JP2011070074A - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】
フロントウインドウに対して表示像の奥行き位置を自由に制御でき、インパクトのある表示が可能なヘッドアップディスプレイを提供することを目的とする。
【解決手段】
ヘッドアップディスプレイは、車輌のダッシュボード上面に配置される表示装置であって、ダッシュボード内部に配置される被観察物と、ダッシュボード上面に配置され観察者側の空間からダッシュボード内部の空間を仕切り且つ対称面を含む半透過性の基盤を有し且つ基盤を介して該観察者側の空間に被観察物の実像を結像させる実鏡映像結像光学系と、観察者側の空間に配置され且つ実鏡映像結像光学系からの被観察物の実像の光を反射して該観察者へと導き該観察者へ観察像を供給する反射部材と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、車輌における運転者に対する情報表示手段としての表示装置に関し、特に、ヘッドアップディスプレイに関する。

自動車など車輌においては、計器情報、例えば、速度、エンジン回転数などを示す各種表示がスピードメータや回転計などにより、運転者に伝えられており、例えば、ダッシュボード上にいわゆるメータクラスタ（計器盤）が設置されている。また、最近ではダッシュボード上のフロントウインドウにこれらの情報を表示する、いわゆるヘッドアップディスプレイが利用されるようになっている（例えば特許文献１、参照）。

特開平０９−１５５５５公報

特許文献１のヘッドアップディスプレイでは、運転者が観察する表示像はフロントウインドウに反射した虚像である。従って、フロントウインドウを隔てて運転者とは反対側の空間、つまり車外に表示像があるように運転者は観察することになる。

表示像を観察する位置は被観察物とフロントウインドウとの距離やその間に配置される鏡面の曲率半径によって決まることになるが、何れにしても運転者には車外（フロントウインドウより外側）に表示像を観察することになり、決して車内（フロントウインドウより内側）に表示像を観察することはできない。

このように、虚像を用いた従来のヘッドアップディスプレイでは、フロントウインドウの外側（車外）と内側（車内）の両方の空間に表示像を運転者が観察することは不可能である。

そこで本発明は、フロントウインドウに対して表示像の位置（奥行き）を自由にコントロールでき、インパクトのある表示が可能なヘッドアップディスプレイを提供することを目的とする。

本発明は、車輌のダッシュボード上面に配置される表示装置であって、ダッシュボード内部に配置される被観察物と、ダッシュボード上面に配置され観察者側の空間からダッシュボード内部の空間を仕切り且つ対称面を含む半透過性の基盤を有し且つ基盤を介して該観察者側の空間に被観察物の実像を結像させる実鏡映像結像光学系と、観察者側の空間に配置され且つ実鏡映像結像光学系からの被観察物の実像の光を反射して該観察者へと導き該観察者へ観察像を供給する反射部材と、を含むことを特徴とする。

本発明は、例えば反射部材としてのフロントウインドウの外側（車外）と内側（車内）の両方の空間に表示像を観察することが可能なヘッドアップディスプレイを実現するものであり、具体的には、車輌のダッシュボード上面に配置される被観察物の実像（実鏡映像）を観察者側（ヘッドアップディスプレイの場合は運転者）の空間に結像させる実鏡映像結像光学系と、実鏡映像結像光学系の観察者側とは反対側の空間に配置される実像（実鏡映像）を形成するための被観察物と、実鏡映像結像光学系に対して観察者と同じ側に配置され実鏡映像結像光学系からの光の一部を反射して該観察者へと導く反射部材を具備したヘッドアップディスプレイを使用することにより実現するものである。

フロントウインドウがこの反射部材を兼ねている場合、もしくは、この反射部材がフロントウインドウ表面に形成されている場合はヘッドアップディスプレイとして実現される。

また、反射部材がフロントウインドウ表面に貼着されていても本発明は、実現できる。

被観察物と実鏡映像結像光学系の距離が、反射部材（フロントウインドウ）と実鏡映像結像光学系の距離より短い場合は、運転者は反射部材（フロントウインドウ）の外側（車外）に虚像として観察像を観察することになる。逆に、被観察物と実鏡映像結像光学系の距離が、反射部材（フロントウインドウ）と実鏡映像結像光学系の距離より長い場合は、運転者は反射部材（フロントウインドウ）の内側（車内）に実像として観察像を観察することになる。よって、このヘッドアップディスプレイにおいては、実鏡映像結像光学系に対する被観察物の位置を変化させる手段を有することができる。さらに、被観察物と実鏡映像結像光学系を結ぶ直線上で被観察物を動かす手段を有することもできる。

つまり、被観察物と実鏡映像結像光学系の距離によって、運転者は反射部材（フロントヴインドー）に対して観察像の位置を車内もしくは車外、さらにフロントウインドウ上（観察像が突き刺さって見える）に見ることができる。よって、このヘッドアップディスプレイにおいては、観察像が反射部材を横切る状態、観察像が反射部材の鏡面内の虚像となる状態、及び、反射部材の鏡面外の実像となる状態のうち少なくとも２つの状態をとるように、被観察物の位置を変化させることができる。このように、被観察物と実鏡映像結像光学系の距離を制御するには、複数の位置に配置させた複数の被観察物を用意して適宜使用する被観察物を選択すれば良い。

被観察物と実鏡映像結像光学系の矩離を制御する別の方法としては、被観察物と実鏡映像結像光学系を結ぶ直線上で被観察物を動かすことが考えられる。この場合は、被観察物を動かす距離を、観察者（運転者）が、実鏡映像結像光学系と反射部材によって形成される実像と、実鏡映像結像光学系により結像された実像の反射部材によって形成される虚像の、両方の像を観察できるまでの範囲に渡る範囲に設定することにより実現するものである。

実鏡映像結像光学系の基盤を形成する構成材が前記ダッシュボードと一体に形成されていることが望ましい。また、実鏡映像結像光学系の基盤を形成する構成材の上面を前記ダッシュボードと同じ色に着色することが望ましい。

本発明において実鏡映像結像光学系とは、対称面（基盤）に対して斜め方向からの視点から被観察物の実鏡映像を観察することができるものであり、その一つの具体例としては、２面コーナーリフレクタアレイからなる実鏡映像結像光学系を挙げることができる。２面コーナーリフレクタアレイは、２つの直交する鏡面により構成される２面コーナーリフレクタを複数、平面的に集合させたものであり、全ての鏡面に対して垂直となる共通な平面を、被観察物と実像との対称面となる素子面としたものである。この２面コーナーリフレクタアレイは、被観察物から発せられる光を各２面コーナーリフレクタの２つの鏡面で１回ずつ反射させ且つその素子面を透過させることにより、２面コーナーリフレクタアレイの素子面を対称面として被観察物の面対称位置に、その被観察物の実鏡映像を結像させる作用を有している。

ここで、２面コーナーリフレクタアレイについて考察すると、光線を各２面コーナーリフレクタにおいて適切に屈曲させつつ素子面を透過させるには、２面コーナーリフレクタを、素子面を貫通する方向に想定される光学的な穴の内壁を鏡面として利用するものと考えればよい。ただし、このような２面コーナーリフレクタは概念的なものであり、必ずしも物理的な境界などにより決定される形状を反映している必要は無く、例えぱ光学的な穴は相互に独立させることなく連結させたものとすることができる。

２面コーナーリフレクタアレイの構造は、単純に述べれば、素子面にほぼ垂直な鏡面を、素子面上に多数並べたものである。構造として問題となるのは、この鏡面をどのように素子面に支持固定するかということになる。鏡面形成のより具体的な方法としては、例えば２面コーナーリフレクタアレイを、所定の空間を区画する基盤を具備するものとして、当該基盤を通る１つの平面を素子面としてとして規定し、各２面コーナーリフレクタを、素子面を貫通する方向に想定される光学的な穴として、基盤に形成された穴の内壁を鏡面として利用するものとすることができる。この基盤に形成された穴は、光が透過するように透明でありさえすればよく、例えば内部が真空もしくは透明な気体もしくは液体で満たしたものでもよい。また穴の形状についても、その内壁に単位光学素子として働くための１枚もしくは複数の同一平面に含まれない鏡面を具備し、且つ、鏡面で反射した光が穴を透過できる限り、任意の形状を取ることが可能であり、各穴が連結していたり、一部が欠損している複雑な形状であってもよい。例えば、基盤の表面に個々の独立した鏡面が林立する態様などは、基盤に形成された穴が連結しているものと理解できる。

あるいは、２面コーナーリフレクタは、光学的な穴として透明なガラスや樹脂のような固体によって形成された筒状体を利用するものであってもよい。なお、固体によって個々の筒状体が形成されている場合、これらの筒状体は、相互に密着させて素子の支持部材として働かせてもよく、基盤を具備するものとして当該基盤の表面から突出した態様をとってもよい。また筒状体の形状についても、その内壁に２面コーナーリフレクタとして働くための１枚又は複数の同一平面に含まれない鏡面を具備し、且つ、鏡面で反射した光が筒状体を透過できる限り、任意の形状を取ることが可能であり、筒状体と称してはいるが各筒状体が連結していたり、一部が欠損している複雑な形状であってもよい。

ここで、前記光学的な穴として、立方体又は直方体のように隣接する内壁面が全て直交する形状を考えることができる。この場合、２面コーナーリフレクタ相互の間隔を最小化することができ、高密度な配置が可能となる。ただし、被観察物方向を向く２面コーナーリフレクタ以外の面は、反射を抑制することが望ましい。

２面コーナーリフレクタ内に複数の鏡面が存在する場合には、想定された回数以上の反射を起こす多重反射の透過光が存在する可能性がある。この多重反射対策として、光学的な穴の内壁に相互に直交する２つの鏡面を形成する場合は、これら２鏡面以外の面を、非鏡面として光が反射しないようにしたり、素子面に対して垂直とならないように角度を付けて設けたり曲面としたりすることで、３回以上の反射を起こす多重反射光を軽減又は除去できる。非鏡面とするには、その面を反射防止用の塗料や薄膜で覆う構成や、面粗さを粗くして乱反射を生じさせる構成を採用することができる。なお、透明で平坦な基盤としても光学素子の働きを阻害するものではないので、基盤を任意に支持部材・保護部材として用いることが可能である。

さらに、映像の実鏡映像の高輝度化を図るには、複数の２面コーナーリフレクタを、素子面上においてできるだけ間隔を空けずに配置することが望ましく、例えば格子状に配置することが有効である。またこの場合、製造も容易になるという利点がある。２面コーナーリフレクタにおける鏡面としては、固体であるか液体であるかに関わらず金属や樹脂などの光沢のある物質によって形成された平坦面で反射するもの、あるいは異なる屈折率を持つ透明媒質同士の平坦な境界面において反射又は全反射するものなどを利用することができる。また、鏡面を全反射によって構成した場合には、複数の鏡面による望まない多重反射は、全反射の臨界角を超える可能性が高くなることから、自然に抑制されることが期待できる。また、鏡面は、機能的に問題ない限り、光学的な穴の内壁のごく一部分に形成されていてもよく、平行に配置される複数の単位鏡面により構成されても構わない。後者の態様を換言すれば、１つの鏡面が複数の単位鏡面に分割されても構わないことを意味する。またこの場合、各単位鏡面は、必ずしも同一平面に存在していなくてもよく、それぞれが平行であればよい。さらに、各単位鏡面は、当接している態様、離れている態様のいずれもが許容される。

さらに、本発明において実鏡映像結像光学系として適用可能な他の具体例としては、光線を再帰反射させるレトロリフレクタアレイと光線を反射および透過させるハーフミラー面を有するハーフミラーとを具備する光学系である。この実鏡映像結像光学系においては、ハーフミラー面を対称面とし、被観察物から出た光線のうちハーフミラーで反射又は透過した光線を再帰反射し得る位置にレトロリフレクタアレイを配置しているものを挙げることができる。なお、レトロリフレクタアレイは、ハーフミラーに対して被観察物と同じ側の空間にのみ配置され、ハーフミラーで反射した光を再帰反射する位置に設けられる。ここでレトロリフレクタの作用である「再帰反射」とは、反射光を入射光が入射してきた方向へ反射（逆反射）する現象をいい、入射光と反射光とは平行であり且つ逆向きとなる。このようなレトロリフレクタの複数をアレイ状に配置したものがレトロリフレクタアレイであり、個々のレトロリフレクタが十分に小さい場合は、入射光と反射光の経路は重なると見なすことができる。このレトロリフレクタアレイにおいてレトロリフレクタは平面上に存在している必要はなく、曲面上にあってもよく、さらには同一面上に存在している必要はなく、各レトロリフレクタは３次元的に散在していても構わない。また、ハーフミラーは、光線を透過させる機能と反射させる機能の両方を備えているものをいい、好ましくは透過率と反射率がほぼ１：１のものが理想的である。

レトロリフレクタには、３つの隣接する鏡面から構成されるもの（広義には「コーナーリフレクタ」と呼ぶことができる）や、キャッツアイレトロリフレクタを利用することができる。コーナーリフレクタには、相互に直交する３つの鏡面から構成されるコーナーリフレクタ、３つの隣接する鏡面がなす角度のうち２つが９０度であり、且つ他の１つの角度が９０／Ｎ度（ただしＮは整数）をなすもの、３つの鏡面がなす角度が９０度、６０度および４５度となる鋭角レトロリフレクタなどを採用することができる。

このようなレトロリフレクタアレイとハーフミラーを利用する実鏡映像結像光学系の場合、被観察物から出た光はハーフミラー面で反射し、さらにレトロリフレクタアレイで再帰反財して必ず元の方向に戻り、ハーフミラー面を透過して結像するため、ハーフミラーからの反射光を受けられる位置にある限りレトロリフレクタアレイの形状や位置は限定されない。そして、結像した実像の観察は、ハーフミラー面を透過する光線に対向する方向から観察することができる。

ここで、被観察物としてはネオンサインや表示パネル（非常灯のように光源と表示パネルを組み合わせたもの）のように固定表示の他に、液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイや有機ＥＬディスプレイのような電子ディスプレイの表示面に表示される画像、さらにはＬＥＤのような小型光源を複数並べて発光場所を制御することにより得られるアレイ光源などが利用できる。

本発明によれば、反射部材（フロントウインドウ）に対して観察像の位置を自由にコントロールできるためインパクトのある表示が可能なヘッドアップディスプレイが実現できる。

本発明の一実施形態のヘッドアップディスプレイを適用した車両の内装の一部を示す概観斜視図である。 同実施形態のヘッドアップディスプレイの要部を側方から見た状態を模式的に示す概略側面図である。 同実施形態のヘッドアップディスプレイの要部を観測者側から見た状態を模式的に示す概略斜視図である。 同実施形態に適用される２面コーナーリフレクタアレイ単体の結像様式を模式的に示す概略斜視図である。 同実施形態のヘッドアップディスプレイに適用される２面コーナーリフレクタレイの具体的構成例を模式的に示す概略平面図および部分切欠斜視図である。 同実施形態のヘッドアップディスプレイに適用される２面コーナーリフレクタアレイによる結像様式を模式的に示す概略平面図である。 同実施形態のヘッドアップディスプレイに適用される２面コーナーリフレクタアレイによる結像様式を模式的に示す概略側面図である。 同実施形態のヘッドアップディスプレイに適用される２面コーナーリフレクタアレイにハーフミラーを組合せた場合の結像様式を模式的に示す概略平面図である。 同実施形態のヘッドアップディスプレイに適用される２面コーナーリフレクタアレイにハーフミラーを組合せた場合の結像様式を模式的に示す概略側面図である。 本発明の他の実施形態のヘッドアップディスプレイの要部を側方から見た状態を模式的に示す概略側面図である。 本発明の他の実施形態のヘッドアップディスプレイの要部を側方から見た状態を模式的に示す概略側面図である。 本発明の他の実施形態のヘッドアップディスプレイの要部を側方から見た状態を模式的に示す概略側面図である。 本発明の他の実施形態を示す実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイおよびレトロリフレクタの他の例による光線の再帰反射の態様を模式的に示す概略側面図である。 同実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイの概略部分平面図および該レトロリフレクタの一例による光線の再帰反射の態様を模式的に示す概概略部分平面図である。 同実鏡映像結像光学系に適用される他のレトロリフレクタアレイの概略部分平面図および該レトロリフレクタの他の例による光線の再帰反射の態様を模式的に示す概概略部分平面図である。

以下に、本発明による一実施形態のヘッドアップディスプレイについて、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態であるヘッドアップディスプレイ１を含む自動車などの車両のダッシュボード周りを示す概観斜視図である。図２は、当該ヘッドアップディスプレイ１の動作を説明するための概略断面図である。図３は、当該ヘッドアップディスプレイ１の動作を説明するための運転者側から見た概略斜視図である。

このヘッドアップディスプレイ１は、自動車などの運転席前方のダッシュボード２上部（すなわち上面側の空間：観察者側）のフロントウインドウ７を反射部材として配置して用いた場合に本発明を適用したものである。具体的にヘッドアップディスプレイ１は、ダッシュボード２上（一体的）に実鏡映像結像光学系として２面コーナーリフレクタアレイ６を設け、さらに、ダッシュボード２内の空間（すなわち下面側の空間：被観察物側）に被観察物４を配置している。図２（ａ）では被観察物４から発せられた光は２面コーナーリフレクタアレイ６で反射され、フロントウインドウ７でさらに反射されて、フロントウインドウ７の手前側に空中映像５を実鏡映像５で結像する。すなわち、観察者である運転者はフロントウインドウ７の手前に空中映像５を観察することができる。

図２（ｂ）は観察者がフロントウインドウ７の奥側、つまり車外の空間に空中像５を観察できる場合を示したものである。図２（ａ）と同（ｂ）の違いは２面コーナーリフレクタアレイ６と被観察物４との距離だけであり、図２（ｂ）では図２（ａ）に比べてこの距離が短くなっている。２面コーナーリフレクタアレイ６と被観察物４の距離が２面コーナーリフレクタアレイ６とフロントウインドウ７の矩離より短い場合は、被観察物の実鏡映像５はフロントウインドウ７の手前側の空間に形成されるが観察者はこの実鏡映像５を直接観察することはできず、フロントウインドウ７に映り込んだ虚像をフロントウインドウ７の外側の空間に虚像の時の空中像５’として観察する。

図３に示すように、２面コーナーリフレクタアレイ６と被観察物４の例えば液晶ディスプレイとの距離が遠い場合、液晶ディスプレイの表示面に表示される被観察物であるスピードメータなどの画像を上下逆にした画像６とすることで、ダッシュボード２の上部空間に、その画像の観察像５として浮かび上がらせるようにしている（図２（ａ））。

図１〜図３に示すように、本発明のヘッドアップディスプレイ１は、実鏡映像結像光学系としての２面コーナーリフレクタアレイ６と、２面コーナーリフレクタアレイ６を挟んで観察者Ｖとは反対側の空間（ダッシュボード２内側）に設けられた被観察物４とを有し、さらに、２面コーナーリフレクタアレイ６の観察者Ｖ側の空間にフロントウインドウ７が配置されている。被観察物４から発せられた光は２面コーナーリフレクタアレイ６で２回の反射を伴って２面コーナーリフレクタアレイ６を通過し、次いでフロントウインドウ７で反射され、観察者Ｖの視線上に空中像５を実鏡映像で結像する（図２（ａ））。なお、フロントウインドウ７は２面コーナーリフレクタアレイ６に対して、その通過光を観察者Ｖに導くのに適度な角度に設定されている。すなわち、被観察物４、２面コーナーリフレクタアレイ６およびフロントウインドウ７は、被観察物４から発せられた光が２面コーナーリフレクタアレイ６で反射され、次にフロントウインドウ７に向かうように、配置されている。

以上の関係をさらに詳しく説明するために、まずは２面コーナーリフレクタアレイ単体の構成および作用について説明し、次いで、反射部材を追加した場合の作用について述べる。

２面コーナーリフレクタアレイ６単体は、図４に模式的に示すように、２つの相互に直交する鏡面６１ａ，６１ｂから構成される２面コーナーリフレクタ６１の多数の集合であり、全２面コーナーリフレクタ６１を構成するそれぞれ２つの鏡面６１ａ，６１ｂに対してほぼ垂直な平面を素子面６Ｓとし、この素子面６Ｓを対称面とする面対称位置に被観察物４の実鏡映像５を結像させることができるものである。なお、本実施形態において２面コーナーリフレクタ６１は２面コーナーリフレクタアレイ６の全体の大きさ（ｃｍオーダ）と比べて非常に微小（μｍオーダ）であるので、図３、図４では２面コーナーリフレクタ６１の集合全体をグレーで表し、鏡面の開く内角の向きをＶ字形状で表し２面コーナーリフレクタ６１を誇張して表現してある。そして、図５では、２面コーナーリフレクタアレイ６の模式的な平面図を図５（ａ）に、同（ｂ）に部分的な斜視図を示す。但し、図５では、２面コーナーリフレクタアレイ６の全体に比して、２面コーナーリフレクタ６１および鏡面６１ａ，６１ｂを大きく誇張して表している。

２面コーナーリフレクタアレイ６は、例えば光線を屈曲しつつ透過し得るように、平板状の基盤６０に、その平らな表面に対して垂直に肉厚を貫通する物理的・光学的な穴を多数形成し、各穴の内壁面を２面コーナーリフレクタ６１として利用するために、穴の内壁面のうち直交する２つにそれぞれ鏡面６１ａ，６１ｂを形成したものを採用することができる。したがって、基盤６０が少なくとも半透過性となるように、図５に示すように、薄い平板状の基盤６０に平面視ほぼ矩形状（例えば正方形状）の光線が透過する物理的・光学的な穴（例えば一辺が例えば５０〜２００μｍ）を多数形成し、各穴のうち隣接して直交する２つの内壁面に平滑鏡面処理を施して鏡面６１ａ，６１ｂとすれば、これら２つの鏡面６１ａ，６１ｂが反射面として機能する２面コーナーリフレクタ６１を得ることができる。なお、穴の内壁面のうち２面コーナーリフレクタ６１を構成しない部分には鏡面処理を施さず光が反射不能な面とするか、又は角度をつけるなどして多重反射光を抑制することが好ましい。また、各２面コーナーリフレクタ６１は、基盤６０上において鏡面６１ａ，６１ｂがなす内角が全て同じ向きとなるように、規則的な格子点上に整列させて形成することが好ましい。よって、各２面コーナーリフレクタでは、２つの直交する鏡面の交線ＣＬが素子面６Ｓに直交することが好ましい。以下、この鏡面６１ａ，６１ｂの内角の向きを、２面コーナーリフレクタ６１の向き（方向）と称することがある。

鏡面６１ａ，６１ｂの形成にあたっては、例えば金属製の金型をまず作成し、鏡面６１ａ，６１ｂを形成すべき内壁面をナノスケールの切削加工処理や、金型を用いたプレス工法をナノスケールに応用したナノインプリント工法又は電鋳工法による処理をすることによって鏡面形成を行い、これらの面粗さを１０ｎｍ以下とし、可視光スペクトル域に対して一様に鏡面となるようにするとよい。なお、電鋳工法によりアルミニウムやニッケルなどの金属で基盤６０を形成した場合、鏡面６１ａ，６１ｂは、金型の面粗さが十分小さければ、それによって自然に鏡面となるが、ナノインプリント工法を用いて、基盤６０を樹脂製などとした場合には、鏡面６１ａ，６１ｂを作成するには、スパッタリングなどによって、鏡面コーティングを施す必要がある。また、隣り合う２面コーナーリフレクタ６同士の離間寸法を極力小さく設定することで、透過率を向上させることができる。また、このような２面コーナーリフレクタアレイ６の上面（観察者から見える側の面）には、低反射剤を塗布するなどの処理を行うことが好ましい。但し、２面コーナーリフレクタアレイ６の構成は上述のものに限定されず、直交する２つの鏡面６１ａ，６１ｂにより２面コーナーリフレクタ６１が多数形成され、且つ各２面コーナーリフレクタ６１が光学的な穴として光を透過するものであれば、適宜の構成および製造方法を採用することができる。

そして、２面コーナーリフレクタアレイ６では、各２面コーナーリフレクタ６１は、裏面側から穴に入った光を一方の鏡面６１ａ（又は６１ｂ）で反射させ、さらにその反射光を他方の鏡面６１ｂ（又は６１ａ）で反射させて表面側へと通過させる機能を有し、この光の進入経路と射出経路とが素子面６Ｓを挟んで面対称をなすこととなる。すなわち、２面コーナーリフレクタアレイ６の素子面６Ｓ（各鏡面の高さ方向中央部を通り且つ各鏡面と直交する面を仮定）は、被観察物４の実像を、面対称位置に空中像（実鏡映像）５として結像させる対称面となる。

ここで、２面コーナーリフレクタアレイ６による結像様式について、被観察物として点光源ｏから発せられた光の経路とともに簡単に説明する。

図６に平面的な模式図で、図７に模式的な側面図でそれぞれ示すように、点光源ｏから発せられる光（一点鎖線矢印で示す。図６において３次元的には紙面奥側から紙面手前側へ進行する）は、２面コーナーリフレクタアレイ６を通過する際に、２面コーナーリフレクタ６１を構成する一方の鏡面６１ａ（又は６１ｂ）で反射して更に他方の鏡面６１ｂ（又は６１ａ）で反射した後に素子面６Ｓ（図７、図４、図５（ｂ））を通過し、２面コーナーリフレクタアレイ６の素子面６Ｓに対して点光源ｏの面対称位置を広がりながら通過する。図６では入射光と反射光とが平行をなすように表されているが、これは同図では点光源ｏに対して２面コーナーリフレクタ６１を誇張して大きく記載しているためであり、実際には各２面コーナーリフレクタ６１は極めて微小なものであるため、同図のように２面コーナーリフレクタアレイ６を上方から見た場合には、入射光と反射光とは殆ど重なってみえる（図６では２面コーナーリフレクタ６１の２つの鏡面（６１ａ，６１ｂ）それぞれに最初に当たる光の経路、つまり２本の経路を描いて説明しているが、図７では煩雑さを避けるためにどちらか一方の鏡面に最初に当たる光のみを描いている）。すなわち、結局は点光源ｏの素子面６Ｓに対する面対称位置に透過光が集まり、図６、図７においてｐの位置に実鏡映像として結像することになる。

次いで、観察者側の空間に配置された反射部材８を追加した場合の作用について図８および図９（図６および図７にそれぞれ対応する）を用いて述べる。図６では２面コーナーリフレクタ６１の２つの鏡面（６１ａ，６１ｂ）それぞれに最初に当たる光の経路、つまり２本の経路を描いて説明しているが、図８では煩雑さを避けるためにどちらか一方の鏡面に最初に当たる光のみを描いている。基本的な考え方は光源ｏから発せられた光はまず２面コーナーリフレクタ６１を２回の反射を伴って通過し、観察者Ｖに向かう光の経路上に配置された平面の反射部材８により、光の経路を折り返すことによりｐの位置に実鏡映像を結像させるということである。つまり図６および図７の実鏡映像ｐの位置と、図８および図９の実鏡映像ｐの位置が反射部材８を２面コーナーリフレクタアレイ６の方向から見た場合に物体（図８および図９の実鏡映像ｐに対応）と虚像（図６および図７の実鏡映像ｐに対応〉の関係に位置することになる。図８の反射部材８の配置（角度）は実鏡映像ｐを観察者から観察できるように設置すればよい。フロントウインドウ７を反射部材８として用いた場合は、フロントウインドウ７の角度を自由に設定できないため、２面コーナーリフレクタアレイ６や被観察物４の位置関係を調整することにより、実鏡映像ｐを観察者から観察できるように設置する。

次いで、２面コーナーリフレクタアレイ６と被観察物４の距離を変化させた場合について述べる。

図１０を用いて２面コーナーリフレクタアレイ６と被観察物４の距離が、２面コーナーリフレクタアレイ６と反射部材８の距離より短い場合を説明する。この場合は、実鏡映像５は２面コーナーリフレクタアレイ６と反射部材８の間の空間に結像し、観察者は実鏡映像を反射部材８の反射による虚像５’として観察することになる。

図１０に示すように、被観察物４から発せられた光は２面コーナーリフレクタアレイ６で２回の反射を伴って通過し、被観察物４の実像（実鏡映像）を、２面コーナーリフレクタアレイ６の対称面として面対称位置に空中像の実鏡映像５として結像させる。観察者Ｖはこの実鏡映像５を直接観察することはできない。観察者Ｖはこの実鏡映像５を反射部材８で反射させ虚像５’を観察することになる。すなわち観察者は反射部材８の背後（反射面より奥の空間；フロントウインドウ７を反射部材８として用いた場合は車外の空間）に空中像として実鏡映像５の虚像５’を観察することになる。

続いて２面コーナーリフレクタアレイ６と被観察物４の距離と、２面コーナーリフレクタアレイ６と反射部材８の距離とほぼ同じにして、実鏡映像を反射部材８の位置に結像させた場合に関して図１１を用いて説明する。図１１に示すように、この場合は、被観察物に有限の大きさがあるため観察者は実鏡映像を実像５と、反射部材８による虚像５’の両方として観察することになる。

被観察物４から発せられた光は２面コーナーリフレクタアレイ６で２回の反射を伴って通過し、被観察物４の実像（実鏡映像）を、２面コーナーリフレクタアレイ６の対称面として面対称位置に空中像（実鏡映像）として結像させる。本例の場合は空中像のほぼ中央付近に反射部材８が配置されているため、被観察物の部分のうち２面コーナーリフレクタアレイ６から遠い部分は実像５として、また、２面コーナーリフレクタアレイ６に近い部分は虚像５’として観察者Ｖに観察されることになる。すなわち、反射部材８が被観察物の実像５を横切るように配置されれば、観察者は反射部材８の鏡面（フロントウインドウ７を反射部材８として用いた場合はフロントウインドウ）に突き刺さったような像を空間像として観察することになる。

このように、被観察物４と２面コーナーリフレクタアレイ６と反射部材８を様々な配置とすることで観察者Ｖに対して反射部材８の鏡面を基準として、手前や奥、場合によっては鏡面上（突き刺さった像）に空間像を提供することができる。

この特性を積極的に利用するために、これらの位置関係を時間的に変化させる方法がさらに考えられる。他の実施形態として、被観察物と実鏡映像結像光学系を結ぶ直線上でガイドレールとモーターとラック＆ピニオンやウォーム＆ナットなどのガイド並進機構ＲＰの組み合わせを用いて、被観察物を機械的に動かす方法を図１２を用いて説明する。

図１２に示すように、観察者Ｖの視線（光軸ＡＸ）上に被観察物の空間像が移動するように、光軸ＡＸに平行なガイドレールＧ上を摺動自在な摺動部に被観察物４が取り付けられ、被観察物４はモーターＭとガイド並進機構ＲＰにより直線に移動することができる。例えば、２面コーナーリフレクタアレイ６から遠い位置に被観察物４ｂがある場合は反射部材８と観察者Ｖの間の空間に実鏡映像が結像し、観察者は実像５を観察することになる。また、２面コーナーリフレクタアレイ６から近い位置に被観察物４がある場合は反射部材８と２面コーナーリフレクタアレイ６の間の空間に実鏡映像が結像し、観察者は反射部材８の中に虚像５’を観察することになる。このように、これらの被観察物、２面コーナーリフレクタアレイ６および反射部材８の相互の位置の関係を時間的に変化させる手段を用いれば、観察者Ｖは反射部材８の鏡面を挟んで奥から手前の空間で連続的に移動する空間像を観察することができる。

反射部材８上の所定点Ａと実鏡映像結像光学系６上の所定点Ｂの間の所定空間距離（図１２に示すＡＢ間）を基準として、実鏡映像結像光学系６上の所定点Ｂから該反射部材８上の所定点Ａの面対称位置（図１２に示す光軸の被観察物４の位置Ｃ）までの距離が等しくなるような光軸上において、被観察物４と実鏡映像結像光学系６の距離（図１２に示すＢＣ間）が、第１に、ＡＢ間より短くなる、第２に、ＡＢ間と同じになる、第３に、ＡＢ間より長くなる、の３つの関係のうち少なくとも２つの関係を満足する被観察物の位置を選択的に変位させれば、運転者は反射部材（フロントウインドウ）に対して観察像の位置を車内（実像）もしくは車外（虚像）、さらにフロントウインドウ上（観察像（実像、虚像）が突き刺さって見える）で変化させて観察することができる。よって、図１２に示すように連続的に変化させる他に、観察像が反射部材を横切る状態、観察像が反射部材の鏡面内の鏡像となる状態、及び、反射部材の鏡面外の実像となる状態のうち少なくとも２つの状態をとるように、被観察物の位置を選択的に変化させることもできる。

また、複数の被観察物を例えばＬＥＤのような小型光源（図示せず）を直線上に並べ順次点灯させて発光場所を制御するような駆動をすれば、被観察物自体を実際に動かすことなく同様の空間像の移動を観察できることになる。

図１３は、本発明が適用されるヘッドアップディスプレイの更なる他の実施形態を示す概観図である。ヘッドアップディスプレイ１’は、実鏡映像結像光学系のみが上述した実施形態のヘッドアップディスプレイ１と異なる。したがって、ヘッドアップディスプレイ１と同一の構成については同一の名称および符号を用いて説明するものとする。

本実施形態で適用される実鏡映像結像光学系９は、ハーフミラー９１とレトロリフレクタアレイ９２とを組み合わせたものである。そして、対称面となる素子面９１Ｓはハーフミラー９１の表面となる。ハーフミラー９１を挟んで観察者Ｖと反対側の空間（ダッシュボード内側）に設けられた被観察物４及びレトロリフレクタアレイ９２を配置し、ダッシュボード上面（観察者側空間）にはフロントウインドウ７が配置されている。被観察物４から発せられた光はハーフミラー９１で反射され、次にレトロリフレクタアレイ９２へと導かれる。レトロリフレクタアレイ９２はハーフミラー９１からの光を再帰反射させる機能を有しているので、再びハーフミラー９１に向かうことになる。そして今度はハーフミラー９１を透過して、観察者Ｖ側の空間に配置されたフロントウインドウ７に向かい、フロントウインドウ７により折り返されて実鏡映像５を観察者Ｖの視線上の空間に結像する。なお、フロントウインドウ７はハーフミラー９１からの光を観察者Ｖに導くのに適度な角度に設定されている。

ハーフミラー９１も、例えば透明樹脂やガラスなどの透明薄板の一方の面に薄い反射膜をコーティングしたものを利用することができる。この透明薄板の反対側の面には、無反射処理（ＡＲコート〉を施すことで、観察される実鏡映像５が２重になるのを防止することができる。なお、ハーフミラー９１の上面には、それぞれ特定方向の光線を透過し且つ別の特定方向の光線を遮断するか、あるいは特定方向の光線のみを拡散する視線制御手段として、視界制御フィルム又は視野角調整フィルムなどの光学フィルム（図示せず）を貼り付けて設けることができる。具体的にはこの光学フィルムにより、ハーフミラー９１を直接透過した光が視点Ｖ以外の位置には届かないようにすることで、ハーフミラー９１を通じて視点Ｖ以外からフロントウインドウ７に写った被観察像が直接観察できるようになることを防止する一方で、後述するハーフミラー９１で一旦反射してレトロリフレクタアレイ９２で再帰反射した後にハーフミラー９１を透過する方向の光線のみを透過させることで、実鏡映像５のみを特定の視点Ｖから観察できるようにしている。

一方、レトロリフレクタアレイ９２には、入射光を厳密に逆反射させるものであればあらゆる種類のものを適用することができ、素材表面への再帰反射膜や再帰反射塗料のコーティングなども考えられる。また、その形状も曲面としてもよいし、平面とすることもできる。例えば、図１４（ａ）に正面図の一部を拡大して示すレトロリフレクタアレイ９２は、立方体内角の１つの角を利用するコーナーキューブの集合であるコーナーキューブアレイである。個々のレトロリフレクタ９２Ａは、３つの同形同大の直角二等辺三角形をなす鏡面９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃを１点に集合させて正面視した場合に正三角形を形成するものであり、これら３つの鏡面９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃは互いに直交してコーナーキューブを構成している（図１４（ｂ））。

また、図１５（ａ）に正面図の一部を拡大して示すレトロリフレクタアレイ９２も、立方体内角の１つの角を利用するコーナーキューブの集合であるコーナーキューブアレイである。個々のレトロリフレクタ９２Ｂは、３つの同形同大の正方形をなす鏡面９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２Ｂｃを１点に集合させて正面視した場合に正六角形を形成するものであり、これら３つの鏡面９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２Ｂｃは互いに直交している（図１５（ｂ））。

図１５のレトロリフレクタアレイ９２は、図１４（ａ）のレトロリフレクタアレイ９２とは形状が異なるだけで再帰反射の原理は同じである。図１４（ｂ）および図１５（ｂ）に、図１４（ａ）および図１５（ａ）にそれぞれ示したレトロリフレクタアレイ９２を例にして説明すると、各レトロリフレクタ９２Ａ，９２Ｂの鏡面のうちの一つ（例えば９２Ａａ，９２Ｂａ）に入射した光は、他の鏡面（９２Ａｂ，９２Ｂｂ）、さらに他の鏡面（９２Ａｃ，９２Ｂｃ）で順次反射することで、レトロリフレクタ９２Ａ，９２Ｂへ光が入射してきた元の方向へ反射する。なおレトロリフレクタアレイ９２に対する入射光と出射光の経路は、厳密には重ならず平行であるが、レトロリフレクタ９２Ａ，９２Ｂがレトロリフレクタアレイ９２と比べて十分小さい場合には、入射光と出射光の経路が重なっているとみなしてもよい。これら２種類のコーナーキューブアレイの違いは、鏡面が二等辺三角形のものは比較的作成しやすいが反射率が若干低くなり、鏡面が正方形のものは二等辺三角形のものと比較して作成がやや難しい反面、反射率が高い、ということである。

なお、レトロリフレクタアレイ９２には、上述したコーナーキューブアレイの他にも、３つの鏡面により光線を再帰反射させるもの（広義には「コーナーリフレクタ」）を採用することができる。図示しないが、例えば、単位再帰反射素子として、３つの鏡面のうち２つの鏡面同士が直交し、且つ他の１つの鏡面が他の２つの鏡面に対して９０／Ｎ度（ただしＮは整数とする）をなすものや、３つの鏡面がそれぞれ隣接する鏡面となす角度が９０度、６０度および４５度となる鋭角レトロリフレクタが、本実施形態に適用される再帰反射素子３として適している。その他にも、キャッツアイレトロリフレクタなども単位再帰反射素子として利用することができる。これらのレトロリフレクタアレイは、平面的なものであっても、屈曲又は湾曲していてもよい。また、レトロリフレクタアレイの配置位置も、画像７２から発してハーフミラー９１で反射した光を再帰反射することができるのであれば、適宜に設定することができる。

このようなハーフミラー９１とレトロリフレクタアレイ９２を備えた実鏡映像結像光学系９を適用したこの実施形態のヘッドアップディスプレイ１’でも、２面コーナーリフレクタアレイを適用したヘッドアップディスプレイ１と同様に、ハーフミラー面９１に対して斜め方向から見る観察者の視線上の空間に実鏡映像５が浮かんで見えることになる。また、このヘッドアップディスプレイ１’においても、観察像の表示位置や大きさを変化させることで、実鏡映像５に変化を持たせることも可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でヘッドアップディスプレイを構成する各部の具体的構成は適宜に変更することができ、他の表示装置の適用例として、その表示部の手前に空中映像を浮かび上がらせる表示装置として本発明を適宜構成することが可能である。

本発明は、広告の表示装置や、乗り物用の情報表示装置として利用できる。

１，１’…ヘッドアップディスプレイ
２…ダッシュボード
４…被観察物
５…空中映像（実鏡映像）
５’…空中像（虚像）
６…２面コーナーリフレクタアレイ（実鏡映像結像光学系）
６Ｓ…素子面（対称面）
８…反射部材
６０…基盤
６１…２面コーナーリフレクタ
６１ａ，６１ｂ…鏡面
９１…ハーフミラー
９１Ｓ…ハーフミラー面（対称面）
９２…レトロリフレクタアレイ
９２Ａ，９２Ｂ…レトロリフレクタ
９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃ，９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２ｂｃ…鏡面
ＣＬ…鏡面の交線

Claims (10)

1. 車輌のダッシュボード上面に配置されるヘッドアップディスプレイであって、
   前記ダッシュボード内部に配置される被観察物と、
   前記ダッシュボード上面に配置され観察者側の空間から前記ダッシュボード内部の空間を仕切り且つ対称面を含む半透過性の基盤を有し且つ前記基盤を介して該観察者側の空間に前記被観察物の実像を結像させる実鏡映像結像光学系と、
   前記観察者側の空間に配置され且つ前記実鏡映像結像光学系からの前記被観察物の実像の光を反射して該観察者へと導き該観察者へ観察像を供給する反射部材と、を含むことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
2. 前記反射部材がフロントウインドウ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。
3. 前記反射部材がフロントウインドウ表面に貼着されていることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 前記実鏡映像結像光学系に対する前記被観察物の位置を変化させる手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 前記被観察物と前記実鏡映像結像光学系を結ぶ直線上で前記被観察物を動かす手段を有することを特徴とする請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ。
6. 前記観察像が前記反射部材を横切る状態、前記観察像が前記反射部材の鏡面内の虚像となる状態、及び、前記反射部材の鏡面外の実像となる状態のうち少なくとも２つの状態をとるように、前記被観察物の位置を変化させることを特徴とする請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ。
7. 前記実鏡映像結像光学系が２面コーナーリフレクタとして機能する光学素子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載のヘッドアップディスプレイ。
8. 前記実鏡映像結像光学系がハーフミラーとレトロリフレクタアレイの組合せにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載のヘッドアップディスプレイ。
9. 前記基盤が前記ダッシュボードと一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１に記載のヘッドアップディスプレイ。
10. 前記基盤の表面が前記ダッシュボードと同じ色に着色されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１に記載のヘッドアップディスプレイ。

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