(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体（１）の投影面（９１）に表示画像（７１）を投影することにより、前記表示画像の虚像（７０）を前記移動体の室内から視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記表示画像となる光束を投射する投射器（１０）と、
前記室内において視認者が前記虚像を視認可能な領域である視認領域（６０、２０６０、３０６０）へ前記光束を導くように、当該光束を拡散するスクリーン部材（３０、２０３０）とを、備え、
前記スクリーン部材は、格子状に配列される複数の光学素子部（３２、２０３２）を有し、それら各光学素子部の表面は、入射する前記光束を拡散するように曲面（３２ａ、２０３２ａ）を形成し、
前記各光学素子部により拡散されて前記視認領域へ入射する前記光束の回折幅が前記視認者の瞳孔径以下となるように、前記各光学素子部のピッチが設定されていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２】
前記各光学素子部の外縁形状と前記視認領域の外縁形状とは、Ｎを２以上の整数としたとき、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向の数がＮにより表される範囲において互いに対応する多角形状であり、
前記投射器から投射される前記光束の波長をλ、前記瞳孔径をφｐ、前記視認領域の前記各対向方向の幅をＤｎ（ｎ＝１〜Ｎ）、前記各光学素子部により拡散されて前記視認領域の前記各対向方向の幅全域に亘って入射する前記光束の拡散角をθｓｎ（ｎ＝１〜Ｎ）としたとき、
前記格子状に配列される前記各光学素子部の前記各対向方向におけるピッチＰｎ（ｎ＝１〜Ｎ）は、以下の数式１
【数１】
0005344069.tif 000014
を満足する値であることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項３】
前記投射器は、単一波長レーザ光の複数色を前記光束として投射し、前記波長λは、それら各色のレーザ光のピーク波長のうち最大波長であることを特徴とする請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
前記各光学素子部により拡散された前記光束がそれぞれ前記虚像として結像してなる虚像点（７２）のピッチを、前記視認者の眼の分解能以下とするように、前記各光学素子部のピッチが設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項５】
前記各光学素子部により拡散された前記光束が前記投影面に到達するまでの光路上に、当該拡散光束を拡大可能な光学系（４０）を、備え、
前記各虚像点のピッチは、前記光学系により、前記各光学素子部のピッチに対して拡大されることを特徴とする請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項６】
前記各光学素子部の外縁形状は、Ｎを２以上の整数としたとき、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向の数がＮにより表される多角形状であり、
前記移動体の表示部材（９０）の前記投影面に前記拡散光束が到達するまでの光路上には、前記光学系が設けられ、
前記光学系が単独により又は前記表示部材との共同により拡大する前記拡散光束の前記各対向方向における拡大率をＭｎ（ｎ＝１〜Ｎ）、前記視認領域から前記虚像までの距離をＬ、前記視認者の眼の分解能をＲｅとしたとき、
前記格子状に配列される前記各光学素子部の前記各対向方向におけるピッチＰｎ（ｎ＝１〜Ｎ）は、以下の数式２
【数２】
0005344069.tif 000015
を満足する値であることを特徴とする請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項７】
前記各光学素子部（３２）の外縁形状は、四角形状のうち、前記各対向方向のいずれにおいても等しいピッチで配列される正方形状であることを特徴とする請求項２、３、６のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項８】
前記各光学素子部（３２、２０３２）において前記曲面の曲率半径は、前記各光学素子部により拡散されて前記視認領域の全域に亘って入射する前記光束の拡散角に基づき、設定されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項９】
前記各光学素子部の外縁形状は、Ｎを２以上の整数としたとき、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向の数がＮにより表される多角形状であり、
前記各光学素子部により拡散されて前記視認領域の前記各対向方向の幅全域に亘って入射する前記光束の拡散角をθｓｎ（ｎ＝１〜Ｎ）、前記格子状に配列される前記各光学素子部の前記各対向方向におけるピッチをＰｎ（ｎ＝１〜Ｎ）としたとき、
前記各光学素子部において前記曲面の前記各対向方向の曲率半径Ｒｎ（ｎ＝１〜Ｎ）は、以下の数式３
【数３】
0005344069.tif 000016
を満足する値であることを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１０】
前記視認領域（６０）の外縁形状は、水平方向及び垂直方向にそれぞれ幅を有する四角形状であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１１】
前記視認者の両眼による前記視認領域の外縁形状は、前記垂直方向よりも大きな幅を前記水平方向に有する横長の四角形状であることを特徴とする請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１２】
移動体（１）の投影面（９１）に表示画像（７１）を投影することにより、前記表示画像の虚像（７０）を前記移動体の室内から視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記表示画像となる光束を投射する投射器（１０）と、
前記室内において視認者が前記虚像を視認可能な領域である視認領域（６０、２０６０、３０６０）へ前記光束を導くように、当該光束を拡散するスクリーン部材（３０、２０３０）とを、備え、
前記スクリーン部材は、格子状に配列される複数の光学素子部（３２、２０３２）を有し、それら各光学素子部の表面は、入射する前記光束を拡散するように曲面（３２ａ、２０３２ａ）を形成し、
前記各光学素子部により拡散されて前記視認領域へ入射する前記光束の回折幅が２ｍｍ以下となるように、前記各光学素子部のピッチが設定されていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１３】
前記視認者の眼の分解能を、ランドルト環における切れ目の角度により表したとき、前記各光学素子部により拡散された前記光束がそれぞれ前記虚像として結像してなる虚像点のピッチを、当該分解能としての１／６０度以下とするように、前記各光学素子部のピッチが設定されていることを特徴とする請求項１２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１４】
前記各光学素子部により拡散された前記光束が前記移動体の表示部材（９０）の前記投影面に到達するまでの光路上に、当該拡散光束を拡大可能な光学系（４０）を、備え、
前記各虚像点のピッチは、前記光学系の単独により又は前記光学系と前記表示部材との共同により、前記各光学素子部のピッチに対して４〜８倍の拡大率で拡大されることを特徴とする請求項１３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１５】
前記各光学素子部のピッチは、５０〜２００μｍに設定されていることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１６】
前記視認者の両眼による前記視認領域（６０）の外縁形状は、水平方向に８０〜２００ｍｍの幅及び垂直方向に３０〜２００ｍｍの幅を有する四角形状であることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１７】
前記各光学素子部（３２）により拡散されて四角形状の前記視認領域の前記水平方向全域に亘って入射する前記光束の拡散角を１０度〜５０度、前記各光学素子部により拡散されて当該視認領域の前記垂直方向全域に亘って入射する前記光束の拡散角を５度〜５０度としたとき、前記各光学素子部における前記曲面（３２ａ）の前記水平方向及び前記垂直方向の曲率半径は、０．１ｍｍ〜２ｍｍに設定されていることを特徴とする請求項１６に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１８】
前記投射器は、単一波長レーザ光の複数色を前記光束として投射し、それら各色のレーザ光のピーク波長のうち最大波長は、６００〜６５０ｎｍの範囲に現れることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１９】
移動体（１）の表示部材（９０）に形成される投影面（９１）に表示画像（７１）を投影することにより、前記表示画像の虚像（７０）を前記移動体の室内から視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記表示画像となる光束を投射する投射器（１０）と、
前記室内の視認者が前記虚像を視認可能な領域として外縁形状が四角形状の視認領域（６０、３０６０）へ前記光束を導くように、当該光束を拡散するスクリーン部材（３０）とを、備え、
前記スクリーン部材は、入射する前記光束を前記視認領域に向けて拡散するように表面が曲面（３２ａ）を形成し、かつ外縁形状が四角形状となる光学素子部（３２）を複数有し、それら各光学素子部が格子状に配列されることにより形成されており、
前記投射器から投射される前記光束の波長をλ、前記視認者の瞳孔径をφｐ、水平方向における前記視認領域の幅をＤ１、前記水平方向に垂直な方向を垂直方向として当該垂直方向における前記視認領域の幅をＤ２、前記各光学素子部によって拡散される前記光束が前記視認領域の前記水平方向の幅Ｄ１全域に亘って入射するときの前記光束の拡散角をθｓ１、前記各光学素子部によって拡散される前記光束が前記視認領域の前記垂直方向の幅Ｄ２全域に亘って入射するときの前記光束の拡散角をθｓ２としたとき、
前記水平方向において前記各光学素子部のピッチＰ１は、以下の数式４
【数４】
0005344069.tif 000017
を満足する値であり、
前記垂直方向において前記各光学素子部のピッチＰ２は、以下の数式５
【数５】
0005344069.tif 000018
を満足する値であることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２０】
前記各光学素子部により拡散された前記光束が前記表示部材に到達するまでの光路上に、当該拡散光束を拡大可能な光学系（４０）を、備え、
前記光学系が単独により又は前記表示部材との共同により拡大する前記拡散光束の前記水平方向における拡大率をＭ１、前記光学系が単独により又は前記表示部材との共同により拡大する前記拡散光束の前記垂直方向における拡大率をＭ２、前記視認領域から前記虚像までの距離をＬ、前記視認者の眼の分解能をＲｅとしたとき、
前記水平方向において前記各光学素子部のピッチＰ１は、以下の数式６
【数６】
0005344069.tif 000019
を満足する値であり、
前記垂直方向において前記各光学素子部のピッチＰ２は、以下の数式７
【数７】
0005344069.tif 000020
を満足する値であることを特徴とする請求項１９に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２１】
前記水平方向において前記各光学素子部の前記曲面の曲率半径Ｒ１は、以下の数式８
【数８】
0005344069.tif 000021
を満足する値であり、
前記垂直方向において前記各光学素子部の前記曲面の曲率半径Ｒ２は、以下の数式９
【数９】
0005344069.tif 000022
を満足する値であることを特徴とする請求項１９又は２０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２２】
前記投射器は、前記光束としてレーザ光を投射することを特徴とする請求項１〜２１のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２３】
前記各光学素子部は、前記投光器から入射する前記光束を反射させることにより、当該光束を拡散することを特徴とする請求項１〜２２のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２４】
前記各光学素子部は、前記投光器から入射する前記光束を透過させることにより、当該光束を拡散することを特徴とする請求項１〜２２のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２５】
移動体（１）の投影面（９１）に表示画像（７１）を投影することにより、前記表示画像の虚像（７０）を前記移動体の室内から視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置において、前記室内において視認者が前記虚像を視認可能な領域を視認領域（６０、２０６０、３０６０）として、投射器（１０）から投射されて前記表示画像となる光束を前記視認領域へ導くように、当該光束を拡散するスクリーン部材であって、
格子状に配列される複数の光学素子部（３２、２０３２）を有し、それら各光学素子部の表面は、入射する前記光束を拡散するように曲面（３２ａ、２０３２ａ）を形成し、
前記各光学素子部により拡散されて前記視認領域へ入射する前記光束の回折幅が前記視認者の瞳孔径以下となるように、前記各光学素子部のピッチが設定されていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置用スクリーン部材。
【請求項２６】
表示画像（７１）の虚像（７０）を移動体（１）の室内から視認可能に表示するために、前記移動体の投影面（９１）に前記表示画像を投影する画像投影方法であって、
前記表示画像となる光束を投射する投射器（１０）と、
前記室内において視認者が前記虚像を視認可能な領域である視認領域（６０、２０６０、３０６０）へ前記光束を導くように、当該光束を拡散するスクリーン部材として、格子状に配列される複数の光学素子部（３２、２０３２）の表面は、入射する前記光束を拡散するように曲面（３２ａ、２０３２ａ）を形成するスクリーン部材（３０、２０３０）とを、用い、
所定のピッチで配列される前記各光学素子部により拡散されて前記視認領域へ入射する前記光束の回折幅を、前記視認者の瞳孔径以下に調整することを特徴とする画像投影方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等の移動体の投影面に表示画像を投影することにより、当該表示画像の虚像を移動体の室内から視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、表示画像となる光束をスクリーン部材で拡散して、拡散された当該光束を移動体の投影面に投影することにより、表示画像の虚像表示を実現するヘッドアップディスプレイ装置（以下、「ＨＵＤ装置」という）が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１〜３に開示されるＨＵＤ装置のスクリーン部材は、入射光束を透過又は反射により拡散する微小な光学素子部を、格子状に複数並べた光学部材である。ここで光学素子部は、透過の場合にはマイクロレンズ、また反射の場合にはマイクロミラーと一般に呼ばれており、その外縁形状は、特許文献１では円形、特許文献２では六方稠密状、特許文献３では四角形状（矩形状）となっている。
【０００４】
こうしたスクリーン部材の光学素子部は、特許文献１〜３では表面が曲面となっており、入射した光束を当該曲面によって所定の拡散角で拡散する。その結果、光学素子部から所定の拡散角で拡散して投影面に投影される表示画像の光束は、移動体の室内において視認者の眼の周囲に導かれる。このとき、光学素子部から拡散する光束の形状は、当該光学素子部の外縁形状に対応した形状となる。これにより、視認者の眼の周囲において光束が導かれる領域の形状も、光学素子部の外縁形状に対応した形状となるので、当該導光領域内では、視認者のアイポイントが移動しても表示画像の虚像の視認が可能となる。即ち、この導光領域が、移動体室内の視認者により表示画像の虚像を視認可能とする視認領域となる。
【０００５】
さて、特許文献３には、各光学素子部の幅及び高さを変えることにより、幅方向の拡散光の拡がり角と高さ方向の拡散光の拡がり角とを個別に制御可能となることが、記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１２８６５９号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４５７４６号公報
【特許文献３】特開平７−２７０７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、本発明者らは、各光学素子部の幅と高さとを実際に変えてみた。その結果、所定の幅と高さとの関係では、乗員が認識する表示画像の虚像にぼやけが発生してしまうという現象を、発見したのである。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記ぼやけの発生を抑制することができるＨＵＤ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、鋭意研究を行ったところ、表示画像の虚像がぼやける現象は、視認領域へと入射する光束の回折幅が所定の値をとることを境に顕著となることが、判明した。さらに、ぼやけの発生現象が所定の値を境に顕著となる理由について、検討を重ねたところ、表示画像の虚像がぼやける現象は、各光学素子部で拡散された回折光のピーク値が視認者の瞳孔に入ったり入らなかったりすることに起因して発生する輝度ムラが原因であり、上記所定の値は視認者の瞳孔径であることが、判明したのである（例えば、図１３（ａ）、（ｂ）参照）。
【００１０】
そこで、本発明は、移動体（１）の投影面（９１）に表示画像（７１）を投影することにより、表示画像の虚像（７０）を移動体の室内から視認可能に表示するＨＵＤ装置であって、表示画像となる光束を投射する投射器（１０）と、室内において視認者が虚像を視認可能な領域である視認領域（６０、２０６０、３０６０）へ光束を導くように、当該光束を拡散するスクリーン部材（３０、２０３０）とを、備え、スクリーン部材は、格子状に配列される複数の光学素子部（３２、２０３２）を有し、それら各光学素子部の表面は、入射する光束を拡散するように曲面（３２ａ、２０３２ａ）を形成し、各光学素子部により拡散されて視認領域へ入射する光束の回折幅が視認者の瞳孔径以下となるように、各光学素子部のピッチが設定されていることを特徴とする。
【００１１】
このような本発明のスクリーン部材によると、格子状配列の各光学素子部で拡散されて視認領域へと入射する光束の回折幅は、それら各光学素子部のピッチ設定により、視認者の瞳孔径以下となる。これにより、各光学素子部で拡散された回折光のピーク値を、視認者のアイポイントの移動に拘らず瞳孔に入れることができる。その結果、瞳孔径以下の回折幅にて隣接する隣接次数の回折光（例えば０次光と１次光等）について、各回折光の入射箇所とその間とでアイポイントが移動しても、入射光量の変化が抑えられることになるので、視認者の感じる輝度にムラが生じ難くなる。故に視認領域では、表示画像となる光束が入射することで視認される虚像のぼやけを、抑制できるのである。
【００１２】
また、本発明のさらなる特徴では、各光学素子部の外縁形状と視認領域の外縁形状とは、Ｎを２以上の整数としたとき、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向の数がＮにより表される範囲において互いに対応する多角形状であり、投射器から投射される光束の波長をλ、瞳孔径をφｐ、視認領域の各対向方向の幅をＤｎ（ｎ＝１〜Ｎ）、各光学素子部により拡散されて視認領域の各対向方向の幅全域に亘って入射する光束の拡散角をθｓｎ（ｎ＝１〜Ｎ）としたとき、格子状に配列される各光学素子部の各対向方向におけるピッチＰｎ（ｎ＝１〜Ｎ）は、以下の数式１
【数１】
0005344069.tif 000002
を満足する値である。
【００１３】
このような特徴によると、各光学素子部と視認領域とは、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向（以下、解決手段の欄では、単に「対向方向」ともいう）の数がＮにより表される範囲において互いに対応する多角形状を、それぞれ外縁に有する。そこで各対向方向では、各光学素子部による拡散光束を、対応する視認領域の幅Ｄｎ全域へと入射させるように、各光学素子部の拡散角θｓｎを設定する。これにより、隣接次数の回折光が視認領域へ入射したときの回折幅は、幅Ｄｎ×回折角／拡散角θｓｎの乗除演算式にて各対向方向毎に表されることとなる。
【００１４】
ここで各対向方向において、ピッチＰｎの格子状に配列される光学素子部に波長λの光束が入射されるときには、当該光学素子部により拡散されて視認領域へと向かう隣接次数の回折光間の回折角は、波長λ／ピッチＰｎを引数とする逆正弦関数式にて表される。そしてこのとき、いずれかの対向方向において回折幅が瞳孔径φｐを超えていると、各回折光の入射箇所では、視認者の感じる輝度が明るくなるが、それら回折光と回折光との間では、視認者の感じる輝度が暗くなる。したがって、このとき視認者は、虚像にぼやけが発生したと認識するおそれがある。
【００１５】
そこで、上記逆正弦関数式で表される回折角が上記乗除演算式に代入されて求められる回折幅を、瞳孔径φｐ以下とするように、数式１を満足させるピッチＰｎを、各対向方向毎に設定する。これにより、各回折光の入射箇所とその間とで視認者の感じる輝度には、明暗のムラが生じ難くなるので、虚像にぼやけが発生したと視認者が認識する事態を、抑制できるのである。
【００１６】
なお、瞳孔径φｐとしては、健常な視認者の眼の瞳孔径のうち、例えば移動体室内への太陽光の入射により瞳孔周囲の光量が増大する昼間の瞳孔径の他、当該昼間に対する光量の減少により瞳孔が大きくなる夜間の瞳孔径等を、採用可能である。
【００１７】
また、本発明のさらなる特徴では、投射器は、単一波長レーザ光の複数色を光束として投射し、波長λは、それら各色のレーザ光のピーク波長のうち最大波長である。
【００１８】
このような特徴によると、各光学素子部で拡散されて視認領域へと入射する複数色の単一波長レーザ光については、ピーク波長を中心とする波長幅が限りなく小さいことから、各回折光の入射箇所とその間とで輝度ムラが生じる従来構成の場合には、当該輝度ムラが顕著となる。しかし、各色レーザ光のピーク波長のうち最大波長が数式１の波長λであることによれば、全色レーザ光についての回折幅が瞳孔径φｐ以下に抑えられて、視認者の感じる輝度ムラが確実に生じ難くなる。故に、表示画像となる光束として、従来では虚像のぼやけを誘引し易い単一波長レーザ光の利用にあっても、当該ぼやけの抑制を達成できるのである。
【００１９】
さて、視認領域での虚像のぼやけを抑制するように各光学素子部のピッチを設定した場合、当該設定ピッチが大きくなると、各光学素子部による拡散光束がそれぞれ虚像として結像してなる虚像点のピッチも、同様に大きくなる。こうした知見の下、本発明者らの鋭意研究の成果によると、各虚像点のピッチが視認者の眼の分解能を超えた場合、各光学素子部の外縁形状は、互いに分離した虚像として視認されてしまうことが、見出されたのである。なお、ここで眼の分解能とは、前方に存在する二点を視認者が個別の点として認識可能となる範囲において、それら各点と視認者の眼とを結ぶ線分間の角度のうち、最小角度により表される。
【００２０】
そこで、本発明のさらなる特徴では、各光学素子部により拡散された光束がそれぞれ虚像として結像してなる虚像点（７２）のピッチを、視認者の眼の分解能以下とするように、各光学素子部のピッチが設定されている。
【００２１】
このような特徴によると、各光学素子部の拡散光束が結像してなる虚像点のピッチは、それら各光学素子部のピッチの設定により、視認者の眼の分解能以下となる。その結果、視認領域では、各光学素子部の外縁形状が互いに分離した虚像として視認され難くなる。故に、各光学素子部の外縁形状が分離視認されることに起因して虚像の表示品質が低下する事態を、抑制できるのである。
【００２２】
また、本発明のさらなる特徴では、各光学素子部により拡散された光束が投影面に到達するまでの光路上に、当該拡散光束を拡大可能な光学系（４０）を、備え、各虚像点のピッチは、光学系により、各光学素子部のピッチに対して拡大される。
【００２３】
このような特徴によると、各光学素子部の拡散光束が投影面に到達するまでの光路上にて光学系は、各虚像点のピッチを各光学素子部のピッチに対して拡大させることになる。しかし、拡大される各虚像点のピッチであっても、視認者の眼の分解能以下となるので、各光学素子部の外縁形状は分離視認され難くなる。したがって、各光学素子部の外縁形状が分離視認されることに起因して虚像の表示品質が低下する事態を、拡散光束の拡大作用に拘らずに抑制できる。
【００２４】
また、本発明のさらなる特徴では、各光学素子部の外縁形状は、Ｎを２以上の整数としたとき、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向の数がＮにより表される多角形状であり、移動体の表示部材（９０）の投影面に拡散光束が到達するまでの光路上には、光学系が設けられ、光学系が単独により又は表示部材との共同により拡大する拡散光束の各対向方向における拡大率をＭｎ（ｎ＝１〜Ｎ）、視認領域から虚像までの距離をＬ、視認者の眼の分解能をＲｅとしたとき、格子状に配列される各光学素子部の各対向方向におけるピッチＰｎ（ｎ＝１〜Ｎ）は、以下の数式２
【数２】
0005344069.tif 000003
を満足する値である。
【００２５】
このような特徴によると、各光学素子部は、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向の数がＮにより表される多角形状を、外縁に有する。ここで各対向方向においては、光学系単独又は光学系及び表示部材の共同により各虚像点のピッチが、各光学素子部のピッチＰｎに対する拡大率Ｍｎにて拡大されることになる。そこで、視認領域から距離Ｌにある虚像の各虚像点では、ピッチＰｎ×拡大率Ｍｎにて表されるピッチを、眼の分解能Ｒｅ以下とするように、数式２を満足させるピッチＰｎを、各対向方向毎に設定する。このとき、距離Ｌ、拡大率Ｍｎ及び分解能Ｒｅはいずれも、予設定されて数式２に代入されることで、ピッチＰｎの上限値設定を実現し得る。故に、各光学素子部の外縁形状が分離視認されることに起因して虚像の表示品質が低下する事態を、拡散光束の拡大作用に拘らずに抑制できる。
【００２６】
また、本発明のさらなる特徴では、各光学素子部（３２、２０３２）において曲面の曲率半径は、各光学素子部により拡散されて視認領域の全域に亘って入射する光束の拡散角に基づき、設定されている。
【００２７】
このような特徴によると、虚像のぼやけを抑制するようにピッチの設定された各光学素子部では、それぞれの素子部による拡散光束を視認領域の全域へと入射させる拡散角に対して、曲面の曲率半径が一義的に決まる。そこで、各光学素子部の拡散角に基づくことによれば、ぼやけの抑制機能を損なわない曲率半径を設定できるのである。
【００２８】
また、本発明のさらなる特徴では、各光学素子部の外縁形状は、Ｎを２以上の整数としたとき、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向の数がＮにより表される多角形状であり、各光学素子部により拡散されて視認領域の各対向方向の幅全域に亘って入射する光束の拡散角をθｓｎ（ｎ＝１〜Ｎ）、格子状に配列される各光学素子部の各対向方向におけるピッチをＰｎ（ｎ＝１〜Ｎ）としたとき、各光学素子部において曲面の各対向方向の曲率半径Ｒｎ（ｎ＝１〜Ｎ）は、以下の数式３
【数３】
0005344069.tif 000004
を満足する値である。
【００２９】
このような特徴によると、各光学素子部は、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向の数がＮにより表される多角形状を、外縁に有する。ここで各対向方向においては、ピッチＰｎの設定された各光学素子部に関して、拡散光束を視認領域全域に入射させる拡散角θｓｎと共に、曲面の曲率半径Ｒｎが数式３を満足する値となることで、虚像のぼやけの抑制が可能となる。故に、数式３に基づくことによれば、ぼやけの抑制機能を損なわない曲率半径Ｒｎを、各対向方向毎に設定できるのである。
【００３０】
さて、上記瞳孔径に相当する所定の値は、好ましくは、視認者の昼間における最小瞳孔径を代表値として、選定することができる。そこで、本発明は、移動体（１）の投影面（９１）に表示画像（７１）を投影することにより、表示画像の虚像（７０）を移動体の室内から視認可能に表示するＨＵＤ装置であって、表示画像となる光束を投射する投射器（１０）と、室内において視認者が虚像を視認可能な領域である視認領域（６０、２０６０、３０６０）へ光束を導くように、当該光束を拡散するスクリーン部材（３０、２０３０）とを、備え、スクリーン部材は、格子状に配列される複数の光学素子部（３２、２０３２）を有し、それら各光学素子部の表面は、入射する光束を拡散するように曲面（３２ａ、２０３２ａ）を形成し、各光学素子部により拡散されて視認領域へ入射する光束の回折幅が２ｍｍ以下となるように、各光学素子部のピッチが設定されていることを特徴とする。
【００３１】
このような本発明のスクリーン部材によると、格子状配列の各光学素子部で拡散されて視認領域へと入射する光束の回折幅は、それら各光学素子部のピッチ設定により、２ｍｍ以下となる。これにより、各光学素子部で拡散された回折光のピーク値を、視認者のアイポイントの移動に拘らず瞳孔に入れることができる。その結果、２ｍｍ以下の回折幅にて隣接する隣接次数の回折光について、各回折光の入射箇所とその間とでアイポイントが移動しても、入射光量の変化が抑えられることになるので、視認者の感じる輝度にムラが生じ難くなる。故に視認領域では、表示画像となる光束が入射することで視認される虚像のぼやけを、抑制できるのである。
【００３２】
さらに本発明は、移動体（１）の表示部材（９０）に形成される投影面（９１）に表示画像（７１）を投影することにより、表示画像の虚像（７０）を移動体の室内から視認可能に表示するＨＵＤ装置であって、表示画像となる光束を投射する投射器（１０）と、室内の視認者が虚像を視認可能な領域として外縁形状が四角形状の視認領域（６０、３０６０）へ光束を導くように、当該光束を拡散するスクリーン部材（３０）とを、備え、スクリーン部材は、入射する光束を視認領域に向けて拡散するように表面が曲面（３２ａ）を形成し、かつ外縁形状が四角形状となる光学素子部（３２）を複数有し、それら各光学素子部が格子状に配列されることにより形成されており、投射器から投射される光束の波長をλ、視認者の瞳孔径をφｐ、水平方向における視認領域の幅をＤ１、水平方向に垂直な方向を垂直方向として当該垂直方向における視認領域の幅をＤ２、各光学素子部によって拡散される光束が視認領域の水平方向の幅Ｄ１全域に亘って入射するときの光束の拡散角をθｓ１、各光学素子部によって拡散される光束が視認領域の垂直方向の幅Ｄ２全域に亘って入射するときの光束の拡散角をθｓ２としたとき、水平方向において各光学素子部のピッチＰ１は、以下の数式４
【数４】
0005344069.tif 000005
を満足する値であり、垂直方向において各光学素子部のピッチＰ２は、以下の数式５
【数５】
0005344069.tif 000006
を満足する値であることを特徴とする。
【００３３】
このような本発明のスクリーン部材によると、各光学素子部と視認領域とは、互いに対応する四角形状を、それぞれ外縁に有する。そこで、四角形状の水平方向では、各光学素子部による拡散光束を、対応する視認領域の幅Ｄ１全域に入射させるように、各光学素子部の拡散角θｓ１を設定する。これにより水平方向では、隣接次数の回折光が視認領域へ入射したときのそれら回折光の間隔である回折幅は、水平方向の幅Ｄ１×水平方向の回折角／水平方向の拡散角θｓ１という乗除演算式にて表される。また、四角形状において水平方向に垂直な垂直方向では、各光学素子部による拡散光束を、対応する視認領域の幅Ｄ２全域に入射させるように、各光学素子部の拡散角θｓ２を設定する。これにより垂直方向では、隣接次数の回折光が視認領域へ入射したときのそれら回折光の間隔である回折幅は、垂直方向の幅Ｄ２×垂直方向の回折角／垂直方向の拡散角θｓ２という乗除演算式にて表される。
【００３４】
ここで水平方向では、ピッチＰ１の格子状に配列される光学素子部に波長λの光束が入射されるとき、当該光学素子部により拡散されて視認領域へと向かう隣接次数の回折光間の回折角は、波長λ／ピッチＰ１を引数とする逆正弦関数式にて表される。また垂直方向では、ピッチＰ２の格子状に配列される光学素子部に波長λの光束が入射されるとき、当該光学素子部により拡散されて視認領域へと向かう隣接次数の回折光間の回折角は、波長λ／ピッチＰ２の逆正弦関数式にて表される。そして、こうした水平方向及び垂直方向のいずれかにおいて、視認領域への入射光束の回折幅が視認者の瞳孔径φｐを超えていると、各回折光の入射箇所では、視認者の感じる輝度が明るくなるが、それら回折光と回折光との間では、視認者の感じる輝度が暗くなる。したがって、このとき視認者は、虚像にぼやけが発生したと認識するおそれがある。
【００３５】
そこで水平方向では、前者の逆正弦関数式で表される回折角が前者の乗除演算式に代入されて求められる回折幅を、瞳孔径φｐ以下とするように、数式４を満足させるピッチＰ１を設定する。また垂直方向では、後者の逆正弦関数式にて表される回折角が後者の乗除演算式に代入されて求められる回折幅を、瞳孔径φｐ以下とするように、数式５を満足させるピッチＰ２を設定する。これらピッチＰ１、Ｐ２の設定により、各光学素子部で拡散された回折光のピーク値を、視認者のアイポイントの移動に拘らず瞳孔に入れることができる。その結果、各回折光の入射箇所とその間とで視認者の感じる輝度には、明暗のムラが生じ難くなるので、虚像にぼやけが発生したと視認者が認識する事態を、抑制できるのである。
【００３６】
なお、瞳孔径φｐについては、先に説明した発明と同様に、健常な視認者の眼の瞳孔径のうち、例えば昼間の瞳孔径の他、夜間の瞳孔径等に設定可能である。
【００３７】
上述した数式４、５に従う場合、虚像のぼやけを抑制するためにピッチＰ１、Ｐ２を設定することになるが、それら設定ピッチＰ１、Ｐ２が大きくなると、各光学素子部による拡散光束がそれぞれ結像してなる虚像点のピッチも、同様に大きくなる。こうした知見の下、本発明者らの鋭意研究の成果によると、各虚像点のピッチが視認者の眼の分解能を超えた場合、各光学素子部の外縁形状は、互いに分離した虚像として視認されることが、見出されたのである。特に、各光学素子部による拡散光束の光路上に光学系が設けられている場合、光学系単独又は光学系及び表示部材の共同により拡大される各虚像点のピッチは、視認者の眼の分解能を超えて各光学素子部の外縁形状を分離視認させ易くする。なお、ここで眼の分解能とは、先に説明した発明と同様に、前方に存在する二点を視認者が個別の点として認識可能となる範囲にて、それら各点と視認者の眼とを結ぶ線分間の最小角度で表される。
【００３８】
そこで、本発明のさらなる特徴では、各光学素子部により拡散された光束が表示部材に到達するまでの光路上に、当該拡散光束を拡大可能な光学系（４０）を、備え、光学系が単独により又は表示部材との共同により拡大する拡散光束の水平方向における拡大率をＭ１、光学系が単独により又は表示部材との共同により拡大する拡散光束の垂直方向における拡大率をＭ２、視認領域から虚像までの距離をＬ、視認者の眼の分解能をＲｅとしたとき、水平方向において各光学素子部のピッチＰ１は、以下の数式６
【数６】
0005344069.tif 000007
を満足する値であり、垂直方向において各光学素子部のピッチＰ２は、以下の数式７
【数７】
0005344069.tif 000008
を満足する値である。
【００３９】
このような特徴によると、各光学素子部による拡散光束が虚像として結像してなる虚像点のピッチは、光学系単独又は光学系及び表示部材の共同により水平方向では、各光学素子部のピッチＰ１に対する拡大率Ｍ１にて拡大される。そこで、視認領域から距離Ｌにある虚像の各虚像点では、ピッチＰ１×拡大率Ｍ１にて表される各虚像点のピッチを視認者の眼の分解能Ｒｅ以下とするように、数式６を満足させるピッチＰ１を設定する。このとき、距離Ｌ、拡大率Ｍ１及び分解能Ｒｅはいずれも、予設定されて数式６に代入されることで、ピッチＰ１の上限値設定を実現し得る。
【００４０】
また、各光学素子部により拡散された光束が虚像として結像してなる虚像点のピッチは、光学系単独又は光学系及び表示部材の共同により垂直方向では、各光学素子部のピッチＰ２に対する拡大率Ｍ２にて拡大される。そこで、視認領域から距離Ｌにある虚像の各虚像点では、ピッチＰ２×拡大率Ｍ２にて表される各虚像点のピッチを視認者の眼の分解能Ｒｅ以下とするように、数式７を満足させるピッチＰ２を設定する。このとき、距離Ｌ、拡大率Ｍ２及び分解能Ｒｅはいずれも、予設定されて数式７に代入されることで、ピッチＰ２の上限値設定を実現し得る。
【００４１】
以上によれば、各光学素子部の外縁形状が互いに分離した虚像として視認され難くなるので、虚像の表示品質の低下を抑制できるのである。
【００４２】
上述した数式４〜７のうち、少なくとも数式４、５に従ってピッチＰ１、Ｐ２の設定された各光学素子部に関して、拡散角θｓ１、θｓ２での拡散光束を視認領域の全域に現実に入射させるには、それら各光学素子部の曲面の曲率半径を求める必要がある。
【００４３】
そこで、本発明のさらなる特徴では、水平方向において各光学素子部の曲面の曲率半径Ｒ１は、以下の数式８
【数８】
0005344069.tif 000009
を満足する値であり、垂直方向において各光学素子部の曲面の曲率半径Ｒ２は、以下の数式９
【数９】
0005344069.tif 000010
を満足する値である。
【００４４】
このような特徴によると、水平方向では、ピッチＰ１の設定された各光学素子部に関して、拡散光束を視認領域全域に入射させる拡散角θｓ１と共に、曲面の曲率半径Ｒ１が数式８を満足する値となることで、虚像のぼやけの抑制が可能となる。故に、数式８に基づくことによれば、ぼやけの抑制機能を損なわない曲率半径Ｒ１を、水平方向において設定できる。また垂直方向では、ピッチＰ２の設定された各光学素子部に関して、拡散光束を視認領域全域に入射させる拡散角θｓ２と共に、曲面の曲率半径Ｒ２が数式９を満足する値となることで、虚像のぼやけの抑制が可能となる。故に、数式９に基づくことによれば、ぼやけの抑制機能を損なわない曲率半径Ｒ２を、垂直方向においても設定できるのである。
【００４５】
さて、本発明は、移動体（１）の投影面（９１）に表示画像（７１）を投影することにより、表示画像の虚像（７０）を移動体の室内から視認可能に表示するＨＵＤ装置において、室内において視認者が虚像を視認可能な領域を視認領域（６０、２０６０、３０６０）として、投射器（１０）から投射されて表示画像となる光束を視認領域へ導くように、当該光束を拡散するスクリーン部材であって、格子状に配列される複数の光学素子部（３２、２０３２）を有し、それら各光学素子部の表面は、入射する光束を拡散するように曲面（３２ａ、２０３２ａ）を形成し、各光学素子部により拡散されて視認領域へ入射する光束の回折幅が視認者の瞳孔径以下となるように、各光学素子部のピッチが設定されていることを特徴とする。
【００４６】
このような本発明としてのＨＵＤ装置用スクリーン部材によると、格子状配列の各光学素子部で拡散されて視認領域へと入射する光束の回折幅は、それら各光学素子部のピッチ設定により、視認者の瞳孔径以下となる。これにより、各光学素子部で拡散された回折光のピーク値を、視認者のアイポイントの移動に拘らず瞳孔に入れることができる。その結果、瞳孔径以下の回折幅にて隣接する隣接次数の回折光について、各回折光の入射箇所とその間とでアイポイントが移動しても、入射光量の変化が抑えられることになるので、視認者の感じる輝度にムラが生じ難くなる。故に視認領域では、表示画像となる光束が入射することで視認される虚像のぼやけを、抑制できるのである。
【００４７】
さらに本発明は、表示画像（７１）の虚像（７０）を移動体（１）の室内から視認可能に表示するために、前記移動体の投影面（９１）に前記表示画像を投影する画像投影方法であって、表示画像となる光束を投射する投射器（１０）と、室内において視認者が虚像を視認可能な領域である視認領域（６０、２０６０、３０６０）へ光束を導くように、当該光束を拡散するスクリーン部材として、格子状に配列される複数の光学素子部（３２、２０３２）の表面は、入射する光束を拡散するように曲面（３２ａ、２０３２ａ）を形成するスクリーン部材（３０、２０３０）とを、用い、所定のピッチで配列される各光学素子部により拡散されて視認領域へ入射する光束の回折幅を、視認者の瞳孔径以下に調整することを特徴とする。
【００４８】
このような本発明としての画像投影方法によると、格子状配列のうち所定ピッチ配列の各光学素子部で拡散されて視認領域へと入射する光束の回折幅は、視認者の瞳孔径以下となる。これにより、各光学素子部で拡散された回折光のピーク値を、視認者のアイポイントの移動に拘らず瞳孔に入れることができる。その結果、瞳孔径以下の回折幅にて隣接する隣接次数の回折光について、各回折光の入射箇所とその間とでアイポイントが移動しても、入射光量の変化が抑えられることになるので、視認者の感じる輝度にムラが生じ難くなる。故に視認領域では、表示画像となる光束が入射することで視認される虚像のぼやけを、抑制できるのである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１実施形態によるＨＵＤ装置の車両への搭載状態を示す模式図である。
【図２】第１実施形態によるＨＵＤ装置の構成を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態によるＨＵＤ装置の表示状態を示す正面図である。
【図４】第１実施形態によるＨＵＤ装置の構成を示す模式図である。
【図５】第１実施形態によるスクリーン部材の構成例（ａ）、（ｂ）を示す部分正面図である。
【図６】第１実施形態によるスクリーン部材を部分的に示す斜視図である。
【図７】図６のVII−VII線断面図である。
【図８】図６のVIII−VIII線断面図である。
【図９】第１実施形態による視認領域を拡大して示す模式図である。
【図１０】図７、８の各光学素子部の拡散角と、各光学素子部による光束の反射強度との関係について、一例を示すグラフである。
【図１１】図７、８の各光学素子部の拡散角と、各光学素子部による光束の反射強度との関係について、別の例を示すグラフである。
【図１２】第１実施形態による設計原理を説明するための模式図である。
【図１３】第１実施形態に対する比較例の課題を説明するための模式図である。
【図１４】図１３の比較例に対する第１実施形態の特徴を説明するための模式図である。
【図１５】第１実施形態に対する比較例の課題を説明するための模式図である。
【図１６】図１５の比較例に対する第１実施形態の特徴を説明するための模式図である。
【図１７】第１実施形態による設計原理を説明するための模式図である
【図１８】第１実施形態による設計原理を説明するための模式図である。
【図１９】第１実施形態による設計原理を説明するための模式図である。
【図２０】第２実施形態によるスクリーン部材の構成例を示す部分正面図である。
【図２１】第２実施形態による設計原理を説明するための模式図である。
【図２２】第２実施形態による設計原理を説明するための模式図である
【図２３】第２実施形態による設計原理を説明するための模式図である
【図２４】第２実施形態による視認領域を拡大して示す模式図である。
【図２５】図９の変形例を示す模式図である。
【図２６】図２の変形例を示す正面図である。
【図２７】図２の変形例を示す正面図である。
【図２８】図４の変形例を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。
【００５１】
（第１実施形態）
図１に示すように、本発明の第１実施形態によるＨＵＤ装置１００は、「移動体」としての車両１に搭載され、インストルメントパネル８０内に収容されている。ＨＵＤ装置１００は、車両１の「表示部材」であるウインドシールド９０へ表示画像７１を投影する。ここで車両１において、ウインドシールド９０の室内側の面は、表示画像７１が投影される投影面９１を、湾曲する凹面状又は平坦な平面状等に形成している。また、車両１においてウインドシールド９０は、室内側の面と室外側の面とで、光路差を抑制するための角度差を有するものであってもよいし、あるいは当該光路差抑制のために蒸着膜乃至はフィルム等を室内側の面に設けたものであってもよい。
【００５２】
こうしてウインドシールド９０の投影面９１に対して表示画像７１の光束が投影されると、車両１の室内では、当該投影面９１により反射した光束が視認者のアイポイント６１に到達する。視認者は、アイポイント６１への到達光束を知覚することで、ウインドシールド９０の前方に結像された表示画像７１の虚像７０を、視認可能となる。このとき虚像７０の視認は、図２に示す視認者の視認領域６０内に、アイポイント６１が位置するときに限られる。換言すれば、アイポイント６１が視認領域６０から外れている場合には、視認者による虚像７０の視認が困難となる。
【００５３】
以上、投影面９１への表示画像７１の投影によりＨＵＤ装置１００は、表示画像７１の虚像７０を、図３に示すように車両１の室内から視認可能に表示するのである。なお、表示画像７１の虚像７０としては、例えば図３の如く、車両１の走行速度の指示表示７０ａや、ナビゲーションシステムによる車両１の進行方向の指示表示７０ｂ、車両１に関するウォーニング表示７０ｃが、表示される。
【００５４】
（基本構成）
このような虚像７０の表示機能を実現するＨＵＤ装置１００の基本構成を、以下に詳細に説明する。ＨＵＤ装置１００は、図１に示すように、レーザスキャナ１０、コントローラ２９、スクリーン部材３０及び光学系４０を、ハウジング５０内に備えている。
【００５５】
図４に示すように、「投射器」であるレーザスキャナ１０は、光源部１３、導光部２０、微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems；ＭＥＭＳ）２６を有している。
【００５６】
光源部１３は、三つのレーザ投射部１４、１５、１６等から構成されている。各レーザ投射部１４、１５、１６は、コントローラ２９と電気的に接続されている。各レーザ投射部１４、１５、１６は、コントローラ２９からの制御信号に従って、互いに異なる色相の単一波長レーザ光をそれぞれ投射する。具体的にレーザ投射部１４は、例えばピーク波長が６００〜６５０ｎｍの範囲、好ましくは６４０ｎｍである赤色のレーザ光を、投射する。レーザ投射部１５は、例えばピーク波長が４３０〜４７０ｎｍの範囲、好ましくは４５０ｎｍである青色のレーザ光を、投射する。レーザ投射部１６は、例えばピーク波長が４９０〜５３０ｎｍの範囲、好ましくは５１５ｎｍである緑色のレーザ光を、投射する。このように各レーザ投射部１４、１５、１６から投射される三色のレーザ光を加色混合することで、種々の色の再現が可能となる。
【００５７】
導光部２０は、三つのコリメートレンズ２１、ダイクロイックフィルタ２２、２３、２４及び集光レンズ２５等から構成されている。各コリメートレンズ２１は、それぞれ対応するレーザ投射部１４、１５、１６に対して、レーザ光の投射側に例えば０．５ｍｍの間隔をあけて配置されている。各コリメートレンズ２１は、対応するレーザ投射部１４、１５、１６からのレーザ光を屈折させることにより、当該レーザ光を平行光にコリメートする。
【００５８】
各ダイクロイックフィルタ２２、２３、２４は、それぞれ対応するコリメートレンズ２１に対して、各レーザ投射部１４、１５、１６の投射側に例えば４ｍｍの間隔をあけて配置されている。各ダイクロイックフィルタ２２、２３、２４は、対応するコリメートレンズ２１を通過したレーザ光のうち、特定波長のレーザ光を反射し且つそれ以外の波長のレーザ光を透過する。具体的には、レーザ投射部１４の投射側に配置されるダイクロイックフィルタ２２は、赤色のレーザ光を透過し、それ以外の色のレーザ光を反射する。レーザ投射部１５の投射側に配置されるダイクロイックフィルタ２３は、青色のレーザ光を反射し、それ以外の色のレーザ光を透過する。レーザ投射部１６の投射側に配置されるダイクロイックフィルタ２４は、緑色のレーザ光を反射し、それ以外の色のレーザ光を透過する。
【００５９】
ここで、ダイクロイックフィルタ２４による緑色レーザ光の反射側には、ダイクロイックフィルタ２３が例えば６ｍｍの間隔をあけて配置されている。また、ダイクロイックフィルタ２３による青色レーザ光の反射側且つ緑色レーザ光の透過側には、ダイクロイックフィルタ２２が例えば６ｍｍの間隔をあけて配置されている。さらに、ダイクロイックフィルタ２３の赤色レーザ光の透過側且つ青色レーザ光及び緑色レーザ光の反射側には、集光レンズ２５が例えば４ｍｍの間隔をあけて配置されている。これら配置形態により本実施形態では、ダイクロイックフィルタ２２を透過した赤色のレーザ光と、ダイクロイックフィルタ２３、２４によりそれぞれ反射された後にダイクロイックフィルタ２２により反射された青色及び緑色のレーザ光が、集光レンズ２５へと入射されて混色される。
【００６０】
集光レンズ２５は、平面状の入射面及び凸面状の出射面を有する平凸レンズである。集光レンズ２５は、入射面へ入射したレーザ光の屈折より、当該入射光を集束させる。その結果、集光レンズ２５を通過したレーザ光は、ＭＥＭＳ２６に向かって出射される。
【００６１】
ＭＥＭＳ２６は、水平スキャナ２７、鉛直スキャナ２８及び駆動部（図示しない）等から構成されている。水平スキャナ２７において、中心部が集光レンズ２５に対して例えば５ｍｍの間隔をあけて対向する面には、アルミニウムの金属蒸着等により、薄膜状の反射面２７ｂが形成されている。水平スキャナ２７は、車両１における鉛直方向の回転軸２７ａまわりに回転可能となっている。一方、鉛直スキャナ２８において、中心部が水平スキャナ２７に対して例えば１ｍｍの間隔をあけて対向する面には、アルミニウムの金属蒸着等により、薄膜状の反射面２８ｂが形成されている。鉛直スキャナ２８は、車両１における水平方向の回転軸２８ａまわりに回転可能となっている。ＭＥＭＳ２６の駆動部は、電気的に接続されたコントローラ２９からの駆動信号に従って、水平スキャナ２７及び鉛直スキャナ２８をそれぞれ個別に回転駆動する。
【００６２】
ここで、レーザスキャナ１０の最終段を構成する鉛直スキャナ２８の中心部は、スクリーン部材３０の走査面３１に対して、例えば１００ｍｍの間隔をあけて配置されている。こうした配置形態の本実施形態では、集光レンズ２５から入射して各スキャナ２７、２８の反射面２７ｂ、２８ｂで順次反射されたレーザ光が、表示画像７１となる光束としてスクリーン部材３０に投射される。
【００６３】
コントローラ２９は、プロセッサ等から構成される制御回路である。コントローラ２９は、各レーザ投射部１４、１５、１６に制御信号を出力することにより、レーザ光を断続的にパルス投射する。それと共に、コントローラ２９は、ＭＥＭＳ２６の駆動部に駆動信号を出力することにより、走査面３１に対するレーザ光の投射方向を、複数の走査線ＳＬに沿った図４の矢印方向へ順次変化させる。以上の制御の結果、レーザ光により走査される走査面３１にて図５の如くスポット状に発光する領域３３が移動していくことで、表示画像７１が描画されることになる。こうして走査面３１に描画される表示画像７１は、例えば、水平方向ｘに４８０画素且つ垂直方向ｙに２４０画素を有する画像として、走査面３１に毎秒６０フレーム描画される。
【００６４】
図５、６に示すようにスクリーン部材３０は、樹脂基材乃至はガラス基材の表面にアルミニウムを蒸着させること等により形成された、反射型のスクリーンである。スクリーン部材３０は、車両１においてレーザスキャナ１０よりも上方に配置されている（図１、２参照）。スクリーン部材３０において走査面３１は、当該部材３０表面へのアルミニウムの金属蒸着等により、薄膜状に形成されている。走査面３１には、レーザスキャナ１０からの光束としてレーザ光が投射されることで、表示画像７１が描画される。
【００６５】
ここで走査面３１には、水平方向ｘ及び垂直方向ｙにて格子状に配置されるマイクロミラーとして、複数の光学素子部３２が形成されている。各光学素子部３２は、スクリーン部材３０において全て一体物として形成されているが、別体に形成されてスクリーン部材３０の本体に保持されていてもよい。こうした各光学素子部３２は、走査面３１に投射されたレーザ光の光束を反射することで、当該光束を所定の角度で拡散させる。また、表示画像７１の各構成画素に対して各光学素子部３２が１対１にて対応する本実施形態では、レーザ光がスポット状に入射する図５の領域３３内に少なくとも一つの光学素子部３２が収まるように、図４の走査線ＳＬがコントローラ２９によって制御される。なお、レーザ光が投射される領域３３の直径φａは、後に詳述する各光学素子部３２のピッチを考慮して、例えば７０〜４００μｍの範囲に設定される。
【００６６】
図１、２に示すように光学系４０は、凹面鏡４２及び駆動部（図示しない）を有している。凹面鏡４２は、樹脂基材乃至はガラス基材の表面にアルミニウムを蒸着させること等により、形成されている。凹面鏡４２は、各光学素子部３２により拡散された光束をウインドシールド９０の投影面９１へと向かって反射するように、反射面４２ａを形成している。本実施形態の反射面４２ａは、走査面３１及び投影面９１から遠ざかる方向に中心部が凹む凹面として、滑らかな曲面状に形成されている。かかる形状により反射面４２ａは、走査面３１からの拡散光束を拡大して反射可能となっている。それと共に反射面４２ａは、図１に示す水平方向の揺動軸４２ｂまわりに、揺動可能となっている。
【００６７】
光学系４０の駆動部は、電気的に接続されたコントローラ２９からの駆動信号に従って、凹面鏡４２を揺動駆動する。こうして凹面鏡４２が揺動することで、虚像７０の結像位置が上下すると、当該虚像７０を視認者により視認可能な図２の視認領域６０も、上下することになる。
【００６８】
（設計原理）
次に、第１実施形態の設計原理について、詳細に説明する。
【００６９】
（１）  光学素子部と視認領域との関係
（１−１）  光学素子部の形状
図６〜８に示すように各光学素子部３２の表面は、その一つ一つがレーザスキャナ１０に向かう方向ｚ（図２参照）へ突出することで、曲面３２ａを、本実施形態では円弧面乃至は二次曲面等の凸面状に形成しているが、凹面状に形成してもよい。各光学素子部３２の曲面３２ａは、水平方向ｘに沿う縦断面において曲率半径Ｒ１、また当該方向ｘに垂直な垂直方向ｙに沿う縦断面において曲率半径Ｒ２を、それぞれ有している。なお、図２に示すように、スクリーン部材３０及びその各構成素子部３２に関する水平方向ｘは、車両１の水平方向と実質一致している。一方、スクリーン部材３０及びその各構成素子部３２に関する垂直方向ｙは、本実施形態では車両１の鉛直方向に対して傾いているが、鉛直方向と実質一致していてもよい。
【００７０】
図５に示すように各光学素子部３２の曲面３２ａは、方向ｚから見た外縁形状として、四角形状（矩形状）を呈している。ここで、曲面３２ａの外縁形状を規定する四角形状とは、Ｎを２としたとき、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向ｘ、ｙの数がＮによって表される多角形状である。
【００７１】
こうした曲面３２ａの外縁を隣同士で重ねてなる各光学素子部３２は、図５、６に示すように、水平方向ｘでは一定のピッチＰ１にて、且つ垂直方向ｙでは一定のピッチＰ２にて、格子状に並んでいる。ここで、水平方向ｘのピッチＰ１と垂直方向ｙのピッチＰ２は、各光学素子部３２において曲面３２ａの外縁形状を正方形状にする同一値（図５（ａ）参照）であってもよいし、あるいは当該外縁形状を長方形状にする相異値（図５（ｂ）参照）であってもよい。なお、ピッチＰ１、Ｐ２については、図５に示すように、各光学素子部３２の外縁形状を規定する四角形状において各方向ｘ、ｙに平行な二辺同士の幅によって表すことができ、また図６に示すように、各方向ｘ、ｙに隣り合う光学素子部３２同士の中心間距離によっても表すことができる。
【００７２】
（１−２）  視認領域の形状
図２、９に示すように視認領域６０の外縁形状は、各光学素子部３２に対応する形状として、水平方向ｘ及び垂直方向ｙにそれぞれ幅Ｄ１、Ｄ２を有する四角形状となる。即ち、視認領域６０の外縁形状を規定する四角形状についても、Ｎを２としたとき、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向ｘ、ｖの数がＮによって表される多角形状となっている。なお、視認領域６０に関する水平方向ｘは、車両１の水平方向と実質一致し、また視認領域６０に関する垂直方向ｙは、車両１の鉛直方向と実質一致している。
【００７３】
こうした視認領域６０として、特に図９に示す本実施形態では、両眼のアイポイント６１による視認に最適な横長のアイボックス領域、即ち垂直方向ｙの幅Ｄ２よりも水平方向ｘの幅Ｄ１が大きな長方形状の領域を、確保している。なお、水平方向ｘの幅Ｄ１は、例えば８０〜２００ｍｍの範囲、好ましくは１３０ｍｍに確保される。一方、垂直方向ｙの幅Ｄ２は、例えば３０〜２００ｍｍの範囲、好ましくは５０ｍｍに確保される。
【００７４】
また、本実施形態において視認領域６０の位置は、図１に示すアイリプス６２を考慮して規定されている。ここでアイリプス６２とは、車両１の室内のうち、運転席に着座した任意の視認者を想定したときにアイポイント６１が存在可能な空間領域を、表している。そこで、凹面鏡４２の揺動に応じて上下する視認領域６０については、当該揺動の範囲では少なくとも一部がアイリプス６２内へ入るように、即ち当該揺動範囲の任意位置にて虚像７０を視認可能に想定される。これにより視認領域６０は、図２に示すように、投影面９１による反射光束の中心光軸上の反射点９２から距離Ｋ、例えば５００〜１０００ｍｍ離れた位置にて、また虚像７０からは距離Ｌ、例えば１０００〜３０００ｍｍ離れた位置にて、測定可能となっている。
【００７５】
（１−３）  光学素子部の拡散角と視認領域との関係
図７、８に示すように各光学素子部３２は、レーザスキャナ１０から投射されるレーザ光の光束を反射することで、当該光束の拡散作用を、水平方向ｘでは拡散角θｓ１且つ垂直方向ｙでは拡散角θｓ２の角度域にて発揮する。ここで、レーザスキャナ１０からの光束強度がビーム成形により実質一定となっている場合には、図１０の如く反射強度が実質一定の角度域を、拡散角θｓ１、θｓ２と定義する。あるいは、レーザスキャナ１０からの光束強度がガウス分布している場合には、視認領域６０での輝度ムラを抑制するために、図１１の如く例えば７０％以上の反射強度が確保される角度域を、拡散角θｓ１、θｓ２と定義する。
【００７６】
こうした拡散角θｓ１、θｓ２をもって各光学素子部３２により拡散される光束は、図１２に示すように、投影面９１へ向かう光路上の光学系４０（凹面鏡４２）と、同面９１を形成するウインドシールド９０とに順次反射された後、視認領域６０へ入射する。このとき、光学系４０は単独で又はウインドシールド９０と共同して（図１２は共同の例）、各光学素子部３２による拡散光束を拡大させる。そこで本実施形態では、各光学素子部３２による拡散光束が拡大されても、視認領域６０の全域へ入射するように、各方向ｘ、ｙでの拡散角θｓ１、θｓ２を調整する。
【００７７】
具体的に水平方向ｘについては、光学系４０の単独又はウインドシールド９０との共同による拡大率をＭ１としたとき、視認領域６０の幅Ｄ１は、２×Ｌ×ｔａｎ（θｓ１／２）／Ｍ１の式にて表される。同様に垂直方向ｙについては、光学系４０の単独又はウインドシールド９０との共同による拡大率をＭ２としたとき、視認領域６０の幅Ｄ２は、２×Ｌ×ｔａｎ（θｓ２／２）／Ｍ２の式にて表される。ここで各式におけるＬ／Ｍ１、／Ｌ／Ｍ２は、車両１の仕様等に応じた固定値となるので、これら各式を満たすように拡散角θｓ１、θｓ２を調整することで、各光学素子部３２による拡散光束を視認領域６０の全域へと入射させることが可能になる。
【００７８】
なお、拡散角θｓ１の数値としては、各光学素子部３２による拡散光束を幅Ｄ１全域へと入射させるように、例えば１０度〜５０度、好ましくは３０度に調整される。一方、拡散角θｓ２の数値としては、各光学素子部３２による拡散光束を幅Ｄ２全域へと入射させるように、例えば５度〜５０度、好ましくは１０度に調整される。
【００７９】
（２）  ピッチの設定
（２−１）  ピッチの下限値
各光学素子部３２は、それぞれに投射された光束を拡散することで、図１２に示すように、当該拡散光束の回折を生じさせる。その結果、拡散光束の回折光（例えば０次光、１次光等）が視認される視認領域６０では、表示画像７１の虚像７０にぼやけを発生させる事態が、懸念される。
【００８０】
そこで、本発明者らが鋭意研究を行ったところ、表示画像７１の虚像７０がぼやける現象は、視認領域６０へと入射する光束の回折幅が所定の値をとることを境に顕著となることが、判明した。さらに、ぼやけの発生現象が所定の値を境に顕著となる理由について、検討を重ねたところ、表示画像７１の虚像７０がぼやける現象は、各光学素子部３２で拡散された回折光のピーク値が視認者の瞳孔に入ったり入らなかったりすることに起因して発生する輝度ムラが原因であり、上記所定の値は視認者の瞳孔径であることが、判明したのである。以下、こうした知見に基づいて各光学素子部３２のピッチＰ１、Ｐ２の下限値を設定する原理につき、隣接次数の回折光のうち０次光及び１次光を代表的に取り上げて、説明する。
【００８１】
図１２に示すように、レーザスキャナ１０からの光束が光学素子部３２に入射されて拡散すると、中心光軸に沿った０次光と、この０次光に対して水平方向ｘに回折角θｄ１且つ垂直方向ｙに回折角θｄ２だけ偏光して進む１次光とが、視認領域６０へと向かって進行する。このとき、各方向ｘ、ｙにおいて０次光及び１次光間の回折角θｄｎ（ｎ＝１、２）は、光学素子部３２へ入射する光束の波長λと光学素子部３２のピッチＰｎ（ｎ＝１、２）との比を引数とした逆正弦関数式、即ちｓｉｎ−１（λ／Ｐｎ）により表される。ここで特に、複数色のレーザ光が光学素子部３２への入射光束となる本実施形態では、それら各色のレーザ光のピーク波長のうち最大波長、即ち６００〜６５０ｎｍの範囲、好ましくは６４０ｎｍである赤色レーザ光のピーク波長が、λとして予設定される。
【００８２】
また、図１２に示すように光学素子部３２によって拡散された０次光及び１次光は、水平方向ｘに回折幅Δｄ１且つ垂直方向ｙに回折幅Δｄ２の間隔をあけて、視認領域６０へと入射する。このとき、各方向ｘ、ｙにおいて光学素子部３２の拡散角θｓｎ（ｎ＝１、２）は、視認領域６０の幅Ｄｎ（ｎ＝１、２）の全域へと入射するように調整されているので、回折幅Δｄｎ（ｎ＝１、２）については、Ｄｎ×θｄｎ／θｓｎの乗除演算式により表すことができる。なお、２×Ｌ×ｔａｎ（θｄｎ／２）／Ｍｎの式によっても表すことができる回折幅Δｄｎについては、上述の如くＬ／Ｍｎが固定値であることから、距離Ｌには依存せず、回折角θｄｎに依存した物理量となっている。
【００８３】
さらに、図１３、１４に示すように視認領域６０へと入射した０次光及び１次光について、入射箇所での強度は、それら０次光及び１次光の間となる箇所での強度に比べて、大きくなる。その結果、いずれかの方向ｘ、ｙにおいて０次光及び１次光間の回折幅Δｄｎが視認者の眼の瞳孔径φｐを超えていると、０次光又は１次光の入射箇所では、図１３（ａ）に示すように、それら回折光のピーク値が入る瞳孔において入射光量（同図の右上がりハッチングの面積）が確保され、視認者の感じる輝度が明るくなる。また一方、回折幅Δｄｎが瞳孔径φｐ超えの場合に０次光と１次光との間では、図１３（ｂ）に示すように、それら回折光のピーク値が入らない瞳孔において入射光量（同図の左上がりハッチングの面積）が上記入射箇所での場合よりも減少し、視認者の感じる輝度が暗くなる。したがって、このとき視認者は、視認領域６０を通して視認される虚像７０に、ぼやけが発生したと認識するおそれがある。
【００８４】
以上に対し、いずれの方向ｘ、ｙでも回折幅Δｄｎが瞳孔径φｐ以下となる場合、０次光又は１次光の入射箇所では、図１４（ａ）に示すように、それら回折光のピーク値が入る瞳孔において入射光量（同図の右上がりハッチングの面積）が確保され、視認者の感じる輝度が明るくなる。また同様に、回折幅Δｄｎが瞳孔径φｐ以下の場合に０次光と１次光との間では、図１４（ｂ）に示すように、それら回折光のピーク値が入る瞳孔において入射光量（同図の左上がりハッチングの面積）が上記入射箇所での場合と実質的乃至は近似的に等しく確保され、視認者の感じる輝度が明るくなる。したがって、０次光又は１次光の入射箇所とその間のいずれにアイポイント６１が移動した場合でも、視認者の感じる輝度に明暗のムラが生じ難くなるので、虚像７０にぼやけが発生したと視認者が認識する事態を、抑制できる。
【００８５】
こうした知見に基づいて本実施形態では、図１４の如く回折幅Δｄｎが瞳孔径φｐ以下となるように、各光学素子部３２のピッチＰｎを各方向ｘ、ｙ毎に設定し、虚像７０のぼやけを抑制する。具体的には、上記逆正弦関数式で表される回折角θｄｎが上記乗除演算式に代入されることで求められる回折幅Δｄｎを、瞳孔径φｐ以下とするように、数式１を満足させるピッチＰｎを設定する。
【数１】
0005344069.tif 000011
【００８６】
なお、数式１の瞳孔径φｐとしては、健常な視認者の眼の瞳孔径のうち、太陽光が車両１の室内へ入射することにより瞳孔周囲の光量が１００００ルクス程度にまで増大する昼間の瞳孔径に、予設定される（例えば、William Wesley Campbell,Russell N. DeJong,Armin F. Haerer著、「DeJong's The Neurologic Examination」、Lippincott Williams & Wilkins、２００５年を参考）。ここで瞳孔径φｐの数値としては、上記括弧書きの文献を参考にした例えば２〜６ｍｍ、中でも特に、先述した健常者の最小瞳孔径である２ｍｍが好ましい。
【００８７】
したがって、このように設定される瞳孔径φｐに加えて、上記予設定の波長λと、先の（１）で説明した各光学素子部３２の拡散角θｓｎ及び視認領域６０の幅Ｄｎとを、数式１に代入することで、虚像７０のぼやけ抑制に必要なピッチＰｎの下限値を、求めることができる。
【００８８】
（２−２）  ピッチの上限値
上記（２−１）の数式１に従って水平方向ｘのピッチＰ１を設定する場合、当該設定ピッチＰ１が大きくなると、各光学素子部３２による拡散光束が虚像７０として結像してなる虚像点７２の水平方向ｘのピッチＶｐ１も、図１５の如く大きくなる。また同様に、数式１に従って垂直方向ｙのピッチＰ２を設定する場合、当該設定ピッチＰ２が大きくなると、各光学素子部３２による拡散光束が虚像７０として結像してなる虚像点７２の垂直方向ｙのピッチＶｐ２も、図１５の如く大きくなる。ここで本実施形態の虚像点７２は、一光学素子部３２による拡散光束が結像されることにより、実質的に虚像７０の一つの画素を構成している。なお、図２に示すように、各虚像点７２に関する水平方向ｘは、車両１の水平方向と実質一致している。一方、各虚像点７２に関する垂直方向ｙは、本実施形態では車両１の鉛直方向と実質一致しているが、鉛直方向に対して傾いていてもよい。
【００８９】
こうした知見の下、本発明者らの鋭意研究の成果によると、図１５に示すように、各虚像点７２のピッチＶｐｎ（ｎ＝１、２）のいずれかが視認者の眼の分解能Ｒｅを超えた場合、各光学素子部３２の外縁形状は、互いに分離した虚像７０として視認されることが、見出されたのである。また、特に本実施形態では、図１２に示す拡散光束の光路上において、光学系４０（凹面鏡４２）が単独で又はウインドシールド９０と共同して、当該拡散光束を拡大させる。故に各方向ｘ、ｙにおいては、各光学素子部３２のピッチＰｎ（ｎ＝１、２）に対して所定の拡大率Ｍｎ（ｎ＝１、２）で拡大されることになる虚像点７２のピッチＶｐｎは、分解能Ｒｅを超えて各光学素子部３２の外縁形状を分離視認させ易くする。なお、ウインドシールド９０の光束拡散作用については、例えば、凹面状の投影面９１の場合には発揮される一方、平面状の投影面９１の場合には実質的に発揮されないようになっている。また、図１５及び後述する図１６の各々において、ピッチＶｐｎとピッチＰｎとの大小関係は、模式的にスクリーン部材３０を拡大して示している関係上、実際とは逆の関係となっている。
【００９０】
以上のことから本実施形態では、図１６の如く拡大率Ｍｎにて拡大された各虚像点７２のピッチＶｐｎが眼の分解能Ｒｅ以下となるように、各光学素子部３２のピッチＰｎを各方向ｘ、ｙ毎に設定し、各光学素子部３２の外縁形状の分離視認を抑制する。具体的には、視認領域６０から距離Ｌにある虚像７０の各虚像点７２では、Ｐｎ×Ｍｎにて表されるピッチＶｐｎを分解能Ｒｅ以下とするように、数式２を満足させるピッチＰｎを設定する。
【数２】
0005344069.tif 000012
【００９１】
なお、図１７に示すように分解能Ｒｅは、前方に存在する二点を視認者が個別の点として認識可能となる範囲において、それら各点と視認者の眼とを結ぶ線分間の角度のうち、最小角度Ａｍｉｎによって表されるものである。ここで、分解能Ｒｅ（最小角度Ａｍｉｎ）の数値としては、図１７の如き視力指標であるランドルト環７４の切れ目７４ａの角度を用いて、例えば１／９０〜１／３０度の範囲、好ましくは視力１．０の場合の１／６０度に予設定される。
【００９２】
また、視認領域６０からの虚像７０の距離Ｌは、上記（１−３）で説明した視認領域６０を測定可能にする距離として、例えば１０００〜３０００ｍｍに予設定される。さらに、光学系４０の単独又はウインドシールド９０との共同による横倍率としての拡大率Ｍｎは、ＨＵＤ装置１００のサイズや車両１の室内サイズ等を考慮して、各方向ｘ、ｙ毎に例えば４〜８倍、好ましくは６倍に予設定される。
【００９３】
このように予設定される分解能Ｒｅ、距離Ｌ及び拡大率Ｍｎを、数式２に代入することで、各光学素子部３２の外縁形状の分離視認を抑制するように、ピッチＰｎの上限値を求めることができる。
【００９４】
なお、（２−１）、（２−２）の設計原理に従うピッチＰｎの数値として、水平方向ｘのＰ１及び垂直方向ｙのＰ２はいずれも、例えば５０μｍ〜２００μｍの範囲、好ましくは１００μｍに設定されることとなる。
【００９５】
（３）  光学素子部の曲率半径
ピッチＰ１、Ｐ２の設定された各光学素子部３２に関して、拡散角θｓ１、θｓ２での拡散光束を視認領域６０の全域に実際に入射させるには、それら各光学素子部３２の曲面３２ａの曲率半径Ｒ１、Ｒ２を設定する必要がある。そこで本実施形態では、上記（２−１）、（２−２）の数式１、２を満足するピッチＰ１、Ｐ２を設定後、拡散角θｓ１、θｓ２に基づいて曲率半径Ｒ１、Ｒ２を設定するのである。そこで以下では、曲率半径Ｒ１、Ｒ２の設定原理を説明する。
【００９６】
図１８に示す水平方向ｘにおいて、曲面３２ａの外縁に対する接線がスクリーン部材３０のｘｙ平面（同図の２点鎖線）となす角度は、各光学素子部３２にて曲率半径Ｒ１を有する曲面３２ａの最大傾斜角θａ１となって、各光学素子部３２の拡散角θｓ１の１／４と実質一致する。また同様に、図１９に示す垂直方向ｙにおいて、曲面３２ａの外縁に対する接線がスクリーン部材３０のｘｙ平面となす角度は、各光学素子部３２にて曲率半径Ｒ２を有する曲面３２ａの最大傾斜角θａ２となって、各光学素子部３２の拡散角θｓ２の１／４と実質一致する。
【００９７】
これらのことから、各方向ｘ、ｙにおいて最大傾斜角θａｎ（ｎ＝１、２）は、拡散角θｓｎ（ｎ＝１、２）を用いた分数式であるθｓｎ／４によって、表される。また、各方向ｘ、ｙにおいて曲率半径Ｒｎ（ｎ＝１、２）は、最大傾斜角θａｎ及びピッチＰｎ（ｎ＝１、２）を用いた関係式であるＰｎ／（２×ｓｉｎ（θａｎ）によって、表される。
【００９８】
以上より本実施形態では、上記分数式で表される最大傾斜角θａｎを上記関係式に代入して求められる曲率半径Ｒｎは、拡散角θｓｎに対して各方向ｘ、ｙ毎に一義的に決まる。そこで、虚像のぼやけを抑制するピッチＰｎの設定された各光学素子部３２に関して、拡散角θｓｎと曲率半径Ｒｎとの間に成立する数式３に基づくことで、当該数式３を満足してぼやけの抑制機能を損なわせない曲率半径Ｒｎを、設定する。
【数３】
0005344069.tif 000013
【００９９】
したがって、先の（１）、（２）で説明した各光学素子部３２の拡散角θｓｎ及びピッチＰｎを、数式３に代入することで、ぼやけの抑制機能を損なわない曲率半径Ｒｎを、各光学素子部３２の曲面３２ａに付与することができる。故に、視認領域６０の外縁形状を水平方向ｘに長い横長の四角形状とした本実施形態では、各方向ｘ、ｙのピッチＰｎに応じて、各方向ｘ、ｙの曲率半径Ｒｎの大小関係を調整可能となる。例えば、横長の視認領域６０に対して、ピッチＰ１とピッチＰ２とが実質同一値（図５（ａ）参照）に設定される場合においては、曲率半径Ｒ１を曲率半径Ｒ２よりも小さく設定できる。あるいは、横長である視認領域６０の幅Ｄ１と幅Ｄ２との比率に対して、ピッチＰ１とピッチＰ２との比率が実質等しく設定される場合においては、曲率半径Ｒ１と曲率半径Ｒ２とを実質同一値に設定できる。
【０１００】
なお、こうした曲率半径Ｒｎの数値として、水平方向ｘのＲ１は、例えば０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲、好ましくは０．４ｍｍに設定される一方、垂直方向ｙのＲ２は、例えば０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲、好ましくは１ｍｍに設定される。また、以上の設定により曲率半径Ｒｎ及びピッチＰｎが各光学素子部３２毎に付与されたスクリーン部材３０について、例えば基材を樹脂により形成するには、当該基材を成形する成形型の製造に工夫を要する。具体的には、基材用成形型の製造において曲面３２ａを形成するためのキャビティ面を加工する際には、例えばｘｚ面でのバイトの駆動を方向ｙに繰り返す、所謂三次元加工を要するのである。
【０１０１】
（作用効果）
以上説明した第１実施形態の作用効果を以下に説明する。
【０１０２】
第１実施形態によると、格子状配列のうち所定ピッチＰｎ配列の各光学素子部３２で拡散されて視認領域６０へと入射する光束の回折幅Δｄｎは、各方向ｘ、ｙ毎に数式１を満足するピッチＰｎ設定により、視認者の瞳孔径φｐ以下となる。ここで特に、健常者の昼間の最小瞳孔径である２ｍｍが数式１のφｐとして予設定される場合には、当該数式１を満足するピッチＰｎ設定により、回折幅Δｄｎは２ｍｍ以下となる。これにより、各光学素子部３２で拡散された回折光のピーク値を、視認者のアイポイント６１の移動に拘らず瞳孔に入れることができる。その結果、瞳孔径φｐ以下の回折幅Δｄｎにて隣接する隣接次数（例えば０次光と１次光等）の回折光につき、各回折光の入射箇所とその間とでアイポイントが移動しても、入射光量の変化が抑えられることになるので、視認者の感じる輝度にムラが生じ難くなる。故に視認領域６０では、表示画像７１の光束が入射することで視認される虚像７０のぼやけを、抑制できるのである。
【０１０３】
また、第１実施形態によると、各光学素子部３２で拡散されて視認領域６０へと入射する複数色の単一波長レーザ光については、ピーク波長を中心とする波長幅が限りなく小さいことから、各回折光の入射箇所とその間とで輝度ムラが生じる従来構成の場合、当該輝度ムラが顕著となる。しかし、各色レーザ光のピーク波長のうち最大波長が数式１の波長λとして予設定されることによれば、全色レーザ光についての回折幅Δｄｎが瞳孔径φｐ以下に抑えられて、視認者の感じる輝度ムラが確実に生じ難くなる。故に、表示画像７１となる光束として、従来では虚像７０のぼやけを誘引し易い単一波長レーザ光の利用にあっても、当該ぼやけの抑制を達成できるのである。
【０１０４】
また、第１実施形態によると、所定ピッチＰｎ配列の各光学素子部３２により拡散された光束が虚像７０として結像してなる虚像点７２のピッチＶｐｎは、各方向ｘ、ｙ毎に数式２を満足するピッチＰｎ設定により、視認者の眼の分解能Ｒｅ以下となる。その結果、視認領域６０では、各光学素子部３２の外縁形状が互いに分離した虚像７０として視認され難くなる。故に、各光学素子部３２の外縁形状が分離視認されることに起因して虚像７０の表示品質が低下する事態を、抑制できるのである。
【０１０５】
また、第１実施形態によると、各光学素子部３２の拡散光束が投影面９１に到達するまでの光路上にて光学系４０は、単独で又はウインドシールド９０と共同して、各虚像点７２のピッチＶｐｎを各光学素子部３２のピッチＰｎに対して拡大させる。しかし、数式２を満足するピッチＰｎ設定によれば、拡大されるピッチＶｐｎであっても、視認者の眼の分解能Ｒｅ以下となるので、各光学素子部３２の外縁形状は分離視認され難くなる。したがって、各光学素子部３２の外縁形状が分離視認されることに起因して虚像の表示品質が低下する事態を、拡散光束の拡大作用に拘らずに抑制できる。
【０１０６】
また、第１実施形態によると、各光学素子部３２の外縁形状を図５（ａ）の如き正方形状とする場合、いずれの方向ｘ、ｙにおいても等しくなるピッチＰｎは、それら両方向ｘ、ｙにて数式１、２を満足させることが容易となる。これによれば、ピッチＰｎの設定に要する時間を短縮して、生産性を高めることができる。
【０１０７】
また、第１実施形態によると、虚像７０のぼやけを抑制するようにピッチＰｎ設定された各光学素子部３２では、それぞれの素子部３２による拡散光束を視認領域６０の全域へ入射させる拡散角θｓｎに対して、曲面３２ａの曲率半径Ｒｎが一義的に決まる。そこで、拡散角θｓｎと曲率半径Ｒｎとが満足することで虚像７０のぼやけを抑制可能にする数式３に基づいた設計原理によれば、当該ぼやけの抑制機能を損なわせない曲率半径Ｒｎを、各対向方向毎に設定できるのである。
【０１０８】
また、第１実施形態によると、外縁形状が四角形状に確保される視認領域６０は、車両１の室内にてアイポイント６１が移動し易い水平方向ｘ及び垂直方向ｙに、それぞれ幅Ｄ１及びＤ２を有している。これによれば、虚像７０の視認に不可欠なアイポイント６１の移動範囲へと光束を無駄なく入射させ、エネルギー効率を高めることが可能になる。
【０１０９】
また、第１実施形態によると、視認者の両眼による視認領域６０は、横長四角形状の外縁形状により、それら両眼のアイポイント６１が頭部と共に動き易い水平方向ｘに、垂直方向ｙよりも大きな幅を有している。これによれば、虚像７０の両眼視認に不可欠なアイポイント６１の移動範囲へと光束を無駄なく入射させ、エネルギー効率を高めることが可能になる。
【０１１０】
（第２実施形態）
図２０〜２４に示すように、本発明の第２実施形態は第１実施形態の変形例である。
【０１１１】
（設計原理）
第２実施形態の設計原理について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。
【０１１２】
（１）  光学素子部と視認領域との関係
（１−１）  光学素子部の形状
スクリーン部材２０３０の各光学素子部２０３２において凸面状に形成される曲面２０３２ａは、方向ｚから見た外縁形状として、図２０に示すように六角形状を呈している。ここで、曲面２０３２ａの外縁形状を規定する六角形状とは、Ｎを３としたとき、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３の数がＮによって表される多角形状である。さらに図２１〜２３に示すように、各光学素子部２０３２の曲面２０３２ａは、各対向方向Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３に沿う縦断面においてそれぞれ、曲率半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を有している。ここで、各光学素子部３２に関する対向方向Ｏ１は、スクリーン部材３０の水平方向ｘ及び車両１の水平方向と実質一致している。一方、各光学素子部３２に関する対向方向Ｏ２、Ｏ３は、垂直方向ｙが車両１の鉛直方向に対して傾いた又は実質一致したスクリーン部材２０３０のｘｙ平面上にて、直角以外の角度で水平方向ｘに交差している。
【０１１３】
こうした曲面２０３２ａの外縁を隣同士で重ねてなる各光学素子部２０３２は、図２０〜２３に示すように、対向方向Ｏ１では一定のピッチＰ１にて、且つ対向方向Ｏ２では一定のピッチＰ２にて、さらに対向方向Ｏ３では一定のピッチＰ３にて格子状に並んでいる。ここで各ピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、各光学素子部２０３２において曲面２０３２ａの外縁形状を相異なる内角の六角形状とする相異値であってもよいし、あるいは当該外縁形状を正多角形状にする同一値であってもよい。なお、ピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３については、図２０に示すように、各光学素子部２０３２の外縁形状を規定する六角形状において各方向Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３に平行な二辺同士の幅によって表すことができ、また図２１〜２３に示すように、各方向Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３に隣り合う光学素子部２０３２同士の中心間距離によっても表すことができる。
【０１１４】
（１−２）  視認領域の形状
図２４に示すように視認領域２０６０の外縁形状は、各光学素子部２０３２に対応する形状として、各対向方向Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３にそれぞれ幅Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を有する六角形状となる。即ち、視認領域２０６０の外縁形状を規定する六角形状についても、Ｎを３としたとき、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３の数がＮによって表される多角形状となっている。ここで、視認領域２０６０に関する対向方向Ｏ１は、車両１の水平方向と実質一致している。一方、視認領域２０６０に関する対向方向Ｏ２、Ｏ３は、車両１の鉛直面上にて、直角以外の角度で水平方向と交差している。
【０１１５】
こうした視認領域２０６０として、特に図２４に示す第２実施形態では、視認者が両眼により視認可能な領域として、水平方向ｘに沿う対向方向Ｏ１の幅Ｄ１が他の方向Ｏ２、Ｏ３の幅Ｄ２、Ｄ３よりも大きな六角形状の領域を、確保している。ここで対向方向Ｏ１の幅Ｄ１は、例えば８０〜２００ｍｍの範囲、好ましくは１３０ｍｍに確保される。一方、対向方向Ｏ２、Ｏ３の各幅Ｄ２、Ｄ３は、例えば７０〜１８０ｍｍの範囲、好ましくは１１４ｍｍに、それぞれ確保される。なお、第２実施形態の視認領域２０６０についても、凹面鏡４２の揺動範囲ではアイリプス６２内へと入るように、想定されている。
【０１１６】
（１−３）  光学素子部の拡散角と視認領域との関係
図２１〜２３に示すように各光学素子部２０３２は、レーザスキャナ１０から投射されるレーザ光の光束を反射することで、当該光束の拡散作用を、各対向方向Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３毎にそれぞれ拡散角θｓ１、θｓ２、θｓ３の角度域で発揮する。なお、レーザスキャナ１０からの光束強度に応じた拡散角θｓ１、θｓ２、θｓ３の定義については、第１実施形態に準じたものとなる。また、こうした拡散角θｓ１、θｓ２、θｓ３にて各光学素子部２０３２により拡散される光束は、第２実施形態においても視認領域２０６０の全域へと入射するように、それら拡散角θｓ１、θｓ２、θｓ３が第１実施形態に準じて調整されることになる。
【０１１７】
（２）  ピッチの設定
（２−１）  ピッチの下限値
第２実施形態では、第１実施形態で説明した設計原理のうち、各方向ｘ、ｙの物理量Ｐｎ、Ｄｎ、Δｄｎ、θｄｎ、θｓｎ、Ｍｎ（ｎ＝１、２）を、各対向方向Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３の物理量Ｐｎ、Ｄｎ、Δｄｎ、θｄｎ、θｓｎ、Ｍｎ（ｎ＝１、２、３）と読み替えた原理が、各光学素子部２０３２及び視認領域２０６０の間で成立する。その結果、図２０〜２４に示す各光学素子部２０３２のピッチＰｎを各対向方向Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３毎に設定する数式１に従うことで、回折幅Δｄｎが瞳孔径φｐ以下となり、虚像７０のぼやけが抑制される。
【０１１８】
（２−２）  ピッチの上限値
第２実施形態では、第１実施形態で説明した設計原理のうち、各方向ｘ、ｙの物理量Ｐｎ、Ｖｐｎ、Ｍｎ（ｎ＝１、２）を、各対向方向Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３の物理量Ｐｎ、Ｖｐｎ、Ｍｎ（ｎ＝１、２、３）と読み替えた原理が、各光学素子部２０３２及び視認領域２０６０の間で成立する。その結果、図２０〜２４に示す各光学素子部２０３２のピッチＰｎを各対向方向Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３毎に設定する数式２に従うことで、各虚像点７２のピッチＶｐｎが分解能Ｒｅ以下となり、各光学素子部２０３２の外縁形状の分離視認が抑制される。
【０１１９】
なお、（２−１）、（２−２）の設計原理に従うピッチＰｎの数値として、対向方向Ｏ１のピッチＰ１は、例えば５０μｍ〜２００μｍの範囲、好ましくは１００μｍに設定される一方、対向方向Ｏ２、Ｏ３のピッチＰ２、Ｐ３は、例えば４５μｍ〜１８０μｍの範囲、好ましくは９０μｍに設定される。
【０１２０】
（３）  光学素子部の曲率半径
第２実施形態では、第１実施形態で説明した設計原理のうち、図２１〜図２３に示す各方向ｘ、ｙの物理量Ｒｎ、Ｐｎ、θａｎ、θｓｎ（ｎ＝１、２）を、各対向方向Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３のＲｎ、Ｐｎ、θａｎ、θｓｎ（ｎ＝１、２、３）と読み替えた原理が、各光学素子部２０３２及び視認領域２０６０の間で成立する。その結果、拡散光束を視認領域２０６０の全域へと入射させる拡散角θｓｎと曲面２０３２ａの曲率半径Ｒｎとの関係を各対向方向Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３毎に表した数式３に従うことで、ぼやけの抑制機能を損なわない当該半径Ｒｎが設定される。なお、こうした曲率半径Ｒｎの数値として、各対向方向Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３のＲ１、Ｒ２、Ｒ３はいずれも、例えば０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲、好ましくは０．４ｍｍに設定される。
【０１２１】
（作用効果）
以上説明した構成から、第２実施形態によっても、第１実施形態に準じた作用効果の発揮が可能となる。
【０１２２】
（その他の実施形態）
以上、本発明の第１及び第２実施形態について説明したが、本発明は、それら実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。
【０１２３】
具体的に変形例１では、ＨＵＤ装置１００を作動させる時期を夜間に限るのであれば、瞳孔径φｐとして、昼間に対する光量の減少により視認者の瞳孔が大きくなる夜間の瞳孔径のうち最小値、例えば７〜８ｍｍを採用してもよい。
【０１２４】
変形例２では、各光学素子部３２、２０３２の外縁形状を適宜変更してもよい。例えば、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向の数がＮにより表される多角形状のうち、Ｎが第１及び第２実施形態よりも多い４以上の多角形状に、各光学素子部３２、２０３２の外縁形状を変更してもよい。
【０１２５】
変形例３では、両眼による視認領域６０、２０６０の外縁形状を適宜変更してもよい。例えば第１実施形態では、視認領域６０の外縁形状として、四角形状のうち、水平方向ｘ及び垂直方向ｙの各幅Ｄ１、Ｄ２が同一の正方形状の他、水平方向ｘの幅Ｄ１よりも垂直方向ｙの幅Ｄ２が大きい長方形状を採用してもよい。あるいは、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向の数がＮにより表される多角形状のうち、Ｎが第１及び第２実施形態よりも多い４以上の多角形状に、視認領域６０、２０６０の外縁形状を変更してもよい。
【０１２６】
変形例４では、図２５に示すように、視認領域３０６０を片眼ずつ確保してもよい。この変形例４では、片眼のアイポイント６１にそれぞれ対応する各視認領域３０６０の外縁形状として、四角形状のうち、水平方向ｘ及び垂直方向ｙの各幅Ｄ１、Ｄ２が同一となる正方形状の他、水平方向ｘの幅Ｄ１よりも垂直方向ｙの幅Ｄ２が大きい乃至は小さい長方形状を採用してもよい。ここで特に、水平方向ｘの幅Ｄ１については、例えば４０〜１００ｍｍの範囲、中でも６５ｍｍに確保することが好ましく、また垂直方向ｙの幅Ｄ２については、例えば３０〜２００ｍｍの範囲、中でも５０ｍｍに確保することが好ましい。あるいは、辺の数が２Ｎ且つ平行な二辺同士の対向方向の数がＮにより表される多角形状のうち、Ｎが図２５よりも多い３以上の多角形状に、視認領域３０６０の外縁形状を変更してもよい。さらに、こうした形状の視認領域３０６０を片眼ずつ確保する場合には、レーザスキャナ１０、スクリーン部材３０、２０３０及び光学系４０の組を、右眼用と左眼用とで一組ずつハウジング５０内に設け（図示はしない）、各視認領域３０６０にて視認される虚像７０の視差を利用することで、奥行きのある３Ｄ表示を実現してもよい。
【０１２７】
変形例５では、第１及び第２実施形態で説明した設計原理のうち、（２−２）及び（３）の少なくとも一方については、必ずしも考慮しなくてもよい。即ち、数式２及び数式３の少なくとも一方を考慮しないで、各光学素子部３２、２０３２を設計してもよい。
【０１２８】
変形例６では、表示画像７１の各構成画素に対して各光学素子部３２、２０３２を、１対１以外の比率で対応させてもよい。例えば、表示画像７１の一画素に複数の光学素子部３２、２０３２を対応させることで、それら光学素子部３２、２０３２により拡散された光束が結像してなる複数の虚像点７２から、虚像７０の一画素を構成してもよい。
【０１２９】
変形例７では、透光性の材料から形成された透過型のスクリーンをスクリーン部材３０、２０３０に用いて、各光学素子部３２、２０３２をマイクロレンズとして形成してもよい。この変形例７では、図２６（同図は第１実施形態の変形例７）に示すように、スクリーン部材３０、２０３０の走査面３１の反対側からレーザ光の光束を投射することにより、当該部材３０、２０３０を透過した光束を、走査面３１の各光学素子部３２、２０３２から出射させることになる。
【０１３０】
変形例８では、図２７（同図は第１実施形態の変形例８）に示すように、光学系４０（凹面鏡４２）を設けないで、各光学素子部３２、２０３２により拡散された光束を直接に、投影面９１へと投射してもよい。なお、上述した変形例７においても、図２６に示すように、各光学素子部３２、２０３２により拡散された光束を直接に、投影面９１へ投射させている。
【０１３１】
変形例９では、光学系４０の構成要素として、凹面鏡４２に代えて又は加えて、凹面鏡４２以外の光学要素を採用してもよい。
【０１３２】
変形例１０では、「投射器」であるレーザスキャナ１０のＭＥＭＳ３０２６として、図２８（同図は第１実施形態の変形例１０）に示すように、導光部２０から投射されるレーザ光を反射する反射面３０２７ｂを備えた二軸スキャナ３０２７を、一つ設けて、鉛直方向の回転軸３０２７ａ１及び垂直方向の回転軸３０２７ａ２まわりに、当該スキャナ３０２７を回転駆動してもよい。この変形例１０では、集光レンズ２５から入射して二軸スキャナ３０２７の反射面３０２７ｂにて反射されるレーザ光は、スクリーン部材３０、２０３０に対する投射方向を当該スキャナ３０２７の二軸回転に応じて切り替えられることで、表示画像７１を走査面３１に描画する。
【０１３３】
変形例１１では、スクリーン部材３０、２０３０の走査面３１に光束を投射して表示画像７１を描画することが可能であれば、種々の構成の「投射器」をレーザスキャナ１０に代えて採用してもよい。例えば、Liquid crystal on silicon（ＬＣＯＳ：登録商標）乃至はDigital Mirror Device（ＤＭＤ）を備えた所謂プロジェクタを、「投射器」として用いてもよい。
【０１３４】
ここで、シリコン製基板と透光性基板との間に液晶層を挟み込んでなるＬＣＯＳは、液晶層に複数の画素を配列して形成していると共に、液晶駆動回路及び光束反射用の電極をシリコン製基板に有している。ＬＣＯＳにおいて、ＬＥＤ等の可視光光源乃至はレーザ光源から透光性基板に入射される光束は、液晶層を通過してシリコン製基板の電極により反射されることで、外部へと出射される。故に、ＬＣＯＳにおいて液晶層の各画素で表示画像７１を形成することによれば、当該画像７１となる光束をスクリーン部材３０、２０３０に対して投射可能となる。
【０１３５】
一方、基板上に多数の微小鏡面を配列してなるＤＭＤは、微小鏡面のそれぞれにより一画素を形成していると共に、各微小鏡面の傾斜角度を制御信号に基づいて変更可能としている。ＤＭＤにおいて、ＬＥＤ等の可視光光源乃至はレーザ光源から入射される光束は、各微小鏡面により反射されることから、それら各微小鏡面の傾斜角度を制御することで、表示画像７１となる光束が出射される。したがって、ＤＭＤからの出射光束をスクリーン部材３０、２０３０に投射することで、表示画像７１の描画が可能となる。
【０１３６】
変形例１２では、投影面９１を形成する「表示部材」として、ウインドシールド９０以外の要素を採用してもよく、例えば、ウインドシールド９０の室内側の面に貼りつけた又はウインドシールド９０とは別体に形成されたコンバイナ等を、採用してもよい。
【０１３７】
変形例１３では、車両１以外の船舶乃至は飛行機等の各種移動体（輸送機器）に、本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【０１３８】
１  車両、１０  レーザスキャナ、１３  光源部、１４、１５、１６  レーザ投射部、２０  導光部、２１  コリメートレンズ、２２、２３、２４  ダイクロイックフィルタ、２５  集光レンズ、２６、３０２６  微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、２７  水平スキャナ、２８  鉛直スキャナ、２９  コントローラ、３０、２０３０  スクリーン部材、３１  走査面、３２、２０３２  光学素子部、３２ａ、２０３２ａ  曲面、４０  光学系、４２  凹面鏡、５０  ハウジング、６０、２０６０、３０６０  視認領域、６１  アイポイント、６２  アイリプス、７０  虚像、７１  表示画像、７２  虚像点、７４  ランドルト環、７４ａ  切れ目、８０  インストルメントパネル、９０  ウインドシールド、９１  投影面、９２  反射点、１００  ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置、３０２７  二軸スキャナ
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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