WO2015177833A1 - 虚像生成素子及びヘッドアップディスプレイ - Google Patents

虚像生成素子及びヘッドアップディスプレイ Download PDF

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WO2015177833A1
WO2015177833A1 PCT/JP2014/063171 JP2014063171W WO2015177833A1 WO 2015177833 A1 WO2015177833 A1 WO 2015177833A1 JP 2014063171 W JP2014063171 W JP 2014063171W WO 2015177833 A1 WO2015177833 A1 WO 2015177833A1
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WO
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light
liquid crystal
cholesteric liquid
crystal layer
incident
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Application number
PCT/JP2014/063171
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
孝典 落合
柳澤　琢麿
Original Assignee
パイオニア株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パイオニア株式会社 filed Critical パイオニア株式会社
Priority to PCT/JP2014/063171 priority Critical patent/WO2015177833A1/ja
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A42—HEADWEAR
    • A42B—HATS; HEAD COVERINGS
    • A42B3/00—Helmets; Helmet covers ; Other protective head coverings
    • A42B3/04—Parts, details or accessories of helmets
    • A42B3/0406—Accessories for helmets
    • A42B3/042—Optical devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays

Definitions

  • the present invention relates to a technical field for visually recognizing an image as a virtual image.
  • HUD head-up display
  • Patent Documents 1 and 2 display devices such as a head-up display (hereinafter, referred to as “HUD” as appropriate) for visually recognizing an image as a virtual image
  • a real image image on various displays or an image on a screen projected by a projector
  • a combiner placed in front of the driver's field of view. Make it visible. Accordingly, the driver can visually recognize the instrument, navigation information, and the like superimposed on the scenery without lowering the line of sight while looking forward.
  • Patent Document 3 discloses a technique for recognizing a virtual image by an optical collimation device that combines a wavelength-dependent plane mirror and a concave half mirror.
  • JP-A-6-270716 JP 2002-052953 A Japanese Patent No. 2905486
  • the maximum viewing angle of the virtual image visually recognized by the driver is determined according to the distance between the combiner and the driver when the size of the combiner is fixed. That is, if the combiner is close to the driver, the viewing angle is large, and if the combiner is far from the driver, the viewing angle is small. Therefore, in order to make a virtual image as large as possible visible, it is desirable to bring the combiner as close to the driver as possible.
  • the combiner is often provided on the dashboard because of the installation location (see, for example, Patent Document 1).
  • Examples of the problem to be solved by the present invention include the above. It is a main object of the present invention to provide a virtual image generating element and a head-up display that can suppress the attenuation of the brightness of a virtual image and allow a user to visually recognize the virtual image.
  • the virtual image generating element visually recognizes an image formed by an external device as a virtual image, and has circular dichroism, and circularly polarized image light corresponding to the image is incident thereon.
  • the transmitted image light is reflected, and the reflected image light transmits light reflected by the first optical element.
  • the basic composition of HUD concerning an example is shown.
  • the structure of the combiner which concerns on an Example is shown.
  • the characteristic which a cholesteric liquid crystal layer has is shown.
  • the characteristic which a cholesteric liquid crystal layer has is shown.
  • Sectional drawing of the combiner which showed a mode that real image display light, signal light, and background light inject into a combiner is shown.
  • Sectional drawing of the combiner which concerns on a 1st comparative example is shown.
  • Sectional drawing of the combiner which concerns on a 2nd comparative example is shown. It is the table
  • the structure of the combiner which concerns on the modification 1 is shown.
  • the structure of HUD which concerns on the modification 4 is shown.
  • the structure of the combiner which concerns on the modification 5 is shown.
  • region in FIG. 11 is shown.
  • the structure of the combiner which concerns on the modification 6 is shown. It is a figure which shows the structure of the combiner which combined the modification 5 and the modification 2.
  • FIG. It is the other structural example of the combiner which combined the modification 5 and the modification 2.
  • a virtual image generating element that visually recognizes an image formed by an external device as a virtual image, has circular dichroism, and circularly polarized image light corresponding to the image is generated.
  • the first and second optical elements include: The light from the external device is reflected according to the incident angle of the light, the surface of the first optical element is inclined with respect to the surface of the second optical element, and the second optical element is the first optical element.
  • the image light transmitted through the optical element is reflected, and the reflected image light transmits the light reflected by the first optical element.
  • the virtual image generating element is a combiner, for example, and includes a first optical element and a second optical element.
  • the first optical element has circular dichroism and receives circularly polarized image light.
  • the second optical element has circular dichroism, and image light transmitted through the first optical element is incident thereon.
  • the first and second optical elements reflect the image light according to the incident angle of the light.
  • the first optical element is disposed to be inclined with respect to the second optical element. For example, when the first and second optical elements are flat plates, they are arranged non-parallel.
  • the second optical element reflects the image light transmitted through the first optical element, and transmits the light reflected by the first optical element.
  • the virtual image generation element can make an observer visually recognize a virtual image suitably, without making image light enter into an observer's eyes directly.
  • the virtual image generating element causes the image light emitted from the external device to be emitted at an emission angle different from the incident angle and observed. It makes it enter into a person's eyes, and a virtual image can be visually recognized suitably for an observer.
  • the first and second optical elements have a characteristic of selectively transmitting or reflecting the image light according to an incident angle of the image light.
  • the first optical element transmits incident light from the external device to enter the second optical element, and then reflects the light reflected by the second optical element toward the second optical element.
  • the second optical element can reflect the image light transmitted through the first optical element, and can transmit the light reflected by the first optical element.
  • the first optical element reflects light having a wavelength corresponding to the image light according to an incident angle of the light, and has a wavelength other than the wavelength corresponding to the image light. It has a characteristic of transmitting light having a wavelength. According to this aspect, the virtual image generating element can minimize the optical effect on the background light while reflecting the image light reflected by the second optical element by the first optical element to reach the observer. .
  • either the first optical element or the second optical element is configured in a sawtooth shape having a plurality of surfaces inclined with respect to the surface of the other optical element. ing. According to this aspect, the thickness of the virtual image generating element can be suitably reduced.
  • the first optical element or the second optical element has a curved surface and imparts a lens action to the image light.
  • a virtual image generating element having a magnification can be realized, and the virtual image distance can be increased or decreased.
  • the first and second optical elements have a structure in which cholesteric liquid crystals having a helical pitch corresponding to the wavelength of the image light are stacked, or a film having the same function as the structure. It is. Thereby, the 1st and 2nd optical element which provides the above optical effects with respect to image light is suitably realizable.
  • a head-up display includes an external device and the virtual image generating element described above that visually recognizes an image formed by the external device as a virtual image.
  • the head-up display allows the observer to preferably visually recognize the virtual image without causing the image light to directly enter the eyes of the observer.
  • the external device directly emits circularly polarized image light or emits linearly polarized image light, and the image light emitted by the light emitting unit is converted from linearly polarized light to circularly polarized light. It is good to have a conversion part to convert into. Thereby, circularly polarized image light can be incident on the virtual image generating element.
  • the external device is provided near the dashboard of the vehicle, and the virtual image generating element is provided near the ceiling of the vehicle.
  • the head-up display can appropriately make a viewer visually recognize a desired virtual image without causing a feeling of pressure or discomfort.
  • the external device is provided in the vicinity of a dashboard or meter of a two-wheeled vehicle, and the virtual image generating element is attached to an observer.
  • the head-up display allows the observer to preferably visually recognize the virtual image without causing the image light to directly enter the eyes of the observer.
  • at least part of background light such as signal display light can reach the eyes of the observer.
  • FIG. 1 shows a basic configuration of a HUD 300 according to the present embodiment.
  • the HUD 300 according to the present embodiment includes a real image display device 200 installed on a dashboard of a two-wheeled vehicle and a combiner 100 provided in a visor portion of a helmet worn by a driver.
  • a transmissive combiner 100 that transmits light corresponding to a real image is used instead of a reflective combiner that reflects light corresponding to a real image.
  • the combiner 100 imparts an optical action only to light from the real image display device 200 (hereinafter, referred to as “real image display light” as appropriate), thereby realizing real image display light. Is reflected to the driver's head to make the driver visually recognize the virtual image Iv.
  • the combiner 100 minimizes the optical effect on light other than the real image display light (light corresponding to the scenery in front of the vehicle, etc., hereinafter referred to as “background light” as appropriate), and uses background light as much as possible. Make it transparent.
  • the combiner 100 is not limited to being configured as a part of a helmet, but may be configured as a part of a glasses-type or goggles-type attachment.
  • the combiner 100 corresponds to an example of a “virtual image generating element” in the present invention
  • the real image display device 200 corresponds to an example of an “external device” in the present invention.
  • the real image display device 200 emits real image display light composed of light of three primary colors (RGB).
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the combiner 100.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a part of the combiner 100 cut along the traveling direction of light from the real image display device 200 (that is, real image display light).
  • a ⁇ / 4 plate film 250 is attached to the light emitting surface of the real image display device 200, and the linearly polarized light emitted from the light emitting surface of the real image display device 200 is right-rounded by the ⁇ / 4 plate film 250.
  • the light is changed into polarized light and is incident on the combiner 100 from below by a predetermined angle “ ⁇ in ” (here, 40 °).
  • the combiner 100 includes a transparent substrate 23, a cholesteric liquid crystal layer 21, a transparent substrate 24, and a cholesteric liquid crystal layer 22 in this order from the side on which the real image display light is incident.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 has, as reflection characteristics, a wavelength selectivity that selectively reflects light having the same wavelength as the real image display light, a reflection angle selectivity that reflects or transmits incident light according to the incident angle, and right circular polarization only. It has circular dichroism that reflects light.
  • cholesteric liquid crystals 27A to 27C having spiral structures having different spiral pitches are divided into three layers by a glass substrate 28, as shown in FIG.
  • the cholesteric liquid crystals 27A to 27C selectively reflect only light having a circular polarization component in the same direction as the helical twist and having a wavelength equal to the helical pitch.
  • the cholesteric liquid crystals 27A to 27C have the same length as the wavelength of red light (R) (650 nm), the wavelength of green light (G) (532 nm), and the wavelength of blue light (B) (450 nm), respectively. It has a spiral pitch and selectively reflects only light that is right circularly polarized light and is incident at an angle within a predetermined range. Accordingly, as shown in FIG. 2, the cholesteric liquid crystal layer 21 transmits 100% of the right circularly polarized light incident at a predetermined angle “ ⁇ ′” and then enters the cholesteric liquid crystal layer 22 incident at a predetermined angle “ ⁇ ′”. The right-handed circularly polarized light that is reflected light is reflected 100%.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 is an example of the “first optical element” in the present invention.
  • the cholesteric liquid crystal layer 22 has wavelength selectivity, angle selectivity, and circular dichroism as reflection characteristics.
  • cholesteric liquid crystals 27Aa to 27Ca having spiral structures having different spiral pitches are divided into three layers by a glass substrate 28a.
  • it selectively reflects only light having a helical pitch having the same length as the wavelength of blue light and being right circularly polarized light and incident at an angle within a predetermined range.
  • the cholesteric liquid crystal layer 22 reflects 100% of the right circularly polarized light incident at a predetermined angle “ ⁇ in ′” as shown in FIG. 2, and the right circular light that is the reflected light of the cholesteric liquid crystal layer 21 incident thereafter.
  • the polarized light is transmitted 100% and emitted at a predetermined angle “ ⁇ out ” (0 [°] in FIG. 2) equal to the incident angle.
  • the cholesteric liquid crystal layer 22 is an example of the “second optical element” in the present invention.
  • the spiral pitch of the cholesteric liquid crystal layers 21 and 22 is “p”
  • the wavelength of the real image display light is “ ⁇ ”
  • the incident angle is “ ⁇ ”
  • the average refractive index of the cholesteric liquid crystal layer is “n”
  • the spiral pitch of the cholesteric liquid crystal layers 21 and 22 is set so that the wavelength of the real image display light is reflected in consideration thereof. It is desirable to decide.
  • the cholesteric liquid crystal layer 22 are arranged so as to be non-parallel. Specifically, the cholesteric liquid crystal layer 22 is arranged along a horizontal plane in the combiner 100, whereas the cholesteric liquid crystal layer 21 is arranged inclined by an angle ⁇ with respect to the horizontal plane in the combiner 100. That is, the angle formed between the cholesteric liquid crystal layer 21 and the cholesteric liquid crystal layer 22 is “ ⁇ ”.
  • the reflection characteristics that is, the wavelength selectivity, the angle selectivity, and the circular polarization two colors provided in the cholesteric liquid crystal layers 21 and 22. Property).
  • FIG. 3A is a graph showing the relationship between the transmittance of right circularly polarized light and the incident wavelength with respect to the cholesteric liquid crystal layer 21.
  • the solid line graph G21A shows the transmittance of the right circularly polarized light with respect to the change in the incident wavelength when the incident angle is the angle ⁇ ′ (that is, the incident angle of the arrow B1 portion in FIG. 2).
  • the transmittance of right circularly polarized light with respect to a change in incident wavelength when the incident angle is the angle ⁇ ′ (that is, the incident angle of the arrow B3 portion in FIG. 2) is shown.
  • Graph G21a shows the average transmittance (about 70%) of cholesteric liquid crystal layer 21 with respect to the entire visible light.
  • the transmittance of the right circularly polarized light when the incident angle indicated by the graph G21A is the angle ⁇ ′ is the wavelength of the blue light (B) (450 nm) and the wavelength of the green light (G) ( 532 nm) and the wavelength of red light (R) (650 nm) (these are also simply referred to as “RGB wavelengths”), both of which are about 100%.
  • the right circularly polarized real image display light reaching the position indicated by the arrow B1 in FIG. 2 is transmitted through the cholesteric liquid crystal layer 21 with a transmittance of about 100%.
  • the transmittance of right circularly polarized light at the incident angle ⁇ ′ indicated by the graph G21B is about 0% in the vicinity of the RGB wavelength. Accordingly, the right circularly polarized real image display light reaching the position indicated by the arrow B3 in FIG. 2 is totally reflected by the cholesteric liquid crystal layer 21.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 has a characteristic that it transmits right-circularly polarized real image display light incident at an angle ⁇ ′ and reflects right-circularly polarized real image display light incident at an angle ⁇ ′. Any other angle may be provided.
  • FIG. 3B is a graph showing the transmittance of left circularly polarized light with respect to the cholesteric liquid crystal layer 21. As shown in FIG. 3B, when left circularly polarized light is incident, the cholesteric liquid crystal layer 21 transmits the incident left circularly polarized light with a transmittance of 100% regardless of the incident wavelength and the incident angle.
  • FIG. 4A is a graph showing the transmittance with respect to the incident wavelength of right circularly polarized light with respect to the cholesteric liquid crystal layer 22.
  • the solid line graph G22A shows the transmittance of the right circularly polarized light with respect to the change in the incident wavelength when the incident angle is the angle ⁇ in ′ (that is, the incident angle of the arrow B2 portion in FIG. 2)
  • the graph G22B The transmittance of the right circularly polarized light with respect to the change of the incident wavelength when the incident angle is the angle ⁇ out (that is, the incident angle of the arrow B4 portion in FIG. 2) is shown.
  • Graph G22a shows average transmittance (about 70%) to the whole visible light.
  • the transmittance of right circularly polarized light at the incident angle ⁇ in ′ shown by the graph G22A is about 0% in the vicinity of the RGB wavelength. Therefore, the right circularly polarized real image display light reaching the position indicated by the arrow B2 in FIG. 2 is totally reflected by the cholesteric liquid crystal layer 22.
  • the transmittance of right circularly polarized light in the case where the incident angle indicated by the graph G22B is the angle ⁇ out is approximately 100% in the vicinity of the RGB wavelength. Accordingly, the right circularly polarized real image display light reaching the position indicated by the arrow B4 in FIG. 2 is transmitted through the cholesteric liquid crystal layer 22 with a transmittance of about 100%.
  • the cholesteric liquid crystal layer 22 reflects the real image display light incident at the angle ⁇ in ′ and transmits the real image display light incident at the angle ⁇ out. It may have various characteristics.
  • FIG. 4B is a graph showing the transmittance of left circularly polarized light with respect to the cholesteric liquid crystal layer 22. As shown in FIG. 4B, when left circularly polarized light is incident, the cholesteric liquid crystal layer 22 transmits the incident left circularly polarized light with a transmittance of 100% regardless of the incident wavelength and the incident angle.
  • the combiner 100 allows the driver to visually recognize the real image display light without attenuating the light, and has the same wavelength as the real image display light among the random polarized light incident from the traffic light ( It is also referred to as “signal light”) and the background light is preferably made visible to the driver.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the combiner 100 showing how the real image display light, the background light, and the signal light are incident on the combiner 100.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 and the cholesteric liquid crystal layer 22 have a predetermined value with respect to real image display light incident on the combiner 100 at an incident angle ⁇ in (40 [°] in this case) from below.
  • ⁇ in 40 [°] in this case
  • the light is emitted from the combiner 100 at an emission angle ⁇ out (here, 0 °) while maintaining about 100% brightness, and is guided to the driver's head.
  • the real image display light converted into right circularly polarized light by the ⁇ / 4 plate film 250 is incident on the combiner 100 at an incident angle ⁇ in and then refracted at the substrate 23 to become an angle ⁇ in ′. It is incident on the cholesteric liquid crystal layer 21 due to '.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 has an angle selectivity such that the reflectivity with respect to the right circularly polarized light of the RGB wavelength incident at the incident angle ⁇ ′ is about 0%, as shown in the graph G21A of FIG.
  • the incident light is transmitted with a transmittance of 100%, and is emitted as right circularly polarized light at the same emission angle ⁇ ′ as the incident angle.
  • the light transmitted through the cholesteric liquid crystal layer 21 enters the cholesteric liquid crystal layer 22 at an incident angle ⁇ in ′.
  • the cholesteric liquid crystal layer 22 converts the right-handed circularly polarized light having the RGB wavelength incident at the incident angle ⁇ in ′ by wavelength selectivity, angle selectivity, and circular dichroism. Regular reflection with a reflectance of about 100%. Therefore, the incident light of the cholesteric liquid crystal layer 22 is regularly reflected by the cholesteric liquid crystal layer 22 with a reflectance of about 100% at the reflection angle ⁇ in ′, as indicated by an arrow B2.
  • the cholesteric liquid crystal layer 22 reflects the above-described incident light with a reflectance of about 100%, so that direct light from the real image displayed by the real image display device 200 is preferably incident on the eyes of the driver. To suppress. At this time, the cholesteric liquid crystal layer 22 reflects the incident light that is the above-mentioned right circularly polarized light as it is as the right circularly polarized light.
  • the right-handed circularly polarized light of RGB wavelength regularly reflected by the cholesteric liquid crystal layer 22 enters the cholesteric liquid crystal layer 21 at an incident angle ⁇ ′.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 has an RGB wavelength right circle incident at an incident angle ⁇ ′ due to wavelength selectivity, angle selectivity, and circular dichroism. Since the reflectance with respect to the polarized light is about 100%, as shown by an arrow B3, the above-described incident light is regularly reflected with a reflectance of about 100%.
  • the left circularly polarized light reflected by the cholesteric liquid crystal layer 21 enters the cholesteric liquid crystal layer 22 at an incident angle ⁇ out (here, 0 [°]).
  • the cholesteric liquid crystal layer 22 has a reflectivity of about 0% with respect to right-handed circularly polarized light having an RGB wavelength incident at an incident angle ⁇ out due to angle selectivity.
  • the incident light is transmitted with a transmittance of 100%, and is emitted as right circularly polarized light at the same exit angle ⁇ out as the incident angle.
  • the combiner 100 can allow the driver to visually recognize a virtual image without attenuating the real image display light emitted from the real image display device 200.
  • the incident angle ⁇ in is determined from the installation position of the real image display device 200 and the combiner 100, and the emission angle ⁇ out is determined from the display position of the head and the virtual image.
  • Each angle ⁇ in ′ is an angle inside the substrate of the angle ⁇ in , and can be obtained from Equation (1) according to Snell's law.
  • ⁇ in ′ sin ⁇ 1 (sin ⁇ in / n) Equation (1)
  • ⁇ ′, ⁇ ′, and ⁇ are expressed by the equations (2), (3), and (4), respectively, using the angle ⁇ in ′ when the output angle ⁇ out is 0 [°]. Is done.
  • the tilt angle ⁇ of the cholesteric liquid crystal layer 21 can be uniquely determined.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 and the cholesteric liquid crystal layer 22 regularly reflect light (that is, the incident angle and the reflection angle are equal), and are incident at an incident angle ⁇ in by the cholesteric liquid crystal layers 21 and 22.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 is inclined with respect to the cholesteric liquid crystal layer 22 in order to realize an optical function of emitting the emitted light at an emission angle ⁇ out different from the incident angle ⁇ in .
  • the cholesteric liquid crystal layers 21 and 22 give a predetermined optical action to the RGB wavelength signal light incident on the combiner 100 at an incident angle ⁇ in from above.
  • the light is emitted from the combiner 100 at the emission angle ⁇ out while maintaining the brightness of about 50%, and is guided to the driver's head.
  • the signal light that is randomly polarized light is incident on the combiner 100 at an incident angle ⁇ in and then refracted by the substrate 23 to become an angle ⁇ in ′, and is incident on the cholesteric liquid crystal layer 21 at an incident angle ⁇ ′.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 has a reflectance of about 100% for right-handed circularly polarized light of RGB wavelength incident at an incident angle ⁇ ′ as shown by a graph G21B in FIG.
  • the right circular polarization component of the signal light is reflected with a reflectance of about 100%.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 has a transmittance of about 100% for the left circularly polarized light. Therefore, the left circularly polarized light corresponding to about 50% of the entire incident signal light is 100%. And is emitted at the same emission angle ⁇ ′ as the incident angle.
  • the signal light transmitted through the cholesteric liquid crystal layer 21 enters the cholesteric liquid crystal layer 22 at an incident angle ⁇ in ′.
  • the above-described incident light is left circularly polarized light
  • the transmittance of the cholesteric liquid crystal layer 22 with respect to the left circularly polarized light is about 100% as shown in FIG. 4B. Therefore, in this case, as indicated by an arrow B6, incident light described above, the transmittance of about 100% is transmitted through the cholesteric liquid crystal layer 22 is emitted from the combiner 100 in exit angle theta in.
  • the cholesteric liquid crystal layers 21 and 22 attenuate the signal light incident from above at the same incident angle ⁇ in as the real image display light by about 50%, and display the traffic light to the driver with the brightness of about 50%. Make it visible. Therefore, the combiner 100 allows the driver to visually recognize the virtual image without attenuating the real image display light emitted from the real image display device 200, and has an RGB wavelength incident from above with the same incident angle ⁇ in as the real image display light.
  • the signal light can also be suitably reached by the driver's eyes.
  • the cholesteric liquid crystal layers 21 and 22 have about 100% of the left circularly polarized light of the signal light.
  • the signal display can be suitably viewed by the driver.
  • the cholesteric liquid crystal layers 21 and 22 transmit light with a transmittance of about 100% due to wavelength selectivity and reach the driver's eyes. be able to.
  • the transmittance of the background light with respect to the right circularly polarized light component is examined.
  • the background light incident substantially perpendicular to the combiner 100 enters the cholesteric liquid crystal layer 21 at an incident angle ⁇ ′a.
  • the average transmittance of the cholesteric liquid crystal layer 21 with respect to the entire visible light is about 70%, and therefore the right circularly polarized component of the background light incident on the cholesteric liquid crystal layer 21 Is transmitted through the cholesteric liquid crystal layer 21 with a transmittance of about 70% and is incident on the cholesteric liquid crystal layer 22 at an angle ⁇ out .
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 has a transmittance of about 100% for left circularly polarized light
  • the cholesteric liquid crystal layer 22 similarly has left circularly polarized light as shown in FIG. 4B. Is approximately 100%. Therefore, the left circularly polarized light component of the background light is transmitted through the cholesteric liquid crystal layer 21 and the cholesteric liquid crystal layer 22 with a transmittance of about 100%. Therefore, the left circularly polarized component of the background light incident on the combiner 100 is transmitted through the combiner 100 with a transmittance of about 100%.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 and the cholesteric liquid crystal layer 22 can appropriately reach the driver's eyes with respect to the background light, and the driver can visually recognize the forward scenery.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a combiner 100x according to a first comparative example in which dielectric multilayer films 21x and 22x are provided instead of the cholesteric liquid crystal layers 21 and 22.
  • the dielectric multilayer films 21x and 22x have, as reflection characteristics, wavelength selectivity for selectively reflecting light having the same wavelength as that of the real image display light and incident angle dependency that makes the reflectance different depending on the incident angle.
  • the maximum reflectance is set to 50%.
  • the dielectric multilayer film 21x reflects only light having the RGB wavelength and its nearby wavelengths, transmits light incident at an angle ⁇ ′, and transmits light incident at an angle ⁇ ′ of about 50. % Of the maximum reflectance.
  • the dielectric multilayer film 22x reflects only light having the RGB wavelength and a wavelength in the vicinity thereof, and transmits incident light at an angle ⁇ out with a transmittance of about 100%, and an angle ⁇ in ′. The incident light is reflected at a maximum reflectance of about 50%.
  • the ⁇ / 4 plate film 250 is not attached to the real image display device 200.
  • the real image display light transmitted through the dielectric multilayer film 21x with a transmittance of 100% is about 50% by the dielectric multilayer film 22x. It is reflected by the reflectance. Thereafter, the real image display light reflected by the dielectric multilayer film 22x is further reflected by the dielectric multilayer film 21x with a reflectance of about 50%.
  • the real image display light reflected by the dielectric multilayer film 22x is further reflected by the dielectric multilayer film 21x with a reflectance of about 50%.
  • the real image display light incident on the dielectric multilayer film 22x since about 50% of the real image display light incident on the dielectric multilayer film 22x is transmitted, the real image display light (that is, the intermediate image) that is the transmitted light is directly incident on the driver's eyes. To do.
  • the real image display light incident on the driver's eyes maintains a brightness of about 50%, it becomes brighter than the brightness of the virtual image (about 25%), and the visibility deteriorates.
  • combiner 100x the signal light of RGB wavelength entering from above at an angle theta in the dielectric multilayer film about is 50% transmissive at 21x, the dielectric multilayer film 22x with subsequent angle theta in ' About 50% of incident light is transmitted.
  • the combiner 100x makes the driver visually recognize the signal display based on the signal light with the brightness of 25%. Therefore, in the first comparative example, the signal display visually recognized by the driver is darker than in the case of the embodiment (about 50%).
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a combiner 100y according to a second comparative example in which the dielectric multilayer film 22x of the first comparative example is a cholesteric liquid crystal layer 22.
  • the second comparative example a ⁇ / 4 plate film 250 is attached to the real image display device 200 as in the example.
  • the real image display light transmitted through the dielectric multilayer film 21x with a transmittance of 100% and reflected with the reflectance of about 100% by the cholesteric liquid crystal layer 22 is as shown by an arrow B3. Is reflected with a reflectance of about 50%. Thereafter, the reflected light passes through the cholesteric liquid crystal layer 22 with a transmittance of about 100%. Therefore, in the case of the second comparative example, only about 50% of the real image display light, which is 1 ⁇ 2 of the case of the embodiment, reaches the driver's eyes, and the driving is compared with the case of the embodiment (about 100%). The virtual image that the person visually recognizes becomes dark.
  • FIG. 8 is a table comparing the first comparative example, the second comparative example, and the present embodiment.
  • “transmittance of display light” indicates the transmittance of the real image display light to the combiners 100, 100 x, and 100 y
  • “transmittance of the intermediate image” indicates the real image display light emitted from the real image display device 200. Indicates the ratio of reaching the driver's eyes directly without reflection in the combiner 100, 100x, 100y.
  • the display light transmittance, background light transmittance, and signal light transmittance of the combiner 100 according to the present embodiment are all higher than those of the combiners 100x and 100y according to the first and second comparative examples. Therefore, the combiner 100 which concerns on a present Example can ensure suitably the visibility with respect to the virtual image Iv which shows the information which assists driving
  • the combiner 100 having the cholesteric liquid crystal layers 21 and 22 is superior to the combiners 100x and 100y including at least one of the dielectric multilayer films 21x and 22x, as shown in FIG. .
  • the substrate of the transmission type combiner is preferably a resin from the viewpoint of safety.
  • the dielectric multilayer film is made of an inorganic material such as titanium oxide (TiO 3 ), silicon oxide (SiO 2 ), niobium (Nb 2 O 5 ), tantalum (Ta 2 O 5 ), magnesium fluoride (MgF 2 ), etc. Since the thermal expansion coefficient when these layers are laminated is significantly different from the thermal expansion coefficient of the resin substrate, there is a possibility that the adhesive strength of the film may decrease over time or the film may crack in the use environment of the combiner. is there. On the other hand, since the material of the cholesteric liquid crystal film is an organic substance, the coefficient of thermal expansion with the substrate is relatively close, and the above-described problems are unlikely to occur.
  • the dielectric multilayer film is manufactured by a dry manufacturing method that requires a vacuum state, when forming a film on a large substrate such as a combiner, the time required for evacuation becomes long and the manufacturing cost increases.
  • a cholesteric liquid crystal film can be manufactured by a roll / To / roll manufacturing method that does not require a vacuum state, so that a large-area film can be manufactured in large quantities and at low cost.
  • the combiner 100 having the cholesteric liquid crystal layers 21 and 22 is superior in durability and cost to the combiners 100x and 100y.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a combiner 100a according to the first modification.
  • the combiner 100 a is different from the combiner 100 in that a cholesteric liquid crystal layer 21 a having a sawtooth shape is used instead of the cholesteric liquid crystal layer 21.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21a has a plurality of inclined surfaces 21a, and can realize the same function as the cholesteric liquid crystal layer 21 described above.
  • the inclination of the inclined surface 21a of the cholesteric liquid crystal layer 21a may be set to the same inclination as the surface of the cholesteric liquid crystal layer 21. That is, the inclined surface 21 a inclined by the angle ⁇ with respect to the surface of the cholesteric liquid crystal layer 22 may be applied.
  • the thickness of the combiner 100a is thinner than the thickness of the combiner 100 described above by using the cholesteric liquid crystal layer 21a that is not tilted per se instead of the cholesteric liquid crystal layer 21 that is tilted as a whole. can do.
  • the cholesteric liquid crystal layer 22 may have a sawtooth shape instead of the cholesteric liquid crystal layer 21. Even in this case, the cholesteric liquid crystal layer 22 is configured to have a surface that is inclined by an angle ⁇ relative to the surface of the cholesteric liquid crystal layer 21.
  • the combiner 100 is further provided with a lens action as an optical action given to the real image display light.
  • the combiner 100 is provided with a light condensing function and a diffusing function.
  • Such a combiner 100 can be realized by configuring the surface of the cholesteric liquid crystal layer 21 (that is, the reflection surface existing inside the substrate) with a gently curved surface.
  • the combiner 100 having a magnification can be realized, and the virtual image distance can be increased or decreased.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 may be configured with a curved surface and a sawtooth shape. In that case, the cholesteric liquid crystal layer 21 has a Fresnel lens shape.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 is formed by overlapping the three layers of cholesteric liquid crystals 27A to 27C having different helical pitches.
  • a film having the same circular dichroism, wavelength selectivity, and angle selectivity as the cholesteric liquid crystal layer 21 as reflection characteristics may be used in place of the cholesteric liquid crystal layer 21.
  • a cholesteric liquid crystal film described in International Publication No. WO2011 / 078055 may be used.
  • a film having the same circular dichroism, wavelength selectivity, and angle selectivity as the cholesteric liquid crystal layer 22 may be used in place of the cholesteric liquid crystal layer 22.
  • the HUD 300 shown in FIG. 1 is intended for two-wheeled vehicles, but the configuration to which the present invention can be applied is not limited to this and may be applied to four-wheeled vehicles.
  • FIG. 10 shows a configuration of the HUD 300a according to the modification.
  • the HUD 300a shown in FIG. 10 has a configuration in which the real image display device 200 is installed on the dashboard of a four-wheeled vehicle, and the combiner 100 is installed near the ceiling where the sun visor is installed.
  • the viewing angle of the virtual image Iv visually recognized by the driver can be suitably secured, and compared with the case where the real image display device 200 is installed on the ceiling, the feeling of pressure given to the driver is suppressed, Installation is easy because there is no need to route the power supply to the ceiling.
  • the combiner 100 shown in FIG. 10 has the configuration shown in FIGS. 2 and 5, and the real image display light emitted from the real image display device 200 is optically applied by the cholesteric liquid crystal layers 21 and 22. Guided by the eyes of the driver, the optical effect on background light and signal light is minimized and transmitted. Therefore, the HUD 300a has the characteristics shown in the table of FIG. 8 as in the embodiment by having the combiner 100, and it is possible to suitably ensure the visibility of the real image display light, the signal light, and the background light. it can.
  • the real image display device 200 is not limited to being provided on the dashboard, but the real image display device 200 may be provided on the instrument panel or the center console. That is, the real image display device 200 is not limited to being configured as an on-dash type, and the real image display device 200 may be configured as an in-dash type.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 and the cholesteric liquid crystal layer 22 are separately formed so that the relative positions of the cholesteric liquid crystal layer 21 and the cholesteric liquid crystal layer 22 can be changed.
  • You may comprise as a member.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a four-wheeled vehicle combiner 100c based on the fourth modification.
  • a combiner 100c according to this modification includes a cholesteric liquid crystal layer 21c, a cholesteric liquid crystal layer 22c, transparent substrates 33 and 34, and holding units 35 and 36.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21c is formed on the surface of the substrate 33 opposite to the surface on which the real image display light is incident
  • the cholesteric liquid crystal layer 22c is formed on the surface of the substrate 34 on the side on which the real image display light is incident.
  • the substrates 33 and 34 are configured as parallel flat plates.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21 c and the substrate 33 are held by the holding unit 35, and the cholesteric liquid crystal layer 22 c and the substrate 34 are held by the holding unit 36.
  • the holding part 35 and the holding part 36 are rotatably attached using a common shaft.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21c and the substrate 33 held by the holding unit 35 rotate in the direction indicated by the arrow Ar1
  • the cholesteric liquid crystal layer 22c and the substrate 34 held by the holding unit 36 rotate in the direction indicated by the arrow Ar2.
  • the combiner 100c is not limited to rotate both the cholesteric liquid crystal layer 21c and the cholesteric liquid crystal layer 22c, and one of the cholesteric liquid crystal layer 21c and the cholesteric liquid crystal layer 22c is fixed and the cholesteric liquid crystal layer 21c is fixed.
  • the combiner 100c may be configured such that only the other of the cholesteric liquid crystal layer 22c rotates.
  • FIG. 12 shows a side view of the combiner 100c in which the broken line region R1 in FIG. 11 is enlarged and displayed.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21c shown in FIG. 12 reflects only the light having the RGB wavelength and its neighboring wavelengths, transmits the light incident at the angle “ ⁇ in + ⁇ ”, and transmits the light incident at the angle “ ⁇ in ⁇ ”. It has the characteristic of total reflection.
  • the cholesteric liquid crystal layer 22c reflects only the light of the RGB wavelength and its nearby wavelengths, totally reflects the light incident at the angle “ ⁇ in”, and totally reflects the light incident at the angle “ ⁇ out ”. It has characteristics.
  • the incident angle “from the real image display device 200 is given by applying a predetermined optical action to the real image display light by the cholesteric liquid crystal layers 21c and 22c.
  • the real image display light incident on the combiner 100c at “ ⁇ in + ⁇ ” is emitted from the combiner 100c at the emission angle ⁇ out and guided to the driver's head while maintaining about 100% brightness.
  • the right circularly polarized light incident on the combiner 100c at the incident angle “ ⁇ in + ⁇ ” from the real image display device 200 is transmitted through the cholesteric liquid crystal layer 21c with a transmittance of about 100%, as indicated by an arrow C1. Then, the light enters the cholesteric liquid crystal layer 22c. Thereafter, the light incident on the cholesteric liquid crystal layer 22c at an incident angle theta in, as shown by the arrow C2, reflected by about 100% reflectance at the cholesteric liquid crystal layer 22c at the reflection angle theta in.
  • the incident angle "theta in -.phi” incident on the cholesteric liquid crystal layer 21c as shown by the arrow C3
  • the combiner 100c is configured such that the brightness of the signal light incident on the combiner 100 from above is maintained at about 50%, and the brightness of the background light is maintained at 75%, while the driver's head. Lead to. Therefore, according to this modification, the driver can also visually recognize the signal display and the front landscape while viewing the virtual image Iv.
  • the member for example, a parallel plate
  • the member composed of the cholesteric liquid crystal layer 21c and the substrate 33 and the member (for example, the parallel plate) composed of the cholesteric liquid crystal layer 22c and the substrate 34 can be made thin.
  • the weight of the combiner 100c itself can be reduced.
  • the modification 6 shows an example in which the arrangement of the cholesteric liquid crystal layer 21c and the substrate 33 in the combiner 100c shown in the modification 5 and the arrangement of the cholesteric liquid crystal layer 22c and the substrate 34 are converted.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of combiners 100c1 to 100c3 according to Modification 6. As shown in FIGS. 13A to 13C, in the combiners 100c1 to 100c3, the positions at which the cholesteric liquid crystal layer 21c and the cholesteric liquid crystal layer 22c are respectively formed on the substrates 33 and 34 are modified as shown in FIG. 5 different from the combiner 100c according to FIG.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21c is formed on the surface of the substrate 33 on the side on which the real image display light is incident, and the substrate 34 on the side opposite to the surface on which the real image display light is incident.
  • a cholesteric liquid crystal layer 22c is formed on the surface.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21c is formed on the surface of the substrate 33 opposite to the surface on which the real image display light is incident, and the surface on the opposite side to the surface on which the real image display light is incident.
  • a cholesteric liquid crystal layer 22 c is formed on the surface of the substrate 34.
  • the cholesteric liquid crystal layer 21c is formed on the surface of the substrate 33 on the side where the real image display light is incident, and the cholesteric liquid crystal layer 21c is formed on the surface of the substrate 34 on which the real image display light is incident.
  • a liquid crystal layer 22c is formed.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of a combiner 100c4 in which the fifth modification and the second modification are combined.
  • the combiner 100c4 uses a cholesteric liquid crystal layer 21ca configured in a shape having a gentle curvature (meniscus lens shape) instead of the cholesteric liquid crystal layer 21c configured in a parallel plate. Different from the combiner 100c.
  • the substrate 33a to which the cholesteric liquid crystal layer 21ca is attached also has a shape having a gentle curvature.
  • a lens action can be further given to the real image display light. Therefore, according to the example of FIG. 14, the combiner 100c4 having a magnification can be realized, and the virtual image distance can be increased or decreased.
  • FIG. 15 shows a combiner 100c5 according to another configuration example in which the fifth modification and the second modification are combined.
  • the combiner 100c5 includes a cholesteric liquid crystal layer 22ca formed of parallel plates and a cholesteric liquid crystal layer 22ca formed of a shape having a gentle curvature (meniscus lens shape) instead of the base plate 33a shown in FIG. A base 34a having a gentle curvature is provided.
  • the example of FIG. 15 can also obtain the same effect as the example of FIG.
  • the real image display device 200 emits real image display light composed of RGB light having wavelengths of 450, 532, and 650 nm, but the present invention is not limited to this. Instead, the real image display light may be composed of light having other wavelengths. Even in this case, the cholesteric liquid crystal layer 21 and the cholesteric liquid crystal layer 22 are configured to have wavelength selectivity corresponding to the wavelength of the real image display light.
  • the combiner 100 allows the driver to visually recognize the background light and the signal light having the same wavelength as the real image display light while allowing the driver to visually recognize the virtual image based on the real image display light with appropriate brightness. Can do.

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Abstract

　本発明は、虚像の輝度の減衰を抑制し、利用者に虚像を好適に視認させることが可能な虚像生成素子及び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。　本発明の虚像生成素子（１００）は、コレステリック液晶層（２１、２２）を有する。コレステリック液晶層（２１）は、円偏光２色性を有し、円偏光の画像光が入射する。コレステリック液晶層（２２）は、円偏光２色性を有し、コレステリック液晶層（２１）を透過した画像光が入射する。コレステリック液晶層（２１）の面は、コレステリック液晶層（２２）の面に対して傾斜している。コレステリック液晶層（２２）は、コレステリック液晶層（２１）を透過した画像光を反射させ、かつ、当該反射された画像光がコレステリック液晶層（２１）により反射された光を透過させる。

Description

虚像生成素子及びヘッドアップディスプレイ
　本発明は、虚像として画像を視認させる技術分野に関する。
　従来から、虚像として画像を視認させるヘッドアップディスプレイ（以下では適宜「ＨＵＤ」と表記する。）などの表示装置が知られている（例えば特許文献１及び２参照）。通常、ＨＵＤでは、実像表示装置で形成された実像（各種ディスプレイの画面やプロジェクタで投影されたスクリーン上の画像）を、運転者の視界前方に置かれたコンバイナと呼ばれるハーフミラーによって虚像として運転者に視認させる。これにより、運転者は、前方を見たまま視線を下げることなく、計器類やナビゲーション情報等を景色に重畳した状態で視認することができる。また、特許文献３には、波長依存性を有する平面ミラーと凹面ハーフミラーを組み合わせた光学視準装置により虚像を認識させる技術が開示されている。
特開平６－２７０７１６号公報 特開２００２－０５２９５３号公報 特許第２９０５４８６号
　ここで、運転者が視認する虚像の最大視野角は、コンバイナのサイズを固定すると、コンバイナと運転者との距離に応じて決まる。つまり、コンバイナが運転者に近ければ視野角は大きくなり、コンバイナが運転者に遠ければ視野角は小さくなる。したがって、できるだけ大きな虚像を視認させるためには、コンバイナをできるだけ運転者に近付けることが望ましいが、設置場所の関係からコンバイナはダッシュボード上に設けられることが多い（例えば特許文献１参照）。
　これに対して、近年、視野角を大きくするために、天井付近（サンバイザの近傍）にコンバイナを設置するＨＵＤが提案されている（例えば特許文献２参照）。このＨＵＤでは、実像の反射光を眼に入射させるため、実像表示装置をコンバイナよりも運転者側に設置する必要があり、基本的には、実像表示装置は天井に取り付けられる。この場合、運転者に圧迫感を与えてしまうといった課題や、天井まで電源を引き回さなければならず、取り付けが面倒であるといった課題があった。また、特許文献３に記載の構造を用いた場合、虚像の輝度が過度に減衰してしまうという課題があった。
　本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが一例として挙げられる。本発明は、虚像の輝度の減衰を抑制し、利用者に虚像を好適に視認させることが可能な虚像生成素子及びヘッドアップディスプレイを提供することを主な目的とする。
　請求項に記載の発明では、外部装置によって形成された画像を虚像として視認させる虚像生成素子であって、円偏光２色性を有し、前記画像に対応する円偏光の画像光が入射する第１光学素子と、円偏光２色性を有し、前記第１光学素子を透過した画像光が入射する第２光学素子と、を備え、前記第１及び第２光学素子は、前記外部装置からの光を当該光の入射角度に応じて反射させ、前記第１光学素子の面は、前記第２光学素子の面に対して傾いており、前記第２光学素子は、前記第１光学素子を透過した前記画像光を反射させ、かつ、当該反射された画像光が前記第１光学素子により反射された光を透過させることを特徴とする。
実施例に係るＨＵＤの基本構成を示す。 実施例に係るコンバイナの構成を示す。 コレステリック液晶層が有する特性を示す。 コレステリック液晶層が有する特性を示す。 実像表示光、信号光及び背景光がコンバイナに入射する様子を示したコンバイナの断面図を示す。 第１比較例に係るコンバイナの断面図を示す。 第２比較例に係るコンバイナの断面図を示す。 第１比較例、第２比較例、及び本実施例を比較した表である。 変形例１に係るコンバイナの構成を示す。 変形例４に係るＨＵＤの構成を示す。 変形例５に係るコンバイナの構成を示す。 図１１中の破線領域を拡大表示したコンバイナの側面図を示す。 変形例６に係るコンバイナの構成を示す。 変形例５と変形例２とを組み合わせたコンバイナの構成を示す図である。 変形例５と変形例２とを組み合わせたコンバイナの他の構成例である。
　本発明の１つの好適な実施形態では、外部装置によって形成された画像を虚像として視認させる虚像生成素子であって、円偏光２色性を有し、前記画像に対応する円偏光の画像光が入射する第１光学素子と、円偏光２色性を有し、前記第１光学素子を透過した画像光が入射する第２光学素子と、を備え、前記第１及び第２光学素子は、前記外部装置からの光を当該光の入射角度に応じて反射させ、前記第１光学素子の面は、前記第２光学素子の面に対して傾いており、前記第２光学素子は、前記第１光学素子を透過した前記画像光を反射させ、かつ、当該反射された画像光が前記第１光学素子により反射された光を透過させる。
　上記の虚像生成素子は、例えばコンバイナであり、第１光学素子と、第２光学素子とを有する。第１光学素子は、円偏光２色性を有し、円偏光の画像光が入射する。第２光学素子は、円偏光２色性を有し、第１光学素子を透過した画像光が入射する。また、第１及び第２光学素子は、画像光を当該光の入射角度に応じて反射させる。第１光学素子は、第２光学素子に対して傾斜して配置されている。例えば、第１及び第２光学素子が平板の場合、これらが非平行に配置される。第２光学素子は、第１光学素子を透過した画像光を反射させ、かつ、当該反射された画像光が第１光学素子により反射された光を透過させる。これにより、虚像生成素子は、画像光を直接観察者の目に入射させることなく、虚像を好適に観察者に視認させることができる。また、第１光学素子が第２光学素子に対して傾斜して配置されていることにより、虚像生成素子は、外部装置から出射された画像光を、入射角度と異なる出射角度により出射させて観察者の目に入射させ、観察者に好適に虚像を視認させることができる。
　上記虚像生成素子の一態様では、前記第１及び第２光学素子は、前記画像光の入射角度に応じて当該画像光を選択的に透過又は反射させる特性を有する。この態様により、第１光学素子は、外部装置からの入射光を透過させて第２光学素子に入射させ、かつ、その後に第２光学素子により反射された光を第２光学素子に向けて反射させることができる。また、第２光学素子は、第１光学素子を透過した画像光を反射させ、かつ、当該反射された画像光が第１光学素子により反射された光を透過させることができる。
　上記虚像生成素子の他の一態様では、前記第１光学素子は、前記画像光に対応する波長を有する光を、当該光の入射角度に応じて反射させ、前記画像光に対応する波長以外の波長を有する光を透過させる特性を有する。この態様により、虚像生成素子は、第２光学素子で反射された画像光を第１光学素子で反射させて観察者に到達させつつ、背景光への光学的作用を最小限に抑えることができる。
　上記虚像生成素子の他の一態様では、前記第１光学素子または、前記第２光学素子のいずれか一方が、他方の光学素子の面に対して傾いた複数の面を有する鋸歯形状に構成されている。この態様により、虚像生成素子の厚みを好適に薄くすることができる。
　上記虚像生成素子の他の一態様では、前記第１光学素子または前記第２光学素子は、曲面を有しており、前記画像光に対してレンズ作用を付与する。これにより、倍率を有した虚像生成素子を実現することができ、虚像距離を遠くにしたり近くにしたりすることが可能となる。
　上記虚像生成素子の他の一態様では、前記第１及び第２光学素子は、前記画像光の波長に対応する螺旋ピッチを有するコレステリック液晶を積層した構造、又は、当該構造と同一機能を有するフィルムである。これにより、画像光に対して上述したような光学的作用を付与する第１及び第２光学素子を好適に実現することができる。
　本発明の他の好適な実施形態では、ヘッドアップディスプレイは、外部装置と、前記外部装置によって形成された画像を虚像として視認させる上記記載の虚像生成素子と、を備える。この構成により、ヘッドアップディスプレイは、画像光を直接観察者の目に入射させることなく、虚像を好適に観察者に視認させることができる。
　上記ヘッドアップディスプレイの一態様では、外部装置は、直接円偏光の画像光を出射するか、直線偏光の画像光を出射する発光部と、前記発光部が出射した画像光を直線偏光から円偏光に変換する変換部とを有するとよい。これにより、円偏光の画像光を虚像生成素子に入射させることができる。
　上記ヘッドアップディスプレイの他の一態様では、前記外部装置は、車両のダッシュボード付近に設けられ、前記虚像生成素子は、前記車両の天井付近に設けられる。これにより、ヘッドアップディスプレイは、観察者に圧迫感や違和感を生じさせることなく所望の虚像を適切に視認させることができる。
　上記ヘッドアップディスプレイの他の一態様では、前記外部装置は、２輪車のダッシュボードもしくはメーター付近に設けられ、前記虚像生成素子は、観察者に装着される。この場合であっても、ヘッドアップディスプレイは、画像光を直接観察者の目に入射させることなく、虚像を好適に観察者に視認させることができる。また、信号表示の光などの背景光の少なくとも一部を観察者の目に到達させることができる。
　以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。
　［ヘッドアップディスプレイの構成］
　図１は、本実施例に係るＨＵＤ３００の基本構成を示している。図１に示すように、本実施例に係るＨＵＤ３００は、二輪車のダッシュボード上に設置された実像表示装置２００と、運転者が装着するヘルメットのバイザー部分に設けられたコンバイナ１００とを有する。このような構成を適切に実現すべく、実像に対応する光を反射させる反射型のコンバイナではなく、実像に対応する光を透過させる透過型のコンバイナ１００を用いる。具体的には、本実施例に係るコンバイナ１００は、実像表示装置２００からの光（以下では適宜「実像表示光」と呼ぶ。）に対してのみ光学的作用を付与することで、実像表示光を反射させることにより運転者の頭部に導き、運転者に虚像Ｉｖを視認させる。また、コンバイナ１００は、実像表示光以外の光（車両の前方風景に対応する光などであり、以下では適宜「背景光」と呼ぶ。）に対する光学的作用を最小限にして、背景光をなるべく透過させる。
　なお、コンバイナ１００は、ヘルメットの一部として構成されるのに限らず、メガネ型やゴーグル型の装着物の一部として構成されてもよい。コンバイナ１００は、本発明における「虚像生成素子」の一例に相当し、実像表示装置２００は、本発明における「外部装置」の一例に相当する。
　以下では、上記したような本実施例に係るコンバイナ１００の具体例について提示する。以後では、一例として、実像表示装置２００は、３原色（ＲＧＢ）の光により構成された実像表示光を出射するものとする。
　［コンバイナの構成］
　図２は、コンバイナ１００の構成を示す図である。図２では、実像表示装置２００からの光（即ち、実像表示光）の進行方向に沿って切断した、コンバイナ１００の一部分についての断面図を示している。図２では、実像表示装置２００の発光面に、λ／４板フィルム２５０が貼り付けられており、実像表示装置２００の発光面から発せられた直線偏光は、λ／４板フィルム２５０により右円偏光に変えられてコンバイナ１００に所定角度「θｉｎ」（ここでは４０［°］とする）により下方から入射している。
　コンバイナ１００は、実像表示光が入射される側から順に、透明の基板２３と、コレステリック液晶層２１と、透明の基板２４と、コレステリック液晶層２２とを有する。
　コレステリック液晶層２１は、反射特性として、実像表示光と同一の波長を有する光を選択的に反射する波長選択性、入射角度によって入射光を反射又は透過させる反射角度選択性、及び右円偏光のみを反射させる円偏光２色性を有する。コレステリック液晶層２１は、図２に示すように、異なる螺旋ピッチを有する螺旋構造のコレステリック液晶２７Ａ～２７Ｃがガラス基板２８によって三層に分けられている。コレステリック液晶２７Ａ～２７Ｃは、螺旋のねじれと同じ方向の円偏光成分であって、螺旋ピッチと等しい波長を有する光のみを選択的に反射する。ここでは、コレステリック液晶２７Ａ～２７Ｃは、それぞれ、赤色光（Ｒ）の波長（６５０ｎｍ）、緑色光（Ｇ）の波長（５３２ｎｍ）、及び青色光（Ｂ）の波長（４５０ｎｍ）と同じ長さの螺旋ピッチを有するものとし、かつ、右円偏光であって所定範囲の角度により入射する光のみを選択的に反射する。これにより、コレステリック液晶層２１は、図２に示すように、所定角度「α’」により入射する右円偏光を１００％透過させ、その後に所定角度「β’」により入射するコレステリック液晶層２２の反射光である右円偏光を１００％反射させる。コレステリック液晶層２１は、本発明における「第１光学素子」の一例である。
　コレステリック液晶層２２は、反射特性として、波長選択性、角度選択性、及び円偏光２色性を有する。コレステリック液晶層２２は、異なる螺旋ピッチを有する螺旋構造のコレステリック液晶２７Ａａ～２７Ｃａがガラス基板２８ａによって三層に分けられており、各コレステリック液晶２７Ａａ～２７Ｃａは、赤色光の波長、緑色光の波長、及び青色光の波長と同じ長さの螺旋ピッチを有し、かつ、右円偏光であって所定範囲の角度により入射する光のみを選択的に反射する。これにより、コレステリック液晶層２２は、図２に示すように、所定角度「θｉｎ’」により入射した右円偏光を１００％反射させ、その後に入射するコレステリック液晶層２１の反射光である右円偏光を１００％透過させて入射角度と等しい所定角度「θｏｕｔ」（図２では０［°］）により出射させる。コレステリック液晶層２２は、本発明における「第２光学素子」の一例である。
　なお厳密には、コレステリック液晶層２１、２２の螺旋ピッチを「ｐ」、実像表示光の波長を「λ」、入射角度を「θ」、コレステリック液晶層の平均屈折率を「ｎ」とすると、コレステリック液晶層２１、２２が反射する光の波長は「ｐ×ｎ×ｃｏｓθ」であるので、それを考慮して実像表示光の波長が反射されるようにコレステリック液晶層２１、２２の螺旋ピッチを決定するのが望ましい。
　また、コンバイナ１００では、約４０［°］に設定された入射角度θｉｎにより下方から入射する実像表示光を略水平方向に（即ち出射角度θｏｕt＝０により）出射させるため、コレステリック液晶層２１とコレステリック液晶層２２とが非平行になるように配置されている。具体的には、コレステリック液晶層２２はコンバイナ１００における水平面に沿って配置されているのに対して、コレステリック液晶層２１はコンバイナ１００における水平面に対して角度φだけ傾斜して配置されている。つまり、コレステリック液晶層２１とコレステリック液晶層２２との成す角度は「φ」となっている。
　［コレステリック液晶層の反射特性］
　次に、上記のようなコレステリック液晶層２１、２２の光学的作用を実現させるために、コレステリック液晶層２１、２２に具備させる反射特性（即ち、波長選択性、角度選択性、及び円偏光２色性）について説明する。
　図３（Ａ）は、コレステリック液晶層２１に対する右円偏光の透過率と入射波長との関係を示すグラフである。ここで、実線のグラフＧ２１Ａは、入射角度が角度α’（即ち、図２の矢印Ｂ１部分の入射角度）である場合の入射波長の変化に対する右円偏光の透過率を示し、グラフＧ２１Ｂは、入射角度が角度β’（即ち、図２の矢印Ｂ３部分の入射角度）である場合の入射波長の変化に対する右円偏光の透過率を示す。また、グラフＧ２１ａは、可視光全体に対するコレステリック液晶層２１の平均透過率（約７０％）を示す。
　図３（Ａ）に示すように、グラフＧ２１Ａが示す入射角度が角度α’の場合の右円偏光の透過率は、青色光（Ｂ）の波長（４５０ｎｍ）、緑色光（Ｇ）の波長（５３２ｎｍ）、及び赤色光（Ｒ）の波長（６５０ｎｍ）（これらを単に「ＲＧＢ波長」とも呼ぶ。）の付近において、いずれも約１００％となる。従って、図２の矢印Ｂ１が示す位置に達した右円偏光の実像表示光は、コレステリック液晶層２１を約１００％の透過率により透過する。一方、グラフＧ２１Ｂが示す入射角度β’の場合の右円偏光の透過率は、ＲＧＢ波長の付近において、いずれも約０％となる。従って、図２の矢印Ｂ３が示す位置に達した右円偏光の実像表示光は、コレステリック液晶層２１により全反射される。
　なお、コレステリック液晶層２１は、角度α’で入射する右円偏光の実像表示光を透過し、角度β’で入射する右円偏光の実像表示光を反射するといった特性を具備していれば、それ以外の角度ではどのような特性を具備していても良い。
　図３（Ｂ）は、コレステリック液晶層２１に対する左円偏光の透過率を示すグラフである。図３（Ｂ）に示すように、左円偏光が入射した場合、コレステリック液晶層２１は、入射波長及び入射角度によらず、入射した左円偏光を透過率１００％により透過させる。
　図４（Ａ）は、コレステリック液晶層２２に対する右円偏光の入射波長に対する透過率を示すグラフである。ここで、実線のグラフＧ２２Ａは、入射角度が角度θｉｎ’（即ち、図２の矢印Ｂ２部分の入射角度）である場合の入射波長の変化に対する右円偏光の透過率を示し、グラフＧ２２Ｂは、入射角度が角度θｏｕｔ（即ち、図２の矢印Ｂ４部分の入射角度）である場合の入射波長の変化に対する右円偏光の透過率を示す。また、グラフＧ２２ａは、可視光全体に対する平均透過率（約７０％）を示す。
　図４（Ａ）に示すように、グラフＧ２２Ａが示す入射角度θｉｎ’の場合の右円偏光の透過率は、ＲＧＢ波長の付近において、いずれも約０％となる。従って、図２の矢印Ｂ２が示す位置に達した右円偏光の実像表示光は、コレステリック液晶層２２により全反射される。一方、グラフＧ２２Ｂが示す入射角度が角度θｏｕｔの場合の右円偏光の透過率は、ＲＧＢ波長の付近において、いずれも約１００％となる。従って、図２の矢印Ｂ４が示す位置に達した右円偏光の実像表示光は、コレステリック液晶層２２を約１００％の透過率により透過する。
　なお、コレステリック液晶層２２は、角度θｉｎ’で入射する実像表示光を反射し、角度θｏｕｔで入射する実像表示光を透過するといった特性を具備していれば、それ以外の角度ではどのような特性を具備していても良い。
　図４（Ｂ）は、コレステリック液晶層２２に対する左円偏光の透過率を示すグラフである。図４（Ｂ）に示すように、左円偏光が入射した場合、コレステリック液晶層２２は、入射波長及び入射角度によらず、入射した左円偏光を透過率１００％により透過させる。
　［光学的作用の詳細］
　コンバイナ１００は、上述したコレステリック液晶層２１、２２の反射特性に基づき、実像表示光を減衰させることなく運転者に視認させつつ、信号機から入射するランダム偏光のうち実像表示光と同一波長の光（「信号光」とも呼ぶ。）及び背景光についても好適に運転者に視認させる。
　以下では、（１）実像表示光への光学的作用と、（２）信号光への光学的作用と、（３）背景光への光学的作用とについて、それぞれ図５を参照して説明する。図５は、コンバイナ１００へ実像表示光、背景光、及び信号光がそれぞれ入射する様子を示したコンバイナ１００の断面図である。
　（１）実像表示光への光学的作用
　コレステリック液晶層２１及びコレステリック液晶層２２は、下方から入射角θｉｎ（ここでは４０［°］）でコンバイナ１００に入射する実像表示光に対し、所定の光学的作用を付与することで、約１００％の明るさを保ったまま出射角θｏｕｔ（ここでは０［°］）でコンバイナ１００から出射させて運転者の頭部に導く。
　具体的には、λ／４板フィルム２５０により右円偏光に変換された実像表示光は、入射角θｉｎでコンバイナ１００に入射後、基板２３で屈折して角度θｉｎ’となり、入射角度α’によりコレステリック液晶層２１へ入射する。ここで、コレステリック液晶層２１は、図３（Ａ）のグラフＧ２１Ａに示すように、入射角度α’で入射するＲＧＢ波長の右円偏光に対する反射率が約０％となる角度選択性を有することから、矢印Ｂ１に示すように、入射光を１００％の透過率により透過させ、入射角と同じ出射角α’で右円偏光のまま出射する。
　この後、コレステリック液晶層２１の透過光は、入射角θｉｎ’でコレステリック液晶層２２に入射する。ここで、コレステリック液晶層２２は、図４のグラフＧ２２Ａに示すように、波長選択性、角度選択性、及び円偏光２色性により、入射角θｉｎ’で入射したＲＧＢ波長の右円偏光を約１００％の反射率により正反射する。従って、コレステリック液晶層２２の入射光は、矢印Ｂ２に示すように、反射角θｉｎ’でコレステリック液晶層２２にて約１００％の反射率により正反射される。このように、コレステリック液晶層２２は、約１００％の反射率により上述の入射光を反射することで、実像表示装置２００が表示する実像からの直接光が運転者の目に入射するのを好適に抑制する。また、このとき、コレステリック液晶層２２は、上述の右円偏光である入射光を、そのまま右円偏光として反射する。
　そして、コレステリック液晶層２２で正反射したＲＧＢ波長の右円偏光は、入射角β’でコレステリック液晶層２１に入射する。ここで、コレステリック液晶層２１は、図３（Ａ）のグラフＧ２１Ｂに示すように、波長選択性、角度選択性、及び円偏光２色性により、入射角度β’で入射するＲＧＢ波長の右円偏光に対する反射率が約１００％であるため、矢印Ｂ３に示すように、上述の入射光を、約１００％の反射率により正反射する。この後、コレステリック液晶層２１で反射した左円偏光は、入射角θｏｕｔ（ここでは０［°］）でコレステリック液晶層２２に入射する。ここで、コレステリック液晶層２２は、図４（Ａ）のグラフＧ２２Ｂに示すように、角度選択性により、入射角度θｏｕｔで入射するＲＧＢ波長の右円偏光に対する反射率が約０％であるため、矢印Ｂ４に示すように、入射光を１００％の透過率により透過させ、入射角と同じ出射角θｏｕｔで右円偏光のまま出射する。
　このように、コンバイナ１００は、実像表示装置２００から出射された実像表示光を、減衰させることなく、運転者に虚像を視認させることができる。
　ここで、実像表示光の入射角度θｉｎ及び出射角度θｏｕｔと、コレステリック液晶層２１の傾斜角度φとの関係について説明する。
　入射角θｉｎは、実像表示装置２００とコンバイナ１００との設置位置から決まり、出射角θｏｕｔは、頭部と虚像の表示位置とから決まる。角度θｉｎ’は、それぞれ角度θｉｎの基板内部での角度であり、スネルの法則より式（１）から求められる。
　θｉｎ’＝ｓｉｎ－１（ｓｉｎθｉｎ／ｎ）　　　式（１）
　また、上記した角度α’、β’、φは、出射角θｏｕｔを０［°］とすると、それぞれ、角度θｉｎ’を用いて、式（２）、（３）、（４）で表される。
　α’＝３θｉｎ’／２　　式（２）
　β’＝θｉｎ’／２　　　式（３）
　φ＝θｉｎ’／２　　　　式（４）
　更に、角度α’、β’は、スネルの法則を用いて空気中での角度α、βに変換すると、式（５）、（６）で表される。
　α＝ｓｉｎ－１（ｎ・ｓｉｎα’）　　　式（５）
　β＝ｓｉｎ－１（ｎ・ｓｉｎβ’）　　　式（６）
　図２の例では、角度θｉｎとして４０［°］を用いている。この場合、式（１）から角度θｉｎ’を得て、角度θｉｎ’を式（２）に代入することで角度α’が得られ、また、角度θｉｎ’を式（３）に代入することで角度β’が得られる。そして、当該角度α’を式（５）に代入することで角度αが得られ、当該角度β’を式（６）に代入することで角度βが得られる。更に、角度θｉｎ’を式（４）に代入することで角度φが得られる。
　このように、角度θｉｎ及び角度θｏｕｔを定めると、コレステリック液晶層２１の傾斜角度φを一意に決定することができる。なお、コレステリック液晶層２１及びコレステリック液晶層２２は光を正反射させるため（つまり入射角と反射角とが等しくなるため）、そのようなコレステリック液晶層２１、２２によって、入射角θｉｎで入射された光を当該入射角θｉｎとは異なる出射角θｏｕｔで出射させるといった光学的機能を実現すべく、コレステリック液晶層２１をコレステリック液晶層２２に対して傾斜させている。
　（２）信号光への光学的作用
　次に、信号光への光学的作用について、引き続き図５を参照して説明する。
　コレステリック液晶層２１、２２は、図５中の矢印Ｂ５～Ｂ６に示すように、上方から入射角θｉｎでコンバイナ１００に入射するＲＧＢ波長の信号光に対して、所定の光学的作用を付与することで、約５０％の明るさを保ちつつ出射角θｏｕｔでコンバイナ１００から出射させて運転者の頭部に導く。
　具体的には、ランダム偏光である信号光は、入射角θｉｎでコンバイナ１００に入射後、基板２３で屈折して角度θｉｎ’となり、入射角度β’によりコレステリック液晶層２１へ入射する。ここで、コレステリック液晶層２１は、図３（Ａ）のグラフＧ２１Ｂに示すように、入射角度β’で入射するＲＧＢ波長の右円偏光に対する反射率が約１００％であるため、矢印Ｂ５に示すように、信号光のうち右円偏光成分については、約１００％の反射率により反射する。一方、コレステリック液晶層２１は、図３（Ｂ）に示すように、左円偏光に対する透過率が約１００％であるため、入射した信号光全体の約５０％に相当する左円偏光を１００％の透過率により透過させ、入射角と同じ出射角β’で出射する。
　この後、コレステリック液晶層２１を透過した信号光は、入射角θｉｎ’でコレステリック液晶層２２に入射する。ここで、上述の入射光は、左円偏光であり、コレステリック液晶層２２の左円偏光に対する透過率は、図４（Ｂ）に示すように約１００％である。従って、この場合、矢印Ｂ６に示すように、上述の入射光は、約１００％の透過率によりコレステリック液晶層２２を透過し、出射角θｉｎでコンバイナ１００から出射される。
　このように、コレステリック液晶層２１、２２は、実像表示光と同一の入射角度θｉｎにより上方から入射する信号光を、約５０％減衰させ、約５０％の明るさにより運転者に信号機の表示を視認させる。従って、コンバイナ１００は、実像表示装置２００から出射された実像表示光を減衰させることなく運転者に虚像を視認させ、かつ、実像表示光と同一の入射角度θｉｎにより上方から入射するＲＧＢ波長の信号光についても好適に運転者の目に到達させることができる。
　なお、実像表示光と異なる入射角度（即ち、角度θｉｎ以外の角度）でコンバイナ１００に入射する信号光についても同様に、コレステリック液晶層２１、２２は、信号光の左円偏光を約１００％の透過率に透過させ、運転者に好適に信号表示を視認させることができる。また、信号機から発する光のうちＲＧＢ波長とは異なる波長の光については、コレステリック液晶層２１、２２は、波長選択性により約１００％の透過率で光を透過させ、運転者の目に到達させることができる。
　（３）背景光への光学的作用
　次に、可視光全体を含むランダム偏光である背景光への光学的作用について、引き続き図５を参照して説明する。
　まず、背景光の右円偏光成分に対する透過率について検討する。図４に示すように、コンバイナ１００に対して略垂直に入射した背景光は、入射角度β’ａによりコレステリック液晶層２１に入射する。ここで、図３（Ａ）のグラフＧ２１ａに示すように、コレステリック液晶層２１の可視光全体に対する平均透過率は約７０％であるため、コレステリック液晶層２１に入射した背景光の右円偏光成分は、約７０％の透過率によりコレステリック液晶層２１を透過してコレステリック液晶層２２に角度θｏｕｔにより入射する。ここで、図４（Ｂ）のグラフＧ２２ａに示すように、コレステリック液晶層２２の可視光全体に対する平均透過率は約７０％であるため、コレステリック液晶層２２に入射した背景光の右円偏光成分は、約７０％の透過率によりコレステリック液晶層２２を透過してコンバイナ１００から出射する。従って、コンバイナ１００に入射した背景光の右円偏光成分は、約４９％（＝７０×７０［％］）の透過率によりコンバイナ１００を透過する。
　次に、背景光の左円偏光成分に対する透過率について検討する。図３（Ｂ）に示すように、コレステリック液晶層２１は、左円偏光に対する透過率が約１００％であり、コレステリック液晶層２２も同様に、図４（Ｂ）に示すように、左円偏光に対する透過率が約１００％である。従って、背景光の左円偏光成分は、コレステリック液晶層２１及びコレステリック液晶層２２をいずれも約１００％の透過率により透過する。従って、従って、コンバイナ１００に入射した背景光の左円偏光成分は、約１００％の透過率によりコンバイナ１００を透過する。
　そして、背景光に含まれる右円偏光成分及び左円偏光成分はそれぞれ約５０％であるため、上述の考察に基づき、背景光の透過率は、約７５％（＝（１００＋５０）／２［％］）となる。このように、コレステリック液晶層２１及びコレステリック液晶層２２は、背景光についても、好適に運転者の目に到達させることができ、運転者に前方風景を視認させることができる。
　［効果］
　次に、本実施形態に係るコンバイナ１００の効果について、図６に示す第１比較例及び図７に示す第２比較例と比較しながら説明する。
　図６は、コレステリック液晶層２１、２２に代えて、誘電体多層膜２１ｘ、２２ｘを設けた場合の第１比較例に係るコンバイナ１００ｘの断面図を示す。ここで、誘電体多層膜２１ｘ、２２ｘは、反射特性として、実像表示光と同一の波長を有する光を選択的に反射する波長選択性及び入射角度によって反射率を異ならせる入射角度依存性を有し、最大反射率が５０％に設定されている。具体的には、誘電体多層膜２１ｘは、ＲＧＢ波長及びその近傍の波長を有する光のみを反射させ、かつ、角度α’で入射する光を透過させ、角度β’により入射する光を約５０％の最大反射率により反射するといった特性を有する。また、また、誘電体多層膜２２ｘは、ＲＧＢ波長及びその近傍の波長を有する光のみを反射させ、かつ、角度θｏｕｔで入射する光を約１００％の透過率で透過し、角度θｉｎ’で入射する光を約５０％の最大反射率により反射するといった特性を有する。また、第１比較例では、実像表示装置２００には、λ／４板フィルム２５０が貼り付けられていない。
　第１比較例において、実像表示光が入射角度θｉｎによりコンバイナ１００ｘに入射した場合、誘電体多層膜２１ｘを１００％の透過率により透過した実像表示光は、誘電体多層膜２２ｘで約５０％の反射率により反射される。その後、誘電体多層膜２２ｘで反射された実像表示光は、さらに誘電体多層膜２１ｘで約５０％の反射率により反射される。その結果、第１比較例の場合、実施例の場合の１／４である約２５％の実像表示光しか運転者の目に到達せず、運転者が視認する虚像が暗くなってしまう。さらに、第１比較例の場合、誘電体多層膜２２ｘに入射する実像表示光の約５０％は透過するため、その透過光である実像表示光（即ち中間像）が直接運転者の目に入射する。この場合、運転者の目に入射する実像表示光は、約５０％の明るさを保っているため、虚像の明るさ（約２５％）よりも明るくなり、視認性が悪化することになる。
　また、信号光については、コンバイナ１００ｘは、角度θｉｎで上方から入射したＲＧＢ波長の信号光を誘電体多層膜２１ｘで約５０％透過させ、その後に角度θｉｎ’で誘電体多層膜２２ｘに入射した光を約５０％透過させる。このように、コンバイナ１００ｘは、信号光に基づく信号表示を２５％の明るさにより運転者に視認させている。従って、第１比較例では、実施例の場合（約５０％）と比べ、運転者が視認する信号表示が暗くなる。
　また、背景光については、誘電体多層膜２１ｘ及び誘電体多層膜２２ｘの可視光全体の平均透過率を約７０％とすると、背景光のコンバイナ１００ｘへの透過率は約４９％（＝７０％×７０％）となる。その結果、第１比較例の場合、実施例の場合（約７５％）よりも低い約４９％の背景光しか運転者の目に到達せず、運転者が視認する前方風景が暗くなる。
　図７は、第１比較例の誘電体多層膜２２ｘをコレステリック液晶層２２とした第２比較例に係るコンバイナ１００ｙの断面図を示す。第２比較例では、実施例と同様、実像表示装置２００にλ／４板フィルム２５０が貼り付けられている。
　まず、実像表示光が入射角度θｉｎによりコンバイナ１００ｙに入射した場合について検討する。この場合、誘電体多層膜２１ｘを１００％の透過率により透過し、コレステリック液晶層２２で約１００％の反射率により反射された実像表示光は、矢印Ｂ３に示すように、誘電体多層膜２１ｘで約５０％の反射率により反射される。その後、反射光は、コレステリック液晶層２２を約１００％の透過率により透過する。従って、第２比較例の場合、実施例の場合の１／２である約５０％の実像表示光しか運転者の目に到達せず、実施例の場合（約１００％）と比べて、運転者が視認する虚像が暗くなってしまう。
　一方、信号光については、コンバイナ１００ｙは、角度θｉｎで上方から入射した信号光を誘電体多層膜２１ｘで約５０％透過させる。また、その後に角度θｉｎ’でコレステリック液晶層２２に入射した光は、コレステリック液晶層２２において右円偏光成分が反射され、左円偏光成分のみがコレステリック液晶層２２を透過する。従って、コンバイナ１００ｙに入射した信号光は、約２５％（＝５０×５０［％］）の透過率によりコンバイナ１００ｙを透過する。よって、第２比較例では、実施例の場合（約５０％）と比べ、運転者が視認する信号表示が暗くなる。
　次に、背景光の場合について、右円偏光と左円偏光とに分けて検討する。背景光の右円偏光成分は、誘電体多層膜２１ｘ及びコレステリック液晶層２２の可視光全体の平均透過率をそれぞれ約７０％とすると、誘電体多層膜２１ｘで約７０％透過し、さらにコレステリック液晶層２２で約７０％透過する。従って、背景光の右円偏光成分のコンバイナ１００ｙに対する透過率は、約４９％（＝７０×７０［％］）となる。一方、背景光の左円偏光成分は、誘電体多層膜２１ｘで約７０％が透過した後、円偏光２色性によりコレステリック液晶層２２で１００％透過する。従って、背景光の左円偏光成分のコンバイナ１００ｙに対する透過率は、約７０％（＝７０×１００［％］）となる。そして、背景光に含まれる右円偏光成分及び左円偏光成分はそれぞれ約５０％であるため、上述の考察に基づき、背景光の透過率は、約６０％（＝（４９＋７０）／２［％］）となる。その結果、第２比較例の場合、実施例の場合（約７５％）よりも低い約６０％の背景光しか運転者の目に到達せず、運転者が視認する前方風景が暗くなる。
　図８は、第１比較例、第２比較例、及び本実施例を比較した表である。図８において、「表示光の透過率」は、実像表示光のコンバイナ１００、１００ｘ、１００ｙへの透過率を示し、「中間像の透過率」は、実像表示装置２００から出射された実像表示光がコンバイナ１００、１００ｘ、１００ｙ内で反射せずに運転者の目に直接到達する割合を示す。
　本実施例に係るコンバイナ１００に対する表示光の透過率、背景光の透過率、及び信号光の透過率は、いずれも第１及び第２比較例に係るコンバイナ１００ｘ、１００ｙと比べて高い。よって、本実施例に係るコンバイナ１００は、運転を補助する情報を示す虚像Ｉｖ、前方にある信号機の信号表示、及び車両の前方風景に対する視認性を好適に確保することができる。また、コンバイナ１００に対する中間像の透過率は０％となっており、第１比較例と異なり、実像表示装置２００から出射された実像表示光が運転者の目に直接到達することによる視認性悪化は生じない。
　さらに、耐久性及びコストの観点では、コレステリック液晶層２１、２２を有するコンバイナ１００は、図８に示すように、誘電体多層膜２１ｘ、２２ｘの少なくとも一方を備えるコンバイナ１００ｘ、１００ｙよりも優れている。
　ここで、耐久性について補足説明する。一般に、透過型コンバイナの基板は、安全面から樹脂が望ましい。誘電体多層膜の材料は、酸化チタン（ＴｉＯ３）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）等の無機系物質であり、これらを積層した時の熱膨張係数は樹脂基板の熱膨張係数と大きく異なるため、コンバイナの使用環境下では経年により膜の密着力が低下したり膜にヒビが入ったりする可能性がある。一方、コレステリック液晶フィルムの材料は有機系物質であるため基板との熱膨張係数が比較的近く、上述のような問題は生じにくい。
　次に、コストについて補足説明する。誘電体多層膜は真空状態が必要なドライ製法により製造されるため、コンバイナのように大きな基板に成膜する場合、真空引きの時間が長くなり製造コストが上がってしまう。これに対してコレステリック液晶フィルムは、真空状態が不要なロール・Ｔｏ・ロール製法により製造可能なため、大面積のフィルムを大量・安価に製造できる。
　以上のことから、コレステリック液晶層２１、２２を有するコンバイナ１００は、コンバイナ１００ｘ、１００ｙよりも耐久性及びコストにおいて優れている。
　［変形例］
　次に、実施例の変形例について説明する。なお、下記の変形例は、任意に組み合わせて実施することができる。
　（変形例１）
　図９は、変形例１に係るコンバイナ１００ａの構成を示す図である。図９に示すように、コンバイナ１００ａは、コレステリック液晶層２１の代わりに、鋸歯形状を有するコレステリック液晶層２１ａを用いる点で、コンバイナ１００と異なる。このコレステリック液晶層２１ａは、複数の傾斜面２１ａを有し、上記したコレステリック液晶層２１と同様の機能を実現することが可能である。例えば、コレステリック液晶層２１ａが有する傾斜面２１ａの傾きを、コレステリック液晶層２１の面と同様の傾きに設定すれば良い。つまり、コレステリック液晶層２２の面に対して角度φだけ傾いた傾斜面２１ａを適用すれば良い。
　このように、変形例１では、全体が傾いたコレステリック液晶層２１の代わりに、それ自体は傾いていないコレステリック液晶層２１ａを用いることで、コンバイナ１００ａの厚みを上記したコンバイナ１００の厚みよりも薄くすることができる。
　なお、コレステリック液晶層２１に代えて、コレステリック液晶層２２が鋸歯形状を有してもよい。この場合であっても、コレステリック液晶層２１の面に対して相対的に角度φだけ傾いた面を有するようにコレステリック液晶層２２を構成する。
　（変形例２）
　変形例２は、上記したコンバイナ１００に対して、実像表示光に与える光学的作用としてレンズ作用を更に具備させる。例えば、光の集光機能や拡散機能などをコンバイナ１００に具備させる。そのようなコンバイナ１００は、コレステリック液晶層２１の面（即ち、基板内部に存在する反射面）を緩やかな曲面にて構成することで実現することができる。そして、変形例２によれば、倍率を有したコンバイナ１００を実現することができ、虚像距離を遠くにしたり近くにしたりすることが可能となる。
　なお、上記のように緩やかな曲面にて構成したコレステリック液晶層２１に対して、変形例１を更に適用しても良い。つまり、コレステリック液晶層２１を、曲面にて構成すると共に、鋸歯形状に構成しても良い。その場合、コレステリック液晶層２１は、フレネルレンズ形状になる。
　（変形例３）
　実施例では、コレステリック液晶層２１は、螺旋ピッチの異なるコレステリック液晶２７Ａ～２７Ｃが三層に重なって形成されていた。これに代えて、反射特性としてコレステリック液晶層２１と同様の円偏光２色性、波長選択性、及び角度選択性を有するフィルムを、コレステリック液晶層２１に代えて用いてもよい。このようなフィルムとして、例えば、国際公開番号ＷＯ２０１１／０７８０５５に記載されているコレステリック液晶フィルムを用いるとよい。同様に、コレステリック液晶層２２と同様の円偏光２色性、波長選択性、及び角度選択性を有するフィルムを、コレステリック液晶層２２に代えて用いてもよい。
　（変形例４）
　図１に示すＨＵＤ３００は、二輪車を対象としていたが、本発明が適用可能な構成は、これに限定されず、四輪車に適用されてもよい。
　図１０は、変形例に係るＨＵＤ３００ａの構成を示す。図１０に示すＨＵＤ３００ａは、実像表示装置２００を四輪車のダッシュボード上に設置し、コンバイナ１００をサンバイザが設置される天井付近に設置する構成を有する。この構成によれば、運転者が視認する虚像Ｉｖの視野角を好適に確保することができ、天井に実像表示装置２００を設置する場合と比較して、運転者に与える圧迫感を抑制し、天井まで電源を引き回す必要がないため、取り付けが容易である。
　また、図１０に示すコンバイナ１００は、図２及び図５に示す構成を有し、実像表示装置２００から出射された実像表示光を、コレステリック液晶層２１、２２により光学的作用を付与することにより運転者の目に導き、背景光や信号光に対する光学的作用を最小限にして透過させる。従って、ＨＵＤ３００ａは、コンバイナ１００を有することにより、実施例と同様、図８の表に示すような特性を有し、実像表示光、信号光、背景光に対する視認性等を好適に確保することができる。
　なお、実像表示装置２００をダッシュボード上に設けることに限定はされず、実像表示装置２００をインスツルメントパネルやセンターコンソールに設けても良い。つまり、実像表示装置２００をオンダッシュ型に構成することに限定はされず、実像表示装置２００をインダッシュ型に構成しても良い。
　（変形例５）
　コレステリック液晶層２１とコレステリック液晶層２２とを基板２３、２４と共に一体に成形するのに代えて、コレステリック液晶層２１とコレステリック液晶層２２との相対位置が変更自在となるように、これらを別々の部材として構成してもよい。
　図１１は、変形例４に基づく４輪車用のコンバイナ１００ｃの構成を示す図である。図１１に示すように、本変形例に係るコンバイナ１００ｃは、コレステリック液晶層２１ｃと、コレステリック液晶層２２ｃと、透明の基板３３、３４と、保持部３５、３６とを有する。コレステリック液晶層２１ｃは、実像表示光が入射される面と反対側の基板３３の面に形成されており、コレステリック液晶層２２ｃは、実像表示光が入射される側の基板３４の面に形成されている。基板３３、３４は、平行平板として構成されている。
　コレステリック液晶層２１ｃ及び基板３３は保持部３５によって保持されており、コレステリック液晶層２２ｃ及び基板３４は保持部３６によって保持されている。保持部３５と保持部３６とは、共通の軸を用いて回転可能に取り付けられている。これにより、保持部３５によって保持されたコレステリック液晶層２１ｃ及び基板３３は矢印Ａｒ１で示す方向に回動し、保持部３６によって保持されたコレステリック液晶層２２ｃ及び基板３４は矢印Ａｒ２で示す方向に回動する。そのため、コレステリック液晶層２１ｃとコレステリック液晶層２２ｃとの成す角度φを適宜変えることが可能となる。
　なお、コレステリック液晶層２１ｃ及びコレステリック液晶層２２ｃの両方が回動するようにコンバイナ１００ｃを構成することに限定はされず、コレステリック液晶層２１ｃ及びコレステリック液晶層２２ｃの一方を固定し、コレステリック液晶層２１ｃ及びコレステリック液晶層２２ｃの他方のみが回動するようにコンバイナ１００ｃを構成しても良い。
　図１２は、図１１中の破線領域Ｒ１を拡大表示したコンバイナ１００ｃの側面図を示している。図１２に示すコレステリック液晶層２１ｃは、ＲＧＢ波長及びその近傍波長の光のみを反射させ、かつ、角度「θｉｎ＋φ」で入射する光を透過し、角度「θｉｎ－φ」で入射する光を全反射するといった特性を具備する。また、コレステリック液晶層２２ｃは、ＲＧＢ波長及びその近傍波長の光のみを反射させ、かつ、角度「θｉｎ」で入射する光を全反射し、角度「θｏｕｔ」で入射する光を全反射するといった特性を具備する。
　本変形例でも、図９中の矢印Ｃ１～Ｃ４に示すように、実像表示光に対してコレステリック液晶層２１ｃ、２２ｃによって所定の光学的作用を付与することで、実像表示装置２００から入射角「θｉｎ＋φ」でコンバイナ１００ｃに入射された実像表示光を、出射角θｏｕｔでコンバイナ１００ｃから出射させて、約１００％の明るさを保ったまま運転者の頭部に導く。
　具体的には、実像表示装置２００から入射角「θｉｎ＋φ」でコンバイナ１００ｃに入射された右円偏光は、矢印Ｃ１に示すように、コレステリック液晶層２１ｃを約１００％の透過率により透過して、コレステリック液晶層２２ｃに入射する。その後、入射角θｉｎでコレステリック液晶層２２ｃに入射した光は、矢印Ｃ２に示すように、反射角θｉｎでコレステリック液晶層２２ｃにて約１００％の反射率にて反射する。そして、コレステリック液晶層２２ｃで正反射した光は、入射角「θｉｎ－φ」でコレステリック液晶層２１ｃに入射し、矢印Ｃ３に示すように、反射角「θｉｎ－φ」で約１００％の反射率によりコレステリック液晶層２１ｃにて反射する。そして、コレステリック液晶層２１ｃで反射した光は、矢印Ｃ４に示すようにコレステリック液晶層２２ｃを透過して、出射角θｏｕｔ（θｏｕｔ＝θｉｎ－２φ）でコンバイナ１００ｃから出射される。
　また、コンバイナ１００ｃは、実施例と同様、上方からコンバイナ１００に入射する信号光の明るさを約５０％に保ちつつ、かつ、背景光の明るさを７５％に保ちつつ、運転者の頭部に導く。従って、本変形例によっても、運転者は、虚像Ｉｖを視認しつつ、信号表示や前方風景についても好適に視認することができる。
　ここで、本変形例の効果について補足説明する。コンバイナ１００ｃは、コンバイナ１００ｃからの出射角θｏｕｔが「θｏｕｔ＝θｉｎ－２φ」となり、かつ、コレステリック液晶層２１ｃとコレステリック液晶層２２ｃとの成す角度φを変えられるように構成されている。従って、コンバイナ１００ｃは、運転者の座高の高さの違いを好適に吸収することができる。つまり、本変形例によれば、運転者の座高の高さなどが変化しても、当該変化に応じて角度φを運転者等が手動により変えることで、実像表示光を運転者の頭部に適切に到達させることができる。また、本変形例によれば、コレステリック液晶層２１ｃと基板３３とから成る部材（例えば平行平板）及びコレステリック液晶層２２ｃと基板３４とから成る部材（例えば平行平板）を薄く構成することができるので、コンバイナ１００ｃ自体の重量を減らすことが可能となる。
　（変形例６）
　変形例６は、変形例５に示すコンバイナ１００ｃ内のコレステリック液晶層２１ｃ及び基板３３の配置と、コレステリック液晶層２２ｃ及び基板３４の配置とを変換した例を示す。
　図１３は、変形例６に係るコンバイナ１００ｃ１～１００ｃ３の構成を示す図である。図１３（ａ）～（ｃ）に示すように、コンバイナ１００ｃ１～１００ｃ３は、基板３３、３４においてコレステリック液晶層２１ｃ及びコレステリック液晶層２２ｃのそれぞれが形成されている位置が、図１２に示す変形例５に係るコンバイナ１００ｃと異なる。
　図１３（ａ）に示すコンバイナ１００ｃ１では、実像表示光が入射される側の基板３３の面にコレステリック液晶層２１ｃが形成されており、実像表示光が入射される面と反対側の基板３４の面にコレステリック液晶層２２ｃが形成されている。図１３（ｂ）に示すコンバイナ１００ｃ２では、実像表示光が入射される面と反対側の基板３３の面にコレステリック液晶層２１ｃが形成されており、実像表示光が入射される面と反対側の基板３４の面にコレステリック液晶層２２ｃが形成されている。図１３（ｃ）に示すコンバイナ１００ｃ３では、実像表示光が入射される側の基板３３の面にコレステリック液晶層２１ｃが形成されており、実像表示光が入射される側の基板３４の面にコレステリック液晶層２２ｃが形成されている。
　なお、変形例５、６は、変形例２と好適に組み合わせることができる。図１４は、変形例５と変形例２とを組み合わせたコンバイナ１００ｃ４の構成を示す図である。図１４に示すように、コンバイナ１００ｃ４は、平行平板で構成されたコレステリック液晶層２１ｃの代わりに、緩やかな曲率を有する形状（メニスカスレンズ形状）にて構成されたコレステリック液晶層２１ｃａを用いる点で、コンバイナ１００ｃと異なる。そのようなコレステリック液晶層２１ｃａを用いる場合、コレステリック液晶層２１ｃａが貼り付けられる基板３３ａも、緩やかな曲率を有する形状となる。
　このようなコンバイナ１００ｃ４によれば、上記したコンバイナ１００ｃが有する光学的作用に加えて、レンズ作用を実像表示光に対して更に与えることができる。したがって、図１４の例によれば、倍率を有したコンバイナ１００ｃ４を実現することができ、虚像距離を遠くにしたり近くにしたりすることが可能となる。
　図１５は、変形例５と変形例２とを組み合わせた他の構成例に係るコンバイナ１００ｃ５を示す。コンバイナ１００ｃ５は、図１４に示した、平行平板で構成されたコレステリック液晶層２２ｃ及び、基盤３３ａの代わりに、緩やかな曲率を有する形状（メニスカスレンズ形状）にて構成されたコレステリック液晶層２２ｃａ及び、緩やかな曲率を有する基盤３４ａを備える。図１５の例も、図１４の例と同じ効果が得られる。
　（変形例７）
　実施例では、実像表示装置２００は、４５０、５３２、６５０ｎｍの各波長を有するＲＧＢ光からなる実像表示光を出射するものとしたが、本発明はこれに限定されない。これに代えて、実像表示光は、他の波長を有する光から構成されてもよい。この場合であっても、コレステリック液晶層２１及びコレステリック液晶層２２は、実像表示光が有する波長に応じた波長選択性を有するように構成される。これにより、コンバイナ１００は、実像表示光に基づく虚像を適切な明るさで運転者に視認させつつ、実像表示光と同一波長を有する背景光や信号光を運転者の目に好適に到達させることができる。
　２３、２４、３３、３４　基板
　２１、２１ａ～２１ｃ、２１ｃａ、２２、２２ｂ～２２ｃ　コレステリック液晶層
　２１ｘ、２２ｘ　誘電体多層膜
　３５、３６　保持部
　１００、１００ａ～１００ｃ、１００ｃ１～１００ｃ４　コンバイナ
　２００　実像表示装置
　２５０　λ／４板フィルム

　３００、３００ａ　ＨＵＤ

Claims (10)

  1. 　外部装置によって形成された画像を虚像として視認させる虚像生成素子であって、
    　円偏光２色性を有し、前記画像に対応する円偏光の画像光が入射する第１光学素子と、
    　円偏光２色性を有し、前記第１光学素子を透過した画像光が入射する第２光学素子と、
    を備え、
    　前記第１及び第２光学素子は、前記外部装置からの光を当該光の入射角度に応じて反射させ、
    　前記第１光学素子の面は、前記第２光学素子の面に対して傾いており、
    　前記第２光学素子は、前記第１光学素子を透過した前記画像光を反射させ、かつ、当該反射された画像光が前記第１光学素子により反射された光を透過させることを特徴とする虚像生成素子。
  2. 　前記第１及び第２光学素子は、前記画像光の入射角度に応じて当該画像光を選択的に透過又は反射させる特性を有することを特徴とする請求項１に記載の虚像生成素子。
  3. 　前記第１及び第２光学素子は、前記画像光に対応する波長を有する光を、当該光の入射角度に応じて反射させ、前記画像光に対応する波長以外の波長を有する光を透過させる特性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の虚像生成素子。
  4. 　前記第１光学素子または、前記第２光学素子のいずれか一方が、他方の光学素子の面に対して傾いた複数の面を有する鋸歯形状に構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の虚像生成素子。
  5. 　前記第１光学素子または前記第２光学素子は、曲面を有しており、前記画像光に対してレンズ作用を付与することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の虚像生成素子。
  6. 　前記第１及び第２光学素子は、前記画像光の波長に対応する螺旋ピッチを有するコレステリック液晶を積層した構造、又は、当該構造と同一機能を有するフィルムであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の虚像生成素子。
  7. 　外部装置と、
    　前記外部装置によって形成された画像を虚像として視認させる請求項１乃至６のいずれか一項に記載の虚像生成素子と、を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
  8. 　前記外部装置は、直線偏光の画像光を出射する発光部と、前記発光部が出射した画像光を直線偏光から円偏光に変換する変換部とを有することを特徴とする請求項７に記載のヘッドアップディスプレイ。
  9. 　前記外部装置は、２輪車のダッシュボードもしくはメーター付近に設けられ、
    　前記虚像生成素子は、観察者に装着されることを特徴とする請求項７または８に記載のヘッドアップディスプレイ。
  10. 　前記外部装置は、車両のダッシュボード付近に設けられ、

    　前記虚像生成素子は、前記車両の天井付近に設けられることを特徴とする請求項７または８に記載のヘッドアップディスプレイ。
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