JP6409015B2

JP6409015B2 - 車両用投影表示装置

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Description

本発明は、車両において運転者の前方にあるウインドシールド（窓ガラス）等の光反射を利用して表示を行う車両用投影表示装置に関する。

自動車において運転者が必要とする情報、例えばスピード表示やナビゲーションシステムの案内表示などを表示する場合には、運転者が運転中に表示を見る際の視認性を向上させるために、従来よりヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置を利用する場合がある。

一般的な車両用のヘッドアップディスプレイ装置においては、表示すべき様々な情報を含む光の像をＨＵＤユニットからフロントウインドシールド、又はコンバイナと呼ばれる反射板に投影し、フロントウインドシールド等で反射した光が運転者の視点の方向に向かうように光路を形成する。したがって、運転者は、フロントウインドシールドを通して車両の前方の風景を視認しながら、同時にフロントウインドシールド等に映るＨＵＤの表示を虚像として視認することができる。つまり、運転者は通常の運転状態を維持したまま、視線を移動することなく様々な情報をＨＵＤの表示により視認することができる。

ところで、ＨＵＤのようにウインドシールドの表面における光の反射を利用して表示像を投影する装置においては、運転者に視認される像に歪みが発生する可能性がある。すなわち、ウインドシールドの表面で斜め方向に光が反射することによって生じる像の変形の他に、ウインドシールドの表面自体が緩やかな曲面形状であるため、像に歪みが生じる。しかも、ウインドシールド上の場所毎に曲率や水平面（又は鉛直面）に対する傾斜角度が異なるため、視認される表示像には状況に応じて様々な歪みが生じ、視認性に悪影響を及ぼすことになる。また、ＨＵＤユニットが拡大光学系を用いて像を投影する場合には、この光学系に含まれるレンズやミラーの曲面の影響により収差が発生する。

従来より、車両のウインドシールドやＨＵＤ光学系により発生する収差が、表示像（虚像）に生じる歪みの要因であることが知られている。また、様々な収差の中でも「像面湾曲」による表示像（虚像）の三次元的な歪みが、表示品位を低下させる１つの要因とされている。

このような表示像の歪みを補正するために、例えば光学系に非球面ミラーを採用した表示システムが存在している。また、所望の表示像（虚像）が得られるように、表示デバイスの表示画面に予め歪みを持たせた画像を表示する場合もある。

また、像面湾曲に起因する虚像の三次元的な歪みを補正するための技術が、例えば特許文献１に示されている。特許文献１のヘッドアップディスプレイ装置においては、レーザスキャナから出射されるレーザ光をスクリーンの結像面に投射している。また、この結像面の像の光は、拡散しつつ反射し、更に凹面鏡、及びウインドシールドの投影面を経て、アイポイントに向かう。また、スクリーンの結像面は、結像される像の水平方向に湾曲した凸面形状を有し、この形状により凹面鏡の反射面の湾曲及びウインドシールドの投影面の湾曲による虚像の像面湾曲を補正している。

また、特許文献２に示された画像表示装置においては、２次元画像を表示する表示器の表示面と隣接する位置に平凸形状のシリンドリカルレンズを配置して、このシリンドリカルレンズの光学作用による表示面の見かけ上の湾曲と、凹面鏡によって発生する像面湾曲とが打ち消しあうように構成し、像面湾曲収差を低減している。

また、特許文献３に示された車両用表示装置は、アイレンジ内の視認範囲の位置調整を可能にするための技術を示している。

特開２０１３−２５２０５号公報特開２０１０−２２４０１６号公報特開２００４−１３０８９２号公報

ＨＵＤ光学系の反射鏡に非球面ミラーを採用することにより、反射鏡自体の特性によって生じる収差を小さくし、車両のウインドシールドの反射面の特性により生じる収差を補正することができる。しかし、三次元的な歪みである像面湾曲は非球面ミラーを用いても補正することができない。

また、ＨＵＤユニットに内蔵される表示デバイスの画面に表示する像に、予め歪みを持たせることにより、アイポイントで視認される虚像の歪みをある程度補正することができる。しかし、一般的な表示デバイスの画面は平面状であるので、この画面に表示する像に歪みを持たせた場合であっても、表示される虚像の平面的な歪みの補正だけしかできない。つまり、像の奥行き方向（像を投影する際の光軸の方向）の補正ができないので、「像面湾曲」による表示像（虚像）の三次元的な歪みは補正できない。

特許文献１のように、像を投影するスクリーンを採用した場合には、このスクリーンの面を湾曲させることができる。したがって、スクリーンの面の湾曲形状により、ウインドシールド等の特性で生じる「像面湾曲」による表示像（虚像）の三次元的な歪みを低減することが可能になる。

しかしながら、プロジェクタ装置などに採用されるスクリーンの面は拡散面であるので、このスクリーンに投影される表示像の光は散乱する。そのため、光の利用効率が悪くなり、光源の電力消費や発熱が余分に生じるという問題がある。また、太陽光などの外光がスクリーンの面に入射した場合には、この外光の散乱により、表示光の視認性が低下するという問題もある。

また、特許文献２の技術を採用する場合にも、像面湾曲による三次元的な歪みを低減することが可能である。しかし、特許文献２の技術では、表示器の表示面と隣接する位置にシリンドリカルレンズを配置するので、表示器の表示面に対する出射角が大きい光線をＨＵＤ光学系が使用することになる。そのため、例えばＴＮ液晶(twisted nematic liquid crystal) のように視野角が小さく、角度の違いに応じて輝度特性が大きく変動するような表示器を用いる場合には、ＨＵＤの虚像表示において良好な輝度特性を得ることが困難になる。そのため、特許文献２では表示器の表示面と、シリンドリカルレンズの平坦面との間に凹面のフレネルレンズを配置して表示特性を改善することを示しているが、構造が複雑化するのは避けられない。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ウインドシールドやその他のＨＵＤ光学系により生じる「像面湾曲」の影響をスクリーンを用いることなく低減すると共に、構造を複雑化することなく表示品位を改善することが可能な車両用投影表示装置を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る車両用投影表示装置は、下記（１）〜（４）を特徴としている。
（１）光学レンズ、凸面鏡、および凹面鏡の少なくとも１つを含み、光を透過もしくは反射する面を有する中間像形成光学部材と、
表示像を含む光を前記中間像形成光学部材に向けて投射し、前記表示像の中間像を前記中間像形成光学部材の焦点よりも近い所定位置に虚像として結像する、もしくは前記中間像を前記中間像形成光学部材の焦点よりも遠い所定位置に実像として結像するように配置された表示デバイスと、
前記中間像形成光学部材により結像された前記中間像の光を、前記中間像形成光学部材を介して受光し、車両のウインドシールド、もしくはその近傍の光反射部材の反射面に導き、前記反射面で反射した前記光の表示像が所定のアイポイントで虚像として視認できるように投影するＨＵＤ光学系と、
を有し、前記表示デバイスに対して、前記中間像形成光学部材が、前記中間像を平面に対して少なくとも一部分が湾曲した状態で結像し、
前記ＨＵＤ光学系は、投影する像を拡大する凹面鏡を含み、
前記中間像形成光学部材は、前記ＨＵＤ光学系の凹面鏡の凹面と対向する面の中央部がその周囲に対して突出した形状の凸面鏡であり、前記中間像形成光学部材の形成する前記中間像が虚像であり、
前記表示デバイスは、前記凸面鏡の凸面と対向する位置であって、前記凸面鏡からの距離が前記凸面鏡から前記凸面鏡の焦点を含む焦平面までの距離より小さい位置に配置され、
前記中間像は、前記凸面鏡の凸面とは反対側の面と対向する位置であって前記凸面鏡の焦点よりも前記凸面鏡から近い位置にて結像し、且つ、前記凹面鏡の凹面と同じ方向に湾曲した虚像であり、
前記中間像の湾曲状態は、前記ＨＵＤ光学系に含まれる曲面、及び車両のウインドシールドの表面形状の少なくとも一方の影響により生じる像面湾曲の収差を補正する形状を有する、
車両用投影表示装置。
（２）光学レンズ、凸面鏡、および凹面鏡の少なくとも１つを含み、光を透過もしくは反射する面を有する中間像形成光学部材と、
表示像を含む光を前記中間像形成光学部材に向けて投射し、前記表示像の中間像を前記中間像形成光学部材の焦点よりも近い所定位置に虚像として結像する、もしくは前記中間像を前記中間像形成光学部材の焦点よりも遠い所定位置に実像として結像するように配置された表示デバイスと、
前記中間像形成光学部材により結像された前記中間像の光を、前記中間像形成光学部材を介して受光し、車両のウインドシールド、もしくはその近傍の光反射部材の反射面に導き、前記反射面で反射した前記光の表示像が所定のアイポイントで虚像として視認できるように投影するＨＵＤ光学系と、
を有し、前記表示デバイスに対して、前記中間像形成光学部材が、前記中間像を平面に対して少なくとも一部分が湾曲した状態で結像し、
前記ＨＵＤ光学系は、投影する像を拡大する第１の凹面鏡を含み、
前記中間像形成光学部材は、前記第１の凹面鏡の凹面と対向する面の周辺部がその中央部よりも突出した形状の第２の凹面鏡であり、前記中間像形成光学部材の形成する前記中間像が実像であり、
前記表示デバイスは、前記第２の凹面鏡の凹面と対向する位置であって、前記第２の凹面鏡からの距離が前記第２の凹面鏡から前記第２の凹面鏡の焦点を含む焦平面までの距離より大きい位置に配置され、
前記中間像は、前記第２の凹面鏡の凹面と対向する位置であって前記第２の凹面鏡の焦点よりも前記第２の凹面鏡から遠い位置にて結像し、且つ、前記第１の凹面鏡の凹面と同じ方向に湾曲した実像であり、
前記中間像の湾曲状態は、前記ＨＵＤ光学系に含まれる曲面、及び車両のウインドシールドの表面形状の少なくとも一方の影響により生じる像面湾曲の収差を補正する形状を有する、
車両用投影表示装置。
（３）光学レンズ、凸面鏡、および凹面鏡の少なくとも１つを含み、光を透過もしくは反射する面を有する中間像形成光学部材と、
表示像を含む光を前記中間像形成光学部材に向けて投射し、前記表示像の中間像を前記中間像形成光学部材の焦点よりも近い所定位置に虚像として結像する、もしくは前記中間像を前記中間像形成光学部材の焦点よりも遠い所定位置に実像として結像するように配置された表示デバイスと、
前記中間像形成光学部材により結像された前記中間像の光を、前記中間像形成光学部材を介して受光し、車両のウインドシールド、もしくはその近傍の光反射部材の反射面に導き、前記反射面で反射した前記光の表示像が所定のアイポイントで虚像として視認できるように投影するＨＵＤ光学系と、
を有し、前記表示デバイスに対して、前記中間像形成光学部材が、前記中間像を平面に対して少なくとも一部分が湾曲した状態で結像し、
前記ＨＵＤ光学系は、投影する像を拡大する凹面鏡を含み、
前記中間像形成光学部材は、前記ＨＵＤ光学系の凹面鏡の凹面と対向する第１の面及び前記第１の面とは反対側の第２の面の双方の中央部がそれらの周辺部よりも突出した凸レンズであり、前記中間像形成光学部材の形成する前記中間像が実像であり、
前記表示デバイスは、前記凸レンズの前記第２の面と対向する位置であって、前記凸レンズからの距離が前記凸レンズから前記凸レンズの前記第２の面側の焦点を含む焦平面までの距離より大きい位置に配置され、
前記中間像は、前記凸レンズの前記第１の面と対向する位置であって前記凸レンズの前記第１の面側の焦点よりも前記凸レンズから遠い位置にて結像し、且つ、前記凹面鏡の凹面と同じ方向に湾曲した実像であり、
前記中間像の湾曲状態は、前記ＨＵＤ光学系に含まれる曲面、及び車両のウインドシールドの表面形状の少なくとも一方の影響により生じる像面湾曲の収差を補正する形状を有する、
車両用投影表示装置。
（４）前記中間像形成光学部材を配置する位置、および前記中間像形成光学部材の光学特性は、前記ウインドシールドもしくはその近傍の反射面、前記ＨＵＤ光学系、および前記中間像形成光学部材を含む光学系を介して結像される前記アイポイントの位置の像が、前記中間像形成光学部材の焦点を含む平面の近傍に配置されるように決定されている、
ことを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の車両用投影表示装置。

上記（１）〜（３）の構成の車両用投影表示装置によれば、前記中間像が湾曲した状態で結像するので、車両のウインドシールドや前記ＨＵＤ光学系により生じる「像面湾曲」を補正できる。また、前記中間像形成光学部材が前記中間像の光を透過又は反射してそのまま前記ＨＵＤ光学系に受け渡すので、光伝達効率が向上する。また、光を拡散するスクリーンを用いないので、太陽光等の外来光の影響を受けにくい。また、前記中間像形成光学部材を必ずしも前記表示デバイスの近傍に配置する必要がないので、前記表示デバイスの表示面からの出射角の小さい光を利用することができ、表示する像の輝度特性の劣化を防止可能である。
上記（１）の構成の車両用投影表示装置によれば、前記中間像形成光学部材の凸面鏡が形成する前記中間像は、前記ＨＵＤ光学系の凹面鏡と同じ方向に湾曲した虚像になる。したがって、前記ＨＵＤ光学系の凹面鏡の曲面の影響により生じる像面湾曲の収差を、前記中間像の湾曲形状により補正することができる。
上記（２）の構成の車両用投影表示装置によれば、前記中間像形成光学部材の第２の凹面鏡が形成する前記中間像は、前記ＨＵＤ光学系の第１の凹面鏡と同じ方向に湾曲した実像になる。したがって、前記ＨＵＤ光学系の第１の凹面鏡の曲面の影響により生じる像面湾曲の収差を、前記中間像の湾曲形状により補正することができる。
上記（３）の構成の車両用投影表示装置によれば、前記中間像形成光学部材の凸レンズが形成する前記中間像は、前記ＨＵＤ光学系の凹面鏡と同じ方向に湾曲した実像になる。
したがって、前記ＨＵＤ光学系の凹面鏡の曲面の影響により生じる像面湾曲の収差を、前記中間像の湾曲形状により補正することができる。
上記（４）の構成の車両用投影表示装置によれば、前記表示デバイスの表示面からの出射角の小さい光が前記アイポイントの近傍で結像するように光路を形成することができる。したがって、前記表示デバイスの視野角が小さい場合であっても、投影する像の輝度特性を良好な状態に維持できる。

本発明の車両用投影表示装置によれば、ウインドシールドやその他のＨＵＤ光学系により生じる「像面湾曲」の影響をスクリーンを用いることなく低減できる。また、装置を構成する部品の増加を抑制しつつ表示品位を改善できる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明の実施形態に係る車両用投影表示装置の構成の概要および光路を示す光路図である。図２は、図１中の凸面ミラーと物体および中間像の関係を示す光路図である。図３は、変形例１で用いる凹面ミラーと物体および中間像の関係を示す光路図である。図４は、変形例２で用いる凸レンズと物体および中間像の関係を示す光路図である。図５は、変形例２における車両用投影表示装置を示す光路図である。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

まず、車両用投影表示装置の構成例を説明する。車両用投影表示装置、すなわちＨＵＤユニット１００を搭載した車両を側方側から視た場合の各要素の位置関係を図１に示す。

図１に示したＨＵＤユニット１００は、車両のダッシュボードの内側に収容されており、ダッシュボードの上面の一部分に形成した開口部７０から表示像を含む光を上方に向けて出射できるように構成されている。

ＨＵＤユニット１００の内部には、表示デバイス２０、凸面ミラー３０、凹面ミラー５０、及び図示しない表示制御部が備わっている。図示しないが、表示デバイス２０は、例えば透過型液晶表示パネルのような表示デバイス、または表示光を投射するための光源および光学系を内蔵し、図１に示す表示デバイス２０の位置にスクリーンを有するプロジェクタとしてもよい。

表示デバイス２０内の表示デバイスは、任意の二次元画像を表示可能な表示面を有している。一般的な表示デバイスの場合には、その表示面は平坦面である。表示デバイスの表示面には、車両の運転に役立つ情報、例えば車速の数値や「ｋｍ／ｈ」のような文字情報が必要に応じて表示される。

表示デバイス２０の表示面に表示された二次元の表示像を含む光は、図１に示すように、表示デバイス２０から出射されて凸面ミラー３０に向かい、凸面ミラー３０の表面で反射されて凹面ミラー５０に向かい、凹面ミラー５０の面で反射して開口部７０から出射される。開口部７０から出射された光は、ウインドシールドＷＳの表面で反射して、アイポイントＥＰに向かう。アイポイントＥＰは、実際の運転者の視点が存在すると予想される設計上の点または領域を意味している。

したがって、運転者はアイポイントＥＰの位置で、ＨＵＤユニット１００が投射する表示像を視認することができる。実際に運転者が視認する表示像６０は、ウインドシールドＷＳよりも前方の所定の位置に虚像として結像される。凹面ミラー５０は光学的に倍率を有するので、運転者が視認する表示像を拡大した状態で投射することができる。

なお、図１の例ではＨＵＤユニット１００が出射した光をウインドシールドＷＳの面で反射しているが、ウインドシールドＷＳの代わりに、コンバイナあるいはハーフミラーと呼ばれる光学反射部材を用いても良い。

次に、凸面ミラー３０の光路について説明する。図１に示した車両用投影表示装置２００において、ＨＵＤユニット１００内の凸面ミラー３０は、凹面ミラー５０の曲面形状や、ウインドシールドＷＳ上の反射面の形状の影響によって表示像６０に生じる三次元的な像面湾曲を補正するために特別な中間像４０を形成する機能を有している。

図１中の凸面ミラー３０と物体および中間像４０の関係を図２に示す。図２において、点ｆ１は凸面ミラー３０の焦点を表し、点ｃは凸面ミラー３０の球心を表す。なお、図２においては、原理の理解を容易にするため、凸面ミラー３０が単一の曲率半径を持つ場合を想定しているが、必要に応じて形状を変更してもよい。

表示デバイス２０の表面が平坦面である場合には、平面状の画面上に画像を表示するので図２に「物体」として示すように、平面状の光像が凸面ミラー３０に入射する。この「物体」が凸面ミラー３０に近い場合には、図２に示すように凸面ミラー３０の焦点ｆ１を含み光軸に垂直な平面である焦平面（focal plane）３１よりも凸面ミラー３０に近い位置に「物体」の中間像４０が虚像として形成される。

また、凸面ミラー３０の反射面が曲面であるので、中間像４０は「物体」の平面を湾曲させたような曲面状の像になる。つまり、凸面ミラー３０の形状と同じように、中間像４０の湾曲形状は中央部が周辺部よりも凸面ミラー３０の反射面側に突出するような形状になっている。

図１に示した車両用投影表示装置２００においては、凸面ミラー３０によって形成された中間像４０の光像（虚像）が、凸面ミラー３０を経由して凹面ミラー５０の表面に導かれる。ここで、中間像４０は凹面ミラー５０の反射面と同じ方向に湾曲している。つまり、凹面ミラー５０の反射面は、周辺部に対して中央部が凹んでいる形状であるのに対し、中間像４０は中央部が周辺部に比べて凹面ミラー５０の反射面側に突出するように湾曲している。

次に、像面湾曲およびその補正について説明する。図１に示すような特別な中間像４０を形成しない場合を想定すると、表示デバイス２０の表面が平坦面の場合には、曲面に形成されている凹面ミラー５０の反射面の形状の影響を受けて、表示像（虚像）の結像位置は、平面上ではなく湾曲した面の位置になる。したがって、運転者が表示像６０を視認する場合には像面湾曲の収差が発生し、光軸の奥行き方向（Ｚ方向）に対する歪みが発生する。

一方、図１に示した車両用投影表示装置２００においては、凸面ミラー３０に表示デバイス２０から湾曲した中間像４０を形成しているので、中間像４０の形状の影響も表示像６０に現れる。そして、中間像４０の形状は凹面ミラー５０の反射面と同じ方向に湾曲しているので、凹面ミラー５０の曲面の影響により生じる像面湾曲を相殺するように中間像４０の形状の影響が現れる。つまり、表示像６０が湾曲せずに平面状になるように結像され、像面湾曲が修正される。

なお、実際にはウインドシールドＷＳの面も一般的には曲面である。したがって、ウインドシールドＷＳの曲面の影響により像面湾曲が発生する場合もある。したがって、中間像４０の形状については、凹面ミラー５０の影響及びウインドシールドＷＳの影響の双方を考慮して湾曲形状を決定する必要がある。これにより、ウインドシールドＷＳの形状の影響も修正できる。

次に、表示デバイス２０の出射角度の影響および表示品位の改善について説明する。
図１に示した表示デバイス２０が、例えばＴＮ液晶表示器である場合には、視野角が比較的小さいので、表示デバイスからの出射角が大きい光束を利用する場合には表示の輝度特性が出射角に応じて大きく変動することになり、表示品位の低下が見込まれる。

したがって、表示デバイス２０からの出射角が小さい光束だけを利用することにより、視野角の小さい表示デバイスを採用する場合であっても、表示品位の低下を防止できる。図１に示した車両用投影表示装置２００は、表示デバイスからの出射角が小さい光束だけを利用して表示像（虚像）６０を表示するように、光学系の特性および凸面ミラー３０を配置する位置を事前に調整してある。

具体的には、アイポイントＥＰの位置の像が、光束Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のような経路を通り、ウインドシールドＷＳの面で反射し、凹面ミラー５０の面で反射し、凸面ミラー３０の焦点ｆ１を含む焦平面３１の近傍で像３２として結像するように、全体の光路を形成してある。

したがって、アイポイントＥＰの位置で運転者が視認する像に関しては、凸面ミラー３０の光学特性の影響により、表示デバイス２０から出射した光像のうち、出射角の小さい光束だけが利用されることになる。これにより、視野角の小さい表示デバイスを採用する場合であっても、輝度特性の変動が抑制され、コントラストの悪化等の表示品位の低下も防止できる。

＜変形例１＞
変形例１で用いる凹面ミラー３０Ｂと物体および中間像の位置関係を図３に示す。すなわち、変形例１においては、図１に示した凸面ミラー３０の代わりに、図３に示したような凹面ミラー３０Ｂを使用する。

また、変形例１では図３に示した「物体」に相当する表示デバイス２０が、図３に示すように、凹面ミラー３０Ｂの反射面からの距離が焦点ｆ２を含む焦平面よりも遠い位置に配置されるように光路を形成する。なお、図３中の点ｃは凹面ミラー３０Ｂの反射面形状の球心を表す。

変形例１においては、図３に示すように、中間像４０Ｂが凹面ミラー３０Ｂの焦点ｆ２よりも遠い位置に実像として結像される。この実像の中間像４０Ｂの光束を図１に示した凹面ミラー５０に導き、更に凹面ミラー５０の反射面およびウインドシールドＷＳの表面を経由してアイポイントＥＰに表示像の光束を導く。

実像である中間像４０Ｂは、図３に示すように凹面ミラー３０Ｂの反射面の形状の反対方向に湾曲している。したがって、図１に示す凸面ミラー３０の代わりに凹面ミラー３０Ｂを配置すると、凹面ミラー５０の反射面の形状と同じ方向に湾曲した中間像４０Ｂが図１の中間像４０に相当する位置に形成される。

したがって、変形例１においても、図１に示した構成の場合と同様に、中間像４０Ｂの湾曲形状により、凹面ミラー５０の反射面の曲面形状によって生じる像面湾曲を相殺することが可能である。また、変形例１においても、図１に示した構成の場合と同様に、アイポイント位置の像３２が凹面ミラー３０Ｂの焦平面３１の近傍に結像するように光路を形成することで、表示像６０における輝度特性の変動を抑制し、コントラストの悪化等の表示品位の低下も防止できる。

＜変形例２＞
変形例２で用いる凸レンズ３０Ｃと物体および中間像の位置関係を図４に示す。また、変形例２における車両用投影表示装置の光路を図５に示す。

すなわち、変形例２においては、図１に示した凸面ミラー３０の代わりに、図４に示したような凸レンズ３０Ｃを使用し、図５に示すように光路を形成する。なお、凸レンズ３０Ｃについては両面が凸形状であってもよいし、片面が凸形状で他方の面が平面形状であってもよい。

また、変形例２では図４に示した「物体」に相当する表示デバイス２０が、図４に示すように、凸レンズ３０Ｃからの距離が焦点ｆ３ａを含む焦平面よりも遠い位置に配置されるように、図５のように光路を形成する。

変形例２においては、図４に示すように、中間像４０Ｃが凸レンズ３０Ｃの焦点ｆ３ｂよりも遠い位置に実像として結像される。この実像の中間像４０Ｃの光束を図５に示した凹面ミラー５０に導き、更に凹面ミラー５０の反射面およびウインドシールドＷＳの表面を経由してアイポイントＥＰに表示像の光束を導く。

実像である中間像４０Ｃは、図４および図５に示すように凹面ミラー５０の反射面の形状と同じ方向に湾曲している。つまり、凹面ミラー５０の反射面の形状と同じ方向に湾曲した中間像４０Ｃが図５に示す位置に形成される。

したがって、変形例２においても、図１に示した構成の場合と同様に、中間像４０Ｃの湾曲形状により、凹面ミラー５０の反射面の曲面形状によって生じる像面湾曲を相殺することが可能である。また、変形例２においても、図１に示した構成の場合と同様に、アイポイント位置の像３２が凸レンズ３０Ｃの焦平面の近傍に結像するように光路を形成することで、表示像６０における輝度特性の変動を抑制し、コントラストの悪化等の表示品位の低下も防止できる。

なお、図５の構成において、表示デバイス２０の表示面が凸レンズ３０Ｃの焦平面よりも近い位置に配置すれば、湾曲した虚像の中間像を、凸レンズ３０Ｃと表示デバイスとの間に形成することができ、この中間像の光像を凹面ミラー５０に導くことにより図１に示した構成の場合と同様に像面湾曲を低減可能である。但し、凸レンズ３０Ｃと表示デバイスとの距離が近い場合には、表示デバイスからの出射角の大きい光束を利用することになるので、コントラストが低下する可能性がある。

上述のように、図１に示した構成、変形例１、および変形例２のいずれにおいても、凹面ミラー５０やウインドシールドＷＳの反射面の形状によって生じる像面湾曲の三次元歪みを低減し、視認される表示像（虚像）６０の表示品位を向上することができる。また、中間像を形成する凸面ミラー３０等の焦平面３１の近傍にアイポイント位置の像３２を結像するように光路を形成することで、表示デバイスからの出射角の小さい光束のみを表示像６０の表示に利用することが可能になり、視野角の小さい表示デバイスを使用する場合であっても表示品位の低下を防止できる。

ここで、上述した本発明に係る車両用投影表示装置の実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］〜［５］に簡潔に纏めて列記する。
［１］光学レンズ、凸面鏡、および凹面鏡の少なくとも１つを含み、光を透過もしくは反射する面を有する中間像形成光学部材（凸面ミラー３０、凹面ミラー３０Ｂ、凸レンズ３０Ｃのいずれか）と、
表示像を含む光を前記中間像形成光学部材に向けて投射し、前記表示像の中間像（４０、４０Ｂ、４０Ｃ）を前記中間像形成光学部材の焦点（ｆ１）よりも近い所定位置に虚像として結像する、もしくは前記中間像を前記中間像形成光学部材の焦点（ｆ２、ｆ３）よりも遠い所定位置に実像として結像するように配置された表示デバイス（２０）と、
前記中間像形成光学部材により結像された前記中間像の光を、前記中間像形成光学部材を介して受光し、車両のウインドシールド、もしくはその近傍の光反射部材の反射面に導き、前記反射面で反射した前記光の表示像が所定のアイポイントで虚像として視認できるように投影するＨＵＤ光学系（凹面ミラー５０）と、
を有し、前記表示デバイスに対して、前記中間像形成光学部材が、前記中間像を平面に対して少なくとも一部分が湾曲した状態で結像する、
車両用投影表示装置。

［２］前記ＨＵＤ光学系は、投影する像を拡大する凹面鏡（凹面ミラー５０）を含み、
前記中間像形成光学部材は、前記ＨＵＤ光学系の凹面鏡の凹面と対向する面の中央部がその周囲に対して突出した形状の凸面鏡（凸面ミラー３０）であり、前記中間像形成光学部材の形成する前記中間像（４０）が虚像であり、
前記中間像の湾曲状態は、前記ＨＵＤ光学系に含まれる曲面、及び車両のウインドシールドの表面形状の少なくとも一方の影響により生じる像面湾曲の収差を補正する形状を有する、
ことを特徴とする上記［１］に記載の車両用投影表示装置。

［３］前記ＨＵＤ光学系は、投影する像を拡大する第１の凹面鏡（凹面ミラー５０）を含み、
前記中間像形成光学部材は、前記第１の凹面鏡の凹面と対向する面の周辺部がその中央部よりも突出した形状の第２の凹面鏡（凹面ミラー３０Ｂ）であり、前記中間像形成光学部材の形成する前記中間像（４０Ｂ）が実像であり、
前記中間像の湾曲状態は、前記ＨＵＤ光学系に含まれる曲面、及び車両のウインドシールドの表面形状の少なくとも一方の影響により生じる像面湾曲の収差を補正する形状を有する、
ことを特徴とする上記［１］に記載の車両用投影表示装置。

［４］前記ＨＵＤ光学系は、投影する像を拡大する凹面鏡（凹面ミラー５０）を含み、
前記中間像形成光学部材は、中央部がその周辺部よりも突出した１つ以上の凸面（凸レンズ３０Ｃ）を有し、前記中間像形成光学部材の形成する前記中間像（４０Ｃ）が実像であり、
前記中間像の湾曲状態は、前記ＨＵＤ光学系に含まれる曲面、及び車両のウインドシールドの表面形状の少なくとも一方の影響により生じる像面湾曲の収差を補正する形状を有する、
ことを特徴とする上記［１］に記載の車両用投影表示装置。

［５］前記中間像形成光学部材を配置する位置、および前記中間像形成光学部材の光学特性は、前記ウインドシールドもしくはその近傍の反射面、前記ＨＵＤ光学系、および前記中間像形成光学部材を含む光学系を介して結像される前記アイポイント（ＥＰ）の位置の像（３２）が、前記中間像形成光学部材の焦点を含む平面（焦平面３１）の近傍に配置されるように決定されている、
ことを特徴とする上記［１］〜［４］のいずれかに記載の車両用投影表示装置。

２０表示デバイス
３０凸面ミラー
３０Ｂ凹面ミラー
３０Ｃ凸レンズ
３１焦平面
３２アイポイント位置の像
４０，４０Ｂ，４０Ｃ中間像
５０凹面ミラー
６０視認される表示像（虚像）
７０開口部
１００ＨＵＤユニット
２００車両用投影表示装置
ＷＳウインドシールド
ＥＰアイポイント
ｆ１，ｆ２，ｆ３ａ，ｆ３ｂ焦点

Claims

光学レンズ、凸面鏡、および凹面鏡の少なくとも１つを含み、光を透過もしくは反射する面を有する中間像形成光学部材と、
表示像を含む光を前記中間像形成光学部材に向けて投射し、前記表示像の中間像を前記中間像形成光学部材の焦点よりも近い所定位置に虚像として結像する、もしくは前記中間像を前記中間像形成光学部材の焦点よりも遠い所定位置に実像として結像するように配置された表示デバイスと、
前記中間像形成光学部材により結像された前記中間像の光を、前記中間像形成光学部材を介して受光し、車両のウインドシールド、もしくはその近傍の光反射部材の反射面に導き、前記反射面で反射した前記光の表示像が所定のアイポイントで虚像として視認できるように投影するＨＵＤ光学系と、
を有し、前記表示デバイスに対して、前記中間像形成光学部材が、前記中間像を平面に対して少なくとも一部分が湾曲した状態で結像し、
前記ＨＵＤ光学系は、投影する像を拡大する凹面鏡を含み、
前記中間像形成光学部材は、前記ＨＵＤ光学系の凹面鏡の凹面と対向する面の中央部がその周囲に対して突出した形状の凸面鏡であり、前記中間像形成光学部材の形成する前記中間像が虚像であり、
前記表示デバイスは、前記凸面鏡の凸面と対向する位置であって、前記凸面鏡からの距離が前記凸面鏡から前記凸面鏡の焦点を含む焦平面までの距離より小さい位置に配置され、
前記中間像は、前記凸面鏡の凸面とは反対側の面と対向する位置であって前記凸面鏡の焦点よりも前記凸面鏡から近い位置にて結像し、且つ、前記凹面鏡の凹面と同じ方向に湾曲した虚像であり、
前記中間像の湾曲状態は、前記ＨＵＤ光学系に含まれる曲面、及び車両のウインドシールドの表面形状の少なくとも一方の影響により生じる像面湾曲の収差を補正する形状を有する、
車両用投影表示装置。
光学レンズ、凸面鏡、および凹面鏡の少なくとも１つを含み、光を透過もしくは反射する面を有する中間像形成光学部材と、
表示像を含む光を前記中間像形成光学部材に向けて投射し、前記表示像の中間像を前記中間像形成光学部材の焦点よりも近い所定位置に虚像として結像する、もしくは前記中間像を前記中間像形成光学部材の焦点よりも遠い所定位置に実像として結像するように配置された表示デバイスと、
前記中間像形成光学部材により結像された前記中間像の光を、前記中間像形成光学部材を介して受光し、車両のウインドシールド、もしくはその近傍の光反射部材の反射面に導き、前記反射面で反射した前記光の表示像が所定のアイポイントで虚像として視認できるように投影するＨＵＤ光学系と、
を有し、前記表示デバイスに対して、前記中間像形成光学部材が、前記中間像を平面に対して少なくとも一部分が湾曲した状態で結像し、
前記ＨＵＤ光学系は、投影する像を拡大する第１の凹面鏡を含み、
前記中間像形成光学部材は、前記第１の凹面鏡の凹面と対向する面の周辺部がその中央部よりも突出した形状の第２の凹面鏡であり、前記中間像形成光学部材の形成する前記中間像が実像であり、
前記表示デバイスは、前記第２の凹面鏡の凹面と対向する位置であって、前記第２の凹面鏡からの距離が前記第２の凹面鏡から前記第２の凹面鏡の焦点を含む焦平面までの距離より大きい位置に配置され、
前記中間像は、前記第２の凹面鏡の凹面と対向する位置であって前記第２の凹面鏡の焦点よりも前記第２の凹面鏡から遠い位置にて結像し、且つ、前記第１の凹面鏡の凹面と同じ方向に湾曲した実像であり、
前記中間像の湾曲状態は、前記ＨＵＤ光学系に含まれる曲面、及び車両のウインドシールドの表面形状の少なくとも一方の影響により生じる像面湾曲の収差を補正する形状を有する、
車両用投影表示装置。
光学レンズ、凸面鏡、および凹面鏡の少なくとも１つを含み、光を透過もしくは反射する面を有する中間像形成光学部材と、
表示像を含む光を前記中間像形成光学部材に向けて投射し、前記表示像の中間像を前記中間像形成光学部材の焦点よりも近い所定位置に虚像として結像する、もしくは前記中間像を前記中間像形成光学部材の焦点よりも遠い所定位置に実像として結像するように配置された表示デバイスと、
前記中間像形成光学部材により結像された前記中間像の光を、前記中間像形成光学部材を介して受光し、車両のウインドシールド、もしくはその近傍の光反射部材の反射面に導き、前記反射面で反射した前記光の表示像が所定のアイポイントで虚像として視認できるように投影するＨＵＤ光学系と、
を有し、前記表示デバイスに対して、前記中間像形成光学部材が、前記中間像を平面に対して少なくとも一部分が湾曲した状態で結像し、
前記ＨＵＤ光学系は、投影する像を拡大する凹面鏡を含み、
前記中間像形成光学部材は、前記ＨＵＤ光学系の凹面鏡の凹面と対向する第１の面及び前記第１の面とは反対側の第２の面の双方の中央部がそれらの周辺部よりも突出した凸レンズであり、前記中間像形成光学部材の形成する前記中間像が実像であり、
前記表示デバイスは、前記凸レンズの前記第２の面と対向する位置であって、前記凸レンズからの距離が前記凸レンズから前記凸レンズの前記第２の面側の焦点を含む焦平面までの距離より大きい位置に配置され、
前記中間像は、前記凸レンズの前記第１の面と対向する位置であって前記凸レンズの前記第１の面側の焦点よりも前記凸レンズから遠い位置にて結像し、且つ、前記凹面鏡の凹面と同じ方向に湾曲した実像であり、
前記中間像の湾曲状態は、前記ＨＵＤ光学系に含まれる曲面、及び車両のウインドシールドの表面形状の少なくとも一方の影響により生じる像面湾曲の収差を補正する形状を有する、
車両用投影表示装置。
前記中間像形成光学部材を配置する位置、および前記中間像形成光学部材の光学特性は、前記ウインドシールドもしくはその近傍の反射面、前記ＨＵＤ光学系、および前記中間像形成光学部材を含む光学系を介して結像される前記アイポイントの位置の像が、前記中間像形成光学部材の焦点を含む平面の近傍に配置されるように決定されている、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の車両用投影表示装置。