に変換されるため、偏光カバー１０１で吸収されることなく、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認される。実施の形態４では、表示デバイス１１０から出射される表示光はＳ偏光としているが、これに限られない。表示光がＰ偏光である場合は、実施の形態４の構成からλ／２波長板１２５を取り除くことによって、同様の効果を得ることが可能である。

また、実施の形態４ではλ／４波長フィルム１２６を偏光カバー１０１に貼り合わせることにより、実施の形態３のようにλ／４波長板１２３とレンズ１２１の多重反射を考慮する必要がなくなる。

（実施の形態５）
実施の形態５のヘッドアップディスプレイ１００は、虚像をコンバイナ１２７を通して視認する点において実施の形態１〜４と異なる。以下、図１５〜図１７を用いて実施の形態１〜４と異なる点を中心に説明し、同様の構成についてはその説明を省略する。

［５−１．構成］
図１５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の断面を模式的に示す図である。図１５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内部とダッシュボード２１０外部に配置される。観察者Ｄは、ヘッドアップディスプレイ１００から投射する画像をコンバイナ１２７を通して虚像Ｉとして認識する。

図１６は、実施の形態５に係るヘッドアップディスプレイ１００を説明するための光路を説明する模式図である。図１６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１２０と、を備える。投射光学系１２０は、レンズ１２１と、コンバイナ１２７とを備える。コンバイナ１２７は、透過性と反射性を有する光学部材であり、凹面形状の反射面を有する。

投射光学系１２０は、表示デバイス１１０が表示した画像を観察者Ｄに虚像Ｉとして投射する。具体的には、表示デバイス１１０が表示した画像光はレンズ１２１を通してコンバイナ１２７に入射する。コンバイナ１２７入射した画像光は、コンバイナ１２７により反射され、観察者Ｄの視点領域３００に投射される。コンバイナ１２７は透過性を有するため、観察者Ｄはコンバイナ１２７を通して車両の前方を確認することができる。これにより、観察者Ｄは、前方視界を妨げられずに虚像Ｉを視認することができる。ここで、実施の形態５ではレンズ１２１と表示デバイス１１０をダッシュボード２１０の下方に配置しているが、この構成に限定されるものではない。例えば、ヘッドアップディスプレイ１００の一部または全部がダッシュボード２１０の上方に配置されるよう、レンズ１２１と表示デバイス１１０を配置しても良い。

レンズ１２１は、表示デバイス１１０よりも車両２００の前方方向に位置し、基準光線Ｌｃに対して下方に傾けて配置している。

また、レンズ１２１は、図１９Ａ〜図１９Ｄに示すように、Ｘ軸方向とＹ軸方向で曲率の異なる自由曲面レンズである。レンズ１２１の表示デバイス１１０側の面（入射面）は、Ｘ軸方向は表示デバイス１１０側に凹な凹面形状である。レンズ１２１の入射面のＹ軸方向の曲率は、Ｘ軸方向の曲率よりも小さい。レンズ１２１のコンバイナ１２７側の面（出射面）は、Ｘ軸方向はコンバイナ１２７側に凸な凸面形状である。レンズ１２１の出射面は、Ｙ軸方向は凹面形状である。実施の形態５では、一例として、レンズ１２１の入射面のＹ軸方向は屈折力を持たない形状としている。なお、レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０側にＸ軸方向よりも小さい曲率の凹面を向けても良い。また、レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０側に凸面を向けても良い。あるいは、レンズ１２１の入射面は、表示デバイス１１０側に局所的に凹面と凸面を向けた形状であっても良い。

また、実施の形態５ではレンズ１２１の出射面の形状は、Ｙ軸方向において曲率の小さな凸面としたが、Ｙ軸方向において凹面であってもよい。また、図１７で示すようにレンズ１２１の出射面は、レンズ１２１の入射面よりも基準光線Ｌｃに対して下方に傾いている。これにより、太陽光などの外光がレンズ１２１の出射面や入射面によって反射された場合でも、その反射光が視点領域３００に入射することがない。また、レンズ１２１のＹ軸方向に沿った断面形状は、くさび形状である。これにより、上方の光路長が下方の光路長よりも長くすることができ、コンバイナ１２７発生する偏心像面湾曲を良好に補正することができる。

コンバイナ１２７は、レンズ１２１よりも車両２００の前方方向に位置する。コンバイナ１２７の反射面は、レンズ１２１から出射された光線を観察者Ｄに向けて反射するよう、偏心して配置している。ここで、コンバイナ１２７の反射面は凹面形状である。これにより、表示デバイス１１０で表示する画像を拡大して、観察者Ｄに虚像Ｉとして視認させることが可能となる。また、コンバイナ１２７は自由曲面形状である。これにより、反射で生じた虚像のひずみを補正することができる。これにより、観察者Ｄが視点領域３００の全域で良好な虚像Ｉが見えるように補正する。

［５−２．効果等］
実施の形態５に係る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１２０とを備える。表示デバイス１１０は、画像を表示する。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０に表示された画像を投射する。投射光学系１２０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、レンズ１２１と、コンバイナ１２７とを有する。

実施の形態５に係るヘッドアップディスプレイ１００は、実施の形態１の効果に加え、表示デバイス１１０に表示された画像を、コンバイナ１２７通して虚像Ｉとして観察者Ｄに表示させている。これにより、観察者Ｄの前方視界を遮ることなく、表示デバイス１１０に表示された画像を観察者Ｄに視認させることができる。

また、レンズ１２１の出射面のＹ軸方向は対称性をもたない自由曲面形状としている。これにより、コンバイナ１２７で発生する非対称な歪みを良好に補正することができる。図１８Ａ〜図１８Ｄは実施の形態１〜４のレンズ１２１の形状を示す図である。図１９Ａ〜図１９Ｄは実施の形態５のレンズ１２１の形状を示す図である。

ただし、図１８Ａ〜図１８Ｄ，図１９Ａ〜図１９Ｄに示したレンズ形状はそれぞれの実施の形態に限定されるものではない。図１８Ａ〜図１８Ｄに示すレンズ１２１の形状を実施の形態５に適用しても良い。また、図１９Ａ〜図１９Ｄに示すレンズ１２１の形状を実施の形態１〜４に適用しても良い。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１〜５を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１〜５で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

実施の形態１〜４では、表示デバイス１１０とミラー１２２の間に設けられる屈折光学系の一例としてレンズ１２１を示した。しかし、屈折光学系は、１枚のレンズ素子であるレンズ１２１に限られない。例えば、屈折光学系は、複数のレンズ素子を、表示デバイス１１０とミラー１２２との間に配置したものであっても良い。複数のレンズ素子が有る場合、表示デバイスが出射する光が最初に入射するレンズ素子の表示デバイス側の面のＸ軸方向は凹面であることが望ましい。

実施の形態１〜４では、投射光学系１２０として１つのミラーを配置しているが、２枚以上のミラーを配置しても良い。また、追加するミラーの配置は、ミラー１２２よりも車両前方に配置しても良いし、車両内外方向（図３において紙面垂直方向）に配置しても良い。

実施の形態１〜４では、投射光学系１２０のレンズ素子は、表示デバイス１１０とミラー１２２との間に配置されていたレンズ１２１だけであったが、ヘッドアップディスプレイ１００の構成はこれに限定されない。例えば、ミラー１２２とウインドシールド２２０の間にレンズを追加して配置しても良い。

実施の形態１〜４のヘッドアップディスプレイ１００におけるミラー１２２は回転非対称な形状のミラーを用いて説明したが、これに限られない。例えば、ミラー１２２は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで曲率の符号が異なる、いわゆる鞍型の面形状を有しても良い。

実施の形態１〜４のレンズ１２１の面形状は、自由曲面形状に限定されるものではない。例えば、トロイダル形状、アナモルフィック形状、シリンドリカル形状であっても良いし、これらの形状のレンズを基準光線Ｌｃに対して偏心させて配置しても良い。

実施の形態１〜４のレンズ１２１の入射面のＸ軸方向はその全面が凹面である必要はなく、局所的に凸面形状を有しても良い。

実施の形態１〜４のレンズ１２１の入射面のＹ軸方向は平面である必要はない。レンズ１２１の入射面は、Ｙ軸方向において、凸面または凹面であっても良いし、局所的に曲面形状を有しても良い。

実施の形態１〜４のレンズ１２１の出射面のＹ軸方向はミラー１２２側に向かって凹面である必要はない。レンズ１２１の出射面は、Ｙ軸方向において、凸面または平面であっても良いし、局所的に曲面形状を有しても良い。

実施の形態１〜４におけるミラー１２２の反射面の形状は自由曲面形状に限定されるものではない。ミラー１２２の反射面は、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良いし、これらの形状のミラーを基準光線Ｌｃに対して偏心させて配置しても良い。

実施の形態２〜４では偏光カバー１０１を配置した例を用いて説明したが、これに限定されない。偏光カバー１０１は、例えば、カバーと偏光作用をもつ光学部材を別体として配置したものであっても良い。なお、偏光カバー１０１の代わりに、偏光作用をもつ光学部材を投射光学系１２０の中に配置しても良い。このとき、表示デバイス１１０からの光路の順に、偏光作用をもつ光学部材よりも後側に波長板を配置しないことが望ましい。

実施の形態３〜４では、表示デバイス１１０、λ／４波長板１２４、λ／２波長板１２５は別体で配置した例を用いて説明したが、それぞれを貼り合せて配置しても良い。

実施の形態３〜４では、λ／４波長板１２４、λ／２波長板１２５は別体で配置した例を用いて説明したが、同様の効果となる１枚の波長板で配置しても良い。

実施の形態４では、偏光カバー１０１にλ／４波長フィルム１２６を貼り付けた例を用いて説明したが、曲面形状としたλ／４波長板として配置しても良い。λ／４波長板が曲面形状であることにより、偏光カバー１０１と同様の効果が得られる。すなわち、外光がλ／４波長板により反射された反射光が、観察者Ｄの視点領域３００に届かないようにできる。

実施の形態５では、表示デバイス１１０とコンバイナ１２７の間に１枚のレンズ素子を配置した例を用いて説明したが、複数のレンズ素子を配置しても良い。複数のレンズ素子が有る場合、第一の入射面はＸ軸方向において凹面であることが望ましい。ここで、第一の入射面とは、表示デバイスが出射する光が最初に入射するレンズ素子の表示デバイス側の面である。また、表示デバイス１１０とコンバイナ１２７の間に反射部材を配置しても良い。

実施の形態５では、表示デバイス１１０とレンズ１２１はダッシュボード２１０の下方に配置しているが、ダッシュボード２１０の上方に配置しても良い。

実施の形態５では、ヘッドアップディスプレイ１００の一部はダッシュボード２１０の下方に配置しているが、ダッシュボード２１０の上方に配置しても良い。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

図１８Ａ〜図１９Ｄで示したレンズ１２１は、ＸＹ平面において矩形状に投影した外形としているが、この外形に制限されるものではない。例えば、レンズ１２１は、レンズ１２１をヘッドアップディスプレイ１００へ保持し易いような外形であっても良い。

本開示は、レンズなどの屈折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。

１００ ヘッドアップディスプレイ
１０１ 偏光カバー（偏光部材）
１１０ 表示デバイス
１１１ 表示画像
１２０ 投射光学系
１２１ レンズ（屈折レンズ）
１２２ ミラー
１２３ λ／４波長板（第１の偏光素子）
１２４ λ／４波長板（第２の偏光素子）
１２５ λ／２波長板（第３の偏光素子）
１２６ λ／４波長フィルム（第１の偏光素子）
１２７ コンバイナ
１７０ カメラ
２００ 車両
２１０ ダッシュボード
２２０ ウインドシールド（反射部材）
３００ 視点領域
Ｄ 観察者
Ｉ 虚像

Claims (11)

1. 観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、
   画像を表示する表示デバイスと、
   前記表示デバイスに表示された画像を前記観察者に投射し、屈折レンズを有する投射光学系と、
   を備え、
   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、
   前記観察者の前記視点領域の中心に到達し、前記虚像の車両外側端に相当する光線を基準外側光線とし、
   前記屈折レンズの入射面は、前記基準光線上において、前記表示デバイス側の面とし、
   前記屈折レンズの出射面は、前記基準光線上において、前記入射面と反対側の面とし、
   前記基準光線と前記入射面との交点を原点とし、
   前記原点における前記入射面の接平面と前記基準外側光線との交点と、前記原点と、を含む直線の方向をＸ軸方向とし、
   前記接平面において、前記Ｘ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向としたとき、
   前記屈折レンズは前記基準光線に対して傾けて配置され、
   前記入射面は、前記Ｘ軸方向において前記表示デバイス側に対し凹面であり、
   前記入射面の前記Ｙ軸方向における曲率は、前記入射面の前記Ｘ軸方向における曲率よりも小さい、ヘッドアップディプレイ。
2. 前記出射面は、前記Ｘ軸方向において前記出射面側に凸面である、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
3. 前記Ｙ軸方向において、前記出射面の前記基準光線に垂直な平面に対する傾きは、前記入射面の前記基準光線に垂直な平面に対する傾きよりも大きい、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 前記出射面の前記Ｙ軸方向における曲率が、前記出射面の前記Ｘ軸方向における曲率よりも小さい、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 前記屈折レンズの前記入射面には反射防止コートを施している、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
6. 前記屈折レンズの前記出射面には反射防止コートを施している、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
7. 前記出射面の前記Ｙ軸方向における前記基準光線に対する傾きは、前記入射面の前記Ｙ軸方向における前記基準光線に対する傾きよりも大きい、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
8. 前記投射光学系はウインドシールドに前記虚像を投射す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。
9. 前記投射光学系は透過性と反射性を有する反射部材を有する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
10. 第１の像面と第２の像面とを共役関係にする結像光学系に用いられる自由曲面レンズであって、
    前記自由曲面レンズは、第１光学面と第２光学面とを有し、
    前記第１光学面と前記第２光学面とを通り、前記第２の像面の中心に対応する光線を基準光線とし、
    前記基準光線と前記第１光学面との交点における前記第１光学面の接平面において、互いに直交する２つの方向をＸ軸方向とＹ軸方向とするとき、
    前記第１光学面は、前記Ｘ軸方向と前記Ｙ軸方向とで曲率が異なり、
    前記第１光学面は、前記Ｘ軸方向において凹面であり、
    前記第１光学面の前記Ｙ軸方向の曲率は、前記第１光学面の前記Ｘ軸方向の曲率よりも小さく、
    前記基準光線と前記第１光学面との交点を通り、前記Ｘ軸方向に垂直な平面における断面形状は、くさび形状である、自由曲面レンズ。
11. 第１の像面と第２の像面とを共役関係にする結像光学系に用いられる自由曲面レンズであって、
    前記自由曲面レンズは、第１光学面と第２光学面とを有し、
    前記第１光学面と前記第２光学面とを通り、前記第２の像面の中心に対応する光線を基準光線とし、
    前記基準光線と前記第１光学面との交点における前記第１光学面の接平面において、互いに直交する２つの方向をＸ軸方向とＹ軸方向とするとき、
    前記第１光学面は、前記Ｘ軸方向と前記Ｙ軸方向とで曲率が異なり、
    前記第１光学面は、前記Ｘ軸方向において凹面であり、
    前記第１光学面の前記Ｙ軸方向の曲率は、前記第１光学面の前記Ｘ軸方向の曲率よりも小さく、
    前記自由曲面レンズは、前記第１の像面と前記第２の像面とを結ぶ光路上に配置され、
    前記第１の像面と前記第２の像面とを結ぶ光路上において、前記第１の像面と、前記第１光学面と、前記第２光学面と、前記第２の像面とがこの順で配置されており、
    前記第１の像面は、前記第２の像面よりも面積が小さい、自由曲面レンズ。
    

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