WO2021261438A1

WO2021261438A1 - ヘッドアップディスプレイ装置

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Publication number: WO2021261438A1
Application number: PCT/JP2021/023384
Authority: WO
Inventors: 俊輔佐治
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2020-06-24
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2021-12-30
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: DE112021003379T5; JPWO2021261438A1; JP7685150B2

Abstract

路面に沿っているように知覚されやすい画像と、路面に沿っていないように知覚されやすい画像と、を表示することができる。　車両の前後方向に沿うような配置に設定される虚像表示領域１００で虚像を視認者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置２０であって、虚像表示領域１００は、車両の前後方向に沿うように垂直方向に対して傾いて配置される遠方虚像領域１５２と、視認者から見て遠方虚像領域１５２より近く、遠方虚像領域１５２より車両の前後方向で視認者側に起き上がるように配置される近傍虚像領域１５１と、を有する。

Description

ヘッドアップディスプレイ装置

　本開示は、車両で使用され、車両の前景に画像を重畳して視認させるヘッドアップディスプレイ装置に関する。

　特許文献１には、一端側が視認者からの遠方に位置するとともに他端側が一端側よりも手前に位置し、車両が走行する路面に沿うような画像（虚像）を表示するヘッドアップディスプレイ装置が開示されている。したがって、画像（虚像）は、表示領域における表示される位置に応じた遠近感を付与されており、画像が示す情報を視認するだけで距離情報も合わせて認識することができるので、情報を空間的に認識しやすくなる、背景（例えば、路面など）とともに画像を知覚しやすくなる、複数の情報を距離的にも区別しやすくなる、など様々な効果が期待される。

特開２０１６－７１０５１号公報

　しかしながら、路面に沿うように配置された虚像表示領域に、視認者から正対して見えるようにテキストや記号などを表示した場合であっても、テキストの上端部は虚像表示領域の遠方側に表示され、下端部が近傍側に表示されているため、テキスト画像が斜め面に表示されていることが視認者に知覚されてしまうことが想定される。

　本明細書に開示される特定の実施形態の要約を以下に示す。これらの態様が、これらの特定の実施形態の概要を読者に提供するためだけに提示され、この開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。実際に、本開示は、以下に記載されない種々の態様を包含し得る。

　本開示の概要は、路面に沿っているように知覚されやすい画像と、路面に沿っていないように知覚されやすい画像と、を表示することができるヘッドアップディスプレイ装置を提供することに関する。

　したがって、本明細書に記載される第１の態様のヘッドアップディスプレイ装置は、車両の前後方向に沿うような配置に設定される虚像表示領域で虚像を視認者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、虚像の元となる画像光を射出する表示面を有する表示器と、表示面が射出する画像光を被投影部に向けてリレーする、ように構成されたリレー光学と、を備え、虚像表示領域は、車両の前後方向に沿うように垂直方向に対して傾いて配置される遠方虚像領域と、視認者から見て遠方虚像領域より近く、遠方虚像領域より車両の前後方向で視認者側に起き上がるように配置される近傍虚像領域と、を有する。

　また、第１の態様に従属する第２の態様のヘッドアップディスプレイ装置では、表示面は、遠方虚像領域対応した遠方表示面領域と、近傍虚像領域に対応した近傍表示面領域と、を含み、遠方表示面領域は、遠方虚像領域が車両の前後方向に沿って配置されるように、視認者に向かう画像光の光軸に対して傾いて配置され、近傍表示面領域は、遠方虚像領域に対し、近傍虚像領域が視認者側に起き上がるように、遠方表示面領域の近似的な傾きから外れた角度で配置されてもよい。

また、第１の態様に従属する第３の態様のヘッドアップディスプレイ装置では、車両の前方向をＺ軸の正方向とし、車両の左側から見てＺ軸の正方向から時計回りの近傍虚像領域までを第３チルト角とし、Ｚ軸の正方向から時計回りの遠方虚像表示領域までを第２チルト角としたとき、表示領域は、Ｚ軸負方向に向かうに従う第３チルト角の増加率が、Ｚ軸負方向に向かうに従う第２チルト角の増加率より小さくなる、ように形成されてもよい。

また、第３の態様に従属する第４の態様のヘッドアップディスプレイ装置では、表示領域は、Ｚ軸負方向に向かうに従う第３チルト角の変化幅が、概ねゼロとなる、ように形成されてもよい。

また、第１の態様に従属する第５の態様のヘッドアップディスプレイ装置では、遠方虚像領域は、近傍虚像領域と接続されてもよい。

また、第１の態様に従属する第６の態様のヘッドアップディスプレイ装置では、虚像表示領域は、視認者から見て遠方虚像領域よりさらに遠く、遠方虚像領域より車両の前後方向で視認者側に起き上がるように配置される第２の遠方虚像領域をさらに有していてもよい。

また、第６の態様に従属する第７の態様のヘッドアップディスプレイ装置では、虚像表示領域は、第２の遠方虚像領域の近似的な第１チルト角は、近傍虚像領域の近似的な第３のチルト角より大きくなる、ように形成されてもよい。

また、第６の態様に従属する第８の態様のヘッドアップディスプレイ装置では、虚像表示領域は、虚像表示領域のうち、車両の前後方向において、最も遠方に配置される遠方端、最も近傍に配置される近傍端、を含み、車両の前方向をＺ軸の正方向とし、車両の左側から見てＺ軸の正方向から時計回りの遠方端までを第４のチルト角とし、Ｚ軸の正方向から時計回りの近傍端までを第５のチルト角としたとき、第４のチルト角は、第５のチルト角より大きくなる、ように形成されてもよい。

また、第６の態様に従属する第９の態様のヘッドアップディスプレイ装置では、虚像表示領域は、第２の遠方虚像領域における最大のチルト角が、９０［ｄｅｇｒｅｅ］未満になる、ように形成されてもよい。

いくつかの実施形態に係る、ヘッドアップディスプレイ装置の車両への適用例を示す図である。いくつかの実施形態に係る、ヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す図である。比較例のリレー光学と表示面との配置を示す図である。図３Ａの比較例で生成される虚像表示領域の配置を示す図である。いくつかの実施形態に係る、リレー光学と表示面との配置を示す図である。図４Ａの実施形態で生成される虚像表示領域の配置を示す図である。いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の奥行き方向（Ｚ軸方向）の位置とチルト角との関係を示す図である。いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の奥行き方向（Ｚ軸方向）の位置とチルト角との関係を示す図である。いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の奥行き方向（Ｚ軸方向）の位置とチルト角との関係を示す図である。いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の奥行き方向（Ｚ軸方向）の位置とチルト角との関係を示す図である。いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の配置を示す図である。いくつかの実施形態に係る、リレー光学と表示面との配置を示す図である。図７Ａの実施形態で生成される虚像表示領域の配置を示す図である。いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の奥行き方向（Ｚ軸方向）の位置とチルト角との関係を示す図である。いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の奥行き方向（Ｚ軸方向）の位置とチルト角との関係を示す図である。いくつかの実施形態に係る、リレー光学と表示面との配置を示す図である。いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の奥行き方向（Ｚ軸方向）の位置とチルト角との関係を示す図である。いくつかの実施形態に係る、リレー光学と表示面との配置を示す図である。

　以下、図１及び図２では、例示的な車両用表示システム、及びヘッドアップディスプレイ装置の構成の説明を提供する。また、図３Ａ、図３Ｂでは、比較例の説明を提供し、図４Ａないし図１１では、本実施形態の構成の説明を提供する。なお、本発明は以下の実施形態（図面の内容も含む）によって限定されるものではない。下記の実施形態に変更（構成要素の削除も含む）を加えることができるのはもちろんである。また、以下の説明では、本発明の理解を容易にするために、公知の技術的事項の説明を適宜省略する。

　図１を参照する。車両用表示システム１０は、ＨＵＤ装置２０と、ＨＵＤ装置２０を制御する表示制御装置３０と、観察者の前方に配置され、ＨＵＤ装置２０からの画像光４０の一部を観察者に向けて反射する被投影部２と、で構成される。なお、本実施形態の説明では、車両１の運転席に着座する視認者（運転者４）が車両１の前方を向いた際の左右方向をＸ軸（左方向がＸ軸正方向）、上下方向をＹ軸（上方向がＹ軸正方向）、前後方向をＺ軸（前方向がＺ軸正方向）とする。

　車両用表示システム１０におけるＨＵＤ装置２０は、車両１のダッシュボード５内に設けられたヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ－Ｕｐ　Ｄｉｓｐｌａｙ）装置である。ＨＵＤ装置２０は、画像光４０をフロントウインドシールド２（フロントウインドシールド２は、被投影部の一例であり、コンバイナであってもよい。）に向けて出射し、フロントウインドシールド２で反射された画像光４０により所定領域のアイボックス（不図示）を生成する。運転者４は、アイポイントを前記アイボックスに配置することで、ＨＵＤ装置２０が表示する画像の全体を視認することができる。なお、ここでは、前記アイボックスを画像の全体が見える領域と定義したが、これに限定されるものではなく、視認者が視認するＨＵＤ装置２０の表示する画像の歪みが所定閾値内に収まる領域など、ＨＵＤ装置２０が表示する画像が所望の状態で視認される領域である。フロントウインドシールド２（被投影部の一例である。）よりも前方側（Ｚ軸正方向）の虚像表示領域１００で画像（虚像）を視認させる。これにより、運転者４は、フロントウインドシールド２を介して視認される現実空間である前景３００に重なった画像（虚像）を視認できる。

　本実施形態の車両用表示システム１０（ＨＵＤ装置２０）は、虚像表示領域１００を路面３１０に沿うように形成する。ここで、『路面３１０に沿うような虚像表示領域１００』は、虚像表示領域１００の遠方端１２０と近傍端１１０との間の奥行方向（Ｚ軸方向）の距離１００Ｚが、虚像表示領域１００の最高位置（図１では遠方端１２０）と最低位置（図１では近傍端１１０）との間の高さ方向（Ｙ軸方向）の距離１００Ｙよりも４倍、又はこれより長いことを示し、さらに好ましくは、奥行方向（Ｚ軸方向）の距離１００Ｚが、高さ方向（Ｙ軸方向）の距離１００Ｙよりも１０倍、又はこれより長いことを示す。一実施例の虚像表示領域１００において、（Ｚ座標［ｍｅｔｅｒ］、Ｙ座標［ｍｅｔｅｒ］）で表し、前記アイボックスの高さ方向の中心を（０、１．２）とすると、近傍端１１０は（６．０、０．５）、遠方端１２０（最高位置）は（１１．０、１．０）であり、この場合、奥行方向（Ｚ軸方向）の距離１００Ｚが５．０［ｍｅｔｅｒ］、高さ方向（Ｙ軸方向）の距離１００Ｙが０．５［ｍｅｔｅｒ］となり、奥行方向（Ｚ軸方向）の距離１００Ｚが高さ方向（Ｙ軸方向）の距離１００Ｙの１０倍となる。

　虚像表示領域１００は、平面、曲面、又は一部曲面の領域であり、結像面とも呼ばれる。虚像表示領域１００は、虚像表示領域１００は、ＨＵＤ装置２０の後述する表示面（スクリーン２４）の虚像が結像される位置であり、すなわち、虚像表示領域１００は、ＨＵＤ装置２０の表示面に対応し（言い換えると、虚像表示領域１００は、後述する表示器２１の表示面と、共役関係となる。）、虚像表示領域１００で視認される虚像は、ＨＵＤ装置２０の後述する表示面２４に表示される表示画像に対応している、と言える。虚像表示領域１００自体は、実際に観察者に視認されない、又は視認されにくい程度に視認性が低いことが好ましい。

　図２は、本実施形態のＨＵＤ装置２０の構成を示す図である。ＨＵＤ装置２０は、画像を表示する表示面を有する表示器２１と、リレー光学２５と、を含む。

　図２の表示器２１は、プロジェクタ２２（表示器の一例）と、プロジェクタ２２からの投影光を受光して画像（実像）を表示するスクリーン２４（表示面の一例）と、で構成されるプロジェクション型ディスプレイである。なお、表示器２１は、ＬＣＤなどのバックライトからの光を透過する透過型ディスプレイ（表示器の一例）であってもよく、自発光型ディスプレイ（表示器の一例）であってもよい。これらの場合、表示面は、透過型ディスプレイにおけるディスプレイ表面（表示面の一例）であり、プロジェクション型ディスプレイのスクリーン２４（表示面の一例）である。前記表示面は、前記表示面から、後述のリレー光学２５及び前記被投影部を介して前記アイボックス（前記アイボックスの中央）へ向かう画像光４０の光軸４０ｐに対し垂直になる角度から傾いて配置され、これにより、虚像表示領域１００を路面３１０に沿うように配置することができる。なお、表示器２１は、表示制御装置３０により制御されるモータなどのアクチュエータ（不図示）が取り付けられ、表示面を移動、及び／又は回転可能であってもよい。

　本実施形態の表示面２４は、非平面であり、平面もしくは曲面の連続性が失われる（折れ曲がる）境界（後述する表示面屈曲部ＩＭ５）を有し、これにより、虚像表示領域１００の近傍側の近傍虚像領域１５１を、遠方側の遠方虚像領域１５２よりも路面３１０から起き上がる角度にする。これについては、後で詳述する。

　リレー光学２５は、表示器２１とフロントウインドシールド２（被投影部の一例。）との間の表示器２１からの画像の光（表示器２１から前記アイボックスへ向かう光。）の光路上に配置され、表示器２１からの画像の光をＨＵＤ装置２０の外側のフロントウインドシールド２に投影する１つ又はそれ以上の光学部材で構成される。図２のリレー光学２５は、第１ミラー２６と、第２ミラー２８と、を含む。リレー光学２５は、被投影部２とともに、表示画像の虚像を結像するための虚像光学系９０として機能する。虚像光学系９０は、複数の光学部材で構成され、複数の光学部材の配置を調整すること、及び／又は１つ（又はそれ以上）の光学部材の全体の（又は一部分の）光学的パワーを調整すること、で観察者に視認させる虚像の一部又は全体のサイズ（倍率）、配置、及び／又は形状などを調整し得る。

　第１ミラー２６は、一端から他端に向けて曲率半径が概ね一定の凹状の自由曲面形状である。換言すると、第１ミラー２６は、領域毎に光学的パワーが概ね同じ曲面形状であり、すなわち、画像光４０が通る領域（光路）に応じて画像光４０に付加される光学的パワーが同じである。具体的には、前記表示面の各領域から前記アイボックスへ向かう第１画像光４１、第２画像光４２、第３画像光４３（図２参照）とで、リレー光学２５によって付加される光学的パワーが概ね同じである。

　なお、第２ミラー２８は、平面ミラーであるが、これに限定されず、平面ではなく、光学的パワーを有する曲面であってもよい。

　また、リレー光学２５は、領域毎に光学的パワーが異なる曲面形状の複数のミラーを合成することで、画像光４０が通る領域（光路）に応じて付加される光学的パワーが概ね同じになるように、複数のミラーの領域毎の光学的パワーを設定してもよい。

　なお、本実施形態では、リレー光学２５は、２つのミラーを含んでいたが、これに限定されるものではなく、これらに追加又は代替で、１つ又はそれ以上の、レンズなどの屈折光学部材、ホログラムなどの回折光学部材、反射光学部材、又はこれらの組み合わせを含んでいてもよい。

　また、本実施形態のリレー光学２５は、この曲面形状（光学的パワーの一例。）により、虚像が結像される位置（虚像表示領域１００）までの距離を設定する機能、及びスクリーン２４（表示面）に表示された画像を拡大した虚像を生成する機能、を有するが、これに加えて、フロントウインドシールド２の湾曲形状により生じ得る虚像の歪みを抑制する（補正する）機能、を有していてもよい。

　また、リレー光学２５は、表示制御装置３０により制御されるモータなどのアクチュエータ（不図示）が取り付けられ、移動、及び／又は回転可能であってもよい。

　次に、本実施形態に係る、リレー光学２５と非平面の表示面２４との配置と、生成される虚像表示領域１００の配置について説明する。本実施形態の虚像表示領域１００は、路面３１０に沿い、車両の左右方向（Ｘ方向）を軸とした、遠方虚像領域１５２の傾斜が路面３１０と平行になる角度に近く、一方、近傍虚像領域１５１の傾斜が路面３１０と垂直になる角度に近くなるように形成される。

　まず、比較例を図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。図３Ａは、比較例のリレー光学５００と表示面５２４との配置を示す図である。なお、図３Ａでは、本実施形態との違いをわかりやすくするため、リレー光学５００の各領域５０１、５０２、５０３の焦点を符号５０１ｆ，５０２ｆ，５０３ｆで表記するが、これら焦点５０１ｆ，５０２ｆ，５０３ｆとリレー光学５００との距離関係、及び焦点５０１ｆ，５０２ｆ，５０３ｆと表示面５２４との距離関係を正確に示したものではない。比較例では、表示面５２４が、平面である。すなわち、比較例の表示面５２４は、後述する表示面屈曲部ＩＭ５がない。また、次に説明する本発明の実施形態でも同様だが、表示面５２４は、表示面５２４から前記アイボックスへ向かう画像光の光軸５４０ｐとの垂直面５２４ａから角度αだけ傾いて配置される。具体的には、表示面５２４から前記アイボックスへ向かう画像光５４０の光軸５４０ｐの垂直面５２４ａから角度αだけ傾いて配置される。具体的には、表示面５２４は、垂直面５２４ａと比べて、虚像表示領域６００の虚像表示近傍部６０３（図３Ｂ）に対応する表示面５２４における領域Ｍ３から、虚像表示近傍部６０３より遠方の虚像表示領域６００の領域６０２（図３Ｂ）に対応する表示面５２４における領域Ｍ２に向けて徐々にリレー光学５００から離れるように配置される。換言すると、虚像表示領域６００の虚像表示近傍部６０３に対応する表示面５２４における領域Ｍ３から、虚像表示近傍部６０３より遠方の虚像表示領域６００の領域６０２（図３Ｂ）に対応する表示面５２４における領域Ｍ２に向けて徐々にリレー光学５００の焦点に近づくように配置される（領域Ｍ２と焦点５０２ｆとの間の距離を、領域Ｍ３と焦点５０３ｆとの間の距離より短くする）。このような場合、図３Ｂに示すように、車両１の左右方向（Ｘ方向）から見ると、生成される虚像表示領域６００の断面は、運転者４側（上側（Ｙ軸正方向））が凸状となる。

　次に、本実施形態について図４Ａ、図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは、本実施形態のリレー光学２５と表示面２４との配置を示す図である。本実施形態の表示面２４は、近傍虚像領域１５１に対応した近傍表示面領域２４１と、遠方虚像領域１５２に対応した遠方表示面領域２４２と、を含み、遠方表示面領域２４２が、表示面２４から前記アイボックスへ向かう画像光４０の光軸４０ｐとの垂直面２４ａから角度αだけ傾いて配置される。具体的には、表示面２４は、垂直面２４ａと比べて、虚像表示領域１００の虚像屈曲部１０５に対応する表示面２４の表示面屈曲部ＩＭ５から、虚像表示領域１００の近傍虚像領域１５１内に含まれる近傍虚像部１０１に対応する表示面２４の近傍表示面部ＩＭ１に向けて徐々にリレー光学２５から離れるように配置される。換言すると、表示面２４は、近傍表示面部ＩＭ１から表示面屈曲部ＩＭ５に向けて徐々にリレー光学２５の焦点から離れるように配置される（近傍表示面部ＩＭ１と焦点２５１ｆとの間の距離を、表示面屈曲部ＩＭ５と焦点２５５ｆとの間の距離より短くする）。

　さらに、本実施形態の表示面２４は、表示面屈曲部ＩＭ５を有し、遠方表示面部ＩＭ３から表示面屈曲部ＩＭ５までの表示面２４の近似的な傾き（図４Ａでの点線）を基準に、表示面屈曲部ＩＭ５から近傍表示面部ＩＭ１までの表示面２４の近似的な傾きがリレー光学２５から離れるように屈曲する。換言すると、表示面屈曲部ＩＭ５から近傍表示面部ＩＭ１に向けて徐々にリレー光学２５の焦点に近づくように配置し（表示面屈曲部ＩＭ５と焦点２５５ｆとの間の距離を、遠方表示面部ＩＭ３と焦点２５３ｆとの間の距離より短くし）、かつ表示面屈曲部ＩＭ５から近傍表示面部ＩＭ１に向けて徐々にリレー光学２５の焦点に近づくように配置する（遠方表示面部ＩＭ１と焦点２５１ｆとの間の距離を、表示面屈曲部ＩＭ５と焦点２５５ｆとの間の距離より短くする）。

　ここで、物体と凹面ミラーとの間の距離ａ（＞０）、虚像と凹面ミラーとの間の距離ｂ（＞０），そして、凹面ミラーの焦点距離ｆ（＞ａ）の間には、以下の関係式が成り立つ。この関係式によれば、物体と凹面ミラーとの間の距離が長くなるほど、虚像の距離ｂが長くなる。
１／ａ－１／ｂ＝１／ｆ

　上述したように、表示面２４が、表示面２４から前記アイボックスへ向かう画像光の光軸４０ｐとから傾いて配置されることで、虚像表示領域１００が、路面３１０に沿うように（近傍から遠方に向けて徐々に結像距離が長くなるように）、配置される。近傍表示面領域２４１（近傍表示面部ＩＭ１）から第１ミラー２６の第１領域２５１に投射した第１画像光４１は、近傍表示面領域２４１（近傍表示面部ＩＭ１）が第１領域２５１から離れているため、フロントウインドシールド２に反射された際に、（表示面を屈曲させずにリレー光学に近づけない場合と比較して）フロントウインドシールド２からの結像距離が長くなる。

　本実施形態の表示面２４は、表示面屈曲部ＩＭ５を境界にした近傍表示面領域２４１を、遠方表示面部ＩＭ３から表示面屈曲部ＩＭ５までの表示面２４の近似的な傾き（図４Ａでの点線）よりも、リレー光学２５から遠ざける（物体と凹面ミラーとの間の距離を長くする）ことで、虚像表示領域１００の近傍虚像領域１５１（近傍端１１０も含む）が路面３１０に沿う傾きから起き上がるように湾曲させることができる。近傍虚像領域１５１（近傍端１１０も含む）が路面３１０に沿う傾きから起き上がるように湾曲させるとは、図４Ｂ示すように、近傍虚像領域１５１（近傍虚像部１０１）における虚像表示領域１００の接線と路面３１０との間のチルト角θ（第１のチルト角θ１）が、近傍虚像領域１５１より運転者４から離れた遠方虚像領域１５２（虚像遠方部１０２）における虚像表示領域１００の接線と路面３１０との間のチルト角θ（第２のチルト角θ２）より大きく、かつチルト角θが、虚像遠方部１０２（遠方側）から近傍虚像領域１５１（近傍側）に向かうに連れて連続的に増加する（単調増加する）。

　図５Ａないし図５Ｄは、実施形態に係る、虚像表示領域１００の奥行き方向（Ｚ軸方向）の位置とチルト角θとの関係を示す図である。本実施形態では、近傍虚像領域１５１（近傍端１１０）が近傍虚像領域１５１より遠方の虚像遠方部１０２より路面３１０に沿う傾きから起き上がればよく、図５Ａに示すように、遠方端１２０から近傍端１１０に向かうにつれてチルト角θが単調増加することに限定されるものではない。

　いくつかの実施形態では、図５Ｂに示すように、結像距離が短くなるに従う（換言すると、Ｚ軸負方向に向かうに従う）虚像屈曲部１０５から近傍虚像部１０１までのチルト角θの増加率（変化率）が、遠方虚像部１０３から虚像屈曲部１０５までのチルト角θの増加率（変化率）より小さくなるようにしてもよい。この場合、例えば、表示面２４は、表示面屈曲部ＩＭ５と第５画像光４５が通るリレー光学２５の第５領域２５５との間の距離から、近傍表示面部ＩＭ１と第１画像光４１が通るリレー光学２５の第１領域２５１との間の距離までの増加率を、表示面屈曲部ＩＭ５と第５画像光４５が通るリレー光学２５の第５領域２５５との間の距離から、遠方表示面部ＩＭ３と第３画像光４３が通るリレー光学２５の第３領域２５３との間の距離までの増加率より小さくする。これにより、近傍虚像部１０１は、奥行き方向の距離の変化に従うチルト角の変化を小さく抑えられる。

　いくつかの実施形態では、図５Ｃに示すように、結像距離が短くなるに従う（換言すると、Ｚ軸負方向に向かうに従う）虚像屈曲部１０５から近傍虚像部１０１までのチルト角θの変化幅が、概ねゼロ（±１［ｄｅｇｒｅｅ］の範囲）としてもよい。これにより、近傍虚像部１０１は、奥行き方向の距離の変化に従うチルト角の変化をなくすことができる。

　また、いくつかの実施形態では、図５Ｄに示すように、遠方虚像領域１５２から虚像屈曲部１０５までのチルト角θの変化率を負の値から徐々にゼロまで増加させ、虚像屈曲部１０５から近傍端１１０までのチルト角θの増加率（変化率）をゼロより大きくしてもよい。この場合の虚像表示領域１００の配置を図６に示す。すなわち、この虚像表示領域１００は、遠方虚像領域１５２（遠方端１２０）から虚像屈曲部１０５まで徐々に上下方向（Ｙ軸方向）の位置が高くなり、虚像屈曲部１０５を最高位置とし、虚像屈曲部１０５から近傍端１１０まで徐々に上下方向（Ｙ軸方向）の位置が低くなり、近傍端１１０を最低位置とする。この場合、例えば、上記実施形態よりも表示面２４の傾きαを大きくし、かつ、表示面屈曲部ＩＭ５と第５画像光４５が通るリレー光学２５の第５領域２５５との間の距離から、遠方表示面部ＩＭ３と第３画像光４３が通るリレー光学２５の第３領域２５３との間の距離までの増加率を、表示面屈曲部ＩＭ５と第５画像光４５が通るリレー光学２５の第５領域２５５との間の距離から、近傍表示面部ＩＭ１と第１画像光４１が通るリレー光学２５の第１領域２５１との間の距離までの増加率より小さくする。

　また、いくつかの実施形態では、虚像表示領域１００の最低位置を含む一部を路面３１０よりも下に配置してもよい。例えば、虚像表示領域１００は、図４Ｂに示すように、近傍端１１０が最低位置となり、近傍端１１０から遠方端１２０に向けた途中までを路面３１０の下に配置し、これより遠方端１２０を含む他部を路面３１０の上に配置してもよい。

　次に、本発明の他の実施形態について、図７Ａ、図７Ｂを用いて説明する。図７Ａは、本実施形態のリレー光学２５と表示面２４との配置を示す図である。本実施形態の表示面２４は、第２の遠方虚像領域１５３に対応した遠方表示面領域２４２と、近傍虚像領域１５１に対応した近傍表示面領域２４１と、第２の遠方虚像領域１５３と近傍虚像領域１５１との間の遠方虚像領域１５２に対応した遠方表示面領域２４２と、を含み、遠方表示面領域２４２が、表示面２４から前記アイボックスへ向かう画像光４０の光軸４０ｐとの垂直面２４ａから角度αだけ傾いて配置される。具体的には、表示面２４は、垂直面２４ａと比べて、第２の遠方虚像領域１５３と遠方虚像領域１５２との境界である第２の虚像屈曲部１０６に対応する表示面２４の第２の表示面屈曲部ＩＭ６から、近傍虚像領域１５１と遠方虚像領域１５２との境界である第１の虚像屈曲部１０５に対応する表示面２４の第１の表示面屈曲部ＩＭ５に向けて徐々にリレー光学２５から離れるように配置される。換言すると、第２の表示面屈曲部ＩＭ６から、第１の表示面屈曲部ＩＭ５に向けて徐々にリレー光学２５の焦点から離れるように配置される（第２の表示面屈曲部ＩＭ６と焦点２５６ｆとの間の距離を、第１の表示面屈曲部ＩＭ５と焦点２５５ｆとの間の距離より短くする）。

　本実施形態の表示面２４は、第１の表示面屈曲部ＩＭ５、及び第２の表示面屈曲部ＩＭ６を有し、第１の表示面屈曲部ＩＭ５から第２の表示面屈曲部ＩＭ６までの遠方表示面領域２４２の近似的な傾き（図７Ａでの点線）を基準に、第１の表示面屈曲部ＩＭ５から近傍表示面部ＩＭ１までの表示面２４の近似的な傾きがリレー光学２５から離れるように屈曲し、かつ第２の表示面屈曲部ＩＭ６から遠方表示面部ＩＭ３までの表示面２４の近似的な傾きがリレー光学２５に近づくように屈曲する。換言すると、第１の表示面屈曲部ＩＭ５から第２の表示面屈曲部ＩＭ６に向けて徐々にリレー光学２５の焦点に近づくように配置し（第２の表示面屈曲部ＩＭ６と焦点２５６ｆとの間の距離を、第１の表示面屈曲部ＩＭ５と焦点２５５ｆとの間の距離より短くし）、第１の表示面屈曲部ＩＭ５から近傍表示面部ＩＭ１に向けて徐々にリレー光学２５の焦点に近づくように配置し（近傍表示面部ＩＭ１と焦点２５１ｆとの間の距離を、第１の表示面屈曲部ＩＭ５と焦点２５５ｆとの間の距離より短くし）、かつ第２の表示面屈曲部ＩＭ６から遠方表示面部ＩＭ３に向けて徐々にリレー光学２５の焦点から離れるように配置する（遠方表示面部ＩＭ３と焦点２５３ｆとの間の距離を、第２の表示面屈曲部ＩＭ６と焦点２５６ｆとの間の距離より長くする）。

　上述したように、表示面２４が、表示面２４から前記アイボックスへ向かう画像光の光軸４０ｐとから傾いて配置されることで、虚像表示領域１００が、路面３１０に沿うように（近傍から遠方に向けて徐々に結像距離が長くなるように）、配置される。近傍表示面領域２４１（近傍表示面部ＩＭ１）から第１ミラー２６の第１領域２５１に投射した第１画像光４１は、近傍表示面領域２４１（近傍表示面部ＩＭ１）が第１領域２５１から離れているため、フロントウインドシールド２に反射された際に、（表示面を屈曲させずにリレー光学に近づけない場合と比較して）フロントウインドシールド２からの結像距離が長くなる。また、第２の遠方表示面領域２４３（遠方表示面部ＩＭ３）から第１ミラー２６の第３領域２５３に投射した第３画像光４３は、第２の遠方表示面領域２４３（遠方表示面部ＩＭ３）が第３領域２５３に近づくため、フロントウインドシールド２に反射された際に、（表示面を屈曲させずにリレー光学に近づけない場合と比較して）フロントウインドシールド２からの結像距離が短くなる。

　これにより、本実施形態の虚像表示領域１００は、第２の遠方虚像領域１５３（遠方端１２０も含む）及び近傍虚像領域１５１（近傍端１１０も含む）が、路面３１０に沿う傾きから起き上がるように湾曲させることができる。具体的には、第２の遠方虚像領域１５３（遠方虚像部１０３）における虚像表示領域１００の接線と路面３１０との間の第３のチルト角θ３、及び近傍虚像領域１５１（近傍虚像部１０１）における虚像表示領域１００の接線と路面３１０との間の第１のチルト角θ１が、遠方虚像領域１５２（虚像遠方部１０２）における虚像表示領域１００の接線と路面３１０との間の第２のチルト角θ２より大きく、かつチルト角θが、第１の虚像屈曲部１０５から近傍虚像領域１５１（近傍側）に向かうに連れて連続的に増加し（単調増加する）、第２の虚像屈曲部１０６から近傍虚像領域１５１（近傍側）に向かうに連れて連続的に増加する（単調増加する）。

　図８Ａないし図８Ｃは、実施形態に係る、虚像表示領域１００の奥行き方向（Ｚ軸方向）の位置とチルト角θとの関係を示す図である。いくつかの実施形態では、第２の遠方虚像領域１５３（遠方端１３０）が遠方虚像領域１５２より路面３１０に沿う傾きから起き上がり、かつ近傍虚像領域１５１（近傍端１１０）が遠方虚像領域１５２より路面３１０に沿う傾きから起き上がる。

　図８Ａは、図７Ｂで示した実施形態の虚像表示領域１００の奥行き方向（Ｚ軸方向）の位置とチルト角θとの関係を示す図である。本実施形態では、チルト角θは、（１）近傍端１１０から第１の虚像屈曲部１０５まで単調増加（単調非減少も含む。）し、（２）第１の虚像屈曲部１０５から第２の虚像屈曲部１０６まで単調減少（単調非増加も含む。）し、（３）第２の虚像屈曲部１０６から遠方虚像部１０３まで単調増加（単調非減少も含む。）する。また、これの変形例として、虚像表示領域１００は、（４）近傍端１１０から第１の虚像屈曲部１０５まで単調増加（単調非減少も含む。）し、（５）第１の虚像屈曲部１０５から第２の虚像屈曲部１０６まで上記（４）より緩やかな単調増加（単調非減少も含む。）し、（３）第２の虚像屈曲部１０６から遠方虚像部１０３まで上記（５）より急な単調増加（単調非減少も含む。）してもよい。

　いくつかの実施形態では、図８Ａに示すように、第２の遠方虚像領域１５３の近似的な第３のチルト角θ３は、近傍虚像領域１５１の近似的な第１のチルト角θ１より大きく設定されてもよい。これにより、第２の遠方虚像領域１５３を効率よく広い前景３００に重ねることができる。

　また、いくつかの実施形態では、虚像表示領域１００は、遠方端１２０でのチルト角θが、第２の遠方虚像領域１５３における最大のチルト角になるように、形成されてもよい。

　また、いくつかの実施形態では、虚像表示領域１００は、近傍端１１０でのチルト角θが、近傍虚像領域１５１における最大のチルト角になるように、形成されてもよい。

　また、いくつかの実施形態では、虚像表示領域１００は、遠方端１２０でのチルト角θが、近傍端１１０でのチルト角θより大きくなるように、形成されてもよい。

　いくつかの実施形態では、図８Ａに示すように、第２の虚像屈曲部１０６から遠方虚像部１０３までの増加率（変化率）を、近傍端１１０から第１の虚像屈曲部１０５までの増加率（変化率）より大きくなるようにしてもよい。これにより、第２の遠方虚像領域１５３を効率よく広い前景３００に重ねることができる。

　いくつかの実施形態の虚像表示領域１００は、図８Ｂに示すように、近傍端１１０から第１の虚像屈曲部１０５までのチルト角を一定にする、第１の虚像屈曲部１０５から第２の虚像屈曲部１０６までのチルト角を一定にする、第２の虚像屈曲部１０６から遠方端１２０までのチルト角を一定にする、又はこれらの組み合わせの形状になるよう形成されてもよい。図９は、図８Ｂで示した虚像表示領域１００の配置（形状）を示す図である。換言すると、第２の遠方虚像領域１５３、遠方虚像領域１５２、近傍虚像領域１５１、又はこれらの組み合わせは、車両１の左右方向（Ｘ方向）を軸とする湾曲を持たない（又は小さい湾曲）であり、平面又は車両１の上下方向（Ｙ方向）を軸とする湾曲を有する曲面としてもよい。

　いくつかの実施形態では、図１０に示すように、第１の虚像屈曲部１０５のから遠方虚像領域１５２の所定の位置（例えば、虚像遠方部１０２）までチルト角を負の値で単調増加し、前記所定の位置（例えば、虚像遠方部１０２）から第２の虚像遠方部１０５までチルト角を正の値で単調増加させてもよい。これにより、近傍虚像領域１５１以遠の虚像表示領域１００の領域は、観察者側が凹形状となるように形成されてもよい。

　いくつかの実施形態の虚像表示領域１００は、２以上であってもよい。例えば、図１１に示すように、虚像表示領域１００は、遠方側の第２の遠方虚像領域１５３を少なくとも含む第１虚像表示領域１７１と、第１虚像表示領域１７１より近傍側に配置され、遠方虚像領域１５２よりも路面３１０から起き上がる角度の近傍虚像領域１５１を少なくとも含む第２虚像表示領域１７２と、で構成されてもよい。この場合、表示面２４は、分割した２つで構成され、これら２つの表示面２４にそれぞれ別の画像生成部２２で画像を表示させてもよい。また、１つの画像生成部２２で、２つの表示面２４に画像を表示させてもよい。また、表示面２４が１つであっても、２つに分断して見えるように、表示面２４の一部を隠蔽する（光が視認者に視認されないようにする）ことで、虚像表示領域１００を擬似的に２つ以上にしてもよい。

　上記実施形態では、第１ミラー２６は、一端から他端に向けて曲率半径が概ね一定の自由曲面形状であったが、これに限定されるものではなく、曲率が概ね一定でなくてもよい。特に、本実施形態では、表示面２４に表示面屈曲部ＩＭ５（表示面屈曲部ＩＭ６）を設けることで、虚像表示領域１００の遠方側の傾斜を、路面に沿う角度から起き上がるようにしているが、これに加えて（又は代えて）、第１ミラー２６（リレー光学２５）の領域毎に曲率半径（光学的パワー）を異ならせることで、虚像表示領域１００の近傍側の傾斜（及び／又は遠方側の傾斜）を、より路面に沿う角度から起き上がりやすくしてもよい。

　具体的には、第１ミラー２６は、一端から他端に向けて曲率半径が徐々に変化する自由曲面形状であってもよい。換言すると、第１ミラー２６は、領域毎に光学的パワーが異なる曲面形状であり、すなわち、画像光４０が通る領域（光路）に応じて画像光４０に付加される光学的パワーが異なってもよい。具体的には、前記表示面の各領域から前記アイボックスへ向かう第３画像光４３、第２画像光４２、第１画像光４１（図２参照）とで、リレー光学２５によって付加される光学的パワーが異なる。

　なお、第２ミラー２８は、平面ではなく、光学的パワーを有する曲面であってもよい。すなわち、リレー光学２５は、複数のミラー（例えば、本実施形態の第１ミラー２６、第２ミラー２８。）を合成することで、画像光４０が通る領域（光路）に応じて付加される光学的パワーを異ならせてもよい。

　近傍虚像領域１５１に対応する近傍表示面部ＩＭ１と、第２の遠方虚像領域１５３に対応する遠方表示面部ＩＭ３（又は遠方虚像領域１５２に対応する遠方表示面部ＩＭ２）とは、非連続的に結合される。すなわち、表示面２４は、遠方表示面部ＩＭ３（又は遠方表示面部ＩＭ２）は、なめらかな曲面によってではなく、非連続的な表示面屈曲部ＩＭ５により、近傍表示面部ＩＭ１とつながる、ように形成される。

　第２の遠方虚像領域１５３に対応する遠方表示面部ＩＭ３と、近傍虚像領域１５１に対応する近傍表示面部ＩＭ１とは、非連続的に結合される。すなわち、表示面２４は、遠方表示面部ＩＭ３は、なめらかな曲面によってではなく、非連続的な表示面屈曲部ＩＭ６により、近傍表示面部ＩＭ１とつながる、ように形成される。

１　　　　：車両
２　　　　：被投影部
１０　　　：車両用表示システム
２０　　　：ＨＵＤ装置
２１　　　：表示器
２２　　　：プロジェクタ（画像生成部）
２４　　　：スクリーン（表示面）
２５　　　：リレー光学
２６　　　：第１ミラー
２８　　　：第２ミラー
３０　　　：表示制御装置
４０　　　：画像光
４０ｐ　　：光軸
４１　　　：第１画像光
４２　　　：第２画像光
４３　　　：第３画像光
４５　　　：第５画像光
９０　　　：虚像光学系
１００　　：虚像表示領域
１０１　　：近傍虚像部
１０２　　：虚像遠方部
１０３　　：遠方虚像部
１０５　　：第１の虚像屈曲部（虚像屈曲部）
１０６　　：第２の虚像屈曲部
１１０　　：近傍端
１２０　　：遠方端
１３０　　：遠方端
１５１　　：近傍虚像領域
１５２　　：遠方虚像領域
１５３　　：第２の遠方虚像領域
１７１　　：第１虚像表示領域
１７２　　：第２虚像表示領域
２４１　　：近傍表示面領域
２４２　　：遠方表示面領域
５００　　：リレー光学
θ１　　　：第１のチルト角
θ２　　　：第２のチルト角
θ３　　　：第３のチルト角

Claims

　車両の前後方向に沿うような配置に設定される虚像表示領域（１００）で虚像を視認者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置（２０）であって、
　前記虚像の元となる画像光（４０）を射出する表示面（２４）を有する表示器（２１）と、
　前記表示面（２４）が射出する前記画像光（４０）を被投影部（２）に向けてリレーする、ように構成されたリレー光学（２５）と、を備え、
　前記虚像表示領域（１００）は、
　　前記車両の前後方向に沿うように垂直方向に対して傾いて配置される遠方虚像領域（１５２）と、視認者から見て前記遠方虚像領域（１５２）より近く、前記遠方虚像領域（１５２）より前記車両の前後方向で前記視認者側に起き上がるように配置される前記近傍虚像領域（１５１）と、を有する、
ヘッドアップディスプレイ装置。
　前記表示面（２４）は、
　　前記遠方虚像領域（１５２）に対応した遠方表示面領域（２４２）と、前記近傍虚像領域（１５１）に対応した近傍表示面領域（２４１）と、を含み、
　　前記遠方表示面領域（２４２）は、前記遠方虚像領域（１５２）が前記車両の前後方向に沿って配置されるように、前記視認者に向かう前記画像光（４０）の光軸（４０ｐ）に対して傾いて配置され、
　　前記近傍表示面領域（２４１）は、前記遠方虚像領域（１５２）に対し、前記近傍虚像領域（１５１）が前記視認者側に起き上がるように、前記遠方表示面領域（２４２）の近似的な傾きから外れた角度で配置される、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記車両の前方向をＺ軸の正方向とし、前記車両の左側から見て前記Ｚ軸の正方向から時計回りの前記近傍虚像領域（１５１）までを第１のチルト角（θ１）とし、前記Ｚ軸の正方向から時計回りの前記遠方虚像領域（１５２）までを第２のチルト角（θ２）としたとき、
　前記虚像表示領域（１００）は、
　　Ｚ軸負方向に向かうに従う前記第１のチルト角（θ１）の増加率が、Ｚ軸負方向に向かうに従う前記第２のチルト角（θ２）の増加率より小さくなる、ように形成される、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記虚像表示領域（１００）は、
　　Ｚ軸負方向に向かうに従う前記第１のチルト角（θ１）の変化幅が、概ねゼロとなる、ように形成される、
請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記遠方虚像領域（１５２）は、前記近傍虚像領域（１５１）と接続されている、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記虚像表示領域（１００）は、
　　視認者から見て前記遠方虚像領域（１５２）よりさらに遠く、前記遠方虚像領域（１５２）より前記車両の前後方向で前記視認者側に起き上がるように配置される第２の遠方虚像領域（１５３）をさらに有する、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記虚像表示領域（１００）は、
　前記第２の遠方虚像領域（１５３）の近似的な第３のチルト角（θ３）は、前記近傍虚像領域（１５１）の近似的な第１のチルト角（θ１）より大きくなる、ように形成される、
請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記虚像表示領域（１００）は、
　前記虚像表示領域（１００）のうち、前記車両の前後方向において、最も遠方に配置される遠方端（１２０）、最も近傍に配置される近傍端（１１０）、を含み、
　　前記車両の前方向をＺ軸の正方向とし、前記車両の左側から見て前記Ｚ軸の正方向から時計回りの前記遠方端（１２０）までを第４のチルト角（θ４）とし、前記Ｚ軸の正方向から時計回りの前記近傍端（１１０）までを第５のチルト角（θ５）としたとき、
　　　前記第４のチルト角（θ４）は、前記第５のチルト角（θ５）より大きくなる、ように形成される、
請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記虚像表示領域（１００）は、
　前記第２の遠方虚像領域（１５３）における最大のチルト角が、９０［ｄｅｇｒｅｅ］未満になる、ように形成される、
請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置。