JP7018922B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車や電車や航空機等（以下では、一般的に「乗り物」とも言う）のフロントガラスに画像を投影する情報表示装置に関し、その画像をフロントガラス越しに虚像として観察するようにした投影光学系およびそれを用いた情報表示装置に関する。

自動車のフロントガラスに映像光を投写して虚像を形成しルート情報や渋滞情報などの交通情報や燃料残量や冷却水温度等の自動車情報を表示するいわゆる、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ－Ｕｐ－Ｄｉｓｐｌａｙ）装置が以下の特許文献１により既に知られている。

この種の情報表示装置においては、ＨＵＤ装置本体を運転者の座席前方のステアリングとウインドガラスの間に配置するため小型化が望まれている。

一方、例えば以下の非特許文献１にも開示されるような自動車の天井（サンバイザー）付近に本体を取り付ける装置も提案されている。

特開２０１５－１９４７０７号公報

ＰＩＯＮＥＥＲ Ｒ＆Ｄ（Ｖｏｌ．２２,２０１３）

従来技術によるヘッドアップディスプレイ装置を実現する凹面ミラーによる虚像生成の原理は、図２７に示すように、凹面ミラー１’の光軸上の点Ｏに対して焦点Ｆ（焦点距離ｆ）の内側に物点ＡＢを配置することで、凹面ミラー１’による虚像を得ることができると言うものである。この図２７では、説明の都合上、凹面ミラー１’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（説明の都合、上図２７では、凹面ミラーで表記）と発生する虚像の関係を示した。

従来技術では、凹面ミラー１’で生成する虚像の大きさを拡大するためには物点ＡＢを焦点Ｆに近づけると良いが、所望の倍率を得るためには、凹面ミラーの曲率半径が小さくなる。この結果、ミラーサイズが小さくなり実効的に拡大率が大きいが観視可能な範囲が小さい虚像しか得られない結果となる。このため、（１）所望の虚像サイズと、（２）必要な虚像の倍率Ｍ＝ｂ／ａを同時に満足するためには、凹面ミラーの寸法は観視範囲に合わせ、映像表示装置との兼ね合いで虚像の倍率を決める必要がある。

このため、従来技術では、所望の大きさの虚像を得るために、図２７に示すように、凹面ミラー１’から虚像までの距離を大きくする必要があり、結果として情報表示装置の寸法が大きくならざるを得なかった。

更に、運転者が視認する虚像の大きさは、前述したように、フロントガラスの傾斜が原因で生じる映像表示装置と凹面ミラー１’の距離ａと凹面ミラー１’と虚像までの距離ｂが虚像の上端と下端で異なるため、虚像上端部の像倍率と、虚像下端部の像倍率を略一致させることが難しかった。このため、前述したｂ寸法を大きくすることで上下の光路差を相対的に小さくすることにより像倍率の部分的な変化（像の歪み）を軽減する必要が生じ、映像表示装置と凹面ミラー１’の間に光路折り返しミラーを設けることで、情報表示装置の容積を低減する検討が行われた。

また、上記の特許文献１に開示されたヘッドアップディスプレイ装置の例では、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写する投写光学系を備え、投写光学系として表示デバイスから観視者の光路において第一ミラーと第二ミラーを有し第一ミラーにおける画像長軸方向の入射角と第一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一ミラーとの間隔と観視者によって視認される虚像の水平方向の幅の関係を所定の条件を満足させることで、小型化を実現している。

しかしながら、後にも述べるが、発明者らの検討の結果、セットの容積を最も小さくするには、虚像を作り出す凹面ミラー（特許文献１の図２の１２２）の焦点距離を短くし、かつ、表示デバイスの位置と凹面ミラーの焦点までの距離を短くすることで虚像の大きさを変えずに折り返しミラー（特許文献１の図２の１２１）がなくても実現できることを見いだした。

他方、非特許文献１に開示されるような自動車の天井（サンバイザー）付近に本体を取り付ける装置では、自動車が衝突事故を起こした時にＨＵＤ装置が外れた場合、運転者に怪我を負わせる可能性があるためなど安全上の課題が残ることから、今後、発明者等は上記の特許文献１に記載された方式が主流となると考えた。

更に、上記の特許文献１では、被投影部材（２２０）であるフロントガラスの反射面は運転者の視点位置が複数存在した場合には、フロントガラスの車体垂直方向曲率半径および車体水平方向曲率半径の中心位置が異なることを考慮して、全ての実施形態に示されるように、フロントガラスをトロイダル形状として考慮した上で投写光学系の最適化を行っている。

また、上記の特許文献１における実施形態１、２、３、４、６、７では、運転者と表示デバイスの間には２枚のミラーを略同一平面内に配置することによりセットサイズの小型化を実現すると共に、虚像を発生させる凹面形状の反射面を有する第二ミラーと第二ミラーのサイズを小さくするために、凸面形状の反射面を有する第一ミラーそれぞれの反射面を自由曲面として視点領域全域で虚像の歪みを実使用上問題ないレベルまで低減している。

また、実施形態５においては、第一ミラーを凸面の形状を有するトロイダル面の反射面としてミラーの製造を容易にしている。一方、第二ミラーについては、その他の実施形態同様に自由曲面形状を有する凹面ミラーとしている。

以上に述べた特許文献１に開示される発明では、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り、第一のミラーでの反射光束が第二のミラーで遮られないように配置するためには配置の自由度が失われてしまい近接配置できないため、セットの小型化の支障になる。一方、運転者が観視する虚像において発生する収差の補正については、補正の必要性やその具体的な低減手段について一切記載されておらず考慮されていなかった。

本発明は、装置の小型化を実現するために、虚像を形成する凹面の反射面を有するミラーは一枚の構成として、運転者と表示デバイスの間には少なくとも一方の面の一断面が凹面（負屈折力を有する）レンズを配置することにより、セットの大型化や複雑化を抑制しながら、運転者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た視認性の高い虚像を形成することを可能とする情報表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明は、その一例として、
乗り物のフロントガラスに虚像の映像情報を表示する情報表示装置であって、前記映像情報を表示する平面ディスプレイと、前記平面ディスプレイから出射された光を前記フロントガラスで反射させることで複数の虚像を前記乗り物の前方に表示させる虚像光学系とを備えており、前記虚像光学系は、凹面ミラーと光学素子を含んでおり、当該光学素子は、前記フロントガラスの上部には、遠景に重ねる虚像を成立させ、そして、前記フロントガラスの上部から下部に向かって、近景に重ねる虚像を成立させるように、前記平面ディスプレイと前記凹面ミラーとの間で分離される各虚像を成立させる映像光束に対応して前記光学素子の形状と位置を最適化することで、小型でありながら運転者の視点位置に対応して複数の位置に前記複数の虚像を形成する情報表示装置である。

本発明によれば、装置の小型化を実現しながら、運転者が観察する虚像の歪や収差を補正した視認性の高い虚像を形成することを可能とする情報表示装置を提供することが可能となる。

情報表示装置および情報表示装置に配属された周辺機器の概略構成を示す概略構成図である。 本発明の情報表示装置を搭載した自動車の上面図である。 フロントガラスの曲率半径の違いを説明する構成図である。 情報表示装置とフロントガラスと運転者の視点位置を示す概略構成図である。 本発明の情報表示装置の虚像光学系の一実施例を示す概略構成図である。 本発明の実施例としての情報表示装置の虚像光学系の配置を示す概略構成図である。 本発明の情報表示装置の虚像光学系の凹面ミラーと映像表示装置の距離と装置の寸法関係を示す図である。 本発明の情報表示装置の虚像光学系の凹面ミラーと映像表示装置の距離と装置の容積の関係を示す図である。 本願発明の原理を説明する概略図である。 本発明の情報表示装置における映像表示装置と光源装置の配置を示す構成図である。 本発明の映像表示部の光源装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の光源装置の導光体の形状を示す概略構成図である。 本発明の光源装置の導光体の断面形状を示す概略構成図である。 本発明の情報表示装置における映像表示装置と光源装置からの光束の出射状況を説明する概略図である。 本発明の情報表示装置における映像表示装置用光源装置からの光束の出射光分布を説明する特性図である。 映像表示装置としての液晶パネルの特性評価の方法を示す概念図である。 映像表示装置としての液晶パネルの画面左右方向の透過率特性を示す特性図である。 映像表示装置としての液晶パネルに白表示した場合の画面左右方向の輝度の角度特性を示す特性図である。 映像表示装置としての液晶パネルのバックライト輝度の左右方向角度特性を示す特性図である。 映像表示装置としての液晶パネルの上下方向の透過率の角度特性を示す特性図である。 映像表示装置としての液晶パネルの白表示時の上下方向の輝度の角度特性を示す特性図である。 映像表示装置としての液晶パネルのバックライト輝度の上下方向角度特性を示す特性図である。 映像表示装置としての液晶パネルのコントラストの左右方向角度特性を示す特性図である。 映像表示装置としての液晶パネルの黒表示輝度の左右方向角度特性を示す特性図である。 映像表示装置としての液晶パネルのコントラストの上下方向角度特性を示す特性図である。 映像表示装置としての液晶パネルの黒表示輝度の上下方向角度特性を示す特性図である。 従来技術による虚像光学系の原理を説明するための概略図である。

以下、図面等を用いて、本発明の各種実施例について詳細に説明する。なお、以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

＜情報表示装置の実施形態＞
図１は、本願発明の一実施例になる情報表示装置の周辺機器構成を示すブロックと概略構成図であり、ここでは、その一例として、特に、自動車のフロントガラスに画像を投影する情報表示装置について説明する。

この情報表示装置１００は、運転者の視線８において自車両の前方に虚像Ｖ１を形成するため、被投影部材６（本実施例では、フロントガラスの内面）にて反射された各種情報を虚像ＶＩ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｍａｇｅ）として表示する装置（いわゆる、ＨＵＤ（Ｈｅａｄｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）である。なお、被投影部材６は、情報が投影される部材であれば良く、前述したフロントガラスだけではなく、その他、コンバイナであっても良い。すなわち、本実施形態の情報装置１００では、運転者の視線８において自車両の前方に虚像を形成して運転者に視認させるものであれば良く、虚像として表示する情報としては、例えば、車両情報や監視カメラやアラウンドビュアーなどのカメラ（図示せず）で撮影した前景情報をも含むことは当然であろう。

また、情報表示装置１００では、情報を表示する映像光を投射する映像表示装置４と、当該映像表示装置４に表示された映像を凹面ミラー１で虚像を形成する際に発生する歪や収差を補正するために補正用のレンズ群２が、映像表示装置４と凹面ミラー１の間に設けられている。

そして、情報表示装置１００は、上記映像表示装置４とバックライト５を制御する制御装置４０とを備えている。なお、上記映像表示装置４とバックライト５などを含む光学部品は、以下に述べる虚像光学系であり、光を反射させる凹面形状のミラー１を含んでいる。また、この光学部品５において反射した光は、被投影部材６にて反射されて運転者の視線８（ＥｙｅＢｏｘ：後に詳述する）へと向かう。

上記の映像表示装置４としては、例えば、バックライトを有するＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）の他に自発光のＶＦＤ（Ｖａｃｕｕｍ Ｆｌｏｕｒｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。

一方、上述した映像表示装置４の代わりに、投写装置によりスクリーンに映像を表示して、前述の凹面ミラー１で虚像とし被投影部材であるフロントガラス６で反射して運転者の視点８と向かわせても良い。

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良い。

より具体的には、虚像の歪みを低減するために凹面ミラー１の形状は、図１に示す上部（相対的に運転者の視点との距離が短いフロントガラス６の下方で光線が反射する領域）では、拡大率が大きくなるように相対的に曲率半径が小さく、他方、下部（相対的に運転者の視点との距離が長いフロントガラス６の上方で光線が反射する領域）では、拡大率が小さくなるように相対的に曲率半径が大きくなる形状とすると良い。また、映像表示装置４を凹面ミラーの光軸に対して傾斜させることで上述した虚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ことによっても、更に良好な補正が実現できる。

一方、乗用車のフロントガラス６は、図２にも示すように、本体垂直方向の曲率半径Ｒｖと水平方向の曲率半径Ｒｈが異なり、一般には、Ｒｈ＞Ｒｖの関係にある。このため、図３に示すように、反射面としてフロントガラス６を捉えると、凹面ミラーのトロイダル面となる。このため、図３に示す本発明の情報表示装置では、凹面ミラー１の形状はフロントガラス６の形状による虚像倍率を補正するように、すなわち、フロントガラスの垂直方向と水平方向曲率半径の違いを補正するように水平方向と垂直方向で異なる平均曲率半径とすれば良い。この時、凹面ミラー１の形状は、光軸に対称な球面または非球面形状（後述する数２の式で表される形状）では光軸からの距離ｒの関数であり、離れた場所の水平断面と垂直断面形状を個別に制御できないことから、後述する数１の式で表される自由曲面としてミラー面の光軸からの面の座標（ｘ，ｙ）の関数として補正することが好ましい。

再び、図１に戻り、更に、映像表示装置４と凹面ミラー１の間に透過型の光学部品として、例えばレンズ素子２を配置し、もって、凹面ミラーへの光線の出射方向を制御することで凹面ミラーの形状と合わせて歪曲収差の補正を行うと同時に、前述したフロントガラス６の水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径の違いによって生じる非点収差を含めた虚像の収差補正を実現する。

また、収差補正能力を更に高めるために、上述した光学素子２を複数枚のレンズとしても良い。または、レンズ素子の代わりに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１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こともできる。以上述べたように、更に、収差補正能力を向上させるたに最適設計された光学素子を凹面ミラー１と映像表示装置４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。更に、上述した光学素子２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１と映像表示装置４の光学的な距離を変えて、虚像の表示位置を遠方から近接位置まで、連続的に変化させることもできる。

また、映像表示装置４を凹面ミラー１の光軸法線に対して傾けて配置することで虚像の上下方向の倍率の違いを補正しても良い。

一方、情報表示装置の画質を低下させる要因として、映像表示装置４から凹面ミラー１に向かって出射する映像光線が途中に配置された光学素子２の表面で反射して映像表示装置に戻り、再度反射して本来の映像光に重畳されて、画質を低下させることが知られている。このため、本発明では、光学素子２の表面に反射防止膜を成膜して反射を抑えるだけでなく、光学素子２の映像光入射面と出射面のいずれか一方、若しくは、両方のレンズ面形状を上述した反射光が映像表示装置４の一部分に極端に集光しないような形状の制約を持たせて設計することが好ましい。

次に、映像表示装置４として、上述した光学素子２からの反射光を吸収させるために偏光板を配置した液晶パネルとすれば、画質の低下を軽減できる。また、液晶パネルのバックライト５は、液晶パネル４に入射する光の入射方向を凹面ミラー１の入射瞳に効率よく入射するように制御される。更に、光源としては、製品寿命が長い固体光源を採用すると良く、更には、周囲温度の変動に対する光出力変化が少ないＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）として光の発散角を低減する光学手段を設けたＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）を用いて偏光変換を行うことが好ましい。

液晶パネルのバックライト５側（光入射面）と光学素子２側（光出射面）には偏光板を配置して、映像光のコントラスト比を高めている。バックライト５側（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採用すれば、高いコントラスト比が得られる。一方、光学素子２側（光出射面）には染料系の偏光板を用いることで、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可能となる。

映像表示装置として液晶パネルを用いる場合、特に、運転者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い不具合が発生する。これを防ぐために、液晶パネルの光学素子２側に配置した偏光板の光学素子側にλ／４板を配置し、もって、特定の偏光方向に揃った映像光を円偏光に変換することが好ましい。

制御装置４０は、このようなナビゲーションシステム６１から、自車両が走行している現在位置に対応する道路の制限速度や車線数、ナビゲーションシステム６１に設定された自車両の移動予定経路などの各種の情報を、前景情報（すなわち、上記虚像により自車両の前方に表示する情報）として取得する。

運転支援ＥＣＵ６２は、周辺監視装置６３での監視の結果として検出された障害物に従って駆動系や制御系を制御することで、運転支援制御を実現する制御装置であり、運転支援制御としては、例えば、クルーズコントロール、アダプティブクルーズコントロール、プリクラッシュセーフティ、レーンキーピングアシストなどの周知技術を含む。

周辺監視装置６３は、自車両の周辺の状況を監視する装置であり、一例としては、自車両の周辺を撮影した画像に基づいて自車両の周辺に存在する物体を検出するカメラや、探査波を送受信した結果に基づいて自車両の周辺に存在する物体を検出する探査装置などである。

制御装置４０は、このような運転支援ＥＣＵ６２からの情報（例えば、先行車両までの距離および先行車両の方位、障害物や標識が存在する位置など）を前景情報として取得する。更に、制御装置４０には、イグニッション（ＩＧ）信号、および、自車状態情報が入力される。これらの情報の内、自車状態情報とは、車両情報として取得される情報であり、例えば、内燃機関の燃料の残量や冷却水の温度など、予め規定された異常状態となったことを表す警告情報を含んでいる。また、方向指示器の操作結果や自車両の走行速度、更には、シフトポジション情報なども含まれている。以上述べた制御装置４０は、イグニッション信号が入力されると起動する。以上が、本願発明の情報表示装置全体システムの説明である。

＜虚像光学系の第一の実施形態＞
次に、本発明になる虚像光学系、および、映像表示装置の更なる詳細について、以下に説明する。

図２は、既述のように、本発明の情報表示装置を搭載した自動車の上面図であり、自動車本体１０１の運転席前部には、被投影部材６としてのフロントガラスが存在する。なお、このフロントガラスは、自動車のタイプによって、車体に対する傾斜角度が異なる。更に、発明者らは、最適な虚像光学系を実現するため、この曲率半径についても調査した。その結果、フロントガラスは、図３に示すように、自動車の接地面に対して平行な水平方向の曲率半径Ｒｈと、水平軸に対して直交する垂直方向の曲率半径Ｒｖとで異なり、ＲｈとＲｖの間には、一般的に、下記の関係があることが判った。
Ｒｈ＞Ｒｖ

また、この曲率半径の違い、すなわち、Ｒｖに対するＲｈは、１．５倍から２．５倍の範囲にあるものが多いことも判明した。

次に、発明者等は、フロントガラスの傾斜角度についても市販品を調査した。その結果、車体タイプによっても異なるが、軽自動車や１Ｂｏｘタイプでは２０度～３０度、セダンタイプでは３０度～４０度、スポーツタイプでは４０度以上であった。そこで、本発明では、フロントガラスの自動車の接地面に対して平行な水平方向の曲率半径Ｒｈと水平軸に対して直交する垂直方向の曲率半径Ｒｖの違いとフロントガラスの傾斜角について考慮し、虚像光学系の設計を行った。

より詳細には、被投影部材であるフロントガラスの水平曲率半径Ｒｈと垂直曲率半径Ｒｖとは、これらは大きく異なるため、光軸（Ｚ軸）に対してフロントガラスの水平軸およびこの軸に垂直な軸に対して軸非対称な光学素子２を虚像光学系内に設けることにより、良好な収差補正を実現した。

次に、発明者らは、情報表示装置１００の小型化について検討を行った。検討の条件として、ＦＯＶの水平：７度，垂直２．６度とし、更に、虚像距離２ｍとして検討を行った。検討の当初、虚像を生成する凹面ミラー１（以下の図５および図６では、平面ミラーとして簡易的に表示する）と映像表示装置４およびバックライト５を基本構成として、映像表示装置４と凹面ミラー１の間に光路折り返しミラーを１枚配置して、情報表示装置１００の容積が最小になるように、それぞれの部材の配置と映像表示装置４から凹面ミラー１までの距離をパラメータとしてシミュレーションを行った。

その結果、映像表示装置４からの映像光がそれぞれの部品に干渉しないように配置した場合の容積は３．６リットルとなった。その後、更なる小型化を狙って光路折り返しミラーを除いた直接方式について検討を行った。検討の結果を図５および図６にまとめて示す。また、図６における実際の数値を表１に示す。

図５を参照して本発明の虚像光学系の構成について説明する。この図５は、図１に示した本発明の第一の実施形態の虚像光学系において小型化の検討を行うための基本構成を示した全体構成図である。説明の簡略化のために、収差および歪曲収差補正用の光学素子は省略し、図４に示したウインドガラス６と同様に、その垂直断面形状を示している。映像表示装置４としては、液晶パネルを想定し、バックライト５を配置した構成を基本構成として、映像表示装置４は、表示された映像を凹面ミラー１によって虚像が得られる位置に配置する。

この時、図５に示したように、映像表示装置４の画面中央の映像から発生した映像光Ｒ２、上端からの映像光Ｒ１、および、下端からの映像光Ｒ３は、それぞれ、凹面ミラー１で反射した際に映像表示装置４に干渉して光が遮られないように配置することが設計的な制約となる。

図６は、上述した設計制約を考慮して、同時に、ＦＯＶの水平：７度，垂直２．６度とし、更に、虚像距離２ｍとして、凹面ミラー１と映像表示装置４（液晶パネルとバックライト５）との間隔Ｚをパラメータとして情報表示装置１００の容積を求めた。距離Ｚが１００ｍｍの場合は、図６（ｃ）に示した構成となり、この場合、凹面ミラー１の垂直寸法を最も小さくできる。距離Ｚを７５ｍｍとした場合には、図６（ｂ）に示すように、水平面と凹面ミラー１の角度α２が大きくなり、凹面ミラー１の垂直寸法も大きくなる。距離Ｚを更に短縮して５０ｍｍ以下にすると、図６（ａ）に示すように、水平面と凹面ミラー１の角度α３が大きくなり、凹面ミラー１の垂直寸法も更に大きくなる。

図７は、距離Ｚをパラメータとして、映像表示装置４のセット高さとセット奥行きの関係をシミュレーションした結果である。距離Ｚを小さくすると、セット奥行きが低減できる一方、セット高さが高くなる。同様に、図８は、距離Ｚとセット容積Ｌの関係をまとめたものであり、映像表示装置４から凹面ミラーまでの空間容積（図８では、光路容積と表示）に比べ、セット容積（ＬＣＤ駆動回路，光源駆動回路、バックライト部体積含む）の変化は距離Ｚが６０ｍｍを境界として変化する。

以上のことから、情報表示装置１００を小型化するためには、映像表示装置４に表示された映像を直接凹面ミラーで拡大する距離Ｚが短い虚像光学系を実現する必要があり、映像表示装置４の映像表示部の画面垂直方向中心は凹面ミラー１の中心より下側に配置されることが必要であることが判った。

一方、この配置では、映像表示装置４と凹面ミラー１の上端までの距離（光線Ｒ１に対応）が長く、映像表示装置４と凹面ミラー１の下端までの距離（光線Ｒ３に対応）は短くなる。そこで、映像表示装置４を、図６（ａ）の矢印方向に移動させ、映像光に干渉（光を遮る）しない範囲で移動させ、映像表示装置４と凹面ミラー１の距離が可能な限り均一になるように配置するのが良い。

本発明の虚像光学系では、映像表示装置４と凹面ミラー１の間に虚像の歪み補正と虚像で発生する収差を補正する光学素子による収差補正を行うが、これについて図９を用いて説明する。すなわち、凹面ミラー１の光軸上の点Ｏに対して焦点Ｆ（焦点距離ｆ）の内側に映像表示装置４（物点）を配置することで、凹面ミラー１による虚像を得ることができる。この図９では、説明の都合上、凹面ミラー１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（説明の都合上、図９では凹面ミラーで表記）と発生する虚像の関係を示した。

本発明では、凹面ミラー１で発生する歪みと収差を低減するために光学素子２を配置する。この光学素子により、透過型の光学レンズであっても凹面ミラーであっても良いが、映像表示装置４からの映像光が：
（１）テレセントリックな光束として反射面へ入射する場合は、レンズまたは凹面ミラー１の屈折力はほぼ零となる；
（２）映像表示装置４からの映像光が発散して光学素子に入射する場合には、光学素子は正の屈折力を持つ；
（３）映像表示装置４からの映像光が集光して光学素子に入射する場合には、光学素子は負の屈折力を持つ；
ようにして、凹面ミラーに入射する光束の方向（角度と位置）を制御し、発生する虚像の歪曲収差を補正する。更に、透過型の光学レンズの場合には、映像表示装置４側の入射面と凹面ミラー１側の出射面の相互作用により、虚像に発生する結像性能に関する収差を補正する。

この時、運転者が視認する虚像の大きさは、前述したように、フロントガラスの傾斜により生じる映像表示装置４と凹面ミラー１の距離ａと凹面ミラー１と虚像までの距離ｂが虚像の上端と下端で異なる。

このため、発明者らは、映像表示装置４を凹面ミラー１の光軸に対して図９に示すように傾けることで、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とで、発生する歪曲収差を低減すると更に良いことを発見した。

更に、光学素子２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して、前述したフロントガラスの垂直方向曲率半径Ｒｖと水平方向曲率半径Ｒｈの違いにより発生する光路差により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。

上記に述べたように、フロントガラス６に直接映像光を反射させて虚像を得る情報表示装置１００においては、フロントガラス６の垂直方向曲率半径Ｒｖと水平方向曲率半径Ｒｈの違い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になる。

このため、発明者等は、従来の光学設計に用いられてきた、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（下記の（数２）を参照）に対して、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（以下の数１の式を参照）を用いることで、上述したフロントガラスの曲率半径の違いによる虚像の結像性能低下を軽減した。

なお、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は、以下の数２の式のように表される。

図１０は、上述した第１の実施形態になる虚像光学系の映像表示装置４としての液晶パネルとバックライト光源５の要部拡大図である。液晶パネルのフレキシブル基板１０から入力された映像信号によりバックライトからの光を変調することで映像を液晶パネル表示面１１に表示し、表示された映像を虚像光学系（実施例では、自由曲面凹面ミラーと自由曲面光学素子）で虚像を生成して運転者に映像情報を伝える。

上記の構成では、バックライト光源５の光源素子には、固体光源として比較的安価で信頼性の高いＬＥＤ光源を用いる。ＬＥＤは、高出力化するために面発光タイプを使用するので、後述する技術的な工夫を用いて光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、残りは殆どが熱に変換される。このため、ＬＥＤを取り付けるフレームとしては、熱伝導率の高い部材（例えば、アルミニュウム等の金属部材）からなる放熱用のフィン１３を設けて熱を外部に放散させることで、ＬＥＤの発光効率そのものを向上させる効果が得られる。

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ので、ＬＥＤの温度低減の優先度を上げ、対応する放熱フィンの面積を大きくし冷却効率を高めた構成とすることが好ましい。ＬＥＤからの拡散光を効率よく液晶パネル４に導くため、図１１に示した例では、導光体１８を用いるが、塵などの付着が無いように、例えば、外装部材１６によって全体を覆いバックライト光源としてまとめることが好ましい。

また、この図１１には、光源であるＬＥＤと導光体および拡散板を含めた光源ユニットの要部拡大図が示されており、図からも明らかなように、ライトファネル２１、２２、２３、２４のＬＥＤからの発散光線を取り込む開口部２１ａ，２２ａ,２３ａ,２４ａは平面として、ＬＥＤとの間に媒質を挿入して光学的に接続するか、若しくは、凸面形状として集光作用を持たすことで、発散する光源光を可能な限り平行光として、ライトファネルの界面に入射する光の入射角を小さくする。その結果、ライトファネル通過後、更に、発散角を小さくできるので、導光体１８で反射後に液晶パネルに向かう光源光の制御が容易になる。

更に、ＬＥＤからの発散光の利用効率を向上させるために、ライトファネル２１～２４と導光体１８の接合部分２５に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とで、ＬＣＤへの入射光の効率を向上させることができる。

上述したように光源光の偏光方向を揃えた場合には導光体１８の素材としては複屈折が少ない材料を用いて偏波の方向が回転し液晶パネルを通過する場合に、例えば黒表示時に色付きなどの問題が発生しないようにすると更に良い。

以上に述べたように、発散角を低減したＬＥＤからの光束は導光体により制御され、導光体１８の斜面に設けた全反射面にて反射し、対向する面と液晶パネルの間に配置された拡散部材１４により拡散された後、映像表示装置として液晶パネル４に入射する。本実施例では、前述したように、導光体１８と液晶パネル４の間に拡散部材１４を配置したが、導光体１８の端面に拡散効果を持たせた、例えば、微細な凹凸形状を設けても同様な効果が得られる。

次に、上述した導光体１８の構成とそれにより得られる効果について、図１２および図１３を用いて説明する。図１２は本発明の導光体１８を示す外観図である。図１１に示したライトファネル２１～２４により発散角が低減された光束は、導光体１８の光入射面１８ａに入射するこの時、入射面の形状（断面形状を図１３に示す）効果により垂直方向（図１３の上下方向）の発散角が制御され、導光体１８内を効率よく伝播する。

図１３は、導光体の要部断面拡大図であり、ライトファネル２１～２４で発散角が低減された光源光は、接合部２５を経由して、上述したように入射面１８ａから入射し、対向面に設けられたプリズム１８によって全反射して対向面１７に向かう。全反射プリズム１８は、入射面１８ａの近傍（Ｂ部拡大図）と端部（Ａ部拡大図）で、その形状が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、全反射面の角度を制御している。一方、映像表示装置である液晶パネル４に入射する光束の当該液晶パネル４の出射面内での光量分布が均一となるように、前述した全反射面の分割寸法を変数として、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。

本発明の情報表示装置１００において、上記のバックライトからの出射光が液晶パネルを通過した状態をシミュレーションした結果を、図１４に示す。図１４（ａ）は液晶パネルの長手方向から見た光の出射状態を示す図であり、図１４（ｂ）は液晶パネルの短手方向から見た光の出射状態を示している。本発明ではＦＯＶの水平角度を設計以上に広げるため、水平方向の拡散角度を垂直方向に対して大きくして、運転者が首を振ったりして眼の位置が動いた場合においても、左右の眼によって視認される虚像の明るさが極端に変化しないように設計している。

また、本発明の実施例のように、導光体１８を用いて光の出射方向と強度を制御したバックライトを用いた場合における液晶パネル４の出射面の輝度分布と液晶パネルの特性評価の方法を、図１５および図１６に示す。図からも明らかなように、画面垂直方向（短辺方向）の輝度分布に対して画面垂直方向（長辺方向）の有効範囲以外での輝度低下の傾斜を小さくできる。

本発明の情報表示装置１００において映像表示装置として使用した液晶パネルからの出射光（映像光）は、図１７および図２０に示すように、左右，上下方向の視角をパラメータとした場合、±５０°の範囲で所定の透過率を示す。視角の範囲を±４０°以内とすれば、より良好な透過率特性を得ることができる。この結果、図１８や図２１に示すように、表示画面の左右方向と上下方向において、画面を観視する方向（視角）により画面の輝度が大きく異なる。これは、図１９および図２２に示したバックライト輝度の角度特性による。

このため、発明者らは、虚像光学系に取り込む液晶パネル４からの出射光をできる限り画面に垂直な光として得られるように、導光体１８の全反射面の角度とライトファネル２１～２４によるＬＥＤからの光源光の発散角の制御を行ってバックライトの視角特性を少ない範囲に絞り込むことで、高い輝度を得た。具体的には、図１８および図２１に示したように、高輝度な映像を得るためには、左右の視野角で±３０°の範囲の光を使用し、図２３および図２５に示すコントラスト性能も考慮すると、±２０°以下に絞ることで、同時に良好な画質の源画像を用いた虚像を得ることができた。

以上にも述べたように、映像表示装置の画質を左右するコントラスト性能は、画質を決める基となる黒表示した場合の輝度（図２４および図２６では、黒表示輝度と標記）をどこまで下げられるかで決まる。このため、液晶パネル４とバックライトの間には、偏光度が高いヨウ素系の偏光板を用いることが好ましい。

一方、光学素子２側（光出射面）に設ける偏光板としては、染料系偏光板を用いることで、外光が入射した場合や環境温度が高い場合においても高い信頼性を得ることができる。

液晶パネル４でカラー表示を行う場合には、それぞれの画素に対応したカラーフィルターを設ける。このため、バックライトの光源色が白色の場合には、カラーフィルターでの光吸収が大きく、損失が大きくなる。そこで、発明者等は、上記の図１１に示したように、複数のＬＥＤを使用して：
（１）白色ＬＥＤを複数使用する場合に比べ、明るさへの寄与が大きい緑ＬＥＤを追加する。
（２）白色ＬＥＤに赤色または青色ＬＥＤを追加して、画像の艶色性を高める。
（３）赤、青、緑のＬＥＤ個別に配置し、明るさへの寄与が大きい緑色ＬＥＤを追加して個別にＬＥＤを駆動することで、色再現範囲を拡大して艶色性を高めると同時に明るさも向上する。
（４）上記の（３）を実施することで赤、青、緑ＬＥＤのピーク輝度に対するそれぞれのカラーフィルターの透過率を上げて、全体としての明るさを向上する。
（５）更に、バックライトの第二の実施例として、ライトファネルと導光体の間にＰＢＳを配置して特定の偏波に揃えることで、液晶パネル入射側の偏光板へのダメージを軽減する。なお、液晶パネル入射側の配置する偏光板の偏光方向は、ＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）通過後に特定方向に揃えた偏波が通過する方向とすれば良いことは言うまでもない。

以上にも述べたように、本発明の実施形態における映像光源装置４として、液晶表示パネル出射面にはλ／４板を設けて出射光を円偏光とすることも可能である。その結果、運転者は、偏光サングラスを装着していても、良好な虚像を監視することができる。

更に、虚像光学系で使用する反射ミラーの反射膜を金属多層膜で成膜することによっても、反射率の角度依存性が少なく、偏光方向（Ｐ波またはＳ波）によって反射率が変わることがないため、画面の色度や明るさを均一に保つことが可能となる。

更に、虚像光学系とフロントガラスの間に、紫外線反射膜や紫外線反射膜と赤外線反射膜を合わせた光学部材を設けることによれば、外光（太陽光）が入射しても、液晶表示パネルおよび偏光板をその温度上昇やダメージから軽減できるので、情報表示装置の信頼性を損なうことがないという効果が得られる。

また、虚像光学系は、従来技術において被投影部材とされていたフロントガラスの車両水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径の差も含めて最適設計を行い、フロントガラスと映像表示装置または中間像表示部の間には、フロントガラス６側に凹面を向けた凹面ミラー１を配置しており、これにより、映像表示装置の映像を拡大し、フロントガラス６において反射する。この時、前述の凹面ミラー１と映像表示装置４の間には、光学素子が配置されており、他方、運転者の視点位置に対応して結像する前記映像の拡大像（虚像）を形成する映像光束は、映像表示装置間に配置された前記光学素子を通過し、凹面ミラー１で発生する歪みや収差を補正する。そのため、従来の凹面ミラーのみの虚像光学系に比べて、歪みと収差が大幅に低減された虚像を得ることができる。

更に、図１に示した本発明では、フロントガラス６の上部（車体垂直方向上部）に反射されて得られる虚像は、より遠方に結像する必要がある。このため、これに対応した映像が表示される映像表示装置の上部から発散される映像光束を良好に結像させるためには、前述の凹面ミラー１と映像表示装置４の間に配置した光学素子の焦点距離ｆ１は、短く、反対に、フロントガラス６の下部（車体垂直方向下部）に反射されて得られる虚像は、より近傍に結像する必要がある。このため、これに対応した映像が表示される映像表示装置の下部から発散される映像光束を良好に結像させるため、前述の凹面ミラー１と映像表示装置４の間に配置した複数の光学素子の合成焦点距離ｆ２は、相対的に長く設定されると良い。

また、本発明では、フロントガラス６の水平方向（地面に平行）曲率半径と垂直方向（フロントガラス水平方向に垂直な方向）の曲率半径が異なることで運転者が観視する虚像の画面歪みを補正するため、虚像光学系に、光軸に対して軸対称性が異なる光学素子を配置することで、上述した歪みの補正を実現している。

以上、本発明の種々の実施例になる画像表示デバイスを備えた電子装置に用いるのに適した面状の光源装置について述べた。しかしながら、本発明は、上述した実施例のみに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を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。

１００…情報表示装置、１０１…自動車、１…凹面ミラー、２…光学素子、４…液晶表示パネル、５…バックライト光源、６…被投影部材（フロントガラス）、７…筐体、Ｖ１…虚像、８…アイボックス（観察者の眼）、９…光源ユニット、Ｒ１…上限映像光、Ｒ２…中央映像光、Ｒ３…下限映像光、１０…フレキシブル基板、１１…映像表示面、１２…フレーム、１３…フィン、１４…拡散部材、１６…外装部材、１７…出射面、１８…導光体、２０…ライトファネルユニット、２１…ライトファネル、２２…ライトファネル、２３…ライトファネル、２４…ライトファネル、２１ａ…ライトファネル開口部、２２ａ…ライトファネル開口部、２３ａ…ライトファネル開口部、２４ａ…ライトファネル開口部、２５…接合部分（ＰＢＳ）。

Claims (9)

1. ヘッドアップディスプレイ装置であって、
   画像を表示する表示素子と、
   前記表示素子に光を供給する光源装置と、
   前記表示素子からの光に基づいて虚像を表示させるための光学系と、を備え、
   前記光源装置は、光源からの発散光の発散角を低減する手段と、前記表示素子への光出射方向と発散角を調整する反射面を有し、前記光源からの光を前記表示素子に伝搬する導光体と、を備え、
   前記光学系は、光路上に配置された光学素子と反射ミラーとを含み、
   前記光学素子は、前記表示素子から光線出射角に合わせて前記反射ミラーに入射する光束の方向を調整する面形状を有し、
   フロントガラスの垂直方向と水平方向の曲率半径に応じて、前記反射ミラーの水平断面形状は、前記反射ミラーが光路上に配置された状態において、鉛直方向を基準として、上部と下部との平均曲率半径が異なる形状であり、
   前記表示素子の表示領域の中心が、前記反射ミラーの中心より、鉛直方向を基準として、下側となるように配置され、かつ、
   前記反射ミラーは、前記反射ミラーからの反射光が前記表示素子と前記光学素子によって遮られないように配置され、
   前記光学素子の光軸方向の厚さを鉛直方向で変えた形状とすることで前記反射ミラーと前記表示素子の光学的な距離を変えて、前記虚像の表示位置を遠方から近接位置まで連続的に変化させる、
   ヘッドアップディスプレイ装置。
2. ヘッドアップディスプレイ装置であって、
   画像を表示する表示素子と、
   前記表示素子に光を供給する光源装置と、
   前記表示素子からの光に基づいて虚像を表示させるための光学系と、を備え、
   前記光源装置は、光源からの発散光の発散角を低減する手段と、前記表示素子への光出射方向と発散角を調整する反射面を有し、前記光源からの光を前記表示素子に伝搬する導光体と、を備え、
   前記光学系は、光路上に配置された光学素子と反射ミラーとを含み、
   前記光学素子は、前記表示素子から光線出射角に合わせて前記反射ミラーに入射する光束の方向を調整する面形状を有し、
   フロントガラスの垂直方向と水平方向の曲率半径に応じて、前記反射ミラーの水平断面形状は、前記反射ミラーが光路上に配置された状態において、鉛直方向を基準として、上部では下部よりも拡大率が大きくなるように平均曲率半径が小さい形状であり、
   前記フロントガラスの上部で反射されて得られる虚像が、下部で反射されて得られる虚像よりも、運転者の視点位置からみて遠方に形成されるように、前記光学素子の光軸方向での光学的距離は、前記光学素子の上部における光束が経由する光学的距離が、前記光学素子の下部における光束が経由する光学的距離よりも短くなるように設定され、
   前記光学素子の光軸方向の厚さを鉛直方向で変えた形状とすることで前記反射ミラーと前記表示素子の光学的な距離を変えて、前記虚像の表示位置を遠方から近接位置まで連続的に変化させる、
   ヘッドアップディスプレイ装置。
3. 請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記反射ミラーは、前記反射ミラーからの反射光が前記表示素子と前記光学素子によって遮られないように配置されている、
   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であって、
   前記光学素子の光軸方向での光学的距離は、前記光学素子の上部における光束が経由する光学的距離が、前記光学素子の下部における光束が経由する光学的距離よりも短い、
   ヘッドアップディスプレイ装置。
5. 請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記表示素子の表示領域の中心が、前記反射ミラーの中心より、鉛直方向を基準として、下側となるように配置される、
   ヘッドアップディスプレイ装置。
6. 請求項１～５のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記反射ミラーは、光路上において、前記表示素子と投射面との間に配置され、
   前記光学素子は、前記表示素子と前記反射ミラーとの間に配置される、
   ヘッドアップディスプレイ装置。
7. 請求項１～６のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記光学素子は、水平方向の平均曲率半径と垂直方向の平均曲率半径とが異なる、
   ヘッドアップディスプレイ装置。
8. 請求項１～７のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記表示素子は、前記反射ミラーの光軸に対し傾斜して配置される、
   ヘッドアップディスプレイ装置。
9. 請求項１～８のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記導光体は、前記光源からの光を反射する反射面を前記導光体の内側に有し、前記反射面は互いに分離している、
   ヘッドアップディスプレイ装置。

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