JP5310810B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウインドシールド等の表示部材に表示画像を投影することにより、当該表示画像の虚像を視認可能とするヘッドアップディスプレイ装置に関する。

従来から、表示画像となる光束をスクリーン部材で拡散し、当該スクリーン部材で拡散された表示画像を表示部材に投影することにより、当該表示画像の虚像を視認可能とするヘッドアップディスプレイ装置が知られている（特許文献１を参照）。

特許文献１に開示のヘッドアップディスプレイ装置のスクリーン部材は、入射する光束を透過又は反射することにより拡散して出射する微小な光学素子を格子状に並べた光学部材である。この微小な光学素子を一般的にマイクロレンズ又はマイクロミラーと呼び、これらマイクロレンズ又はマイクロミラーのそれぞれの外縁形状を矩形状とし、それらを格子状に並べたものをマイクロレンズアレイ又はマイクロミラーアレイと呼んでいる。マイクロレンズ又はマイクロミラーは、表面形状が所定の曲率半径で形成された曲面となっており、この曲面形状によって、入射した光束を所定の拡散角で拡散する。このため、所定の拡散角で出射し、表示部材に投影され表示画像の光束は、視認者の眼の周囲に設定される所定領域全体に導かれる。以上により、視認者の眼が所定領域内において、車両の鉛直方向及び水平方向に移動したとしても、視認者は表示画像の虚像を視認することが可能となる。なお、この所定領域を一般的にアイボックスと呼んでいる。

特開平７−２７０７１１号公報

特許文献１は、さらに各マイクロレンズ又はマイクロミラーの幅方向及び高さ方向の長さを調整すること、つまり各マイクロレンズ又はマイクロミラーの幅方向及び高さ方向のピッチを調整することにより、アイボックスの大きさを調整することができることを開示している。

ここで、ヘッドアップディスプレイ装置において、視認者が運転中、周囲の状況を確認するなどして、頭部を大きく動かしたときにも表示画像の虚像を視認可能とするために、虚像の視認可能な領域であるアイボックスの隣に、最低限の輝度で虚像の視認が可能な領域であるサブアイボックスの形成が望まれている。以下、サブアイボックスの隣に形成されるアイボックスをサブアイボックスに対してメインアイボックスと呼ぶこととする。

しかし、サブアイボックスも視認領域とすべく、マイクロレンズ又はマイクロミラーの幅方向及び高さ方向のピッチを調整すると、スクリーン部材に入射される光束が均一にメインアイボックスとサブアイボックスに導かれることとなる。これは、各マイクロレンズ又はマイクロミラーの曲面の曲率半径が均一となっているためだと考えられる。

このように視認領域を形成すると、スクリーン部材に入射する光束のエネルギーがサブボックスにも供給されるため、メインアイボックスへの光量がメインアイボックスのみを視認領域にする場合に比べ減少し、メインアイボックスでの虚像の輝度が小さくなる。また、サブアイボックスへの光量は、メインアイボックスへの光量とほぼ同じとなるため、サブアイボックスへの光量が必要以上に多くなり、サブアイボックスでの虚像の輝度が必要以上に大きくなる。したがって、光束の利用効率が悪化する。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、表示画像の虚像の輝度をメインアイボックスに比べ低下させたサブアイボックスを形成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ある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、車両に搭載された表示部材に形成される投影面に表示画像を投影することにより、車両の室内から表示画像の虚像を視認可能なヘッドアップディスプレイ装置であって、
表示画像となる光束を投射する投射器と、
虚像が視認可能な領域である予め想定された主視認領域及び副視認領域に光束を導くように、光束を所定の拡散角で拡散し、表示部材に向けて出射するスクリーン部材と、を備え、
スクリーン部材は、入射する光束を主視認領域に向けて拡散する第１曲面、及び入射する光束を副視認領域に向けて拡散する第２曲面を有する光学素子部を有し、光学素子部が複数個配列されることにより形成されており、
光学素子部において、第１曲面の曲率半径は、第２曲面の曲率半径よりも大きいことを特徴としている。

この発明では、表示画像となる光束を所定の拡散角で拡散し、表示部材に向けて出射するスクリーン部材は、虚像が視認可能な領域である予め想定された主視認領域及び副視認領域に向けて光束を拡散する。これにより、視認者は、その視認者の眼が主視認領域及び副視認領域にあれば光束を視認することが可能なので、これらの視認領域において表示画像の虚像を視認することができる。加えて、スクリーン部材は、入射する光束を主視認領域に向けて拡散する第１曲面、及び入射する光束を副視認領域に向けて拡散する第２曲面を有する光学素子部を複数備え、これら光学素子部が配列されることによりなっている。そして、第１曲面の曲率半径は、第２曲面の曲率半径よりも大きくなっている。この結果、第１曲面における光束の反射光の拡散角は、第２曲面における光束の反射光の拡散角よりも小さくなるので、第１曲面に入射し、主視認領域に向けて拡散する光束の光線密度は、第２曲面に入射し、副視認領域に向けて拡散する光束の光線密度よりも高くなる。したがって、主視認領域への光量を副視認領域への光量よりも多くすることができるので、主視認領域での表示画像の虚像の輝度を確保することができる。また、副視認領域への光量を主視認領域への光量に比べ少なくすることができるので、副視認領域での虚像の輝度を必要以上に大きくすることなく虚像を視認させることができる。

主視認領域及び副視認領域は、第１、第２曲面のそれぞれにおいて拡散された光束が導かれることにより形成される。したがって、光学素子部における第１、第２曲面の配置関係がそのまま主視認領域及び副視認領域の車室内での配置関係となる。

そこで、請求項２の発明は、光学素子部において、第２曲面は、第１曲面を挟むように第１曲面に対して両側に設けられることを特徴としている。

この発明では、第２曲面は、第１曲面を挟むように第１曲面に対して両側に設けられているので、副視認領域は、主視認領域に対して両側に設けられることとなる。このことによれば、運転中、視認者の上半身が動き、視認者の眼が主視認領域から外れても、その両側に存在する副視認領域に視認者の眼を存在させることができるので、表示画像の虚像を確実に視認させることができる。

ここで、視認者は運転中、座席に着座している。この状態では、通常、視認者の頭部の動きは、鉛直方向の動きよりも水平方向の動きの方が大きくなるものである。

そこで、請求項３の発明は、主視認領域及び副視認領域は、車両の水平方向に並ぶように予め想定されており、
第１曲面及び第２曲面は、光学素子部において、主視認領域及び副視認領域の配置関係に対応するように、一方向に並んで配置されることを特徴としている。

この発明によれば、第１、第２曲面は、光学素子部において、主視認領域及び副視認領域の配置関係に対応するように、一方向に並んで配置されているので、主視認領域及び副視認領域とを車両の水平方向に配置させることができる。よって、両視認領域を視認者の頭部の移動に合わせた配置とすることができるので、表示画像の虚像の視認性が向上する。

第１曲面と第２曲面とが隣接して接続されている場合では、視認者の眼が、主視認領域から外れ、副視認領域に入ると、表示画像の虚像の輝度が急激に低下することとなり、視認者は、この輝度の急激な変化に対して違和感を感じる場合がある。

そこで、請求項４の発明は、第１曲面と第２曲面との間には、表面が曲面となる接続面が設けられており、
接続面の曲面の曲率半径は、第１曲面側から第２曲面側に向かって、第１曲面の曲率半径から第２曲面の曲率半径へと徐々に変化することを特徴としている。

この発明によれば、第１、第２曲面との間に設けられる表面が曲面となる接続面の当該曲面の曲率半径は、第１曲面側から第２曲面側に向かって、第１曲面の曲率半径から第２曲面の曲率半径へと徐々に変化している。このため、主視認領域と副視認領域との間に供給される光束の光量は、主視認領域の光量から副視認領域の光量に向かって徐々に変化する。よって、表示画像の虚像の輝度もそれに合わせて徐々に変化する。したがって、視認者に対して、輝度の急激な変化による違和感を与えないようにすることができる。

本発明の第１実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置の車両における配置を説明するための図である。 レーザスキャナの構成及び作動を詳しく説明するための図である。 スクリーンの斜視図である。 スクリーンのｘ軸方向の断面を示す部分断面図である。 スクリーンのｙ軸方向の断面を示す部分断面図である。 スクリーンのｘｙ平面を示す部分平面図である。 スクリーンの光学素子部に入射する光束の反射の状態を説明するための図である。 メインアイボックス及びサブアイボックスの水平位置と光量との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置のスクリーンのｘ軸方向の断面を示す部分断面図である。 メインアイボックス及びサブアイボックスの水平位置と光量との関係を示す図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置の車両における配置を説明するための図である。図２は、レーザスキャナの構成及び作動を詳しく説明するための図である。図３は、スクリーンの斜視図である。

（基本構成）
本発明の第１実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置１００は、例えば車両のインストルメントパネル内に収容されている。ヘッドアップディスプレイ装置１００は、車両のウインドシールド９０等の表示部材に表示画像７１を投影することにより、予め想定されたメインアイボックス６０ａ及びサブアイボックス６０ｂから表示画像７１の虚像７０を視認可能とする。ウインドシールド９０の車室側の面に形成され、ヘッドアップディスプレイ装置１００によって表示画像７１の投影される投影面９１は、凹面状に湾曲している。投影面９１に投影された表示画像７１の光束は、当該投影面９１によってメインアイボックス６０ａ及びサブアイボックス６０ｂに向けて反射して、視認者のアイポイント６１に到達する。この表示画像７１の光束を知覚する視認者は、ウインドシールド９０の前方に結像された当該表示画像７１の虚像７０を視認できる。なお、表示画像７１には、例えば、ヘッドアップディスプレイ装置１００が搭載されている車両の走行速度、ナビゲーションシステムによる進行方向の指示、及び車両のウォーニング等を示す画像などが挙げられる。

視認者による虚像７０の視認は、アイポイント６１がメインアイボックス６０ａ又はサブアイボックス６０ｂに位置しているときに限られる。アイポイント６１が両ボックス６０ａ、６０ｂから外れている場合、視認者による虚像７０の視認は、困難となる。

メインアイボックス６０ａは、視認者が運転席に着座して運転姿勢をとったときのアイポイント６１の存在する可能性が非常に高い領域であり、鉛直方向よりも水平方向に長い矩形形状をなしている。メインアイボックス６０ａが横長に設定されているのは、着座した視認者の頭部の移動が、車両の水平方向に移動し易いためである。また、メインアイボックス６０ａの水平方向両側には、サブアイボックス６０ｂが設けられている。サブアイボックス６０ｂは、メインアイボックス６０ａよりも虚像７０の輝度は低いが、虚像７０の視認が可能な領域となっている。

まず、ヘッドアップディスプレイ装置１００の構成を、図１から図３に基づいて説明する。ヘッドアップディスプレイ装置１００は、レーザスキャナ１０、スクリーン３０、及び凹面鏡４０を備えている。なお、以下の説明では、視認者に視認される虚像７０の水平方向をｘ軸方向、鉛直方向をｙ軸方向とする。そして、各構成において投射、結像、及び投影される表示画像７１のｘ軸方向を水平方向とし、ｙ軸方向を各構成における鉛直方向とする。

レーザスキャナ１０は、光源部１３、光学部２０、微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems；ＭＥＭＳ）２６、及びコントローラ１１を有している。

光源部１３は、三つのレーザ投射部１４、１５、１６等によって構成されている。各レーザ投射部１４、１５、１６は、互いに異なる周波数、即ち異なる色相のレーザ光を投射する。具体的には、レーザ投射部１４は、赤色のレーザ光を投射する。レーザ投射部１５は、青色のレーザ光を投射する。レーザ投射部１６は、緑色のレーザ光を投射する。以上のように、異なる色相のレーザ光を加色混合することにより、種々の色が再現可能とされている。各レーザ投射部１４、１５、１６は、コントローラ１１と接続されている。各レーザ投射部１４、１５、１６は、コントローラ１１からの制御信号に基づいて、各色相のレーザ光を投射する。

光学部２０は、三つのコリメートレンズ２１、ダイクロイックフィルタ２２、２３、２４、及び集光レンズ２５等によって構成されている。各コリメートレンズ２１は、各レーザ投射部１４、１５、１６のレーザ光の投射方向に、それぞれ配置されている。コリメートレンズ２１は、レーザ光を屈折させることにより、平行光を生成する。

各ダイクロイックフィルタ２２、２３、２４は、各コリメートレンズ２１を挟んで各レーザ投射部１４、１５、１６の投射方向に、それぞれ配置されている。ダイクロイックフィルタ２２、２３、２４は、特定の周波数の光を反射し、それ以外の周波数の光を透過する。具体的には、レーザ投射部１４の投射方向に配置されるダイクロイックフィルタ２２は、赤色を示す周波数の光を反射し、それ以外の周波数の光を透過する。レーザ投射部１５の投射方向に配置されるダイクロイックフィルタ２３は、青色を示す周波数の光を反射し、それ以外の周波数の光を透過する。レーザ投射部１６の投射方向に配置されるダイクロイックフィルタ２４は、緑色を示す周波数の光を反射し、それ以外の周波数の光を透過する。各ダイクロイックフィルタ２２、２３、２４は、集光レンズ２５に向けてレーザ光を反射する。

集光レンズ２５は、平面状の入射面及び凸面状の出射面を有する平凸レンズである。集光レンズ２５は、入射面に入射するレーザ光を屈折させることにより、収束させる。これにより集光レンズ２５を通過したレーザ光は、スクリーン３０の後述する結像面３１に集まる。

ＭＥＭＳ２６は、水平スキャナ２７及び鉛直スキャナ２８等によって構成され、コントローラ１１に接続されている。水平スキャナ２７の光学部２０と対向する表面には、光の反射を実現するために、アルミニウム等を蒸着させた金属薄膜が形成されている。水平スキャナ２７は、鉛直方向に延伸する回転軸２７ａに支持され、回転軸２７ａまわりに回転変位可能となっている。なお、回転軸２７ａは、レーザスキャナ１０の筐体等によって固定されている。また、ＭＥＭＳ２６には回転軸２７ａを回転させる駆動部が設けられている。駆動部はコントローラ１１によって出力される駆動信号に基づいて作動し、水平スキャナ２７を回転軸２７ａまわりに回転変位させる。

一方、鉛直スキャナ２８の水平スキャナ２７と対向する表面には、光の反射を実現するために、アルミニウム等を蒸着させた金属薄膜が形成されている。鉛直スキャナ２８は、水平方向に延伸する回転軸２８ａに支持され、回転軸２８ａまわりに回転変位可能となっている。なお、回転軸２８ａは、レーザスキャナ１０の筐体等によって固定されている。また、ＭＥＭＳ２６には回転軸２８ａを回転させる駆動部が設けられている。駆動部はコントローラ１１によって出力される駆動信号に基づいて作動し、鉛直スキャナ２８を回転軸２８ａまわりに回転変位させる。

以上の構成によるＭＥＭＳ２６は、コントローラ１１からの駆動信号に基づいて、水平スキャナ２７及び鉛直スキャナ２８をそれぞれ作動させる。これにより、水平スキャナ２７は、回転軸２７ａまわりに回転し、鉛直スキャナ２８は、回転軸２８ａまわりに回転する。

コントローラ１１は、プロセッサ等によって構成される制御装置であって、各レーザ投射部１４、１５、１６に制御信号を出力することにより、レーザ光を断続的にパルス点灯させる。加えて、コントローラ１１は、ＭＥＭＳ２６に駆動信号を出力することにより、水平スキャナ２７及び鉛直スキャナ２８によって反射されるレーザ光の方向を、図２に示される走査線ＳＬのように制御する。

レーザスキャナ１０は、上述したコントローラ１１の制御により、スクリーン３０の後述する結像面３１にて表示画像７１として結像される光束を投射する。具体的には、投射されるレーザ光による点状の発光の走査により、当該点状の発光を一つの画素として組み立てられる表示画像７１が、スクリーン３０の結像面３１に描画される。このようなレーザスキャナ１０の走査によって描画される表示画像７１は、例えば、毎秒６０フレームの画像であって、水平（ｘ軸）方向及び鉛直（ｙ軸）方向にそれぞれ４８０画素及び２４０画素を有する画像である。

スクリーン３０は、ガラス等の基材の表面にアルミニウム等を蒸着させることにより形成される反射型のスクリーンであり、入射する光束を所定の角度で反射して拡散する。スクリーン３０は、車両の鉛直方向においてレーザスキャナ１０の上方に配置されている（図１参照）。スクリーン３０は、結像面３１を有している。結像面３１は、スクリーン３０に蒸着されたアルミニウム等による金属薄膜によって形成されている。結像面３１には、レーザスキャナ１０からｙｚ面（図２及び図３参照）に沿ってレーザ光が投射されることにより、表示画像７１が結像される。また、結像面３１には、投射されるレーザ光を拡散するための複数の光学素子部３２が形成されている。結像面３１は、表示画像７１を形成するレーザ光をであって当該結像面３１に入射するレーザ光の光束（以下、単に光束という）を、所定の拡散角で拡散させつつ凹面鏡４０に向けて反射する。

凹面鏡４０は、ガラス等の基材の表面にアルミニウム等を蒸着させることにより形成されている。凹面鏡４０は、スクリーン３０の結像面３１によって反射された光束をウインドシールド９０の投影面９１に反射させる反射面４１を有している。反射面４１は、中央部が結像面３１及び投影面９１から遠ざかる方向に凹む凹面状であって、滑らかに形成されている。反射面４１は、結像面３１によって反射された表示画像７１を拡大しつつ反射させることにより、投影面９１に当該表示画像７１を投影する。

（特徴部分）
次に、本発明の第１実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置１００の特徴部分について説明する。結像面３１に形成されている複数の光学素子部３２は、その一つひとつがレーザスキャナ１０に向かって、ｚ軸方向に突出する凸面状に形成されている。その凸面状の表面は、ｘ軸方向の断面が２つの異なる曲率半径Ｒａ及びＲｂの円を組み合わせた形状となっており、ｙ方向の断面が１つの曲率半径Ｒｃの円の形状となっている。この光学素子部３２の表面構造については、後述する。また、光学素子部３２の外縁形状は、矩形状となっている。外縁のｘ軸方向（水平方向）の長さは、ｙ軸方向（鉛直方向）の長さよりも長くなっている（図３参照）。このようにして構成された光学素子部３２が格子状に配列されている。なお、光学素子部３２のｘ軸方向の長さとｙ軸方向の長さの比率は、メインアイボックス６０ａとサブアイボックス６０ｂとを足し合わせた領域の水平方向の長さと鉛直方向の長さの比率とほぼ同じ比率となっている（図１及び図３参照）。

図４には、格子状に配列された光学素子部３２のｘ軸方向の断面が示されている。図５には、光学素子部３２のｙ軸方向の断面が示されている。図４及び図５に示される各方向の断面は、図６に示される光学素子部３２の中央部分の断面を示している。光学素子部３２の表面には、第１曲面３２ａ及び第２曲面３２ｂが形成されている。第１曲面３２ａは、光学素子部３２の表面において中央部に形成されている。第２曲面３２ｂは、ｘ軸方向において第１曲面３２ａの両側に形成されている。第１曲面３２ａは、図５に示される曲率半径Ｒｃの円の一部を、図４に示される曲率半径Ｒａの円の一部に沿ってｘ軸方向に移動させたときに形成される曲面となっている。第２曲面３２ｂは、図５に示される曲率半径Ｒｃの円の一部を、図４に示される曲率半径がＲａよりも小さい曲率半径Ｒｂ（＜Ｒａ）の円の一部に沿ってｘ軸方向に移動させたときに形成される曲面となっている。図６に示されるように、ｙ軸方向において光学素子部３２の第１曲面３２ａの両側には、第２曲面３２ｂは形成されていない。また、第１、第２曲面３２ａ、３２ｂを形成する円の中心は、ｚ軸方向に沿っており、かつ同一線上に配置されている。

このようにして一つの光学素子部３２を形成することで下記に記す作用が発生する。以下、そのことを図７及び図８に基づいて詳細に説明する。

図７に示されるように、ｚ軸方向からレーザスキャナ１０からの光束が、それぞれの光学素子部３２に入射すると、それぞれの光学素子部３２は、表面に形成される第１、第２曲面３２ａ、３２ｂに応じた拡散角で光束を反射する。具体的には、第１曲面３２ａに入射した光束のｘ軸方向の拡散角は、第２曲面３２ｂに入射した光束の拡散角よりも小さい。これは、第１曲面３２ａの曲率半径Ｒａが、第２曲面３２ｂの曲率半径Ｒｂよりも大きいためである。これによると、第１曲面３２ａに対するｚ軸方向からの光束の角度が、第２曲面３２ｂに対する当該光束の角度よりも小さくなる。その結果、図７に示されるように、第１曲面３２ａにおける光束の反射光の光線密度は、第２曲面３２ｂにおける光線密度よりも高くなる。なお、第１曲面３２ａ及び第２曲面３２ｂのｙ軸方向の曲率半径は、どこもＲｃで同じであるため、ｙ軸方向の拡散角は、第１曲面３２ａ及び第２曲面３２ｂにおいて同じである。

以上により、第１曲面３２ａに入射した光束は、その表面形状に応じた拡散角によって拡散され、凹面鏡４０に向かって進行する。そして、凹面鏡４０によって反射された光束は、ウインドシールド９０の投影面９１によって反射され、メインアイボックス６０ａに導かれる。一方、ｘ軸方向において第１曲面３２ａの両側に設けられる第２曲面３２ｂに入射した光束は、その表面形状に応じた拡散角によって拡散され、凹面鏡４０に向かって進行する。そして、凹面鏡４０によって反射された光束は、ウインドシールド９０の投影面９１によって反射され、ｘ軸方向（水平方向）においてメインアイボックス６０ａの両側に設けられるそれぞれのサブアイボックス６０ｂに導かれる。

上述したように、第１曲面３２ａにおける反射光の拡散角は、第２曲面３２ｂにおける反射光の拡散角よりも小さいので、第１曲面３２ａによって反射された光束の光線密度は、第２曲面３２ｂによって反射された光束の光線密度よりも高くなる。ここで、各アイボックス６０ａ、６０ｂへの光量は、導かれる光束の光線密度に応じたものとなる。したがって、図８に示されるように、メインアイボックス６０ａへの光量は、サブアイボックス６０ｂへの光量に比べ多くなる。その結果、メインアイボックス６０ａでの表示画像７１の虚像７０の輝度は、サブアイボックス６０ｂでの虚像７０の輝度よりも高くすることができ、メインアイボックス６０ａでの虚像７０の輝度をより高くすることができる。これに対し、この構成によれば、サブアイボックス６０ｂへの光量をメインアイボックス６０ａへの光量よりも少なくなるので、サブアイボックス６０ｂでの虚像７０の輝度を必要以上に大きくすることなく虚像７０を視認者に視認させることができる。また、この構成によれば、サブアイボックス６０ｂへの光量を必要以上に多くしていないので、レーザスキャナ１０からの光束のエネルギーを必要以上にサブアイボックス６０ｂに供給することを抑制できる。よって、光束の利用効率の低下を抑制することができる。

なお、光学素子部３２のｘ軸方向及びｙ軸方向の長さ及び比率は、設定しようとするメインアイボックス６０ａ及びサブアイボックス６０ｂの大きさに応じて決定する。また、メインアイボックス６０ａ及びサブアイボックス６０ｂの大きさは、曲率半径Ｒａ、Ｒｂの大きさによっても変化するので、これらのアイボックス６０ａ、６０ｂを設定する場合には、曲率半径Ｒａ、Ｒｂも加味して決定する。これは、上述したように曲率半径によって拡散角が変化し、この拡散角によって導かれる光束の範囲が変化するからである。

上述したように、第１曲面３２ａによって反射された光束は、メインアイボックス６０ａに導かれ、第２曲面３２ｂによって反射された光束は、サブアイボックス６０ｂに導かれるようになっている。この実施形態では、第２曲面３２ｂは、第１曲面３２ａを挟むようにして第１曲面３２ａに対して両側に設けられている。よって、サブアイボックス６０ｂは、メインアイボックス６０ａを挟むようにメインアイボックス６０ａに対して両側に設けられることとなる。

このような、メイン、サブアイボックス６０ａ、６０ｂの配置関係によれば、運転中、視認者の上半身が動き、視認者のアイポイント６１がメインアイボックス６０ａから外れても、その両側に存在するサブアイボックス６０ｂにアイポイント６１を存在させることができ、表示画像７１の虚像７０を確実に視認させることができる。

ここで、視認者は、運転中、運転席に着座している。このため、運転中の視認者の頭部は、鉛直方向よりも水平方向に移動し易い。よって、アイポイント６１は、水平方向に移動し易い。

特に、本実施形態では、サブアイボックス６０ｂをメインアイボックス６０ａに対してｘ軸方向（水平方向）に設けるように、第１曲面３２ａに対して第２曲面３２ｂをｘ軸方向（水平方向）に設けている。このことによれば、サブアイボックス６０ｂ及びメインアイボックス６０ａの配置を視認者の頭部の移動（アイポイント６１の移動）に合わせた配置とすることができる。その結果、表示画像７１の虚像７０の視認性が向上する。

なお、本実施形態において、レーザスキャナ１０が特許請求の範囲に記載の「投射器」に相当し、スクリーン３０が特許請求の範囲に記載の「スクリーン部材」に相当し、メインアイボックス６０ａが特許請求の範囲に記載の「主視認領域」に相当し、サブアイボックス６０ｂが特許請求の範囲に記載の「副視認領域」に相当する。

（第２実施形態）
第１実施形態では、光学素子部３２において、第２曲面３２ｂのそれぞれは、第１曲面３２ａに隣接して設けられていた。このように第１、第２曲面３２ａ、３２ｂが設けられていると、図８からも明らかなように、アイポイント６１がメインアイボックス６０ａから外れ、サブアイボックス６０ｂに入ると、光量が急激に変化するので、虚像７０の輝度が急激に低下する。その結果、視認者はこの急激な輝度の変化に違和感を感じる場合がある。

そこで、第２実施形態では、第１曲面３２ａと第２曲面３２ｂとの間に表面が曲面となる接続面３２ｃを設けている（図９参照）。接続面３２ｃのｘ軸方向の曲率半径は、第１曲面３２ａ側から第２曲面３２ｂ側に向かって、曲率半径Ｒａから曲率半径Ｒｂへと徐々に変化している。接続面３２ｃのｙ軸方向の曲率半径は、第１実施形態と同じ曲率半径Ｒｃとなっている。

このことによれば、図１０に示されるように、メインアイボックス６０ａとサブアイボックス６０ｂとの間に、接続アイボックス６０ｃが形成される。この接続アイボックス６０ｃに供給される光束の光量は、メインアイボックス６０ａからサブアイボックス６０ｂに向かって徐々に低下する。よって、表示画像７１の虚像７０の輝度もそれに合わせて徐々に低下する。したがって、視認者に対して、輝度の急激な変化による違和感を与えないようにすることができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明による第１、第２実施形態について説明したが、本発明は、上記先の実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。

先の二つの実施形態では、スクリーン３０の光学素子部３２に形成される第１、第２曲面３２ａ、３２ｂは、水平方向に並んでメインアイボックス６０ａ及びサブアイボックス６０ｂが設定されるように、ｘ軸方向に並んで形成されていた。これは、メインアイボックス６０ａ及びサブアイボックス６０ｂが水平方向に並ぶように設定されているからである。例えば、メインアイボックス６０ａ及びサブアイボックス６０ｂを鉛直方向に並んで設定するのであれば、第１、第２曲面３２ａ、３２ｂをｙ軸方向に並んで形成するようにすれば良い。また、サブアイボックス６０ｂをメインアイボックス６０ａを囲むように設定する場合であれば、第１曲面３２ａの周囲に第２曲面３２ｂを形成するようにすれば良い。

また、先の二つの実施形態では、光学素子部３２の外縁形状を矩形状とし、格子状に配置させることによりスクリーン３０を形成していた。光学素子部３２の外縁形状は、矩形状に限らなくとも、例えば、光学素子部の外縁形状を六角形とし、六方稠密状に配置させることによりスクリーンを形成するようにしても良い。なお、このように光学素子部を六角形とすると、メインアイボックス及びサブアイボックスを組み合わせた領域の形状が六角形となる。

先の二つの実施形態では、反射型のスクリーン３０が用いられていた。なお、反射型のスクリーン３０を一般的にマイクロミラーアレイと呼んでいる。しかし、スクリーンは、入射する光束を定められた角度で拡散することができれば、反射型のものに限定されない。例えば、透光性の材料によって形成された透過型のスクリーンが用いられても良い。なお、透過型のスクリーンを一般的にマイクロレンズアレイと呼んでいる。この形態では、レーザスキャナは、スクリーンの結像面の反対側であって、スクリーンを挟んで凹面鏡とは反対側から、表示画像を結像させるためのレーザ光を投射する。

先の二つの実施形態では、水平方向にレーザ光を走査するための水平スキャナ２７と鉛直方向にレーザ光を走査するための鉛直スキャナ２８とを組み合わせた構成を有するＭＥＭＳ２６が用いられていた。ＭＥＭＳは、光学部から投射されるレーザ光を反射する一つの反射部材と、その反射部材を水平方向及び鉛直方向に可動可能な二つの軸とを備え、これら二つの軸まわりに反射部材を可動させ、二次元の表示画像を形成するようにしても良い。

先の二つの実施形態では、ヘッドアップディスプレイ装置１００によって表示画像７１の投影される「表示部材」として、ウインドシールド９０が用いられていた。しかし、投影面の形成される「表示部材」は、ウインドシールド９０に限定されない。例えば、「表示部材」は、ウインドシールド９０の車室側に表面に貼りつけられた透光性の材料よりなるコンバイナ等であっても良い。さらに、コンバイナは、ウインドシールド９０と別体で設けられていても良い。

先の二つの実施形態では、レーザ光の走査によって結像面３１に表示画像７１を結像させるレーザスキャナ１０が、「投射器」として用いられていた。しかし、結像面にて表示画像として結像される光を投射することが可能であれば、種々の構成が「投射器」として用いられて良い。例えば、Liquid crystal on silicon（ＬＣＯＳ）及びDigital Mirror Device（ＤＭＤ）等を、光源及びレンズ等の光学系と共に有する所謂プロジェクタが、「投射器」として用いられても良い。

ＬＣＯＳは、シリコン製の基板と透光性の基板との間に液晶層を挟み込むことにより形成されている。液晶層は、配列された複数の画素を形成している。シリコン製の基板には、液晶を駆動するための回路と、光を反射するための電極が設けられている。ＬＣＯＳに透光性の基板から入射した光源光は、液晶層を通過しつつ、シリコン製の基板に設けられた電極によって反射されて、当該ＬＣＯＳから出射される。液晶層に表示画像の元となる画像を形成することによれば、ＬＣＯＳを備えるプロジェクタは、結像面にて表示画像として結像される光を投射することができる。

ＤＭＤは、基板上に多数の微小鏡面を配列することにより形成されている。これら微小鏡面のそれぞれが、一つの画素を形成している。各微小鏡面は、制御信号に基づいて傾斜角度を変更することができる。ＤＭＤに入射した光源光は、各微小鏡面によって反射される。以上のＤＭＤは、各微小鏡面の傾斜角度を制御することによれば、画像を形成することができる。したがって、ＤＭＤを備えるプロジェクタは、結像面にて表示画像として結像される光を投射することができる。

先の二つの実施形態では、車両のウインドシールド９０に表示画像７１を投影するヘッドアップディスプレイ装置１００に本発明を適用した例を示したが、本発明は、各種の輸送機器に搭載され、表示画像７１の虚像７０を視認者に視認可能とする種々のヘッドアップディスプレイ装置に適用することができる。

１０ レーザスキャナ（投射器）、１１ コントローラ、１３ 光源部、１４、１５、１６ レーザ投射部、２０ 光学部、２１ コリメートレンズ、２２、２３、２４ ダイクロイックフィルタ、２５ 集光レンズ、２６ 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、２７ 水平スキャナ、２７ａ 回転軸、２８ 鉛直スキャナ、２８ａ 回転軸、３０ スクリーン（スクリーン部材）、３１ 結像面、３２ 光学素子部、３２ａ 第１曲面、３２ｂ 第２曲面、３２ｃ 接続面、４０ 凹面鏡、４１ 反射面、６０ａ メインアイボックス（主視認領域）、６０ｂ サブアイボックス（副視認領域）、６０ｃ 接続アイボックス、６１ アイポイント、７０ 虚像、７１ 表示画像、９０ ウインドシールド、９１ 投影面、１００ ヘッドアップディスプレイ装置

Claims (4)

1. 車両に搭載された表示部材に形成される投影面に表示画像を投影することにより、前記車両の室内から前記表示画像の虚像を視認可能なヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記表示画像となる光束を投射する投射器と、
   前記虚像が視認可能な領域である予め想定された主視認領域及び副視認領域に前記光束を導くように、前記光束を所定の拡散角で拡散し、前記表示部材に向けて出射するスクリーン部材と、を備え、
   前記スクリーン部材は、入射する前記光束を前記主視認領域に向けて拡散する第１曲面、及び入射する前記光束を前記副視認領域に向けて拡散する第２曲面を有する光学素子部を有し、前記光学素子部が複数個配列されることにより形成されており、
   前記光学素子部において、前記第１曲面の曲率半径は、前記第２曲面の曲率半径よりも大きいことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記光学素子部において、前記第２曲面は、前記第１曲面を挟むように前記第１曲面に対して両側に設けられ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装置。
3. 前記主視認領域及び前記副視認領域は、前記車両の水平方向に並ぶように予め想定されており、
   前記第１曲面及び前記第２曲面は、前記光学素子部において、前記主視認領域及び前記副視認領域の配置関係に対応するように、一方向に並んで配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記第１曲面と前記第２曲面との間には、表面が曲面となる接続面が設けられており、
   前記接続面の曲面の曲率半径は、前記第１曲面側から前記第２曲面側に向かって、前記第１曲面の曲率半径から前記第２曲面の曲率半径へと徐々に変化することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

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