(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロジェクターの投射画像をサイズｄ０の１次画像として、角度的均一拡散フィルム上に、または通常の拡散フィルム上に結像させ、この拡散フィルムに、焦点距離ｆ０の集光レンズを密着設置し、この集光レンズからほぼ距離ｆ０＝ａだけ離れた位置に１枚または複数枚よりなる合成焦点距離ｆ１：（（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ１））でレンズ瞳径がｄ１の結像レンズを設置し、この結像レンズにより、この結像レンズ主平面からほぼ距離ｂ離れた位置に１次画像の空中実像をほぼ拡大倍率ｂ／ａ倍で、結像させ、このサイズがほぼ（ｂ／ａ）ｄ０の空中像近傍に、複数枚の、焦点距離ｆ２：（（１／ｂ）＋（１／ｃ）＝（１／ｆ２））の反射率４％〜５０％程度の透明凹面反射鏡を、互いに角度を、θ１：（θ１≧（１／２）ｔａｎ−１（ｄ１／ｂ））程度変化さて、互いに接触する程度の間隔で積層し、それぞれの透明凹面反射鏡の反射主光線方向にほぼ距離ｃ離れた位置に、結像レンズのレンズ瞳の空中像を、拡大倍率がほぼｃ／ｂ倍であるサイズ（ｃ／ｂ）ｄ１で結像させ、このレンズ瞳の空中像の前後に、（ｃ／ｂ）ｄ１≧（ｂ／ａ）ｄ０の場合、無限遠５角形視域、（ｃ／ｂ）ｄ１＜（ｂ／ａ）ｄ０の場合、ダイヤモンド形視域を形成することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
プロジェクターの投射画像をサイズｄ０の１次画像として、角度的均一拡散フィルム上に、または通常の拡散フィルム上に結像させ、この拡散フィルムに、焦点距離ｆ０の集光レンズを密着設置し、この集光レンズからほぼ距離ｆ０＝ａだけ離れた位置に１枚または複数枚よりなる合成焦点距離ｆ１：（（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ１））でレンズ瞳径がｄ１の結像レンズを設置し、この結像レンズにより、この結像レンズ主平面からほぼ距離ｂ離れた位置に１次画像の空中実像をほぼ拡大倍率ｂ／ａ倍で、結像させ、このサイズがほぼ（ｂ／ａ）ｄ０の空中像からほぼ距離ｃ：（ｃ≦ｆ２）離れた位置に、複数枚の、焦点距離ｆ２：（（１／ｃ）−（１／ｄ）＝（１／ｆ２））の反射率４％〜５０％程度の透明反射凹面鏡を、互いに角度を、θ１：（θ１≧（１／２）ｔａｎ−１（ｄ１／（ｂ＋ｃ））程度変化さて、互いに接触する程度の間隔で積層し、それぞれの透明凹面反射鏡の奥方向に距離ｄ離れた位置に１次画像の虚像を、拡大倍率ｂｄ／ａｃ倍のサイズ（ｂｄ／ａｃ）ｄ０で形成し、それぞれの透明凹面反射鏡の反射主光線方向にほぼ距離ｅ離れた位置に、結像レンズのレンズ瞳の空中像を、拡大倍率がほぼｅ／（ｂ＋ｃ）倍であるサイズ（ｅ／（ｂ＋ｃ））ｄ１で結像させ、このレンズ瞳の空中像の前後に、（ｅ／（ｂ＋ｃ））ｄ１≧（ｂｄ／ａｃ）ｄ０の場合、無限遠５角形視域、（ｅ／（ｂ＋ｃ））ｄ１＜（ｂｄ／ａｃ）ｄ０の場合、ダイヤモンド形視域、を形成することを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
画像を投影する投影部と、
前記投影部の光軸に対する凹面反射鏡の光軸との接触面が、互いに異なる角度で配置されている複数枚の凹面反射鏡と、
を備え、
前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第１の凹面反射鏡は、前記投影部によって投影された画像の少なくとも一部を反射し、前記画像に基づく第１の像を形成し、
前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第２の凹面反射鏡は、前記投影部によって投影された画像の一部を透過し、前記画像の一部を反射し、前記画像に基づく第２の像を形成し、
前記投影部は、前記画像を結像する結像レンズ、を備え、
前記第１の凹面反射鏡、前記第２の凹面反射鏡、および前記第１の凹面反射鏡と前記第２の凹面反射鏡との間の位置うちのいずれか１つが、前記結像レンズによって結像される実像の位置に配置され、
前記第１の像は、前記第１の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの１つに基づいて形成され、
前記第２の像は、前記第２の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの１つに基づいて形成され、
前記第２の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの１つの像の種類は、前記第１の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの１つの像の種類と異なっている、画像表示装置。
【請求項４】
画像を投影する投影部と、
前記投影部の光軸に対する凹面反射鏡の光軸との接触面が、互いに異なる角度で配置されている複数枚の凹面反射鏡と、
を備え、
前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第１の凹面反射鏡は、前記投影部によって投影された画像の少なくとも一部を反射し、前記画像に基づく第１の像を形成し、
前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第２の凹面反射鏡は、前記投影部によって投影された画像の一部を透過し、前記画像の一部を反射し、前記画像に基づく第２の像を形成し、
前記投影部は、前記画像を結像する結像レンズ、を備え、
前記第２の凹面反射鏡は、前記結像レンズからの距離が、前記結像レンズによって結像される実像の位置より遠くに配置され、
前記第１の像は、虚像に基づく像であり、
前記第２の像は、虚像に基づく像である、画像表示装置。
【請求項５】
前記第１の像および前記第２の像それぞれの拡散角は、
前記複数枚の凹面反射鏡それぞれと対応する前記空中像との距離に基づいてそれぞれ算出される角度以内である、
請求項３に記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記投影部は、
前記投影された画像の光線を拡散する拡散フィルムと、
前記拡散フィルムによって拡散された光線を集光する集光レンズと、
を備え、
前記結像レンズは、前記集光レンズによって集光された光線を結像させ、
前記投影部が投影する画像の大きさがｄ０であり、
前記結像レンズのレンズ瞳径がｄ１であり、
前記集光レンズと前記結像レンズとの距離がａであり、
前記結像レンズと前記第２の凹面反射鏡との光軸方向の距離がｂであり、
前記結像レンズの焦点距離ｆ１は、｛（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ１）｝の関係式を満たし、
前記第１の像および前記第２の像は、前記光軸方向に前記実像から距離ｃの位置に形成され、
前記第１の凹面反射鏡と前記第２の凹面反射鏡それぞれの焦点距離ｆ２は、（１／ｂ）＋（１／ｃ）＝（１／ｆ２）｝の関係式を満たし、
前記第１の像および前記第２の像それぞれの大きさは、（ｃ／ｂ）ｄ１である、請求項３に記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記第１の凹面反射鏡の前記光軸との接触面と、前記第２の凹面反射鏡の前記光軸との接触面との角度θ１は、｛｜θ１｜≧（１／２）ｔａｎ−１（ｄ１／ｂ）｝の関係式を満たす、請求項６に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記第１の像および前記第２の像の前後に、｛（ｃ／ｂ）ｄ１≧（ｂ／ａ）ｄ０｝の場合、無限遠五角形の視域を形成し、｛（ｃ／ｂ）ｄ１＜（ｂ／ａ）ｄ０｝の場合、ダイヤモンド形視域を形成する、請求項７に記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記投影部は、
前記投影された画像の光線を拡散する拡散フィルムと、
前記拡散フィルムによって拡散された光線を集光する集光レンズと、
を備え、
前記結像レンズは、前記集光レンズによって集光された光線を結像させ、
前記集光レンズのレンズ瞳径がｄ０であり、
前記結像レンズのレンズ瞳径がｄ１であり、
前記集光レンズと前記結像レンズとの距離がａであり、
前記結像レンズと前記結像レンズによって結像される実像の光軸方向の距離がｂであり、
前記複数枚の凹面反射鏡のうちのいずれか１つと前記実像との光軸方向の距離、または前記複数枚の凹面反射鏡の間の位置と前記実像との光軸方向の距離がｅであり、
前記結像レンズの焦点距離ｆ１は、｛（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ１）｝の関係式を満たし、
前記第１の像および前記第２の像は、前記第１の凹面反射鏡と前記第２の凹面反射鏡それぞれの反射光の進行方向に、前記複数枚の凹面反射鏡のうちのいずれか１つから距離ｈの位置、または前記複数枚の凹面反射鏡の間の位置から距離ｈの位置に形成され、
前記第２の凹面反射鏡による虚像と、前記第２の凹面反射鏡との距離がｇであり、
前記第１の凹面反射鏡と前記第２の凹面反射鏡それぞれの焦点距離ｆ２は、［｛（１／ｅ）−（１／ｇ）｝＝（１／ｆ２）］の関係式を満たし、かつ［｛１／（ｂ＋ｅ）｝＋（１／ｈ）＝（１／ｆ２）］の関係式を満たし、
前記第１の像および前記第２の像それぞれの大きさは、｛ｈ／（ｂ＋ｅ））｝ｄ１である、請求項４に記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記第１の凹面反射鏡の前記光軸との接触面と、前記第２の凹面反射鏡の前記光軸との接触面との角度θ１は、［｜θ１｜≧（１／２）ｔａｎ−１｛ｄ１／（ｂ＋ｅ）｝｝の関係式を満たす、請求項９に記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記第１の像および前記第２の像の前後に、｛ｈ／（ｂ＋ｅ）｝ｄ１≧｛（ｂｇ／ａｅ）ｄ０｝の場合、無限遠五角形の視域を形成し、｛ｈ／（ｂ＋ｅ）｝ｄ１＜｛（ｂｇ／ａｅ）ｄ０｝の場合、ダイヤモンド形視域を形成する、請求項９または請求項１０に記載の画像表示装置。
【請求項１２】
前記複数枚の凹面反射鏡は、３枚以上であり、
前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第３の凹面反射鏡は、前記投影部と前記第１の凹面反射鏡との間に配置され、前記投影部によって投影された画像の一部を反射し、前記画像に基づく第３の空中像を形成し、
前記第２の凹面反射鏡は、前記第１の凹面反射鏡と前記第３の凹面反射鏡との間に配置されている、請求項３から請求項１０のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１３】
前記複数枚の凹面反射鏡は、３枚以上であり、
前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第３の凹面反射鏡は、前記投影部と前記第１の凹面反射鏡との間に配置され、前記投影部によって投影された画像の一部を反射し、前記画像に基づく第３の空中像を形成し、
前記第２の凹面反射鏡は、前記第１の凹面反射鏡と前記第３の凹面反射鏡との間に配置され、
前記光軸の垂線に対する前記第１の凹面反射鏡の前記光軸との接触面の第１の角度と、前記光軸の垂線に対する前記第２の凹面反射鏡の前記光軸との接触面の第２の角度との第１の差と、
前記第２の角度と、前記光軸の垂線に対する前記第３の凹面反射鏡の前記光軸との接触面の第３の角度との第２の差とが互いに異なっている、請求項３から請求項１２のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１４】
前記複数枚の凹面反射鏡それぞれの焦点距離が同じ値のｆ２である、請求項３から請求項１３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１５】
前記複数枚の凹面反射鏡それぞれの焦点距離が互いに異なる値である、請求項３から請求項１３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１６】
前記複数枚の凹面反射鏡の表面または裏面に反射防止のモスアイ構造フィルムおよびＡＲコートのうち、少なくとも１つが施されている、請求項３から請求項１５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１７】
前記第１の凹面反射鏡は、裏面が黒色である、請求項３から請求項１６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項１８】
前記投影部は、プロジェクター、または液晶パネルとレンズとの組み合わせのうち、少なくとも１つを含む、請求項３から請求項１７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
運転情報を運転者の視界に重ねて、車両のフロントガラスに表示させるＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）が開発されている。運転情報とは、例えば速度、カーナビゲーションに関する情報等である。従来のＨＵＤでは、視野角が狭かったため、運転者と、助手席の座る同乗者の両方に対して、車両情報を視認させることができなかった。
【０００３】
このため、表示体と表示部との間にハーフミラーを配置して、画像が表示される表示面の角度を変えることで、運転者と同乗者とが運転情報を視認できる表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、表示体は、蛍光表示管や液晶表示板等であり、表示体には、運転情報が表示される。また、表示部は、車両のフロントガラス内面に設けられた半透明鏡であり、表示部には、表示体から投影された表示光が投影される。特許文献１に記載の技術では、ハーフミラーを透過して表示部に表示される運転情報を運転者が視認でき、ハーフミラーによって反射された運転情報を同乗者が視認できる。
【０００４】
さらに、フロントガラスにホログラフィック光学系を配置し、プロジェクターから運転情報をホログラフィック光学系に投影する表示装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載の表示装置では、投影された運転情報の画像が、２層以上のホログラフィック光学系に予め記録されている干渉パターンによって２つの角度へ回折させることで、運転者と同乗者とが運転情報を視認できる。特許文献２に記載の技術では、１層目のホログラフィック光学素子による第１の回折光を運転者が視認でき、２層目のホログラフィック光学素子による第２の回折光を同乗者が視認できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭６３−１５８４２８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８０１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ハーフミラーを用いているので、運転者と同乗者とが視認できる画像の明るさが異なる場合がある。
また、特許文献２に記載の技術では、１層目を透過後に２層目のホログラフィック光学素子によって第２の回折光を得ているため、第１の回折光と第２の回折光とで視認できる画像の明るさが異なる場合がある。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、より表示画像同士の明るさの近い表示画像を複数の人に向けて表示させることができる画像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】
【０００８】
（１）上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る画像表示装置は、プロジェクターの投射画像をサイズｄ０の１次画像として、角度的均一拡散フィルム上に、または通常の拡散フィルム上に結像させ、この拡散フィルムに、焦点距離ｆ０の集光レンズを密着設置し、この集光レンズからほぼ距離ｆ０＝ａだけ離れた位置に１枚または複数枚よりなる合成焦点距離ｆ１：（（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ１））でレンズ瞳径がｄ１の結像レンズを設置し、この結像レンズにより、この結像レンズ主平面からほぼ距離ｂ離れた位置に１次画像の空中実像をほぼ拡大倍率ｂ／ａ倍で、結像させ、このサイズがほぼ（ｂ／ａ）ｄ０の空中像近傍に、複数枚の、焦点距離ｆ２：（（１／ｂ）＋（１／ｃ）＝（１／ｆ２））の反射率４％〜５０％程度の透明凹面反射鏡を、互いに角度を、θ１：（θ１≧（１／２）ｔａｎ−１（ｄ１／ｂ））程度変化さて、互いに接触する程度の間隔で積層し、それぞれの透明凹面反射鏡の反射主光線方向にほぼ距離ｃ離れた位置に、結像レンズのレンズ瞳の空中像を、拡大倍率がほぼｃ／ｂ倍であるサイズ（ｃ／ｂ）ｄ１で結像させ、このレンズ瞳の空中像の前後に、（ｃ／ｂ）ｄ１≧（ｂ／ａ）ｄ０の場合、無限遠５角形視域、（ｃ／ｂ）ｄ１＜（ｂ／ａ）ｄ０の場合、ダイヤモンド形視域を形成する。
【０００９】
（２）上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る画像表示装置は、プロジェクターの投射画像をサイズｄ０の１次画像として、角度的均一拡散フィルム上に、または通常の拡散フィルム上に結像させ、この拡散フィルムに、焦点距離ｆ０の集光レンズを密着設置し、この集光レンズからほぼ距離ｆ０＝ａだけ離れた位置に１枚または複数枚よりなる合成焦点距離ｆ１：（（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ１））でレンズ瞳径がｄ１の結像レンズを設置し、この結像レンズにより、この結像レンズ主平面からほぼ距離ｂ離れた位置に１次画像の空中実像をほぼ拡大倍率ｂ／ａ倍で、結像させ、このサイズがほぼ（ｂ／ａ）ｄ０の空中像からほぼ距離ｃ：（ｃ≦ｆ２）離れた位置に、複数枚の、焦点距離ｆ２：（（１／ｃ）−（１／ｄ）＝（１／ｆ２））の反射率４％〜５０％程度の透明反射凹面鏡を、互いに角度を、θ１：（θ１≧（１／２）ｔａｎ−１（ｄ１／（ｂ＋ｃ））程度変化さて、互いに接触する程度の間隔で積層し、それぞれの透明凹面反射鏡の奥方向に距離ｄ離れた位置に１次画像の虚像を、拡大倍率ｂｄ／ａｃ倍のサイズ（ｂｄ／ａｃ）ｄ０で形成し、それぞれの透明凹面反射鏡の反射主光線方向にほぼ距離ｅ離れた位置に、結像レンズのレンズ瞳の空中像を、拡大倍率がほぼｅ／（ｂ＋ｃ）倍であるサイズ（ｅ／（ｂ＋ｃ））ｄ１で結像させ、このレンズ瞳の空中像の前後に、（ｅ／（ｂ＋ｃ））ｄ１≧（ｂｄ／ａｃ）ｄ０の場合、無限遠５角形視域、（ｅ／（ｂ＋ｃ））ｄ１＜（ｂｄ／ａｃ）ｄ０の場合、ダイヤモンド形視域、を形成する。
【００１０】
（３）上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る画像表示装置は、画像を投影する投影部と、前記投影部の光軸に対する凹面反射鏡の光軸との接触面が、互いに異なる角度で配置されている複数枚の凹面反射鏡と、を備え、前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第１の凹面反射鏡は、前記投影部によって投影された画像の少なくとも一部を反射し、前記画像に基づく第１の像を形成し、前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第２の凹面反射鏡は、前記投影部によって投影された画像の一部を透過し、前記画像の一部を反射し、前記画像に基づく第２の像を形成し、前記投影部は、前記画像を結像する結像レンズ、を備え、前記第１の凹面反射鏡、前記第２の凹面反射鏡、および前記第１の凹面反射鏡と前記第２の凹面反射鏡との間の位置うちのいずれか１つが、前記結像レンズによって結像される実像の位置に配置され、前記第１の像は、前記第１の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの１つに基づいて形成され、前記第２の像は、前記第２の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの１つに基づいて形成され、前記第２の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの１つの像の種類は、前記第１の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの１つの像の種類と異なっている。
なお、投影部の光軸に対する凹面反射鏡の光軸との接触面とは、投影部の光軸の垂線を含む面と接触する、各凹面反射鏡の光軸を含む面または光軸の垂線を含む面である。
【００１１】
（４）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、画像を投影する投影部と、前記投影部の光軸に対する凹面反射鏡の光軸との接触面が、互いに異なる角度で配置されている複数枚の凹面反射鏡と、を備え、前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第１の凹面反射鏡は、前記投影部によって投影された画像の少なくとも一部を反射し、前記画像に基づく第１の像を形成し、前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第２の凹面反射鏡は、前記投影部によって投影された画像の一部を透過し、前記画像の一部を反射し、前記画像に基づく第２の像を形成し、前記投影部は、前記画像を結像する結像レンズ、を備え、前記第２の凹面反射鏡は、前記結像レンズからの距離が、前記結像レンズによって結像される実像の位置より遠くに配置され、前記第１の像は、虚像に基づく像であり、前記第２の像は、虚像に基づく像である。
なお、投影部の光軸に対する凹面反射鏡の光軸との接触面とは、投影部の光軸の垂線を含む面と接触する、各凹面反射鏡の光軸を含む面または光軸の垂線を含む面である。
【００１３】
（５）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記第１の像および前記第２の像それぞれの拡散角は、前記複数枚の凹面反射鏡それぞれと対応する前記空中像との距離に基づいてそれぞれ算出される角度以内であるようにしてもよい。
【００１４】
（６）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記投影部は、前記投影された画像の光線を拡散する拡散フィルムと、前記拡散フィルムによって拡散された光線を集光する集光レンズと、を備え、前記結像レンズは、前記集光レンズによって集光された光線を結像させ、前記投影部が投影する画像の大きさがｄ０であり、前記結像レンズのレンズ瞳径がｄ１であり、前記集光レンズと前記結像レンズとの距離がａであり、前記結像レンズと前記第２の凹面反射鏡との光軸方向の距離がｂであり、前記結像レンズの焦点距離ｆ１は、｛（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ１）｝の関係式を満たし、前記第１の像および前記第２の像は、前記光軸方向に前記実像から距離ｃの位置に形成され、前記第１の凹面反射鏡と前記第２の凹面反射鏡それぞれの焦点距離ｆ２は、（１／ｂ）＋（１／ｃ）＝（１／ｆ２）｝の関係式を満たし、前記第１の像および前記第２の像それぞれの大きさは、（ｃ／ｂ）ｄ１であるようにしてもよい。
【００１５】
（７）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、、前記第１の凹面反射鏡の前記光軸との接触面と、前記第２の凹面反射鏡の前記光軸との接触面との角度θ１は、｛｜θ１｜≧（１／２）ｔａｎ−１（ｄ１／ｂ）｝の関係式を満たすようにしてもよい。
（８）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記第１の像および前記第２の像の前後に、｛（ｃ／ｂ）ｄ１≧（ｂ／ａ）ｄ０｝の場合、無限遠五角形の視域を形成し、｛（ｃ／ｂ）ｄ１＜（ｂ／ａ）ｄ０｝の場合、ダイヤモンド形視域を形成するようにしてもよい。
【００１６】
（９）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記投影部は、前記投影された画像の光線を拡散する拡散フィルムと、前記拡散フィルムによって拡散された光線を集光する集光レンズと、を備え、前記結像レンズは、前記集光レンズによって集光された光線を結像させ、前記集光レンズのレンズ瞳径がｄ０であり、前記結像レンズのレンズ瞳径がｄ１であり、前記集光レンズと前記結像レンズとの距離がａであり、前記結像レンズと前記結像レンズによって結像される実像の光軸方向の距離がｂであり、前記複数枚の凹面反射鏡のうちのいずれか１つと前記実像との光軸方向の距離、または前記複数枚の凹面反射鏡の間の位置と前記実像との光軸方向の距離がｅであり、前記結像レンズの焦点距離ｆ１は、｛（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ１）｝の関係式を満たし、前記第１の像および前記第２の像は、前記第１の凹面反射鏡と前記第２の凹面反射鏡それぞれの反射光の進行方向に、前記複数枚の凹面反射鏡のうちのいずれか１つから距離ｈの位置、または前記複数枚の凹面反射鏡の間の位置から距離ｈの位置に形成され、前記第２の凹面反射鏡による虚像と、前記第２の凹面反射鏡との距離がｇであり、前記第１の凹面反射鏡と前記第２の凹面反射鏡それぞれの焦点距離ｆ２は、［｛（１／ｅ）−（１／ｇ）｝＝（１／ｆ２）］の関係式を満たし、かつ［｛１／（ｂ＋ｅ）｝＋（１／ｈ）＝（１／ｆ２）］の関係式を満たし、前記第１の像および前記第２の像それぞれの大きさは、｛ｈ／（ｂ＋ｅ））｝ｄ１であるようにしてもよい。
【００１７】
（１０）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記第１の凹面反射鏡の前記光軸との接触面と、前記第２の凹面反射鏡の前記光軸との接触面との角度θ１は、［｜θ１｜≧（１／２）ｔａｎ−１｛ｄ１／（ｂ＋ｅ）｝｝の関係式を満たすようにしてもよい。
（１１）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記第１の像および前記第２の像の前後に、｛ｈ／（ｂ＋ｅ）｝ｄ１≧｛（ｂｇ／ａｅ）ｄ０｝の場合、無限遠五角形の視域を形成し、｛ｈ／（ｂ＋ｅ）｝ｄ１＜｛（ｂｇ／ａｅ）ｄ０｝の場合、ダイヤモンド形視域を形成するようにしてもよい。
【００１８】
（１２）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記複数枚の凹面反射鏡は、３枚以上であり、前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第３の凹面反射鏡は、前記投影部と前記第１の凹面反射鏡との間に配置され、前記投影部によって投影された画像の一部を反射し、前記画像に基づく第３の空中像を形成し、前記第２の凹面反射鏡は、前記第１の凹面反射鏡と前記第３の凹面反射鏡との間に配置されているようにしてもよい。
【００１９】
（１３）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記複数枚の凹面反射鏡は、３枚以上であり、前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第３の凹面反射鏡は、前記投影部と前記第１の凹面反射鏡との間に配置され、前記投影部によって投影された画像の一部を反射し、前記画像に基づく第３の空中像を形成し、前記第２の凹面反射鏡は、前記第１の凹面反射鏡と前記第３の凹面反射鏡との間に配置され、前記光軸の垂線に対する前記第１の凹面反射鏡の前記光軸との接触面の第１の角度と、前記光軸の垂線に対する前記第２の凹面反射鏡の前記光軸との接触面の第２の角度との第１の差と、前記第２の角度と、前記光軸の垂線に対する前記第３の凹面反射鏡の前記光軸との接触面の第３の角度との第２の差とが互いに異なっているようにしてもよい。
【００２０】
（１４）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記複数枚の凹面反射鏡それぞれの焦点距離が同じ値のｆ２であるようにしてもよい。
（１５）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記複数枚の凹面反射鏡それぞれの焦点距離が互いに異なる値であるようにしてもよい。
（１６）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記複数枚の凹面反射鏡の表面または裏面に反射防止のモスアイ構造フィルムおよびＡＲコートのうち、少なくとも１つが施されているようにしてもよい。
【００２１】
（１７）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記第１の凹面反射鏡は、裏面が黒色であるようにしてもよい。
（１８）また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記投影部は、プロジェクター、または液晶パネルとレンズとの組み合わせのうち、少なくとも１つを含むようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
（１）によれば、実像による表示画像を見ることができる範囲を複数人に対応させ、かつ複数人に明るく、かつほぼ同じ明るさで表示画像を表示することができる。また、（１）によれば、複数人の設定した観察者以外の位置には光エネルギーをほぼ伝搬させない光利用効率のよい、透過率の高いシースルー性の良い画像表示装置を提供することができる。
【００２３】
（２）によれば、虚像による表示画像を見ることができる範囲を複数人に対応させ、かつ複数人に明るく、かつほぼ同じ明るさで表示画像を表示することができる。これにより、（２）によれば、コンバイナーの光軸方向に複数のコンバイナーの全ての虚像が形成されるため、観察者は、水晶体の調節をほとんど行わずに表示画像を見ることができる。また、（２）によれば、複数人の設定した観察者以外の位置には光エネルギーをほぼ伝搬させない光利用効率のよい、透過率の高いシースルー性の良い画像表示装置を提供することができる。
【００２４】
（３）、（６）、（９）によれば、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を複数の人に向けて表示させることができる。
（３）によれば、コンバイナーがｎ枚の場合、ｎ人の観察者に、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を提供でき、ｎ人以外の方向には光エネルギーがほとんど伝搬しない優れた特性を実現することができる。
【００２５】
（４）によれば、コンバイナーの光軸方向に複数のコンバイナーの全ての虚像が形成されるため、観察者は、水晶体の調節をほとんど行わずに表示画像を見ることができる。
（５）によれば、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を複数の人に向けて表示させることができる。
【００２６】
（７）、（１０）によれば、第１コンバイナーによる空間結像アイリス面と、第２コンバイナーによる空間結像アイリス面とが重なることを防ぐことができる。この結果、（７）、（１０）によれば、２人の観察者が同じ表示画像を重ならずに互いに視認することができる。
【００２７】
（８）、（１１）によれば、観察者に視認させたい領域の光軸方向の範囲に応じて、無限遠五角形の視域を形成させるか、六角形（ダイヤモンド型）の視域を形成させることができる。無限遠五角形の視域を形成させた場合は、車両において、例えば運転者と、その後部座席に着席している同乗者に、表示画像を視認させることができる。一方、六角形（ダイヤモンド型）の視域を形成させた場合は、車両において、例えば運転者のみに視認可能であり、その後部座席に着席している同乗者に視認できない表示画像を表示させることができる。
【００２８】
（１２）によれば、複数のコンバイナーから、観察者が３人以上であっても、画像の大きさが等しく、かつ画像の明るさがほぼ同等の画像を３人以上の観察者に提供することができる。
（１３）によれば、運転者や助手席に着席している同乗者、後部座席の観察者の位置に応じて空間結像アイリス面の空中像が形成される角度、および光軸に垂直な方向の間隔を、コンバイナー毎に調整することができる。
【００２９】
（１４）によれば、複数のコンバイナーから、光軸方向において、ほぼ同じ位置に着席している運転者と同乗者とに、画像の大きさが等しく、かつ画像の明るさがほぼ同等の画像を提供することができる。
（１５）によれば、画像表示装置から観察者が見る位置までの距離を、異なるようにすることができる。
【００３０】
（１６）によれば、コンバイナーの厚みが厚い場合であっても、裏面反射による２重像の発生を低減することができる。
（１７）によれば、コンバイナーによって表示される表示画像のコントラストを向上させることができる。
【００３１】
（１８）によれば、投影部が、液晶パネルとランプ光学系を備える場合、拡散フィルムによって形成された角度的、空間的均一光学面を液晶パネルのバックライトとして用いることで、拡散フィルム面と、液晶画像表示面が分離される。この結果、（１８）によれば、表示画像面のシンチレーションが低減され、画質が改善される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態に係る画像表示装置の構成と第１コンバイナーの実像による空間結像アイリス面を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る画像表示装置の構成と第２コンバイナーの虚像による空間結像アイリス面を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る画像表示装置の構成と第３コンバイナーの空中像による空間結像アイリス面を示す図である。
【図４】図１〜図３を合成した図である。
【図５】第１実施形態に係る空間結像アイリス面の空中像の明るさについて説明する図である。
【図６】コンバイナーが２枚のモデルにおける光の多重反射、透過について説明する図である。
【図７】コンバイナーが３枚のモデルにおける光の多重反射、透過について説明する図である。
【図８】３枚積層のコンバイナー全てを透過する場合の画像歪のモデルを示す図である。
【図９】第２実施形態に係る画像表示装置の構成と第１コンバイナーの虚像による空間結像アイリス面を示す図である。
【図１０】第２実施形態に係る画像表示装置の構成と第２コンバイナーの虚像による空間結像アイリス面を示す図である。
【図１１】第２実施形態に係る画像表示装置の構成と第３コンバイナーの虚像による空間結像アイリス面を示す図である。
【図１２】図９〜図１１を合成した図である。
【図１３】第３実施形態に係る画像表示装置１Ｃの構成と、第１コンバイナーによる空間結像アイリス面、第２コンバイナーによる空間結像アイリス面、第３コンバイナーによる空間結像アイリス面を示す図である。
【図１４】第３実施形態に係る画像表示装置１Ｄの構成と、第１コンバイナーによる空間結像アイリス面、第２コンバイナーによる空間結像アイリス面、第３コンバイナーによる空間結像アイリス面を示す図である。
【図１５】第４実施形態に係る画像表示装置の構成と第１コンバイナーの実像による空間結像アイリス面を示す図である。
【図１６】第４実施形態に係る画像表示装置の構成と第２コンバイナーの虚像による空間結像アイリス面を示す図である。
【図１７】第４実施形態に係る画像表示装置の構成と第３コンバイナーの空中像による空間結像アイリス面を示す図である。
【図１８】図１５〜図１７を合成した図である。
【図１９】第１実施形態における第１の変形例に係る画像表示装置の構成と、第１コンバイナーによる空間結像アイリス面、第２コンバイナーによる空間結像アイリス面、第３コンバイナーによる空間結像アイリス面を示す図である。
【図２０】第１実施形態における第２の変形例に係る画像表示装置の構成と、第１コンバイナーによる空間結像アイリス面、第２コンバイナーによる空間結像アイリス面、第４コンバイナーによる空間結像アイリス面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。また、以下の説明では、画像表示装置として、車両に設置されるＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ；Ｈｅａｄ−Ｕｐ  Ｄｉｓｐｌａｙ）を例にして説明を行う。
【００３４】
［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る画像表示装置１の構成と第２コンバイナー５２の実像ｇ１１１による空間結像アイリス面ｇ１１２を示す図である。図２は、本実施形態に係る画像表示装置１の構成と第１コンバイナー５１の虚像ｇ１２１による空間結像アイリス面ｇ１２２を示す図である。図３は、本実施形態に係る画像表示装置１の構成と第３コンバイナー５３の空中像ｇ１３１による空間結像アイリス面ｇ１３２を示す図である。図４は、図１〜図３を合成した図である。
【００３５】
＜画像表示装置１の構成＞
図１〜図４に示すように、画像表示装置１は、プロジェクター１０（投影部）、拡散フィルム２０（投影部）、集光レンズ３０（投影部）、結像レンズ４０（投影部）、および多重積層コンバイナー５０を含んで構成される。また、多重積層コンバイナー５０は、第１コンバイナー５１（第１の凹面反射鏡）、第２コンバイナー５２（第２の凹面反射鏡）、および第３コンバイナー５３（第３の凹面反射鏡）を備えている。
【００３６】
図１〜図４において、線ｂ７は、プロジェクター１０の光軸を表している。また、図１〜図４において、光軸（線ｂ７）方向をｘ軸方向とし、光軸に垂直な方向をｙ軸方向とする。
図１〜図４に示すように、画像表示装置１は、プロジェクター１０の光軸方向に従って、プロジェクター１０、拡散フィルム２０、集光レンズ３０、結像レンズ４０、第３コンバイナー５３、第２コンバイナー５２、第１コンバイナー５１が順に配置されている。また、プロジェクター１０からコンバイナーに入射する光を入射光線、コンバイナーによって形成される実像、虚像、または空中像に基づく光を主光線という。
【００３７】
拡散フィルム２０と集光レンズ３０とは、ｘ軸方向に密着されて配置されている。
集光レンズ３０の主平面と結像レンズ４０の主平面との距離が、ｘ軸方向に向かって距離ａ離れて配置されている。なお、距離ａは、集光レンズ３０の焦点距離ｆ０である。また、集光レンズ３０と結像レンズ４０それぞれの光軸は、プロジェクター１０の光軸（線ｂ７）に合わせて配置されている。なお、レンズの主平面とは、光軸の垂線と接触する面である。
結像レンズ４０と第２コンバイナー５２とは、ｘ軸方向に向かって距離ｂ離れて配置されている。
【００３８】
第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３は、下端が密着されている。第１コンバイナー５１の光軸との接触面は、光軸の垂線との角度が略０°であり、光軸との角度は略９０°である。第２コンバイナー５２の光軸との接触面は、光軸の垂線との角度が＋θ１であり、光軸との角度は略９０°＋θ１である。第３コンバイナー５３の光軸との接触面は、光軸の垂線との角度が−θ１であり、光軸との角度は略９０°−θ１である。なお、実施形態において、光軸に対して反時計回りを正の角度とし、時計回りの角度を負の角度とする。換言すると、第１コンバイナー５１の光軸の垂線との接触面は、第２コンバイナー５２の光軸の垂線との接触面に対して角度＋θ１傾いて配置されている。また、第３コンバイナー５３の光軸の垂線との接触面は、第２コンバイナー５２の光軸の垂線との接触面に対して角度−θ１傾いて配置されている。なお、各コンバイナーの光軸とは、各コンバイナーの結像中心を通る対称軸である。また、投影部（プロジェクター１０）の光軸（線ｂ７）に対する凹面反射鏡（コンバイナー）の光軸との接触面とは、プロジェクター１０の光軸（線ｂ７）の垂線を含む面と接触する、各コンバイナーの光軸を含む面または光軸の垂線を含む面である。
【００３９】
＜画像表示装置１の光学系＞
プロジェクター１０には、画像出力装置（不図示）が接続されている。プロジェクター１０は、画像出力装置が出力した画像を拡散フィルム２０に投影する。光線ｂ１は、プロジェクター１０から照射される画像の光線を示している。なお、プロジェクター１０が投影する画像は、空間均一な画像である。また、プロジェクター１０が投影する画像は、例えば運転に必要な速度情報、カーナビゲーション情報等の運転情報である。
【００４０】
拡散フィルム２０は、例えば±１５°内で角度的均一拡散フィルム（Ｄｉｆｆｕｓｅｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｉｌｍ；Ｄ．Ｌ．Ｃ．−ｆｉｌｍ）（例えば、特開２００６−１７１０７４号公報等参照）である。なお、Ｄ．Ｌ．Ｃ．−ｆｉｌｍとは、空間的・角度的均一・空間結像アイリス面結像を実現するために必要な角度的均一拡散を実現する拡散フィルムである。このため、拡散フィルム２０の出力面からは、空間的にも角度的にも均一な光が出射される。また、空間結像アイリス面とは、空間的にも角度的にも均一な面であり、画像を利用者が視認する場合、利用者の両目近くだけに全画像情報の光が集光される面である。プロジェクター１０から投影された画像は、拡散フィルム２０上に結像する。拡散フィルム２０は、結像した画像を角度的均一拡散する。このため、拡散フィルム２０から拡散される画像は、空間的にも角度的にも光学的に均一となっている。なお、拡散フィルム２０は、ピッチの非常に小さいレンティキュラーレンズを用いた直交積層レンティキュラーレンズシート等のＤ．Ｌ．Ｃ．−ｆｉｌｍ以外の拡散フィルムであってもよい。
【００４１】
集光レンズ３０の焦点距離はｆ０であり、集光レンズ３０のレンズ瞳の大きさはｄ０である。集光レンズ３０は、拡散フィルム２０によって拡散された画像の光線（光線ｂ２）を結像レンズ４０のレンズ瞳内へ方向を変えて入射する。ここで、集光レンズ３０と結像レンズ４０との主平面間距離がａ＝ｆ０であるため、ほぼ全ての光が結像レンズ４０のレンズ瞳内へ方向を変える。これにより、光利用効率が向上し、明るい画像の結像が可能になる。
【００４２】
結像レンズ４０は、レンズ瞳径がｄ１、焦点距離がｆ１である。なお、結像レンズ４０は、複数枚構成による合成レンズであってもよい。結像レンズ４０は、集光レンズ３０から入射された光線（光線ｂ２）を結像し、結像した画像（光線ｂ５、ｂ６）を放射する。図１〜図４において、線ｂ４は、光線ｂ５と光線ｂ６との中心線である。なお、結像レンズ４０の焦点距離ｆ１は、次式（１）の関係を満たしている。
【００４３】
【数１】
0006531329.tif 000002
【００４４】
第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３それぞれは、透明アクリルまたは透明ガラスの透明凹面反射鏡である。なお、第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３それぞれは、プロジェクター１０側に凹面を有する。第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３は、透明凹面反射鏡であるため、第１コンバイナー５１に対して入射光線の進行方向に存在する背景が、第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３を介して、利用者に視認される。
【００４５】
第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３それぞれの反射率Ｒは、例えば４〜８％であり、焦点距離はｆ２であり、透過率Ｔは、例えば９２〜９６％である。例えば各コンバイナーの反射率が４％、透過率が９６％の場合、第３コンバイナー５３は、４％の光を反射し、９６％の光を透過する。
そして、第２コンバイナー５２には、第３コンバイナー５３を透過した光が入射する。第２コンバイナー５２に入射する光は、第３コンバイナー５３に入射する光の強度の０．９６倍（９６％）であり、第２コンバイナー５２を透過する光の強度は、第３コンバイナー５３に入射する光の強度の約０．９２倍（＝０．９６２）である。第２コンバイナー５２は、４％の光を反射し、９６％の光を透過する。
さらに、第１コンバイナー５１には、第３コンバイナー５３と第２コンバイナー５２を透過した光が入射する。第１コンバイナー５１に入射する光は、第３コンバイナー５３に入射する光の強度の約０．９２倍（＝０．９６２）であり、第１コンバイナー５１を透過する光の強度は、第３コンバイナー５３に入射する光の強度の約０．８８倍（＝０．９６３）である。第１コンバイナー５１は、４％の光を反射し、９６％の光を透過する。
なお、第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３それぞれの反射率Ｒは、４％〜５０％程度であることが望ましい。
【００４６】
図１〜図４に示す例では、第２コンバイナー５２の表面に結像レンズ４０が照射した画像を結像させる例を示している。なお、第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３それぞれのｘ軸方向に向かって凹面方向を、主光線の進行方向または正面方向といい、反対方向の凸面側を、入射光線の進行方向または背面方向という。
【００４７】
また、第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３それぞれの焦点距離ｆ２は、次式（２）の関係を満たしている。
【００４８】
【数２】
0006531329.tif 000003
【００４９】
図１に示す例において、実像ｇ１１１（１次画像の空中実像ともいう）は、第２コンバイナー５２の表面に結像した画像である。実像ｇ１１１の上端はｐ１であり、下端はｐ２である。実像ｇ１１１の拡大倍率は、ｂ／ａであるため、実像ｇ１１１のｙ軸方向の大きさは、上端ｐ１から下端ｐ２までの（ｂ／ａ）ｄ０である。なお、実像ｇ１１１は、像面湾曲を第２コンバイナー５２に合わせてある。
第１コンバイナー５１は、実像ｇ１１１に基づく画像を、プロジェクター１０の光軸方向に反射させる。図１において、光線ｂ８と光線ｂ９は、主光線である。なお、図１〜図４において、角度θ２は、ｔａｎ−１｛（ｂ／２ａｃ）ｄ０｝である。
【００５０】
図２に示すように、第１コンバイナー５１には、第３コンバイナー５３と第２コンバイナー５２を透過した光線ｂ５と光線ｂ６が入射し、第１コンバイナー５１上の点ｐ１１、ｐ１２、ｐ１４、ｐ１５に光線ｂ５と光線ｂ６の焦点が結像する。
また、第１コンバイナー５１は、第２コンバイナー５２に対して入射光線の進行方向に光軸の垂線に対して角度が＋２θ１傾いた虚像ｇ１２１を形成する。虚像ｇ１２１のｙ軸方向の大きさは、（ｂ／ａ）ｄ０である。第１コンバイナー５１上の点ｐ１１とｐ１２に結像した光線は、虚像ｇ１２１上の点ｐ１３に結像し、第１コンバイナー５１上の点ｐ１４とｐ１５に結像した光線は、虚像ｇ１２１上の点ｐ１６に結像する。
第１コンバイナー５１は、虚像ｇ１２１に基づく画像を、プロジェクター１０の光軸に対して上方の角度が＋２θ１方向に反射させる。図２において、光線ｂ１２と光線ｂ１３は、主光線であり、線ｂ１１は、光線ｂ１２と光線ｂ１３との中心線である。
【００５１】
図３に示すように、第３コンバイナー５３には、プロジェクター１０から投影された光線ｂ５と光線ｂ６が入射し、第３コンバイナー５３上の点ｐ２１、ｐ２２、ｐ２４、ｐ２５に光線ｂ５と光線ｂ６の焦点が結像する。
また、第３コンバイナー５３は、第２コンバイナー５２に対して主光線の進行方向に光軸の垂線に対して角度が−２θ１傾いた空中像ｇ１３１を形成する。空中像ｇ１３１のｙ軸方向の大きさは、（ｂ／ａ）ｄ０である。第３コンバイナー５３上の点ｐ２１とｐ２２に結像した光線は、空中像ｇ１３１上の点ｐ２３に結像し、第３コンバイナー５３上の点ｐ２４とｐ２５に結像した光線は、空中像ｇ１３１上の点ｐ２６に結像する。
第３コンバイナー５３は、空中像ｇ１３１をプロジェクター１０の光軸（線ｂ７）に対して下方の角度が−２θ１方向に反射させる。図３において、光線ｂ２２と光線ｂ２３は、主光線であり、線ｂ２１は、光線ｂ２２と光線ｂ２３との中心線である。
【００５２】
＜空間結像アイリス面＞
次に、第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、および第３コンバイナー５３それぞれによる結像レンズ４０のレンズ瞳の空中像について説明する。
まず、第２コンバイナー５２による結像レンズ４０のレンズ瞳の空中像について説明する。
図１に示すように、第２コンバイナー５２による実像ｇ１１１の主光線ｂ８と主光線ｂ９は、第２コンバイナー５２の焦点距離がｆ２であり、式（２）の関係を満たしているため、第２コンバイナー５２の光軸の垂線との接触面または光軸と実像との接触面からｘ軸方向に距離ｃ離れた位置に、結像レンズ４０のレンズ瞳の拡大像を空中に結像させる。実施形態において、この結像レンズ４０のレンズ瞳の拡大空中像を、空間結像アイリス面という。この空間結像アイリス面のｙ軸方向サイズは、結像レンズのレンズ瞳径ｄ１をｃ／ｂ倍に拡大したものなので、（ｃ／ｂ）ｄ１となる。
【００５３】
結像レンズ４０のレンズ瞳には、画像の全ての画素情報の光が位置情報を角度情報に変えて混りあっている。このため、共役関係にある空間結像アイリス面内に人間の眼が存在するとき、人間の目の水晶体が角度情報を位置情報に変換し、網膜上に表示画像を結像させるので、画像表示装置１による画像を見ることができる。また、前述したように、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３それぞれが半透明であるため、入射光線の進行方向に存在する背景を、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３を介して見ることができる。
【００５４】
また、前述したように、拡散フィルム２０上の結像画像面は空間的にも角度的にも均一であるため、角度情報と位置情報を入れ替えた結像レンズ４０のレンズ瞳も空間的にも角度的にも均一な光学面となっている。従って、本実施形態によれば、空間結像アイリス面は、空間的にも角度的にも均一面である。この結果、図１の領域ｇ１１３が示す空間結像アイリス面の視域内で観察者が移動しても、光強度は変化せず、空間的に均一な綺麗な画像を見ることが可能となる。図１に示すように、領域ｇ１１３は、空間結像アイリス面ｇ１１２と拡散フィルム２０との間、すなわち、空間結像アイリス面ｇ１１２に対してｘ軸方向の前方向（入射光線の進行方向）、および空間結像アイリス面ｇ１１２に対してｘ軸方向の後方（主光線ｂ８、主光線ｂ９の進行方向）に形成される。なお、観察者が移動しても、光強度は変化せず、空間的に均一な綺麗な画像を見ることが可能な領域を、実施形態では視域という。
【００５５】
空間結像アイリス面ｇ１１２の大きさ（ｃ／ｂ）ｄ１と、画像表示装置１の表示画像の大きさ（ｂ／ａ）ｄ０との関係が次式（３）を満たす場合、主光線ｂ８と主光線ｂ９とが平行となり、視域の形状は無限遠五角形型（無限遠５角形型）となる。
【００５６】
【数３】
0006531329.tif 000004
【００５７】
なお、無限遠五角形型とは、五角形の底辺が、空間結像アイリス面ｇ１１２の位置から無限遠の位置にある五角形である。なお、図１に示した例では、視域の形状は無限遠五角形型の例を示している。
【００５８】
また、空間結像アイリス面ｇ１１２の大きさ（ｃ／ｂ）ｄ１と、画像表示装置１の表示画像の大きさ（ｂ／ａ）ｄ０との関係が次式（４）を満たす場合、主光線ｂ８と主光線ｂ９とが平行ではなくなるため、視域の形状はダイヤモンド型となる。
【００５９】
【数４】
0006531329.tif 000005
【００６０】
なお、ダイヤモンド型とは、空間結像アイリス面ｇ１１２のｘ軸方向の前方向（入射光線の進行方向）の２辺より、ｘ軸方向の後方（主光線ｂ８、主光線ｂ９の進行方向）の２辺の方が長い四角形である。
【００６１】
無限遠五角形型は、空間結像アイリス面ｇ１１２から無限に離れても画像表示装置１の画像を観察者が見ることが可能であるので、車両の後部座席などに着席している同乗者が視認する場合にも非常に有効である。このため、画像表示装置１の設計者は、式（３）または式（４）の設計条件を目的に応じて選択するようにしてもよい。
【００６２】
次に、第１コンバイナー５１による空間結像アイリス面について説明する。
図２に示すように、光軸の垂線に対して角度が＋２θ１傾いた虚像ｇ１２１の主光線ｂ１２と主光線ｂ１３は、光軸に対して上方方向の角度が＋２θ１方向に反射する。このため、第１コンバイナー５１は、第１コンバイナー５１の光軸の垂線との接触面から距離ｃ離れた位置に、空間結像アイリス面ｇ１２２を、大きさ（ｃ／ｂ）ｄ１で結像させる。この空間結像アイリス面ｇ１２２前後にも、第２コンバイナー５２による空間結像アイリス面ｇ１１２（図１）と同様に、領域ｇ１２３で示した無限遠五角形型またはダイヤモンド型の視域を形成する。また、空間結像アイリス面ｇ１２２とこの視域の機能は、第２コンバイナー５２と同様である。
【００６３】
図１に示した第２コンバイナー５２の視域ｇ１１３と、図２に示した第１コンバイナー５１の視域ｇ１２３が、図４のようにオーバーラップせずクロストークを回避するための条件は、次式（５）である。
【００６４】
【数５】
0006531329.tif 000006
【００６５】
第２コンバイナー５２と第１コンバイナー５１とが互いに式（５）の角度θ１の絶対値以上離れるように傾けて配置することで、表示画像同士にクロストークが発生しない。
【００６６】
次に、第３コンバイナー５３による空間結像アイリス面について説明する。
図３に示すように、第２コンバイナー５２の主平面に対して主光線の進行方向に２θ１傾いた空中像ｇ１３１の主光線ｂ２２と主光線ｂ２３は、光軸に対して下方方向の角度が−２θ１方向に反射する。このため、第３コンバイナー５３は、第３コンバイナー５３の光軸の垂線との接触面から距離ｃ離れた位置に、空間結像アイリス面ｇ１３２を、大きさ（ｃ／ｂ）ｄ１で結像させる。この空間結像アイリス面ｇ１３２前後にも、第２コンバイナー５２による空間結像アイリス面ｇ１１２（図１）と同様に、領域ｇ１３３で示した無限遠五角形型またはダイヤモンド型の視域を形成する。また、空間結像アイリス面ｇ１３２とこの視域の機能は、第２コンバイナー５２と同様である。
【００６７】
図１に示した第２コンバイナー５２の視域ｇ１１３と、図３に示した第３コンバイナー５３の視域ｇ１３３が、図４のようにオーバーラップせずクロストークを回避するための条件は、上述した式（５）である。
【００６８】
ここで、第１コンバイナー５１の光軸の垂線との接触面と、第２コンバイナー５２の光軸の垂線との接触面に対する角度＋θ１、または、第３コンバイナー５３の光軸の垂線との接触面と、第２コンバイナー５２の光軸の垂線との接触面に対する角度−θ１を大きくすると、図１〜図４に示した視域ｇ１１３、ｇ１２３、ｇ１３３同士が離れていく。このため、観察者の方向に、それぞれクロストーク回避条件を満たして角度を変えることで、見る位置を変えることができる。
【００６９】
＜空間結像アイリス面の空中像の明るさ＞
次に、空間結像アイリス面の空中像の明るさについて説明する。なお、以下の説明では、第２コンバイナー５２による空間結像アイリス面ｇ１１２の空中像について説明するが、第１コンバイナー５１による空間結像アイリス面ｇ１２２の空中像、および第３コンバイナー５３による空間結像アイリス面ｇ１３２の空中像についても同様である。
【００７０】
ここで、仮に車両のフロントガラスに１つの透明凹面反射鏡を貼り付け、透明凹面反射鏡にプロジェクターから画像を投影した場合を説明する。透明凹面反射鏡の反射率が、例えば４％である場合、透明凹面反射鏡によって反射されて形成される空中像の表示画像は反射率に基づく明るさであり、一般的に暗くなり、観察者にとって見づらい。反射率Ｒが４％による暗さを補うには、投影部から投影する画像の明るさを２５倍明るくする必要があり、例えばプロジェクターのランプを２５倍明るくする必要があり、部品の寿命や消費電力から考えると実用的ではない。
【００７１】
図５は、本実施形態に係る空間結像アイリス面の空中像の明るさについて説明する図である。図５において、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ；液晶ディスプレイ）の上下方向をｘ軸方向、ＬＣＤの左右方向をｙ軸方向、ＬＣＤの奥行き方向をｚ軸方向とする。
【００７２】
図５を用いて、まず、一般的なＬＣＤの明るさについて説明する。図５において、角度θは、図１〜図４の視域ｇ１１３の光軸（線ｂ７）または、ｇ１２３、ｇ１３３の中心線（線ｂ１１、線ｂ２１）と主光線（ｂ９、ｂ１２、ｂ２２）とのなす角に相当する角度である。なお、実施形態では、角度θを拡散角ともいう。また、面積Ｓ１は、ＬＣＤ面上の半径ｒの半球の表面積であり、球の表面式の公式より、面積Ｓ１＝４πｒ２／２＝２πｒ２である。また、面積Ｓ２は、拡散角θ、高さｒの円錐と半球とが重なっている曲面部分の面積であり、面積Ｓ２＝π（ｒθ）２であり、面積Ｓ２を平面として近似すると、π（ｒ・ｔａｎ（θ））２となる。
半球の面積Ｓ１に占める面積Ｓ２の割合を明るさ効果と定義すると、明るさ効果は、次式（６）のようになる。
【００７３】
【数６】
0006531329.tif 000007
【００７４】
画像表示装置１では、シースルー性を重視した場合、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３それぞれの透過率Ｔが例えば９６％、反射率Ｒが例えば４％である。
反射率が４％の場合でも、ＬＣＤと同じ明るさを実現するためには、明るさを２５倍にする必要がある。このためには、Ｓ１／Ｓ２が２５になる拡散角θを選択すればよい。式（６）が２５であるため、この条件の拡散角θは１５．８゜である。
【００７５】
従って、図１〜図４において、拡散角θを１５，８゜以下になるようにすれば、反射率が４％の第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３を用いた場合であっても、表示画像の明るさを２５倍明るくすることができる。この結果、反射率Ｒが４％の第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３を用いた場合であっても、ＬＣＤと同等の明るさの表示画像を、画像表示装置１を用いて提供できる。
ここで、画像表示装置１から距離Ｈ離れた位置における空間結像アイリス面ｇ１１２の大きさは、２Ｈ・ｔａｎ（θ）である。Ｈ＝１［ｍ］、拡散角θを１５．８゜とすると、空間結像アイリス面ｇ１１２の大きさは、直径が約５７ｃｍとなるので、十分観察者の視域をカバー可能である。なお、観察者は、例えば、車両における運転者、助手席に着席している同乗者、後部座席に着席している同乗者である。
【００７６】
このように、本実施形態では、反射率Ｒ＝４％、透過率Ｔ（＝１−Ｒ）＝９６％の透過率が反射率より非常に大きい特性を有する第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３を積層することにより、異なる視域間の表示画像の明るさが、ほぼ同じになる特性を実現できる。
【００７７】
また、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３のｘ軸方向の厚みが厚い場合、裏面反射による２重像が発生するので、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３それぞれの裏面には反射防止用のフィルムであるモスアイ構造フィルムまたはＡＲコートなどを施すことが望ましい。
【００７８】
なお、図１〜図４に示した例では、多重積層コンバイナー５０が、３枚のコンバイナーを備える例を説明したが、コンバイナーは２枚、４枚以上であってもよい。例えば、コンバイナーが２枚の場合、多重積層コンバイナー５０は、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３のうちの２枚を備えていればよい。例えば、多重積層コンバイナー５０が、第１コンバイナー５１と第３コンバイナー５３を備える場合、第１コンバイナー５１と第３コンバイナー５３との間に実像が形成されるように第１コンバイナー５１と第３コンバイナー５３を配置するようにしてもよい。この場合、第１コンバイナー５１は、光軸の垂線に対して、光軸との接触面の角度が＋（１／２）θ１であり、第３コンバイナー５３は、光軸の垂線に対して、光軸との接触面の角度が−（１／２）θ１であるように配置されていてもよい。
【００７９】
＜多重積層コンバイナー５０による光の多重反射、透過＞
ここで、多重積層コンバイナー５０による光の多重反射、透過について説明する。
図６は、コンバイナーが２枚のモデルにおける光の多重反射、透過について説明する図である。図６に示す例では、第１コンバイナー５１と第２コンバイナー５２の一部をモデルとして示した図である。座標系は、図１〜図４と同じである。また、第１コンバイナー５１と第２コンバイナー５２の下端は密着され、第１コンバイナー５１の光軸との接触面は、第２コンバイナー５２の光軸との接触面に対して角度が＋θ１傾いて配置されている。
【００８０】
図６では、説明のため、第１コンバイナー５１と第２コンバイナー５２の一部分に着目し、第１コンバイナー５１と第２コンバイナー５２それぞれを直線として考える。また、図６に示した例では、第１コンバイナー５１と第２コンバイナー５２それぞれの裏面にはモスアイ構造フィルム等の無反射処理が施してあるとし、裏面反射を考慮していないが、考慮する場合、裏面反射Ｒを、例えば８％とすればよい。
【００８１】
図６の下側にプロジェクター１０から投影された光が１００％で、第２コンバイナー５２に略垂直に入射し、表示画像を第２コンバイナー５２上に結像する。
第２コンバイナー５２を一部が透過した透過率Ｔが９６％の光は、第１コンバイナー５１の表面で、上側に２θ１の方向に反射率Ｒが４％で反射する。よって反射光強度はＴＲである。この反射光は、第２コンバイナー５２を再度通過し、一部が反射、一部が透過する。一部が反射した光の強度はＴＲ２、一部が透過した光の強度はＴ２Ｒであり、この一部が透過した光が上側に２θ１の方向に反射する１次光となり、図２、図４における空間結像アイリス面ｇ１２２と視域ｇ１２３を形成する。
この一部が反射した光は、再度第１コンバイナー５１に達し、表面で上側４θ１方向に再度一部が反射する。この反射光の強度は、ＴＲ３である。
この一部が反射した光は再再度第２コンバイナー５２に達し、一部が透過、一部が反射する。一部が反射した光の強度はＴＲ４、一部が透過した光の強度はＴ２Ｒ３であり、この一部が透過した光が上側に４θ１の方向に反射する２次光となる。この２次光の強度には、Ｒ３＝（０．０４）３の係数がかかっているので、１次光と比較して急激に減衰し、観察者から見えなくなる。
【００８２】
同様に一部が反射、一部が透過を繰り返し、３次光が、上側に６θ１の方向に一部が透過し、透過してくる光の光強度Ｔ２Ｒ５である。
ｎ次光は、上側に２ｎθ１の方向に、光強度Ｔ２Ｒ（２ｎ−１）で一部が透過してくる。
すなわち、０次光から１次光への減衰率は、Ｔ２＝（０．９６）２でありほとんど減衰しないのに対し１次光から２次光への減衰率は、Ｒ２＝（０．０４）２であり急激に減衰する。また、２次光から３次光への減衰率は、Ｒ２＝（０．０４）２であり急激に減衰する。さらに、ｎ次光からｎ＋１次光への減衰率は、Ｒ２＝（０．０４）２であり急激に減衰する。よって、２枚構成積層コンバイナーを有する画像表示装置では、０次光と１次光の表示画像のみが観察者に視認され、かつ０次光と１次光の表示画像の明るさはほとんど同じとなる。さらに、２次以上の光の表示画像は、観察者にとって、ほとんど見えない。
なお、上述した例で説明したように、透過率Ｔと反射率Ｒとの間には、Ｔ≫Ｒの関係が成り立っている。
【００８３】
次に、３枚のコンバイナーが多層された多重積層コンバイナーのモデルにおける光の多重反射、透過について説明する。
図７は、コンバイナーが３枚のモデルにおける光の多重反射、透過について説明する図である。座標系は、図１〜図４と同じである。また、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３の下端は密着され、第１コンバイナー５１の光軸との接触面は、第２コンバイナー５２の光軸との接触面に対して角度が＋θ１傾いて配置され、第３コンバイナー５３の光軸との接触面は、第２コンバイナー５２の光軸との接触面に対して角度が−θ１傾いて配置されている。
また、図６と同様に、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３それぞれを直線として考える。また、図７に示した例では、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３それぞれの裏面にはモスアイ構造フィルム等の無反射処理が施してあるとし、裏面反射を考慮していない。
【００８４】
３枚のコンバイナーを積層した構成の３枚積層コンバイナーの場合、使用する光は観察者が３人分の０次光、１次光、２次光である。３次光は、図７で上側４θ１の方向に光強度３Ｔ４Ｒ３＋Ｔ２Ｒ５の光強度であり反射率Ｒ＝０．０４であるので、３次光以上は急激に減衰するので、観察者には、ほとんど見えなくなる。
図７の下側の下側２θ１の方向に反射する０次光の強度はＲであり、この０次光は、図３、図４の空間結像アイリス面ｇ１３２と視域ｇ１３３を形成する。
また、図７の中央の０°の方向に反射する１次光の強度はＴ２Ｒであり、この１次光は、図１、図４の空間結像アイリス面ｇ１１２と視域ｇ１１３を形成する。
さらに、図７の上側の上側２θ１の方向に反射する２次光の強度はＴ４Ｒ＋Ｔ２Ｒ３であり、この２次光は、図２、図４の空間結像アイリス面ｇ１２２と視域ｇ１２３を形成する。
【００８５】
この２次光の強度は、Ｔ４Ｒ＋Ｔ２Ｒ３となっており、図７に示したように、Ｔ４Ｒの２次光は一番奥の第１コンバイナー５１から一部反射した光であり、Ｔ２Ｒ３の２次光は真ん中の第２コンバイナー５２から一部反射した光である。すなわち、Ｔ４Ｒの２次光は、図４では、第１コンバイナー５１の奥の虚像ｇ１２１を表示し、Ｔ２Ｒ３の２次光は、図４では、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３、第２コンバイナー５２と３回反射した鏡面対称の位置の像上を表示している。
【００８６】
これにより、図２、図４の空間結像アイリス面ｇ１２２と視域ｇ１２３の中では、第１コンバイナー５１による虚像ｇ１２１と、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３、第２コンバイナー５２と３回反射した鏡面対称の位置の像が同時に見え、重畳するためクロストークが発生する。この二つの画像は同じでも、見える位置が空間的に異なるので、位置と奥行きおよび、画像の角度が異なる、立体的にスーパーインポーズされた画像となる。
しかしながら、この２つのクロストーク率は、Ｔ２Ｒ３／Ｔ４Ｒ＝（Ｒ／Ｔ）２＝（０．０４／０．９６）２＝１／５７６となる。よって、ノイズ成分が０．１７％しか発生しないため、観察者には、ノイズ成分がほとんど見えない。
【００８７】
図７を用いて説明したように、コンバイナーが３枚多層されている場合、０次光から１次光への減衰率は、Ｔ２＝（０．９６）２でありほとんど減衰しない。１次光から２次信号光への減衰率は、Ｔ２＝（０．９６）２でありほとんど減衰しない。２次信号光から３次信号光への減衰率は、Ｔ２Ｒ２＝（０．９６×０．０４）２であり急激に減衰する。２次ノイズ光から３次ノイズ光への減衰率は、Ｒ２＝（０．０４）２であり急激に減衰する。
これにより、本実施形態によれば、３枚の多重積層コンバイナー５０を用いた画像表示装置１では、設定３人がほぼ同じ光強度の明るい表示画像を視認することが可能で、設定３人以外の方向には光エネルギーがほとんど伝搬しない優れた特性を実現することができる。
【００８８】
このような特性が可能になる理由は、透過率Ｔと反射率Ｒとの間に、Ｔ≫Ｒの関係が成立しているためである。これにより、反射率Ｒが例えば４％であっても、画像表示装置１における拡散角θを１５．８°以内に設定することで、本実施形態の画像表示装置１では、４％反射率のロスを補え、直接液晶ディスプレイやプロジェクターのスクリーン画像を見るのと同じ明るさを実現できる。
【００８９】
＜複数のコンバイナーによる透過光の多重屈折による表示画像の歪み＞
次に、複数のコンバイナーによる透過光の多重屈折による表示画像の歪みについて説明する。
画像表示装置１では、コンバイナーを多重積層するため、入射光線の進行方向の奥に設置したコンバイナーの反射光で表示画像を表示する場合、上述したように、光は、手前のコンバイナーを数枚透過して表示される。この複数枚のコンバイナーを透過する場合に、複数のコンバイナー界面で屈折が複数回発生する。この物理現象により、光線の方向と位置が変化するため、表示画像に歪が発生する可能性がある。
【００９０】
図８は、３枚積層のコンバイナー全てを透過する場合の画像歪のモデルを示す図である。
人間の眼に入る光は、水晶体の瞳孔の直径２ｍｍ〜８ｍｍのレンズ瞳を通過し網膜上に結像した像を見る。このため、この結像光線は、広がりのない、平行光が網膜上に結像するので、この主光線成分のみで画像歪を検討しても問題ないと考えられる。このため、図８では、画像情報は眼に入る主光線成分のみ記載してある。また、図８に示す例では、ほぼ平行光である。また、図８において、符号ｇ３０１は、入力画像を表し、符号ｇ３０２、ｇ３０３は中間画像を表し、符号ｇ３０４は出力画像を表している。ここで、中間画像とは、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３間で、形成される画像である。
【００９１】
第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３により、光の方向が大きく変わり、画像歪が大きく発生は、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３への入射角が最大の要因である。
第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３それぞれの厚さをｄとすると、厚みｄに対し曲率半径が十分に大きい場合は、入射面と出射面がほぼ平行となる。入射界面で入射角をθ１、屈折角をθ２とすると、出射界面で入射角はθ２、屈折角はθ１となる。空気の屈折率をｎ１、コンバイナーの屈折率をｎ２とすると、スネル則より、ｎ１・ｓｉｎθ１＝ｎ２・ｓｉｎθ２となる。
【００９２】
入射面と出射面がほぼ平行の場合、屈折２回で光の方向は変化しないが、光線の位置が、図８のＬだけシフトすることになる。Ｌは、｛ｄ・ｓｉｎ（θ１−θ２）｝／ｃｏｓθ２＝ｄ・ｃｏｓθ１（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）である。なお、θ１、θ２が小さい時、Ｌは、ｄ（θ１−θ２）＝ｄ・θ２（ｎ２−ｎ１）／ｎ１となる。
ここで、空気の屈折率がｎ１＝１．０であり、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３の屈折率をｎ２＝１．５とすると、Ｌは、ｄ・θ２／２となる。
【００９３】
第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３の中心部では垂直入射であるため、θ１＝０°、θ２＝０である。この部分から入射角が大きくなるが、位置に対しリニアに入射角が増加する場合は、θ２も位置に対しリニアに増加することになる。これにより、Ｌは、ｄ・θ２／２より、Ｌも位置に対してリニアに増加する。この場合、画像はあまり歪まず、画像が縮小されるだけである。
【００９４】
θ２の最大値は、物理的に臨界角θｃである。ｎ１＝１．０、ｎ２＝１．５の場合にθｃ＝４１．８°であるので、Ｌの最大値Ｌｍａｘは、０．３６ｄとなる。コンバイナーが３枚積層の場合、３Ｌｍａｘである。３Ｌｍａｘは、１．０８ｄとなり、ほぼコンバイナーの厚み分だけ画像が縮小されることになる。
上述した例は、９０°入射の場合なので、４５°入射では、Ｌの最大値が、上述した値の半分程度である。これにより、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３の厚みが１ｃｍあっても、５ｍｍ程度小さく見えるだけである。
このように、本実施形態の画像表示装置１では、ほとんど歪は発生しない。
【００９５】
なお、Ｌ＝ｄ・θ２／２より、画像シフト距離は屈折角θ２と第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３の厚みｄの関数になっている。従って、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３の厚みｄが、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３それぞれの部分によって変化している場合、歪みが問題となるので、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３の厚みｄは、均一であることが望ましい。
第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３の曲率半径が急激に変化すると入射角θ１が変化し、屈折角θ２が変化するので、できるだけ一様な曲率半径が望ましい。
【００９６】
以上のように本実施形態の画像表示装置１は、プロジェクター１０の投射画像をサイズｄ０の１次画像として、角度的均一拡散フィルム（拡散フィルム２０）上に、または拡散フィルム（拡散フィルム２０）上に結像させ、この拡散フィルムに、焦点距離ｆ０の集光レンズ３０を密着設置し、この集光レンズから距離ｆ０＝ａだけ離れた位置に１枚または複数枚よりなる合成焦点距離ｆ１：（（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ１））でレンズ瞳径がｄ１の結像レンズ４０を設置し、この結像レンズにより、この結像レンズ主平面から距離ｂ離れた位置に１次画像の空中実像（例えば図１の実像ｇ１１１）を拡大倍率ｂ／ａ倍で、結像させ、このサイズが（ｂ／ａ）ｄ０の空中像近傍に、複数枚の、焦点距離ｆ２：（（１／ｂ）＋（１／ｃ）＝（１／ｆ２））の反射率４％〜５０％の透明凹面反射鏡（第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３）を、互いに角度を、θ１：（θ１≧（１／２）ｔａｎ−１（ｄ１／ｂ））変化さて、互いに接触するの間隔で積層し、それぞれの透明凹面反射鏡の反射主光線方向に距離ｃ離れた位置に、結像レンズのレンズ瞳の空中像（空間結像アイリス面ｇ１１２、空間結像アイリス面ｇ１２２、空間結像アイリス面ｇ１３２）を、拡大倍率がｃ／ｂ倍であるサイズ（ｃ／ｂ）ｄ１で結像させ、このレンズ瞳の空中像の前後に、（ｃ／ｂ）ｄ１≧（ｂ／ａ）ｄ０の場合、無限遠５角形視域、（ｃ／ｂ）ｄ１＜（ｂ／ａ）ｄ０の場合、ダイヤモンド形視域を形成する。
【００９７】
この構成によって、本実施形態では、実像による表示画像を見ることができる範囲を複数人に対応させ、かつ複数人に明るく、かつほぼ同じ明るさで表示画像を表示することができる。また、本実施形態によれば、複数人の設定した観察者以外の位置には光エネルギーをほぼ伝搬させない光利用効率のよい、透過率の高いシースルー性の良い画像表示装置を提供することができる。
【００９８】
以上のように本実施形態の画像表示装置１は、画像を投影する投影部（プロジェクター１０、拡散フィルム２０、集光レンズ３０、結像レンズ４０）と、投影部の光軸ｂ７に対する凹面反射鏡（コンバイナー）の光軸との接触面が、互いに異なる角度で配置されている複数枚の凹面反射鏡（第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３）と、を備え、複数枚の凹面反射鏡のうちの第１の凹面反射鏡（第１コンバイナー５１）は、投影部によって投影された画像の少なくとも一部を反射し、画像に基づく第１の像（空間結像アイリス面ｇ１１２の空中像、空間結像アイリス面ｇ１２２、空間結像アイリス面ｇ１３２のうちの１つ）を形成し、複数枚の凹面反射鏡のうちの第２の凹面反射鏡（第２コンバイナー５２）は、投影部によって投影された画像の一部を透過し、画像の一部を反射し、画像に基づく第２の像（空間結像アイリス面ｇ１１２の空中像、空間結像アイリス面ｇ１２２、空間結像アイリス面ｇ１３２のうち第１の像以外の１つ）を形成する。
【００９９】
この構成によって、本実施形態では、０次光〜（ｎ−１）次光の減衰率がほとんど減衰せず、（ｎ−１）次光以上の減衰率が急激に減衰するので、（ｎ−１）次光以上は観察者からほとんど視認されない。さらに、本実施形態では、上記の条件（拡散角θに対する条件等）を満たしている場合、ｋ（ｋは０以上の整数）次光とｋ＋１次光の表示画像の明るさはほとんど同じとなる。この結果、本実施形態によれば、ｎ人の観察者それぞれは、０次光〜（ｎ−１）次光による表示画像のうちのいずれか１つのみを、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を視認できる。この結果、本実施形態によれば、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を複数の人に向けて表示させることができる。
【０１００】
また、本実施形態の画像表示装置１において、投影部（プロジェクター１０、拡散フィルム２０、集光レンズ３０、結像レンズ４０）は、画像を結像する結像レンズ４０、を備え、第１の凹面反射鏡（第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３のうちの１つ）、第２の凹面反射鏡（第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３のうちの第１の凹面反射鏡以外の１つ）、および第１の凹面反射鏡と第２の凹面反射鏡との間の位置うちのいずれか１つが、結像レンズ４０によって結像される実像ｇ１１１の位置に配置され、第１の像（空間結像アイリス面ｇ１１２の空中像、空間結像アイリス面ｇ１２２、空間結像アイリス面ｇ１３２のうちの１つ）は、第１の凹面反射鏡によって形成される実像ｇ１１１、虚像ｇ１２１、および空中像ｇ１３１のうちの１つに基づいて形成され、第２の像（空間結像アイリス面ｇ１１２の空中像、空間結像アイリス面ｇ１２２、空間結像アイリス面ｇ１３２のうちの１つ）は、前記第２の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの第１の像以外の１つ）に基づいて形成され、第２の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの１つの像（例えば、第２の凹面反射鏡が第２コンバイナー５２の場合は実像）の種類は、第１の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの１つの像の種類（例えば、第１の凹面反射鏡が第１コンバイナー５１の場合は虚像）と異なっている。
【０１０１】
この構成によって、本実施形態では、コンバイナーが２層の場合、０次光から１次光への減衰率がほとんど減衰しないのに対し、１次光から２次光への減衰率、２次光から３次光への減衰率、およびｎ次光からｎ＋１次光への減衰率が急激に減衰する。この結果、２枚積層コンバイナーを用いた画像表示装置では、２人の観察者に、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を提供でき、２人以外の方向には光エネルギーがほとんど伝搬しない優れた特性を実現することができる。
また、例えばコンバイナーが３層であり、プロジェクター１０に近い順に第３コンバイナー５３、第２コンバイナー５２、第１コンバイナー５１が配置されている場合、第２コンバイナー５２上に形成される実像ｇ１１１に基づいて、入射光に対する０次光によって空間結像アイリス面ｇ１１２の空中像が形成させる。また、第１コンバイナー５１によって形成される虚像ｇ１２１に基づいて、入射光に対する２次光によって空間結像アイリス面ｇ１２２の空中像が形成させる。さらに、第３コンバイナー５３によって形成される空中像ｇ１３１に基づいて、入射光に対する０次光によって空間結像アイリス面ｇ１３２の空中像が形成させる。これにより、本実施形態によれば、０次光から１次光への減衰率がほとんど減衰せず、１次光から２次信号光への減衰率ほとんど減衰しないのに対し、２次信号光から３次信号光への減衰率、２次ノイズ光から３次ノイズ光への減衰率が急激に減衰する。この結果、３枚の多重積層コンバイナー５０を用いた画像表示装置１では、３人の観察者に、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を提供でき、３人以外の方向には光エネルギーがほとんど伝搬しない優れた特性を実現することができる。
すなわち、本実施形態によれば、コンバイナーがｎ枚の場合、ｎ人の観察者に、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を提供でき、ｎ人以外の方向には光エネルギーがほとんど伝搬しない優れた特性を実現することができる。
【０１０２】
また、本実施形態の画像表示装置１において、第１の像（空間結像アイリス面ｇ１１２の空中像、空間結像アイリス面ｇ１２２、空間結像アイリス面ｇ１３２のうちの１つ）および第２の像（空間結像アイリス面ｇ１１２の空中像、空間結像アイリス面ｇ１２２、空間結像アイリス面ｇ１３２のうち第１の像以外の１つ）それぞれの拡散角θは、複数枚の凹面反射鏡（第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３）それぞれと対応する空中像（空間結像アイリス面ｇ１１２、ｇ１２２、ｇ１３２）との距離ｃに基づいてそれぞれ算出される角度以内である。
【０１０３】
この構成によって、本実施形態では、従来技術より明るさの近い表示画面を複数の人に向けて表示させることができる。
【０１０４】
また、本実施形態の画像表示装置１において、投影部（プロジェクター１０、拡散フィルム２０、集光レンズ３０、結像レンズ４０）は、投影された画像の光線を拡散する拡散フィルム２０と、拡散フィルムによって拡散された光線を集光する集光レンズ３０と、を備え、結像レンズ４０は、集光レンズ３０によって集光された光線を結像させ、投影部が投影する画像の大きさがｄ０であり、結像レンズのレンズ瞳径がｄ１であり、集光レンズと前記結像レンズとの距離がａであり、結像レンズと第２の凹面反射鏡（例えば、第２コンバイナー５２）との光軸方向の距離がｂであり、結像レンズの焦点距離ｆ１は、｛（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ１）｝の関係式を満たし、第１の像（例えば、空間結像アイリス面ｇ１１２）および第２の像（例えば、空間結像アイリス面ｇ１２２）は、光軸方向に実像から距離ｃの位置に形成され、第１の凹面反射鏡（例えば、第１コンバイナー５１）と第２の凹面反射鏡それぞれの焦点距離ｆ２は、（１／ｂ）＋（１／ｃ）＝（１／ｆ２）｝の関係式を満たし、第１の像および第２の像それぞれの大きさは、（ｃ／ｂ）ｄ１である。
【０１０５】
この構成によって、本実施形態では、２人の観察者それぞれは、０次光〜１次光による表示画像のうちのいずれか１つのみを、従来技術より明るさの近い表示画面で視認でき、・・・、ｎ人の観察者それぞれは、０次光〜（ｎ−１）次光による表示画像のうちのいずれか１つのみを、従来技術より明るさの近い表示画面を視認できる。この結果、本実施形態によれば、従来技術より明るさの近い表示画面を複数の人に向けて表示させることができる。
【０１０６】
また、本実施形態の画像表示装置１において、第１の凹面反射鏡（例えば、第１コンバイナー５１）の光軸（線ｂ７）との接触面と、第２の凹面反射鏡（例えば、第２コンバイナー５２）の光軸との接触面との角度θ１は、｛｜θ１｜≧（１／２）ｔａｎ−１（ｄ１／ｂ）｝の関係式を満たす。
【０１０７】
この構成によって、本実施形態では、第１コンバイナー５１による空間結像アイリス面ｇ１２２と、第２コンバイナー５２による空間結像アイリス面ｇ１１２とが重なることを防ぐことができる。この結果、本実施形態では、２人の観察者が同じ表示画像を重ならずに互いに視認することができる。
【０１０８】
また、本実施形態の画像表示装置１において、第１の像（例えば、空間結像アイリス面ｇ１１２）および前記第２の像（例えば、空間結像アイリス面ｇ１２２）の前後に、｛（ｃ／ｂ）ｄ１≧（ｂ／ａ）ｄ０｝の場合、無限遠五角形の視域を形成し、｛（ｃ／ｂ）ｄ１＜（ｂ／ａ）ｄ０｝の場合、六角形（ダイヤモンド型）の視域を形成する。
【０１０９】
この構成によって、本実施形態では、観察者に視認させたい領域の光軸方向の範囲に応じて、無限遠五角形の視域を形成させるか、六角形の視域を形成させることができる。無限遠五角形の視域を形成させた場合は、車両において、運転者と、その後部座席に着席している同乗者に、表示画像を視認させることができる。一方、ダイヤモンド型の視域を形成させた場合は、車両において、運転者のみに視認可能であり、その後部座席に着席している同乗者に視認できない表示画像を表示させることができる。
【０１１０】
また、本実施形態の画像表示装置１において、複数枚の凹面反射鏡（例えば、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３）は、３枚以上であり、複数枚の凹面反射鏡のうちの第３の凹面反射鏡（第３コンバイナー５３）は、投影部と第１の凹面反射鏡（第１コンバイナー５１）との間に配置され、投影部によって投影された画像の一部を反射し、画像に基づく第３の空中像（空間結像アイリス面ｇ１３２の空中像）を形成し、第２の凹面反射鏡（第２コンバイナー５２）は、第１の凹面反射鏡と第３の凹面反射鏡との間に配置されている。
【０１１１】
この構成によって、本実施形態では、３枚のコンバイナー（第１コンバイナー〜第３コンバイナー５３）から、観察者が３人であっても、画像の大きさが等しく、かつ従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を３人の観察者に提供することができる。
【０１１２】
また、本実施形態の画像表示装置１において、複数枚の凹面反射鏡（第１コンバイナー〜第３コンバイナー５３）それぞれの焦点距離が同じ値のｆ２である。
【０１１３】
この構成によって、本実施形態では、複数のコンバイナー（第１コンバイナー〜第３コンバイナー５３）から、ｘ軸方向において、ほぼ同じ位置に着席している運転者と同乗者とに、画像の大きさが等しく、かつ従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を提供することができる。
【０１１４】
また、本実施形態の画像表示装置１において、複数枚の凹面反射鏡（第１コンバイナー〜第３コンバイナー５３）の表面または裏面に反射防止のモスアイ構造フィルムおよびＡＲコートのうち、少なくとも１つが施されている。
【０１１５】
この構成によって、本実施形態では、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３の厚みが厚い場合であっても、裏面反射による２重像の発生を低減することができる。
【０１１６】
また、本実施形態では、コンバイナーを多重積層しているため、何枚積層して視域を広げても表示画像サイズが変化しない効果が得られる。
また、本実施形態では、上述したように拡散角θが所定の角度以下になるように設定されているので、同じ反射率のコンバイナーを用いた従来の画像表示装置と比較して表示画像を明るくすることができる。
また、本実施形態では、透過率９６％程度なので、観察者は、明るい外界の景色を見ることができる。
【０１１７】
また、本実施形態では、プロジェクター１０から投光される光が、レーザー光ではなく通常のインコヒーレント光（ＬＥＤ光、ＵＨＰ（ウルトラ・ハイ・パフォーマンス）ランプ等）なので、スペックルノイズが発生しない。
また、本実施形態では、光の回折、干渉を使用しないインコヒーレント光光学系であり、コンバイナーは１回の表面反射のみで視域を形成するため色分離、色収差は発生しない。そして、本実施形態では、コンバイナーは、例えばアクリルドームの一部の形状の簡単な凹面透明反射鏡であるので、製造は非常に容易である。
また、本実施形態では、コンバイナーでは１回の表面反射光を使用するため高次回折光は発生しない。従って、本実施形態では、透過光である外界の景色の色分離は発生しないため、フロントガラスをして見るのと同等のきれいな画像を見ることができる。
また、本実施形態では、視域サイズを関係式に基づいて決定している。これにより、観察者は、表示画像が明るく見え、かつ外界の景色も明るく見ることができる。
また、本実施形態では、コンバイナーは透明アクリル凹面反射鏡であるので、散乱要素はなく、強い太陽光線が照射されても、太陽光線の虹のようなノイズが重畳したり、コントラストが悪化することはない。
また、本実施形態によれば、コンバイナーは透明アクリル凹面反射鏡であるので、ホログラム等と比較し製造容易であり、安価な画像表示装置１であるＨＵＤを実現することができる。
【０１１８】
［第２実施形態］
第１実施形態では、第２コンバイナー５２上に実像が形成される画像表示装置１の例を説明した。
画像表示装置１が車両に搭載されている場合、観察者は、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３を介して見える外界の風景に焦点を合わせている。第１実施形態における画像表示装置１において、表示画像情報を見る場合、観察者は、図１〜図４に示した虚像、実像、または空中像に焦点を合わせる必要がある。
このため、本実施形態では、コンバイナーの背景方向の位置に、全てのコンバイナーによって虚像が形成させる例を説明する。このように、コンバイナーの奥１ｍ程度の位置に虚像を表示しておけば、ほとんど水晶体の調節を行わずに観察者は表示画像を見ることができる。
【０１１９】
図９は、本実施形態に係る画像表示装置１Ａの構成と第２コンバイナー５２の虚像ｇ２１１による空間結像アイリス面ｇ２１２を示す図である。図１０は、本実施形態に係る画像表示装置１Ａの構成と第１コンバイナー５１の虚像ｇ２２１による空間結像アイリス面ｇ２２２を示す図である。図１１は、本実施形態に係る画像表示装置１Ａの構成と第３コンバイナー５３の虚像ｇ２３１による空間結像アイリス面ｇ２３２を示す図である。図１２は、図９〜図１１を合成した図である。なお、図９〜図１２に示す例は、視域の形状がダイヤモンド型の例を示しているが、第２実施形態における視域も無限遠五角形（無限遠５角形）であってもよい。また、第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３それぞれの反射率Ｒは、第１実施形態と同様に、４％〜５０％程度であることが望ましい。
【０１２０】
＜画像表示装置１の光学系＞
図９〜図１２に示すように、画像表示装置１Ａの構成は、画像表示装置１の構成と同じである。画像表示装置１Ａと画像表示装置１との差異は、結像レンズ４０と多重積層コンバイナー５０との間隔である。なお、画像表示装置１と同じ機能を有する機能部には同じ符号を用いて説明を省略する。また、図１〜図４と同じ光線についても、同じ符号を用いる。また、図９〜図１２の座標系は、図１〜図４と同じである。また、図９〜図１２において、角度θ２は、ｔａｎ−１｛（ｂｇ／２ａｅ（ｈ＋ｇ））ｄ０｝である。距離ｅは、実像ｇ２４１（１次画像の空中実像）から第２コンバイナー５２の光軸の垂線との接触面までのｘ軸方向の距離であり、距離ｇは、第２コンバイナー５２の主平面から第２コンバイナー５２の虚像ｇ２１１（図９、図１２）までのｘ軸方向の距離である。
【０１２１】
結像レンズ４０と第２コンバイナー５２とは、ｘ軸方向に距離ｂ＋ｅ離れて配置されている。なお、実像ｇ２４１は、結像レンズ４０からｘ軸方向に距離ｂに形成される。また、結像レンズ４０の焦点距離ｆ１は、式（１）の関係を満たしている。
第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３は、実像ｇ２４１からｘ軸方向に距離ｅ離れて配置されている。なお、距離ｅの長さは、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３それぞれの焦点距離ｆ２以下（ｅ≦ｆ２）である。また、焦点距離ｆ２は、次式（７）かつ次式（８）の関係を満たしている。
【０１２２】
【数７】
0006531329.tif 000008
【０１２３】
【数８】
0006531329.tif 000009
【０１２４】
図９に示すように、第２コンバイナー５２には、実像ｇ２４１の上端の点ｐ３１と下端の点ｐ３２を通り、第３コンバイナー５３を透過した光が光線ｂ５と光線ｂ６が入射し、第２コンバイナー５２上の点ｐ３３、ｐ３４、ｐ３６、ｐ３７に光線ｂ５と光線ｂ６の焦点が結像する。
また、第２コンバイナー５２は、光軸（線ｂ７）の垂線方向に虚像ｇ２１１を形成する。虚像ｇ２１１のｙ軸方向の大きさは、（ｂｇ／ａｅ）ｄ０である。第２コンバイナー５２上の点ｐ３３とｐ３４に結像した光線は、虚像ｇ１２１上の点ｐ３５に結像し、第１コンバイナー５１上の点ｐ３６とｐ３７に結像した光線は、虚像ｇ１２１上の点ｐ３８に結像する。
第２コンバイナー５２は、虚像ｇ２１１をプロジェクター１０の光軸方向に反射させる。図９において、光線ｂ３２と光線ｂ３３は、主光線である。
【０１２５】
図１０に示すように、第１コンバイナー５１には、第３コンバイナー５３と第２コンバイナー５２を透過した光線ｂ５と光線ｂ６が入射し、第１コンバイナー５１上の点ｐ４３、ｐ４４、ｐ４６、ｐ４７に光線ｂ５と光線ｂ６の焦点が結像する。
また、第１コンバイナー５１は、虚像ｇ２１１に対して角度が＋２θ１傾いた虚像ｇ２２１を形成する。虚像ｇ２２１のｙ軸方向の大きさは、（ｂｇ／ａｅ）ｄ０である。第１コンバイナー５１上の点ｐ４３とｐ４４に結像した光線は、虚像ｇ２２１上の点ｐ４５に結像し、第１コンバイナー５１上の点ｐ４６とｐ４７に結像した光線は、虚像ｇ２２１上の点ｐ４８に結像する。
第１コンバイナー５１は、虚像ｇ２２１をプロジェクター１０の光軸に対して上方の角度が＋２θ１方向に反射させる。図１０において、光線ｂ４２と光線ｂ４３は、主光線であり、線ｂ４１は、光線ｂ４２と光線ｂ４３との中心線である。
【０１２６】
図１１に示すように、第３コンバイナー５３には、プロジェクター１０から投影された光線ｂ５と光線ｂ６が入射し、第３コンバイナー５３上の点ｐ５３、ｐ５４、ｐ５６、ｐ５７に光線ｂ５と光線ｂ６の焦点が結像する。
また、第３コンバイナー５３は、虚像ｇ２１１に対して角度が−２θ１傾いた虚像ｇ２３１を形成する。虚像ｇ２３１のｙ軸方向の大きさは、（ｂｇ／ａｅ）ｄ０である。第３コンバイナー５３上の点ｐ５３とｐ５４に結像した光線は、虚像ｇ２３１上の点ｐ５５に結像し、第３コンバイナー５３上の点ｐ５６とｐ５７に結像した光線は、虚像ｇ２３１上の点ｐ５８に結像する。
第３コンバイナー５３は、虚像ｇ２３１をプロジェクター１０の光軸（線ｂ７）に対して下方の角度が−２θ１方向に反射させる。図１１において、光線ｂ５２と光線ｂ５３は、主光線であり、線ｂ５１は、光線ｂ５２と光線ｂ５３との中心線である。
【０１２７】
＜空間結像アイリス面＞
次に、第２コンバイナー５２、第１コンバイナー５１、および第３コンバイナー５３それぞれによる空間結像アイリス面について説明する。
まず、第２コンバイナー５２による空間結像アイリス面について説明する。
図９に示すように、第２コンバイナー５２による虚像ｇ２１１の主光線ｂ３２と主光線ｂ３３は、第２コンバイナー５２の光軸の垂線との接触面からｘ軸方向に距離ｈ離れた位置に、空間結像アイリス面ｇ２１２を結像させる。この空間結像アイリス面ｇ２１２のｙ軸方向サイズは、結像レンズのレンズ瞳径ｄ１をｈ／（ｂ＋ｅ）倍に拡大したものなので、｛ｈ／（ｂ＋ｅ）｝ｄ１となる。
【０１２８】
空間結像アイリス面ｇ２１２の大きさ｛ｈ／（ｂ＋ｅ）｝ｄ１と、画像表示装置１Ａの表示画像の大きさ（ｂｇ／ａｅ）ｄ０との関係が次式（９）を満たす場合、主光線ｂ３２と主光線ｂ３３とが平行となり、視域の形状は無限遠五角形型となる。
【０１２９】
【数９】
0006531329.tif 000010
【０１３０】
また、空間結像アイリス面ｇ２２１の大きさ｛ｈ／（ｂ＋ｅ）｝ｄ１と、画像表示装置１Ａの表示画像の大きさ（ｂｇ／ａｅ）ｄ０との関係が次式（１０）を満たす場合、主光線ｂ３２と主光線ｂ３３とが平行ではなくなるため、視域の形状はダイヤモンド型となる。
【０１３１】
【数１０】
0006531329.tif 000011
【０１３２】
次に、第１コンバイナー５１による空間結像アイリス面について説明する。
図１０に示すように、虚像ｇ１２１の主光線ｂ１２と主光線ｂ１３は、ｘ軸方向に対して角度が＋２θ１方向に反射する。このため、第１コンバイナー５１は、第１コンバイナー５１の光軸の垂線との接触面から距離ｈ離れた位置に、空間結像アイリス面ｇ２２２を、大きさ｛ｈ／（ｂ＋ｅ）｝ｄ１で結像させる。この空間結像アイリス面ｇ２２２前後にも、第２コンバイナー５２による空間結像アイリス面ｇ２１２（図９）と同様に、領域ｇ２２３で示した無限遠五角形型またはダイヤモンド型の視域を形成する。また、空間結像アイリス面ｇ２２２とこの視域の機能は、第２コンバイナー５２と同様である。
【０１３３】
また、図９に示した第２コンバイナー５２の視域ｇ２１３と、図１０に示した第１コンバイナー５１の視域ｇ２２３が、図１２のようにオーバーラップせずクロストークを回避するための条件は、式（５）である。
第２コンバイナー５２と第１コンバイナー５１とが互いに式（５）の角度がθ１以上離れるように傾けて配置することで、表示同士にクロストークが発生しない。
【０１３４】
次に、第３コンバイナー５３による空間結像アイリス面について説明する。
図１１に示すように、虚像ｇ２３１の主光線ｂ５２と主光線ｂ５３は、ｘ軸方向に対して角度が−２θ１方向に反射する。このため、第３コンバイナー５３は、第３コンバイナー５３の光軸の垂線との接触面から距離ｈ離れた位置に、空間結像アイリス面ｇ２３２を、大きさ｛ｈ／（ｂ＋ｅ）｝ｄ１で結像させる。この空間結像アイリス面ｇ２３２前後にも、第２コンバイナー５２による空間結像アイリス面ｇ２１２（図９）と同様に、領域ｇ２３３で示した無限遠五角形型またはダイヤモンド型の視域を形成する。また、空間結像アイリス面ｇ２３２とこの視域の機能は、第２コンバイナー５２と同様である。
【０１３５】
また、図９に示した第２コンバイナー５２の視域ｇ２１３と、図１１に示した第３コンバイナー５３の視域ｇ２３３が、図１２のようにオーバーラップせずクロストークを回避するための条件は、式（５）である。
【０１３６】
ここで、多重積層コンバイナー５０による光の多重反射、透過について説明する。
例えば、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３が３枚の場合、図７において、Ｔ４Ｒの２次光は、一番奥の第２の虚像ｇ２１２を表示し、Ｔ４Ｒの２次光は、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３、第２コンバイナー５２と３回反射した鏡面対称の位置の像上を表示している。
このため、図９の空間結像アイリス面ｇ２１２と視域ｇ２１３の中では、一番奥の第２の虚像ｇ２２１（図１０）と第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３、第２コンバイナー５２と３回反射した鏡面対称の位置の像が同時に見え、重畳するためクロストークが発生する。
しかしながら、このクロストークも第１実施形態と同様に、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３それぞれの反射率が４％、透過率が９６％の場合、観察者は、ノイズ成分が０．１７％しか発生しないため、ノイズ成分がほとんど見えない。
【０１３７】
なお、第２実施形態においてもコンバイナーは２枚、４枚以上であってもよい。
また、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３のｘ軸方向の厚みが厚い場合、裏面反射による２重像が発生するので、第２実施形態においても第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３それぞれの裏面には反射防止用のフィルムであるモスアイ構造フィルムまたはＡＲコートなどを施すことが望ましい。
【０１３８】
以上のように本実施形態の画像表示装置１Ａにおいて、プロジェクター１０の投射画像をサイズｄ０の１次画像として、角度的均一拡散フィルム（拡散フィルム２０）上に、または拡散フィルム（拡散フィルム２０）上に結像させ、この拡散フィルムに、焦点距離ｆ０の集光レンズ３０を密着設置し、この集光レンズから距離ｆ０＝ａだけ離れた位置に１枚または複数枚よりなる合成焦点距離ｆ１：（（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ１））でレンズ瞳径がｄ１の結像レンズ４０を設置し、この結像レンズにより、この結像レンズ主平面から距離ｂ離れた位置に１次画像の空中実像（実像ｇ２４１）を拡大倍率ｂ／ａ倍で、結像させ、このサイズが（ｂ／ａ）ｄ０の空中像から距離ｃ：（ｃ≦ｆ２）離れた位置に、複数枚の、焦点距離ｆ２：（（１／ｃ）−（１／ｄ）＝（１／ｆ２））の反射率４％〜５０％程度の透明反射凹面鏡（第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３）を、互いに角度を、θ１：（θ１≧（１／２）ｔａｎ−１（ｄ１／（ｂ＋ｃ））程度変化さて、互いに接触する程度の間隔で積層し、それぞれの透明凹面反射鏡の奥方向に距離ｄ離れた位置に１次画像の虚像を、拡大倍率ｂｄ／ａｃ倍のサイズ（ｂｄ／ａｃ）ｄ０で形成し、それぞれの透明凹面反射鏡の反射主光線方向に距離ｅ離れた位置に、結像レンズのレンズ瞳の空中像（空間結像アイリス面ｇ２１２、空間結像アイリス面ｇ２２２、空間結像アイリス面ｇ２３２）を、拡大倍率がｅ／（ｂ＋ｃ）倍であるサイズ（ｅ／（ｂ＋ｃ））ｄ１で結像させ、このレンズ瞳の空中像の前後に、（ｅ／（ｂ＋ｃ））ｄ１≧（ｂｄ／ａｃ）ｄ０の場合、無限遠５角形視域、（ｅ／（ｂ＋ｃ））ｄ１＜（ｂｄ／ａｃ）ｄ０の場合、ダイヤモンド形視域、を形成する。
ただし、上記において、符号ｃは第２実施形態における符号ｅであり、符号ｄは第２実施形態における符号ｇであり、符号ｅは第２実施形態における符号ｈである。
【０１３９】
この構成によって、本実施形態では、虚像による表示画像を見ることができる範囲を複数人に対応させ、かつ複数人に明るく、かつ同じ明るさで表示画像を表示することができる。これにより、本実施形態では、によれば、コンバイナーの光軸方向に複数のコンバイナーの全ての虚像が形成されるため、観察者は、水晶体の調節をほとんど行わずに表示画像を見ることができる。また、本実施形態では、によれば、複数人の設定した観察者以外の位置には光エネルギーを伝搬させない光利用効率のよい、透過率の高いシースルー性の良い画像表示装置を提供することができる。
【０１４０】
以上のように本実施形態の画像表示装置１Ａにおいて、投影部（プロジェクター１０、拡散フィルム２０、集光レンズ３０、結像レンズ４０）は、画像を結像する結像レンズ４０、を備え、第２の凹面反射鏡（第２コンバイナー５２）は、結像レンズ４０からの距離が、結像レンズによって結像される実像の位置より遠くに配置され、第１の像（空間結像アイリス面ｇ２２２）は、虚像ｇ２２１に基づく像であり、第２の像（空間結像アイリス面ｇ２１２）は、虚像ｇ２１１に基づく像である。
【０１４１】
この構成によって、本実施形態では、多重積層コンバイナー５０のｘ軸方向の奥（入射光線の進行方向）に多重積層コンバイナー５０の全ての虚像が形成されるため、観察者は、水晶体の調節をほとんど行わずに表示画像を見ることができる。
【０１４２】
また、本実施形態の画像表示装置１Ａにおいて、投影部（プロジェクター１０、拡散フィルム２０、集光レンズ３０、結像レンズ４０）は、投影された画像の光線を拡散する拡散フィルム２０と、拡散フィルムによって拡散された光線を集光する集光レンズ３０と、を備え、結像レンズ４０は、集光レンズによって集光された光線を結像させ、集光レンズのレンズ瞳径がｄ０であり、結像レンズのレンズ瞳径がｄ１であり、集光レンズと結像レンズとの距離がａであり、結像レンズによって結像される実像の光軸方向の距離がｂであり、複数枚の凹面反射鏡（第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３）のうちのいずれか１つと実像ｇ２４１との光軸方向の距離、または複数枚の凹面反射鏡の間の位置と実像との光軸方向の距離がｅであり、結像レンズの焦点距離ｆ１は、｛（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ１）｝の関係式を満たし、第１の像および第２の像（例えば、（空間結像アイリス面ｇ１１２、空間結像アイリス面ｇ１２２）は、第１の凹面反射鏡（第１コンバイナー５１）と第２の凹面反射鏡（第２コンバイナー５２）それぞれの反射光の進行方向に、複数枚の凹面反射鏡のうちのいずれか１つから距離ｈの位置、または複数枚の凹面反射鏡の間の位置から距離ｈの位置に形成され、第２の凹面反射鏡による虚像ｇ２１２と、第２の凹面反射鏡との距離がｇであり、第１の凹面反射鏡と第２の凹面反射鏡それぞれの焦点距離ｆ２は、［｛（１／ｅ）−（１／ｇ）｝＝（１／ｆ２）］の関係式を満たし、かつ［｛１／（ｂ＋ｅ）｝＋（１／ｈ）＝（１／ｆ２）］の関係式を満たし、第１の像および第２の像それぞれの大きさは、｛ｈ／（ｂ＋ｅ））｝ｄ１である。
【０１４３】
この構成によって、本実施形態では、第１実施形態と同様に、２枚積層コンバイナーを用いた画像表示装置では、２人の観察者に、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を提供でき、２人以外の方向には光エネルギーがほとんど伝搬しない優れた特性を実現することができる。また、３枚の多重積層コンバイナー５０を用いた画像表示装置１Ａでは、３人の観察者に、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を提供でき、３人以外の方向には光エネルギーがほとんど伝搬しない優れた特性を実現することができる。
すなわち、本実施形態によれば、コンバイナーがｎ枚の場合、ｎ人の観察者に、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を提供でき、ｎ人以外の方向には光エネルギーがほとんど伝搬しない優れた特性を実現することができる。
【０１４４】
また、本実施形態の画像表示装置１Ａにおいて、第１の凹面反射鏡（例えば、第１コンバイナー５１）の光軸との接触面と、第２の凹面反射鏡（例えば、第２コンバイナー５２）の前記光軸との接触面との角度θ１は、［｜θ１｜≧（１／２）ｔａｎ−１｛ｄ１／（ｂ＋ｅ）｝｝の関係式を満たす。
【０１４５】
この構成によって、本実施形態では、第１コンバイナー５１による空間結像アイリス面ｇ２１２と、第２コンバイナー５２による空間結像アイリス面ｇ２１２とが重なることを防ぐことができる。この結果、本実施形態では、２人の観察者が同じ表示画像を重ならずに互いに視認することができる。
【０１４６】
また、本実施形態の画像表示装置１Ａにおいて、第１の像（例えば、空間結像アイリス面ｇ２１２）および第２の像（例えば、空間結像アイリス面ｇ２２２の）の前後に、｛ｈ／（ｂ＋ｅ）｝ｄ１≧｛（ｂｇ／ａｅ）ｄ０｝の場合、無限遠五角形の視域を形成し、｛ｈ／（ｂ＋ｅ）｝ｄ１＜｛（ｂｇ／ａｅ）ｄ０｝の場合、六角形の視域を形成する。
【０１４７】
この構成によって、本実施形態では、観察者に視認させたい領域の光軸方向の範囲に応じて、無限遠五角形の視域を形成させるか、六角形の視域を形成させることができる。無限遠五角形の視域を形成させた場合は、車両において、運転者と、その後部座席に着席している同乗者に、表示画像を視認させることができる。一方、ダイヤモンド型の視域を形成させた場合、車両において、運転者のみに視認可能であり、その後部座席に着席している同乗者に視認できない表示画像を表示させることができる。
【０１４８】
［第３実施形態］
第１実施形態および第２実施形態では、第１コンバイナー５１〜第３コンバイナー５３が、透明凹面反射鏡である例を説明した。
本実施形態では、一番奥に配置されている第１コンバイナー５１の表面または裏面が黒色に、例えば塗装または蒸着されている例を説明する。
【０１４９】
まず、第１実施形態の画像表示装置１における一番奥に配置されている第１コンバイナー５１の表面または裏面が黒色に、例えば塗装または蒸着されている例を説明する。
図１３は、本実施形態に係る画像表示装置１Ｃの構成と第２コンバイナー５２による空間結像アイリス面ｇ１１２、第１コンバイナー５１ｃによる空間結像アイリス面ｇ１２２、第３コンバイナー５３による空間結像アイリス面ｇ１３２を示す図である。なお、図１３に示す例は、視域の形状が無限遠五角形の例を示しているが、ダイヤモンド型であってもよい。また、図１３の座標系は、図１〜図４と同じである。
【０１５０】
＜画像表示装置１Ｃの構成＞
図１３に示すように、画像表示装置１Ｃは、プロジェクター１０（投影部）、拡散フィルム２０（投影部）、集光レンズ３０（投影部）、結像レンズ４０（投影部）、および多重積層コンバイナー５０Ｃを含んで構成される。また、多重積層コンバイナー５０Ｃは、第１コンバイナー５１ｃ（黒色凹面反射鏡）、第２コンバイナー５２（透明凹面反射鏡）、および第３コンバイナー５３（透明凹面反射鏡）を備えている。なお、画像表示装置１と同じ機能を有する機能部には同じ符号を用いて説明を省略する。なお、図１３に示すように、第１コンバイナー５１ｃ、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３それぞれは、プロジェクター１０側に凹面を有する。
【０１５１】
＜画像表示装置１Ｃの光学系＞
第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３それぞれは、透明アクリルまたは透明ガラスの透明凹面反射鏡である。第１コンバイナー５１ｃは、凹面反射鏡であり、裏面ｇ４４１が、黒色に、例えば塗装または蒸着されている。実施形態では、表面または裏面に黒色面を備える凹面反射鏡を、黒色凹面反射鏡という。
【０１５２】
次に、第２実施形態の画像表示装置１Ａにおける一番奥に配置されている第１コンバイナー５１の裏面ｇ５４１が黒色に塗装されている例を、図１４を用いて説明する。
図１４は、本実施形態に係る画像表示装置１Ｄの構成と第２コンバイナー５２による空間結像アイリス面ｇ２１２、第１コンバイナー５１ｃによる空間結像アイリス面ｇ２２２、第３コンバイナー５３による空間結像アイリス面ｇ２３２を示す図である。なお、図１４に示す例は、視域の形状がダイヤモンド型の例を示しているが、無限遠五角形であってもよい。また、図１４の座標系は、図１〜図４と同じである。
【０１５３】
＜画像表示装置１Ｄの構成＞
図１４に示すように、画像表示装置１Ｄは、プロジェクター１０（投影部）、拡散フィルム２０（投影部）、集光レンズ３０（投影部）、結像レンズ４０（投影部）、および多重積層コンバイナー５０Ｃを含んで構成される。また、多重積層コンバイナー５０Ｃは、第１コンバイナー５１ｃ（黒色凹面反射鏡）、第２コンバイナー５２（透明凹面反射鏡）、および第３コンバイナー５３（透明凹面反射鏡）を備えている。なお、画像表示装置１と同じ機能を有する機能部には同じ符号を用いて説明を省略する。
【０１５４】
＜画像表示装置１Ｄの光学系＞
第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３それぞれは、透明アクリルまたは透明ガラスの透明凹面反射鏡である。第１コンバイナー５１ｃは、黒色凹面反射鏡である。なお、図１４に示すように、第１コンバイナー５１ｃ、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３それぞれは、プロジェクター１０側に凹面を有する。
【０１５５】
以上のように、本実施形態の画像表示装置（１Ｃまたは１Ｄ）において、第１の凹面反射鏡（例えば第１コンバイナー５１ｃ）は、裏面が黒色である。
【０１５６】
この構成によって、本実施形態では、ｎ枚のコンバイナーのうち最背面の第１コンバイナー５１ｃが黒色凹面反射鏡であるため、プロジェクター１０から投影された画像が黒背景に映し出される。この結果、本実施形態では、多重積層コンバイナー５０Ｃによって表示される表示画像のコントラストを向上させることができる。
【０１５７】
［第４実施形態］
第１実施形態〜第３実施形態では、プロジェクター１０を用いて運転情報等の画像を投影する例を説明したが、画像を投影する装置は、プロジェクター１０に限られない。
本実施形態では、液晶パネルを用いて画像を投影する例を説明する。なお、第１実施形態の画像表示装置１に液晶パネルを適用する例を説明するが、第２実施形態の画像表示装置１Ａ、第３実施形態の画像表示装置１Ｃ、１Ｄにも、同様に液晶パネルを適用することができる。
【０１５８】
図１５は、本実施形態に係る画像表示装置１Ｅの構成と第２コンバイナー５２の実像ｇ１１１による空間結像アイリス面ｇ１１２を示す図である。図１６は、本実施形態に係る画像表示装置１Ｅの構成と第１コンバイナー５１の虚像ｇ１２１による空間結像アイリス面ｇ１２２を示す図である。図１７は、本実施形態に係る画像表示装置１Ｅの構成と第３コンバイナー５３の空中像ｇ１３１による空間結像アイリス面ｇ１３２を示す図である。図１８は、図１５〜図１７を合成した図である。なお、図１５〜図１８に示す例は、視域の形状が無限遠五角形の例を示しているがダイヤモンド型であってもよい。なお、画像表示装置１と同じ機能を有する機能部には同じ符号を用いて説明を省略する。また、図１〜図４と同じ光線についても、同じ符号を用いる。また、図１５〜図１８の座標系は、図１〜図４と同じである。
【０１５９】
＜画像表示装置１Ｅの構成＞
図１５〜図１８に示すように、画像表示装置１Ｅは、投影部６０、および多重積層コンバイナー５０を含んで構成される。また、多重積層コンバイナー５０は、第１コンバイナー５１（透明凹面反射鏡）、第２コンバイナー５２（透明凹面反射鏡）、および第３コンバイナー５３（透明凹面反射鏡）を備えている。すなわち、画像表示装置１Ｅと画像表示装置１との差異は、投影部６０である。
【０１６０】
投影部６０は、ＬＥＤ（発光ダイオード）６１、テーパーロッドライクインテグレータ６２、ランプ光学系レンズ６３、拡散フィルム２０、液晶パネル６５、集光レンズ３０、結像レンズ４０を含んで構成される。また、線ｂ７は、投影部６０の光軸を表している。
投影部６０は、ＬＥＤ６１、テーパーロッドライクインテグレータ６２、ランプ光学系レンズ６３、拡散フィルム２０、液晶パネル６５、集光レンズ３０、結像レンズ４０が光軸（線ｂ７）に沿って順に配置されている。
また、拡散フィルム２０には、液晶パネル６５がｘ軸方向に密着されている。
なお、テーパーロッドライクインテグレータ６２、ランプ光学系レンズ６３、集光レンズ３０、および結像レンズ４０それぞれは、光軸（線ｂ７）に合わせて配置されている。
【０１６１】
＜画像表示装置１Ｅの光学系＞
ＬＥＤ６１は、例えば赤色、青色、緑色の３個で構成される。ＬＥＤ６１には、画像出力装置（不図示）が接続されている。ＬＥＤ６１は、画像出力装置が出力した画像をテーパーロッドライクインテグレータ６２、ランプ光学系レンズ６３を介して拡散フィルム２０に投影する。光線ｂ６１、光線ｂ６２は、テーパーロッドライクインテグレータ６２から出射される画像の光線を示している。
【０１６２】
テーパーロッドライクインテグレータ６２は、位置的（空間的）均一性を高めるホモジェナイザーである。なお、ホモジェナイザーとは、光強度の均一性を高めるものである。テーパーロッドライクインテグレータ６２は、ＬＥＤ６１から出射された光線の強度分布の位置的均一性を高め、空間的均一光学面をテーパーロッドライクインテグレータ出射面に形成する。テーパーロッドライクインテグレータ６２は、強度分布の位置的均一性が高められた光線をランプ光学系レンズ６３に出射する。
【０１６３】
ランプ光学系レンズ６３は、開口数がＮＡの両面が凸型のレンズである。エタンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）保存則より、ＬＥＤ６１からの光は、ランプ光学系レンズ６３の開口数ＮＡ内にはいる範囲の広がりに制限される。これにより、ランプ光学系レンズ６３は、テーパーロッドライクインテグレータ６２から入射された光線ｂ６１、光線ｂ６２の光利用効率を高めて、空間均一な光学面を拡散フィルム２０上に結像させる。この結果、拡散フィルム２０の出射面では、角度的・空間的均一光学面が実現する。なお、光線ｂ６３、光線ｂ６４は、ランプ光学系レンズ６３から出射される画像の光線を示している。
【０１６４】
拡散フィルム２０は、液晶パネル６５のバックライトとして働く。拡散フィルム２０の出射面を液晶パネル６５のバックライトとして用いると、拡散フィルム２０面と、液晶画像表示面が分離されるため、表示画像面のシンチレーション（ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ）が低減され、画質が改善される。ここで、シンチレーションとは、細かい輝度の変化が現れる現象である。このシンチレーションは、拡散フィルム２０の拡大像が表示画像として表示さてるため、発生する場合がある。
【０１６５】
液晶パネル６５は、拡散フィルム２０から入射した画像の光線を集光レンズ３０に出射する。
集光レンズ３０は、液晶パネル６５から出射された画像の光線を結像レンズ４０のレンズ瞳内へ方向を変えて入射する。
【０１６６】
図１５、図１８に示すように、第２コンバイナー５２によって実像ｇ１１１が形成される。そして実像ｇ１１１によって空間結像アイリス面ｇ１１２および視域ｇ１１３が形成される。
図１６、図１８に示すように、第１コンバイナー５１によって虚像ｇ１２１が形成される。そして虚像ｇ１２１によって空間結像アイリス面ｇ１２２および視域ｇ１２３が形成される。
図１７、図１８に示すように、第３コンバイナー５３によって空中像ｇ１３１が形成される。そして空中像ｇ１３１によって空間結像アイリス面ｇ１３２および視域ｇ１３３が形成される。
【０１６７】
上述したように、本実施形態では、拡散フィルム２０上に画像を結像させるのではなく、拡散フィルム２０を液晶パネル６５のバックライトとして用いる。テーパーロッドライクインテグレータ６２、ランプ光学系レンズ６３、および拡散フィルム２０は、角度的、空間的均一光学面を作る。そして、表示画像は、角度的、空間的均一光学面からわずかに離した液晶パネル６５で形成することにより、人間が見る光学面に拡散フィルム２０が存在しない状態をつくることができる。これにより、本実施形態では、シンチレーションをぼかすことにより低減することができる。
【０１６８】
以上のように本実施形態の画像表示装置（１、１Ａ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ）において、投影部は、プロジェクター１０（図１〜図４、図８〜図１４）、または液晶パネル６５とレンズ（ランプ光学系レンズ６３）との組み合わせのうち、少なくとも１つを含む。
【０１６９】
投影部６０が液晶パネル６５とランプ光学系レンズ６３を備える構成の場合は、拡散フィルム２０によって形成された角度的、空間的均一光学面を液晶パネル６５のバックライトとして用いることで、拡散フィルム２０面と、液晶画像表示面が分離されるため、表示画像面のシンチレーションが低減され、画質が改善される。
【０１７０】
＜第１実施形態〜第４実施形態における第１の変形例＞
第１実施形態〜第４実施形態では、第２コンバイナー５２の光軸の垂線との接触面に対する第１コンバイナー５１の光軸の垂線との接触面の角度＋θ１（第１角度）の絶対値と、第２コンバイナー５２の光軸の垂線との接触面に対する第３コンバイナー５３の光軸の垂線との接触面の角度−θ１（第２角度）の絶対値とが同じ場合を説明したが、第１角度の絶対値と第２角度の絶対値とが、異なっていてもよい。
本実施形態では、第１角度の絶対値と第２角度の絶対値とが異なっている例を説明する。なお、第１実施形態の画像表示装置１を例に説明するが、第２実施形態の画像表示装置１Ａ、第３実施形態の画像表示装置１Ｃ、１Ｄ、第４実施形態の画像表示装置１Ｅでも、第１角度の絶対値と第２角度の絶対値とが異なっていてもよい。
【０１７１】
図１９は、第１実施形態における第１の変形例に係る画像表示装置１’の構成と、第２コンバイナー５２による空間結像アイリス面ｇ１１２、第１コンバイナー５１’による空間結像アイリス面ｇ１２２、第３コンバイナー５３による空間結像アイリス面ｇ１３２を示す図である。なお、画像表示装置１と同じ機能を有する機能部には同じ符号を用いて説明を省略する。また、図１９の座標系は、図１〜図４と同じである。また、図１９では、図１〜図４に示した投影部（プロジェクター１０、拡散フィルム２０、集光レンズ３０、および結像レンズ４０）を省略しているが、画像表示装置１’は画像表示装置１と同様に、投影部を備えている。
【０１７２】
画像表示装置１’は、プロジェクター１０（不図示）、拡散フィルム２０（不図示）、集光レンズ３０（不図示）、結像レンズ４０（不図示）、および多重積層コンバイナー５０’を含んで構成される。また、多重積層コンバイナー５０’は、第１コンバイナー５１’（透明凹面反射鏡）、第２コンバイナー５２（透明凹面反射鏡）、および第３コンバイナー５３（透明凹面反射鏡）を備えている。
【０１７３】
第１コンバイナー５１’、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３は、下端が密着されている。また、第１コンバイナー５１’の光軸の垂線との接触面は、第２コンバイナー５２の光軸の垂線との接触面に対して角度が＋θ１’の関係で配置されている。さらに、第３コンバイナー５３光軸の垂線との接触面は、第２コンバイナー５２の光軸の垂線との接触面に対して角度が−θ１の関係で配置されている。
【０１７４】
第１コンバイナー５１’には、第３コンバイナー５３と第２コンバイナー５２を透過した光線が入射し、第１コンバイナー５１’上に光線の焦点が結像する。また、第１コンバイナー５１’は、第２コンバイナー５２に対して入射光線の進行方向に角度が＋２θ１’傾いた虚像ｇ１２１’を形成する。第１コンバイナー５１’上に結像した光線は、虚像ｇ１２１’上に結像し、第１コンバイナー５１’上に結像した光線は、虚像ｇ１２１’上に結像する。第１コンバイナー５１’は、虚像ｇ１２１’をプロジェクター１０（図４）の光軸（線ｂ７）に対して上方の角度が＋２θ１’方向に反射させる。
【０１７５】
これにより、図１９に示すように、空間結像アイリス面ｇ１２２を、図１、図４とは異なる位置に形成することができる。また、図１９に示すように、空間結像アイリス面ｇ１２２を、空間結像アイリス面ｇ１１２から離れた位置に形成することができる。
【０１７６】
以上のように本実施形態の画像表示装置１’において、複数枚の凹面反射鏡（例えば、第１コンバイナー５１’、第２コンバイナー５２、第３コンバイナー５３）は、３枚以上であり、複数枚の凹面反射鏡のうちの第３の凹面反射鏡（第３コンバイナー５３）は、投影部と第１の凹面反射鏡（第１コンバイナー５１’）との間に配置され、投影部によって投影された画像の一部を反射し、画像に基づく第３の空中像（空間結像アイリス面ｇ１３２）を形成し、第２の凹面反射鏡は（第２コンバイナー５２）、第１の凹面反射鏡と第３の凹面反射鏡との間に配置され、光軸の垂線に対する第１の凹面反射鏡の光軸（線ｂ７）との接触面の第１の角度（０°）と、光軸の垂線に対する第２の凹面反射鏡の光軸との接触面の第２の角度（θ１）との第１の差（−θ１）と、第２の角度と、光軸の垂線に対する第３の凹面反射鏡の光軸との接触面の第３の角度（θ１’）との第２の差（−θ１’）とが互いに異なっている。
【０１７７】
この構成によって、本実施形態では、運転者やナビゲーター、後部座席の観察者の位置に応じて空間結像アイリス面が形成される角度およびｙ軸方向の間隔を、コンバイナー毎に調整することができる。
【０１７８】
＜第１実施形態〜第４実施形態における第２の変形例＞
第１実施形態〜第４実施形態、第１実施形態〜第４実施形態における第１の変形例、第１実施形態〜第４実施形態における第２の変形例では、複数枚積層したコンバイナーが全て同じ焦点距離であるので、画像表示装置（１、１Ａ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１’）から画像が見る位置までの距離が、全てのコンバイナーからほぼ同じ距離の設定である。
本実施形態では、画像表示装置１’’から画像が見る位置までの距離が異なる例を説明する。
【０１７９】
図２０は、第１実施形態における第２の変形例に係る画像表示装置１’’の構成と、第２コンバイナー５２による空間結像アイリス面ｇ１１２、第１コンバイナー５１による空間結像アイリス面ｇ１２２、第４コンバイナー５４による空間結像アイリス面ｇ１４２を示す図である。なお、画像表示装置１と同じ機能を有する機能部には同じ符号を用いて説明を省略する。また、図２０の座標系は、図１〜図４と同じである。また、図２０では、図１〜図４に示した投影部（プロジェクター１０、拡散フィルム２０、集光レンズ３０、および結像レンズ４０）を省略しているが、画像表示装置１’’は画像表示装置１と同様に、投影部を備えている。
【０１８０】
画像表示装置１’’は、プロジェクター１０（不図示）、拡散フィルム２０（不図示）、集光レンズ３０（不図示）、結像レンズ４０（不図示）、および多重積層コンバイナー５０’’を含んで構成される。また、多重積層コンバイナー５０’’は、第１コンバイナー５１（透明凹面反射鏡）、第２コンバイナー５２（透明凹面反射鏡）、および第４コンバイナー５４（透明凹面反射鏡）を備えている。
【０１８１】
第１コンバイナー５１と第２コンバイナー５２は、下端が密着されている。また、第１コンバイナー５１の光軸の垂線との接触面は、第２コンバイナー５２の光軸の垂線との接触面に対して角度が＋θ１より大きい角度の関係で配置されている。第２コンバイナー５２、第１コンバイナー５１それぞれの焦点距離はｆ２である。
【０１８２】
第４コンバイナー５４は、第１コンバイナー５１の入射光線の進行方向に配置されている。第４コンバイナー５４は、透明アクリルまたは透明ガラスの透明凹面反射鏡である。第４コンバイナー５４は、プロジェクター１０側に凹面を有する。第４コンバイナー５４の反射率は、例えば４〜８％であり、焦点距離はｆ２とは異なるｆ３であり、透過率は、例えば９２〜９６％である。焦点距離ｆ３は、例えば焦点距離ｆ２より大きい。
【０１８３】
図２０に示すように、第２コンバイナー５２による空間結像アイリス面ｇ１１２は、第２コンバイナー５２の光軸の垂線との接触面からｘ軸方向に距離がｃ１の位置に形成される。また、第４コンバイナー５４による空間結像アイリス面ｇ１４２は、第２コンバイナー５２の光軸の垂線との接触面からｘ軸方向に距離がｃ２の位置に形成される。なお、距離ｃ２は、距離ｃ１より長い。
【０１８４】
なお、図２０に示した多重積層コンバイナー５０’’は一例であり、これに限られない。例えば、運転者と助手席に着席している同乗者に加え、後部座席の３人の観察者に対応する場合、多重積層コンバイナー５０’’は、コンバイナーが５枚積層されているようにしてもよい。この場合は、多重積層コンバイナー５０’’の５枚中２枚を運転者と助手席に着席している同乗者に合わせた空間結像アイリス面が形成される焦点距離に設定し、５枚中３枚を後部座席に空間結像アイリス面が形成される焦点距離に設定するようにしてもよい。
【０１８５】
さらに、画像表示装置１’’を車両のフロントガラス上部に設置し、天井から投射する場合、バンタイプの車両のように３列シートの２人、３人、３人と座っている状況では、コンバイナーを積層８枚とし、８枚のコンバイナーを、２枚、３枚、３枚の組とする。そして、２枚のコンバイナー、３枚のコンバイナー、３枚のコンバイナーそれぞれが互いに異なる３種類の焦点距離に設定するようにしてもよい。
【０１８６】
以上のように本実施形態の画像表示装置１’’において、複数枚の凹面反射鏡（例えば、第１コンバイナー５１、第２コンバイナー５２、第４コンバイナー５４）それぞれの焦点距離が互いに異なる値である。
【０１８７】
この構成によって、本実施形態では、複数枚積層したコンバイナーの焦点距離が異なっているので、画像表示装置１’’から観察者が見る位置までの距離を、異なるようにすることができる。これにより、本実施形態は、例えば、車両の乗員が多人数であり、後部座席の列数が後ろに多くなった場合に有効である。
【０１８８】
なお、第１実施形態〜第４実施形態、第１実施形態〜第４実施形態における第１の変形例、第１実施形態〜第４実施形態における第２の変形例では、空間結像アイリス面同士が互いに重ならない例を説明したが、これに限られない。用途に応じて、空間結像アイリス面の端が多少重なっても支障が無い場合、例えば第１実施形態において、コンバイナー同士の角度θ１が１／２｛ｔａｎ−１（ｄ１／ｂ）｝未満であってもよく、例えば第２実施形態において、コンバイナー同士の角度の絶対値が｜θ１｜が１／２｛ｔａｎ−１（ｄ１／（ｂ＋ｅ））｝未満であってもよい。
【０１８９】
なお、第１実施形態〜第４実施形態、第１実施形態〜第４実施形態における第１の変形例、第１実施形態〜第４実施形態における第２の変形例では、画像表示装置（１、１Ａ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１’、１’’）を車両に搭載する例を説明したが、これに限られない。画像表示装置（１、１Ａ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１’、１’’）は、車両以外に適用してもよい。この場合、プロジェクター１０または液晶パネル６５を含む投影部６０から投影される画像は、運転者情報に限らず、適用する装置に合わせた画像であってもよい。
【符号の説明】
【０１９０】
１、１Ａ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１’、１’’…画像表示装置、１０…プロジェクター、２０…拡散フィルム、３０…集光レンズ、４０…結像レンズ、５０、５０Ｃ、５０’、５０’’…多重積層コンバイナー、５１、５２、５０ｃ、５２’、５３…透明凹面反射鏡、６０…投影部、６１…ＬＥＤ、６２…テーパーロッドライクインテグレータ、６３…ランプ光学系レンズ、６５…液晶パネル、ｇ１１１…実像、ｇ１２１、ｇ２１１、ｇ２２１、ｇ２３１…虚像、ｇ１３１…空中像、ｇ１１２、ｇ１２２、ｇ１３２、ｇ２１２、ｇ２２２、ｇ２３２…空間結像アイリス面、ｇ１１３、ｇ１２３、ｇ１３３、ｇ２１３、ｇ２２３、ｇ２３３…視域、ｂ８、ｂ９、ｂ１２、ｂ１３、ｂ２２、ｂ２３、ｂ３２、ｂ３３、ｂ４２、ｂ４３、ｂ５２、ｂ５３…主光線、ｂ７…光軸
【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】
0006531329.tif 000027
【図１７】
0006531329.tif 000028
【図１８】
0006531329.tif 000029
【図１９】
0006531329.tif 000030
【図２０】
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