(57)【要約】【課題】二重像の発生を低減して虚像の視認性を向上させる。【解決手段】虚像表示装置１０は、虚像提示板２２を介してユーザに虚像を提示する。虚像表示装置１０は、画像表示光Ｌを生成する表示部１２と、画像表示光Ｌを虚像提示板２２に向けて投射する投射光学系１４とを備える。投射光学系１４は、虚像提示板２２に向けて画像表示光Ｌを投射する投射鏡１６と、投射光学系１４の光路に対して光軸が斜めに交差するように配置されるレンズ３６とを含む。表示部１２は、虚像提示板２２および投射光学系１４により構成される合成光学系２０のメリディオナル面内焦点に配置される。合成光学系２０のメリディオナル面内焦点は、虚像提示板２２のメリディオナル面に沿ってユーザＥから虚像提示板２２に向けて平行光束を入射させたときの当該平行光束の集光位置である。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
虚像提示板を介してユーザに虚像を提示するための虚像表示装置であって、
画像表示光を生成する表示部と、
前記画像表示光を前記虚像提示板に向けて投射する投射光学系と、を備え、
前記投射光学系は、前記虚像提示板に向けて前記画像表示光を投射する投射鏡と、前記投射光学系の光路に対して光軸が斜めに交差するように配置されるレンズと、を含み、
前記表示部は、前記虚像提示板および前記投射光学系により構成される合成光学系のメリディオナル面内焦点に配置され、
前記合成光学系のメリディオナル面内焦点は、前記虚像提示板のメリディオナル面に沿って前記ユーザから前記虚像提示板に向けて平行光束を入射させたときの当該平行光束の集光位置であることを特徴とする虚像表示装置。
【請求項２】
前記表示部を内部に収容し、前記画像表示光が出射される出射口を有する筐体をさらに備え、
前記レンズは、前記出射口を塞ぐようにして前記筐体に取り付けされ、前記レンズの取り付けにより前記筐体の内部が密閉されることを特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記レンズの前記画像表示光が透過する曲面は、前記レンズの光軸周りに回転対称な形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記投射光学系の光路と光軸が平行となるように前記投射鏡と前記レンズの間に配置される別のレンズをさらに備えることを特徴する請求項１から３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記投射光学系は、前記虚像提示板の凹曲面にて前記画像表示光が斜めに入反射するように配置され、
前記投射鏡は、前記画像表示光が斜めに入反射する凹曲面を有し、前記虚像提示板の凹曲面における前記画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向と、前記投射鏡の凹曲面における前記画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向とが互いに直交するように配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記投射光学系は、前記虚像提示板の凹曲面にて前記画像表示光が斜めに入反射するように配置され、
前記投射鏡は、前記画像表示光が斜めに入反射する凹曲面を有し、前記虚像提示板の凹曲面における前記画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向と、前記投射鏡の凹曲面における前記画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向とが互いに平行となるように配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記投射鏡は、前記画像表示光が斜めに入反射する凹曲面を有し、前記凹曲面と交差する第１断面での曲率よりも前記凹曲面と交差する第２断面での曲率が大きくなるように構成され、前記第１断面は、前記凹曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方を含む平面であり、前記第２断面は、前記第１断面に直交する平面であって、前記凹曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向に沿う平面であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記虚像提示板は、車両に設けられる厚さが均一なウインドシールドであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両用表示装置としてヘッドアップディスプレイが用いられることがある。ヘッドアップディスプレイは、画像表示光を車両のウィンドシールドなどに投射し、画像表示光に基づく虚像を車外の風景に重畳して表示する。ウィンドシールドには車内側と車外側の二つの界面があるため、それぞれの界面にて反射して視認される画像表示光がずれて重畳され、二重像に見えてしまうことがある。このような二重像の発生を抑制するため、二重像のずれ量が人間の目の分解能以内となるように視距離を設定し、その視距離を実現する光学配置を得るための数式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−２２５４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の技術では、二重像を低減するためにユーザの前方に見える虚像の提示位置までの視距離を大きくすることが前提とされる。虚像の視距離によらずに二重像の発生を好適に低減できることが好ましい。
【０００５】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、提示する虚像の視認性を向上させる技術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】
【０００６】
本発明のある態様の虚像表示装置は、虚像提示板を介してユーザに虚像を提示するための虚像表示装置であって、画像表示光を生成する表示部と、画像表示光を虚像提示板に向けて投射する投射光学系と、を備える。投射光学系は、虚像提示板に向けて画像表示光を投射する投射鏡と、投射光学系の光路に対して光軸が斜めに交差するように配置されるレンズと、を含む。表示部は、虚像提示板および投射光学系により構成される合成光学系のメリディオナル面内焦点に配置され、合成光学系のメリディオナル面内焦点は、虚像提示板のメリディオナル面に沿ってユーザから虚像提示板に向けて平行光束を入射させたときの当該平行光束の集光位置である。
【０００７】
なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、二重像の発生を低減して虚像の視認性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態に係る虚像表示装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】虚像提示板に起因する二重像の発生を模式的に示す図である。
【図３】楔ガラスによる二重像の抑制を模式的に示す図である。
【図４】比較例に係る虚像表示装置の光学配置を示す図である。
【図５】図５（ａ），（ｂ）は、凹曲面の一部領域に入射する平行光束の非点収差を模式的に示す図である。
【図６】第１の実施の形態に係る虚像表示装置の構成を詳細に示す図である。
【図７】第２の実施の形態に係る虚像表示装置の構成を詳細に示す図である。
【図８】図８（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施の形態に係る虚像表示装置の構成を詳細に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施の形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１１】
図１は、実施の形態に係る虚像表示装置１０の構成を模式的に示す図である。本実施の形態では、移動体の一例である車両６０のダッシュボード内に虚像表示装置１０が設置される。虚像表示装置１０は、いわゆるヘッドアップディスプレイ装置である。虚像表示装置１０は、虚像提示板であるウインドシールド６２に画像表示光を投射し、車両６０の進行方向（図１の右方向）の前方に虚像５０を提示する。運転者などのユーザＥは、ウインドシールド６２を介して現実の風景に重畳される虚像５０を視認できる。そのため、ユーザＥは、車両の走行中に視線をほとんど動かすことなく虚像５０に示される情報を得ることができる。図１において、車両６０の進行方向（前後方向）をｚ方向、車両６０の天地方向（上下方向）をｙ方向、車両６０の左右方向をｘ方向としている。
【００１２】
虚像表示装置１０は、照明部１１と、表示部１２と、投射光学系１４と、制御部４０とを備える。照明部１１は、表示光を生成するための光源であり、表示部１２を照明するための照明光を生成する。照明部１１は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）などの発光素子と、発光素子からの出力光の強度分布や角度分布を調整するための光学素子とを有する。照明部１１は、ほぼ一様な明るさの白色光を表示部１２に提供する。照明部１１の構成は特に限られないが、発光素子からの出力光を整えるために、例えば、ライトトンネル、フレネルレンズ、光拡散板などの光学素子を用いることができる。
【００１３】
表示部１２は、照明部１１からの照明光を変調して表示光を生成し、虚像５０の表示内容に対応する中間像（実像）を形成する。表示部１２は、表示光を生成するための透過型の画像表示素子を含み、透過型の液晶パネルといった表示デバイスを含む。画像表示素子は、制御部４０から送信される画像信号を受け、画像信号に対応する表示内容の画像表示光を生成する。表示部１２は、画像表示光の向きや配光角を整えるための光学素子をさらに含んでもよい。また、表示部１２は、例えば、透過型液晶パネル以外のＤＭＤ（Digital Mirror Device）やＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）方式等のＬＳＭ（Laser Scanning Module）といったプロジェクションユニットと、マイクロレンズアレイシートや光拡散シートといった透過型スクリーンとを組み合わせた構成としてもよい。
【００１４】
投射光学系１４は、表示部１２が生成する画像表示光をウインドシールド６２に向けて投射する。投射光学系１４は、凸レンズなどの透過型光学素子や凹面鏡などの反射型光学素子を含む。投射光学系１４の具体的構成は、別途後述する。
【００１５】
制御部４０は、表示用画像を生成し、表示用画像に対応する虚像５０が提示されるように照明部１１および表示部１２を動作させる。制御部４０は、外部装置６４と接続されており、外部装置６４からの情報に基づいて表示用画像を生成する。
【００１６】
外部装置６４は、虚像５０として表示される画像の元データを生成する装置である。外部装置６４は、例えば、車両６０の電子制御ユニット（ＥＣＵ；Electronic Control Unit）や、ナビゲーション装置、携帯電話やスマートフォン、タブレットといったモバイル装置などである。外部装置６４は、虚像５０の表示に必要な画像データ、画像データの内容や種別を示す情報、車両６０の速度や現在位置といった車両６０に関する情報を制御部４０に送信する。
【００１７】
以下、実施の形態に係る光学配置を詳述する前に、比較例を参照しながら二重像の発生について説明する。虚像５０が二重像として見えてしまう要因として、ウインドシールド６２の車内側と車外側の二つの界面で反射して視認される画像表示光がずれて提示されることが挙げられる。
【００１８】
図２は、虚像提示板２２に起因する二重像の発生を模式的に示す図である。図２では、説明の簡略化のため、虚像提示板２２と表示部９２の間に配置される凹面鏡などの光学素子を省略している。虚像提示板２２は、所定の厚みｔを有し、第１面２３と、第２面２４とを有する。第１面２３は、ウインドシールド６２の車内側の界面に対応し、第２面２４は、ウインドシールド６２の車外側の界面に対応する。
【００１９】
表示部９２の任意の一点からユーザＥに達する画像表示光Ｌは、主に二つの光路Ｌ１，Ｌ２を通る。第１光路Ｌ１は、第１面２３で反射されてユーザＥに向かう光路であり、第２光路Ｌ２は、第１面２３で屈折し、第２面２４で反射された後、第１面２３で再度屈折してユーザＥに向かう光路である。このとき、ユーザＥに向かう第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２の間に角度差Δθが存在すると、その角度差Δθに応じて二つの光路Ｌ１，Ｌ２のそれぞれを通る画像表示光がずれて視認され、虚像５１に二重像が生じる。なお、第１面２３と第２面２４の間を多重反射してユーザＥに向かう光路も想定しうるが、多重反射してユーザＥに向かう画像表示光の成分は小さく、通常の使用態様において無視できる。
【００２０】
図３は、楔ガラスによる二重像の抑制を模式的に示す図である。図３の虚像提示板８２は、いわゆる「楔ガラス」と言われるものであり、虚像提示板８２の厚みが場所に応じて変化するよう構成されている。その結果、虚像提示板８２の第１面８３と第２面８４は、ユーザＥの視線方向に対して互いに異なる傾斜角を有し、角度差δが設けられる。二つの面８３，８４の間に角度差δが設けられた楔ガラスを用いることにより、図２に示すような第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２の角度差Δθが補正され、二重像を抑制させた虚像５２を提示できる。
【００２１】
しかしながら、このような「楔ガラス」は角度差δを精密に制御して形成する必要があるため、厚さｔが均一な通常のガラスと比べて高価である。また、車両６０のウインドシールド６２を楔ガラスにする場合には、車両６０の形状に応じた専用の楔ガラスが必要となるだけでなく、ウインドシールド６２の全体を交換しなければならないため、非常にコストがかかる。したがって、このような特殊な楔ガラスを用いずに二重像の発生を低減できることが好ましい。
【００２２】
図４は、比較例に係る虚像表示装置９０の光学配置を詳細に示す図である。比較例は、虚像提示板２２と表示部９２の間に凸レンズ９４が設けられる点で図２の構成と異なる。本比較例では、凸レンズ９４を設けることにより、表示部９２の任意の一点から出発してから虚像提示板２２の第１面２３で反射される第１光路Ｌ１と、虚像提示板２２の第２面２４で反射される第２光路Ｌ２との間の角度差を低減できる。特に、虚像提示板２２と凸レンズ９４により構成される合成光学系の焦点に表示部９２を配置することで、第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２の角度差をなくして二重像を解消することができる。
【００２３】
図４の比較例では、虚像提示板２２に画像表示光Ｌを斜入射させているため、虚像提示板２２が曲面で構成される場合には非点収差が発生しうる。一般的な自動車のウインドシールド６２は曲面で構成され、第１面２３が凹曲面となるように構成されることから、この凹曲面への画像表示光Ｌの斜入射により非点収差が生じる。ここでいう「非点収差」とは、合成光学系のメリディオナル（meridional）面内焦点とサジタル（sagittal）面内焦点の不一致をいう。このような非点収差が生じると、虚像５３の横方向（ｘ方向）の結像位置と縦方向（ｙ方向）の結像位置にずれが生じ、結像性能の低下につながる。なお、「メリディオナル面」とは合成光学系の光軸と画像表示光Ｌの主光線を含む平面のことをいい、図４のｙｚ平面がメリディオナル面に相当する。一方、「サジタル面」とは、合成光学系の光軸を含む平面であってメリディオナル面に直交する平面であり、図４のｘｚ平面がサジタル面に相当する。
【００２４】
図５（ａ），（ｂ）は、凹曲面９６の一部領域９８に入射する平行光束の非点収差を模式的に示す図であり、それぞれ異なる視点から見た図である。図５（ａ）は、凹曲面９６のメリディオナル面（ｙｚ平面）内での光束を示し、図５（ｂ）は、凹曲面９６のサジタル面(ｘｚ平面）内での光束を示す。図示されるように、メリディオナル面とサジタル面では平行光束の収束位置Ｆｍ，Ｆｓが異なり、メリディオナル面内焦点Ｆｍよりもサジタル面内焦点Ｆｓの方が凹曲面９６から遠くに位置する。これは、凹面鏡に平行光束を斜入射させると、その入射角に応じて光の収束位置までの距離（つまり、焦点距離）が変化するためである。凹面鏡の焦点距離をｆ、凹面鏡に入射する光の入射角をφとすると、斜入射する光の焦点距離はｆ・ｃｏｓφと表され、入反射角φが大きいほど焦点距離ｆ・ｃｏｓφは小さくなる。つまり、光束が斜めに入射するメリディオナル面内での焦点距離がｆ・ｃｏｓφに短くなる。一方、サジタル面内での焦点距離はｆ／ｃｏｓφに長くなる。
【００２５】
メリディオナル面内焦点Ｆｍとサジタル面内焦点Ｆｓの間のずれである非点収差Ａｓを小さくするには、凹曲面９６の入反射角φを小さくすればよい。しかしながら、虚像提示板２２における画像表示光Ｌの入反射角を顕著に小さくすることは現実的ではない。そこで、本実施の形態では、虚像提示板２２および投射光学系１４で構成される合成光学系全体としての非点収差が小さくなるように投射光学系１４を構成する。具体的には、投射光学系の光路に対してレンズを斜めに配置する。斜めに配置したレンズにより生じる非点収差を利用することで、二重像の発生の緩和と合成光学系の非点収差の低減を両立させる。
【００２６】
（第１の実施の形態）
図６は、第１の実施の形態に係る虚像表示装置１０の構成を詳細に示す図である。虚像表示装置１０は、照明部１１、表示部１２および投射光学系１４を備える。投射光学系１４は、凹面鏡１６および凸レンズ３６を含む。照明部１１、表示部１２、凸レンズ３６および凹面鏡１６は、ｚ方向に延びる光路上に配置されている。凸レンズ３６は、ｚ方向に延びる光路に対して凸レンズ３６の光軸が斜めに交差するように傾けて配置されている。凹面鏡１６は、ｚ方向に入射する画像表示光Ｌを虚像提示板２２に向けてｙ方向に反射させる。虚像提示板２２は、ｙ方向の入射する画像表示光ＬをユーザＥに向けてｚ方向に反射させる。
【００２７】
虚像表示装置１０は、表示光生成ユニット３０を備える。表示光生成ユニット３０は、照明部１１、表示部１２および凸レンズ３６が一体化されたモジュール部品である。表示光生成ユニット３０は、筐体３２を有し、筐体３２の内部に照明部１１および表示部１２が収容される。凸レンズ３６は、画像表示光Ｌが出射される筐体３２の出射口３４を塞ぐように筐体３２に取り付けられる。凸レンズ３６は、筐体３２の内部を密閉構造とし、筐体３２の内部へのチリやごみなどの侵入を防ぐ防塵カバーとしての機能を有する。図示する例では、筐体３２の出射口３４に凸レンズ３６が直接接触するように凸レンズ３６が取り付けられている。変形例では、凸レンズ３６の外周に取り付けられる固定部材等を介して凸レンズ３６が出射口３４に取り付けられてもよい。また、出射口３４と凸レンズ３６の間に密閉性を高めるためのＯ−リング等の封止部材が設けられてもよい。
【００２８】
虚像提示板２２は、画像表示光Ｌが斜めに入反射する第１面２３が凹曲面となるよう構成される。虚像提示板２２は、厚みｔが一定となるよう構成されており、第１面２３および第２面２４の曲面形状が同じである。虚像提示板２２は、第１面２３における画像表示光Ｌの入射方向と反射方向の双方に直交する方向（軸Ａ）がｘ方向となるように配置されている。虚像提示板２２における画像表示光の入反射角はφａであり、虚像提示板２２の凹曲面の焦点距離はｆａである。
【００２９】
凹面鏡１６は、画像表示光Ｌを虚像提示板２２に向けて投射する投射鏡である。凹面鏡１６は、画像表示光Ｌが斜めに入反射する凹曲面を有し、凹曲面における画像表示光Ｌの入射方向と反射方向の双方に直交する方向（軸Ｂ）がｘ方向となるように配置されている。したがって、凹面鏡１６の軸Ｂの向きは、虚像提示板２２の軸Ａの向きと平行であり、凹面鏡１６と虚像提示板２２とは互いに向かい合わせの配置となっている。なお、凹面鏡１６における画像表示光の入反射角はφｂであり、凹面鏡１６の凹曲面の焦点距離はｆｂである。
【００３０】
凸レンズ３６は、表示部１２と凹面鏡１６の間に配置される。凸レンズ３６は、投射光学系１４の光路に対して斜めに配置されており、回転軸Ｃがメリディオナル面（ｙｚ平面）と直交する方向（ｘ方向）となるように配置されている。凸レンズ３６は、画像表示光Ｌが透過する曲面がレンズの光軸周りに回転対称となる形状を有し、例えば球面で構成される。凸レンズ３６を斜めに配置するとともに、凸レンズ３６の回転軸Ｃの方向をメリディオナル面と直交させることで、投射光学系１４のメリディオナル面内焦点距離をサジタル面内焦点距離に比べて長くできる。これにより、凸レンズ３６を斜めにしない場合と比べて、合成光学系２０のメリディオナル面内焦点距離とサジタル面内焦点距離の差を低減し、合成光学系２０の全体としての非点収差を緩和させることができる。凸レンズ３６を斜めに配置することによる焦点距離の調整量は、凸レンズ３６の傾斜角φｃおよび凸レンズ３６の焦点距離ｆｃに依存する。そのため、凸レンズ３６の傾斜角φｃおよび焦点距離ｆｃを変えることで合成光学系２０の非点収差量を調整できる。
【００３１】
なお、凸レンズ３６、凹面鏡１６および虚像提示板２２を組み合わせた合成光学系２０の非点収差量を小さくするためには、凸レンズ３６、凹面鏡１６および虚像提示板２２のそれぞれにて発生する非点収差量の合計が小さくなるようにすればよい。光学素子の非点収差量は、光学素子の焦点距離ｆと光学素子の光路に対する傾斜角φの余弦ｃｏｓφとの積ｆ・ｃｏｓφに比例する。また、凸レンズ３６と、凹面鏡１６および虚像提示板２２とでは非点収差量の発生方向が逆となるため、凸レンズ３６の非点収差量（ｆｃ・ｃｏｓφｃ）と、凹面鏡１６の非点収差量（ｆｂ・ｃｏｓφｂ）および虚像提示板２２の非点収差量（ｆａ・ｃｏｓφａ）とをバランスさせることで、合成光学系２０の全体としての非点収差量を低減できる。これにより、非点収差に起因する結像性能の低下を好適に防ぐことができる。
【００３２】
さらに、凸レンズ３６、凹面鏡１６および虚像提示板２２により構成される合成光学系２０のメリディオナル面内焦点に表示部１２を配置することで、二つの面２３，２４を有する虚像提示板２２に起因する二重像の発生を解消できる。ここで、合成光学系２０のメリディオナル面内焦点とは、虚像提示板２２のメリディオナル面（ｙｚ平面）に沿ってユーザＥから虚像提示板２２に向けて平行光束を入射させたときの平行光束の集光位置である。
【００３３】
本実施の形態によれば、表示部１２を合成光学系２０のメリディオナル面内焦点に配置することで、楔ガラスのような特殊仕様の虚像提示板を用いることなく、二重像の発生を緩和できる。さらに、凸レンズ３６を斜めに配置することで、合成光学系２０の非点収差量を小さくすることができ、非点収差に起因する結像性能の低下を防ぐことができる。これにより、ユーザＥに提示する虚像５０の視認性を高めることができる。
【００３４】
本実施の形態によれば、非点収差を緩和するための特殊で高価な非球面レンズ等ではなく、球面レンズといった一般的な安価なレンズを利用して非点収差を低減できるため、製造コストを低減できる。
【００３５】
なお本実施の形態は、虚像提示板２２が平面で構成される場合にも適用可能である。この場合、虚像提示板２２では非点収差が発生しないため、凹面鏡１６にて生じる非点収差量（ｆｂ・ｃｏｓφｂ）と凸レンズ３６にて生じる非点収差量（ｆｃ・ｃｏｓφｃ）を同等にすることで、合成光学系２０の全体としての非点収差量を低減できる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
図７は、第２の実施の形態に係る虚像表示装置１１０の構成を詳細に示す図である。本実施の形態では、凹面鏡１６と、斜めに配置される凸レンズ（第１凸レンズともいう）３６との間にさらに別の凸レンズ（第２凸レンズともいう）１１８が挿入される点で上述の実施の形態と相違する。
【００３７】
虚像表示装置１１０は、照明部１１、表示部１２、および、投射光学系１１４を備える。虚像表示装置１１０は、表示光生成ユニット３０を備え、表示光生成ユニット３０は、照明部１１、表示部１２、筐体３２、および、第１凸レンズ３６を有する。投射光学系１１４は、第１凸レンズ３６、第２凸レンズ１１８および凹面鏡１６を有する。合成光学系１２０は、虚像提示板２２および投射光学系１１４により構成される。
【００３８】
第１凸レンズ３６は、投射光学系１１４の光路に対して斜めに配置される。第２凸レンズ１１８は、投射光学系１１４の光路とレンズの光軸が平行となるように配置される。第１凸レンズ３６および第２凸レンズ１１８は、画像表示光Ｌが透過する曲面が光軸周りに回転対称となる形状を有し、例えば球面で構成される。
【００３９】
本実施の形態によれば、光路に対して斜めに配置される第１凸レンズ３６と、光路に対して垂直に配置される第２凸レンズ１１８とを組み合わせることにより、合成光学系１２０の非点収差量および結像性能の双方をより好適に調整できる。例えば、合成光学系１２０の非点収差量が低減されるように第１凸レンズ３６の焦点距離ｆｃおよび傾斜角φｃを選択するとともに、合成光学系１２０の結像性能が向上するように第２凸レンズ１１８の焦点距離や配置を決めることができる。したがって、本実施の形態によれば、ユーザＥに提示する虚像１５０の視認性をより高めることができる。
【００４０】
図８（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施の形態に係る虚像表示装置の構成を詳細に示す図である。図８（ａ）は、図１に対応し、ｙｚ平面で見た構成を示す。図８（ｂ）は、ｘｚ平面で見た構成を示し、図８（ｃ）は、ｘｙ平面で見た構成を示す。本実施の形態では、虚像提示板２２と凹面鏡２１６がねじれ配置となっている点で上述の第１の実施の形態と相違する。
【００４１】
虚像表示装置２１０は、照明部１１、表示部１２および投射光学系２１４を備える。虚像表示装置２１０は、表示光生成ユニット３０を備え、表示光生成ユニット３０は、照明部１１、表示部１２、筐体３２および凸レンズ３６を有する。投射光学系２１４は、凹面鏡２１６および凸レンズ３６を含む。照明部１１、表示部１２、凸レンズ３６および凹面鏡２１６は、ｘ方向に延びる光軸上に配置されている。凹面鏡２１６は、ｘ方向に入射する画像表示光Ｌを虚像提示板２２に向けてｙ方向に反射させる。虚像提示板２２は、ｙ方向に入射する画像表示光ＬをユーザＥに向けてｚ方向に反射させる。
【００４２】
虚像提示板２２は、画像表示光Ｌが斜めに入反射する第１面２３が凹曲面となるよう構成される。虚像提示板２２は、第１面２３における画像表示光Ｌの入射方向と反射方向の双方に直交する方向（軸Ａ）がｘ方向となるように配置されている。凹面鏡２１６は、画像表示光Ｌの入射方向と反射方向の双方に直交する方向（軸Ｂ）がｚ方向となるように配置されている。したがって、凹面鏡２１６の軸Ｂの向きは、虚像提示板２２の軸Ａの向きと直交しており、凹面鏡２１６と虚像提示板２２とはねじれた配置となっている。
【００４３】
本実施の形態では、虚像提示板２２と凹面鏡２１６がねじれ配置となっているため、虚像提示板２２にて発生する非点収差と凹面鏡２１６にて発生する非点収差とが互いに逆向きに生じる。例えば、虚像提示板２２のメリディオナル面（ｙｚ平面）に平行光束を入射させた場合、その平行光束は、虚像提示板２２および凹面鏡２１６にて反射して凸レンズ３６を通過した後、表示部１２におけるｘ方向の光軸上でｘｚ平面内で収束する。したがって、虚像提示板２２は、表示部１２の光軸上において、ｘｚ平面内の光束の焦点距離を短くし、ｘｙ平面内の光束の焦点距離を長くするように作用する。一方、凹面鏡２１６は、ｘｙ平面内の光束の焦点距離を短くし、ｘｚ平面内の光束の焦点距離を短くするよう作用する。したがって、このようなねじれ配置の虚像提示板２２と凹面鏡２１６を組み合わせることにより、ねじれ配置の凹面鏡２１６が設けられない場合よりも非点収差量を小さくできる。
【００４４】
凸レンズ３６は、表示部１２と凹面鏡２１６の間に配置され、ｘ軸方向に延びる光路に対して斜めに配置される。凸レンズ３６は、回転軸Ｃが凹面鏡２１６のメリディオナル面（ｘｙ平面）に直交する方向（ｚ方向）となるように配置されている。凸レンズ３６をこのように配置することで、凹面鏡２１６に起因する非点収差量を凸レンズ３６により低減できる。例えば、虚像提示板２２に起因する非点収差量よりも凹面鏡２１６に起因する非点収差量が大きい場合、これらの非点収差量の差分を凹面鏡２１６によりさらに低減することができる。
【００４５】
本実施の形態によれば、虚像提示板２２に対してねじれ配置の凹面鏡２１６を設けることで、合成光学系２２０の非点収差量を小さくできる。さらに、表示光生成ユニット３０の凸レンズ３６を斜めに配置することで、合成光学系２２０の非点収差量をさらに小さくできる。これにより、非点収差に起因する結像性能の低下を防ぐことができ、ユーザＥに提示される虚像２５０の視認性を高めることができる。
【００４６】
なお、凹面鏡２１６に起因する非点収差量よりも虚像提示板２２に起因する非点収差量が大きい場合、凸レンズ３６の回転方向を変えてもよい。具体的には、凸レンズ３６の回転軸Ｃがｙ方向となるようにして凸レンズ３６を斜めに配置することで、虚像提示板２２により生じる非点収差量を凸レンズ３６により低減できる。
【００４７】
また、凹面鏡２１６に起因する非点収差量よりも虚像提示板２２に起因する非点収差量が大きい場合、凸レンズ３６の代わりに凹レンズを用いてもよい。この場合、凹レンズの回転軸Ｃがｚ方向となるように凹レンズを斜めに配置することで、虚像提示板２２により生じる非点収差量を凹レンズにより低減できる。
【００４８】
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、各表示例に示す構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。
【００４９】
変形例では、投射鏡である凹面鏡１６のメリディオナル面内（第１断面）の曲率とサジタル面内（第２断面）の曲率とを異ならせてもよい。ここで、凹面鏡１６のメリディオナル面は、凹面鏡１６に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方を含む平面であって、凹面鏡１６の凹曲面と交差する平面である。一方、凹面鏡１６のサジタル面は、メリディオナル面に直交する平面であり、画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向に沿う平面であって、凹面鏡１６の凹曲面と交差する平面である。メリディオナル面内の曲率は、メリディオナル面に沿って入射する平行光束の焦点距離、つまり、メリディオナル面内焦点距離に関連する。一方、サジタル面内の曲率は、サジタル面内焦点距離に関連する。したがって、凹面鏡１６のメリディオナル面内の曲率とサジタル面内の曲率を適切に設定することで、合成光学系１２０のメリディオナル面内焦点とサジタル面内焦点が一致するようにできる。例えば、凹面鏡１６のメリディオナル面内の曲率をサジタル面内の曲率よりも小さくすることで、メリディオナル面内焦点距離とサジタル面内焦点距離の差を低減できる。これにより、合成光学系の非点収差量を低減し、非点収差に起因する結像性能の低下を防ぐことができる。
【００５０】
上述の実施の形態では、虚像提示板２２の第１面２３が凹曲面または平面で構成される場合について示した。変形例では、虚像提示板２２の第１面２３が凸曲面で構成される場合にその非点収差を緩和するように合成光学系を構成してもよい。この場合、投射鏡である凹面鏡を凸面鏡に置換してもよいし、表示光生成ユニット３０の凸レンズ３６を凹レンズに置換してもよい。
【００５１】
上述の実施の形態では、照明部１１、表示部１２および凸レンズ３６が表示光生成ユニット３０として一体化される場合について示した。変形例では、これらが一体的なモジュールとして構成されなくてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
Ｅ…ユーザ、Ｌ…画像表示光、１０…虚像表示装置、１２…表示部、１４…投射光学系、１６…凹面鏡（投射鏡）、２０…合成光学系、２２…虚像提示板、３６…凸レンズ、６２…ウインドシールド。
【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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【手続補正書】
【提出日】令和1年7月16日(2019.7.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さが均一な虚像提示板を介してユーザに虚像を提示するための虚像表示装置であって、
画像表示光を生成する表示部と、
前記画像表示光を前記虚像提示板に向けて投射する投射光学系と、を備え、
前記投射光学系は、前記虚像提示板に向けて前記画像表示光を投射する投射鏡と、前記投射光学系の光路に対して光軸が斜めに交差するように配置されるレンズと、を含み、
前記表示部は、前記虚像提示板および前記投射光学系により構成される合成光学系のメリディオナル面内焦点に配置され、
前記合成光学系のメリディオナル面内焦点は、前記虚像提示板のメリディオナル面に沿って前記ユーザから前記虚像提示板に向けて平行光束を入射させたときの当該平行光束の集光位置であることを特徴とする虚像表示装置。
【請求項２】
前記表示部を内部に収容し、前記画像表示光が出射される出射口を有する筐体をさらに備え、
前記レンズは、前記出射口を塞ぐようにして前記筐体に取り付けされ、前記レンズの取り付けにより前記筐体の内部が密閉されることを特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記レンズの前記画像表示光が透過する曲面は、前記レンズの光軸周りに回転対称な形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記投射光学系の光路と光軸が平行となるように前記投射鏡と前記レンズの間に配置される別のレンズをさらに備えることを特徴する請求項１から３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記投射光学系は、前記虚像提示板の凹曲面にて前記画像表示光が斜めに入反射するように配置され、
前記投射鏡は、前記画像表示光が斜めに入反射する凹曲面を有し、前記虚像提示板の凹曲面における前記画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向と、前記投射鏡の凹曲面における前記画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向とが互いに直交するように配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記投射光学系は、前記虚像提示板の凹曲面にて前記画像表示光が斜めに入反射するように配置され、
前記投射鏡は、前記画像表示光が斜めに入反射する凹曲面を有し、前記虚像提示板の凹曲面における前記画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向と、前記投射鏡の凹曲面における前記画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向とが互いに平行となるように配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記投射鏡は、前記画像表示光が斜めに入反射する凹曲面を有し、前記凹曲面と交差する第１断面での曲率よりも前記凹曲面と交差する第２断面での曲率が大きくなるように構成され、前記第１断面は、前記凹曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方を含む平面であり、前記第２断面は、前記第１断面に直交する平面であって、前記凹曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向に沿う平面であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記虚像提示板は、車両に設けられるウインドシールドであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
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