(57)【要約】      （修正有）【課題】虚像の立体視での高い視認性を実現する。【解決手段】ＨＵＤ装置は、複数のシリンドリカルレンズを有し、視認領域ＥＢにて複数の視点ＶＰが配列されるように、各シリンドリカルレンズが視点ＶＰを分割するレンチキュラレンズと、レンチキュラレンズを透過する表示光を発する画面を有し、各シリンドリカルレンズに個別に対応する画面上の領域において、各視点ＶＰと対応付けられた視差画像を表示する視差画像表示部１２と、を備える。【選択図】図２
2020024340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示光を投影部（３ａ）に反射させることにより、視認領域（ＥＢ）から視認可能な虚像を表示するように構成された虚像表示装置であって、
互いに配列された複数の視点分割素子（２１，２２１，３２１）を有し、前記視認領域において複数の視点（ＶＰ）が配列されるように、各前記視点分割素子が前記視点を分割する視点分割部（２０，２２０，３２０）と、
前記視点分割部を透過する前記表示光を発する画面（１３ａ）を有し、各前記視点分割素子に個別に対応する前記画面上の各領域（ＣＧＡ）において、各前記視点と対応付けられた視差画像を表示する視差画像表示部（１２）と、を備え、
前記視点分割部の虚像（ＶＩ１）における前記視点分割素子の配列のピッチをＰｄとし、前記視認領域の前記視点の配列の間隔をＰｅとし、前記視認領域から前記視点分割部の虚像までの距離をＬとすると、
【数５】
2020024340.tif 000010
が成立する虚像表示装置。
【請求項２】
Ｐｄは１ｍｍ以上である請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記視差画像表示部が白色を表示したときの前記表示光の波長の重心位置をλｇと定義すると、
【数７】
2020024340.tif 000011
が成立する請求項１又は２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記視点分割素子は、前記視点分割部の虚像において車両の上下方向に沿って延伸するシリンドリカルレンズである請求項１から３のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
観察者の頭部情報に基づいて、前記視差画像を補正するフィードバック制御部（３２）を、さらに備える請求項４に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記視点分割素子は、前記視点分割部の虚像において車両の上下方向及び左右方向に沿って互いに配列されたレンズ素子である請求項１から３のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記視点分割部の虚像において前記視点分割素子のピッチが均等化されるように、前記視点分割部の実体物において、前記視点分割素子のピッチが変調している請求項１から６のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記視点分割部の虚像において前記視点分割素子のピッチが均等化されるように、歪曲収差を修正する歪曲修正レンズ（３２３）を、さらに備える請求項１から６のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記視点分割部は、前記視差画像表示部の虚像を前記視認領域から３ｍ以上かつ５ｍ以下の距離に結像させるように、結像位置を調整する光学パワーを有する請求項１から８のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この明細書による開示は、虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、虚像表示装置が知られている。特許文献１に開示の虚像表示装置において、投射部は、左眼用画像及び右眼用画像を交互に配列された立体視用画像を表示している。そして、視差バリアは、左眼用画像が観察者の左眼に入射するようにし、右眼用画像が観察者の右眼に入射するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２１５５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１では、虚像の位置と立体映像の表示位置とが不一致となっている。これにより、観察者のピントぼけによる立体映像の解像度の低下及び当該立体映像の認識時間の遅れ等の問題が発生するので、虚像の立体視における視認性が十分に良好ではなかった。
【０００５】
開示されるひとつの目的は、虚像の立体視における高い視認性を実現した虚像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ここに開示された態様は、表示光を投影部（３ａ）に反射させることにより、視認領域（ＥＢ）から視認可能な虚像を表示するように構成された虚像表示装置であって、
互いに配列された複数の視点分割素子（２１，２２１，３２１）を有し、視認領域において複数の視点（ＶＰ）が配列されるように、各視点分割素子が視点を分割する視点分割部（２０，２２０，３２０）と、
視点分割部を透過する表示光を発する画面（１３ａ）を有し、各視点分割素子に個別に対応する画面上の各領域（ＣＧＡ）において、各視点と対応付けられた視差画像を表示する視差画像表示部（１２）と、を備え、
視点分割部の虚像（ＶＩ１）における視点分割素子の配列のピッチをＰｄとし、視認領域の視点の配列の間隔をＰｅとし、視認領域から視点分割部の虚像までの距離をＬとすると、
【数１】
2020024340.tif 000003
が成立する。
【０００７】
このような態様によると、この不等式を成立させたことにより、５ｍよりも近い距離での通常の眼の調節において、視点分割部によって分割され、視認領域に配列された複数の視点のうち、観察者の１つの眼球の瞳孔に入る２つないし３つの視点間の位相の整合が回避される。そうすると、観察者の眼球と実質的に共役の関係にある立体映像の表示位置において、各視点に到達する表示光の光線を、逆向きに延長した仮想の光線は、ばらけるように構成される。すなわち、１つの瞳孔に入る各視点の表示位置が互いにずれるようになるので、観察者が実質的に認識する画素数が各視点に応じて確保される。したがって、立体映像の解像度を高くすることができる。以上により、虚像の立体視における高い視認性を実現することが可能となる。
【０００８】
なお、括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の虚像表示装置の車両への搭載状態を示す図である。
【図２】第１実施形態の虚像表示装置の概略構成を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態においてシリンドリカルレンズ、対向画像領域及び視差画像領域の対応関係を模式的に示す図である。
【図４】第１実施形態の画像制御部を示すブロック図である。
【図５】第１実施形態の視点と立体映像との関係を説明するための模式図である。
【図６】第１実施形態における回折の影響を説明するための模式図である。
【図７】実施例１で設定された各数値を示す表である。
【図８】第１実施形態における各視点の光線のばらけ具合を説明するためのグラフである。
【図９】第２実施形態の虚像表示装置の概略構成を示す斜視図である。
【図１０】第３実施形態の虚像表示装置の概略構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。
【００１１】
（第１実施形態）
図１に示すように、本開示の第１実施形態による虚像表示装置は、車両１に用いられ、当該車両１のインストルメントパネル２内に収容されることにより、当該車両１に搭載されているヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置）１００となっている。ＨＵＤ装置１００は、車両１のウインドシールド３に設定された投影部３ａへ画像を投影することにより、観察者としての乗員により視認可能な虚像を表示する。すなわち、投影部３ａにて反射される画像の表示光が、車両１の室内に設けられた視認領域ＥＢに到達することにより、視認領域ＥＢに眼球５が位置する乗員が当該表示光を虚像として知覚する。後に詳述するが、本実施形態において乗員は、虚像によって認識可能となった立体映像ＳＩを認識することとなる。そして、乗員は、立体映像ＳＩによって各種情報を認識することができる。
【００１２】
表示される各種情報としては、例えば車両１の速度、燃料残量等の車両１の状態を示す情報、又は視界補助情報、道路情報等のナビゲーション情報が挙げられる。
【００１３】
以下において、特に断り書きがない限り、前方、後方、前後方向、上方、下方、上下方向、左方、右方、及び左右方向の表記は、水平面ＨＰ上の車両１を基準として記載される。
【００１４】
車両１のウインドシールド３は、例えばガラスないしは合成樹脂により透光性の板状に形成され、インストルメントパネル２よりも上方に配置されている。ウインドシールド３は、後方へ向かう程、インストルメントパネル２から離間するように、傾斜して配置されている。ウインドシールド３は、表示光が投影される投影部３ａを、滑らかな凹状湾曲を呈する曲面状に形成している。表示光の投影部３ａへの入射角は、２０°以上９０°未満に設定されることが多く、例えば６５°に設定される。
【００１５】
なお、投影部３ａは、ウインドシールド３に設けられていなくてもよい。例えば車両１と別体となっているコンバイナを車両１内に設置して、当該コンバイナに投影部３ａが設けられていてもよい。
【００１６】
視認領域ＥＢは、ＨＵＤ装置１００により表示される虚像が所定の規格（例えば虚像を所定の輝度以上で視認できる）を満たすように視認可能となる空間領域であって、アイボックスとも称される。視認領域ＥＢは、典型的には、車両１に設定されたアイリプスと重なるように設定される。アイリプスは、座席４に着座した乗員のアイポイント（すなわち眼球５の位置）の空間分布を統計的に表したアイレンジに基づいて、楕円体状に設定されている。すなわち、視認領域ＥＢは、投影部３ａよりも後方の空間に設定されている。
【００１７】
このようなＨＵＤ装置１００の具体的構成を、図２，３も用いて、以下に説明する。ＨＵＤ装置１００は、ハウジング１０、視差画像表示部１２、レンチキュラレンズ２０、画像制御部３０等により構成されている。
【００１８】
ハウジング１０は、例えば合成樹脂ないしは金属により、遮光性を有する中空形状に形成され、視差画像表示部１２及びレンチキュラレンズ２０を収容している。ハウジング１０は、投影部３ａと対向するように、上方に対して光学的に開口する窓部１０ａを、形成している。窓部１０ａは、透光性ないしは半透光性を有する防塵シート１０ｂによって塞がれている。
【００１９】
視差画像表示部１２は、ハウジング１０において比較的下方に設置されている。本実施形態の視差画像表示部１２は、液晶表示器となっている。視差画像表示部１２は、画像表示パネル１３及びバックライト１４を有し、例えば箱状のケーシングにこれらを収容して形成されている。バックライト１４には、いわゆるエッジ型のバックライト、直下型のバックライト等、種々の構成が採用され得る。
【００２０】
画像表示パネル１３は、画像を実像表示する平板状の表示素子である。本実施形態では、画像表示パネル１３として、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、ＴＦＴ）を用いたＴＦＴ液晶パネルであって、２次元方向に配列された複数の画素により表示画面１３ａを形成するアクティブマトリクス型の透過型液晶パネルが採用されている。
【００２１】
画像表示パネル１３は、長手方向及び短手方向を有する矩形状を呈している。画素が長手方向及び短手方向に沿って配列されることで、表示画面１３ａもまた矩形状を呈している。
【００２２】
画像表示パネル１３には、一対の偏光板及び当該一対の偏光板に挟まれた液晶層等が積層されている。一対の偏光板はその偏光軸を互いに実質直交するように配置されている。液晶層では、画素毎の電圧印加により、印加電圧に応じて液晶層を透過する光の偏光方向を回転させることが可能となっている。こうして、表示画素毎に、表示画面側の偏光板を透過する光の透過率を制御することが可能となっている。
【００２３】
したがって、画像表示パネル１３は、バックライト１４側の表面である照明対象面を当該バックライト１４により照明され、画素毎の透過率が制御されることで、表示画面１３ａに画像を表示することが可能となっている。隣り合う画素には、互いに異なる色のカラーフィルタ（例えば赤、緑及び青）が設けられており、これらの組み合わせにより、様々な色が表現されるようになっている。
【００２４】
表示画面１３ａは、その長手方向が左右方向に沿うように配置され、上方のウインドシールド３側を向いていることにより、表示光は、各画素から上方へと射出されるように発光する。
【００２５】
レンチキュラレンズ２０は、例えばガラスないしは合成樹脂により形成され、透光性を有している。レンチキュラレンズ２０は、複数のシリンドリカルレンズ２１が配列された板状に形成されている。レンチキュラレンズ２０は、表示光の光路上に配置され、例えば表示画面１３ａに接するように配置されていることで、画像表示パネル１３と一体的に構成されている。
【００２６】
レンチキュラレンズ２０は、表示光が投影部３ａに投影されることに伴って、投影部３ａを挟んで視認領域ＥＢとは反対側、すなわちウインドシールド３よりも前方の車外の空間に、当該レンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１を形成する。このレンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１は、表示光が結像されて認識される映像とは別物である。このレンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１は、仮に視差画像表示部１２の電源をオフにすると共にレンチキュラレンズ２０が例えば太陽光等の外光に十分に照明されていれば、視認領域ＥＢからレンチキュラレンズ２０の形状を写した像として実際に確認できる可能性はあるが、そうでなければ、表示光による立体映像ＳＩとの輝度コントラストの影響により直接的な確認は困難である。
【００２７】
シリンドリカルレンズ２１は、レンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１において、上下方向に沿って延伸するように配置される。上述のように傾斜する投影部３ａでの反射によって、レンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１が形成されるので、実体物としてのシリンドリカルレンズ２１は、前後方向に沿って延伸する。実体物としてのシリンドリカルレンズ２１の配列方向は、左右方向に沿っており、虚像ＶＩ１に映るシリンドリカルレンズ２１の配列方向も、左右方向に沿っている。なお、図２では、シリンドリカルレンズ２１のうち一部にのみ符号が付されている。
【００２８】
シリンドリカルレンズ２１の配列のピッチは、レンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１において、均等化されるように、より好ましくは均等なピッチとなるように形成されている。すなわち、実体物としてのシリンドリカルレンズ２１の配列のピッチは、投影部３ａの曲面形状を考慮して、変調している。より詳細に、投影部３ａでの表示光の反射を原因としてレンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１にて生じ得る歪曲収差を考慮して、実体物のシリンドリカルレンズ２１の配列のピッチが、例えばレンチキュラレンズ２０の中央部から左右に向かう程大きくなるように、予め設定されている。なお、本実施形態の「均等化」とは、実体物のシリンドリカルレンズ２１のピッチを均等にした場合の虚像ＶＩ１でのピッチＰｄの乱れに対して、当該乱れが小さくなるように改善が図られていることを意味する。
【００２９】
図３に示すように、各シリンドリカルレンズ２１は、例えば、表示画面１３ａ側の面２１ａを、レンチキュラレンズ２０全体に共通の平面状に形成し、反対側の面２１ｂを、その配列方向を含む縦断面において湾曲する凸シリンドリカル面状に形成している。
【００３０】
そして、面２１ａと対向する画像表示パネル１３の表示画面１３ａ上には、各シリンドリカルレンズ２１に対して個別に対応する対向画像領域ＣＧＡが設定されている。各対向画像領域ＣＧＡは、各々対をなすシリンドリカルレンズ２１と対向する領域として仮想的に（換言すると画像制御上の仮想領域として）設定されている。本実施形態において、各対向画像領域ＣＧＡは、シリンドリカルレンズ２１の延伸方向に沿った方向を長手方向とし、シリンドリカルレンズ２１の配列方向を短手方向とした細長い矩形状の領域となっている。シリンドリカルレンズ２１は、互いに重複せずに隙間なく配列されているので、対向画像領域ＣＧＡも、互いに重複せずに隙間なく配列されている。
【００３１】
各対向画像領域ＣＧＡから射出される表示光が、個別に対応するシリンドリカルレンズ２１に入射するようになっている。シリンドリカルレンズ２１による屈折作用によって、同一の対向画像領域ＣＧＡに属し、配列方向に互いにずれた位置の各画素から射出される各表示光は、レンチキュラレンズ２０を透過することに伴って、配列方向を含む縦断面において互いに異なる方向へ屈折されることとなる。
【００３２】
なお、レンチキュラレンズ２０の各シリンドリカルレンズ２１は、表示画面１３ａの虚像ＶＩ２を視認領域ＥＢから３ｍ以上かつ５ｍ以下の距離に結像させるように、表示画面１３ａの虚像ＶＩ２の結像位置を調整する光学パワーを有していることが好ましい。
【００３３】
図４に示す画像制御部３０は、いわゆるコンピュータであり、少なくとも１つのプロセッサ、メモリ、入出力インターフェースを含む電子回路を主体として構成されている。プロセッサは、メモリに記憶されているコンピュータプログラムを実行する演算回路である。メモリ装置は、例えば半導体メモリ等によって提供され、プロセッサによって読み取り可能なコンピュータプログラム及びデータを非一時的に格納するための非遷移的実体的記憶媒体である。
【００３４】
画像制御部３０は、視差画像表示部１２と通信可能に接続されており、表示画面１３ａに表示される画像を制御する。加えて、画像制御部３０は、通信を用いた電気信号の入力によって、車両１からの各種情報を取得可能に構成されている。なお、画像制御部３０と各要素との間の通信は、有線通信、無線通信を問わず各種の好適な通信方式が採用され得る。
【００３５】
画像制御部３０は、機能ブロックとして、視差画像制御部３１及びフィードバック制御部３２を有している。視差画像制御部３１は、表示画面１３ａの各対向画像領域ＣＧＡを仮想的に設定し、さらに各対向画像領域ＣＧＡをシリンドリカルレンズ２１の配列方向に分割した細切りの視差画像領域ＰＧＡを仮想的に設定した上で、表示画面１３ａに表示される画像を制御する。同一の対向画像領域ＣＧＡに属する視差画像領域ＰＧＡは、典型的には、乗員の眼球５が位置することとなる視認領域ＥＢに設定される視点ＶＰの全数と同数となるように、設けられる。なお、図３は、図の視認性の観点から、視差画像領域ＰＧＡの分割数を実際よりも少なくして記載されている。
【００３６】
同一の対向画像領域ＣＧＡに属する各視差画像領域ＰＧＡでは、視認領域ＥＢに設定される各視点と個別に対応付けられた視差画像が表示される。隣り合う視差画像領域ＰＧＡでは、視認領域ＥＢにおいて隣り合う２視点の間隔（以下、視点間隔Ｐｅという）分の視差を表現するような視差画像が表示される。各視差画像領域ＰＧＡに表示された各視差画像からの表示光が、シリンドリカルレンズ２１において互いに異なる方向へ屈折されることにより、その後の投影部３ａでの反射を経て、視認領域ＥＢにおいて個別に対応する視点ＶＰの位置に到達する。
【００３７】
こうした視差画像が、各対向画像領域ＣＧＡにおいて同様に表示されることにより、１つの視点ＶＰに対して、各対向画像領域ＣＧＡ内の１つの視差画像が個別に対応している。すなわち、１つの視点ＶＰに対して、異なる対向画像領域ＣＧＡに属する複数の視差画像が対応している。より詳細には、１つの視点ＶＰには、各シリンドリカルレンズ２１を経由した所定の視差画像からの表示光がそれぞれ到達するようになっている。
【００３８】
したがって、レンチキュラレンズ２０は、視点分割素子としてのシリンドリカルレンズ２１によって視認領域ＥＢにおける視点ＶＰを複数に分割する視点分割部として機能する。レンチキュラレンズ２０において、視点分割素子を構成するシリンドリカルレンズ２１は、レンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１において左右方向に配列されているので、視認領域ＥＢにおける視点ＶＰも、左右方向に配列されたものとなる。
【００３９】
なお、シリンドリカルレンズ２１により分割される視点ＶＰは、「点」と表現しているが、視点分割素子としてのシリンドリカルレンズ２１を１方向に配列した本実施形態においては、厳密には、シリンドリカルレンズ２１の延伸方向に対応する上下方向に延伸する「線」状に設定される。このため、本実施形態の視点ＶＰは、形状としての「点」というよりは、視るための「位置」を意味している。なお、図２，５では、視点ＶＰのうち一部が模式的に示されている。
【００４０】
視認領域ＥＢにおける視点ＶＰの分割によって、例えば１つの眼球５の瞳孔に対して複数の視点ＶＰが重なれば、これら複数の視点ＶＰから視認される視差画像の間で生じさせられる視差が乗員の認識に影響する。また、例えば右眼に重なる視点ＶＰと、左眼に重なる視点ＶＰとが異なれば、右眼に重なる視点ＶＰから視認される視差画像と、左眼に重なる視点ＶＰから視認される視差画像との間で生じさせられる視差が乗員の認識に影響する。
【００４１】
こうした視差の影響を受け、図５に示すように、表示光によって乗員に認識される映像は、視差画像表示部１２の虚像ＶＩ２そのものというよりは、視差画像表示部１２の虚像ＶＩ２とは異なる距離に浮かび上がる立体映像ＳＩとなる。この立体映像ＳＩと乗員の眼球５とが共役の関係になる。
【００４２】
本実施形態では、乗員の１つの眼球５の瞳孔に複数の視点ＶＰを入れるために、視点間隔Ｐｅが乗員の瞳孔径以下、好ましくは瞳孔径の半分以下となるように設定されている。すなわち、最低でも、右眼の眼球５に２つ以上の視点ＶＰ、左眼の眼球５に２つ以上の視点ＶＰが設定される。このため、本実施形態における視点ＶＰの分割数は、最低でも４つ以上であり、実際的には視認領域ＥＢに多数の視点ＶＰが設定される。
【００４３】
視点間隔Ｐｅを適切に設定することにより、レンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１とは異なる位置（例えば視認領域ＥＢを基準として虚像ＶＩ１よりも遠方）で、各視点ＶＰに入射する表示光の光線が散る（ばらける）ようになる。立体映像ＳＩの表示位置にて各視点ＶＰに対応する光線がばらけるようにすることで、立体映像ＳＩを視認する乗員に画素数が増えたように認識させることができるため、立体映像ＳＩの解像度が高く認識されるようになる。
【００４４】
そして、立体映像ＳＩの表示距離（すなわち視認領域ＥＢから立体映像ＳＩまでの距離）をＺとすると、表示距離Ｚにおける表示光の光線の分布は、乗員の眼の調節がＺに合焦されていると仮定すると、以下の数式２で表される。
【数２】
2020024340.tif 000004
【００４５】
数式２において、Ｐｄはレンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１におけるシリンドリカルレンズ２１の配列のピッチ、Ｌは視認領域ＥＢからレンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１までの距離、ｍは１つの瞳孔に入る視点数、θは視野角、ＰＳＦは回折作用を考慮するための点像分布関数、ｇは視差画像表示部１２の虚像ＶＩ２における画素１ピクセルの発光幅、ｎはレンチキュラレンズ２０の要素レンズ（すなわちシリンドリカルレンズ２１）の数である。
【００４６】
また数式２において、以下の数式３で表される項は、各視点ＶＰ間の立体映像ＳＩの表示位置での位相差を表している。
【数３】
2020024340.tif 000005
【００４７】
ここで本実施形態では、ｍ＝２の条件が設定されている。この条件は、最低２つの視点ＶＰが１つの瞳孔に入ることを意味する。ｍを大きくし過ぎると、視認領域ＥＢ自体が狭くなるため、乗員が頭を少し動かしただけで立体映像ＳＩが視認されなくなってしまうというデメリットが生じる。
【００４８】
１つの眼球５の瞳孔に入る各視点ＶＰの位相が互いにずれるようにするには、数２で示される位相差の絶対値を、１よりも小さく設定すればよい。仮に、位相差の絶対値が１である場合には、１つの眼球５の瞳孔に入った視点ＶＰ間で、位相が一致してしまうため、位相差を１よりも小さく設定すべきである。したがって、以下の数式４の条件が導出される。
【数４】
2020024340.tif 000006
【００４９】
また、乗員の眼の調節は、正視の場合、通常、５ｍよりも近い距離での調節であり、また、運転中では３ｍよりも近い距離に調節することも少ないことが判っている。このため、３≦Ｚ≦５の範囲において、位相差の絶対値が１より小さくなればよいが、表示距離Ｚの上限値であるＺ＝５において、位相差の絶対値が最大となるので、実際には以下の数式５の条件が成立すればよい。
【数５】
2020024340.tif 000007
【００５０】
本実施形態では、この数式５を満たすように、視点間隔Ｐｅ、ピッチＰｄ、及び距離Ｌが設定されている。特に本実施形態では、虚像ＶＩ１の全幅に対して数式４を充たすように、視点間隔Ｐｅ、ピッチＰｄ、及び距離Ｌが設定されている。
【００５１】
図６に示すように、表示画面１３ａ上に表示される視差画像の表示光は、幾何光学に基づけば、シリンドリカルレンズ２１にて屈折されて、当該シリンドリカルレンズ２１の光学パワーに応じた位置に結像される。しかしながら、仮にピッチＰｄを適切に設定しない場合、シリンドリカルレンズ２１の配列が回折格子として機能して、回折作用を受けた表示光は所定の強度分布（図６の視認領域ＥＢ側のドットのハッチング部分を参照）に拡がってしまう。そうすると、視差画像にぼけが発生するばかりか、乗員は、虚像ＶＩ１自体をより近い位置で結像されているように認識してしまう。通常Ｌが１ｍ程度に設定されることを考慮すると、ピッチＰｄは１ｍｍ以上に設定されることが好ましい。ただし、以下のようにより厳密な条件も得られる。
【００５２】
ここで、視差画像表示部１２において、白色を表示（赤、緑及び青の各画素を全て点灯表示）したときの波長の重心位置をλｇと定義する。この重心位置λｇは、各波長に、当該波長の発光強度を重み付けして得られる値である。この重心位置λｇに基づき、以下の数式６が成立することが好ましい。
【数６】
2020024340.tif 000008
【００５３】
数式６の左辺は、波長λｇのガウシアンビームがＦナンバーＬ／Ｐｄを有している場合の集光位置におけるスポット径を表している。ここでのスポット径とは、光線のピーク強度を１とした際に、光線強度が１／ｅ２となる幅のことである。つまり、数式６はレンチキュラレンズ２０から射出した光線が仮に、視認領域ＥＢで集光した際のスポット径が、ピッチＰｄよりも小さくなることを意味している。この数式６の条件を満足することにより、レンチキュラレンズ２０による回折の影響が低減され、レンチキュラレンズ２０の光学パワーによって虚像ＶＩ２の位置を決定することができる。そのため、適切な光学パワーをレンチキュラレンズ２０に設定することにより立体映像ＳＩのぼけが低減される。結局、数式６を変形することにより、レンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１におけるシリンドリカルレンズ２１の配列のピッチＰｄの設定条件として、以下の数式７の条件が得られる。
【数７】
2020024340.tif 000009
【００５４】
以上のように、視差画像表示部１２は、左右方向、すなわち乗員を基準とした水平方向の各視差に対応した視差画像を表示する。視差画像表示部１２から射出された表示光は、レンチキュラレンズ２０によって、視認領域ＥＢにて左右方向（乗員の水平方向）に並ぶ複数の視点ＶＰを形成するように、導光される。この結果、レンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１とは異なる位置に立体映像ＳＩを表示する場合に、左右方向（乗員の水平方向）における運動視差、輻輳、及び両眼視差が当該立体映像ＳＩにおいて担保される。
【００５５】
他方、上下方向、すなわち乗員を基準とした鉛直方向では、フィードバック制御部３２によるフィードバック制御によって視差を出すことが可能である。
【００５６】
フィードバック制御部３２は、頭部情報検出部７から、眼球５の位置を検出可能となっている。頭部情報検出部７は、例えば車両１に搭載されたドライバステータスモニタ（以下、ＤＳＭ）によって実現される。フィードバック制御部３２は、取得された乗員の眼球５の位置、特に上下方向（乗員の鉛直方向）の成分に基づいて、各視差画像を補正する。補正された各視差画像は、視差画像制御部３１によって表示画面１３ａ上に表示される。ここで、頭部情報検出部７によって検出される乗員の眼球５の位置は、ＤＳＭによって撮影した乗員の頭部画像の特徴点認識情報から算出してもいい。サングラスなどを乗員が装着しており、直接的に眼球５の位置を検出できないときは、頭部画像の特徴点から算出した頭部の中心位置情報に、人間の平均的な瞳孔間距離情報を付加して眼球５の位置を検出してもいい。
【００５７】
＜実施例１＞
実施例１では、図７に示されるように、各数値が設定されている。上述のように、視点間隔Ｐｅは、乗員の眼球５の瞳孔径以下、好ましくは瞳孔径の半分以下となるように設定されることが好ましいが、実施例１ではＰｅ＝７００［μｍ］に設定されている。
【００５８】
瞳孔径は、周囲の環境の明暗により変動があり、また、個人差が存在するが、Ｐｅ＝７００［μｍ］に設定すると、例えば平均的な瞳孔径である４ｍｍの場合に、乗員の１つの瞳孔に６つの視点ＶＰを入れることができ、周囲が明るくなり瞳孔径が２ｍｍで縮小しても、１つの瞳孔に３つの視点ＶＰを入れることができる。
【００５９】
また、図８には、この実施例１の条件において、立体映像ＳＩの表示距離Ｚを変化させた場合の各視点ＶＰの光線のばらけ具合がプロットされたグラフが示されている。図８の各実線が１つの視点ＶＰに対応する１ピクセルの位置を示している。ただし、位置は、瞳孔の中心を基準として当該１ピクセルが視認される方向（これを本実施形態では視野角と呼ぶ）によって定義されている。
【００６０】
このグラフによれば、３≦Ｚ≦５の範囲において、各実線の位置は、重ならずにばらけている。故に、３≦Ｚ≦５の範囲に表示される立体映像ＳＩの解像度を高くできることがわかる。
【００６１】
（作用効果）
以上説明した第１実施形態の作用効果を以下に改めて説明する。
【００６２】
第１実施形態によると、数式５の不等式を成立させたことにより、５ｍよりも近い距離での通常の眼の調節において、視点分割部としてのレンチキュラレンズ２０によって分割され、視認領域ＥＢに配列された複数の視点ＶＰのうち、観察者の１つの眼球５の瞳孔に入る２つないし３つの視点ＶＰ間の位相の整合が回避される。そうすると、観察者の眼球５と実質的に共役の関係にある立体映像ＳＩの表示位置において、各視点ＶＰに到達する表示光の光線を、逆向きに延長した仮想の光線は、ばらけるように構成される。すなわち、１つの瞳孔に入る各視点ＶＰの表示位置が互いにずれるようになるので、観察者が実質的に認識する画素数が各視点ＶＰに応じて確保される。したがって、立体映像ＳＩの解像度を高くすることができる。以上により、虚像の立体視における高い視認性を実現することが可能となる。
【００６３】
また、第１実施形態によれば、Ｐｄを１ｍｍ以上にすると、レンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１の位置を近く設定しても、上述の数４の条件を容易に成立させることができるので、ＨＵＤ装置１００の光路をコンパクトにまとめることができる。これと共に、視点分割素子としてのシリンドリカルレンズ２１による回折の影響が小さくなるため、立体映像ＳＩがぼける現象を抑制することができるので、虚像の立体視における視認性を向上させることができる。
【００６４】
また、第１実施形態によれば、数式７の条件を成立させると、シリンドリカルレンズ２１のピッチＰｄが表示光のスポットの回折限界よりも大きくなるので、シリンドリカルレンズ２１による回折をより小さくすることができる。このため、立体映像ＳＩがぼける現象を抑制することができるので、虚像の立体視における視認性を向上させることができる。
【００６５】
また、第１実施形態によると、レンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１において車両１の上下方向に沿って延伸するシリンドリカルレンズ２１が視点分割素子として採用されている。このようにすると、視点ＶＰが車両１の左右方向、換言すると観察者の水平方向に配列されるようになるので、両眼視差を担保することができる。
【００６６】
また、第１実施形態によると、ＨＵＤ装置１００は、観察者の眼球５の位置に基づいて、視差画像を補正するフィードバック制御部３２を、さらに備える。こうしたフィードバック制御によって、視点ＶＰが車両１の左右方向の一方向に配列された形態において、観察者の眼球５が車両１の上下方向に移動しても、立体映像ＳＩの違和感を低減することができる。
【００６７】
また、第１実施形態によると、レンチキュラレンズ２０の虚像ＶＩ１においてシリンドリカルレンズ２１のピッチＰｄが均等化されるように、レンチキュラレンズ２０の実体物においてシリンドリカルレンズ２１のピッチが変調している。虚像ＶＩ１におけるピッチＰｄが均等化されることにより、虚像ＶＩ１のうち広範囲で数式４の不等式を容易に成立させることが可能となるので、立体映像ＳＩの広範囲に亘って、高い解像度を実現することができる。
【００６８】
また、第１実施形態によると、レンチキュラレンズ２０は、視差画像表示部１２の虚像ＶＩ２を視認領域ＥＢから３ｍ以上かつ５ｍ以下の距離に結像させるように、結像位置を調整する光学パワーを有してもよい。このようにすると、本態様において解像度が高くなる立体映像ＳＩの３≦Ｚ≦５の範囲での表示位置に、視差画像表示部１２の虚像ＶＩ２の位置を近づけることができるので、立体映像ＳＩの認識時間の遅れも抑制することができる。したがって、虚像の立体視における視認性を格別なものとすることができる。
【００６９】
（第２実施形態）
図９に示すように、第２実施形態は第１実施形態の変形例である。第２実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。
【００７０】
第２実施形態では、レンチキュラレンズ２０に代えて、２次元に（換言すると２方向に）複数のレンズ素子２２１が２次元方向に配列された板状のマイクロレンズアレイ２２０が採用されている。マイクロレンズアレイ２２０は、例えばガラスないしは合成樹脂により形成されて、透光性を有している。表示光の光路上に配置され、例えば表示画面１３ａに接するように配置されていることで、画像表示パネル１３と一体的に構成されている。
【００７１】
マイクロレンズアレイ２２０は、第１実施形態と同様に、表示光が投影部３ａに投影されることに伴って、投影部３ａを挟んで視認領域ＥＢとは反対側、すなわちウインドシールド３よりも前方の車外の空間に、当該マイクロレンズアレイ２２０の虚像ＶＩ１を形成する。
【００７２】
複数のレンズ素子２２１は、マイクロレンズアレイ２２０の虚像ＶＩ１において、上下方向及び左右方向の２方向に沿って、並ぶように配置される。傾斜する投影部３ａでの反射によって、マイクロレンズアレイ２２０の虚像ＶＩ１が形成されるので、実体物としてのレンズ素子２２１は、前後方向及び左右方向の２方向に沿って配列されている。なお、図９では、レンズ素子２２１の一部にのみ符号が付されている。
【００７３】
レンズ素子２２１の各方向の配列のピッチは、マイクロレンズアレイ２２０の虚像ＶＩ１において、均等化されるように、より好ましくは均等なピッチとなるように形成されている。すなわち、実体物としてのレンズ素子２２１の各方向のピッチは、投影部３ａの曲面形状を考慮して、変調している。より詳細に、投影部３ａでの表示光の反射を原因としてマイクロレンズアレイ２２０の虚像ＶＩ１にて生じ得る歪曲収差を考慮して、実体物のレンズ素子２２１の配列のピッチが、例えばマイクロレンズアレイ２２０の中央部から左右方向に行く程大きくなり、中央部から前後方向に行く程大きくなるように、予め設定されている。
【００７４】
各レンズ素子２２１は、表示画面１３ａ側の面２２１ａを、マイクロレンズアレイ２２０全体に共通の平面状に形成し、反対側の面２２１ｂを、その配列方向を含む各縦断面において湾曲する凸面状に形成している。この凸面状とは、例えば球面状、回転対称の非球面状、トロイダル面状等の各種形状を意味している。
【００７５】
そして、各レンズ素子２２１に対して、個別に対応する表示画面１３ａ上の対向画像領域ＣＧＡが設定されている。各対向画像領域ＣＧＡは、対となるレンズ素子２２１と対向する領域として仮想的に設定されており、レンズ素子２２１の外周輪郭に対応した矩形状の領域となっている。そして、視差画像領域ＰＧＡは、前後方向及び左右方向の２方向に分割されている。
【００７６】
視認領域ＥＢにおける視点ＶＰは、左右方向だけでなく上下方向にも配列される（すなわち２次元に配列される）ようになる。したがって、第１実施形態のようにフィードバック制御部３２によって乗員の眼球５の位置を各視差画像にフィードバックしなくても、乗員の水平方向及び鉛直方向の両方向に、視差を生じさせることができる。故に、第２実施形態ではフィードバック制御部３２が設けられていない。なお、図９では、上下方向の視点ＶＰの配列の図示が省略されている。
【００７７】
もちろん、第２実施形態では、左右方向及び上下方向の各方向において、マイクロレンズアレイ２２０の虚像ＶＩ１におけるレンズ素子２２１の配列のピッチＰｄが数式５の条件を満たすように設定されている。
【００７８】
以上説明した第２実施形態によると、マイクロレンズアレイ２２０の虚像ＶＩ１において車両１の上下方向及び左右方向に沿って互いに配列されたレンズ素子２２１が視点分割素子として採用されている。このようにすると、視点ＶＰが車両１の左右方向及び上下方向の２方向、換言すると観察者の水平方向及び鉛直方向に配列されるようになるので、観察者の眼球５の各方向への移動に対しても、立体映像ＳＩの視認性を高く維持することができる。
【００７９】
（第３実施形態）
図１０に示すように、第３実施形態は第２実施形態の変形例である。第３実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。
【００８０】
第３実施形態では、実体物のマイクロレンズアレイ３２０におけるレンズ素子３２１のピッチは、変調せずに、実質的に等間隔に設定されている。なお、図１０では、レンズ素子３２１の一部にのみ符号が付されている。
【００８１】
そして、第３実施形態では、マイクロレンズアレイ３２０とは別に、追加レンズ３２３が設けられている。追加レンズ３２３は、例えばガラスないしは合成樹脂により形成されて、透光性を有している。追加レンズ３２３は、光路上のマイクロレンズアレイ３２０と投影部３ａとの間、より詳細にはマイクロレンズアレイ３２０の投影部３ａ側の面に近接するように、配置されている。
【００８２】
追加レンズ３２３は、マイクロレンズアレイ３２０側を向く第１光学面３２３ａと、投影部３ａ側を向く第２光学面３２３ｂとを有し、単一のレンズである。本実施形態では、第１光学面３２３ａが平面状に形成され、第２光学面３２３ｂが投影部側に凸となる曲面状に形成されている。より詳細に、追加レンズ３２３の第２光学面３２３ｂは、投影部３ａの形状に合わせた自由曲面となっており、マイクロレンズアレイ３２０の虚像ＶＩ１においてレンズ素子３２１のピッチが均等化されるように、当該虚像ＶＩ１の歪曲収差を修正している。
【００８３】
また、追加レンズ３２３は、レンズ素子３２１のピッチＰｄの均等化と同時に、視認領域全域において視点間隔Ｐｅが均等化されるように、表示光を屈折している。なお、図１０では、ハウジング１０の図示が省略されている。
【００８４】
以上説明した第３実施形態によると、視点分割部の虚像において視点分割素子のピッチが均等化されるように、歪曲収差を修正する歪曲修正レンズとしての追加レンズ３２３が設けられている。虚像ＶＩ１におけるピッチＰｄが均等化されることにより、虚像ＶＩ１のうち広範囲で数式４の不等式を容易に成立させることが可能となるので、立体映像ＳＩの広範囲に亘って、高い解像度を実現することができる。
【００８５】
（他の実施形態）
以上、複数の実施形態について説明したが、本開示は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。
【００８６】
具体的に変形例１としては、視差画像は、カラー画像ではなく、例えば赤色、緑色、青色等の単色の画像であってもよい。この場合、波長の重心位置λｇは、表示光のピーク波長とみなすことができる。
【００８７】
変形例２としては、視差画像表示部１２は、液晶表示器に限られず、有機ＥＬディスプレイ等の各種表示器を採用することができる。
【００８８】
変形例３としては、立体映像ＳＩの表示距離Ｚは、常に３≦Ｚ≦５の範囲に設定されている必要はなく、演出に適宜合わせて、３ｍ未満の距離又は５ｍよりも長い距離に立体映像ＳＩを表示することができる。
【００８９】
第２，３実施形態に関する変形例４としては、レンズ素子２２１，３２１が配列された２方向のうち、１方向のみで数式４の条件が成立するようにしてもよい。
【００９０】
変形例５としては、虚像表示装置は、飛行機、船舶、あるいは移動しない筐体（例えばゲーム筐体）等の各種の乗り物に適用することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１００  ＨＵＤ装置（虚像表示装置）、３ａ  投影部、１２  視差画像表示部、１３ａ  表示画面（画面）、２０  レンチキュラレンズ（視点分割部）、２１  シリンドリカルレンズ（視点分割素子）、２２０，３２０  マイクロレンズアレイ（視点分割部）、２２１，３２１  レンズ素子（視点分割素子）、ＣＧＡ  対向画像領域（領域）、ＥＢ  視認領域、ＶＩ１  虚像、ＶＰ  視点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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