(57)【要約】  フロントガラスの幅広い面積に異なる映像情報を虚像として異なる位置に複数表示可能な小型の情報表示装置である。代表的な実施形態は、映像情報を形成する平面ディスプレイを配置し、平面ディスプレイの映像を反射させることで虚像を乗り物の前方複数位置に表示させるための被投影部材を含む虚像光学系を備えており、運転者の視点位置に対応して複数位置に虚像を形成する。虚像光学系は、それぞれの虚像を成立させる映像光束が平面ディスプレイと凹面ミラーとの間で分離独立するように配置され、それぞれの光束に対応して異なる光学素子を配置して構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
乗り物のフロントガラスに虚像の映像情報を表示する情報表示装置であって、
前記映像情報を表示する平面ディスプレイと、
前記平面ディスプレイから出射された光を前記フロントガラスで反射させることで複数の虚像を前記乗り物の前方に表示させる虚像光学系と、を備えており、
前記虚像光学系は、凹面ミラーと複数の光学素子を含んでおり、
前記複数の光学素子は、前記フロントガラスの上部には、遠景に重ねる虚像Ｖ３を成立させ、そして、前記フロントガラスの上部から下部に向かって、近景に重ねる虚像Ｖ１を成立させるように、前記平面ディスプレイと前記凹面ミラーとの間で分離される各虚像を成立させる映像光束に対応して配置されており、さらに、
前記虚像Ｖ３と前記虚像Ｖ１のサイズは以下の関係を満足しており、運転者の視点位置に対応して複数の位置に前記複数の虚像を形成する、情報表示装置。
Ｖ３＞Ｖ１
【請求項２】
請求項１に記載の情報表示装置において、
前記虚像光学系は、正の屈折力を持つ第１光学素子と、負の屈折力を持つ第２光学素子と、を備えており、前記第１光学素子と前記第２光学素子が、前記平面ディスプレイ側から前記凹面ミラーに向け、前記第１光学素子と前記第２光学素子の順に並べて独立して配置されている、情報表示装置。
【請求項３】
請求項１に記載の情報表示装置において、
前記虚像光学系は、運転者の視点位置に対応して複数の位置に成立する虚像を形成するため、前記平面ディスプレイ上に複数の映像を分割して表示する、情報表示装置。
【請求項４】
請求項１に記載した情報表示装置において、
さらに、前記乗り物の運転者の瞳の位置を検出する手段を備えている、情報表示装置。
【請求項５】
請求項１に記載した情報表示装置において、
前記平面ディスプレイとして液晶表示パネルを使用する、情報表示装置。
【請求項６】
請求項５記載した情報表示装置において、
前記平面ディスプレイとして複数枚の前記液晶表示パネルを使用する、情報表示装置。
【請求項７】
請求項５に記載した情報表示装置において、
前記平面ディスプレイである前記液晶表示パネルは、固体光源と、前記固体光源からの発散光の発散角を小さくする光学素子と、前記光学素子により発散角を小さくした発散光を偏光変換する光学部材と、所望の偏光方向の光を前記液晶パネルに入射する照明光源部と、からなる光源を備えている、情報表示装置。
【請求項８】
請求項５に記載した情報表示装置において、
前記平面ディスプレイである前記液晶表示パネルの前記虚像光学系側に、λ／４板が設けられた、情報表示装置。
【請求項９】
請求項５に記載した情報表示装置において、
前記平面ディスプレイである前記液晶表示パネルの前記虚像光学系側に、紫外線、または、赤外線、または、紫外線と赤外線を反射する光学部材を備えている、情報表示装置。
【請求項１０】
乗り物のフロントガラスに複数の虚像の映像情報を距離の異なる位置に表示する情報表示装置であって、
前記映像情報を複数個形成する画像形成ユニットと、
前記画像形成ユニットから出射された光を前記フロントガラスで反射することで前記複数の虚像を前記乗り物の前方に表示させるための、前記フロントガラスを含む虚像光学系と、を備えており、
前記虚像光学系は、前記画像形成ユニットからの光を拡大投写して得られる中間像を形成する中間像結像部を備え、そして、前記中間像結像部に拡大投写して得られた前記中間像を、その距離と倍率を異にして、運転者に複数の虚像を成立させる光学系であり、前記フロントガラスと前記中間像結像部との間には、前記フロントガラスの上部には遠景に重ねる虚像Ｖ３を成立させ、かつ、前記フロントガラスの上部から下部に向かって近景に重ねる虚像Ｖ１を成立させるよう、前記複数の虚像のそれぞれを形成する光束が分離する位置に配置されたそれぞれの収差補正用の光学素子を備えており、さらに、前記虚像Ｖ３と前記虚像Ｖ１のサイズが以下に示す関係を満たす、情報表示装置。
Ｖ３＞Ｖ１
【請求項１１】
請求項１０に記載の情報表示装置において、
前記虚像光学系は、凹面ミラーと、正の屈折力を持つ第１光学素子と、負の屈折力を持つ第２光学素子と、を備えており、前記第１光学素子と前記第２光学素子が、前記中間像結像部側から前記凹面ミラーに向け、前記第１光学素子と前記第２光学素子の順に並べて独立して配置されている、情報表示装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載した情報表示装置において、
前記画像形成ユニットは、光源と、前記虚像として表示される前記映像情報を表示する透過性を有する液晶表示パネルと、前記光源から出射して前記液晶パネルを透過した前記映像情報を含む光束が入射されるリレー光学系と、拡散機能を有するスクリーン板と、を含んで構成されている、情報表示装置。
【請求項１３】
請求項１０に記載した情報表示装置において、
さらに、前記乗り物の運転者の瞳の位置を検出する手段を備えている、情報表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車や電車や航空機等（以下では、一般的に「乗り物」とも言う）のフロントガラスに画像を投影する情報表示装置に関し、その画像をフロントガラス越しに虚像として観察するようにした虚像光学系およびそれを用いた情報表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のフロントガラスに映像光を投写して虚像を形成しルート情報や渋滞情報などの交通情報や燃料残量や冷却水温度等の自動車情報を表示するいわゆる、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ−Ｕｐ−Ｄｉｓｐｌａｙ）装置が以下の特許文献１により既に知られている。【０００３】
この種の情報表示装置においては、運転者が情報を認識し易くすることを目的として、運転者の視認位置に応じて複数の位置に虚像を形成すること、すなわち虚像の形成する距離を運転者の視認位置に合わせることが求められている。このため、例えば以下の特許文献２にも開示されるように、運転者から遠方（遠距離）および近傍（近距離）のそれぞれに像を形成するものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２２９５５２号公報
【特許文献２】特開２０１５−３４９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されたヘッドアップディスプレイ装置例では、液晶表示パネルに表示した映像光は、リレー光学系で実像（特許文献１の図２のＩｒ）として写像され、接眼光学系（同図のＬ１）を介して、虚像（同図のＩｖ）を観察する構成になっている。写像関係で整理すると、液晶表示パネル上の映像光（平面）が実像Ｉｒ（平面）に写像され、さらに、実像Ｉｒ（平面）が虚像Ｉｖ（平面）に写像されている。【０００６】
しかしながら、運転者の前景は、二次元状の平面ではなく、三次元状の空間である。そこで、図１８を用いて、自動車（自車）に乗った運転者からの視線方向とそこまでの距離について説明する。【０００７】
自車１０１の運転者が見る前景としての視野範囲には、前方を走る前走車１０２や、その手前の路面１０５（例えば、路面に落下物が無いかどうか等）や、道路の端で近くを走る自転車や、歩道の歩行者などが存在する。【０００８】
前方を走る前走車１０２を見る視線方向１０３は、真正面の方向から視線をやや下げた方向になるが、道路上でその手前の路面１０５を見る視線方向１０４は、さらに、視線を下げた方向になる。このように、運転中に運転者が注意すべき対象物は、視線方向に応じてそこまでの距離が異なることが分かる。【０００９】
従って、自動車の運転の安全性をさらに向上させるためには、運転中に注視している対象物までの距離と、そのときに表示する虚像までの距離を近づけることで、眼のピント合わせのための時間を短縮することが重要である。【００１０】
また、上記の特許文献２に開示されたヘッドマウントディスプレイ装置例では、運転者から異なる距離に虚像を形成する構成になっているが、具体的には、表示内容に応じてスクリーンを選択し、選択したスクリーンに合わせて可変焦点レンズでのピント合わせを高速に行うことが不可欠である。このため、可変焦点レンズとして、「容器内に封入された液体の液体界面を変更する液体レンズ」或いは、「曲率を変更可能に構成された凹面鏡で」などを用いており、ヘッドマウントディスプレイ装置の大型化や、コストが増加する。【００１１】
また、被投影部材（６）であるフロントガラスの反射面は運転者の視点位置が複数存在した場合には、フロントガラスの車体垂直方向曲率半径および車体水平方向曲率半径の中心位置と運転者の目の位置が異なるため、表示した画像に歪が生じるが、この点については全く考慮されていなかった。【００１２】
以上に述べたように、上述した従来の情報表示装置では、装置構成の大型化や複雑化を抑制し運転者の異なる視点位置（距離）に虚像を形成することは困難であった。さらに、表示される映像についても運転者の視点位置により歪が発生する点についても全く考慮されていなかった。【００１３】
そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて達成されたものであり、より具体的には、装置の大型化や複雑化を抑制しながら、運転者からの異なる視点位置（距離）においても、視認性の高い虚像を形成することを可能とする情報表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するためになされた本発明は、その一例として、乗り物のフロントガラスに虚像の映像情報を表示する情報表示装置であって、前記映像情報を表示する平面ディスプレイと、前記平面ディスプレイから出射された光を前記フロントガラスで反射させることで複数の虚像を前記乗り物の前方に表示させる虚像光学系とを備えており、前記虚像光学系は、凹面ミラーと複数の光学素子を含んでおり、前記複数の光学素子は、前記フロントガラスの上部には、遠景に重ねる虚像Ｖ３を成立させ、そして、前記フロントガラスの上部から下部に向かって、近景に重ねる虚像Ｖ１を成立させるように、前記平面ディスプレイと前記凹面ミラーとの間で分離される各虚像を成立させる映像光束に対応して配置されており、さらに、前記虚像Ｖ３と前記虚像Ｖ１のサイズは以下の関係を満足しており、運転者の視点位置に対応して複数の位置に前記複数の虚像を形成する情報表示装置である。【００１５】
Ｖ３＞Ｖ１
【発明の効果】
【００１６】
上述した本発明によれば、装置の大型化や複雑化を抑制しながら、運転者からの異なる視点位置（距離）においても、視認性の高い虚像を形成することを可能とする情報表示装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態である情報表示装置および情報表示装置に配属された周辺機器の概略構成を示す概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態の情報表示装置を搭載した自動車の上面図である。
【図３】本発明の一実施形態のフロントガラスの曲率半径の違いを説明する構成図である。
【図４】本発明の一実施形態における運転者が運転中に注視する領域を示す略構成図である。
【図５】本発明の一実施形態における情報表示装置の虚像光学系を示す概略構成図である。
【図６】本発明の一実施形態における情報表示装置の虚像光学系の一実施例を示す概略構成図である。
【図７】本発明の一実施形態における情報表示装置の虚像光学系の一実施例を示す概略構成図である。
【図８】本発明の一実施形態における情報表示装置の虚像光学系の一実施例を示す概略構成図である。
【図９】本発明の一実施形態における情報表示装置における映像投写装置の配置を示す構成図である。
【図１０】本発明の一実施形態における情報表示装置の構造の全体の概略を示した断面図である。
【図１１】本発明の第一の実施形態である虚像光学系の全体光線図であり、図１１（ａ）はＹＺ平面において虚像面の映像情報を観察者の眼で見ている様子を、図１１（ｂ）はＸＺ平面において虚像面の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表す。
【図１２】本発明の第一の実施形態の虚像光学系の要部斜視拡大図である。
【図１３】本発明の第一の実施形態の虚像光学系を構成する接眼光学系のレンズ部の斜視拡大図である。
【図１４】本発明の第一の実施形態における傾いた斜面での写像関係を説明する図である。
【図１５】本発明の第一の実施形態における分離光路ごとの歪性能を表す図である。
【図１６】本発明の第一の実施形態における接眼光学系の全体の歪性能を表す図である。
【図１７】本発明の第一の実施形態の接眼光学系のスポット図である。
【図１８】従来技術における運転者の視野方向とその距離の違いを説明する図である。
【図１９】物距離と像距離による写像関係を説明する図である。
【図２０】実像光学系での写像関係と段差フィルタの作用を説明する図である。
【図２１】虚像光学系での写像関係と段差フィルタの作用を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面等を用いて、本発明の一実施形態および各種実施例について説明する。なお、以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
＜情報表示装置の実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態である情報表示装置１の周辺機器構成を示すブロックと概略構成図であり、ここでは、その一例として、特に、自動車のフロントガラスに画像を投影する情報表示装置について説明する。
【００１９】
この情報表示装置１は、運転者の視線８において自車両の前方における複数の位置それぞれに虚像Ｖ１〜Ｖ３を形成するため、被投影部材６（本実施形態ではフロントガラス）にて反射された各種情報を虚像ＶＩ（Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｉｍａｇｅ）として表示する装置（いわゆるＨＵＤ（Ｈｅａｄｕｐ  Ｄｉｓｐｌａｙ）である。なお、被投影部材６は、情報が投影される部材であればよく、前述したフロントガラスだけではなく、その他、コンバイナであっても良い。すなわち、本実施形態の情報装置１では、運転者の視線８において自車両の前方における複数の位置それぞれに虚像を形成して運転者に視認させるものであり、虚像として表示する情報としては、例えば、車両情報や監視カメラやアラウンドビュアーなどのカメラ（図示せず）で撮影した前景情報も含む。
【００２０】
また、情報表示装置１は、情報を表示する映像光を投射する映像投写装置１１と、当該映像投写装置１１からの光を結像させる中間像結像部４と、当該中間像結像部４において結像した映像情報（映像光）を収束または発散させる光学部品５と、そして、上記映像投写装置１１を制御する制御装置４０とを備えている。なお、上記の光学部品５は、以下に述べる虚像光学系であり、光を反射させる凹面形状のミラーを含んでいる。また、この光学部品５において反射した光は、被投影部材６にて反射されて運転者の視線８（ＥｙｅＢｏｘ：後に詳述する）へと向かう。
【００２１】
上記の中間像結像（または、中間像表示）部４は、映像投写装置１１からの光を結像する機能を有しており、例えば、マイクロレンズを２次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成される。本実施形態においては、中間像結像部４と、接眼光学系を形成する上記凹面反射ミラーから成る光学部品５との間には、光学素子２１および光学素子２２が配置されている。これら光学素子２１および光学素子２２の配置は、第一の目的として、虚像の形成位置を自車両の前方の複数個所（本実施形態においては３箇所）とするためである。さらに第二の目的として、中間像結像部４と接眼光学系を形成する光学部品５との間において、当該中間像結像部４からの映像光が分離する位置において、それぞれ、収差補正を行なうためである。なお、これらの光学素子による収差補正によれば、虚像が異なる位置に形成されても、同一の虚像光学系を用いることにより、複数の虚像を異なる倍率で表示することが可能となる。
【００２２】
より具体的には、最も近傍に位置する虚像Ｖ１を形成する光束の収差改善は、光学素子２１により行ない、同時に、中間に位置する虚像Ｖ２の収差補正は、光学素子２２により行なう。また、最も遠方に形成される虚像Ｖ３は、本来の虚像光学系で収差が最適設計されているため、ここでは光学素子を設けていないが、さらに収差補正能力を向上させるたに最適設計された光学素子を設けても、本発明の技術的思想または範囲を逸脱するものではないことは言うまでもない。
【００２３】
また、本実施例では、説明の都合上、虚像の発生位置を遠方虚像Ｖ３、中間虚像Ｖ２、近接虚像Ｖ１に分割し、それぞれ、個別に光学素子２１および２２を設けた例について説明したが、これに限定されることはない。例えば、虚像の表示位置を遠方から近接位置まで、連続的に変化させるためには、空間的な光学距離を変化させ、連続的に虚像が発生する位置が変化するように収差を十分に低減するため、共通の光学素子を設けて対応しても、やはり、本発明の技術的思想または範囲を逸脱するものではないことは言うまでもない。
【００２４】
一方、制御装置３０は、記憶装置３１と、マイクロコンピュータ（以下「マイコン」と記す）３２とを備えている。記憶装置３１は、記憶内容を書き換え可能な不揮発性の記憶装置からなる。マイコン３２は、電源が切断されても記憶内容を保持する必要がある処理プログラムやデータを格納するＲＯＭ３４と、処理プログラムやデータを一時的に収納するＲＡＭ３３と、上記ＲＯＭ３４やＲＡＭ３３に記憶された処理プログラムに従って各種処理を実行するＣＰＵ３５とを有したコンピュータとを中心にして構成されている。
【００２５】
このうち、ＲＯＭ３４には、車両情報や前景情報などの各種情報が被投影部材６に投影されるように映像投写装置１１を制御する情報表示処理をマイコン４４が実行するための処理プログラムが格納されている。そして、制御装置３０には、車両情報や前景情報の取得元として、少なくとも、ナビゲーションシステム４１と運転支援電子制御装置（以下、「運転支援ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）と記載）４２とが接続されている。
【００２６】
ナビゲーションシステム６１は、位置検出装置にて検出した現在位置を地図データ記憶部に記憶されている地図データに照合した結果に従って、設定された目的地までの経路を案内する装置である。地図データには、道路の制限速度や車線数、交差点に関する情報などの各種情報が含まれる。
【００２７】
制御装置３０は、このようなナビゲーションシステム６１から、自車両が走行している現在位置に対応する道路の制限速度や車線数、ナビゲーションシステム５１に設定された自車両の移動予定経路などの情報を前景情報（すなわち、上記虚像により自車両の前方に表示する情報）として取得する。
【００２８】
運転支援ＥＣＵ６２は、周辺監視装置６３での監視の結果として検出された障害物に従って駆動系や制御系を制御することで、運転支援制御を実現する制御装置であり、運転支援制御としはクルーズコントロール、アダプティブクルーズコントロール、プリクラッシュセーフティ、レーンキーピングアシストなどの周知技術を含む。
【００２９】
周辺監視装置６３は、自車両の周辺の状況を監視する装置であり、一例としては、自車両の周辺を撮影した画像に基づいて自車両の周辺に存在する物体を検出するカメラや、探査波を送受信した結果に基づいて自車両の周辺に存在する物体を検出する探査装置などである。
【００３０】
制御装置３０は、このような運転支援ＥＣＵ６２からの情報（例えば、先行車両までの距離および先行車両の方位、障害物や標識が存在する位置など）を前景情報として取得する。さらに、制御装置３０には、イグニッション（ＩＧ）信号、および、自車状態情報が入力される。これらの情報の内、自車状態情報とは、車両情報として取得される情報であり、例えば、内燃機関の燃料の残量や冷却水の温度など予め規定された異常状態となったことを表す警告情報を含んでいる。また、方向指示器の操作結果や自車両の走行速度、シフトポジションなどの情報も含まれている。以上述べた制御装置３０はイグニッション信号が入力されると起動する。以上が本発明の一実施形態である情報表示装置の全体システムの説明である。
＜第一の実施形態＞
次に、本発明の一実施形態である虚像光学系５、および、映像投写装置１１のさらなる詳細について、以下に説明する。
【００３１】
図２は、本発明の一実施形態の情報表示装置１を搭載した自動車の上面図であり、自動車本体１０１の運転席前部には、被投影部材６としてのフロントガラスが存在する。なお、このフロントガラスは、自動車のタイプによって、車体に対する傾斜角度が異なる。さらに、発明者らは、最適な虚像光学系を実現するため、この曲率半径についても調査した。その結果、フロントガラスは、図３に示すように、自動車の接地面に対して平行な水平方向の曲率半径Ｒｈと、水平軸に対して直交する垂直方向の曲率半径Ｒｖとで異なり、ＲｈとＲｖは一般的には下記の関係があることが判った。
【００３２】
Ｒｈ＞Ｒｖ
また、この曲率半径の違い、すなわち、Ｒｖに対するＲｈは、１．５倍から２．５倍の範囲にあるものが多いことも判明した。
【００３３】
次に、発明者等はフロントガラスの傾斜角度についても市販品を調査した。その結果、車体タイプによっても異なるが、軽自動車や１Ｂｏｘタイプでは２０度〜３０度、セダンタイプでは３０度〜４０度、スポーツタイプでは４０度以上であった。そこで、本実施形態では、フロントガラスの自動車の接地面に対して平行な水平方向の曲率半径Ｒｈと水平軸に対して直交する垂直方向の曲率半径Ｒｖの違いとフロントガラスの傾斜角について考慮し、虚像光学系の設計を行った。
【００３４】
より詳細には、被投影部材であるフロントガラスの水平曲率半径Ｒｈと垂直曲率半径Ｒｖとは、これらは大きく異なるため、光軸（Ｚ軸）に対してフロントガラスの水平軸とこの軸に垂直な軸に対して軸非対称な光学素子を虚像光学系内に設けることにより、良好な収差補正を実現した。なお、得られた虚像光学系のレンズデータについては、後に詳述する。
【００３５】
また、ここで、図１にも示したように、視野範囲と虚像距離がそれぞれ異なる複数の虚像面に対し、それぞれの物面位置が同一の平面上となる光学系を実現できる回転非対称な形状である自由曲面レンズと、当該自由曲面ミラーを用いた虚像光学系の第一の実施形態について以下に説明する。
【００３６】
図１１を参照して本発明の第一の実施形態である虚像光学系の構成について説明する。この図１１は、図１に示した本発明の一実施形態における虚像光学系５の全体光線図であり、特に、図１１（ａ）は、ＹＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表し、図１１（ｂ）は、ＸＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表している。ＹＺ平面では、右眼と左眼が重なっており（符号８を参照）、ＸＺ平面では右眼と左眼が別々に見えている。
【００３７】
図１２は、上記第一の実施形態の虚像光学系５の要部斜視拡大図である。また、図１３は、上記第一の実施形態の虚像光学系５を構成する接眼光学系５aのレンズ部の斜視拡大図である。これら図１２と図１３に示すように、自由曲面レンズ５４および自由曲面ミラー５６のそれぞれは、回転非対称な形状に構成される。なお、光学素子５１、凸レンズ５２および凹レンズ５３は大きな偏心量（前後面での偏心は無し）を持っている。また、図１４は、傾いた斜面での写像関係を説明する図である。
【００３８】
図１２にも示すように、虚像光学系５は、中間像表示部（または平面ディスプレイなどの画像表示部）４側から順に、段差フィルタ（光学素子）５１と、正の屈折力の凸レンズ５２と、負の屈折力の凹レンズ５３と、回転非対称な自由曲面レンズ５４と、シリンダーミラー５５と、回転非対称な自由曲面ミラー５６と、そして、フロントガラス６とを並べて配置することにより構成されている。フロントガラス６の水平方向と垂直方向の曲率半径の違いは、シリンダーミラー５５を追加することでキャンセルする構成としている。さらに、反射面の回転非対称な自由曲面レンズ５６は、虚像の歪みを補正する。
【００３９】
ここで、上記第一の実施形態の虚像光学系５内の得られたレンズデータを以下の表１および表２に示す。
【００４０】
【表１】
2017064797.tif 000003
【００４１】
【表２】
2017064797.tif 000004
【００４２】
表１は、本発明の第一の実施形態に係る映像投写装置１１のレンズデータを示す表である。この表１に示すレンズデータでは、曲率半径は、曲率半径の中心位置が進行方向にある場合に正の符合で表し、面間距離は、各面の頂点位置から次の面の頂点位置までの光軸上の距離を表している。例えば、虚像距離１８ｍでは、図６に示した光学素子２３に対応した段差フィルタの厚さは２７．４３９ｍｍ、虚像距離３０ｍでは、図６に示した光学素子２４に対応した段差フィルタの厚さは１４．５５６ｍｍ、虚像距離１００ｍでは、段差フィルタの厚さは０ｍｍである。
【００４３】
また、偏心はＹ軸方向の値であり、倒れはＹＺ平面内でＸ軸回りの回転であり、偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用し、「普通偏心」では、偏心・倒れが作用した新しい座標系上での面間距離の位置に次の面が配置される。デセンタ・アンド・リターンの偏心および倒れは、その面でのみ作用し、次の面に影響しない。
【００４４】
硝材名のＰＭＭＡはプラスチックのアクリル（Polymethyl methacrylate）であり、硝材名の５８．３は、屈折率１．５８でアッベ数３０の材料を表す。
【００４５】
表２は、本発明の第一の実施形態に係る映像投写装置１１のレンズデータの自由曲面係数の図である。この表２の自由曲面係数は、以下の式（数１）により求められる。
【００４６】
【数１】
2017064797.tif 000005
【００４７】
自由曲面係数Ｃｊは、それぞれの光軸（Ｚ軸）に対して回転非対称な形状であり、円錐項の成分とＸＹの多項式の項の成分で定義される形状である。例えば、Ｘが２次（ｍ＝２）でＹが３次（ｎ＝３）の場合は、ｊ＝｛(２＋３)２＋２＋３×３｝／２＋１＝１９であるＣ１９の係数が対応する。また、自由曲面のそれぞれの光軸の位置は、表１のレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。
【００４８】
また、本発明の第一の実施形態に係る映像投写装置１１のアナモフィック非球面係数は、以下の式（数２）により求められる。この（数２）のｃｕｙ（＝１／ｒｄｙ）とｃｕｘ（＝１／ｒｄｘ）は、表１では、ｒｄｙ＝９６８６ｍｍ、ｒｄｘ＝５５３１ｍｍであり、その他の係数は、全て０とした。
【００４９】
【数２】
2017064797.tif 000006
【００５０】
また、以下には、本発明の第一の実施形態の虚像光学系５を構成する接眼光学系のアイボックスサイズや、視野角などの値を、水平方向、垂直方向の順に示す。
【００５１】
アイボックスサイズ  １００×５０ｍｍ
スクリーン板での映像光の有効サイズ  ４０．７０×１８．８０ｍｍ
視野角（全画角）          ５．４×１．８度
分離光路（垂直視野方向、虚像サイズ、虚像距離）
１．８〜２．２度、１６９８×１２６ｍｍ、  １８ｍ
１．１〜１．５度、２８３０×２１０ｍｍ、  ３０ｍ
０．４〜０．８度、９４３２×６９８ｍｍ、１００ｍ
次に、上述した第一の実施形態における虚像光学系５の光学性能、特に、歪性能について、図１５〜図１７を用いて説明する。
【００５２】
図１５と図１６は、本発明の第一の実施形態の映像投写装置１１における虚像光学系５の歪性能を表す図である。図１７は、本発明の第一の実施形態の映像投写装置１１における接眼光学系のスポット図である。
【００５３】
図１５は、上記図１１で示した虚像面７１、７２、７３での第一の実施形態における分離光路ごとの歪性能を表す図であり、この図から、それぞれの虚像面で矩形状の虚像を実現していることが分かる。各虚像面７１、７２、７３での虚像サイズから視野角を計算すると、視野範囲Ｆ１の水平視野角（全画角）は、２×ｔａｎ（１６９８／２／１８０００）＝５．４度、視野範囲Ｆ２の水平視野角（全画角）は、２×ｔａｎ（２８３０／２／３００００）＝５．４度、視野範囲Ｆ３の水平視野角（全画角）は、２×ｔａｎ（９４３２／２／１０００００）＝５．４度となる。各虚像面７１、７２、７３での水平方向の視野角が同じ値なので、図１６では、各虚像面７１、７２、７３での視野範囲をまとめて表したが、各視野領域Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３が、垂直方向にずれた位置に表示されていることが分かる。
【００５４】
図１７は、虚像面７１、７２、７３にそれぞれ物点を配置し、スクリーン板４でのスポット図を計算したスポット図を示しており、良好な光学性能を実現している。なお、このスポット図では、アイボックス９の大きさが水平１００ｍｍ×垂直５０ｍｍの全光束でのスポット図であり、実際の運転者が見る虚像の場合は、人の眼の虹彩の大きさ（最大でφ７ｍｍといわれている）でのスポット図は、図１７よりも大幅に良くなっている。
【００５５】
従って、本実施形態によれば、自由曲面レンズと自由曲面ミラーを用いた虚像光学系により、異なる虚像距離で異なる視野方向に同時に虚像として表示できる情報表示装置を提供できる。
【００５６】
運転者は、一般に、図２０（ａ）〜（ｃ）に示すように、運転中においては、前走車の確認（ブレーキランプや右折・左折ランプの点灯）や、手前の道路の路面の確認（落下物の有無など）や、さらには、手前の道路の端の自転車・歩行者の確認などを行っている。本実施形態によれば、前走車の位置に相当する虚像範囲には、前走車に関する注意喚起情報を表示し、その手前の道路の路面の位置には、相当する虚像範囲に落下物の存在を表示するなどの表示が可能となる。さらに、本実施形態によれば、異なる虚像距離で、かつ、異なる視野方向に位置する複数の虚像面に、同時に映像を表示することが可能である。
【００５７】
また、運転者はスピードメータや燃料計などの情報も確認するので、情報表示装置を装備することによって、各種計器類の情報を虚像として運転者の前方に表示できるので、運転者の視線方向の移動が小さくなり、かつ、眼のピント合わせに要する時間も短縮できることから、運転の安全性が向上できる。
【００５８】
ところで、前景中の前走車と、その手前の路面と、さらに手前の道路の端の自転車・歩行者では、運転者からの距離が異なるので、それらに関係した情報を表示する虚像の距離を変えることで、さらに眼のピント合わせに要する時間を短縮でき、さらに、運転の安全性が向上できる。
【００５９】
次に、図１９〜図２１を用いて、情報表示装置の虚像距離の違いによる写像関係を整理し、解決される課題を定量的に示す。
【００６０】
図１９は、物距離と像距離による（実像光学系での）写像関係を説明する図である。結像レンズ２０１からの物面２０２までの距離Ｌが減ることで、像面２０３までの距離ａが増加している。図２０は、実像光学系での写像関係と段差フィルタの作用を説明する図であり、焦点距離＝４４０ｍｍで、物距離Ｌ＝１００〜１０ｍでの焦点位置の移動量δを示している。実像光学系では、遠距離側の焦点位置よりも、近距離側の焦点位置の方が離れている。ここで、厚さｄで屈折率Ｎのフィルタ２５１を結像レンズ２０１と実像面２０３の間に配置すると、フィルタ２５１の物理長ｄと光学長ｄ／Ｎのとの差であるｄ（１−１／Ｎ）の分だけ、実像面２０３の位置を離すことができる。実像光学系では、遠距離側の実像面位置に比べて、近距離側の実像面位置の方が離れているので、遠距離側の光路上で、結像レンズ２０１と実像面２０３の間に、フィルタ２５１を配置することで、近距離側の物理的な実像面位置と遠距離側の物理的な実像面位置を同一の平面上に配置することが可能となる。
【００６１】
同様に、図２１は、虚像光学系での写像関係と段差フィルタの作用を説明する図であり、焦点距離＝４４０ｍｍで、虚像距離Ｌ＝１００〜１０ｍでの物位置の移動量δを示している。虚像光学系では、近距離側の物位置よりも、遠距離側の物位置の方が離れている。同様に、厚さｄで屈折率Ｎのフィルタ３５１を、接眼レンズ３０１と物面３０２との間に配置すると、段差フィルタ３５１の物理長ｄと光学長ｄ／Ｎとの差であるｄ（１−１／Ｎ）の分だけ、物面２０３の位置を離すことができる。虚像像光学系では近遠距離側の物面位置に比べて、遠距離側の物面位置の方が離れているので、近距離側の光路上で、接眼レンズ３０１と物面３０２の間に、フィルタ３５１を配置することで、近距離側の物理的な物面位置と遠距離側の物理的な物面位置を同一の平面上に配置することが可能となる。例えば、虚像距離Ｌ＝２０〜１０ｍの場合では、物面３０２の位置がδ＝９．１ｍｍずれるので、ｄ＝δ／（１−１／Ｎ）＝２６．６ｍｍのフィルタ３５１が必要となる。同様に、虚像距離Ｌ＝１００〜１８ｍの場合では、物面３０２の位置がδ＝８．６ｍｍずれるので、ｄ＝２５．２ｍｍのフィルタ３５１が必要となる。
＜第二の実施形態＞
次に、図５を参照しながら、本発明の第二の実施形態である情報表示装置の光学系の基本構造について説明する。この図５に示す光学系は、形成ユニット１０と、上記虚像光学系５を構成する接眼光学系５aを含んでいる。すなわち、投写光学系２０から出射された映像光を、自動車（図示せず）のフロントガラス６に反射させ、もって、運転者の眼８に入射させる構成を備えている。
【００６２】
より詳しくは、バックライト１００から液晶表示パネル２に照射された光束は、液晶表示パネル４aに表示された映像情報を含んだ映像光束として、リレー光学系３に入射する。リレー光学系３での結像作用により、液晶表示パネル２上の映像情報は拡大され、その後、中間像結像部４上に拡大投写される。液晶表示パネル２上の点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が、それぞれ、中間像結像部４の点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３に対応する。リレー光学系３を用いることで、表示サイズの小さい液晶表示パネルを使用することができる。バックライト１００、液晶表示パネル２、リレー光学系３、および、中間像結像部４は、上記中間像結像部４上に画像情報（映像情報）を形成するので、これらを総称して画像形成ユニット１０という。
【００６３】
次に、中間像結像部４上の画像情報は、接眼光学系５ａによって、フロントガラス６に投写され、フロントガラス６で反射した光束が、観察者の眼８の位置に到達する。観察者の眼から見ると、あたかも、虚像面７の画像情報を見ているような関係性が成立する。中間像結像部４上の点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が、それぞれ、虚像面７の点Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３に対応する。なお、眼８の位置を動かしても虚像面７上の点Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が見ることができる範囲が、いわゆる、アイボックス９である。このように、本発明の虚像光学系は、カメラのファインダーの接眼レンズや顕微鏡での接眼レンズと同様に、物（空間像）と像（虚像）を観察者の眼の前に表示することが可能な光学系である。
【００６４】
また、中間像結像部４は、マイクロレンズを２次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成される。すなわち、その拡散作用により、当該中間像結像部４を出射する光束の広がり角は大きくなり、これにより、アイボック９の大きさを所定の大きさにしている。なお、中間像結像部４の拡散作用は、拡散粒子を内蔵することでも実現できる。
【００６５】
また、本発明の第二の実施形態では、図５に示すように、中間像結像部４側から虚像光学系５を構成する接眼光学系５aの間に、虚像の発生位置に対応して、収差補正用の光学素子を配置する。具体的には、最も近接した位置Ｖ１に対応する光束が通過する位置には、補正用の光学素子２１を配置し、虚像光学系５の虚像発生位置を近づけて低倍率化を図ると同時に、虚像で発生する歪みと収差を低減する。次いで、中間位置に成立する虚像Ｖ２に対応する光束が通過する位置には、補正用の光学素子２２を配置し、虚像光学系５の虚像の発生位置を中間位置に成立させて中倍率化を図ると同時に、虚像で発生する歪みと収差を低減する。そして、監視者に対して最も遠方に成立する虚像Ｖ３に対応する光束が通過する位置には上述した補正用光学素子を配置しなくても良いように、すなわち、虚像光学系５を構成する接眼光学系５aを最適設計する。
【００６６】
このように、基準となる最も遠方に成立する虚像Ｖ３に対して接眼光学系５aを最適設計しておき、他方、中間距離に成立するＶ２および近傍に成立するＶ１に対しては補正用の光学素子をそれぞれ配置することによれば、中間像結像部４と接眼光学系５aとの間の光学距離を短縮するばかりでなく、それぞれの像位置で成立する虚像の歪みと収差を補正するために最適な構造となる。
【００６７】
また、虚像の歪みや収差を低減するために、中間像結像部を複数用い（分割して同様の効果を得られる）、それぞれを、その虚像位置に合わせて、上記接眼光学系５aに対する最適な位置に配置しても良く、その場合、上記中間結像部の向きを接眼光学系５aの入射瞳方向に向けることによれば、より効率的に映像光を接眼光学系５aに入射させることが可能となる。
【００６８】
本実施形態では、近傍に成立する虚像Ｖ１に対応する光束と、中間に成立する虚像Ｖ２に対応する光束、および、遠方に成立する虚像Ｖ３に対応する光束が分離して虚像光学系５に入射する位置（図５および図６では接眼光学系と平面ディスプレイの間として図示）に、それぞれの虚像に対応して補正用の光学系を配置することにより、虚像の歪み、収差補正を行なうものであるとして説明をした。しかしながら、本発明はこれにのみ限定されず、例えば虚像の成立位置が遠方から近傍にかけて連続的であっても、上記虚像光学系５と中間像結像部４との間の光学距離をそれぞれの虚像の成立位置に対応するように変化させて補正光学素子を配置すればよく、このことは本発明の技術的思想または範囲を逸脱するものではないことは言うまでもない。
＜第三の実施形態＞
次に、本発明の第三の実施形態である情報表示装置の光学系について図６を用いて説明する。
【００６９】
この図の例では、映像源として平面ディスプレイ（例えば、液晶表示パネル）４ａを使用する。バックライト１００から照射された光束は、液晶表示パネル４ａに表示された映像情報を含んだ映像光束として、虚像光学系５を構成する接眼光学系５aに入射する。上述した第二の実施形態と同様に、液晶表示パネル４ａと虚像光学系５を構成する接眼光学系５aとの間に、虚像の発生位置に対応して収差補正用の光学素子を配置する。具体的には、最も近傍に位置するＶ１に対応する光束が通過する位置には、補正用の光学素子２３を配置し、虚像光学系５の虚像発生位置を近傍に近づけ同時に、虚像で発生する歪みと収差を低減する。次いで、中間位置に成立する虚像Ｖ２に対応する光束が通過する位置には、補正用の光学素子２４を配置し、虚像光学系５の虚像発生位置を中間位置に成立させ中倍率化を図ると同時に、虚像で発生する歪みと収差を低減する。他方、監視者に対して最も遠方に成立する虚像Ｖ３に対応する光束が通過する位置には補正用光学素子を配置しなくても良いように、虚像光学系５を構成する接眼光学系５aを最適設計する。
【００７０】
この第三の実施形態でも、上記第二の実施形態と同様に、虚像光学系５の設計基準となるように、監視者の最も遠方に成立する虚像Ｖ３に対して虚像光学系５を最適設計しておき、中間距離に成立するＶ２および近傍に成立するＶ１に対して補正用の光学素子をそれぞれ配置するものとする。これによれば、平面ディスプレイ４aと接眼光学系５aとの間の光学距離を、それぞれに合わせることができるので、それぞれの位置で成立する虚像の歪みと収差を補正するのに最適な構造となる。
【００７１】
図７には、映像源として複数の平面ディスプレイ（例えば、液晶表示パネル）４ｂ，４ｃ，４ｄを使用する例を示す。バックライト１００ｂ、１００ｃ、１００ｄから照射された光束は、液晶表示パネル４ｂ、４ｃ、４ｄに表示された映像情報を含んだ映像光束として虚像光学系５aに入射する。虚像光学系５aとそれぞれの虚像Ｖ３、Ｖ２、Ｖ１に対応した補正用光学素子の働きについては、上記図６で示した第二の実施形態と同様であり、ここではその説明を省略する。
【００７２】
図８には、映像源として複数の平面ディスプレイ（例えば、液晶表示パネル）４ｂ、４ｃ、４ｄを使用する他の例を示す。ここでも、バックライト１００ｂ、１００ｃ、１００ｄから照射された光束は、液晶表示パネル４ｂ、４ｃ、４ｄに表示された映像情報を含んだ映像光束として接眼光学系５aに入射する。なお、本例では、図からも明らかなように、それぞれの平面ディスプレイを接眼光学系５aの入射瞳方向に傾けることで、より効率よく映像光を取り込むことを可能としている。なお、それぞれの虚像Ｖ３、Ｖ２、Ｖ１に対応した補正用光学素子の働きについては、上記図６で示した第二の実施形態と同様であり、ここではその説明を省略する。
【００７３】
以上述べた複数の平面ディスプレイ（液晶表示パネル）を使用することで得られる特有の効果を、以下に纏める。
（１）複数の液晶表示パネルを映像源として使用することで合成の解像度を高くすることができる。その結果、虚像全体の情報量を大きくできるので、上記図３に示すように、フロントガラス６のほぼ全域にかけて虚像を成立させることが可能となる。なお、通常は、フロントガラス６の全面に虚像を成立させること無く、図の画像表示領域１（ａ）、または、画像表示領域１（ｃ）、または、画像表示領域１（ａ）と１（ｃ）の両方に虚像を成立させる。その結果、上記図４に示すように、走行中の自動車１０１の運転者が運転中に注視する前方の視界に重ねて、上記図１にも示した周辺監視装置からの映像情報や注意喚起の情報、さらには、ナビゲーションシステムからの情報などを表示でき、いわゆる、仮想現実が実現できる。さらに、右折しようとした場合においても、走行の安全上問題となる歩行者の情報を周辺監視装置で認識した後、撮影した映像情報に注意喚起の情報を重ねて表示することによれば、安全運転のための有効な補助となる。
【００７４】
また、進行方向の左から走行中の自動車１０２に対しては、安全上問題となれば上記図３の画像表示領域２において注意喚起の映像を断続的に表示するなど、運転者の安全認識強化に役立てることができる。
（２）複数の平面ディスプレイ（液晶表示パネル）を、虚像光学系の物面範囲内の所望な位置に配置することで、得られる虚像成立位置と倍率を、適宜、制御できる。
（３）さらに、それぞれの液晶表示パネルの向きを前記接眼光学系５ａの入射瞳方向に傾けることで、映像光の利用効率が向上でき明るい虚像を得ることができる。同様に、液晶表示パネルの配置する位置において、成立するそれぞれの虚像の収差と歪み補正に有利なように液晶表示パネルを傾けることで、設計の自由度を向上できる。
【００７５】
その結果、上記図６示した虚像光学系５よりも設計の自由度が増加し、解像性能と収差補正や歪み補正の自由度を向上すると共に、運転者の視点から見た場合の虚像を所望の位置に成立させることが可能となる。上記の図７には、一例として、３個の液晶表示パネル４ｂ、４ｃ、４ｄを並列にした例を記載しているが、これに限られず、例えば図８に示すように、接眼光学系５aの光軸方向に対応させてそれぞれを傾けて配置させ、または、図９に示すように、マトリックス状に平面ディスプレイを配置してもよく、さらには、上述した補正光学素子を挿入しても良いことは言うまでもない。この時、それぞれのパネルを虚像光学系の光軸に対して傾けることで歪み補正や収差補正の自由度を向上させることも、同様に、有効である。
＜その他の実施形態＞
図１０は、本発明の他の実施形態である情報表示装置における映像光源として液晶表示パネル４ａとバックライト1００を含めた構造の全体の概略を示した断面図である。固体光源である白色ＬＥＤ４６からの出射光を、ライトファネル４４によって、その発散角を小さくし、かつ、出射光の強度分布を均一化する。その後、光学素子４３により略平行光とし、偏光変換用のＰＢＳ４５において、単一の偏波に揃える。その後、反射面４１で反射させ、液晶表示パネル４ａに入射させる。この時、液晶表示パネル４ａによって得られる映像光束がコントラスト性能の優れたものとなるように、液晶表示パネル４への光束入射角度を制御するための光学素子１７を設ける。
【００７６】
これによれば、液晶表示素子４ａの光入射面と出射面には偏光板が設けられ、コントラスト性能の優れた映像光束を得ることができる。さらに、液晶表示パネル４ａの出射面にはλ／４板４６を設け、出射光を円偏光とすることも可能である。その結果、運転者は、偏光サングラスを装着していても、良好な虚像を監視することができる。
【００７７】
さらに、虚像光学系で使用する反射ミラーの反射膜を金属多層膜で成膜しても反射率の角度依存性が少なく、偏光方向（Ｐ波またはＳ波）によって反射率が変わることがないため画面の色度や明るさを均一に保つことが可能となる。
【００７８】
さらに、虚像光学系５に最も近接した位置に、紫外線反射膜や紫外線反射膜と赤外線反射膜を合わせた光学部材４７を設けることによれば、外光（太陽光）が入射しても、液晶表示パネルおよび偏光板をその温度上昇やダメージから軽減できるので、情報表示装置の信頼性を損なうことがないという効果が得られる。
＜その他＞
以上、本発明の各実施形態の情報表示装置の主要な構成について詳述したが、さらに、以下には、それらを纏めて述べると共に、その他の構成についての詳細についても述べる。
【００７９】
その内、まず、映像投写装置としては、ＴＦＴ方式のカラー液晶パネルやカラーフィルターを供えた単板ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）などの平面ディスプレイである。一方、映像源（中間像表示部）には、小型の液晶パネルやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）などの映像表示素子により映像信号に合わせて光の強度を変調し、この変調された光を投写手段によって中間像表示部に拡大投写する方法があり、その他に、光源光をＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）の微細ミラーでスキャンすることで前述の映像投写装置と同様の映像情報を得ることができる。このため、投写手段の最良像面やスキャンによって得られた映像面を中間像表示部の面形状と略一致させ、平面以外の、例えば、球面、非球面、自由曲面として、虚像光学系の設計自由度を大きくすることもできる。また、中間像表示部を複数設置して映像を分割表示しても良い（但し、図１および図５では、中間像表示部を１つとして表示）。
【００８０】
また、虚像光学系は、従来技術において被投影部材とされていたフロントガラスの車両水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径の差も含めて最適設計を行い、フロントガラスと映像投写装置または中間像表示部の間には、フロントガラス側に凹面を向けた凹面ミラーを配置しており、これにより、映像投写装置または中間像表示部に拡大投写された映像を拡大し、フロントガラスにおいて反射する。この時、前述の凹面ミラーと映像投写装置または中間像表示部の間には、複数の光学素子が配置されており、他方、運転者の視点位置に対応して結像する前記映像の拡大像（虚像）を形成する映像光束は、映像投写装置または中間像表示部との間に配置された前記複数の光学素子を通過し、その際には、互いに分離した位置に配置された光学素子を通過する。そこで、それぞれの光束に対応して光学素子を分割して最適収差補正を行なうことで、運転者の複数の視点位置に対応した視認性の高い虚像を得ることが可能となる。
【００８１】
また、上記図７にも示したように、小型の映像表示素子を複数台並べ映像投写装置を構成することで高解像度を安価に実現できる。さらに、上述した虚像光学系に対して複数の映像表示素子の配置場所を変えることで、運転者から見た場合の虚像の発生位置とその倍率とを制御することが可能となる。
【００８２】
より具体的には本発明では、フロントガラス上部（車体垂直方向上部）に反射されて得られる虚像は、より遠方に結像する必要がある。このため、これに対応した映像が表示される映像投写装置および中間像表示部の上部から発散される映像光束を良好に結像させるために、前述の凹面ミラーと映像投写装置または中間像表示部の間に配置した複数の光学素子により、合成の焦点距離ｆ１を短くし、または、屈折率が１．０より大きい光学部材を挿入して光学距離Ｌ１を長くし、反対に、フロントガラス下部（車体垂直方向下部）に反射されて得られる虚像は、より近傍に結像させるため、合成焦点距離ｆ２を長くまたは光学距離Ｌ２を短く必要がある。言い換えると両者の関係は、ｆ１＜ｆ２となるように設定されると良い。本発明の目的を実現するためには、上述したように、映像投写装置および中間像表示部を幾つかに分割して必要な情報を表示しても良く、または、連続的な情報表示を行なうことも可能である。
【００８３】
さらに、図１に示す本発明の一実施形態では、フロントガラス上部（車体垂直方向上部）に反射されて得られる虚像Ｖ３は、より遠方に結像する必要がある。このため、これに対応した映像が表示される映像投写装置または中間像表示部の上部から発散される映像光束を良好に結像させるために、前述の凹面ミラーと映像投写装置または中間像表示部の間に配置した複数の光学素子の合成焦点距離ｆ１は、短く、反対に、フロントガラス下部（車体垂直方向下部）に反射されて得られる虚像Ｖ１は、より近傍に結像する必要がある。このため、これに対応した映像が表示される映像投写装置または中間像表示部の下部から発散される映像光束を良好に結像させるため、前述の凹面ミラーと映像投写装置または中間像表示部の間に配置した複数の光学素子の合成焦点距離ｆ２は、相対的に長く設定されると良い。
【００８４】
また、本発明の一実施形態では、フロントガラスの水平方向（地面に平行）曲率半径と垂直方向（フロントガラス水平方向に垂直な方向）の曲率半径が異なることで運転者が観視する虚像の画面歪みを補正するため虚像光学系に、光軸に対して軸対称性が異なる光学素子を配置することで、上述した歪みの補正を実現する。
【００８５】
次に、本発明の一実施形態では、映像面をフラットパネルディスプレイとして構成する。具体的には、ＴＦＴ方式のカラー液晶パネルやカラーフィルターを供えた単板ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）などの平面ディスプレイである。表示画面サイズとしては、１インチから５インチ程度までが良く、映像光の有効利用を考慮すれば、３インチ程度までが好ましい。また、図７に示すように、小型の平面ディスプレイを複数用い組み合わせることで所望の解像度を得ることも可能である。
【００８６】
この場合、映像投写装置そのものが虚像光学系の映像源となるため、表示面が平面となるので、設計の自由度としては、虚像光学系の光軸に対して傾斜させるフロントガラスの傾斜を考慮して台形歪みの補正をするなどの自由度が存在する。さらに、複数の平面ディスプレイを用いた情報表示装置では、虚像光学系に対して小型の平面ディスプレイを配置する場所を変えることでも、同様に、上述した虚像の発生位置と倍率を制御できる。
【００８７】
また、映像面と虚像光学系の間に運転者の視点位置に向かって映像光束が到達するように集光作用を有する光学素子を配置して、映像面からの出射光線が虚像光学系を通して運転者の眼に効率よく到達させる。また、ＴＦＴ方式のカラー液晶パネルやカラーフィルターを供えた単板ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）など、特定の偏光のみを用いる映像投写装置では、光源光を偏光変換して所望の偏波成分のみ取り出す光学素子を光源と映像投写装置の間に設けることで、光源光の有効活用が可能となる。さらに、光源光の発散角度を制御して、前述の映像投写装置からの出力光の内のコントラスト性能の高い角度成分のみを使用することにより、映像のコントラスト性能を高めることも可能となる。
【００８８】
また、フロントガラスの反射面は、運転者の変更などによって運転者の視点位置が複数存在する場合には、フロントガラスの車体垂直方向の曲率半径および車体水平方向の曲率半径の中心位置と運転者の目の位置とが異なり、そのため、虚像で得られる画像の歪がそれぞれに異なる。このため、例えば自動車の車内において運転者の視点位置を計測するため、カメラ等によって瞳の位置を測定し、予め虚像で発生する歪みを補正するように映像投写装置への表示画像を歪ませておくと良い。
【００８９】
さらに、前述のフロントガラス反射面の形状と運転者の視点位置に起因して生じる表示する文字や図形の歪みは、文字や図形の縦横比を表示画像の位置によって変更することにより、運転者が観視する虚像の形状をより自然に（縦横比がより正しい比率に）表現することができる。
【００９０】
以上の結果、本発明の一実施形態である情報表示装置によれば、運転者の複数の視点位置（異なる距離）に視認性の高い虚像を形成することができる。さらに、本発明の一実施形態である情報表示装置によれば、上述した特許文献１および特許文献２に示された技術に比較して、簡単な構成で実現でき、すなわち、装置構造の大型化や複雑化を可能な限り抑制できる。
【００９１】
また、本発明の一実施形態である情報表示装置では、上記特許文献２に記載の技術に比べ、投写手段の焦点距離を個々の結像手段に合わせて高速で調整する必要が無く、安価で簡単な構成により、近距離（フロントガラスの下方に相当）や遠距離（フロントガラスの上方に相当）など、運転者の視線に適合する位置に、虚像を形成することができる。その結果、利用者にとっては使い勝手に優れた情報表示装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１…情報表示装置、１００…バックライト、２…液晶表示パネル、３…リレー光学系、４…中間像結像部（拡散板）、５ａ…接眼光学系（光学部品）、５…虚像光学系、６…被投影部材（フロントガラス）、７…虚像面、８…アイボックス、９…観察者の眼、１０…画像形成ユニット、１１…映像投写装置、１７…光学素子、２０…投写光学系、２１…光学素子、２２…光学素子、２３…光学素子、４１…反射面、４２…λ／２板、４３…光学素子、４４…ライトファネル、４５…ＰＢＳ、４６…固体光源、４７…紫外線および赤外線反射シート、４８…λ／４板、５１…光学素子（段差フィルタ）、５２…凸レンズ（第１光学素子）、５３…凹レンズ（第２光学素子）、５４…自由曲面レンズ、５５…シリンダーミラー（反射ミラー）、５６…自由曲面ミラー（反射ミラー）、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３…虚像
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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