特許 7421730 ヘッドアップディスプレイ装置及びヘッドアップディスプレイシステム

(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】

(24)【登録日】2024-01-17

(45)【発行日】2024-01-25

(54)【発明の名称】ヘッドアップディスプレイ装置及びヘッドアップディスプレイシステム

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/01 20060101AFI20240118BHJP

   B60K 35/23 20240101ALI20240118BHJP

【ＦＩ】

G02B27/01

B60K35/00 A

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020063840

(22)【出願日】2020-03-31

(65)【公開番号】P2021162703

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2023-01-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000231512

【氏名又は名称】日本精機株式会社

(72)【発明者】

【氏名】板垣 惇平

【審査官】鈴木 俊光

(56)【参考文献】

【文献】特開平０３－１９７２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０８８５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５０１３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１５６７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０３１０５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１０９７０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２３５２３８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／０１

Ｂ６０Ｋ ３５／００

Ｇ０２Ｂ ５／３０

Ｇ０２Ｆ １／１３３５

Ｇ０２Ｆ １／１３３６３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被投影部材（６０）に表示光を投影することで、アイボックス（２００）に目を配置する観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置（２０）であって、
前記表示光を出射する画像生成部（２１）と、
前記画像生成部（２１）からの前記表示光を前記被投影部材（６０）に向けるリレー光学系（２５）と、
前記画像生成部（２１）からの前記表示光の光路上に配置され、前記被投影部材（６０）の各領域それぞれで反射される前記表示光の偏光軸（Ｅ）の方位が、前記被投影部材（６０）の各領域におけるＰ偏光の入射光に近づくように、前記表示光の入射領域に応じて、前記表示光の偏光軸（Ｅ）を連続的又は段階的に異ならせる偏光パターニング光学部材（５０）と、
を備える、ヘッドアップディスプレイ装置（２０）。

【請求項2】

前記偏光パターニング光学部材（５０）は、
面内で遅相軸の方向が異なるパターン位相差板（５１）、
面内で透過軸の方向が異なるパターン偏光板（５２）、
又は、これらの組み合わせ、で構成される、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。

【請求項3】

前記偏光パターニング光学部材（５０）は、
面内で遅相軸の方向が異なる複数の部分領域を有するパターン位相差板（５１）、
面内で透過軸の方向が異なる複数の部分領域を有するパターン偏光板（５２）、
又は、これらの組み合わせ、で構成される、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。

【請求項4】

前記パターン位相差板（５１）の面内での遅相軸の方向のばらつき、及び前記パターン位相差板（５１）の面内での遅相軸の方向のばらつきは、１０度未満である、
請求項２又は３に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。

【請求項5】

前記偏光パターニング光学部材（５０）は、前記アイボックス（２００）に目を配置する観察者から見た少なくとも左右方向に沿って、前記表示光の偏光軸（Ｅ）の方位を連続的に異ならせる、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。

【請求項6】

前記偏光パターニング光学部材（５０）は、前記アイボックス（２００）に目を配置する観察者から見た少なくとも左右方向に沿って配列される部分領域（Ｗ）毎に、前記表示光の偏光軸（Ｅ）の方位を段階的に異ならせる、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。

【請求項7】

前記偏光パターニング光学部材（５０）は、前記被投影部材（６０）に入射する前記表示光の偏光軸（Ｅ）の方位が、前記アイボックス（２００）に目を配置する観察者から見て、
反時計回りに９０度未満となる方位である第１の偏光軸（Ｅ１）と、
時計回りに９０度未満となる方位である第２の偏光軸（Ｅ２）と、
を含むように、前記表示光の偏光軸（Ｅ）の方位を連続的又は段階的に異ならせる、
請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。

【請求項8】

前記第１の偏光軸（Ｅ１）を有する前記表示光は、前記アイボックス（２００）に目を配置する観察者から見て、前記第２の偏光軸（Ｅ２）を有する前記表示光よりも前記被投
影部材（６０）における左側に投射される、
請求項７に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。

【請求項9】

前記偏光パターニング光学部材（５０）は、最も上下方向に沿った方位を有する偏光軸（ＥＡ）が入射する特定の部分領域（ＷＡ）の近傍で、前記被投影部材（６０）の左右方向の位置に応じた偏光軸（Ｅ）の方位の変化率が緩やかになるように、前記表示光の偏光軸（Ｅ）の方位を連続的又は段階的に異ならせる、
請求項５又は請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置（２０）。

【請求項10】

アイボックス（２００）に目を配置する観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイシステム（１０）であって、
反射型回折素子（８０）を有する被投影部材（６０）と、
表示光を出射する画像生成部（２１）と、
前記画像生成部（２１）からの前記表示光を前記被投影部材（６０）に向けるリレー光学系（２５）と、
前記画像生成部（２１）からの前記表示光の光路上に配置され、前記被投影部材（６０）の各領域それぞれで反射される前記表示光の偏光軸（Ｅ）の方位が、前記被投影部材（６０）の各領域におけるＰ偏光の入射光に近づくように、前記表示光の入射領域に応じて、前記表示光の偏光軸（Ｅ）を連続的又は段階的に異ならせる偏光パターニング光学部材（５０）と、
を備える、ヘッドアップディスプレイシステム（１０）。

【請求項11】

前記反射型回折素子（８０）は、ホログラフィック素子、及び回折光学素子（ＤＯＥ）の少なくとも１つを含む、
請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイシステム（１０）。

【請求項12】

前記リレー光学系（２５）は、前記被投影部材（６０）に対する入射角がブリュースター角の近傍の角度で前記表示光を投射する、
請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイシステム（１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、車両などの移動体に用いられるヘッドアップディスプレイ装置及びヘッドアップディスプレイシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

車両のウインドシールドに、特定波長領域の光に対する回折効率（反射率）が高いホログラム素子を設け、これに内部で生成した表示画像の表示光を投影することで、虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置が記載されている。

【0003】

特許文献１には、ホログラム素子への光の入射角をブリュースター角に設定し、ホログラム素子を包含するウインドシールドにＰ偏光で入射させることで、ウインドシールドでの表面反射を低減しつつ、ウインドシールドを透過した光をホログラム素子で回折させて観察者に向ける方法が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１１－２２７２８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、被投影部材で反射されて観察者の所定の目位置に入射する光束に着目すると、ヘッドアップディスプレイ装置から出射される表示光が、所定の幅を有する出射角を有していること、ウインドシールド（被投影部材）が曲面であること、又はこれらの組み合わせに起因して、被投影部材の各領域で所定の１つの方向に反射される光束は、被投影部の一部に対してはＰ偏光で入射しても、他部ではＰ偏光で入射しない（換言すると、被投影部材の全域に対して、Ｐ偏光で入射しない）ため、例え、被投影部の各領域への入射角がブリュースター角であってもウインドシールドで表面反射されてしまうことも想定され、この観点で改善の余地があった。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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

【0007】

本開示の概要は、虚像の表示品位を向上させる。より具体的には、被投影部材での表面反射を低減し、２重像の発生を抑制することに関する。

【0008】

したがって、本明細書に開示されるヘッドアップディスプレイシステムは、被投影部材に表示光を投影することで、アイボックスに目を配置する観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置を含み、表示光を出射する画像生成部と、画像生成部からの表示光を被投影部材に向けるリレー光学系と、画像生成部からの表示光の光路上に配置され、被投影部材の各領域それぞれで反射される表示光の偏光軸の方位が、被投影部材の各領域におけるＰ偏光の入射光に近づくように、表示光の入射領域に応じて、表示光の偏光軸を連続的又は段階的に異ならせる偏光パターニング光学部材と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイシステムの構成を示す図であって、自動車に採用された態様を示す。

【図2】図２は、上記実施形態のＨＵＤ装置の構成を示す。

【図3】図３は、第１実施形態のＨＵＤ装置における画像生成部の構成の説明を提供する。

【図4】図４は、第２実施形態のＨＵＤ装置における画像生成部の構成の説明を提供する。

【図5】図５は、第３実施形態のＨＵＤ装置における画像生成部の構成の説明を提供する。

【図6】図６は、第４実施形態のＨＵＤ装置における画像生成部の構成の説明を提供する。

【図7】図７は、車両の前方を向いた観察者から見た、被投影部材に入射する表示光の偏光軸を示す概念図である。

【図8】図８は、図７の要部を拡大した図であり、被投影部材の部分領域毎に入射する表示光の偏光軸を示す図である。

【図9】図９は、被投影部材に入射する表示光の偏光軸の態様を示す図である。

【図10】図１０は、被投影部材に入射する表示光の偏光軸の態様を示す図である。

【図11】図１１は、被投影部材の位置に対する偏光軸の方位を段階的に変化させる第１の態様、及び連続的に変化させる第２の態様の説明を提供する図であり、被投影部材の左右方向の位置（横軸）に対する偏光軸の方位（縦軸）を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下の実施形態（図面の内容も含む）によって限定されるものではない。以下の実施形態に変更（構成要素の削除も含む）を加えることができるのはもちろんである。また、以下の説明では、本発明の理解を容易にするために、公知の技術的事項の説明を適宜省略する。

【0011】

以下、図１乃至図１１では、本実施形態におけるヘッドアップディスプレイシステム、ヘッドアップディスプレイ装置の説明を提供する。

【0012】

図１は、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイシステムの構成を示す図であって、自動車に採用された態様が示されている。なお、本発明のヘッドアップディスプレイシステムは、自動車に限らず、移動体における表示装置に採用することが可能である。なお、本実施形態に用いる図面において、車両の左右方向をＸ軸方向（車両の前方を向いた際の左側がＸ軸正方向）とし、上下方向をＹ軸方向（路面を走行する車両の上側がＹ軸正方向）とし、車両の前後方向をＺ軸方向（車両の前方がＺ軸正方向）とする。

【0013】

図１のヘッドアップディスプレイシステム１０は、車両１に搭載され、ヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置とも記載する。）２０と、ＨＵＤ装置２０を制御する表示制御装置４０と、後述する反射型回折素子８０を含み、ＨＵＤ装置２０からの表示光２０ａを受ける被投影部材６０と、から構成される。ＨＵＤ装置２０は、観察者（典型的には、車両の運転席に着座する運転者）の正面（前方、車両の進行方向とも言える。）に配置される車両のフロントウインドシールド（被投影部材６０の一例。）に向けて表示光２０ａを投影する。

【0014】

ＨＵＤ装置２０（リレー光学（２５））は、後述する反射型回折素子８０を包含する被投影部材６０に対する入射角がブリュースター角の近傍の角度で表示光２０ａを投射する。ブリュースター角（偏光角）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となる入射角を表し、被投影部材６０の屈折率をＮとしたとき、ａｒｃｔａｎＮで求められる角度である。フロントウインドシールドは、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂：Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）であり、ＰＭＭＡの屈折率Ｎは１．４９とされているため、ブリュースター角が５６．３度とされている。なお、Ｐ偏光の光は、被投影部材６０に対する入射角が、ブリュースター角から離れる（ブリュースター角より大きい、又は小さい）と、その反射率が再び大きくなる。Ｐ偏光は、入射面内で電界が振動する偏光である。前記入射面は、アイボックス２００内の所定の点（例えば、中心点２０５）に向かう被投影部材６０からの反射光及び入射光を含む面である。

【0015】

反射型回折素子８０は、例えばホログラフィック素子、及び回折光学素子（ＤＯＥ）の少なくとも１つを含み得る。ホログラフィック素子は、例えば，フォトポリマーや重クロム酸ゼラチンなどのホログラム材料などからなり、入射した光を所望の方向へ向けて回折する光学部材であり、物体光と参照光の干渉パターンを記録することで作成される。反射型回折素子８０は、例えば、シート状であり、被投影部材６０に内包され、ＨＵＤ装置２０が投影する表示光２０ａを車両１の内側の所定の領域であるアイボックス２００へ回折する。例えば、後述する反射型回折素子８０は、ＨＵＤ装置２０から受けた表示光２０ａを回折することで、観察者に視認される画像（虚像）のサイズを大きくすることができる。観察者は、アイボックス２００内に目３を配置することで、被投影部材６０より遠方側に、ＨＵＤ装置２０が表示する表示画像の虚像Ｖを視認することができる。なお、反射型回折素子８０は、被投影部材６０の表面（観察者側の表面）に形成されてもよい。

【0016】

本実施形態の説明で用いる「アイボックス」とは、（１）領域内では表示面３０に表示される表示画像の全体が虚像Ｖとして視認でき、領域外では表示面３０に表示される表示画像の少なくとも一部分が虚像Ｖとして視認されない領域、（２）領域内では後述する表示面３０に表示される表示画像の少なくとも一部が虚像Ｖとして視認でき、領域外では表示面３０に表示される表示画像の一部分も虚像Ｖとして視認されない領域、（３）領域内では表示画像の虚像Ｖが立体的に視認でき、領域外では虚像Ｖを立体的に視認されない領域、又は（４）領域内では表示面３０に表示される少なくとも一部の表示画像の虚像Ｖが所定の輝度以上で視認でき、領域外では表示面３０に表示される表示画像の虚像Ｖの全体が前記所定の輝度未満である領域である。すなわち、観察者が目（両目）３をアイボックス２００外に配置すると、観察者は、表示画像の虚像Ｖの全体が正常に視認できない、又は表示画像の虚像Ｖの全体の視認性が非常に低く知覚しづらい。前記所定の輝度とは、例えば、アイボックスの中心での表示画像の輝度に対して１／５０程度である。「アイボックス」は、ＨＵＤ装置２０が搭載される車両で観察者の視点位置の配置が想定されるエリア（アイリプスとも呼ぶ。）と同じ、又は前記アイリプスの大部分（例えば、８０％以上。）を含むように設定される。

【0017】

虚像表示領域１００は、平面、曲面、又は一部曲面の領域であり、結像面とも呼ばれる。虚像表示領域１００は、ＨＵＤ装置２０の後述する表示装置（画像生成部）２１の表示面３０の虚像が結像される位置であり、すなわち、虚像表示領域１００は、ＨＵＤ装置２０の後述する表示面３０に対応し（言い換えると、虚像表示領域１００は、後述する表示装置２１の表示面３０と、共役関係となる。）、虚像表示領域１００で視認される虚像は、ＨＵＤ装置２０の後述する表示面３０に表示される表示画像に対応している、と言える。虚像表示領域１００自体は、実際に観察者に視認されない、又は視認されにくい程度に視認性が低いことが好ましい。

【0018】

図２は、本実施形態のＨＵＤ装置２０の構成を示す図である。ＨＵＤ装置２０は、表示画像の表示光２０ａを出射する表示装置２１と、表示装置２１が出射する表示光２０ａを、被投影部材６０に向けるリレー光学２５と、で構成される。なお、後述する本実施形態の表示装置２１は、２Ｄ画像生成部であるが、３Ｄ画像生成部であってもよい。すなわち、ＨＵＤ装置２０は、アイボックス２００に配置された前記アイポイント（左右の目）に対応した視差画像（又はライトフィールド画像）を表示することで、虚像表示領域１００を基準に立体画像の虚像を観察者に知覚させてもよい（なお、３Ｄ画像生成部は、両眼視差方式又はライトフィールド方式の３Ｄ画像生成部でなくてもよい。）。

【0019】

リレー光学２５は、光学的パワーを有さない平面ミラーである第１のミラー２６と、正の光学的パワーを有する凹面ミラーである第２のミラー２８と、で構成される。第１のミラー２６は、表示装置２１からの表示光２０ａの光路上に配置され、表示光２０ａを反射する。第２のミラー２８は、第１のミラー２６が反射した表示光２０ａの光路上に配置され、表示光２０ａを反射する。リレー光学２５は、被投影部材６０とともに、表示画像の虚像Ｖを結像するための虚像光学系として機能する。虚像光学系は、複数の光学部材で構成され、複数の光学部材の配置を調整すること、及び／又は１つ（又はそれ以上）の光学部材の全体の（又は一部分の）光学的パワーを調整すること、で観察者に視認させる虚像Ｖの一部又は全体のサイズ（倍率）、配置、及び／又は形状などを調整し得る。

【0020】

また、本実施形態のリレー光学２５は、表示装置２１が生成した表示画像を拡大した虚像Ｖとして結像させるための画像拡大機能（光学機能の一例）と、歪みのない（歪の少ない）虚像として結像させるための画像歪み補正機能（光学機能の一例）と、を有していてもよい。リレー光学２５に凹面鏡の機能（画像拡大機能、及び／又は画像歪み補正機能）を持たせることで、観察者に、大きな虚像、歪の少ない虚像を提供することができるとともに、ＨＵＤ装置２０内の表示装置２１や他の光学系（リレー光学２５も含んでもよい）の小型化を図り、延いてはＨＵＤ装置２０全体の小型化を図ることも可能となる。なお、本実施形態のリレー光学２５は、反射光学系のみで構成されるが、これらの代わりに（又はこれらに加えて）、レンズなどの屈折光学系、ホログラムなどの回折光学系、など公知の様々な光学系を含んでいてもよい。なお、リレー光学２５は、省略され得る。

【0021】

（第１実施形態）
図３は、第１実施形態のＨＵＤ装置における画像生成部の構成の説明を提供する。図３に示す画像生成部は、液晶表示パネルを有する態様である。本実施形態のＨＵＤ装置では、偏光パターニング光学部材５０としてのパターン位相差板５１を有する。

【0022】

液晶表示パネル４００（画像生成部２１の一例。）は、互いの吸収軸を直交にして配置された一対の直線偏光膜４１１及び４１２と、その間に配置される液晶セル４１０と、光源４２０と、を有する。直線偏光膜４１１及び４１２と液晶セル４１０との間には、光学補償フィルム（不図示）がそれぞれ配置されていて、液晶セル４１０の視野角補償に寄与している。液晶セル４１０の液晶駆動モードによっては、前記光学補償フィルムは不要であり、例えば偏光膜４１１及び４１２を保護するための保護フィルムに置き換えられていてもよい。また前記光学補償フィルムは、液晶セル４１０の液晶駆動モードによっては、それぞれ２枚以上配置されていてもよい。

【0023】

液晶セル４１０の液晶駆動モードについては特に制限はなく、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）、ＩＰＳ（Ｉｎ－Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）、ＡＦＬＣ（Ａｎｔｉ－ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｙ Ｂｅｎｄ）、ＳＴＮ（Ｓｕｐｐｅｒ Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ Ａｌｉｇｎｅｄ）、及びＨＡＮ（Ｈｙｂｒｉｄ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）等、いずれの表示モードの態様であってもよい。

【0024】

直線偏光膜４１１の表面、即ち観察者側の表面には、偏光パターニング光学部材５０の一例であるパターン位相差板５１が配置されている。パターン位相差板５１は、面内で遅相軸の方向が異なるパターン位相差フィルムである。液晶表示パネル４００から入射される直線偏光画像は、パターン位相差板５１を通過することで、領域毎に異なる偏光軸Ｅを有するパターニング偏光画像として出射される。パターニング偏光画像は、被投影部材６０に投影され、被投影部材６０の複数の部分領域Ｗ（図８参照。）でアイボックス２００に向けて反射される。被投影部材６０の部分領域Ｗで反射され、アイボックス２００における所定の位置（前記所定の位置は、例えば、アイボックス２００の中心２０５である。）に向かう各光が、被投影部材６０の部分領域ＷにＰ偏光で入射するように、パターニング偏光画像の領域毎の偏光軸Ｅの方位が調整される。つまり、反射面（ウインドシールドの各領域Ｗ）に対して、パターニング偏光画像の光の電界成分が垂直になるように、パターン位相差板５１は、パターニング偏光画像の領域毎の偏光軸Ｅの方位を調整する。直線偏光膜４１１の透過軸と、パターン位相差板５１の進相軸とがなす角は、例えば、－５～＋５［ｄｅｇｒｅｅ］に設定される（言い換えると、パターン位相差板５１の面内での遅相軸の方向のばらつきは、１０度未満である）。

【0025】

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態のＨＵＤ装置における画像生成部の構成の説明を提供する。図４に示す画像生成部は、レーザー走査型表示パネルを有する態様である。本実施形態のＨＵＤ装置では、偏光パターニング光学部材５０としてのパターン位相差板５１を有する。

【0026】

レーザー走査型表示パネル５００（画像生成部２１の一例。）は、レーザーモジュール５１０と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーからなるスキャナ５２０と、スクリーン５３０（表示面３０の一例）と、を備える。スキャナ５２０は、レーザーモジュール５１０から時分割的に変調されたレーザービーム５７０をスクリーン５３０に向けて二次元的に走査することで、スクリーン５３０上に２次元の表示画像を表示する。

【0027】

折返しミラー５６０は、レーザーモジュール５１０から出射されたレーザービーム５７０の光路上に配置され、レーザービーム５７０をスキャナ５２０へ反射する。なお、折返しミラー５６０は、省略されてもよい。

【0028】

スクリーン５３０の表面、即ち観察者側表面には、偏光パターニング光学部材５０の一例であるパターン位相差板５１が配置されている。パターン位相差板５１は、第１実施形態と同様であり、説明は省略する。

【0029】

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態のＨＵＤ装置における画像生成部の構成の説明を提供する。図５に示す画像生成部は、液晶表示パネルを有する態様である。本実施形態のＨＵＤ装置では、偏光パターニング光学部材５０としてのパターン偏光板５２を有する。

【0030】

液晶表示パネル４００（画像生成部２１の一例。）は、直線偏光膜４１２と、その表面側に配置される液晶セル４１０と、光源４２０と、を有する。

【0031】

液晶セル４１０の表面、即ち観察者側表面には、偏光パターニング光学部材５０の一例であるパターン偏光板５２が配置されている。パターン偏光板５２は、面内で透過軸の方向が異なるパターン偏光フィルムである。液晶表示パネル４００から入射される直線偏光画像は、パターン偏光板５２に入射すると、領域毎に設定された透過軸と平行な光が透過するので、領域毎に異なる偏光軸Ｅを有するパターニング偏光画像として出射される。パターン偏光板５２の面内で設定される透過軸は、液晶表示パネル４００の直線偏光膜４１２の透過軸に対して、８０～１００［ｄｅｇｒｅｅ］、又は２６０～２８０［ｄｅｇｒｅｅ］（好ましくは、８５～９５［ｄｅｇｒｅｅ］、又は２６５～２７５［ｄｅｇｒｅｅ］）異なるように配置される。

【0032】

パターン偏光板５２の透過軸が、液晶表示パネル４００の直線偏光膜４１２の透過軸に対して、９０又は２７０［ｄｅｇｒｅｅ］以外に設定される場合、液晶セル４１０の画素が明状態と暗状態とで切り替えられるだけでは、パターン偏光板５２の透過率が低下してしまうことが想定される。よって、この場合、液晶セル４１０の画素は、偏光状態を、明状態と暗状態との間の中間値に制御可能とし、パターン偏光板５２の領域毎の透過軸の方向に合った中間値で、液晶セル４１０の面内の領域毎に、偏光状態を制御してもよい。

【0033】

（第４実施形態）
図６は、第４実施形態のＨＵＤ装置における画像生成部の構成の説明を提供する。図５に示す画像生成部は、液晶表示パネルを有する態様である。本実施形態のＨＵＤ装置では、偏光パターニング光学部材５０としてのパターン位相差板５１、及びパターン偏光板５２を有する。

【0034】

パターン位相差板５１は、液晶セル４１０の表面、即ち観察者側表面に配置され、パターン偏光板５２は、パターン位相差板５１の表面に配置されている。図６の例では、画像生成部２１として液晶表示パネル４００が記載されているが、これに限らず、レーザー走査型表示パネル５００であってもよい。画像生成部２１から入射される直線偏光画像は、パターン位相差板５１を通過することで、領域毎に異なる偏光軸Ｅを有するパターニング偏光画像として出射される。次に、パターン位相差板５１からのパターニング偏光画像は、パターン偏光板５２に入射すると、領域毎に設定された透過軸と平行な光が透過するので、領域毎に異なる偏光軸Ｅを有するパターニング偏光画像として出射される。言い換えると、パターン偏光板５２は、領域毎に設定された透過軸と平行ではない、所望の偏光軸Ｅを有さない光を減衰（遮断も含む）する。

【0035】

上述した偏光パターニング光学部材５０で領域毎に偏光軸Ｅの方位が異なるように調整されたパターニング偏光画像は、被投影部材６０に投影され、被投影部材６０の複数の部分領域Ｗ（図５参照。）でアイボックス２００に向けて反射される。被投影部材６０の部分領域Ｗで反射され、アイボックス２００における所定の位置（例えば、中心２０５）に向かう各光が、被投影部材６０の部分領域ＷにＰ偏光で入射するように、パターニング偏光画像の領域毎の偏光軸Ｅの方位が調整される。つまり、反射面（ウインドシールドの各領域Ｗ）に対して、パターニング偏光画像の光の電界成分が垂直になるように、パターン位相差板５１は、パターニング偏光画像の領域毎の偏光軸Ｅの方位を調整する。

【0036】

図７は、被投影部材６０に入射する表示光２０ａの偏光軸Ｅを、車両１の前方を向いた観察者（なお、前記観察者は、アイボックス２００の中心２０５に目を配置している。）から見た概念図である。図８は、図７の要部（前記要部は、アイボックス２００の中心２０５に目を配置した観察者から見て、虚像表示領域１００と重なる被投影部材２の一部である。）を拡大した図であり、被投影部材６０の部分領域Ｗ毎に入射する表示光２０ａの偏光軸Ｅを示す図である。図８では、被投影部材６０は、縦（上下方向）の境界線で区画されたＷ１１～Ｗ１７の７個の部分領域が設けられ、縦長の長方形の外形を有する各部分領域Ｗ１１～Ｗ１７は、左から右に向かって、隣接して配置（配列）されている。ＨＵＤ装置２０は、これら部分領域Ｗ１１～Ｗ１７毎に、異なる偏光軸Ｅを有するパターニング偏光画像の表示光２０ａを投射する。すなわち、部分領域Ｗ１１、Ｗ１２、・・・Ｗ１７には、それぞれ異なる偏光軸Ｅ１１、Ｅ１２、・・・Ｅ１７を有する表示光２０ａが投影される。

【0037】

部分領域Ｗの左右方向の端部（部分領域Ｗの左右方向の前記端部は、図８では、Ｗ１１とＷ１７である。）の間の特定の部分領域ＷＡ（前記特定の部分領域は、図８では、Ｗ１４である。）で反射される表示光２０ａの基準偏光軸ＥＡ（基準偏光軸ＥＡは、図８では、Ｅ１４である。）が、最も上下方向（Ｙ軸方向）とのなす角が小さくなる（好ましくは、平行となる。）。

【0038】

偏光軸Ｅ（第２の偏光軸Ｅ２）は、特定の部分領域ＷＡより右側に行くにつれて、上下方向に概ね平行な方向から徐々に時計方向に傾く。すなわち、図８の例では、部分領域Ｗ１５での偏光軸Ｅ１５、部分領域Ｗ１６での偏光軸Ｅ１６、部分領域Ｗ１７での偏光軸Ｅ１７は、この順で上下方向に概ね平行な方向（基準偏光軸ＥＡの方向）から徐々に時計方向に傾く。

【0039】

また、偏光軸Ｅ（第１の偏光軸Ｅ１）は、特定の部分領域ＷＡより左側に行くにつれて、上下方向に概ね平行な方向から徐々に反時計方向に傾く。すなわち、図８の例では、部分領域Ｗ１３での偏光軸Ｅ１３、部分領域Ｗ１２での偏光軸Ｅ１２、部分領域Ｗ１１での偏光軸Ｅ１１は、この順で上下方向に概ね平行な方向（基準偏光軸ＥＡの方向）から徐々に反時計方向に傾く。

【0040】

すなわち、パターン位相差板５１の第１の態様では、段階的に偏光軸Ｅの方位を変化させる３つ又はそれ以上の偏光領域を有する。（前記３つの偏光領域は、（１）特定の部分領域ＷＡに投射される基準偏光軸ＥＡを設定する領域と、観察者から見て、（２）特定の部分領域ＷＡの右側の部分領域Ｗに投射され、基準偏光軸ＥＡを時計方向に傾かせた偏光軸Ｅを設定する領域と、（３）特定の部分領域ＷＡの左側の部分領域Ｗに投射され、基準偏光軸ＥＡを反時計方向に傾かせた偏光軸Ｅを設定する領域と、を含む。

【0041】

いくつかの実施形態における偏光パターニング光学部材５０は、透過軸（又は進相軸）の方位が段階的に異なる偏光領域の個数が、偏光領域の区切り方によって異なるために特に限定されないが、３～２０００個であることが好ましい（図８の例では、７個）。つまり、ＨＵＤ装置２０は、被投影部材２の部分領域Ｗ毎に入射する表示光２０ａの偏光軸Ｅをそれぞれ調整することができる。

【0042】

また、いくつかの実施形態における偏光パターニング光学部材５０は、観察者から見た左右方向に沿って配列される部分領域Ｗ毎に入射する表示光２０ａの偏光軸Ｅを調整するように配置される複数の偏光領域を有する。これによれば、ＨＵＤ装置２０は、被投影部材２に対する表示光２０ａの偏光軸Ｅの方位が変化しやすい左右方向で偏光軸Ｅを適切に調整することができる。

【0043】

また、いくつかの実施形態における偏光パターニング光学部材５０は、観察者から見た左右方向に沿って配列される部分領域Ｗが、上下方向に平行な境界線で区画されるように配置される複数の偏光領域を有する。これによれば、１つの部分領域Ｗ内での被投影部材２に対する表示光２０ａの偏光軸Ｅの方位のばらつきを抑えることができる。

【0044】

なお、観察者から見た左右方向に沿って配列される部分領域Ｗは、上下方向に平行の境界線で区画されていなくてもよく、すなわち、図９のように複数の部分領域Ｗの境界線が上下方向に対して斜めに配置されてもよい。なお、複数の部分領域Ｗの境界線は、直線ではなく、曲線となり得る。

【0045】

また、いくつかの実施形態における偏光パターニング光学部材５０は、複数の部分領域Ｗの観察者から見た左右方向に沿った幅Ｄが、不均一となるように区画されるように配置される複数の偏光領域を有していてもよい。

【0046】

具体的に、例えば、偏光パターニング光学部材５０は、図１０に示すように、表示領域１００の左右方向の中央側の部分領域Ｗ１４の幅Ｄ４を最大として、表示領域１００の左右方向の端部側に向かうにつれて、徐々に幅が狭くなる（Ｄ４＞Ｄ３＞Ｄ２＞Ｄ１、Ｄ４＞Ｄ５＞Ｄ６＞Ｄ７）ように配置される複数の偏光領域を有する。すなわち、偏光パターニング光学部材５０は、最も上下方向に沿った方位を有する基準偏光軸ＥＡが入射する特定の部分領域ＷＡの近傍で、被投影部材６０の左右方向の位置に応じた偏光軸Ｅの方位の変化率が緩やかになるように偏光パターンを段階的に変化させてもよい。これによれば、１つの部分領域Ｗ内での被投影部材２に対する表示光２０ａの偏光軸Ｅの方位のばらつきを抑えることができる。

【0047】

なお、いくつかの実施形態では、左右方向の幅Ｄを最大とする部分領域Ｗは、上記の特定の部分領域ＷＡであってもよい。これによれば、部分領域Ｗの数の増加を抑制しつつ、１つの部分領域Ｗ内での被投影部材２に対する表示光２０ａの偏光軸Ｅの方位のばらつきを抑えることができる。

【0048】

また、上記第１の態様の偏光パターニング光学部材５０は、段階的に偏光軸Ｅの方位を変化させる３つ又はそれ以上の偏光領域を有していたが、これに限定されない。第２の態様の偏光パターニング光学部材５０は、偏光軸Ｅの方位を連続的に変化させてもよい。

【0049】

図１１は、被投影部材の位置に対する偏光軸の方位を段階的に変化させる第１の態様Ｐ１０、及び連続的に変化させる第２の態様Ｐ２０（Ｐ２１，Ｐ２２）の説明を提供する図であり、被投影部材の左右方向の位置（横軸）に対する偏光軸の方位（縦軸）を示す図である。第１の態様の偏光パターニング光学部材５０は、被投影部材２の部分領域Ｗ１１～Ｗ１７毎に段階的に偏光軸Ｅを変化させる。一方、第２の態様の偏光パターニング光学部材５０は、被投影部材２の左右方向の位置に応じて、偏光軸Ｅを連続的に変化させる。第２の態様の偏光パターニング光学部材５０は、被投影部材２の左右方向の位置に応じた偏光軸Ｅの変化率を保持して変化させてもよく（態様Ｐ２１）、偏光軸Ｅの変化率を動的に変化させてもよい（態様Ｐ２２）。

【0050】

なお、偏光軸Ｅの変化率を動的に変化させる態様のいくつかの実施形態において、図１１に示す態様Ｐ２２のように、偏光パターニング光学部材５０は、最も上下方向に沿った方位を有する基準偏光軸ＥＡが入射する特定の部分領域ＷＡの近傍で、被投影部材６０の左右方向の位置に応じた偏光軸Ｅの方位の変化率が緩やかになるように偏光パターンを連続的に変化させてもよい。

【0051】

また、いくつかの実施形態において、偏光パターニング光学部材５０は、画像生成部２１の表示面３０に配置されるのではなく、リレー光学系２５の表面、画像生成部２１とリレー光学系２５までの表示光２０ａの光路上、又は複数のリレー光学系２５の間での表示光２０ａの光路上に配置されてもよい。

【0052】

なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

【符号の説明】

【0053】

１ ：車両
２ ：被投影部材
１０ ：ヘッドアップディスプレイシステム
２０ ：画像表示部（ヘッドアップディスプレイ装置）
２０ａ ：表示光
２１ ：画像生成部
２１ａ ：表示光
２５ ：リレー光学
２６ ：第１のミラー
２８ ：第２のミラー
３０ ：表示面
３７ ：メモリ
４０ ：表示制御装置
４１ ：Ｉ／Ｏインタフェース
４３ ：プロセッサ
４５ ：画像処理回路
５０ ：偏光パターニング光学部材
６０ ：被投影部材
８０ ：反射型回折素子
１００ ：虚像表示領域
２００ ：アイボックス
２０５ ：中心
４００ ：液晶表示パネル
４１０ ：液晶セル
４１１ ：直線偏光膜
４１２ ：直線偏光膜
４２０ ：光源
５００ ：レーザー走査型表示パネル
５１０ ：レーザーモジュール
５２０ ：スキャナ
５３０ ：スクリーン
５６０ ：折返しミラー
５７０ ：レーザービーム
６００ ：偏光パターン
６１０ ：第１偏光パターン
６５０ ：第２偏光パターン
７００ ：目位置
７００Ｌ ：左目位置
７００Ｒ ：右目位置
Ｅ２ ：第２の偏光軸
ＥＡ ：基準偏光軸
Ｖ ：虚像
Ｗ ：部分領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】