(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】2024-06-10
(45)【発行日】2024-06-18
(54)【発明の名称】ヘッドアップディスプレイ装置
(51)【国際特許分類】
G02B 27/01 20060101AFI20240611BHJP
B60K 35/23 20240101ALI20240611BHJP
【ＦＩ】
G02B27/01
B60K35/23
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2021529183
(86)(22)【出願日】2020-07-02
(86)【国際出願番号】 JP2020026005
(87)【国際公開番号】W WO2021002428
(87)【国際公開日】2021-01-07
【審査請求日】2023-05-19
(31)【優先権主張番号】P 2019124628
(32)【優先日】2019-07-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(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】秦 誠
(72)【発明者】
【氏名】佐治 俊輔
【審査官】山本 貴一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－１１８４２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１９４５５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／０４４７３０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－２１４００８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１６／１７５０３３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－０５６８８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／００８６８４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１９２２３４（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ２７／０１
Ｂ６０Ｋ ３５／２３－３５／２３５
Ｇ０３Ｂ ２１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
車両の前後方向に沿う虚像表示領域で虚像を視認者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、前記虚像の元となる画像光を射出する表示面を有する表示器と、
前記表示面が射出する前記画像光を被投影部に向けてリレーする、ように構成されたリレー光学系と、を備え、
前記虚像表示領域は、遠方虚像領域と、視認者から見て前記遠方虚像領域より近い近傍虚像領域と、から構成され、
前記表示面は、
前記遠方虚像領域に対応した表示面遠方領域と、前記近傍虚像領域に対応した表示面近傍領域と、を含み、
前記表示面近傍領域は、前記近傍虚像領域が前記車両の前後方向に沿って配置されるように、前記視認者に向かう前記画像光の光軸に対して傾いて配置され、
前記表示面遠方領域は、前記近傍虚像領域に対し、前記遠方虚像領域が前記視認者側に起き上がるように、前記表示面近傍領域に対して屈曲して配置される、
ヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項2】
前記表示面遠方領域が、非連続的な表示面屈曲部により、前記表示面近傍領域とつながるように形成され、前記表示面屈曲部に対応する前記虚像表示領域の虚像表示屈曲部が、前記視認者の前方向に２０メートル、又はそれ以上の距離に配置されるように、前記表示面屈曲部が配置される、ように構成される前記表示器、
から構成される、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項3】
前記表示面近傍領域が、前記視認者に向かう前記画像光の光軸に対して傾いて配置されることで生じる前記近傍虚像領域の上側が凸に曲がることを抑制するように、前記リレー光学系側が凹状の曲面に形成される、ように構成される前記表示器、から構成される、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項4】
前記表示面遠方領域が、非連続的な表示面屈曲部により、前記表示面近傍領域とつながるように形成され、
前記遠方虚像領域の虚像表示遠方部で前記虚像を表示するための第１画像光が通過する第１光学的パワーを有する第１領域と、
前記表示面屈曲部に対応する前記虚像表示領域の虚像表示屈曲部で前記虚像を表示するための第５画像光が通過する第５光学的パワーを有する第５領域と、を有し、
前記第１光学的パワーが前記第５光学的パワーより小さい、ように構成されたリレー光学系と、
から構成される、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項5】
前記視認者から見て前記虚像表示屈曲部より近い虚像表示近傍部で前記虚像を表示するための第３画像光が通過する第３光学的パワーを有する第３領域、をさらに含み、前記第５領域から前記第１領域までの光学的パワーの変化率が、前記第３領域から前記第５領域までの光学的パワーの変化率より大きい、ように構成される前記リレー光学系、
から構成される、請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項6】
前記車両の前後方向に対する前記虚像表示領域の接線の角度が、前記視認者の近傍から遠方に向かうにつれて広義単調増加するように、前記第１領域、前記第５領域、及びこれらの間の領域の前記光学的パワーの分布を調整する前記リレー光学系、から構成される、請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項7】
前記虚像表示屈曲部は、前記車両の前後方向で前記視認者から見た前記虚像表示領域の遠方端と近傍端との間であり、前記虚像表示領域の最低位置に配置される、請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項8】
前記虚像表示領域は、一部を路面より下側に配置し、前記虚像表示遠方部を含む他部を前記路面より上側に配置する、請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項9】
前記虚像表示領域は、前記虚像表示屈曲部を含む一部を路面より下側に配置し、前記虚像表示遠方部を含む他部を前記路面より上側に配置する、請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、車両で使用され、車両の前景に画像を重畳して視認させるヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、車両の搭乗者に対向して主画像を表示する表示器と、一端側が主画像に隣接するとともに他端側が一端側よりも手前に位置する副画像を表示する投影器及びスクリーンと、を備えるヘッドアップディスプレイ装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１６－７１０５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１のヘッドアップディスプレイ装置では、運転者に対向するような画像を表示するための表示器と、路面に沿うように配置される表示器（投影器とスクリーン）と、の２つの表示器が必要となり、部品費などが上昇してしまうことが想定される。
【課題を解決するための手段】
【0005】
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。
【0006】
本開示の概要は、コストを抑えつつ、路面に沿うような表示領域と、路面に沿う角度から起き上がったような傾きの表示領域と、を有するヘッドアップディスプレイ装置を提供することに関する。
【0007】
したがって、本明細書に記載される実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は、車両の前後方向に沿う虚像表示領域で虚像を視認者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、虚像表示領域は、遠方虚像領域と、視認者から見て遠方虚像領域より近い近傍虚像領域と、から構成され、表示器における表示面は、遠方虚像領域に対応した表示面遠方領域と、近傍虚像領域に対応した表示面近傍領域と、を含み、表示面近傍領域は、近傍虚像領域が車両の前後方向に沿って配置されるように、視認者に向かう画像光の光軸に対して傾いて配置され、表示面遠方領域は、近傍虚像領域（１５３）に対し、遠方虚像領域が視認者側に起き上がるように、表示面近傍領域に対して屈曲して配置される。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】いくつかの実施形態に係る、ヘッドアップディスプレイ装置の車両への適用例を示す図である。
【図2】いくつかの実施形態に係る、ヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す図である。
【図3A】比較例のリレー光学系と表示面との配置を示す図である。
【図4A】いくつかの実施形態に係る、リレー光学系と表示面との配置を示す図である。
【図5A】いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の奥行き方向（Ｚ軸方向）の位置とチルト角との関係を示す図である。
【図5B】いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の奥行き方向（Ｚ軸方向）の位置とチルト角との関係を示す図である。
【図5C】いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の奥行き方向（Ｚ軸方向）の位置とチルト角との関係を示す図である。
【図6】いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の配置を示す図である。
【図7A】いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の配置を示す図である。
【図7B】いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の配置を示す図である。
【図8】いくつかの実施形態に係る、リレー光学系と表示面との配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図１及び図２では、例示的な車両用表示システム、及びヘッドアップディスプレイ装置の構成の説明を提供する。また、図３Ａ、図３Ｂでは、比較例の説明を提供し、図４Ａないし図８では、本実施形態の構成の説明を提供する。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。下記の実施形態に変更（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。
【0010】
図１を参照する。車両用表示システム１０は、ＨＵＤ装置２０と、ＨＵＤ装置２０を制御する表示制御装置３０と、で構成される。なお、本実施形態の説明では、車両１の運転席に着座する視認者（運転者４）が車両１の前方を向いた際の左右方向をＸ軸（左方向がＸ軸正方向）、上下方向をＹ軸（上方向がＹ軸正方向）、前後方向をＺ軸（前方向がＺ軸正方向）とする。
【0011】
車両用表示システム１０におけるＨＵＤ装置２０は、車両１のダッシュボード５内に設けられたヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ－Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）装置である。ＨＵＤ装置２０は、画像光４０をフロントウインドシールド２（被投影部の一例である）に向けて出射し、フロントウインドシールド２で反射された画像光４０により所定領域のアイボックス（不図示）を生成する。運転者４は、アイポイントを前記アイボックスに配置することで、ＨＵＤ装置２０が表示する画像の全体を視認することができる。なお、ここでは、前記アイボックスを画像の全体が見える領域と定義したが、これに限定されるものではなく、視認者が視認するＨＵＤ装置２０の表示する画像の歪みが所定閾値内に収まる領域など、ＨＵＤ装置２０が表示する画像が所望の状態で視認される領域である。フロントウインドシールド２（被投影部の一例である。）よりも前方側（Ｚ軸正方向）の虚像表示領域１００で画像（虚像）を視認させる。これにより、運転者４は、フロントウインドシールド２を介して視認される現実空間である前景３００に重なった画像（虚像）を視認できる。
【0012】
本実施形態の車両用表示システム１０（ＨＵＤ装置２０）は、虚像表示領域１００を路面３１０（前景３００の一例。）に沿うように形成する。具体的には、路面３１０に沿うような虚像表示領域１００は、虚像表示領域１００の遠方端１１０と近傍端１２０との間の奥行方向（Ｚ軸方向）の距離１００Ｚが、虚像表示領域１００の最高位置（図１では遠方端１１０）と最低位置（図１では近傍端１２０）との間の高さ方向（Ｙ軸方向）の距離１００Ｙよりも２０倍、又はこれより長いことを示し、さらに好ましくは、奥行方向（Ｚ軸方向）の距離１００Ｚが、高さ方向（Ｙ軸方向）の距離１００Ｙよりも４０倍、又はこれより長いことを示す。一実施例の虚像表示領域１００において、（Ｚ座標［ｍｅｔｅｒ］、Ｙ座標［ｍｅｔｅｒ］）で表し、前記アイボックスの高さ方向の中心を（０、１．２）とすると、近傍端１２０は（１４．５、０．０）、遠方端１１０（最高位置）は（５３．４、１．４８）、前記アイボックスの中心から運転者４が見た場合の遠方端１１０と近傍端１２０との中心は（２７．３、０．１５）であり、この場合、奥行方向（Ｚ軸方向）の距離１００Ｚが３８．９［ｍｅｔｅｒ］、高さ方向（Ｙ軸方向）の距離１００Ｙが１．４８［ｍｅｔｅｒ］となり、奥行方向（Ｚ軸方向）の距離１００Ｚが高さ方向（Ｙ軸方向）の距離１００Ｙの２６倍となる。なお、虚像表示領域１００は、ＨＵＤ装置２０の内部で生成された画像が、虚像として結像する曲面、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の後述する表示面（スクリーン２４）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の後述する表示面に対応し、虚像表示領域１００で視認される虚像は、ＨＵＤ装置２０の後述する表示面に表示される画像に対応している、と言える。虚像表示領域１００自体は、実際に運転者４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。
【0013】
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、画像を表示する表示面を有する表示器２１と、リレー光学系２５と、を含む。
【0014】
図２の表示器２１は、プロジェクタ２２（画像生成部の一例）と、プロジェクタ２２からの投影光を受光して画像（実像）を表示するスクリーン２４（表示面の一例）と、で構成されるプロジェクション型ディスプレイである。なお、表示器２１は、ＬＣＤなどのバックライトからの光を透過する透過型ディスプレイ（画像生成部の一例）であってもよく、自発光型ディスプレイ（画像生成部の一例）であってもよい。これらの場合、表示面は、透過型ディスプレイにおけるディスプレイ表面（表示面の一例）であり、プロジェクション型ディスプレイのスクリーン２４（表示面の一例）である。前記表示面は、前記表示面から、後述のリレー光学系２５及び前記被投影部を介して前記アイボックス（前記アイボックスの中央）へ向かう画像光４０の光軸４０ｐに対し垂直になる角度から傾いて配置され、これにより、虚像表示領域１００を路面３１０に沿うように配置することができる。なお、表示器２１は、表示制御装置３０により制御されるモータなどのアクチュエータ（不図示）が取り付けられ、表示面を移動、及び／又は回転可能であってもよい。
【0015】
本実施形態の表示面２４は、非平面であり、平面もしくは曲面の連続性が失われる（折れ曲がる）境界（後述する表示面屈曲部ＩＭ５）を有し、これにより、虚像表示領域１００の遠方側の遠方虚像領域１５１を、虚像表示領域１００の遠方虚像領域１５１より近傍側の近傍虚像領域１５３よりも起き上がらせる。これについては、後で詳述する。
【0016】
リレー光学系２５は、表示器２１とフロントウインドシールド２（被投影部の一例。）との間の表示器２１からの画像の光（表示器２１から前記アイボックスへ向かう光。）の光路上に配置され、表示器２１からの画像の光をＨＵＤ装置２０の外側のフロントウインドシールド２に投影する１つ又はそれ以上の光学部材で構成される。図２のリレー光学系２５は、第１ミラー２６と、第２ミラー２８と、を含む。
【0017】
第１ミラー２６は、一端から他端に向けて曲率半径が概ね一定の凹状の自由曲面形状である。換言すると、第１ミラー２６は、領域毎に光学的パワーが概ね同じ曲面形状であり、すなわち、画像光４０が通る領域（光路）に応じて画像光４０に付加される光学的パワーが同じである。具体的には、前記表示面の各領域から前記アイボックスへ向かう第１画像光４１、第２画像光４２、第３画像光４３（図２参照）とで、リレー光学系２５によって付加される光学的パワーが概ね同じである。
【0018】
なお、第２ミラー２８は、平面ミラーであるが、これに限定されず、平面ではなく、光学的パワーを有する曲面であってもよい。
【0019】
また、リレー光学系２５は、領域毎に光学的パワーが異なる曲面形状の複数のミラーを合成することで、画像光４０が通る領域（光路）に応じて付加される光学的パワーが概ね同じになるように、複数のミラーの領域毎の光学的パワーを設定してもよい。
【0020】
なお、本実施形態では、リレー光学系２５は、２つのミラーを含んでいたが、これに限定されるものではなく、これらに追加又は代替で、１つ又はそれ以上の、レンズなどの屈折光学部材、ホログラムなどの回折光学部材、反射光学部材、又はこれらの組み合わせを含んでいてもよい。
【0021】
また、本実施形態のリレー光学系２５は、この曲面形状（光学的パワーの一例。）により、虚像が結像される位置（虚像表示領域１００）までの距離を設定する機能、及びスクリーン２４（表示面）に表示された画像を拡大した虚像を生成する機能、を有するが、これに加えて、フロントウインドシールド２の湾曲形状により生じ得る虚像の歪みを抑制する（補正する）機能、を有していてもよい。
【0022】
また、リレー光学系２５は、表示制御装置３０により制御されるモータなどのアクチュエータ（不図示）が取り付けられ、移動、及び／又は回転可能であってもよい。
【0023】
次に、本実施形態に係る、リレー光学系２５と非平面の表示面２４との配置と、生成される虚像表示領域１００の配置について説明する。本実施形態の虚像表示領域１００は、路面３１０に沿い、遠方側の傾斜が起き上がるように形成される。
【0024】
まず、比較例を図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。図３Ａは、比較例のリレー光学系５００と表示面５２４との配置を示す図である。なお、図３Ａでは、本実施形態との違いをわかりやすくするため、リレー光学系５００の各領域５０１、５０２、５０３の焦点を符号５０１ｆ，５０２ｆ，５０３ｆで表記するが、これら焦点５０１ｆ，５０２ｆ，５０３ｆとリレー光学系５００との距離関係、及び焦点５０１ｆ，５０２ｆ，５０３ｆと表示面５２４との距離関係を正確に示したものではない。比較例では、表示面５２４が、平面である。すなわち、比較例の表示面５２４は、後述する表示面屈曲部ＩＭ５がない。また、次に説明する本発明の実施形態でも同様だが、表示面５２４は、表示面５２４から前記アイボックスへ向かう画像光の光軸５４０ｐとの垂直面５２４ａから角度αだけ傾いて配置される。具体的には、表示面５２４から前記アイボックスへ向かう画像光５４０の光軸５４０ｐの垂直面５２４ａから角度αだけ傾いて配置される。具体的には、表示面５２４は、垂直面５２４ａと比べて、虚像表示領域６００の虚像表示近傍部６０３（図３Ｂ）に対応する表示面５２４における領域Ｍ３から、虚像表示近傍部６０３より遠方の虚像表示領域６００の領域６０２（図３Ｂ）に対応する表示面５２４における領域Ｍ２に向けて徐々にリレー光学系５００から離れるように配置される。換言すると、虚像表示領域６００の虚像表示近傍部６０３に対応する表示面５２４における領域Ｍ３から、虚像表示近傍部６０３より遠方の虚像表示領域６００の領域６０２（図３Ｂ）に対応する表示面５２４における領域Ｍ２に向けて徐々にリレー光学系５００の焦点に近づくように配置される（領域Ｍ２と焦点５０２ｆとの間の距離を、領域Ｍ３と焦点５０３ｆとの間の距離より短くする）。このような場合、図３Ｂに示すように、車両１の左右方向（Ｘ方向）から見ると、生成される虚像表示領域６００の断面は、運転者４側（上側（Ｙ軸正方向））が凸状となる。
【0025】
次に、本実施形態について図４Ａ、図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは、本実施形態のリレー光学系２５と表示面２４との配置を示す図である。本実施形態の表示面２４は、遠方虚像領域１５１に対応した表示面遠方領域２４１と、近傍虚像領域１５３に対応した表示面近傍領域２４３と、を含み、表示面近傍領域２４３が、表示面２４から前記アイボックスへ向かう画像光４０の光軸４０ｐとの垂直面２４ａから角度αだけ傾いて配置される。具体的には、表示面２４は、垂直面２４ａと比べて、虚像表示領域１００の近傍虚像領域１５３内に含まれる虚像表示近傍部１０３対応する表示面２４の表示面近傍部ＩＭ３から、虚像表示領域１００の虚像表示屈曲部１０５に対応する表示面２４の表示面屈曲部ＩＭ５に向けて徐々にリレー光学系２５から離れるように配置される。換言すると、虚像表示領域１００の近傍虚像領域１５３に対応する表示面２４の表示面近傍部ＩＭ３から、虚像表示領域１００の虚像表示屈曲部１０５に対応する表示面２４の表示面屈曲部ＩＭ５に向けて徐々にリレー光学系２５の焦点に近づくように配置される（表示面屈曲部ＩＭ５と焦点２５５ｆとの間の距離を、表示面近傍部ＩＭ３と焦点２５３ｆとの間の距離より短くする）。
【0026】
さらに、本実施形態の表示面２４は、表示面屈曲部ＩＭ５を有し、表示面近傍部ＩＭ３から表示面屈曲部ＩＭ５までの表示面２４の近似的な傾き（図４Ａでの点線）を基準に、表示面屈曲部ＩＭ５から表示面遠方部ＩＭ１までの表示面２４の近似的な傾きがリレー光学系２５に近づくように屈曲する。換言すると、表示面近傍部ＩＭ３から表示面屈曲部ＩＭ５に向けて徐々にリレー光学系２５の焦点に近づくように配置し（表示面屈曲部ＩＭ５と焦点２５５ｆとの間の距離を、表示面近傍部ＩＭ３と焦点２５３ｆとの間の距離より短くし）、かつ表示面屈曲部ＩＭ５から表示面遠方部ＩＭ１に向けて徐々にリレー光学系２５の焦点に近づくように配置する（表示面遠方部ＩＭ１と焦点２５１ｆとの間の距離を、表示面屈曲部ＩＭ５と焦点２５５ｆとの間の距離より長くする）。
【0027】
ここで、物体と凹面ミラーとの間の距離ａ（＞０）、虚像と凹面ミラーとの間の距離ｂ（＞０），そして、凹面ミラーの焦点距離ｆ（＞ａ）の間には、以下の関係式が成り立つ。この関係式によれば、物体と凹面ミラーとの間の距離が短くなるほど、虚像の距離ｂが短くなる。
１／ａ－１／ｂ＝１／ｆ
１／ａ－１／ｂ＝１／ｆ
【0028】
上述したように、表示面２４が、表示面２４から前記アイボックスへ向かう画像光の光軸４０ｐとから傾いて配置されることで、虚像表示領域１００が、路面３１０に沿うように（近傍から遠方に向けて徐々に結像距離が長くなるように）、配置される。表示面２４（表示面遠方領域２４１（表示面遠方部ＩＭ１））から第１ミラー２６の第１領域２５１に投射した第１画像光４１は、表示面遠方領域２４１（表示面遠方部ＩＭ１）が第１領域２５１に近いため、フロントウインドシールド２に反射された際に、（表示面を屈曲させずにリレー光学系に近づけない場合と比較して）フロントウインドシールド２からの結像距離が短くなる。
【0029】
本実施形態の表示面２４は、表示面屈曲部ＩＭ５を境界にした表示面遠方領域２４１を、表示面近傍部ＩＭ３から表示面屈曲部ＩＭ５までの表示面２４の近似的な傾き（図４Ａでの点線）よりも、リレー光学系２５に近づける（物体と凹面ミラーとの間の距離を小さくする）ことで、虚像表示領域１００の遠方虚像領域１５１（遠方端１１０も含む）が路面３１０に沿う傾きから起き上がるように湾曲させることができる。遠方虚像領域１５１（遠方端１１０も含む）が路面３１０に沿う傾きから起き上がるように湾曲させるとは、図４Ｂ示すように、遠方虚像領域１５１（虚像表示遠方部１０１）における虚像表示領域１００の接線と路面３１０との間のチルト角θ（第１チルト角θ１）が、遠方虚像領域１５１より運転者４に近い近傍虚像領域１５３（中央部１０２）における虚像表示領域１００の接線と路面３１０との間のチルト角θ（第２チルト角θ２）より大きく、かつチルト角θが、中央部１０２（近傍側）から遠方虚像領域１５１（遠方側）に向かうに連れて連続的に増加する（単調増加する）。
【0030】
図５Ａないし図５Ｃは、実施形態に係る、虚像表示領域１００の奥行き方向（Ｚ軸方向）の位置とチルト角θとの関係を示す図である。本実施形態では、遠方虚像領域１５１（遠方端１１０）が遠方虚像領域１５１より近傍の中央部１０２より路面３１０に沿う傾きから起き上がればよく、図５Ａに示すように、近傍端１２０から遠方端１１０に向かうにつれてチルト角θが単調増加することに限定されるものではない。
【0031】
すなわち、いくつかの実施形態では、図５Ｂに示すように、虚像表示近傍部１０３から虚像表示屈曲部１０５までのチルト角θの増加率（変化率）が、虚像表示屈曲部１０５から虚像表示遠方部１０１までのチルト角θの増加率（変化率）より小さくなるようにしてもよい。この場合、表示面２４は、表示面近傍部ＩＭ３と第３画像光４３が通るリレー光学系２５の第３領域２５３との間の距離から、表示面屈曲部ＩＭ５と第５画像光４５が通るリレー光学系２５の第５領域２５５との間の距離までの増加率を、表示面屈曲部ＩＭ５と第５画像光４５が通るリレー光学系２５の第５領域２５５との間の距離から、表示面遠方部ＩＭ１と第１画像光４１が通るリレー光学系２５の第１領域２５１との間の距離までの増加率より小さくする。これにより、奥行き方向の距離の増加に従う、近傍虚像領域と路面との間の距離の変化を小さく抑えることができる。
【0032】
また、いくつかの実施形態では、図５Ｃに示すように、近傍虚像領域１５３から中央部１０２までのチルト角θの変化率を負の値から徐々にゼロまで増加させ、中央部１０２から遠方端１１０までのチルト角θの増加率（変化率）をゼロより大きくしてもよい。この場合の虚像表示領域１００の配置を図６に示す。すなわち、この虚像表示領域１００は、近傍虚像領域１５３から中央部１０２まで徐々に上下方向（Ｙ軸方向）の位置が低くなり、中央部１０２を最低位置とし、中央部１０２から遠方端１１０まで徐々に上下方向（Ｙ軸方向）の位置が高くなり、近傍端１２０を最高位置とする。この場合、上記実施形態よりも表示面２４の傾きαを大きくし、かつ、表示面近傍部ＩＭ３と第３画像光４３が通るリレー光学系２５の第３領域２５３との間の距離から、表示面屈曲部ＩＭ５と第５画像光４５が通るリレー光学系２５の第５領域２５５との間の距離までの増加率を、表示面屈曲部ＩＭ５と第５画像光４５が通るリレー光学系２５の第５領域２５５との間の距離から、表示面遠方部ＩＭ１と第１画像光４１が通るリレー光学系２５の第１領域２５１との間の距離までの増加率より小さくする。これにより、奥行き方向の距離の増加に従う、近傍側の虚像表示領域と路面との間の距離の変化を小さく抑えることができる。
【0033】
また、いくつかの実施形態では、虚像表示領域１００の最低位置を含む一部を路面３１０よりも下に配置し、虚像表示領域１００の遠方端１１０を含む一部を路面よりも上に配置してもよい。例えば、虚像表示領域１００は、図７Ａに示すように、近傍端１２０が最低位置となり、近傍端１２０から遠方端１１０に向けた途中までを路面３１０の下に配置し、これより遠方端１１０までの他部を路面３１０の上に配置してもよい。また、虚像表示領域１００は、図７Ｂに示すように、遠方端１１０と近傍端１２０との間の中央部１０２を最低位置としてもよい。視認者から見て路面に対して虚像が手前側にズレて表示される場合の違和感は、路面に対して画像が奥側にズレて表示される場合の違和感より大きい。したがって、車両１の角度が変化した場合でも路面３１０より上側に虚像表示領域１００が配置されることを抑制することができ、また、車両１の角度が変化により近傍側の虚像表示領域が路面３１０の上側に配置される場合でも、近傍側の画像と路面３１０との高さ方向の距離を小さく抑えることができる。
【0034】
また、いくつかの実施形態では、虚像表示領域１００の虚像表示屈曲部１０５が、運転者４（車両１）の前方向に２０メートル、又はそれ以上の距離に配置されるように、表示面２４の表示面屈曲部ＩＭ５の位置を設定してもよい。これによれば、虚像表示領域１００は、車両１の前方向に２０メートル、又はそれ以上の距離から遠方側に向かうにつれて、車両１の前後方向に対する虚像表示領域１００の接線のチルト角θが単調増加し、路面３１０に沿った角度から起き上がる。本発明の発明者は、視認者から２０メートル以上離れた物体に対する距離感（距離感）が鈍くなることを認識した。すなわち、視認者から２０メートル以上離れた位置から虚像表示領域と路面との間の距離を単調増加させても、視認者が虚像表示面と路面との間の距離差を知覚しにくく（２０メートル未満の虚像表示領域に表示された画像と同様に路面に沿って表示されているように知覚させやすく）、かつ遠方側の虚像表示領域を路面に沿う角度から視認者側に起き上がらせるように湾曲させることで、視認者から見た遠方側の虚像表示面を広い前景（例えば、路面）の領域に重ねることができる。換言すると、虚像表示領域の単位面積あたりの重なる前景（例えば、路面）の面積を拡げることができ、広い前景に対して効率的に画像を重ねて表示することができる。
【0035】
上記実施形態では、第１ミラー２６は、一端から他端に向けて曲率半径が概ね一定の自由曲面形状であったが、これに限定されるものではなく、曲率が概ね一定でなくてもよい。特に、本実施形態では、表示面２４に表示面屈曲部ＩＭ５を設けることで、虚像表示領域１００の遠方側の傾斜を、路面に沿う角度から起き上がるようにしているが、これに加えて、第１ミラー２６（リレー光学系２５）の領域毎に曲率半径（光学的パワー）を異ならせることで、虚像表示領域１００の遠方側の傾斜を、より路面に沿う角度から起き上がりやすくしてもよい。
【0036】
具体的には、第１ミラー２６は、一端から他端に向けて曲率半径が徐々に変化する自由曲面形状であってもよい。換言すると、第１ミラー２６は、領域毎に光学的パワーが異なる曲面形状であり、すなわち、画像光４０が通る領域（光路）に応じて画像光４０に付加される光学的パワーが異なってもよい。具体的には、前記表示面の各領域から前記アイボックスへ向かう第１画像光４１、第２画像光４２、第３画像光４３（図２参照）とで、リレー光学系２５によって付加される光学的パワーが異なる。
【0037】
なお、第２ミラー２８は、平面ではなく、光学的パワーを有する曲面であってもよい。すなわち、リレー光学系２５は、複数のミラー（例えば、本実施形態の第１ミラー２６、第２ミラー２８。）を合成することで、画像光４０が通る領域（光路）に応じて付加される光学的パワーを異ならせてもよい。
【0038】
図８は、本実施形態のリレー光学系２５と表示面２４との配置を示す図である。なお、図８は、比較例との違いをわかりやすくするため、リレー光学系２５の各領域２５１，２５２，２５３の焦点を符号２５１ｆ，２５２ｆ，２５３ｆで表記するが、リレー光学系２５、又は表示面２４との距離関係を正確に示したものではない。図８のリレー光学系２５は、領域毎に曲率半径が異なる。具体的には、運転者４から見て虚像表示領域１００の遠方虚像領域１５１に虚像を表示する第１画像光４１が通るリレー光学系２５の第１領域（第１光路）２５１の第１光学的パワーを、運転者４から見て虚像表示領域１００の遠方虚像領域１５１よりも近い虚像表示屈曲部１０５に虚像を表示する第２画像光４２が通るリレー光学系２５の第２領域（第２光路）２５２の第２光学的パワーより小さくする。すなわち、リレー光学系２５の主たる光学的パワーが凹面鏡である第１ミラー２６に起因する場合、第１画像光４１を反射する第１領域２５１の第１曲率半径（第１光学的パワーの一例。）を、第２画像光４２を反射する第２領域２５２の第２曲率半径（第２光学的パワーの一例。）より大きくする。第１画像光４１を反射する第１領域２５１の第１曲率半径が大きくなると、第１領域２５１の焦点２５１ｆの焦点距離（曲率半径の１／２）が長くなる。
【0039】
上述した「１／ａ－１／ｂ＝１／ｆ」の関係式によれば、凹面ミラーの曲率半径が大きく（ミラーの曲率が小さく）なれば、凹面ミラーの焦点距離が長くなり、焦点距離が長いほど、虚像の距離ｂが短くなる。
【0040】
表示面２４が、表示面２４から前記アイボックスへ向かう画像光の光軸４０ｐとから傾いて配置されることで、虚像表示領域１００が、路面３１０に沿うように（近傍から遠方に向けて徐々に結像距離が長くなるように）、配置される。表示面２４から第１ミラー２６の曲率半径が大きい第１領域２５１に投射した第１画像光４１は、焦点距離（第１領域２５１から焦点２５１ｆまでの距離）が長いため、フロントウインドシールド２に反射された際に、（曲率半径を大きくしない場合と比較して）フロントウインドシールド２からの結像距離が短くなる。
【0041】
本実施形態のリレー光学系２５は、通過する画像光で表示される虚像が遠方側である程、光学的パワーを徐々に小さくする（曲率半径を徐々に大きくする）ことで、虚像表示領域１００の遠方虚像領域１５１（遠方端１１０）が路面３１０に沿う傾きから起き上がるように湾曲させることができる。したがって、虚像表示面の遠方虚像領域が路面から起き上がるように表示面２４を屈曲させることと、同様に虚像表示面の遠方虚像領域が路面から起き上がるようにリレー光学系２５の光学的パワーを領域毎に異ならせること、とを組み合わせることで、より虚像表示面を大きく湾曲させることも可能となり、また、表示面２４、リレー光学系２５の設計自由度を向上させることも可能である。
【0042】
遠方虚像領域１５１に対応する表示面遠方部ＩＭ１と、近傍虚像領域１５３に対応する表示面近傍部ＩＭ３とは、非連続的に結合される。すなわち、表示面２４は、表示面遠方部ＩＭ１は、なめらかな曲面によってではなく、非連続的な表示面屈曲部ＩＭ５により、表示面近傍部ＩＭ３とつながる、ように形成される。
【符号の説明】
【0043】
１ ：車両
２ ：フロントウインドシールド
４ ：運転者
５ ：ダッシュボード
１０ ：車両用表示システム
２０ ：ＨＵＤ装置
２１ ：表示器
２２ ：プロジェクタ
２４ ：スクリーン（表示面）
２５ ：リレー光学系
２６ ：第１ミラー
２８ ：第２ミラー
３０ ：表示制御装置
４０ ：画像光
４０ｐ ：光軸
４１ ：第１画像光
４２ ：第２画像光
４３ ：第３画像光
４５ ：第５画像光
１００ ：虚像表示領域
１０１ ：虚像表示遠方部
１０２ ：中央部
１０３ ：虚像表示近傍部
１０５ ：虚像表示屈曲部
１１０ ：遠方端
１２０ ：近傍端
１５１ ：遠方虚像領域
１５３ ：近傍虚像領域
２４１ ：表示面遠方領域
２４３ ：表示面近傍領域
２５１ ：第１領域
２５２ ：第２領域
２５３ ：第３領域
２５５ ：第５領域
３１０ ：路面
ＩＭ１ ：表示面遠方部
ＩＭ３ ：表示面近傍部
ＩＭ５ ：表示面屈曲部
α ：角度
θ ：チルト角
θ１ ：第１チルト角
θ２ ：第２チルト角
２ ：フロントウインドシールド
４ ：運転者
５ ：ダッシュボード
１０ ：車両用表示システム
２０ ：ＨＵＤ装置
２１ ：表示器
２２ ：プロジェクタ
２４ ：スクリーン（表示面）
２５ ：リレー光学系
２６ ：第１ミラー
２８ ：第２ミラー
３０ ：表示制御装置
４０ ：画像光
４０ｐ ：光軸
４１ ：第１画像光
４２ ：第２画像光
４３ ：第３画像光
４５ ：第５画像光
１００ ：虚像表示領域
１０１ ：虚像表示遠方部
１０２ ：中央部
１０３ ：虚像表示近傍部
１０５ ：虚像表示屈曲部
１１０ ：遠方端
１２０ ：近傍端
１５１ ：遠方虚像領域
１５３ ：近傍虚像領域
２４１ ：表示面遠方領域
２４３ ：表示面近傍領域
２５１ ：第１領域
２５２ ：第２領域
２５３ ：第３領域
２５５ ：第５領域
３１０ ：路面
ＩＭ１ ：表示面遠方部
ＩＭ３ ：表示面近傍部
ＩＭ５ ：表示面屈曲部
α ：角度
θ ：チルト角
θ１ ：第１チルト角
θ２ ：第２チルト角
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】