特許 6427095 表示光投影用光学システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6427095

(24)【登録日】2018年11月2日

(45)【発行日】2018年11月21日

(54)【発明の名称】表示光投影用光学システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/01 20060101AFI20181112BHJP

   G02B 3/08 20060101ALI20181112BHJP

   G02B 5/08 20060101ALI20181112BHJP

   G02B 27/28 20060101ALI20181112BHJP

   B60K 35/00 20060101ALI20181112BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/01

   G02B3/08

   G02B5/08

   G02B27/28 Z

   B60K35/00 A

【請求項の数】4

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-251912(P2015-251912)

(22)【出願日】2015年12月24日

(65)【公開番号】特開2017-116726(P2017-116726A)

(43)【公開日】2017年6月29日

【審査請求日】2017年4月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006895

【氏名又は名称】矢崎総業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】特許業務法人栄光特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松下 淳一

【審査官】 越河 勉

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１４／０４１６８９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００６−５１２６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２８６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１０７７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２３３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６２３６５１１（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２７／００−２７／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

表示光を出射する表示ユニットと、
前記表示ユニットから入射した表示光を拡大して反射し、外来光を透過するフレネルミラーと、を備え、
前記フレネルミラーは、
フレネル形状の複数の溝が形成されたフレネル形状面および前記外来光が入射される第１の面を有する第１部材と、
前記フレネル形状面に沿って形成されるハーフミラー層と、
前記表示ユニットからの表示光が入射される第２の面を有し、前記第１部材との間に前記ハーフミラー層を封止する第２部材と、
によって構成され、
前記第１の面及び前記第２の面は、互いに平行な平面であり、且つ、共に空気層と接しており、
前記第１部材及び前記第２部材の屈折率がほぼ同じ値であり、且つ、前記空気層側から前記第２の面に対してＰ偏光の表示光がブリュースター角の入射角で入射したときに前記第２の面及び前記フレネルミラー内部を透過した光がブリュースター角の入射角で前記第１の面に入射するように、前記第１部材及び前記第２部材の屈折率と前記空気層の屈折率との関係が設定されており、
前記表示ユニットは、前記第２の面に対し入射角がブリュースター角の近傍の角度となるＰ偏光の表示光を出射する、
表示光投影用光学システム。

【請求項2】

前記表示ユニットは、前記表示光を出射する光源と、
前記光源から出射された表示光を前記第２の面に対しＰ偏光に偏光させる偏光部材と、を備える、
請求項１に記載の表示光投影用光学システム。

【請求項3】

前記光源は、直線偏光の表示光を出射し、
前記偏光部材は、前記直線偏光の表示光を前記第２の面に対しＰ偏光に偏光させる半波長板である、
請求項２に記載の表示光投影用光学システム。

【請求項4】

前記光源は、無偏光の表示光を出射し、
前記偏光部材は、前記無偏光の表示光を前記第２の面に対しＰ偏光に偏光させる偏光板である、
請求項２に記載の表示光投影用光学システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、表示光を出射する表示ユニットと、前記表示ユニットから入射した表示光を拡大して反射し外来光を透過するフレネルミラーとを備える表示光投影用光学システムに関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２−１２３３９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に示されたような表示装置は、フレネルミラーを車両のウインドシールドまたはコンバイナと一体化し、あるいは貼り付けた状態で使用する。ＨＵＤユニットから出射した光の大部分は、前記フレネルミラーの面で反射して拡大され、表示像として運転者の視点の位置で視認される。しかし、実際にはフレネルミラーの面の手前に存在する封止材の表面や、フレネルミラーの後方に存在する基材等の面においても光の反射が発生し、これらの反射光が前記表示像の近傍に結像される。

【0007】

しかも、フレネルミラーの面で反射して結像される表示像は拡大されるのに対し、フレネルミラー以外の面で反射した光は等倍で結像されるので、前者の表示像と後者の像との間に明らかな違いが発生する。そのため、例えば特許文献１の図５（ａ）のような表示像を表示する場合に、特許文献１の図５（ｂ）のように等倍二重像ゴーストが正規の表示像の近傍に現れる。したがって、表示像の視認性の低下や表示品質の低下が懸念される。

【0008】

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、フレネルミラーの面で反射して結像される正規の表示像以外の等倍二重像ゴーストの発生を防止若しくは抑制することが可能な表示光投影用光学システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前述した目的を達成するために、本発明に係る表示光投影用光学システムは、下記（１）〜（４）を特徴としている。
（１） 表示光を出射する表示ユニットと、
前記表示ユニットから入射した表示光を拡大して反射し、外来光を透過するフレネルミラーと、を備え、
前記フレネルミラーは、
フレネル形状の複数の溝が形成されたフレネル形状面および前記外来光が入射される第１の面を有する第１部材と、
前記フレネル形状面に沿って形成されるハーフミラー層と、
前記表示ユニットからの表示光が入射される第２の面を有し、前記第１部材との間に前記ハーフミラー層を封止する第２部材と、
によって構成され、
前記第１の面及び前記第２の面は、互いに平行な平面であり、且つ、共に空気層と接しており、
前記第１部材及び前記第２部材の屈折率がほぼ同じ値であり、且つ、前記空気層側から前記第２の面に対してＰ偏光の表示光がブリュースター角の入射角で入射したときに前記第２の面及び前記フレネルミラー内部を透過した光がブリュースター角の入射角で前記第１の面に入射するように、前記第１部材及び前記第２部材の屈折率と前記空気層の屈折率との関係が設定されており、
前記表示ユニットは、前記第２の面に対し入射角がブリュースター角の近傍の角度となるＰ偏光の表示光を出射する、
表示光投影用光学システム。

【0010】

上記（１）の構成の表示光投影用光学システムによれば、「Ｐ偏光」の表示光を投影して表示像を形成するので、入射した表示光が前記ハーフミラー層以外の面で反射するのを抑制し、等倍二重像ゴーストの発生を抑制できる。偏光については、異なる物質間の境界面で光が反射するときの「入射面」と「電場または磁場の振動方向」との関係に基づき、「Ｓ偏光」と「Ｐ偏光」とに区別することができる。後述するように「Ｐ偏光」成分は「Ｓ偏光」に比べて反射率が小さくなる傾向があるので、「Ｐ偏光」のみを利用することにより、等倍二重像ゴーストの抑制が可能になる。

【0012】

更に、上記（１）の構成の表示光投影用光学システムによれば、等倍二重像ゴーストの発生をより効果的に抑制できる。すなわち、「Ｐ偏光」の表示光を入射角がブリュースター角の近傍になる状態で第２の面に入射させることにより、第２の面における反射率がほぼ０になり、不要な反射光の発生を防止できる。

【0013】

（２） 前記表示ユニットは、前記表示光を出射する光源と、
前記光源から出射された表示光を前記第２の面に対しＰ偏光に偏光させる偏光部材と、
を備える、
前記（１）に記載の表示光投影用光学システム。

【0014】

上記（２）の構成の表示光投影用光学システムによれば、「Ｐ偏光」以外の表示光を出射する光源を用いる場合であっても、偏光部材の働きにより、「Ｓ偏光」成分の光が第２の面に入射するのを防止して、不要な反射光の発生を抑制できる。

【0015】

（３） 前記光源は、直線偏光の表示光を出射し、
前記偏光部材は、前記直線偏光の表示光を前記第２の面に対しＰ偏光に偏光させる半波長板である、
前記（２）に記載の表示光投影用光学システム。

【0016】

上記（３）の構成の表示光投影用光学システムによれば、半波長板の働きにより、光源が出射する直線偏光の表示光から「Ｐ偏光」を生成できるので、「Ｓ偏光」成分の光が第２の面に入射するのを防止して、不要な反射光の発生を抑制できる。

【0017】

（４） 前記光源は、無偏光の表示光を出射し、
前記偏光部材は、前記無偏光の表示光を前記第２の面に対しＰ偏光に偏光させる偏光板である、
前記（２）に記載の表示光投影用光学システム。

【0018】

上記（４）の構成の表示光投影用光学システムによれば、偏光板の働きにより、光源が出射する無偏光の表示光から「Ｐ偏光」を生成できるので、「Ｓ偏光」成分の光が第２の面に入射するのを防止して、不要な反射光の発生を抑制できる。

【発明の効果】

【0019】

本発明の表示光投影用光学システムによれば、フレネルミラーの面で反射して結像される正規の表示像以外の等倍二重像ゴーストの発生を防止若しくは抑制することが可能になる。すなわち、「Ｐ偏光」の表示光を投影して表示像を形成するので、入射した表示光が前記ハーフミラー層以外の面で反射するのを抑制し、前記等倍二重像ゴーストの発生を抑制できる。

【0020】

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

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、本発明の実施形態の表示光投影用光学システムを搭載した車両のウインドシールドＷＳおよびダッシュボード近傍の構成例を示す斜視図である。

【図2】図２は、図１に示した車両および表示光投影用光学システムを側方から視た状態を示す縦断面図である。

【図3】図３は、表示光投影用光学システムに含まれるフレネルミラー封止体の構成および光路の例を示す光路図である。

【図4】図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）は、フレネルミラー封止体に含まれるフレネルレンズの構成例を表し、図４（Ａ）は平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）中のＡ−Ａ線から視た断面図、図４（Ｃ）は図４（Ａ）中のＢ−Ｂ線から視た断面図である。

【図5】図５は、アイポイントの位置で視認される像の例を示す正面図である。

【図6】図６（Ａ）はフレネルミラー封止体における光路の例を示す光路図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のフレネルミラー封止体の表側の面における反射特性を示すグラフ、図６（Ｃ）は図６（Ａ）のフレネルミラー封止体の裏側の面における反射特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

【0023】

＜表示光投影用光学システムの使用環境の具体例＞
実施形態の表示光投影用光学システムを搭載した車両のダッシュボードおよびウインドシールドＷＳ近傍の構成例を図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。

【0024】

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、中間層としてフレネルミラー封止体１０が組み込まれている。また、このフレネルミラー封止体１０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はフレネルレンズにより拡大光学系を形成する。フレネルミラー封止体１０の具体的な構成については、後で詳細に説明する。

【0025】

尚、図１及び図２の例では、フレネルミラー封止体１０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の近傍にフレネルミラー封止体１０を設置しても良い。

【0026】

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、透過型液晶パネルおよび偏光板で構成される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）とを内蔵している。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。

【0027】

また、フラットパネルディスプレイが偏光板を内蔵しているので、ＨＵＤユニット２０が出射する表示光は直線偏光になっている。更に、直線偏光からＰ偏光を得るために、ＨＵＤユニット２０とフレネルミラー封止体１０との間には後述する半波長板２５が配置されている。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

＜フレネルミラー封止体１０の説明＞
表示光投影用光学システムに含まれるフレネルミラー封止体１０の構成および光路の例を図３に示す。図３に示したフレネルミラー封止体１０は、ＨＵＤユニット２０の表示光を投影するためのコンバイナとして構成されている。このコンバイナは、図４（Ａ）に示したフレネルレンズ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。

【0033】

図３に示すように、フレネルミラー封止体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、フレネルミラー封止体１０は基板としてのフレネルレンズ１１の他に、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。

【0034】

フレネルレンズ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、金属又は誘電体多層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。

【0035】

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。

【0036】

封止剤層１３は、フレネルレンズ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）がフレネルレンズ１１とほぼ同じもののみに限定して使用する。

【0037】

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。

【0038】

透明プレート１４は、フレネルミラー封止体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）がフレネルレンズ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。

【0039】

図３に示すように、フレネルミラー封止体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、外側からフレネルミラー封止体１０に入射する光及びＨＵＤユニット２０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。

【0040】

ＡＲコート層１５、１６については、例えば誘電体多層膜を形成することにより反射防止処理を施すことができる。また、誘電体多層膜以外の方法として、ナノインプリントにより、例えばモスアイ構造の様な微細な凹凸を形成して反射防止機能を持たせることもできる。

【0041】

図４に示したフレネルミラー封止体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、フレネルミラー封止体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。

【0042】

なお、図１及び図２に示した例では、フレネルミラー封止体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を傾斜した状態で配置しても良い。

【0043】

＜透過特性の説明＞
図３には、フレネルレンズ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フレネルミラー封止体１０を示している。このように形成すると、フレネルレンズ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フレネルミラー封止体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レンズ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。

【0044】

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がフレネルミラー封止体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。

【0045】

また、フレネルレンズ１１を用いた拡大光学系を有するフレネルミラー封止体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。

【0046】

＜フレネルレンズ１１の構成例＞
フレネルミラー封止体１０に含まれるフレネルレンズ１１の構成例を図４（Ａ）、図４（Ｂ）、および図４（Ｃ）に示す。図４（Ａ）は平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）中のＡ−Ａ線から視た断面図、図４（Ｃ）は図４（Ａ）中のＢ−Ｂ線から視た断面図である。

【0047】

基板本体を構成するフレネルレンズ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、フレネルレンズ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。

【0048】

本実施形態においては、図４（Ａ）に示すように、フレネルレンズ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。

【0049】

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、フレネルレンズ１１の中央部３０を中心として同心円状に配置されている。

【0050】

図４（Ｂ）、及び図４（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、フレネルレンズ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レンズ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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（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、フレネルレンズ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。

【0054】

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。

【0055】

また、フレネル溝３１〜３６の円周の輪郭形状については、図４（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。

【0056】

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レンズ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、フレネルレンズ１１が薄板状であるため小型化が可能である。

【0057】

図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示したように、フレネルレンズ１１のフレネル形状部１１ａを特殊な形状に形成することにより、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。

【0058】

＜等倍二重像ゴーストの説明＞
図３に示したように、ＨＵＤユニット２０から出射された表示光がフレネルミラー封止体１０で反射してアイポイントＥＰに向かう場合に、アイポイントＥＰの位置で視認される像の例を図５に示す。

【0059】

図３に示したように、ＨＵＤユニット２０から出射された表示光は、互いに異なる複数の経路を経由してそれぞれアイポイントＥＰに到達する可能性がある。基本的には、ＨＵＤユニット２０から出射された表示光は、透明プレート１４、および封止剤層１３を透過し、ハーフミラー層１２の面で反射し、反射の際にフレネル形状部１１ａの形状により倍率が付与され拡大された状態でアイポイントＥＰに到達する。

【0060】

一方、透明プレート１４の外側の面１４ａは屈折率が異なる空気層と接しているので、この境界で光の反射が発生する。したがって、ＨＵＤユニット２０から出射された表示光の一部分は、透明プレート１４の面１４ａで反射して拡大されることなくアイポイントＥＰに向かう。また、フレネルレンズ１１の外側の面１１ｃも屈折率が異なる空気層と接しているので、この境界でも光の反射が発生する。したがって、ＨＵＤユニット２０から出射された表示光の一部分は、透明プレート１４、封止剤層１３、ハーフミラー層１２、およびフレネルレンズ１１を透過し、面１１ｃで反射して、再びフレネルレンズ１１、ハーフミラー層１２、封止剤層１３、および透明プレート１４を透過して、拡大されることなくアイポイントＥＰに到達する。

【0061】

つまり、ハーフミラー層１２で反射した表示光の像と、面１４ａで反射した表示光の像と、面１１ｃで反射した表示光の像とがそれぞれ異なる光路を通って異なる位置に図５に示すように結像する。また、ハーフミラー層１２で反射した表示光は拡大した状態で結像するのに対し、面１４ａの反射光および面１１ｃの反射光は等倍のまま結像するので、アイポイントＥＰで視認される像の中には、本来の拡大された表示光の像と、その近傍に等倍の大きさで影のように映り込む等倍二重像ゴーストとが図５のように現れる。

【0062】

＜等倍二重像ゴーストを低減する方法＞
図３に示した表示光投影用光学システムにおいては、ＨＵＤユニット２０が液晶表示パネルであり、その内部に偏光板が含まれているので、ＨＵＤユニット２０から出射される表示光は直線偏光になっている。また、図３に示すように、ＨＵＤユニット２０の出射口とフレネルミラー封止体１０との間に半波長板２５が配置してある。そして、半波長板２５から出射される表示光がＰ偏光になるように半波長板２５と入射光との角度が調整されている。

【0063】

半波長（λ/2）板２５は、公知のように、直交する偏光成分の間に位相差π（180度）を生じさせる複屈折素子であり、直線偏光の偏光方向を変えるために用いる。直線偏光が半波長板２５に入射する際に、その振動方向が半波長板２５の光軸方向に対して角度θで入射すると、振動方向が2θ回転させられた直線偏光として射出される。例えば、光軸方向に対して４５度の角度で直線偏光が半波長板２５に入射すると、半波長板２５から射出される光はその振動方向が９０度回転した直線偏光になる。

【0064】

偏光に関しては、異なる物質間の境界面で光が反射するときの「入射面」と「電場または磁場の振動方向」によって、Ｓ偏光とＰ偏光とに区別することができる。Ｓ偏光は電界成分が入射面に垂直な電磁波であり、Ｐ偏光は電界成分が入射面に平行（parallel）な電磁波である。

【0065】

図３に示した表示光投影用光学システムにおいては、ＨＵＤユニット２０および半波長板２５を用いてＰ偏光の表示光をフレネルミラー封止体１０に入射させると共に、フレネルミラー封止体１０に入射する際の表示光の入射角度、およびフレネルミラー封止体１０から出射する際の表示光の出射角度がブリュースター角（Brewster's angle）とほぼ一致するように角度を調整してある。これにより、透明プレート１４の面１４ａでの反射をほぼ０にすることができ、フレネルレンズ１１の面１１ｃでの反射もほぼ０にすることができる。したがって、上記の等倍二重像ゴーストを防止または低減できる。

【0066】

＜偏光反射特性の具体例＞
フレネルミラー封止体１０の偏光反射特性の具体例を図６に示す。図６（Ａ）はフレネルミラー封止体１０における光路の例を示し、図６（Ｂ）はこのフレネルミラー封止体の表側の面（１４ａ）における反射特性を示し、図６（Ｃ）フレネルミラー封止体の裏側の面（１１ｃ）における反射特性を示している。図６（Ｂ）、図６（Ｃ）の各グラフにおいて、横軸は入射角度（Angle of Incidence）を表し、縦軸は反射率（Reflective Ratio）を表す。

【0067】

図６の例では、フレネルミラー封止体１０を構成する透明な材料がＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂：Polymethyl methacrylate）であり、フレネルミラー封止体１０の周囲が空気層（Ａｉｒ）である場合を想定している。ＰＭＭＡの屈折率ｎは１．４９であり、空気層の屈折率ｎは１である。

【0068】

ブリュースター角は、屈折率の異なる物質の界面においてＰ偏光の反射率が０となる入射角を表す。例えば、図６（Ｂ）に示したグラフにおいて、Ｐ偏光は約６０度の入射角度で０になるので、この場合のブリュースター角ＢＡは６０度である。また、図６（Ｃ）に示したグラフにおいて、Ｐ偏光は約３５．５度の入射角度で０になるので、この場合のブリュースター角ＢＡは３５．５度である。

【0069】

例えば、図６（Ａ）に示したように、フレネルミラー封止体１０の外側から面１４ａに入射角６０度でＰ偏光が入射する場合には、面１４ａでの反射は０になる。また、フレネルミラー封止体１０の内部を透過して面１１ｃに到達したＰ偏光が３５．５度の入射角で入射する場合には、面１１ｃでの反射は０になる。

【0070】

また、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）からも明らかなように、どのような入射角であっても、Ｓ偏光よりもＰ偏光の方が反射が少なくなる傾向がある。したがって、図３に示した表示光投影用光学システムのように、ＨＵＤユニット２０および半波長板２５を用いてＰ偏光の表示光をフレネルミラー封止体１０に入射させる場合には、Ｓ偏光を入射させる場合と比べて面１４ａ、および１１ｃにおける反射を抑制できる。また、Ｐ偏光の表示光が面１４ａに入射する角度、および面１１ｃ入射する角度をそれぞれブリュースター角に近づけることにより、不要な反射をほぼ０にすることができるので上記の等倍二重像ゴーストを防止できる。

【0071】

＜変形例の説明＞
図３に示した表示光投影用光学システムにおいては、ＨＵＤユニット２０が偏光板を含むフラットパネルディスプレイを内蔵する場合を想定しているので、Ｐ偏光の表示光を得るために半波長板２５を用いている。ＨＵＤユニット２０が偏光板を含まない構成の場合には、様々な偏光成分を含む無偏光の表示光から不要反射の低減が容易なＰ偏光のみを抽出するために、特別な偏光板を用いる。例えば、図３に示した半波長板２５の代わりに偏光板を設置することにより、Ｐ偏光の表示光をフレネルミラー封止体１０に入射させることができる。

【0072】

ここで、上述した本発明に係る表示光投影用光学システムの実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］〜［５］に簡潔に纏めて列記する。
［１］ 表示光を出射する表示ユニット（ＨＵＤユニット２０）と、
前記表示ユニットから入射した表示光を拡大して反射し、外来光を透過するフレネルミラー（フレネルミラー封止体１０）と、を備え、
前記フレネルミラーは、
フレネル形状の複数の溝が形成されたフレネル形状面（フレネル形状部１１ａ）および前記外来光が入射される第１の面（平坦面１１ｃ）を有する第１部材（フレネルレンズ１１）と、
前記フレネル形状面に沿って形成されるハーフミラー層（１２）と、
前記表示ユニットからの表示光が入射される第２の面（１３ａまたは１４ａ）を有し、前記第１部材との間に前記ハーフミラー層を封止する第２部材（封止剤層１３）と、
によって構成され、前記第２の面にＰ偏光の表示光が入射される、
表示光投影用光学システム。

【0073】

［２］ 前記表示ユニットは、前記第２の面に対し入射角がブリュースター角の近傍の角度となるＰ偏光の表示光を出射する、
上記［１］に記載の表示光投影用光学システム。

【0074】

［３］ 前記表示ユニットは、前記表示光を出射する光源（ＨＵＤユニット２０）と、
前記光源から出射された表示光を前記第２の面に対しＰ偏光に偏光させる偏光部材（半波長板２５）と、を備える、
上記［１］又は［２］に記載の表示光投影用光学システム。

【0075】

［４］ 前記光源は、直線偏光の表示光を出射し、
前記偏光部材は、前記直線偏光の表示光を前記第２の面に対しＰ偏光に偏光させる半波長板（２５）である、
上記［３］に記載の表示光投影用光学システム。

【0076】

［５］ 前記光源は、無偏光の表示光を出射し、
前記偏光部材は、前記無偏光の表示光を前記第２の面に対しＰ偏光に偏光させる偏光板である、
上記［３］に記載の表示光投影用光学システム。

【符号の説明】

【0077】

１０ フレネルミラー封止体
１１ フレネルレンズ
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
２５ 半波長板
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
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）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】