JP2016180871A - 光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＵＤ装置の投影用に利用可能な反射面及び光学的な拡大機能を有し、投影用光学系等に存在する歪みを解消すること。【解決手段】光学材料が、厚み方向の一方の面に形成された複数のフレネル溝３１〜３６で構成されるフレネル形状部と、フレネル形状部の面上に形成されたハーフミラー層とを備えており、フレネル形状部の複数の溝の各々は、フレネル形状部の表面形状が光学的に自由曲面特性を有しており、各溝の深さが一様ではない。【選択図】図３

Description

本発明は、所定の表示ユニットから出射される表示光を一方の面の近傍で反射して所定のアイポイントに投影すると共に、他方の面に入射した外来光を厚み方向に透過する特性を有する表示光投影用の光学デバイスに関する。

例えば、一般的な車両用のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）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ユニットからウインドシールド（前方の窓ガラス）、又はコンバイナと呼ばれる反射板に投影し、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、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、同時にウインドシールド等に映るＨＵＤの可視表示情報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しに様々な情報をＨＵＤの表示により視認することができる。

例えば、特許文献１においては、ウインドシールドのガラス面に特別な光学素子（前記コンバイナに相当）を貼り付けてある。ＨＵＤユニットから出射した光は、ウインドシールド上の前記光学素子の面で反射して運転者の視点の方向に向かう。また、前記光学素子は可視光を透過する材料で構成されているので、運転者は前記光学素子の前方に虚像として結像される表示像の他に、車両前方の風景等の像も、ウインドシールド及び前記光学素子を透過した状態で視認することができる。

また、特許文献１においては、前記光学素子上にフレネルレンズを設けて拡大光学系を形成している。これにより、ＨＵＤユニットを小型化することが可能になる。また、フレネルレンズを利用しているので、前記光学素子の厚みを薄くすることができる。

特開２０１２−１２３３９３号公報

従来のフレネルミラーの形状は、同心円状に配置された複数の円形状のフレネル溝で構成されている。この形状により、球面、又は回転方向に対称な非球面形状に相当する反射面特性を付与することができる。このような形状は、回転方向に対称であるため、例えば旋盤のような工作機械を用いて比較的簡単に加工することができる。

しかし、このようなフレネルミラーにおいては、フレネル溝の形状が比較的簡単な球面、又は回転方向に対称な非球面形状であるため、多項式非球面の反射面特性は得られない。したがって、フレネルミラーのレンズ中心から離れると、歪が生じ、結像性が低下する。また、運転者の視線の方向によっては両眼視差が顕著になる。そして、特許文献１のように、フレネルミラーをウインドシールド又はコンバイナ上に配置してＨＵＤ装置の拡大光学系を構成する場合には、ウインドシールド又はコンバイナの曲面に沿って配置されるため、光学系等に存在する歪みの影響を解消できない。

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、ＨＵＤ装置の投影用に利用可能な反射面及び光学的な拡大機能を有し、投影用光学系等に存在する歪みを解消することが可能な光学デバイスを提供することを目的とする。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 厚み方向の一方の面に複数の溝が形成されたフレネル形状部と、
前記フレネル形状部の面上に形成されたハーフミラー層と、を備えた板状の光学材料により構成され、
前記フレネル形状部の複数の溝の各々は、前記フレネル形状部の表面形状が光学的に自由曲面特性を有しており、各溝の深さが一様ではない、
ことを特徴とする光学デバイス。
上記（１）の光学デバイスによれば、ハーフミラー層がフレネル形状部の面上に形成されているので、反射する光に対して拡大光学系を形成する。そして、溝に沿った円周方向の位置の違いに応じて各溝の反射面の角度が連続的に変化するので、自由曲面特性を持たせることが可能である。したがって、光学系等に存在する三次元状の歪みを解消できる。

（２） 前記光学材料が、所定の表示ユニットから出射される表示光を一方の面の近傍で反射して所定のアイポイントに投影すると共に、他方の面に入射した外来光を厚み方向に透過する表示光投影用デバイスとして用いられる、
ことを特徴とする上記（１）に記載の光学デバイス。
上記（２）の光学デバイスによれば、表示ユニットから出射される表示光は、ハーフミラー層の面で反射して運転者のアイポイントに向かう。また、車両前方から入射する外来光は、表示光投影用光学デバイスを透過してアイポイントに向かう。また、ハーフミラー層がフレネル形状部の面上に形成されているので、反射する光に対しては拡大光学系を形成する。そして、溝に沿った円周方向の位置の違いに応じて各溝の反射面の角度が連続的に変化するので、自由曲面特性を持たせることが可能である。したがって、光学系等に存在する三次元状の歪みを解消できる。

（３） 前記溝の各々における反射面の角度は、前記溝に沿った円周方向の位置の違いに応じて連続的に変化する状態で形成されている、
ことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の光学デバイス。
上記（３）の光学デバイスによれば、溝に沿った円周方向の位置の違いに応じて反射面の角度が連続的に変化するので、様々な要因による三次元状の歪みを解消するために必要な自由曲面特性を容易に実現できる。

（４） 前記フレネル形状部の複数の溝の各々は、少なくとも前記フレネル形状部の中央部から前記溝に沿った円周上の各点までの距離が、円周方向の位置の違いに応じて連続的に変化する環状に形成されている、
ことを特徴とする上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の光学デバイス。
上記（４）の光学デバイスによれば、各溝の円周方向の位置毎に、フレネル形状部の中央部から円周上の各点までの距離が異なるので、各溝の深さが一定である場合であっても、位置毎に反射面の傾斜角度を調整し自由曲面特性を得るために必要な形状が反射面の各部で得られる。

（５） 前記フレネル形状部の複数の溝の各々は、楕円形の形状に形成されている、
ことを特徴とする上記（４）に記載の光学デバイス。
上記（５）の光学デバイスによれば、各溝の形状が楕円形に形成されているので、フレネル形状部の中央部から溝に沿った円周上の各点までの距離が、円周方向の位置の違いに応じて連続的に変化する。したがって、各溝の深さが一定である場合であっても、位置毎に反射面の傾斜角度を調整し自由曲面特性を得るために必要な形状が反射面の各部で得られる。

（６） 前記ハーフミラー層の面の凹凸を埋めて平坦面を形成するための透明な充填剤で構成される第２光学材料と、
前記第２光学材料の外側の面を保護する透明な第３光学材料と、
をさらに備え、前記光学材料の屈折率と、前記第２光学材料の屈折率と、前記第３光学材料の屈折率とがほぼ同じである、
ことを特徴とする上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の光学デバイス。
上記（６）の光学デバイスによれば、表示光投影用光学デバイスを透過する光については、光学材料、第２光学材料、及び第３光学材料の屈折率が同じであるため、これらの面の境界で屈折が生じることはない。したがって、運転者が車両前方の情景を視認する場合には、この表示光投影用光学デバイスを透過した光についても、ウインドシールドを透かして見える通常の情景と同様に等倍率の像として視認することができる。

（７） 前記フレネル形状部の複数の溝の形状は、材料上の各位置に相当する三次元座標と、法線ベクトルと、フレネル角度とのそれぞれを表す５軸のパラメータに基づいて加工されている、
ことを特徴とする上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の光学デバイス。
上記（７）の光学デバイスによれば、５軸のパラメータを利用することにより、光学系の自由曲面特性を実現するために必要な形状を有するフレネル形状部を容易に構成できる。

本発明の光学デバイスによれば、ＨＵＤ装置の投影用に利用可能な反射面及び光学的な拡大機能を有し、投影用光学系等に存在する三次元状の歪みを解消することが可能になる。

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最良の形態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、表示光投影用光学デバイスを搭載した車両のウインドシールド近傍を車室内側から視た斜視図である。 図２は、図１と同じ車両を側方から視た縦断面図である。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は、実施形態の表示光投影用光学デバイスに用いるフレネルミラーの構成例を表し、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）中のＡ−Ａ線から視た断面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）中のＢ−Ｂ線から視た断面図である。 図４は、実施形態の表示光投影用光学デバイスの厚み方向の断面を表す縦断面図である。 図５は、フレネルミラーを所望の特性が得られるフレネル形状に加工するために用いる加工データの一部分の具体例を示す模式図である。 図６は、変形例における表示光投影用光学デバイスの形状を表す縦断面図である。

本発明に係る光学デバイスに関する具体的な実施の形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

＜表示光投影用光学デバイスの使用環境の具体例＞
実施形態の表示光投影用光学デバイスを搭載した車両のウインドシールドＷＳ近傍を車室内から斜め方向に視た状態を図１に示す。また、図１と同じ車両を側方側から視た縦断面における各部の配置状態を図２に示す。

図１及び図２に示した例では、合わせガラスとして構成されている車両のウインドシールドＷＳ（窓ガラス）に、中間層として表示光投影用光学デバイスが組み込まれている。また、この表示光投影用光学デバイスにはフレネルミラー領域ＦＭが形成されている。このフレネルミラー領域ＦＭは、基本的にはハーフミラーの機能を有し、車室内側からフレネルミラー領域ＦＭに入射した光は反射し、車外から図２における右方向に向かってフレネルミラー領域ＦＭに入射する光は透過する特性を有している。また、フレネルミラー領域ＦＭはフレネルレンズと同様の拡大光学系を形成する。表示光投影用光学デバイスの具体的な構成については、後で詳細に説明する。

尚、図１及び図２の例では、表示光投影用光学デバイスを車両のウインドシールドＷＳに組み込む場合を想定しているが、ウインドシールドＷＳから独立したＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）装置用のコンバイナとして、ウインドシールドＷＳの近傍に表示光投影用光学デバイスを設置しても良い。

図１に示す車両においては、メータユニット２１の前方のダッシュボード２２の下方にＨＵＤユニット２０が配置されている。このＨＵＤユニット２０は、例えば透過型液晶パネルのようなフラットパネルディスプレイと、照明用の光源（バックライト）を内蔵している。フラットパネルディスプレイの画面には、必要に応じて、例えば車速など運転に役立つ様々な情報が、文字、数字、記号などの可視情報として表示される。また、バックライトで画面を照明することにより、表示された可視情報の像を含む表示光をＨＵＤユニット２０から出射することができる。

ＨＵＤユニット２０の上方のダッシュボード２２の箇所には矩形形状の開口部２２ａが形成してある。ＨＵＤユニット２０から出射された表示光は、開口部２２ａを経由して上方のウインドシールドＷＳに向かう。ウインドシールドＷＳのＨＵＤユニット２０からの表示光が入射する箇所に、上述のフレネルミラー領域ＦＭが配置されている。

したがって、ＨＵＤユニット２０から出射された表示光は、ウインドシールドＷＳの面に入射し、フレネルミラー領域ＦＭで反射して、想定される運転者の目の位置に相当するアイポイントＥＰに到達する。この表示光はフレネルミラー領域ＦＭで反射するので、運転者が視認する表示像については、ウインドシールドＷＳよりも前方（例えば１０ｍ前方）の虚像結像面２４に表示されているかのように虚像として結像される。また、フレネルミラー領域ＦＭはウインドシールドＷＳと同様に車両の前方から車室内に向かって入射する光を透過するので、運転者はフレネルミラー領域ＦＭを透かして車両前方の情景も視認することができる。つまり、車両前方の情景とＨＵＤユニット２０が表示する表示像とを重ねた状態で同時に視認することができる。

フレネルミラー領域ＦＭについては、フレネルミラーを採用することにより、厚みが小さくなりウインドシールドＷＳに組み込むことが可能になる。また、フレネルミラー領域ＦＭが拡大光学系を形成しているので、ＨＵＤユニット２０に拡大光学系を内蔵する必要がなくなる。また、ＨＵＤユニット２０に拡大光学系を内蔵する場合と比べて、開口部２２ａの開口面積を小さくすることが可能になる。

また、開口部２２ａの近傍にはルーバー２３が配置されている。このルーバー２３は、不要な外光が開口部２２ａの近傍で反射してアイポイントＥＰに向かうのを抑制する機能を有し、これによりＨＵＤ表示の視認性が向上する。

＜表示光投影用光学デバイスの構成＞
＜フレネルミラーの構成例＞
実施形態の表示光投影用光学デバイスに用いるフレネルミラー１１の構成例を図３（Ａ）、図３（Ｂ）、及び図３（Ｃ）に示す。図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）中のＡ−Ａ線から視た断面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）中のＢ−Ｂ線から視た断面図である。

基板本体を構成するフレネルミラー１１は、屈折率（ｎ１）が既知の透明な樹脂、ガラスなどの材料で薄板状に形成されている。また、フレネルミラー１１は厚み方向の一方の面にフレネル形状部１１ａが形成され、他方の面は平坦面１１ｃになっている。

本実施形態においては、図３（Ａ）に示すように、フレネルミラー１１の輪郭及び円周（３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、３５ａ、３６ａ）が楕円形又はそれに近い形状の多数のフレネル溝３１、３２、３３、３４、３５、及び３６を有している場合について説明するが、フレネル溝３１〜３６が円形であっても、後述する反射面３１ｂ〜３６ｂの傾斜角度（サグ角度）を溝の円周方向の位置の違いに応じて変化させることにより、光学系に存在する歪を抑制できる。

フレネル溝の数や配置ピッチ等については必要とされる光学特性等の条件に応じて増減する必要がある。これらのフレネル溝３１〜３６は、フレネルミラー１１の中央部３０を中心として同心円状に配置されている。

図３（Ｂ）、及び図３（Ｃ）に示すように、互いに隣接するフレネル溝３１〜３６の間は突出している。つまり、断面におけるフレネル形状部１１ａは鋸歯状の表面形状を呈し、反射面３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂ、３５ｂ、及び３６ｂは、フレネルミラー１１の厚み方向と直交する方向に対して傾斜した斜面として形成されている。また、互いに隣接するフレネル溝の反射面の境界にはフレネルミラー１１の厚み方向に延びるフレネル立壁１１ｂがあるが、厚み方向と直交する方向の面ができないように、傾斜した反射面３１ｂ〜３６ｂがほぼ連続的に形成されている。このような表面形状により、光学的にレンズを形成する。

フレネル溝３１〜３６には、フレネル形状部１１ａの光反射特性に自由曲面特性が付与されるようになっている。また、フレネル溝３１〜３６の各々の反射面３１ｂ〜３６ｂの傾斜角度（サグ角度）については、溝の円周方向の位置の違いに応じて、連続的に変化するように形成されている。

なお、フレネル溝３１〜３６の各溝の深さ（ＶＨ、ＶＶ）を一定にする場合には、円周方向の位置の違いに応じた反射面３１ｂ〜３６ｂの傾斜角度を連続的に変化させることにより、互いに隣接する溝の円周間のピッチ（ＰＨ、ＰＶ）が円周方向の位置に応じて変化し、結果的にフレネル溝３１〜３６の円周の形状が楕円形のような形状になる。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）の例では、Ｙ軸方向の寸法よりもＸ軸方向の寸法が大きい楕円形パターンであるため、Ａ−Ａ線断面における円周３５ａ−３６ａ間ピッチＰＶは、Ｂ−Ｂ線断面における円周３５ａ−３６ａ間ピッチＰＨよりも小さい。また、ピッチＰＨに相当する反射面３６ｂの傾斜角度は、ピッチＰＶに相当する反射面３６ｂの傾斜角度よりも小さい。尚、フレネルミラー１１が設置される位置やアイポイントＥＰとの相対的な位置関係などによっては、Ｘ軸方向の寸法よりもＹ軸方向の寸法が大きい楕円形パターンとなり得ることはもちろんである。

また、反射面３１ｂ〜３６ｂの傾斜角度（サグ角度）の変化に合わせて各溝の深さ（ＶＨ、ＶＶ）を可変にする場合には、互いに隣接する溝の円周間のピッチ（ＰＨ、ＰＶ）を一定にすることも可能である。この場合は、フレネル溝３１〜３６の形状を真円、もしくはそれに近い形状にした場合であっても、光反射特性に自由曲面特性を付与することができる。

また、フレネル溝３１〜３６の円周の輪郭形状については、図３（Ａ）に示したような楕円形や円形に限らず、必要とされる自由曲面特性に合わせて、例えば等高線のような曲線形状を採用しても良い。

例えば、ＨＵＤ表示システムにおいて結像される表示像に像の縦方向サイズと横方向サイズとが異なるような歪みが生じる場合に、縦横の比率が調整された楕円形パターンのフレネルミラー１１を採用することにより、像の歪みや両眼視差を抑制し、高品位の表示を実現することができる。しかも、フレネルミラー１１が薄板状であるため小型化が可能である。

＜フレネルミラーの製造方法＞
フレネルミラー１１を所望の特性が得られるフレネル形状に加工するために用いる加工データの一部分の具体例を図５に示す。すなわち、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に示したようなフレネル形状部１１ａの形状に材料を加工する際に、図５に示すような加工データを用いる。

実際には、所定の光学設計ソフトウェアを用いて設計した最適化設計モデルを利用して、表示像の歪みや視線による両眼視差の発生を解消するために必要な自由曲面特性に相当する多項式非球面形状のパラメータに基づき、所定の設計ツールを介して図５に示すような加工データをコンピュータで自動的に生成することができる。

図５に示した加工データは、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸の位置を表す３軸の座標データと、法線ベクトルθと、フレネル角度Φとの５軸のデータとして構成されている。法線ベクトルθは、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に示した各反射面３１ｂ、３６ｂの各座標における傾斜角度を表す。フレネル角度Φは、サグ角度を表す。

このような加工データについては、図５に示した構成に限らず、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に示した各フレネル溝３１〜３６の円周形状、座標毎の反射面の傾き（サグ角度）及びＺ軸方向の深さ（サグ深さ）を含むものであれば適切なフレネルミラー１１を製造するために利用できる。

フレネルミラー１１のフレネル形状部１１ａは形状が非常に複雑であるので、図５のような加工データに基づき、（例えば３Ｄ加工機を用いて）必要な型を作成する。そして、作成した型を利用して樹脂等の材料を加工し、フレネル形状部１１ａの形状を成形する。

＜表示光投影用光学デバイス全体の構成＞
実施形態の表示光投影用光学デバイスの厚み方向の断面を表す構成を図４に示す。
本実施形態では、表示光投影用光学デバイスは、ＨＵＤユニット２０の表示光を投影するためのコンバイナ１０として構成されている。このコンバイナ１０は、図３（Ａ）に示したフレネルミラー１１と同様の矩形形状を有し、図１に示したフレネルミラー領域ＦＭよりも大きいサイズに形成されている。

図４に示すように、コンバイナ１０は、その厚み方向に積層された複数の層で構成されている。具体的には、コンバイナ１０は基板としての前述のフレネルミラー１１、ハーフミラー層１２、封止剤層１３、透明プレート１４、ＡＲコート層１５及び１６を備えている。

フレネルミラー１１のフレネル形状部１１ａの表面に、ハーフミラー層１２が形成されている。具体的には、金属又は無機多層薄膜を表面に蒸着してハーフミラー層１２を形成してある。本実施形態では、ハーフミラー層１２における光の反射率が２０％になるように構成している。形成するハーフミラー層１２の厚みについては、１００［ｎｍ］未満とする。

また、本実施形態ではハーフミラー層１２を形成する際に、フレネル形状部１１ａのフレネル立壁１１ｂの箇所を蒸着対象から除外している。つまり、ハーフミラー層１２は、フレネル形状部１１ａの複数の溝の各境界で厚み方向と平行な向きに延びるフレネル立壁１１ｂの領域を除く面の全体に形成されている。この場合、フレネル立壁１１ｂの箇所にハーフミラー層１２が存在しないので、通常の透過や１回反射以外の光路を取るフレネル立壁１１ｂでの反射が抑制され、この反射に起因する意図しない光線の発生が最小化される。これにより、フレア像の発生も低減される。

封止剤層１３は、フレネルミラー１１のフレネル形状部１１ａの凹凸を覆って平坦な面にするために設けてある。この封止剤層１３は、例えば紫外線（ＵＶ）硬化樹脂のような透明な材料を充填して硬化させることにより形成される。また、封止剤層１３を形成する材料については、屈折率（ｎ３）がフレネルミラー１１とほぼ同じもののみに限定して使用する。

封止剤層１３の厚み方向の一方の面１３ａは平坦であり、フレネル形状部１１ａ及びハーフミラー層１２と密着した面１３ｂは、フレネル形状部１１ａの凹凸を補完する表面形状に形成される。

透明プレート１４は、コンバイナ１０の表面を保護するために設けてある。透明プレート１４は、屈折率（ｎ２）がフレネルミラー１１とほぼ同じ透明な材料を用いて構成してあり、薄板状に形成してある。

図４に示すように、コンバイナ１０の厚み方向の外側の２つの面には、それぞれ、ＡＲ（Anti Reflection）コート層１５及び１６が形成されている。したがって、外側からコンバイナ１０に入射する光及びコンバイナ１０から出射する光がこれらの表面で反射するのを抑制することができる。これにより、具体的には、等倍率のゴースト像発生や、内部乱反射によるハレーションを防止することができる。

図４に示したコンバイナ１０は、図１及び図２に示した例では、ウインドシールドＷＳに中間層として組み込まれ一体化されている。つまり、コンバイナ１０のハーフミラー層１２が、図１及び図２に示したフレネルミラー領域ＦＭを形成している。また、ハーフミラー層１２はフレネル形状部１１ａの形状により光学的な倍率を有するフレネルレンズと同等の光学特性を形成するので、ＨＵＤユニット２０から入射する光に対して拡大光学系を形成する。これにより、ウインドシールドＷＳの前方の距離が離れた位置（虚像結像面２４）に虚像を結像することができる。

なお、図１及び図２に示した例では、コンバイナ１０をウインドシールドＷＳと一体化しているが、ウインドシールドＷＳとは別の位置、例えばダッシュボード２２上に独立したコンバイナ１０を傾斜した状態で配置しても良い。

＜透過特性の説明＞
図４には、フレネルミラー１１の材料の屈折率（ｎ１）と、透明プレート１４の材料の屈折率（ｎ２）と、封止剤層１３の材料の屈折率（ｎ３）とを全て同等にした場合におけるコンバイナ１０を示している。このように形成すると、フレネルミラー１１と封止剤層１３との境界、並びに封止剤層１３と透明プレート１４との境界において、屈折率の違いに起因する光の屈折を抑制できる。なお、ウインドシールドＷＳにその中間層としてコンバイナ１０を実装する場合には、ウインドシールドＷＳの材料の屈折率とフレネルミラー１１の材料の屈折率（ｎ１）とを同等とすることにより、透明プレート１４を用いず、ウインドシールドＷＳを透明プレート１４として機能させることができる。

このように屈折率を調節した場合、図２に示すアイポイントＥＰで運転者が視認する車両前方の情景については、入射光がフレネルミラー領域ＦＭを透過する場合であっても、光学的な倍率が発生せず、等倍の像として視認される。つまり、フレネルミラー領域ＦＭを介して車両前方の情景を視認する場合と、それ以外のウインドシールドＷＳ上の領域を介して視認する場合とで、視認される情景の像の大きさ、位置、形状などに違いが生じることがない。そのため、フレネルミラー領域ＦＭを使用する場合でも、運転に必要な良好な視界を確保することができる。また、ＡＲコート層１５及び１６がコンバイナ１０の表面及び裏面における光の反射を抑制するので、等倍率のゴースト像の発生や、内部乱反射によるハレーションを防止できる。

また、フレネルミラー１１を用いた拡大光学系を有するコンバイナ１０をウインドシールドＷＳ上又はその近傍に配置することにより、広い視野角度の虚像をＨＵＤユニット２０で表示可能になる。しかも、ＨＵＤユニット２０側に拡大光学系を装備する必要がないので、ＨＵＤユニット２０の小型化が可能になり、開口部２２ａの面積を減らすこともできる。

また、図４に示したコンバイナ１０が備えるフレネルミラー１１は、前述のようにフレネル形状部１１ａを特殊な形状に形成してあるので、光の反射特性に自由曲面特性を付与することができ、多項式非球面の理想的なレンズ特性を実現できる。これにより、大型のレンズやミラーを採用しなくても、ＨＵＤシステムにおける結像性能、両眼視差、表示歪み等の改善を行い、表示品位を向上することができる。

＜フレネルピッチＰの説明＞
図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に示したフレネルミラー１１において、フレネル形状部１１ａにおける複数の溝の形成ピッチ、すなわちフレネルピッチＰは、次式の近似値、もしくはそれよりも小さい値になるように定めてある。
Ｐ＝（ｔａｎθｄ・Ｄ）／Ｐｉｘｅｌ ・・・（１）
但し、θｄ：表示画角
Ｄ：想定するアイポイントと前記フレネル形状部との間の距離
Ｐｉｘｅｌ：ＨＵＤユニット２０の表示画面における縦又は横の画素数

例えば、ＨＵＤユニット２０内部のフラットパネルディスプレイの画面における縦又は横の画素数が６４０［ピクセル］、表示画角θｄ＝１６［ｄｅｇ］、距離Ｄ＝１０００［ｍｍ］の場合を想定すると、上記第(１)式からＰ＝０．４５［ｍｍ］になる。

このようにフレネル形状部１１ａのフレネルピッチＰを定めることにより、アイポイントＥＰで運転者が視認する表示像について、ＨＵＤユニット２０が必要とする必要最低限のドットピクセル表示能力を確保することができる。また、フレネルエッジ部での回折による分光（虹色の発生）や二重像等のゴーストを防止し、乱反射によるフレア像発生の低減が可能になる。

＜変形例の説明＞
本変形例におけるコンバイナ１０Ｂ（表示光投影用光学デバイス）の断面形状を図６に示す。

図１及び図２に示すようにウインドシールドＷＳにその中間層としてコンバイナ１０を実装する場合には、ＨＵＤ表示品位を最適化するために、図６に示すコンバイナ１０Ｂのようにコンバイナの形状を曲面形状に変更することが望ましい。

また、図６に示すコンバイナ１０Ｂについては、フレネル面の曲率（ベースカーブ）を光学設計する際に、ウインドシールドＷＳ固有の曲面形状に合わせて、一定の半径（Ｒ）で表される球面、又は多項式で表される非球面に従って決定している。また、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に示したフレネルミラー１１と同様に、各フレネル溝３１〜３６の円周形状を楕円形等の曲線にしたり、各反射面３１ｂ〜３６ｂの傾斜や深さが円周方向に位置に応じて連続的に変化させる。このようなフレネル形状部１１ａのベース形状を決定する際に、ウインドシールドＷＳ固有の曲面形状も考慮して計算を行う。

これにより、ＨＵＤ表示品位が向上し、フレネルミラー領域ＦＭを介して前方視界を視認する場合であっても、通常のウインドシールドＷＳを介して視認する場合と同等の透過視認性を確保することができる。

ここで、上述した本発明のコンバイナ１０の実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］から［７］に纏めて列記する。
［１］ 厚み方向の一方の面に複数の溝が形成されたフレネル形状部（１１ａ）と、
前記フレネル形状部の面上に形成されたハーフミラー層（１２）と、を備えた板状の光学材料により構成され、
前記フレネル形状部の複数の溝の各々は、前記フレネル形状部の表面形状が光学的に自由曲面特性を有しており、各溝の深さが一様ではない、
ことを特徴とする光学デバイス。
［２］ 前記光学材料（フレネルミラー１１）が、所定の表示ユニット（ＨＵＤユニット２０）から出射される表示光を一方の面の近傍で反射して所定のアイポイント（ＥＰ）に投影すると共に、他方の面に入射した外来光を厚み方向に透過する表示光投影用デバイス（コンバイナ１０）である、
ことを特徴とする光学デバイス。
［３］ 前記溝の各々における反射面の角度は、前記溝に沿った円周方向の位置の違いに応じて連続的に変化する状態で形成されている、
ことを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の光学デバイス。
［４］ 前記フレネル形状部の複数の溝の各々は、少なくとも前記フレネル形状部の中央部（３０）から前記溝に沿った円周（３１ａ〜３６ａ）上の各点までの距離が、円周方向の位置の違いに応じて連続的に変化する環状に形成されている、
ことを特徴とする上記［１］ないし［３］のいずれかに記載の光学デバイス。
［５］ 前記フレネル形状部の複数の溝（フレネル溝３１〜３６）の各々は、楕円形の形状に形成されている、
ことを特徴とする上記［４］に記載の光学デバイス。
［６］ 前記ハーフミラー層の面の凹凸を埋めて平坦面を形成するための透明な充填剤で構成される第２光学材料（封止剤層１３）と、
前記第２光学材料の外側の面を保護する透明な第３光学材料（透明プレート１４）と、
をさらに備え、前記光学材料の屈折率と、前記第２光学材料の屈折率と、前記第３光学材料の屈折率とがほぼ同じである、
ことを特徴とする上記［１］ないし［５］のいずれかに記載の光学デバイス。
［７］ 前記フレネル形状部の複数の溝（フレネル溝３１〜３６）の形状は、材料上の各位置に相当する三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、法線ベクトル（θ）と、フレネル角度（Φ）とのそれぞれを表す５軸のパラメータに基づいて加工されている、
ことを特徴とする上記［１］ないし［６］のいずれかに記載の光学デバイス。

１０ コンバイナ
１１ フレネルミラー
１１ａ フレネル形状部
１１ｂ フレネル立壁
１１ｃ 平坦面
１２ ハーフミラー層
１３ 封止剤層
１３ａ，１３ｂ 面
１４ 透明プレート
１５，１６ ＡＲコート層
２０ ＨＵＤユニット
２１ メータユニット
２２ ダッシュボード
２２ａ 開口部
２３ ルーバー
２４ 虚像結像面
３０ 中央部
３１，３２，３３，３４，３５，３６ フレネル溝
３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａ 円周
３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂ，３５ｂ，３６ｂ 反射面
θ 法線ベクトル
Φ フレネル角度
ＥＰ アイポイント
ＦＭ フレネルミラー領域
ＷＳ ウインドシールド
ＰＨ，ＰＶ ピッチ（サグピッチ）
ＶＨ，ＶＶ 深さ（サグ深さ）

Claims (7)

1. 厚み方向の一方の面に複数の溝が形成されたフレネル形状部と、
   前記フレネル形状部の面上に形成されたハーフミラー層と、を備えた板状の光学材料により構成され、
   前記フレネル形状部の複数の溝の各々は、前記フレネル形状部の表面形状が光学的に自由曲面特性を有しており、各溝の深さが一様ではない、
   ことを特徴とする光学デバイス。
2. 前記光学材料が、所定の表示ユニットから出射される表示光を一方の面の近傍で反射して所定のアイポイントに投影すると共に、他方の面に入射した外来光を厚み方向に透過する表示光投影用デバイスとして用いられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記溝の各々における反射面の角度は、前記溝に沿った円周方向の位置の違いに応じて連続的に変化する状態で形成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学デバイス。
4. 前記フレネル形状部の複数の溝の各々は、少なくとも前記フレネル形状部の中央部から前記溝に沿った円周上の各点までの距離が、円周方向の位置の違いに応じて連続的に変化する環状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学デバイス。
5. 前記フレネル形状部の複数の溝の各々は、楕円形の形状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の光学デバイス。
6. 前記ハーフミラー層の面の凹凸を埋めて平坦面を形成するための透明な充填剤で構成される第２光学材料と、
   前記第２光学材料の外側の面を保護する透明な第３光学材料と、
   をさらに備え、前記光学材料の屈折率と、前記第２光学材料の屈折率と、前記第３光学材料の屈折率とがほぼ同じである、
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学デバイス。
7. 前記フレネル形状部の複数の溝の形状は、材料上の各位置に相当する三次元座標と、法線ベクトルと、フレネル角度とのそれぞれを表す５軸のパラメータに基づいて加工されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光学デバイス。

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