JP7206361B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置の技術に関し、特に、透明なガラス板等に画像を投影するヘッドアップディスプレイ装置に適用して有効な技術に関するものである。

例えば、自動車等の車両において、通常は、車速やエンジン回転数等の情報は、ダッシュボード内の計器盤（インパネ）に表示される。また、カーナビゲーション等の画面は、ダッシュボードに組み込まれもしくはダッシュボード上に設置されたディスプレイに表示される。運転者がこれらの情報を視認する場合に視線を大きく移動させることが必要となることから、視線の移動量を低減させる技術として、車速等の情報やカーナビゲーションに係る指示等の情報をフロントガラス（ウィンドシールド）等に投射して表示するヘッドアップディスプレイ（Head Up Display、以下では「ＨＵＤ」と記載する場合がある）装置が知られている。

ＨＵＤに関連する技術として、例えば、特開２０１５－１９４７０７号公報（特許文献１）には、画像を表示するデバイスと、表示デバイスに表示された画像を投射する投射光学系とを備え、観察者の視点領域全域で画面歪みを小さくするとともに小型化を実現する表示装置が記載されている。ここでは、投射光学系は、表示デバイスから観察者の光路の順に、第１ミラーと第２ミラーを有する。そして、第１ミラーにおける画像長軸方向の入射角と、第１ミラーにおける画像短軸方向の入射角、および表示デバイスの画像表示面と第１ミラーとの間隔と、観察者によって視認される虚像の水平方向の幅との関係が、所定の関係性を満たすように構成することで、ＨＵＤ装置の小型化を実現する旨が記載されている。

特開２０１５－１９４７０７号公報

特許文献１に記載されたような従来技術では、装置の構成を小型化することが可能であるとされるが、小型化にも制約がある。すなわち、特許文献１に記載された技術では、観察者と表示デバイスの間に２枚のミラーを配置する必要がある。このとき、第１ミラーでの反射光束が第２ミラーで遮られないようにするためにはミラーの配置の自由度は制限される。すなわち、２枚のミラーを近接配置するには制約があり、ある程度離間させて配置する必要が生じるため、その分が装置構成の小型化、特に、筐体を含む装置全体の容量の低減の支障となる。

そこで本発明の目的は、装置のさらなる小型化を実現するヘッドアップディスプレイ装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

本発明の代表的な実施例によるヘッドアップディスプレイ装置は、光源および表示素子を有し、前記表示素子に映像表示して映像投射光を生成して出射する映像表示装置と、ミラーと補正レンズとを含み、前記映像表示装置から出射された前記映像投射光を車両のウィンドシールドまたはコンバイナで反射させることで虚像を前記車両の前方に表示する虚像光学系と、筐体と、を備え、前記筐体が形成する空間に前記表示素子及び前記虚像光学系が配置され、前記補正レンズは、前記筐体内において、前記表示素子と前記ミラーとの間に配置される。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

すなわち、本発明の代表的な実施の形態によれば、ヘッドアップディスプレイ装置のさらなる小型化を実現することが可能となる。

本発明の実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の動作概念の例について概要を示した図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の実装形態の例について概要を示した図である。 本発明の実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の光線説明図である。 （ａ）～（ｃ）は、本発明の実施例１であるヘッドアップディスプレイ装置における筐体を構成する外装蓋部と外装ケースの形成方法について説明する図である。 上記筐体を構成する外装蓋部と外装ケースの形成方法について説明する図である。 （ａ）～（ｃ）は、本発明の実施例１のヘッドアップディスプレイ装置における外装ケースを含む筐体全体を示す下面、側面、背面図である。 本発明の実施例１における映像表示装置の実装形態の例について概要を示した図である。 本発明の実施例１における導光体の実装形態の例について概要を示した図である。 （ａ）～（ｂ）は、本発明の実施例１におけるミラー駆動部の実装形態の具体的な例を示した図である。 上記ミラー駆動部の動作原理を説明する図である。 （ａ）～（ｂ）は、本発明の実施例１におけるＬＥＤ光源と、その放熱用の部材であるヒートシンクの実装形態の具体的な例を示した図である。 上記ヒートシンクの動作原理を説明する図である。 本発明の実施例１であるヘッドアップディスプレイ装置の全体の構成例について概要を示した機能ブロック図である。 本発明の実施例１におけるにおける車両情報の取得に係るハードウェア構成の例について概要を示した図である。 本発明の実施例１における構成例について詳細を示した機能ブロック図である。 （ａ）～（ｃ）は、本発明の実施例１における虚像を表示する光学系の構成例と装置の小型化について概要を示した図である。 本発明の実施例１における歪み補正レンズによる歪みおよび収差の補正の例について概要を示した図である。 本発明の実施例１における初期動作の例について概要を示したフローチャートである。 本発明の実施例１における通常動作の例について概要を示したフローチャートである。 本発明の実施例１における明るさレベル調整処理の例について概要を示したフローチャートである。 （ａ）～（ｂ）は、本発明の実施例２であるヘッドアップディスプレイ装置の実装形態の例について概要を示した図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。一方で、ある図において符号を付して説明した部位について、他の図の説明の際に再度の図示はしないが同一の符号を付して言及する場合がある。また、以下に示す各実施例では、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置が自動車等の車両に設置される場合を例として説明するが、電車や航空機等の他の乗り物にも適用可能である。また、乗り物以外の用途に用いるＨＵＤ装置にも適用可能である。

（実施例１）
＜概要＞
図１は、本発明の実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の動作概念の例について概要を示した図である。本実施例のＨＵＤ装置１では、筐体５０内（もしくは後述するように筐体５０に対して着脱可能な箇所）に配置された映像表示装置３０によって表示された映像を、凹面ミラー４１により反射させて、車両２のウィンドシールド３に投射する。

ここで、被投射部材はウィンドシールド３に限られず、映像が投射される部材であれば、コンバイナなど他の部材とすることができる。また、映像表示装置３０は、例えば、バックライトを有するプロジェクタやＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成される。自発光型のＶＦＤ（Vacuum Fluorescent Display）等であってもよい。投射装置によりスクリーンに映像を表示するものであってもよい。このようなスクリーンとしては、例えば、マイクロレンズを２次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成してもよい。

凹面ミラー４１は、例えば、自由曲面ミラーや光軸非対称の形状を有するミラー等により構成される。より具体的には、凹面ミラー４１の形状は、虚像の歪みを低減するために、例えば、その上部の領域（すなわち、ここで反射した光線はウィンドシールド３の下方で反射するため、相対的に運転者５の視点との距離が短くなる）では、拡大率が大きくなるように相対的に曲率半径を小さくする。一方、凹面ミラー４１の下部の領域（すなわち、ここで反射した光線はウィンドシールド３の上方で反射するため、相対的に運転者５の視点との距離が長くなる）では、拡大率が小さくなるように相対的に曲率半径を大きくする。映像表示装置３０を凹面ミラー４１の光軸に対して傾斜させて配置することで、上記のような像倍率の違いを補正して、発生する歪みそのものを低減するようにしてもよい。

運転者５は、ウィンドシールド３に投射された映像を見ることで、透明のウィンドシールド３を通してその前方に虚像として上記映像を視認する。凹面ミラー４１の角度を調整することで、映像をウィンドシールド３に投射する位置を調整することにより、運転者５が見る虚像の表示位置を上下方向に調整可能としてもよい。なお、虚像として表示する内容は特に限定されず、例えば、車両情報やナビゲーション情報、図示しないカメラ映像（監視カメラやアラウンドビュアー等）で撮影した前方の風景の映像などを適宜表示することができる。

運転者５が視認する虚像の大きさを実用的なレベルに大きくするには、凹面ミラー４１から虚像までの距離を大きくする必要があり、結果として、ＨＵＤ装置１の寸法が大きくならざるを得なかった。また、映像が投射されるウィンドシールド３は運転者５から見て通常前後に傾斜して配置されているため、虚像の上部と下部で像倍率を整合させることが困難であった。

これに対し、上述した特許文献１に記載されたような従来技術では、凹面ミラー４１に加えて、運転者５と表示デバイス（本実施例では映像表示装置３０）の間に光路折り返しミラーを設け、像倍率が部分的に異なる領域での光路差を小さくしている。これにより、凹面ミラー４１から虚像までの距離を確保しつつ、像倍率の部分的な変化（像の歪み）の軽減と装置の容積の低減を可能とするとされている。

一方で、凹面ミラー４１と光路折り返しミラーの２枚のミラーを必要とすることで、ミラーの配置の自由度は制限され、２枚のミラーをある程度離間させて配置する必要が生じることから、装置の小型化の支障となっている。また、運転者５が視認する虚像において発生する収差の補正については、特許文献１においてもその必要性や具体的な手段等について一切記載も考慮もされていない。

これに対し、本実施例のＨＵＤ装置１では、装置のさらなる小型化を実現するため、図１に示すように、虚像を形成するためのミラーを凹面ミラー４１のみの１枚の構成とする。さらに、運転者５と映像表示装置３０との間に、透過型の光学素子として、例えば、少なくとも一方の面が凹面（負屈折力を有する）の歪み補正レンズ４３を配置する。これにより、ＨＵＤ装置１の大型化や複雑化を抑制しつつ、運転者５が視認する虚像の歪みと収差を実用上問題のないレベルまで軽減して視認性を向上させることを可能とする。すなわち、歪み補正レンズ４３によって凹面ミラー４１への光線の出射方向を制御することで、凹面ミラー４１の形状と合わせて歪曲収差の補正を行う。

また、収差補正能力をさらに高めるために、歪み補正レンズ４３を複数枚設けてもよい。もしくは、歪み補正レンズ４３に代えて曲面ミラーを配置して、光路の折り返しと同時に凹面ミラー４１への光線の入射位置を制御することで、歪曲収差を低減するようにしてもよい。このように、収差補正能力をさらに向上させるたに最適設計された光学素子を凹面ミラー４１と映像表示装置３０の間に設けても、本発明の技術的思想または範囲を逸脱するものではないことは言うまでもない。

さらに、歪み補正レンズ４３等からなる光学素子の光軸方向の厚さを変化させることで、本来の収差補正の他に、凹面ミラー４１と映像表示装置３０の光学的な距離を変えて、虚像の表示位置を遠方から近方まで連続的に変化させる構成とすることも可能である。

一方、ＨＵＤ装置１の画質を低下させる要因として、映像表示装置３０から凹面ミラー４１に向かって出射された映像光が、途中に配置された歪み補正レンズ４３の表面で反射して映像表示装置３０に戻り、再度反射して本来の映像光に重畳されてしまうことが知られている。このため、本実施例では、例えば、歪み補正レンズ４３の表面に反射防止膜を成膜して反射を抑える。またさらに、歪み補正レンズ４３における映像光の入射面と出射面の少なくともいずれか一方について、歪み補正レンズ面の形状を、映像表示装置３０に戻る反射光がその一部分に極端に集中しないように設計することが好ましい。また、映像表示装置３０において、上記のような歪み補正レンズ４３からの反射光を吸収するための偏光板を配置することでも画質の低下を軽減することができる。

＜ＨＵＤ装置の実装形態＞
図２は、本発明の一実施の形態であるヘッドアップディスプレイ装置の実装形態の例について概要を示した図である。図２（ａ）は、ＨＵＤ装置１の筐体５０を中心とした外観の例を示した斜視図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したＨＵＤ装置１を各部品に分解した状態を示した斜視図である。

図２（ｂ）に示すように、ＨＵＤ装置１の光学部品保持外装ケース５５は、光学部品保持部材としての機能も兼ねた部材であり、その内部に凹面ミラー４１および歪み補正レンズ４３を収納し、さらに外装蓋部５１により上部が覆われる構成を有する。これらの光学部品保持外装ケース５４および外装蓋部５１の各部材は、図１に示したＨＵＤ装置１における筐体５０を構成する。そして、光学部品保持外装ケース５５の開口部には映像表示装置３０が装着される。

外装蓋部５１は、映像光をウィンドシールド３に向かって出射するための開口部を有し、当該開口部は防眩板５２（グレアトラップ）によって覆われている。

光学部品保持外装ケース５５は、図１に示したＨＵＤ装置１における凹面ミラー４１および歪み補正レンズ４３を保持する機能を兼ねた部材であり、詳細は後述するが、本実施例では、当該部材は光学部品を保持することから、高耐熱、高剛性、高寸法精度の特性を有する材料により形成する。

＜筐体または外装ケースと外装蓋部＞
ここで、上述したＨＵＤ装置１では、映像表示装置３０から出射された映像光について着目すると、当該光は光源から射出した後、歪み補正レンズ４３を介して凹面ミラー４１に向かい、当該凹面ミラー４１で反射される。さらに、外装蓋部５１に形成された開口部に取り付けられた防眩板５２（グレアトラップ）を通って装置の外部へ、すなわち、ウィンドシールド３に向かって出射する。このとき、映像光は、図３にも示すように、特に、映像表示装置３０の表示素子（例えば、ＬＣＤパネル）３３から出射して凹面ミラー４１に向かう光路を通過するが、歪み補正レンズ４３の働きにより、その断面積を増大させ、または、拡大させながら、光路内を進む。その後も、凹面ミラー４１上で反射されてその光路の断面を変化させながら、防眩板５２（グレアトラップ）を通ってウィンドシールド３に向かう。なお、このような光路の途中に障害物が存在する場合には、ＨＵＤ装置１により投射される映像の一部または全部が欠落してしまうことから、ＨＵＤ装置の内部においては、かかる有効光線（たとえば、最大光量に対し５０％以上など所定の光量以上の光線）が通過する光路（以後、有効光路領域とも言う）を確保することが重要となる。しかしながら、構成部品などを内部に収納し、かつ、この有効光路を確保するに十分な一般的な矩形の筐体を考えると、装置全体の外形寸法が不要に大きくなってしまい、容積の低減を実現することができない。

そこで、本実施例のＨＵＤ装置１では、上記図２、さらには、以下の図４～図６を参照しながら詳細に説明するように、上述した筐体５０、特に、その光学部品保持外装ケース５５を以下のように構成する。なお、この光学部品保持外装ケース５５は、光学部品保持部材と外装ケースとを物理的・機能的に一体としたものである。すなわち、外装ケースとしての機能を有する光学部品保持外装ケース５５に、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３をそれぞれ直接保持する構成としている。

図４（ａ）～（ｃ）は、光源となる映像表示装置３０の表示素子（ＬＣＤパネル）３３から出射して歪み補正レンズ４３によって拡大されて凹面ミラー４１に投射される光線の光路（有効光路領域）を示している。なお、図４（ａ）は、その斜視図、図４（ｂ）は側面図、そして、図４（ｃ）は上面図である。また、図５は、上記の凹面ミラー４１によって反射され、防眩板５２（グレアトラップ）を通って筐体５０の外部へ射出する光線の光路（有効光路領域）を示している。

そこで、本実施例では、図４において破線で示すように、光学部品保持外装ケース５５は、凹面ミラー４１と共に有効光路領域の外部を覆うように形成する。より具体的には、光学部品保持外装ケース５５は、歪み補正レンズ４３から凹面ミラー４１に至る有効光路領域の外部を覆うように、略扇形の形状を有する底面部５５ｂと、当該底面部の両側端部から上方に向かって垂直に立ち上がる側面部５５ｓとを含む形状を有する。そして、凹面ミラー４１によって反射される光線の光路を妨げないように、凹面ミラー４１によって反射された光線の光路の外部を覆うように、図５に破線で示した形状をも有する。すなわち、底面部５５ｂに対して傾斜した（凹面ミラー４１によって反射された光線領域の下面に沿った）中間底面部５５ｍｂを有し、さらに、この中間底面部５５ｍｂから垂直に立ち上がり、上部側面部５５ｕｓと、外装蓋部５１の側面部５１ｓとが、凹面ミラー４１によって反射された光線の光路の側面に沿う形状となっている。換言すれば、この上部側面部５５ｕｓと外装蓋部５１の側面部５１ｓは同面となるように形成されている。さらに換言すれば、上述した筐体５０を構成する外装蓋部５１と光学部品保持外装ケース５５は、図４および図５において破線で示した形状を組み合わせたような二段の形状となっている。なお、これら外装蓋部５１と光学部品保持外装ケース５５は、本例では、例えば、嵌合によって一体に組み立てられる。

また、有効光路領域から上記底面部や側面部までの隙間は、有効光路領域から１ｍｍ以上でかつ１５ｍｍ未満の範囲で設定することが好ましい。なお、この隙間は、光路全体で均一であることが好ましいが、しかしながら、一部の部位での隙間が他の部位での隙間とは異なって不均一であってもよい。すなわち、筐体５０を構成する外装蓋部５１と外装ケース５５の底面部や側面部は、それらが投射される映像に影響を及ぼさない範囲で設定されることが重要である。

図６（ａ）～（ｃ）は、ＨＵＤ装置１の外装ケースを含む筐体全体を示しており、図６（ａ）は、その上面図、図６（ｂ）は、その側面図、そして、図６（ｃ）は、背面図であり、これらの図からも明らかなように、上述のように形成された底面部５５ｂ、側面部５５ｓ、中間底面部５５ｍｂ、上部側面部５５ｕｓからなる筐体５０によれば、映像光の有効光線は、ＨＵＤ装置１内において遮られることなく、ウィンドシールド３に所定の角度で入射することが可能となる。

そして、後述する制御部等が実装されるメイン基板７０や、凹面ミラー４１の傾斜角度を変化させるためのモータ等からなるミラー駆動部４２等の他の部品は、光学部品保持外装ケース５５を含む筐体５０の外周面に、取り付け／取り外しすることができるように、例えば、ネジ等の固定手段により着脱可能に取り付けられる。なお、本実施例では、凹面ミラー４１が、光学部品保持部材５３によりこの光学部品保持外装ケース５５の内部に取り付けられると共に、この外装ケース５５の一部には、映像表示装置３０を装着するための開口部等が形成されている。これにより、当該外装ケース５５の外周面に容易に取り付け／取り外しすることができるように、ネジ等の着脱機構により固定される。

また、メイン基板７０は光学部品保持外装ケース５５の底壁の外周面に、さらに、モータ等により構成されるミラー駆動部も、外装ケース５５の底の外周面の一部に、やはり、ネジ等の着脱機構により固定されている。なお、必要な各部が取り付けられたＨＵＤ装置１は、その後、車室内のダッシュボードの内部において、ウィンドシールド（フロントガラス）３に対して所定の角度となる位置に固定して取り付けられる。また、その他の必要な部品についても、光学部品保持外装ケース５５や外装蓋部５１を含む筐体５０の外周面に取り付けてもよい。

本実施例では、映像表示装置３０はモジュール化され、上述した光学部品保持外装ケース５５の外側に、ネジ等により一体的に取り付け／取り外しが可能なように構成されている。これにより、例えば、ＨＵＤ装置１自体を取り外したり分解したりすることなく、映像表示装置３０のみを交換できるように構成することも可能となり、壊れやすい部材である映像表示装置３０の交換性を大きく向上させることができる。また、映像表示装置３０を、ＨＵＤ装置１の筐体５０の外部に取り付ける構成とすることで、外部への放熱性を向上させ、熱による故障や劣化の低減という効果も得ることができる。

また、上述した光学部品保持外装ケース５５や外装蓋部５１によれば、その内部に形成される有効光線の光路である有効光路領域の密閉性を向上することができる。これにより、従来の構造のように折り返しミラーや凹面ミラーなどの光学部品の表面に空気中の塵埃等が付着しにくくなり、高い光学性能を長期間維持することが可能となる。また、必要な各部を外装ケース５４の外側に取り付ける構成にすることで、ＨＵＤ装置１の全体の容積をより小型化することが可能となり、ダッシュボード内部への取り付け作業、さらには、故障した部品の交換などの作業も容易になる。

加えて、例えば、以下に図２１（ｂ）に示すように、個別の光学部品保持部材５３の両端部において凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３をそれぞれ保持する場合、光学部品保持部材５３の側面から見た形状は、概ね凹形状（もしくはコの字型）となる。例えば、図２１（ｂ）に示すような光学部品保持部材５３において側面を壁状とすると、光学部品保持部材５３は凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３の保持だけではなく、これらを収納する外装ケースとしての機能も持つ状態、すなわち、本実施例１の光学部品保持外装ケース５５となる。光学部品保持外装ケース５５とすることで、ＨＵＤ装置１をより小型化することが可能となる。

さらに、本実施例では、上述したように、光路折り返しミラーを用いないダイレクト光学系の構成をとっている。したがって、例えば、光路折り返しミラーにコールドミラー（赤外線を透過して可視光のみ反射するミラー）を用いることで、筐体５０の内部の温度上昇を抑制するというような従来技術で行われていた手法をとることができない。そこで、例えば、赤外線をカット・反射する断熱フィルム等の光学部材を、防眩板５２の上（映像光の出射面側）や歪み補正レンズ４３の前方（映像光の出射面側）または映像表示装置３０（ＬＣＤパネル）の前方（映像光の出射面側）に設けるようにしてもよい。温度上昇を抑制する他の手段としては、例えば、入射面に垂直なＳ波を通し、入射面に平行なＰ波を通さない偏光板を用いることも可能である。偏光板を配置する位置は、歪み補正レンズ４３の前方（映像光の出射面側）でもよい。また、歪み補正レンズ４３の前に偏光板を配置することで、太陽から入射する光（太陽光）がレンズに反射して運転者の眼に戻ることを軽減できる。

図７は、映像表示装置３０の実装例について概要を示した図である。ここでは、モジュール化された映像表示装置３０を各部品に分解した状態を斜視図により示している。映像表示装置３０は、ＬＣＤパネル等の表示素子３３が、フレキシブルケーブル３４を介してメイン基板７０から入力された映像信号に基づいて、バックライトからの光を変調することで映像を表示する。表示された映像は、図２における光学部品保持外装ケース５５の開口部を通して虚像光学系（本実施例では、図２における歪み補正レンズ４３および凹面ミラー４１）に出力され、運転者５が視認可能な虚像が生成される。

バックライトにおける光源素子には、例えば、固体光源として比較的安価で信頼性の高いＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源３１ａを用いる。ＬＥＤ光源３１ａは、高出力化するために面発光型とする。図７の例ではＬＥＤ基板として実装している。この場合、例えば、後述するような技術的な工夫を用いて発散光の利用効率を向上させる。

ＬＥＤの入力電力に対する発光効率は、発光色によっても異なるが、２０～３０％程度であり、残りはほとんどが熱に変換される。このため、ＬＥＤ光源３１ａを取り付けるフレーム３５には、熱伝導率の高い部材（例えば、アルミニウム等の金属部材）からなる放熱用のフィン（ヒートシンク３１ｂ）を設けて熱を外部に放散させる。これにより、ＬＥＤ光源３１ａの発光効率そのものを向上させる効果を得ることができる。特に、現在市場に出回っている赤色を発光色とするＬＥＤは、ジャンクション温度が高くなると発光効率が大幅に低下し、同時に映像の色度も変化する。したがって、ＬＥＤ光源３１ａの温度低減を優先させるため、ヒートシンク３１ｂにおける放熱フィンの面積を大きくして冷却効率を高めた構成とするのが望ましい。

ＬＥＤ光源３１ａからの発散光を効率よく表示素子３３に導くため、図７の例では、導光体３２ｂを用いている。この場合、塵などの付着を防止するため、例えば、外装部材３６ａ、３６ｂによって導光体３２ｂや表示素子３３等の全体を覆い、映像表示装置３０としてモジュール化するのが望ましい。

また、図７の例では、ＬＥＤ光源３１ａからの発散光を取り込んで平行光とするため、コリメートレンズ等からなる複数のライトファネル３２ａを設けている。各ライトファネル３２ａにおいてＬＥＤ光源３１ａからの発散光を取り込む開口部は、例えば、平面とした上でＬＥＤ光源３１ａとの間に媒質を挿入して光学的に接続する、もしくは、凸面形状として集光作用を持たせる。これにより、発散光を可能な限り平行光として、ライトファネル３２ａの界面に入射する光の入射角を小さくする。その結果、ライトファネル３２ａを通過後、さらに発散角を小さくすることができるため、導光体３２ｂで反射した後に表示素子３３に向かう光源光の制御が容易となる。

さらにＬＥＤ光源３１ａからの発散光の利用効率を向上させるため、ライトファネル３２ａと導光体３２ｂの接合部分においてＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter）を用いて偏光変換を行い、所望の偏光方向に変換する。これにより、表示素子３３への入射光の効率を向上させることができる。このように光源光の偏光方向を揃えた場合には、さらに導光体３２ｂの素材として複屈折が少ない材料を用いるのが望ましい。これにより、偏波の方向が回転して表示素子３３を通過する場合において、例えば、黒表示時に色付き等の問題が発生するのを抑制することができる。

このように、発散角が低減されたＬＥＤ光源３１ａからの光束は、導光体３２ｂにより制御され、導光体３２ｂの斜面（図７の例では外装部材３６ａ側の面）に設けられた全反射面において反射する。そして、導光体３２ｂにおいて当該全反射面に対向する面（出射面）と表示素子３３との間に配置された拡散板３２ｃ（ディフューザー）により拡散された後、表示素子３３（ＬＣＤパネル）に入射する。なお、図７の例では、導光体３２ｂと表示素子３３との間に拡散板３２ｃを配置することでＬＥＤ光源３１ａからの光束を発散させているが、このような構成に限られない。拡散板３２ｃの配置に代えて、例えば、導光体３２ｂの出射面に微細な凹凸形状を設けて拡散効果を持たせることでも同様の効果を得ることができる。

また、既述のように、上述した映像表示装置３０は、光学部品保持外装ケース５５や外装蓋部５１を含む筺体５０の外周部においてネジ等により一体的に取り付けられる構成となっていることから、ＬＥＤ光源３１ａの放熱用のフィンを構成するヒートシンク３１ｂは、外装ケース５５の外部の空気に容易に接触することができ、これにより熱を外部に効率よく放散させることが可能となる。また、ヒートシンク３１ｂを筺体５０の外部に配置することにより、筺体５０の一部に冷却用空気の流通開口部を形成する必要がなく、そのため、内部の防塵性を向上すると共に、内部での結露を防止することにより、高い光学性能を長期間維持することが可能となる。

図８は、導光体３２ｂの実装形態の例について概要を示した図である。ここでは、導光体３２ｂおよびライトファネル３２ａを含む部分についての断面形状を模式的に示している。ライトファネル３２ａにより発散角が低減された光束（図中の矢印）は、接合部３２ｄを経由して導光体３２ｂの入射面３２ｂ＿１に入射する。このとき、入射面の断面形状の効果により、垂直方向（図８における上下方向）の発散角が制御され、導光体３２ｂ内を効率よく伝播する。

入射面３２ｂ＿１から入射した光源光は、対向面３２ｂ＿２に設けられた全反射プリズムによって全反射して出射面３２ｂ＿３に向かう。全反射プリズムは、入射面３２ｂ＿１の近傍（図中の「Ｂ部」）と、出射面３２ｂ＿３の近傍（図中の「Ａ部」）でその形状（拡大図参照）がそれぞれ異なる。すなわち、それぞれの面に入射する光束の発散角に応じて階段状に分割されて形成されており、これにより対向面３２ｂ＿２における全反射の角度を制御している。一方、出射面３２ｂ＿３から出射して後段の表示素子３３へ入射する光束について、出射面３２ｂ＿３内での光量分布が均一となるよう、対向面３２ｂ＿２における上記の分割の寸法を変数として、分割された光束の反射後の到達位置とエネルギー量を制御する。

図９は、凹面ミラー４１の傾斜角度を変化させるためのミラー駆動部４２の実装例について概要を示した図である。ここでは、ミラー駆動部は、図９（ａ）にも示すように、ケース４２１内に、少なくとも、電動モータ４２２、ワームギア４２３、当該モータの出力軸とワームギアの間に組み合わせた複数の歯車４２４を備えている。このミラー駆動部４２は、図９（ｂ）にも示すように、筺体５０の外周部、より具体的には、上述した光学部品保持外装ケース５５の下端部において、そのワームギア４２３が、一部の切欠き部を介して、凹面ミラー４１の下端部に形成されたワームホイル４１１と噛み合うように取り付けられる。

上述したミラー駆動部４２の構成によれば、図１０にも示すように、電動モータ４２２の回転が、複数の歯車４２４を介して所望の駆動力に変換されてワームギア４２３に伝達され、さらに、凹面ミラーの下端部に形成されたワームホイル４２４により、凹面ミラー４１を、回転軸を中心に回転しながら前後方向に移動して（図の矢印を参照）、凹面ミラー４１を所望の傾斜角度に調整することができる。なお、この図では、複数の歯車４２４は、図示を容易にするため間隔をもって示されているが、実際には、これらは噛み合っていることは、当業者であれば当然であろう。

図１１は、ＬＥＤ光源３１ａと、その放熱用の部材であるフィンを構成するヒートシンク３１ｂの実装例について概要を示した図である。ここで、図１１（ａ）では、ヒートシンク３１ｂを発熱部品であるＬＥＤ光源３１ａの長辺に沿って一体に取り付けた構成を、他方、図１１（ｂ）では、ヒートシンク３１ｂをＬＥＤ光源３１ａの両側の短辺に取り付けた例を示している。このように、ＬＥＤ光源３１ａの放熱用のフィンの取り付け位置を適宜設定可能な構成とすることによれば、特に、本実施例のように、ヒートシンク３１ｂの筺体５０への取り付け位置を、適宜、装置全体の寸法（容積）を最小にするのに好適な配置する場所に設定することが可能となり、装置の小型化と共に、設計の自由度を向上することが可能となるという利点を奏する。

なお、ヒートシンク３１ｂと発熱部品であるＬＥＤ光源３１ａとの間が離れる場合には、図１２も示すように、熱の伝達部材である、所謂、ヒートパイプ３１ｈをそれらの間に設けることが好ましい。これによれば、ＬＥＤ光源３１ａの熱がヒートシンク３１ｂへ伝達されることから（図中の矢印を参照）、効率的な放熱を実現することが可能となる。

＜ＨＵＤ装置の機能的構成＞
図１３は、本発明の実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の全体の構成例について概要を示した機能ブロック図である。車両２に搭載されたＨＵＤ装置１は、例えば、車両情報取得部１０、制御部２０、映像表示装置３０、凹面ミラー４１、ミラー駆動部４２、およびスピーカ６０等の各部からなる。なお、図１３の例では、車両２の形状を乗用車のように表示しているが、特にこれに限られず、車両一般に適宜適用することができる。

車両情報取得部１０は、車両２の各部に設置された後述するような各種のセンサ等の情報取得デバイスからなり、車両２で生じた各種イベントを検知したり、所定の間隔で走行状況に係る各種パラメータの値を検知・取得したりすることで車両情報４を取得して出力する。車両情報４には、図示するように、例えば、車両２の速度情報やギア情報、ハンドル操舵角情報、ランプ点灯情報、外光情報、距離情報、赤外線情報、エンジンＯＮ／ＯＦＦ情報、カメラ映像情報（車内／車外）、加速度ジャイロ情報、ＧＰＳ（Global Positioning System）情報、ナビゲーション情報、車車間通信情報、および路車間通信情報等が含まれ得る。

制御部２０は、ＨＵＤ装置１の動作を制御する機能を有し、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とこれにより実行されるソフトウェアにより実装される。マイコンやＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアにより実装されていてもよい。制御部２０は、図１にも示したように、車両情報取得部１０から取得した車両情報４等に基づいて、虚像として表示する映像を映像表示装置３０を駆動して形成し、これを凹面ミラー４１によって反射させることでウィンドシールド３に投射する。

映像表示装置３０は、上述したように、例えば、プロジェクタやＬＣＤを含んで構成されるモジュール化されたデバイスであり、制御部２０からの指示に基づいて虚像を表示するための映像を形成してこれを投射したり表示したりする。ミラー駆動部４２は、制御部２０からの指示に基づいて凹面ミラー４１の角度を調整し、虚像の表示領域の位置を上下方向に調整する。スピーカ６０は、ＨＵＤ装置１に係る音声出力を行う。例えば、ナビゲーションシステムの音声案内や運転者５に警告等を通知する際の音声出力等を行うことができる。

図１４は、本実施例のヘッドアップディスプレイ装置における車両情報４の取得に係るハードウェア構成の例について概要を示した図である。ここでは主に車両情報取得部１０および制御部２０の一部のハードウェア構成について示す。車両情報４の取得は、例えば、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２１の制御の下、ＥＣＵ２１に接続された各種のセンサ等の情報取得デバイスにより行われる。

これらの情報取得デバイスとして、例えば、車速センサ１０１、シフトポジションセンサ１０２、ハンドル操舵角センサ１０３、ヘッドライトセンサ１０４、照度センサ１０５、色度センサ１０６、測距センサ１０７、赤外線センサ１０８、エンジン始動センサ１０９、加速度センサ１１０、ジャイロセンサ１１１、温度センサ１１２、路車間通信用無線受信機１１３、車車間通信用無線受信機１１４、カメラ（車内）１１５、カメラ（車外）１１６、ＧＰＳ受信機１１７、およびＶＩＣＳ（Vehicle Information and Communication System：道路交通情報通信システム、登録商標（以下同様））受信機１１８等の各デバイスを有する。必ずしもこれら全てのデバイスを備えている必要はなく、また、他の種類のデバイスを備えていてもよい。備えているデバイスによって取得できる車両情報４を適宜用いることができる。

車速センサ１０１は、車両２の速度情報を取得する。シフトポジションセンサ１０２は、車両２の現在のギア情報を取得する。ハンドル操舵角センサ１０３は、ハンドル操舵角情報を取得する。ヘッドライトセンサ１０４は、ヘッドライトのＯＮ／ＯＦＦに係るランプ点灯情報を取得する。照度センサ１０５および色度センサ１０６は、外光情報を取得する。測距センサ１０７は、車両２と外部の物体との間の距離情報を取得する。赤外線センサ１０８は、車両２の近距離における物体の有無や距離等に係る赤外線情報を取得する。エンジン始動センサ１０９は、エンジンＯＮ／ＯＦＦ情報を検知する。

加速度センサ１１０およびジャイロセンサ１１１は、車両２の姿勢や挙動の情報として、加速度や角速度からなる加速度ジャイロ情報を取得する。温度センサ１１２は車内外の温度情報を取得する。路車間通信用無線受信機１１３および車車間通信用無線受信機１１４は、それぞれ、車両２と道路や標識、信号等との間の路車間通信により受信した路車間通信情報、および車両２と周辺の他の車両との間の車車間通信により受信した車車間通信情報を取得する。

カメラ（車内）１１５およびカメラ（車外）１１６は、それぞれ、車内および車外の状況の動画像を撮影してカメラ映像情報（車内／車外）を取得する。カメラ（車内）１１５では、例えば、運転者５の姿勢や、眼の位置、動き等を撮影する。得られた動画像を解析することにより、例えば、運転者５の疲労状況や視線の位置等を把握することが可能である。また、カメラ（車外）１１６では、車両２の前方や後方等の周囲の状況を撮影する。得られた動画像を解析することにより、例えば、周辺の他の車両や人等の移動物の有無、建物や地形、路面状況（雨や積雪、凍結、凹凸等）等を把握することが可能である。

ＧＰＳ受信機１１７およびＶＩＣＳ受信機１１８は、それぞれ、ＧＰＳ信号を受信して得られるＧＰＳ情報およびＶＩＣＳ信号を受信して得られるＶＩＣＳ情報を取得する。これらの情報を取得して利用するカーナビゲーションシステムの一部として実装されていてもよい。

図１５は、本実施例のヘッドアップディスプレイ装置の構成例について詳細を示した機能ブロック図である。図１５の例では、映像表示装置３０がプロジェクタである場合を示しており、映像表示装置３０は、例えば、光源３１、照明光学系３２、および表示素子３３等の各部を有する。

光源３１は、投射用の照明光を発生してバックライトを構成する部材であり、例えば、高圧水銀ランプやキセノンランプ、ＬＥＤ光源、レーザー光源等を用いることができる。製品寿命が長い固体光源を採用するのが望ましい。例えば、周囲の温度変化に対する光出力の変化が少ないＬＥＤ光源に対して、光の発散角を低減する光学手段を設けたＰＢＳを用いて偏光変換を行うのが望ましい。本実施例では、図５に示したように、ＬＥＤ光源３１ａおよびヒートシンク３１ｂにより光源３１を構成している。光源３１は、後述する表示素子３３に対する光の入射方向が、凹面ミラー４１の入射瞳に効率よく入射するように配置もしくは制御される。

照明光学系３２は、光源３１で発生した照明光を集光し、より均一化して表示素子３３に照射する光学系である。本実施例では、図７に示したように、ライトファネル３２ａ、導光体３２ｂ、および拡散板３２ｃにより照明光学系３２を構成している。

表示素子３３は、投射する映像を生成する素子であり、例えば、透過型液晶パネル、反射型液晶パネル、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）（登録商標）パネル等を用いることができる。表示素子３３の光入射面（すなわち、光源３１および照明光学系３２側）と光出射面（すなわち、図１における歪み補正レンズ４３および凹面ミラー４１側）には、それぞれ偏光板を配置して映像光のコントラスト比を高めるのが望ましい。光入射面に設ける偏光板には、偏光度が高いヨウ素系のものを用いることで高いコントラスト比を得ることができる。一方、光出射面に設ける偏光板には、染料系のものを用いることで外光が入射した場合や環境温度が高い場合でも高い信頼性を得ることができる。

表示素子３３としてＬＣＤパネルを用いる場合、特に、運転者５が偏光サングラスを着用している場合には、特定の偏波が遮蔽されて映像が見えなくなるという不具合が発生し得る。これを防ぐために、ＬＣＤパネルの光出射面に配置した偏光板のさらに前方（すなわち、歪み補正レンズ４３および凹面ミラー４１側）にλ／４板を配置して、特定の偏光方向に揃った映像光を円偏光に変換するのが望ましい。

制御部２０は、より詳細には、ＥＣＵ２１、音声出力部２２、不揮発性メモリ２３、メモリ２４、光源調整部２５、歪み補正部２６、表示素子駆動部２７、およびミラー調整部２８等の各部を有する。

ＥＣＵ２１は、図１５に示したように、車両情報取得部１０を介して車両情報４を取得するとともに、取得した情報を必要に応じて不揮発性メモリ２３やメモリ２４に記録、格納したり読み出したりする。不揮発性メモリ２３には、各種制御のための設定値やパラメータ等の設定情報が格納されていてもよい。また、ＥＣＵ２１は、専用のプログラムを実行させる等により、ＨＵＤ装置１として表示する虚像に係る映像データを生成する。音声出力部２２は、必要に応じてスピーカ６０を介して音声情報を出力する。光源調整部２５は、映像表示装置３０の光源３１の発光量を調整する。光源３１が複数ある場合にはそれぞれ個別に制御するようにしてもよい。

歪み補正部２６は、ＥＣＵ２１が生成した映像について、映像表示装置３０によって車両２のウィンドシールド３に投射した場合に生じる歪みを画像処理により補正する。この歪みには、例えば、ウィンドシールド３の曲率によって生じる映像の歪みや、映像表示装置３０のモジュールを取り付けた際の微小な位置ズレに伴って生じる歪み等が含まれ得る。表示素子駆動部２７は、歪み補正部２６による補正後の映像データに応じた駆動信号を表示素子３３に対して送り、投射する映像を生成させる。ミラー調整部２８は、虚像の表示領域自体の位置を調整する必要がある場合に、ミラー駆動部４２を介して凹面ミラー４１の角度を変更し、虚像の表示領域を上下に移動させる。

＜虚像光学系の構成＞
図１６は、ＨＵＤ装置１における虚像を表示する光学系の構成例と装置の小型化について概要を示した図である。図１６（ａ）は、ＨＵＤ装置１における虚像光学系の基本構成の概要を示した図であり、ＨＵＤ装置１の垂直断面の形状を模式的に示している。ここでは、説明の簡略化のために、収差および歪曲収差補正用の歪み補正レンズ４３の図示は省略している。また、凹面ミラー４１は簡易的に平面ミラーとして表示している。

そして、図１６の例では、映像表示装置３０の表示素子３３としてＬＣＤパネルを用い、さらにバックライトである光源３１と、凹面ミラー４１を配置した構成を基本構成として、これらが筐体５０に収納されている状態を示している。基本構成の各要素は、表示素子３３に表示された映像が凹面ミラー４１によって反射されて虚像として視認されるような位置に配置されている。また、表示素子３３の画面上端、中央、および下端の映像から発生した映像光を、それぞれ映像光Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３として点線の矢印で示している。ここで、図示するように、各映像光がそれぞれ凹面ミラー４１で反射した際に、表示素子３３に干渉して映像光が遮られないように各要素を配置することが設計上の制約となる。

図１６（ａ）～（ｃ）は、上記の設計制約を考慮した上で、凹面ミラー４１と表示素子３３のそれぞれの中央の水平方向の距離Ｚをパラメータとして変化させた状態をそれぞれ示している。図１６（ａ）から図１６（ｃ）に向かって、図示するように距離ＺがＺ１からＺ３へと徐々に小さくなる構成を示しており、これに伴って凹面ミラー４１の水平面からの角度もα１からα３へと徐々に大きくなっている。同様に、凹面ミラー４１の垂直方向の寸法も徐々に大きくなっている。

距離Ｚのパラメータを変化させると、ＨＵＤ装置１（より具体的には筐体５０）の高さと奥行きが変化し、これに伴って容積も変化する。すなわち、距離Ｚを小さくすると、図１６（ｃ）に示すように、ＨＵＤ装置１の高さがやや高くなる一方で、奥行きを大きく低減することができる。結果として、上述した筺体５０を構成する外装ケース５４や外装蓋部５１の構成による容積の低減と共に、距離Ｚが小さくなるように構成することで、ＨＵＤ装置１（筐体５０）の容積をより小さくして小型化することができる。

一方、例えば、図１６（ｃ）に示すように距離Ｚを小さくする（距離Ｚ３）と、表示素子３３の上端から凹面ミラー４１の上端までの距離（映像光Ｒ１に対応）と、表示素子３３の下端から凹面ミラー４１の下端までの距離（映像光Ｒ３に対応）との差分は大きくなる。すなわち、距離Ｚを小さくすると、ＨＵＤ装置１の容積は小さくすることができるが、凹面ミラー４１において発生する虚像の歪みや収差は大きくなってしまう。これに対して、少なくとも、表示素子３３等の配置位置を、映像光（特に映像光Ｒ３）に干渉しない範囲で図１６（ｃ）に示した矢印図形の方向に移動させ、表示素子３３と凹面ミラー４１との距離が可能な限り均一になるように配置するのが望ましい。加えて、光源３１と表示素子３３は、凹面ミラー４１の高さ寸法の内部に収まるように配置することで、筺体５０の高さ方向の寸法を不要に増加させることなく、装置の小型化に好適であろう。

さらに本実施例では、上述したように、表示素子３３と凹面ミラー４１との間に、虚像の歪みと虚像で発生する収差を補正するための歪み補正レンズ４３を配置することで歪みと収差の補正を行う。

図１７は、歪み補正レンズ４３による歪みおよび収差の補正の例について概要を示した図である。図示するように、凹面ミラー４１の光軸上の点Ｏに対して、焦点Ｆ（焦点距離ｆ）の内側に表示素子３３（物点）を配置することで、凹面ミラー４１による虚像（図中では矢印図形で表記）を得ることができる。なお、図中では説明の便宜上、凹面ミラー４１を同じ正の屈折力を持つ凸レンズとみなし、物点と凸レンズ（図中では説明の便宜上、凹面ミラー４１として表記）および発生する虚像の関係を示している。

本実施例では、上述したように、凹面ミラー４１で発生する歪みと収差を低減するために歪み補正レンズ４３を配置する。本実施例では、この光学素子は透過型の光学レンズとするが、レンズに限らず凹面ミラーであってもよい。歪み補正レンズ４３は、
（１）表示素子３３からの映像光がテレセントリックな光束として歪み補正レンズ４３の反射面へ入射する場合は、歪み補正レンズ４３（光学レンズもしくは凹面ミラー）の屈折力はほぼゼロとなる
（２）表示素子３３からの映像光が発散して歪み補正レンズ４３に入射する場合には、歪み補正レンズ４３は正の屈折力を持つ
（３）表示素子３３からの映像光が集光して歪み補正レンズ４３に入射する場合には、歪み補正レンズ４３は負の屈折力を持つ
ようにして、凹面ミラー４１に入射する光束の方向（角度と位置）を制御する。これにより、凹面ミラー４１で発生する虚像の歪曲収差を補正する。さらに、歪み補正レンズ４３が透過型の光学レンズにより構成されている場合は、光入射面（表示素子３３側）と、光出射面（凹面ミラー４１側）の相互作用により、虚像に発生する結像性能に関する収差を補正する。

このとき、表示素子３３から凹面ミラー４１までの距離ａと、凹面ミラー４１から虚像までの距離ｂは、上述したように、ウィンドシールド３の傾斜や曲率により、虚像の上端部と下端部とで異なることになる。これにより、運転者５が視認する虚像の像倍率は、上端部と下端部とで異なるものとなる。

これに対し、本実施例では、表示素子３３を凹面ミラー４１の光軸に対して図１７に示すように傾ける（直行していない、すなわち、レンズにより光軸が持ち上げられる）ことで、虚像上端部の像倍率Ｍ’＝ｂ’／ａ’と、虚像下端部の像倍率Ｍ＝ｂ／ａとを略一致させる。これにより、ウィンドシールド３の傾斜等による歪曲収差を低減させる。

そして、本実施例ではさらに、歪み補正レンズ４３の垂直方向の断面形状の平均曲率半径と、水平方向の断面形状の平均曲率半径とを異なる値とする。これにより、ウィンドシールド３の垂直方向の曲率半径と水平方向の曲率半径との相違により生じる光路差によって発生する歪曲収差と、虚像の結像性能を低下させる収差を補正する。ウィンドシールド３に直接映像光を反射させて虚像を得るＨＵＤ装置１においては、ウィンドシールド３の垂直方向の曲率半径と水平方向の曲率半径との相違により生じる光路差によって発生する収差の補正が、虚像の結像性能確保において最も重要となる。

具体的には、歪み補正レンズ４３の形状として自由曲面形状を用いることで、上述したようなウィンドシールド３の曲率半径の違いによる虚像の結像性能低下を低減させる。従来の光学設計では、光軸からの距離ｒの関数としてレンズ面やミラー面の形状を定義する非球面形状が用いられてきた。非球面形状は、以下の式のように表される。

これに対し、本実施例では、光軸からの絶対座標（ｘ，ｙ）の関数として面の形状を定義することが可能な自由曲面形状を用いる。自由曲面形状は、以下の式のように表される。

このように、歪み補正レンズ４３を用い、その断面形状や配置位置を制御することで、凹面ミラー４１で発生する虚像の歪みと収差を補正することができる。しかし、そのためには、凹面ミラー４１および歪み補正レンズ４３という光学部材について、高い位置決め精度が確保されていることが前提となる。

この点、例えば、図２（ｂ）に示したＨＵＤ装置１の構成において、筐体５０を構成する外装蓋部５１や光学部品保持外装ケース５５等の各部材を、耐熱性や剛性、寸法精度が高くない材料を用いて形成した場合には問題が生じ得る。例えば、ＨＵＤ装置１の製造時や車両２への取り付け時の加工精度や作業精度、使用中の熱による膨張や変形等の影響により、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３との位置関係に設計からのズレが生じ得る。その結果、歪み補正レンズ４３を用いることによる歪みや収差の補正の精度も低下することになる。

そこで本実施例では、図２（ｂ）に示したＨＵＤ装置１の構成において、少なくとも、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３を保持する光学部品保持外装ケース５５を、高耐熱、高剛性、高寸法精度という特性を有する材料により形成する。具体的には、例えば、ＢＭＣ（Bulk Molding Compound）等の不飽和ポリエステル樹脂や、ガラスフィラー入りのポリカーボネート等を用いる。特に、ＢＭＣは、熱硬化性を有し、金型による複雑な成形も可能であることから、本実施例ではＢＭＣを用いるものとする。

上記のような材料により形成された光学部品保持外装ケース５５によって凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３を保持することにより、車両２における高温や振動等の過酷な使用環境下においても、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３との間の位置関係を高精度で維持することができる。なお、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３との相対的な位置関係は、３次元的に複雑なねじれの関係にあるため、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３のみで一体として構成して保持することは困難である。したがって、本実施例では、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３とを一緒に光学部品保持外装ケース５５により保持する構成とする。

そして、この光学部品保持外装ケース５５は、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３との間の位置関係が上記のような３次元的なねじれの関係にあっても、これを高い精度で実現および維持することを可能とする。すなわち、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３を、高耐熱、高剛性、高寸法精度という特性を有する材料で形成された単一の介在部品である光学保持部材５３で保持することで、相対的な位置関係を高精度で維持することを実現する。そして、本実施例では、このような特性を有する光学部品保持外装ケース５５を、樹脂金型成形で単一の部品として成形することが可能となるように、その形状についても最適化がされている。

また、本実施例では、上述したように、映像表示装置３０をモジュール化して着脱が容易となるように構成している。これにより、映像表示装置３０の装着の際に微小な位置ズレが生じる可能性があるが、このズレは、例えば、図１５に示した制御部２０の歪み補正部２６における画像処理等により補正・調整を行うことが可能なものである。

＜ＨＵＤ装置の処理内容＞
図１８は、本実施例のヘッドアップディスプレイ装置の初期動作の例について概要を示したフローチャートである。停止中の車両２においてイグニッションスイッチがＯＮされることでＨＵＤ装置１の電源がＯＮされると（Ｓ０１）、ＨＵＤ装置１は、制御部２０からの指示に基づいて、まず、車両情報取得部１０により車両情報を取得する（Ｓ０２）。そして、制御部２０は、車両情報４のうち、照度センサ１０５や色度センサ１０６等により取得した外光情報に基づいて好適な明るさレベルを算出し（Ｓ０３）、光源調整部２５により光源３１の発光量を制御して、算出した明るさレベルとなるように設定する（Ｓ０４）。例えば、外光が明るい場合には明るさレベルを高くし、暗い場合には明るさレベルを低く設定する。

その後、ＥＣＵ２１により、虚像として表示する映像（例えば、初期画像）を決定、生成し（Ｓ０５）、生成した映像に対して歪み補正部２６により歪みを補正する処理を実施した後（Ｓ０６）、表示素子駆動部２７により表示素子３３を駆動・制御して、投射する映像を形成させる（Ｓ０７）。これにより、映像がウィンドシールド３に投射され、運転者５は虚像を視認することができるようになる。

ＨＵＤ装置１全体で、上述した一連の初期動作も含む各部の起動・始動が完了すると、ＨＵＤ－ＯＮ信号が出力されるが、制御部２０ではこの信号を受けたか否かを判定する（Ｓ０８）。受けていなければ、さらにＨＵＤ－ＯＮ信号を一定時間待ち受け（Ｓ０９）、ステップＳ０８でＨＵＤ－ＯＮ信号を受けたと判定されるまで、ＨＵＤ－ＯＮ信号の待ち受け処理（Ｓ０９）を繰り返す。ステップＳ０８でＨＵＤ－ＯＮ信号を受けたと判定された場合は、後述するＨＵＤ装置１の通常動作を開始し（Ｓ１０）、一連の初期動作を終了する。

図１９は、本実施例のヘッドアップディスプレイ装置の通常動作の例について概要を示したフローチャートである。通常動作においても、基本的な処理の流れは上述の図１８に示した初期動作と概ね同様である。まず、ＨＵＤ装置１は、制御部２０からの指示に基づいて、車両情報取得部１０により車両情報を取得する（Ｓ２１）。そして、制御部２０は、車両情報４のうち、照度センサ１０５や色度センサ１０６等により取得した外光情報に基づいて明るさレベル調整処理を行う（Ｓ２２）。

図２０は、本実施例のヘッドアップディスプレイ装置の明るさレベル調整処理の例について概要を示したフローチャートである。明るさレベル調整処理を開始すると、まず、取得した外光情報に基づいて好適な明るさレベルを算出する（Ｓ２２１）。そして、現状設定されている明るさレベルと比較することにより、明るさレベルの変更の要否を判定する（Ｓ２２２）。変更が不要である場合にはそのまま明るさレベル調整処理を終了する。一方、変更が必要である場合には、光源調整部２５により光源３１の発光量を制御して、変更後の明るさレベルとなるように設定し（Ｓ２２３）、明るさレベル調整処理を終了する。なお、ステップＳ２２２において、ステップＳ２２１で算出した好適な明るさレベルと、現状設定されている明るさレベルとの間に差分がある場合でも、差分が所定の閾値以上である場合にのみ明るさレベルの変更が必要であると判定するようにしてもよい。

図１９に戻り、その後、ＥＣＵ２１により、ステップＳ２１で取得した最新の車両情報４に基づいて、虚像として表示する映像を現状のものから必要に応じて変更し、変更後の映像を決定、生成する（Ｓ２３）。なお、車両情報４に基づいて表示内容を変更するパターンは、取得した車両情報４の内容やそれらの組み合わせ等に応じて多数のものがあり得る。例えば、速度情報が変化したことにより、常時表示されている速度表示の数値を変更する場合や、ナビゲーション情報に基づいて案内の矢印図形を表示／消去したり、矢印の形状や表示位置等を変更したりする場合等、様々なパターンがあり得る。

その後、本実施例では、車両２の走行状況に応じて視認性や表示内容の適切性等を維持するための調整・補正処理を行う。まず、虚像の表示領域自体の位置を調整する必要がある場合に、ミラー駆動部４２を介して凹面ミラー４１の角度を変更し、虚像の表示領域を上下に移動させるミラー調整処理を行う（Ｓ２４）。その後さらに、車両２の振動に対して表示領域内における映像の表示位置を補正する振動補正処理を行う（Ｓ２５）。その後、調整・補正した映像に対して歪み補正部２６により歪みを補正する処理を実施した後（Ｓ２６）、表示素子駆動部２７により表示素子３３を駆動・制御して投射する映像を形成させる（Ｓ２７）。

上述した一連の通常動作を実行している際に、車両２の停止等に伴って電源ＯＦＦ等がなされると、ＨＵＤ装置１に対してＨＵＤ－ＯＦＦ信号が出力されるが、制御部２０ではこの信号を受けたか否かを判定する（Ｓ２８）。ＨＵＤ－ＯＦＦ信号を受けていなければ、ステップＳ２１に戻って、ＨＵＤ－ＯＦＦ信号を受けるまで一連の通常動作を繰り返す。ＨＵＤ－ＯＦＦ信号を受けたと判定された場合は、一連の通常動作を終了する。

以上に説明したように、本発明の実施例１のＨＵＤ装置１によれば、虚像光学系において光路折り返しミラーを用いずに凹面ミラー４１のみのダイレクト光学系とする。そして、凹面ミラー４１で発生する虚像の歪みと収差を補正するため、凹面ミラー４１と表示素子３３との間に歪み補正レンズ４３を配置する。さらには、映像光の有効光路領域の最外周を形成する面に沿って形成した外装ケース５４や外装蓋部５１を含めたＨＵＤ装置１の筺体５０として、その全体の容積の縮小を図る。このような構成をとることにより、ＨＵＤ装置１のさらなる小型化を可能とする。

そして、本実施例ではさらに、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３を、高耐熱、高剛性、高寸法精度の材料により形成された光学部品保持外装ケース５５によって保持する。これにより、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３との間の位置関係を高精度に維持することができる。また、光源３１や照明光学系３２、表示素子３３（ＬＣＤパネル等）を映像表示装置３０としてモジュール化し、筺体５０の外周の一部に着脱可能な構成とする。これにより、故障等しやすい映像表示装置３０の交換性能を向上させるとともに、放熱性も向上させることができる。

（実施例２）
上述した実施例１では、図２（ｂ）に示すように、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３を光学部品保持外装ケース５５によって保持し、これらを、当該外装ケース５４および外装蓋部５１からなる筺体５０の内部に収納する構成をとっている。このとき、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３の位置関係を高精度に維持するため、少なくとも光学部品保外装ケース５５については、ＢＭＣ等の高耐熱、高剛性、高寸法精度の材料によって形成することは上述したとおりである。

ところで、実施例２のＨＵＤ装置１では、外装ケース５４と共に、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３の光学部品を保持する部材として、上記外装ケースとは異なる個別の部材に、すなわち、光学部品保持部材５３を備えている。

図２１は、実施例２のヘッドアップディスプレイ装置概要を示した図である。ここでは、上述の実施例１に示した構成と同様のＨＵＤ装置１において、外装ケース５４とは異なる光学部品保持部材５３に対して、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３をそれぞれ直接保持する構成としている。そして、光学部品保持部材５３は、図２（ｂ）における光学部品保持外装ケース５５と同様に、ＢＭＣ等の高耐熱、高剛性、高寸法精度という特性を有する材料によって形成する。

これにより、凹面ミラー４１と歪み補正レンズ４３の位置関係を高精度に維持する等、実施例１のＨＵＤ装置１の構成により得られる効果と同様の効果を奏することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本発明は、透明なガラス板等に画像を投影するヘッドアップディスプレイ装置に利用可能である。

１…ＨＵＤ装置、２…車両、３…ウィンドシールド、４…車両情報、５…運転者、
１０…車両情報取得部、
２０…制御部、２１…ＥＣＵ、２２…音声出力部、２３…不揮発性メモリ、２４…メモリ、２５…光源調整部、２６…歪み補正部、２７…表示素子駆動部、２８…ミラー調整部、
３０…映像表示装置、３１…光源、３１ａ…ＬＥＤ光源、３１ｂ…ヒートシンク、３２…照明光学系、３２ａ…ライトファネル、３２ｂ…導光体、３２ｂ＿１…入射面、３３…表示素子、３３ｂ＿２…対向面、３２ｂ＿３…出射面、３２ｃ…拡散板、３２ｄ…接合部、３３…表示素子、３４…フレキシブルケーブル、３５…フレーム、３６ａ、３６ｂ…外装部材、
４１…凹面ミラー、４２…ミラー駆動部、４３…歪み補正レンズ、
５０…筐体、５１…外装蓋部、５１ｓ…側面部、５２…防眩板、５３…光学部品保持部材、５４…外装ケース、５５…光学部品保持外装ケース、５５ｂ…底面部、５５ｓ…側面部、５５ｍｂ…中間底面部、５５ｕｓ…上部側面部、
６０…スピーカ、
７０…メイン基板、
１０１…車速センサ、１０２…シフトポジションセンサ、１０３…ハンドル操舵角センサ、１０４…ヘッドライトセンサ、１０５…照度センサ、１０６…色度センサ、１０７…測距センサ、１０８…赤外線センサ、１０９…エンジン始動センサ、１１０…加速度センサ、１１１…ジャイロセンサ、１１２…温度センサ、１１３…路車間通信用無線受信機、１１４…車車間通信用無線受信機、１１５…カメラ（車内）、１１６…カメラ（車外）、１１７…ＧＰＳ受信機、１１８…ＶＩＣＳ受信機

Claims (27)

1. ヘッドアップディスプレイ装置であって、
   光源および表示素子を有し、前記表示素子に映像表示して映像投射光を生成して出射する映像表示装置と、
   ミラーと補正レンズとを含み、前記映像表示装置から出射された前記映像投射光を車両のウィンドシールドまたはコンバイナで反射させることで虚像を前記車両の前方に表示する虚像光学系と、
   筐体と、を備え、
   前記筐体が形成する空間に前記表示素子及び前記虚像光学系が配置され、
   前記補正レンズは、前記筐体内において、前記表示素子と前記ミラーとの間に配置され、
   前記筺体は、前記映像表示装置から出射して前記ミラーへ向かう映像光の光路の底面に沿って形成された底面部と、当該底面部とは異なる傾斜角度を有し、かつ、前記ミラーで反射された反射光の光路の底面に沿って形成された中間底面部とを含んで構成されており、
   前記筺体は、さらに、前記底面の両側端部から立ち上がる第１側面部と、前記中間底面部の端部から立ち上がる第２側面部とを含んで構成されている、
   ヘッドアップディスプレイ装置。
2. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
   前記表示素子は、前記ミラーの光軸に対して傾斜して配置されている、ヘッドアップディスプレイ装置。
3. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
   前記補正レンズの形状は自由曲面形状を用いる、ヘッドアップディスプレイ装置。
4. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
   前記補正レンズは透過型の光学レンズである、ヘッドアップディスプレイ装置。
5. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
   前記補正レンズの垂直方向の断面形状の平均曲率半径と、水平方向の断面形状の平均曲率半径とで異なる値とした、ヘッドアップディスプレイ装置。
6. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
   前記補正レンズの表面に反射防止膜が設けられた、ヘッドアップディスプレイ装置。
7. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
   前記表示素子と前記ミラーとの間に、前記補正レンズが複数枚設けられた、ヘッドアップディスプレイ装置。
8. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
   前記筺体は、前記ミラーを内部に収納した外装ケースと、当該外装ケースの上部に一体に組み立てられ、前記ミラーで反射された反射光を透過する部材を備えた外装蓋部とを含んで構成されている、ヘッドアップディスプレイ装置。
9. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
   前記筺体を構成する前記第１側面部、前記中間底面部、前記第２側面部は、前記映像光の有効光路領域の最外周から１ｍｍ以上でかつ１５ｍｍ未満の範囲の距離で外側に離隔されて形成されている、ヘッドアップディスプレイ装置。
10. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記映像表示装置は、前記筐体の外周部の一部において、少なくとも前記光源の放熱手段が当該筐体の外周に位置するよう取り付けられている、ヘッドアップディスプレイ装置。
11. 請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記放熱手段は、ヒートシンクである、ヘッドアップディスプレイ装置。
12. 請求項１１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記放熱手段は、さらに、前記光源の発熱を前記ヒートシンクに伝達するヒートパイプを含んでいる、ヘッドアップディスプレイ装置。
13. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記筐体の一部には前記映像表示装置の前記表示素子の発光面に対応した開口部が形成されており、前記映像表示装置は、前記筐体の当該開口部を介して取り付けられている、ヘッドアップディスプレイ装置。
14. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記ミラーは、当該ミラーを駆動するミラー駆動部を備えており、当該ミラー駆動部は、前記筐体の外周に位置するように取り付けられている、ヘッドアップディスプレイ装置。
15. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    さらに、前記映像表示装置を構成する前記光源および前記表示素子を含む各部の動作を制御するための制御部が実装された基板が、前記筐体の外周の一部に取り付けられている、ヘッドアップディスプレイ装置。
16. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記ミラーは、保持部材または外装ケースに保持されており、角度調整機構を持ち、
    前記角度調整機構によって前記ミラーの角度を調整し、前記ウィンドシールドまたは前記コンバイナに投射する位置を調整し、前記運転者が見る虚像の位置を上下方向に調整可能とする、ヘッドアップディスプレイ装置。
17. ヘッドアップディスプレイ装置であって、
    光源および表示素子を有し、前記表示素子に映像表示して映像投射光を生成して出射する映像表示装置と、
    ミラーを含み、前記映像表示装置から出射された前記映像投射光を車両のウィンドシールドまたはコンバイナで反射させることで虚像を前記車両の前方に表示する虚像光学系と、
    筐体と、を備え、
    前記筐体が形成する空間に前記表示素子及び前記虚像光学系が配置され、
    前記筺体は、前記映像表示装置から出射して前記ミラーへ向かう映像光の光路の底面に沿って形成された底面部と、当該底面部とは異なる傾斜角度を有し、かつ、前記ミラーで反射された反射光の光路の底面に沿って形成された中間底面部とを含んで構成されており、
    前記筺体は、さらに、前記底面の両側端部から立ち上がる第１側面部と、前記中間底面部の端部から立ち上がる第２側面部とを含んで構成されている、
    ヘッドアップディスプレイ装置。
18. 請求項１７に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記表示素子は、前記ミラーの光軸に対して傾斜して配置されている、ヘッドアップディスプレイ装置。
19. 請求項１７に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記筺体は、前記ミラーを内部に収納した外装ケースと、当該外装ケースの上部に一体に組み立てられ、前記ミラーで反射された反射光を透過する部材を備えた外装蓋部とを含んで構成されている、ヘッドアップディスプレイ装置。
20. 請求項１７に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記筺体を構成する前記第１側面部、前記中間底面部、前記第２側面部は、前記映像光の有効光路領域の最外周から１ｍｍ以上でかつ１５ｍｍ未満の範囲の距離で外側に離隔されて形成されている、ヘッドアップディスプレイ装置。
21. 請求項１７に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記映像表示装置は、前記筐体の外周部の一部において、少なくとも前記光源の放熱手段が当該筐体の外周に位置するよう取り付けられている、ヘッドアップディスプレイ装置。
22. 請求項２１に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記放熱手段は、ヒートシンクである、ヘッドアップディスプレイ装置。
23. 請求項２２に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記放熱手段は、さらに、前記光源の発熱を前記ヒートシンクに伝達するヒートパイプを含んでいる、ヘッドアップディスプレイ装置。
24. 請求項１７に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記筐体の一部には前記映像表示装置の前記表示素子の発光面に対応した開口部が形成されており、前記映像表示装置は、前記筐体の当該開口部を介して取り付けられている、ヘッドアップディスプレイ装置。
25. 請求項１７に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記ミラーは、当該ミラーを駆動するミラー駆動部を備えている、ヘッドアップディスプレイ装置。
26. 請求項１７に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    さらに、前記映像表示装置を構成する前記光源および前記表示素子を含む各部の動作を制御するための制御部が実装された基板が、前記筐体の外周の一部に取り付けられている、ヘッドアップディスプレイ装置。
27. 請求項１７に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記ミラーは、保持部材または外装ケースに保持されており、角度調整機構を持ち、
    前記角度調整機構によって前記ミラーの角度を調整し、前記ウィンドシールドまたは前記コンバイナに投射する位置を調整し、前記運転者が見る虚像の位置を上下方向に調整可能とする、ヘッドアップディスプレイ装置。

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