(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像表示用の表示素子、前記表示素子を照明する光源、及び前記表示素子に表示された映像を投影する投射レンズから成る投射光学系と、
前記投射光学系が投射する光束の結像位置に配設されたスクリーンと、
前記スクリーン上の結像を拡大する拡大光学系と、
前記拡大光学系が投射する光束を反射させる半透明な反射手段と、
透過する光の波長域が異なる複数のフィルタ部を円周方向に配設された回転ホイールと、
前記回転ホイールにおける複数のフィルタ部のいずれかが前記表示素子と前記スクリーンとの間の前記光束中に時分割で切り換えて配設されるように、前記回転ホイールを回転させる回転ホイール回転手段と、
を備え、
前記映像を観察者の視点から前記反射手段によるカラーの虚像として前景に重畳させて視認可能にした虚像表示装置であって、
前記回転ホイールにおける前記複数のフィルタ部には、前記拡大光学系において生じる色収差を相殺するように、各フィルタ部が透過させる光の波長に応じ、それぞれ異なる焦点距離の補正レンズが形成されていることを特徴とする虚像表示装置。
【請求項２】
映像表示用の表示素子、前記表示素子を照明する光源、及び前記表示素子に表示された映像を投影する投射レンズから成る投射光学系と、
前記投射光学系が投射する光束の結像位置に配設されたスクリーンと、
前記スクリーン上の結像を拡大する拡大光学系と、
前記拡大光学系が投射する光束を反射させる半透明な反射手段と、
透過する光の波長域が異なる複数のフィルタ部を円周方向に配設されたフィルタホイールと、
前記フィルタホイールにおける複数のフィルタ部のいずれかが前記表示素子と前記スクリーンとの間の前記光束中に時分割で切り換えて配設されるように、前記フィルタホイールを回転させるフィルタホイール回転手段と、
を備え、
前記映像を観察者の視点から前記反射手段によるカラーの虚像として前景に重畳させて視認可能にした虚像表示装置であって、
前記複数のフィルタ部のそれぞれと対応する補正レンズを円周方向に配設させた回転ホイールと、
前記回転ホイールにおける前記各補正レンズが、それと対応する前記フィルタ部と同期して前記表示素子と前記スクリーンとの間の前記光束中に時分割で切り換えて配設されるように、前記回転ホイールを回転させる回転ホイール回転手段と、
を備え、前記補正レンズは、それと対応するフィルタ部が透過させる光の波長に応じ、前記拡大光学系において生じる色収差を相殺するように、それぞれが異なる焦点距離を有することを特徴とする虚像表示装置。
【請求項３】
前記虚像の画面サイズは、縦方向と横方向とで異なっており、
前記補正レンズは、前記虚像における前記縦方向と前記横方向とのうち、長手方向に倍率を有するシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１又は２記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記回転ホイールとして、第１の回転ホイール及び第２の回転ホイールを備え、
前記第１の回転ホイールが備える前記補正レンズは、前記虚像における一方の方向に倍率を有するシリンドリカルレンズであるとともに、
前記第２の回転ホイールが備える前記補正レンズは、前記虚像における前記一方の方向とは直交する方向に倍率を有するシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１又は２記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記補正レンズは、前記回転ホイールにおける径方向に倍率を持つ放射状のシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記回転ホイールは、その片面のみに、前記補正レンズが形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記回転ホイールは、前記投射光学系における絞りと、前記絞りに隣接する前記投射レンズとの間に位置することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記回転ホイールは、前記表示素子と前記投射レンズとの間に位置することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学ユニットから投射される映像情報を半透明な反射手段によって反射させて、映像情報を視点から反射手段による虚像として前景に重畳させて視認可能にした虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の虚像表示装置は、一般に、光学ユニットから投射される映像情報を半透明な反射手段によって反射させて、映像情報を視点から反射手段による虚像として前景に重畳させて視認可能にしたものである。
【０００３】
このような虚像表示装置は、前方に設置したモニターの映像や前方の風景に重ね合わせるように、別の表示像を虚像として表示するシステムなどに採用され、ゲームなどのエンターテイメントや車両用の情報提供装置として有用である。
【０００４】
上記の虚像表示装置に関し、表示素子からの映像を投射レンズでスクリーンに投影し、この映像をさらに拡大レンズで拡大する方式が提案されている（特開２００５−７０２５５号公報）。
【０００５】
しかしながら、この方式には、スクリーン上の映像を拡大レンズで拡大する際に発生する色収差が、映像の色のずれを発生させて表示品位を著しく低下させてしまうという問題がある。
【０００６】
この色ずれを解消する第１の方法として、拡大レンズを、色分散が異なる凹と凸のレンズの組み合わせとする方法が考えられる。
また、色ずれを解消する第２の方法として、拡大レンズで発生する色ずれとは逆方向の色ずれをスクリーン上の映像に発生させ、結果として観察者から観察される画像の色ずれを補正するものが考えられる。具体的には、投射レンズ内にレンズ光軸方向に可動する変位レンズを配設し、カラーフィルターを備えた回転ホイールと連動させて変位レンズを光軸方向に移動させることにより、色ごとに横倍率を変える方法が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−２５５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記第１の方法は、拡大レンズが大型化するとレンズの厚みが大きくなって光学ユニットが巨大化するという問題や、薄型化を図るためにレンズをフレネルレンズにすると、モアレ（干渉縞）が発生して画質が悪化するという問題がある。
【０００８】
また、上記第２の方法は、変位レンズを投射レンズの光軸方向に移動させるため、各色の所定の位置に変位レンズが移動した後は設計どおりの横倍率を得られるが、ある色から別の色に移動する途中では所定の横倍率を得られないため、横倍率が変化し画像がぼやけてしまう。また、回転ホイールと変位レンズを同期して駆動する同期制御手段が別途必要になる。
【０００９】
本発明は上記した諸問題を鑑みてなされたもので、簡単な構成で、色ずれの発生しない良好な画質を実現可能な虚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】
【００１０】
（１）請求項１に係る虚像表示装置は、投射光学系が投射する光束により、スクリーンに表示像を表す。そして、この表示像を拡大光学系で拡大してから、半透明な反射手段に反射させる。その結果、観察者のアイポイントからは反射手段の反対側に、表示像が虚像として映し出される。
【００１１】
また、請求項１に係る虚像表示装置が備える回転ホイールは、透過する光の波長域が異なる複数のフィルタ部を円周方向に配設しており、回転ホイール回転手段は、回転ホイールにおける複数のフィルタ部のいずれかが表示素子とスクリーンとの間の光束中に時分割で切り換えて配設されるように、回転ホイールを回転させる。このとき、例えば、回転ホイールの回転と連動して表示素子上の映像を、各々の色に対応する映像に切り替えると、回転ホイールの回転が高速であれば、人間の残像現象により、カラーの虚像が得られる。
【００１２】
本発明の虚像表示装置では、回転ホイールにおける複数のフィルタ部に、それぞれ異なる焦点距離の補正レンズが形成されており、投射光学系によりスクリーン上に投影される映像を、この補正レンズにより、色ごとに異なる倍率をもって補正（拡大又は縮小）する。補正レンズの倍率は、映像が拡大光学系によって拡大される際の色収差を相殺するように設定されており、観察者から見ると、色収差の少ない良好なカラーの虚像が得られる。
（２）請求項２に係る虚像表示装置は、投射光学系が投射する光束により、スクリーンに表示像を表す。そして、この表示像を拡大光学系で拡大してから、半透明な反射手段に反射させる。その結果、観察者のアイポイントからは反射手段の反対側に、表示像が虚像として映し出される。
【００１３】
また、請求項２に係る虚像表示装置が備えるフィルタホイールは、透過する光の波長域が異なる複数のフィルタ部を円周方向に配設しており、フィルタホイール回転手段は、フィルタホイールにおける複数のフィルタ部のいずれかが表示素子とスクリーンとの間の光束中に時分割で切り換えて配設されるように、フィルタホイールを回転させる。このとき、例えば、フィルタホイールの回転と連動して表示素子上の映像を、各々の色に対応する映像に切り替えると、フィルタホイールの回転が高速であれば、人間の残像現象により、カラーの虚像が得られる。
【００１４】
本発明の虚像表示装置は、さらに、複数のフィルタ部のそれぞれと対応する補正レンズを円周方向に配設させた回転ホイールと、その回転ホイールにおける各補正レンズが、それと対応するフィルタ部と同期して表示素子とスクリーンとの間の光束中に時分割で切り換えて配設されるように、回転ホイールを回転させる回転ホイール回転手段とを備えている。
【００１５】
本発明の虚像表示装置は、投射光学系によりスクリーン上に投影される映像を、回転ホイールに設けられた補正レンズにより、色ごとに異なる倍率をもって補正（拡大又は縮小）する。補正レンズの倍率は、映像が拡大光学系によって拡大される際の色収差を相殺するように設定されており、観察者から見ると、色収差の少ない良好なカラーの虚像が得られる。
（３）請求項３に係る発明では、前記虚像の画面サイズが、縦方向と横方向とで異なっており、補正レンズは、虚像における縦方向と横方向とのうち、長手方向に倍率を有するシリンドリカルレンズである。
【００１６】
画面サイズが縦と横とで異なる場合、画面の長手方向（例えば横方向）において色ずれが激しくなり易いが、本発明では、長手方向に倍率を有するシリンドリカルレンズにより、長手方向の色収差を補正するので、必要最小限の部品構成で、効果的に色収差を低減できる。
（４）請求項４に係る発明は、第１の回転ホイールが備える補正レンズにより、虚像における一方の方向の色収差を低減するとともに、第２の回転ホイールが備える補正レンズにより、虚像における前記一方の方向とは直交する方向での色収差を低減することができる。そのため、色収差を抑える効果が一層高い。
【００１７】
また、本発明では、第１の転ホイールが備える補正レンズと、第２の回転ホイールが備える補正レンズとをそれぞれ任意に設定することができる。例えば、拡大光学系の倍率が縦方向と横方向とで異なる場合でも、その倍率の違いに応じて、第１の回転ホイール及び第２の回転ホイールにおける補正レンズの曲率を縦方向と横方向とで変えることができる。その結果、色収差を抑制する効果が一層高い。
（５）請求項５に係る発明は、補正レンズとして、回転ホイールにおける径方向に倍率を持つ放射状のシリンドリカルレンズを有することにより、簡単に光束の倍率を制御し、色収差を補正することができる。
（６）請求項６に係る発明は、回転ホイールの片面のみに、補正レンズが形成されている。こうすることにより、補正レンズの形成に要する手間やコストを低減することができる。
（７）請求項７に係る発明では、回転ホイールは、投射光学系における絞りと、絞りに隣接する投射レンズとの間に位置する。この位置は、光束の幅が小さくなるため、結果として回転ホイールを小さくすることができ、結果として、光学系全体を小さくできる。
（８）請求項８に係る発明では、回転ホイールは、表示素子と投射レンズとの間に位置する。表示素子と投射レンズとの間では、光束の幅が小さくなるため、回転ホイールを小さくでき、結果として、光学系全体を小さくできる。また、投射レンズと回転ホイールとを一体化する必要がないため、投射レンズの構成が複雑になることを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。
１．第１の実施形態
（ａ）虚像表示装置の全体構成及びカラーの虚像を表示する原理
まず、虚像表示装置１の全体構成を図１に基づいて説明する。図１は、虚像表示装置１の構成を示す斜視図である。
【００１９】
虚像表示装置１は、後述する表示素子５を照明する光源３と、映像表示用の表示素子５と、表示素子５に表示された映像を投影する投射レンズ７と、からなる１組の投射光学系９を備える。また、虚像表示装置１は、回転ホイール１１と、スクリーン１３と、拡大レンズ１５と、コンバイナ（ハーフミラー）１７とを備える。
投射レンズ７により投影される表示素子５の結像位置にスクリーン１３が配置される。この投射レンズ７による表示像は、拡大レンズ１５で拡大されてから、コンバイナ１７で反射され、観察者のアイポイント（右眼と左眼）１９からはコンバイナ１７の反対側に虚像２１として映し出される。スクリーン１３は表面が拡散面となった半透明な、例えばアクリルのようなプラスチック、またはガラス材などで製作されたものである。
【００２０】
次に、投射レンズ７及び回転ホイール１１の周辺の構成を図２〜図４に基づいて説明する。図２及び図３は、投射レンズ７及び回転ホイール１１の構成を表す説明図であって、図２は図１におけるｙｚ平面での断面図であり、図３は図１におけるｚｘ平面での断面図である。図４は回転ホイール１１を表す平面図である。
なお、図１におけるｘｙｚ座標は、ｘ軸方向がスクリーン１３における横方向（長手方向）に平行となり、ｙ軸がスクリーン１３における縦方向に平行となり、ｚ軸が投射光学系９により投射される光束の光軸２５と平行となるように設定される。そして、光軸２５のｘ軸方向の座標及びｙ軸方向の座標を、ともに０ｍｍとする。
図２及び図３に示すように、投射レンズ７は、レンズ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの４枚のレンズから構成されており、図２及び図３では図示しないハウジングに収納されている。
回転ホイール１１は、図２及び図３に示すように、レンズ７ａとレンズ７ｄとの間に取り付けられている。投射レンズ７おいて、レンズ７ａは絞り１８に隣接するレンズであり、回転ホイール１１は、このレンズ７ａと絞り１８との間に位置する。
回転ホイール１１は、直径４０ｍｍの円板形状を有し、その向きは、その主たる平面がｘｙ平面と平行になる向き（投射レンズ７の光軸２５と直交する向き）である。また、回転ホイール１１の回転軸２３は、ｘ軸方向の座標が−１４ｍｍ、ｙ軸方向の座標が０ｍｍとなるように配置されている。
【００２１】
回転ホイール１１は、図４に示すように、３つの領域、すなわち、青領域１１ａ、緑領域１１ｂ、及び赤領域１１ｃに分割される。青領域１１ａには、青色の光を選択的に透過させるカラーフィルターが形成され、緑領域１１ｂには、緑色の光を選択的に透過させるカラーフィルターが形成され、赤領域１１ｃには、赤色の光を選択的に透過させるカラーフィルターが形成されている。
回転ホイール１１は、回転軸２３を中心として、図示しないモータにより回転駆動される。すると、回転ホイール１１における３つの領域（青領域１１ａ、緑領域１１ｂ、赤領域１１ｃ）のいずれかが光軸２５を横切るように、時分割で切り換えて配設される。
このとき、回転ホイール１１の回転と連動して表示素子５上の映像を、各々の色に対応する映像に切り替える（すなわち、光軸２５が青領域１１ａを透過する時間帯は表示素子５に青色に対応した映像を表示し、光軸２５が緑領域１１ｂを透過する時間帯は表示素子５に緑色に対応する映像を表示し、光軸２５が赤領域１１ｃを透過する時間帯は表示素子５に赤色に対応する映像を表示する）と、回転ホイール１１の回転が高速であれば、人間の残像現象により、カラーの虚像２１が得られる。
【００２２】
（ｂ）色収差を相殺するための構成
図４及び図５に示すように、回転ホイール１１において、回転軸２３からの距離が１４ｍｍである円周上には、放射状シリンドリカルレンズ２７が形成されている。なお、図５（ａ）は青領域１１ａにおける回転ホイール１１の径方向での断面図であり、図５（ｂ）は緑領域１１ｂにおける回転ホイール１１の径方向での断面図であり、図５（ｃ）は赤領域１１ｃにおける回転ホイール１１の径方向での断面図である。
放射状シリンドリカルレンズ２７は、青領域１１ａにおいては、回転ホイール１１の径方向に沿った断面で見たとき、図５（ａ）に示すように、所定の曲率を有しており、緑領域１１ｂにおいては、回転ホイール１１の径方向に沿った断面で見たとき、図５（ｂ）に示すように、曲率を有しておらず、赤領域１１ｃにおいては、回転ホイール１１の径方向に沿った断面で見たとき、図５（ｃ）に示すように、青領域１１ａの場合とは反対の曲率を有している。また、放射状シリンドリカルレンズ２７は、いずれの領域においても、回転ホイール１１の周方向に沿った断面で見ると、曲率を持たない。
【００２３】
上述したように回転ホイール１１の回転軸２３は、ｘ軸方向の座標が−１４ｍｍ、ｙ軸方向での座標が０ｍｍの位置にあり、光軸２５は、ｘ軸方向の座標及びｙ軸方向での座標がともに０ｍｍの位置にあるから、放射状シリンドリカルレンズ２７のうち、光軸２５上にある部分は、ｙ軸方向に沿って延びている。よって、放射状シリンドリカルレンズ２７が、光軸２５上において曲率を有する方向は、ｘ軸方向である。ところで、虚像表示装置１が表示する映像は、図１におけるスクリーン１３及び拡大レンズ１５に表示された映像が示すように、ｘ軸方向のサイズの方が、ｙ軸方向におけるサイズよりも大きい（すなわち、ｘ軸方向が長手方向である）。上記のように、放射状シリンドリカルレンズ２７は、光軸２５上において、ｘ軸方向に曲率を有するのであるから、映像の長手方向において、映像を拡大又は縮小する機能を有する。
【００２４】
放射状シリンドリカルレンズ２７の曲率は、ｘ軸方向における色収差を相殺するように設定される。すなわち、拡大レンズ１５で拡大される倍率は光束の波長により異なるため、そのままでは、虚像２１において、青色の光束、緑色の光束、及び赤色の光束の間で色収差が生じてしまうが、放射状シリンドリカルレンズ２７の曲率を、その色収差を相殺するように設定することで、色収差を解消又は軽減することができる。色収差を解消するような放射状シリンドリカルレンズ２７の曲率は、投射レンズ７、拡大レンズ１５の諸元に基づき、周知の方法で設定することができる。
例えば、投射レンズ７、拡大レンズ１５の諸元がそれぞれ、表１、表２に示すものである場合、周知の方法により、放射状シリンドリカルレンズ２７の諸元を、表３に示すように設定することができる。なお、表３における「Radius」は、ｘ軸方向のみに作用するシリンドリカルレンズ面の値である。
【００２５】
【表１】
0004867854.tif 000002
【００２６】
【表２】
0004867854.tif 000003
【００２７】
【表３】
0004867854.tif 000004
【００２８】
（ｃ）色収差の測定
虚像表示装置１が色収差を相殺できることを以下に示す。
表示素子５上の所定の点の座標を（ｘｏ，ｙｏ）とする。この点が投射レンズ７によりスクリーン１３上に投影された点の座標が（ｘｓ，ｙｓ）である。さらに、このスクリーン１３上の画像が拡大レンズ１５により拡大され、虚像２１が表示される面（観察者から２ｍの面、以下「虚像面」とする）上に虚像として結像する点の座標が、（ｘｖ，ｙｖ）である。
座標（ｘｏ，ｙｏ）はいずれ色の場合でも同一として、青色の光束を用いた場合の座標（ｘｖ，ｙｖ）と、緑色の光束を用いた場合の座標（ｘｖ，ｙｖ）との距離をｄ（Ｂ−Ｇ）とし、緑色の光束を用いた場合の座標（ｘｖ，ｙｖ）と、赤色の光束を用いた場合の座標（ｘｖ，ｙｖ）との距離をｄ（Ｇ−Ｒ）とし、赤色の光束を用いた場合の座標（ｘｖ，ｙｖ）と、青色の光束を用いた場合の座標（ｘｖ，ｙｖ）との距離をｄ（Ｒ−Ｂ）とする。なお、計算に使用した波長は、青（Ｂ）が４８６ｎｍ、緑（Ｇ）が５８７ｎｍ、赤（Ｒ）が６５６ｎｍである。上述したｄ（Ｂ−Ｇ）、ｄ（Ｇ−Ｒ）、ｄ（Ｒ−Ｂ）が小さいほど、色収差は少ないということになる。
【００２９】
虚像表示装置１におけるｄ（Ｂ−Ｇ）、ｄ（Ｇ−Ｒ）、ｄ（Ｒ−Ｂ）の測定結果を、表４に示す。なお、測定は、３種類の（ｘｏ，ｙｏ）のそれぞれについて行った（データ１〜３）。
【００３０】
【表４】
0004867854.tif 000005
【００３１】
表４に示すように、スクリーン１３上の結像位置（ｘｓ，ｙｓ）が色により大きく異なっており、これが拡大レンズ１５による色収差を補正する働きをするため、結果として、ｄ（Ｂ−Ｇ）、ｄ（Ｇ−Ｒ）、ｄ（Ｒ−Ｂ）における最大値は３．４７０ｍｍに過ぎなかった。その結果、観察者は色のにじみを感じにくく、良好な映像を得ることができた。
【００３２】
虚像表示装置１は、回転ホイール１１を１個だけ使用しているため、虚像表示装置１の製造コストが上昇することを極力抑えることができる。さらに、映像のサイズが大きくなればなるほど色収差は大きくなり易いが、回転ホイール１１は表示映像の長手方向（ｘ方向）における色収差を補正する作用を持っているため、効果的に色収差を抑制できる。
比較例として、図６に示すように、基本的な構造は虚像表示装置１と同様であるが、回転ホイール１１の位置が光源３と表示素子５との間であるとともに、回転ホイール１１に放射状シリンドリカルレンズ２７が形成されていない虚像表示装置１０１を用いて、ｄ（Ｂ−Ｇ）、ｄ（Ｇ−Ｒ）、ｄ（Ｒ−Ｂ）を測定した結果を表５に示す。なお、虚像表示装置１０１の投射レンズ１０７の構成を図７に示し、投射レンズ１０７を構成する各レンズＡ〜Ｅの諸元を表６に示す。
【００３３】
【表５】
0004867854.tif 000006
【００３４】
【表６】
0004867854.tif 000007
【００３５】
表５に示すように、スクリーン１３上の結像位置（ｘｓ，ｙｓ）には、色による差がないが、拡大レンズ１５による色収差の影響を受けて、虚像位置（ｘｖ，ｙｖ）は色ごとに大きく異なった。すなわち、ｄ（Ｂ−Ｇ）、ｄ（Ｇ−Ｒ）、ｄ（Ｒ−Ｂ）の最大値は１０．６４２ｍｍと大きな値を示しており、観察者は明瞭な色のにじみを感じ、映像の品位が低いと感じた。
（ｄ）虚像表示装置１が奏する効果
本第１の実施形態における虚像表示装置１は、以下の効果を奏することができる。
【００３６】
(i)投射レンズ７でスクリーン１３上に拡大投影される映像は、回転ホイール１１に設けられた放射状シリンドリカルレンズ２７により、色ごとに異なる横倍率をもって投影され、この映像が拡大レンズ１５によって拡大される際に色収差が補正されるため、観察者から見ると、色収差のない良好な映像が得られる。
【００３７】
特に、画面サイズが大きくなるにつれて映像の色収差が大きくなるため、画面サイズが縦と横とで異なる場合、画面の長手方向（通常は横方向）において色ずれが激しくなり易いが、本第１の実施形態では、長手方向の色収差を補正するので、必要最小限の部品構成で、効果的に色収差を低減できる。
(ii) 本第１の実施形態では、回転ホイール１１と、色ごとに横倍率を変える放射状シリンドリカルレンズ２７とが一体化されているため、余分な部品が最小限に抑えられ、簡単な構成で色収差の補正を実現できる。また、この一体化により、回転ホイール１１と、横倍率を変えるレンズとを同期させるための追加の制御回路等が不要となる効果も奏する。
(iii) 本第１の実施形態では、回転ホイール１１に設けられた放射状シリンドリカルレンズ２７により色収差を補正するので、表示する映像の色が、ある色から別の色へ変わるときでも、色収差の補正が十分できない状態（遷移状態）が生じない。そのため、表示する映像の色が切り替わるときでも、色収差を補正し、映像のぼやけを防止することができる。
(iv) 本第１の実施形態では、回転ホイール１１の径方向に曲率を持つ放射状シリンドリカルレンズ２７を用いることにより、簡単に光束の倍率を制御し、色収差を補正することができる。
(v) 本第１の実施形態では、放射状シリンドリカルレンズ２７の中心軸を結んだ円が、投射レンズ７の光軸２５に接する。このことにより、放射状シリンドリカルレンズ２７と投射レンズ７との中心軸が一致するため、レンズの対称性が崩れて映像が変形してしまうようなことを抑制できる。
(vi) 本第１の実施形態では、投射レンズ７は複数の構成レンズからなっており、投射レンズ７の絞り１８と、絞り１８に隣接した構成レンズ７ａとの間に、回転ホイール１１が位置している。投射レンズ７の絞り１８では、光束の幅が小さくなるため、結果として回転ホイール１１を小さくすることができ、結果として、投射光学系９全体を小さくできる。
【００３８】
２．第２の実施形態
（ａ）虚像表示装置の全体構成及びカラーの虚像を表示する原理
第２の実施形態における虚像表示装置１の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同様であるが、一部において相違する。以下では、その相違点を中心に、図８〜図１０に基づき説明する。図８は、第２の実施形態における虚像表示装置１の構成を示す斜視図である。また、図９及び図１０は、投射光学系９及び回転ホイール１１の周辺の構成を表す説明図であって、図９はｙｚ平面での断面図であり、図１０はｚｘ平面での断面図である。
【００３９】
図９及び図１０に示すように、投射レンズ７は、投射レンズ７ａ、７ｂ、７ｃの３枚のレンズから構成されており、図９及び図１０では図示しないハウジングに収納されている。虚像表示装置１は、図８に示すように、２枚の回転ホイール１１１、１１２を備えており、それらは、レンズ７ａとレンズ７ｂとの間に取り付けられている。投射レンズ７において、レンズ７ａ、７ｂは絞り１８に隣接するレンズであるが、回転ホイール１１１は絞り１８とレンズ７ａとの間に位置し、回転ホイール１１２は、絞り１８とレンズ７ｂとの間に位置する。回転ホイール１１１、１１２の向きは、それぞれ、その主たる平面がｘｙ平面と平行になる向き（投射レンズ７の光軸２５と直交する向き）である。
回転ホイール１１１の回転軸１２３は、ｘ軸方向の座標が−１４ｍｍ、ｙ軸方向の座標が０ｍｍとなるように配置されている。また、回転ホイール１１２の回転軸１２４は、ｘ軸方向の座標が０ｍｍ、ｙ軸方向の座標が１４ｍｍとなるように配置されている。
回転ホイール１１１、１１２の構成は、ぞれぞれ、前記第１の実施形態における回転ホイール１１と同様である。すなわち、回転ホイール１１１、１１２は、青領域、緑領域、及び赤領域に分割されている。
回転ホイール１１１、１１２は、それぞれの回転軸１２３、１２４を中心として、図示しないモータにより回転駆動される。すると、回転ホイール１１１、１１２における３つの領域（青領域、緑領域、赤領域）のいずれかが光軸２５を横切るように、時分割で切り換えて配設される。ここで、回転ホイール１１１と回転ホイール１１２の回転は、光軸２５を横切る領域の色が一致するように同期される。例えば、回転ホイール１１１の青領域が光軸２５を横切るときは、回転ホイール１１２の青領域が光軸２５を横切る。他の領域（色）についても同様である。
【００４０】
回転ホイール１１１、１１２の回転と連動して表示素子５上の映像を、各々の色に対応する映像に切り替える（すなわち、光軸２５が青領域を透過する時間帯は表示素子５に青色に対応した映像を表示し、光軸２５が緑領域を透過する時間帯は表示素子５に緑色に対応する映像を表示し、光軸２５が赤領域を透過する時間帯は表示素子５に赤色に対応する映像を表示する）と、回転ホイール１１１、１１２の回転が高速であれば、人間の残像現象により、カラーの虚像２１が得られる。
【００４１】
（ｂ）色収差を相殺するための構成
回転ホイール１１１、１１２には、それぞれ、前記第１の実施形態における回転ホイール１１と同様に、放射状シリンドリカルレンズ２７が形成されている。
上述したように回転ホイール１１１の回転軸１２３は、ｘ軸方向の座標が−１４ｍｍ、ｙ軸方向の座標が０ｍｍの位置にあり、光軸２５は、ｘ軸方向の座標及びｙ軸方向での座標がともに０ｍｍの位置にあるから、回転ホイール１１１の放射状シリンドリカルレンズ２７は、光軸２５上において、ｙ軸方向に沿って延びている。よって、回転ホイール１１１の放射状シリンドリカルレンズ２７が光軸２５上で曲率を有する方向は、ｘ軸方向である。
また、回転ホイール１１２の回転軸１２４は、ｘ軸方向の座標が０ｍｍ、ｙ軸方向の座標が１４ｍｍの位置にあり、光軸２５は、ｘ軸方向の座標及びｙ軸方向での座標がともに０ｍｍの位置にあるから、回転ホイール１１２の放射状シリンドリカルレンズ２７は、光軸２５上において、ｘ軸方向に沿って延びている。よって、回転ホイール１１２の放射状シリンドリカルレンズ２７が光軸２５上で曲率を有する方向は、ｙ軸方向である。
よって、虚像表示装置１は、回転ホイール１１１により、映像を横方向（ｘ軸方向）に拡大又は縮小するとともに、回転ホイール１１２により、映像を縦方向（ｙ軸方向）に拡大又は縮小することができる。
【００４２】
回転ホイール１１１における放射状シリンドリカルレンズ２７の曲率は、ｘ軸方向における色収差を相殺するように設定される。また、回転ホイール１１２における放射状シリンドリカルレンズ２７の曲率は、ｙ軸方向における色収差を相殺するように設定される。このことにより、ｘ軸方向の色収差と、ｙ軸方向の色収差とを解消又は軽減することができる。色収差を解消するような放射状シリンドリカルレンズ２７の曲率は、投射レンズ７、拡大レンズ１５の諸元に基づき、周知の方法で設定することができる。
例えば、投射レンズ７の諸元が表７に示すものである場合、周知の方法により、回転ホイール１１１、１１２における放射状シリンドリカルレンズ２７の諸元を、表８に示すように設定することができる。なお、拡大レンズ１５の諸元は前記第１の実施形態の場合と同様である。また、表８における回転ホイール１１１の「Radius」は、ｘ軸方向のみに作用するシリンドリカルレンズ面の値であり、回転ホイール１１２の「Radius」は、ｙ軸方向のみに作用するシリンドリカルレンズ面の値である。
【００４３】
【表７】
0004867854.tif 000008
【００４４】
【表８】
0004867854.tif 000009
【００４５】
（ｃ）色収差の測定
虚像表示装置１が色収差を相殺できることを以下に示す。
表示素子５上の所定の点の座標を（ｘｏ，ｙｏ）とする。この点が投射レンズ７によりスクリーン１３上に投影された点の座標が（ｘｓ，ｙｓ）である。さらに、このスクリーン１３上の画像が拡大レンズ１５により拡大され、虚像２１が表示される面（観察者から２ｍの面、以下「虚像面」とする）上に虚像として結像する点の座標が、（ｘｖ，ｙｖ）である。
座標（ｘｏ，ｙｏ）はいずれの色の場合でも同一として、青色の光束を用いた場合の座標（ｘｖ，ｙｖ）と、緑色の光束を用いた場合の座標（ｘｖ，ｙｖ）との距離をｄ（Ｂ−Ｇ）とし、緑色の光束を用いた場合の座標（ｘｖ，ｙｖ）と、赤色の光束を用いた場合の座標（ｘｖ，ｙｖ）との距離をｄ（Ｇ−Ｒ）とし、赤色の光束を用いた場合の座標（ｘｖ，ｙｖ）と、青色の光束を用いた場合の座標（ｘｖ，ｙｖ）との距離をｄ（Ｒ−Ｂ）とする。なお、計算に使用した波長は、青（Ｂ）が４８６ｎｍ、緑（Ｇ）が５８７ｎｍ、赤（Ｒ）が６５６ｎｍである。上述したｄ（Ｂ−Ｇ）、ｄ（Ｇ−Ｒ）、ｄ（Ｒ−Ｂ）が小さいほど、色収差は少ないということになる。
【００４６】
虚像表示装置１におけるｄ（Ｂ−Ｇ）、ｄ（Ｇ−Ｒ）、ｄ（Ｒ−Ｂ）の測定結果を、表９に示す。
【００４７】
【表９】
0004867854.tif 000010
【００４８】
表９に示すように、スクリーン１３上の結像位置（ｘｓ，ｙｓ）が、ｘ軸方向だけでなく、ｙ軸方向についても、色によって大きく異なっており、これが拡大レンズ１５によるｘ軸方向及びｙ軸方向における色収差を補正する働きをするため、結果として、ｄ（Ｂ−Ｇ）、ｄ（Ｇ−Ｒ）、ｄ（Ｒ−Ｂ）における最大値は０．１７６ｍｍに過ぎなかった。この値は、色収差の補正がない前記比較例の場合と比較して、約１／１００に過ぎない。また、前記第１の実施形態と比較しても、にじみ量が一層減少している。これは、ｘ軸方向のみならずｙ軸方向についても色収差を補正したためである。その結果、観察者は色のにじみを全く感じず、非常に良好な映像を得ることができた。
（ｄ）虚像表示装置１が奏する効果
本第２の実施形態における虚像表示装置１は、前記第１の実施形態における虚像表示装置１と略同様の効果を奏するとともに、さらに、以下の効果を奏することができる。
(i) 虚像表示装置１は、ｘ軸方向の色収差と、ｙ軸方向の色収差とをいずれも補正することができるため、色収差を抑える効果が一層高い。
(ii)回転ホイール１１１が備える放射状シリンドリカルレンズ２７の曲率と、回転ホイール１１２が備える放射状シリンドリカルレンズ２７の曲率とをそれぞれ任意に設定することができるため、例えば、拡大レンズ１５の横倍率が縦方向と横方向とで異なる場合でも、その倍率の違いに応じて、回転ホイール１１１、１１２における放射状シリンドリカルレンズ２７の曲率を縦方向と横方向とで変えることができる。その結果、色収差を抑制する効果が一層高い。
【００４９】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
前記第１の実施形態及び第２の実施形態において、投射レンズ７と回転ホイール１１（１１１、１１２）とは別置きの構造でも良く、回転ホイール１１（１１１、１１２）の位置は表示素子５からスクリーン１３の間であれば設置可能である。
【００５０】
前記第１の実施形態において、回転ホイール１１と表示素子５とを同期させて色を変化させるときに、同期回路の遅れ等により、特に色が切り替わる瞬間に回転ホイール１１の色と表示素子５の色とが完全に一致しないことがありうる。この際には、図１１に示すように、各色の間に光束の波長によらず光束を遮断するブラックマスク２９を設置することが効果的である。色が切り替わる際にブラックマスク２９により光がシャットアウトされるために、仮に、回転ホイール１１の色と表示素子５の色とが完全に一致しなくても、観察者が見る映像には影響しない。このブラックマスク２９の幅は同期回路の遅れ等を考慮して決定すればよい。また、前記第２の実施形態における回転ホイール１１１、１１２にも、同様に、ブラックマスク２９を設置することができる。
前記第１の実施形態及び第２の実施形態において、放射状シリンドリカルレンズ２７は、色ごとに異なる曲率の形状を有したレンズになっているが、平坦面に多数の溝を形成した回折レンズや、微小なプリズムの集合体のフレネルレンズでも良い。また、レンズ形成は回転ホイール１１の片面のみでも良い。こうすることにより、レンズの形成に要する手間やコストを低減することができる。
【００５１】
前記第１の実施形態及び第２の実施形態において、回転ホイール１１、１１１、１１２は、表示素子５と投射レンズ７との間に位置してもよい。表示素子５と投射レンズ７との間では、光束の幅が小さくなるため、結果として回転ホイール１１、１１１、１１２の必要な大きさが小さくなり、光学系全体を小さくできる。また、投射レンズ７と回転ホイール１１とを一体化する必要がないため、投射レンズの構成が複雑になるのを防ぐことができる。
【００５２】
前記第２の実施形態において、カラーフィルターは、回転ホイール１１１、１１２の両方に形成してもよいが、いずれか一方のみに形成してもよい。いずれか一方のみにカラーフィルターを形成するようにすれば、光束における透過率の減少を抑えることができる。
【００５３】
前記第１の実施形態において、回転ホイール１１の代わりに、図１２に示すように、２枚の回転ホイール（フィルタホイール）３１及び回転ホイール３３を備えていてもよい。回転ホイール３１は、回転ホイール１１と同様に、３つの領域に分割され、それぞれに、青、緑、赤のカラーフィルターが形成されているが、放射状シリンドリカルレンズ２７は形成されていない。一方、回転ホイール３３には、回転ホイール１１と同様に、放射状シリンドリカルレンズ２７が形成されているが、カラーフィルターは形成されていない。回転ホイール３１及び回転ホイール３３は、同期して回転するように制御される。すなわち、回転ホイール３１のうち、青のカラーフィルターが光軸２５上にあるときは、回転ホイール３３の放射状シリンドリカルレンズ２７のうち、青に対応する部分が光軸２５上にある。同様に、回転ホイール３１のうち、緑、赤のカラーフィルターが光軸２５上にある場合は、回転ホイール３３の放射状シリンドリカルレンズ２７のうち、それぞれに対応する部分が光軸２５上にある。
【００５４】
２枚の回転ホイール３１及び回転ホイール３３は、それらを組み合わせることで、回転ホイール１１と同様の機能を奏するから、回転ホイール３１及び回転ホイール３３を備える場合でも、前記第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】虚像表示装置１の構成を示す斜視図である。
【図２】図１のｙｚ平面における投射レンズ７及び回転ホイール１１を表す断面図である。
【図３】図１のｚｘ平面における投射レンズ７及び回転ホイール１１を表す断面図である。
【図４】回転ホイール１１を表す平面図である。
【図５】（ａ）は青領域１１ａにおける回転ホイール１１の径方向での断面図であり、（ｂ）は緑領域１１ｂにおける回転ホイール１１の径方向での断面図であり、（ｃ）は赤領域１１ｃにおける回転ホイール１１の径方向での断面図である。
【図６】比較例における虚像表示装置の構成を示す斜視図である。
【図７】比較例における投射レンズ７を表す断面図である。
【図８】虚像表示装置１の構成を示す斜視図である。
【図９】ｙｚ平面における投射レンズ７及び回転ホイール１１１、１１２を表す断面図である。
【図１０】ｚｘ平面における投射レンズ７及び回転ホイール１１１、１１２を表す断面図である。
【図１１】回転ホイール１１を表す平面図である。
【図１２】虚像表示装置１の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５６】
１、３１、３３、１０１・・・虚像表示装置、３・・・光源、５・・・表示素子、
７、１０７・・・投射レンズ、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ・・・レンズ、
９・・・投射光学系、１１、１１１、１１２・・・回転ホイール、１１ａ・・・青領域、１１ｂ・・・緑領域、１１ｃ・・・赤領域、１３・・・スクリーン、
１５・・・拡大レンズ、１７・・・コンバイナ、１８・・・絞り、
１９・・・アイポイント、２１・・・虚像、２３、１２３、１２４・・・回転軸、
２５・・・光軸、２７・・・放射状シリンドリカルレンズ、２９・・・ブラックマスク
【図４】
0004867854.tif 000011
【図５】
0004867854.tif 000012
【図１１】
0004867854.tif 000013
【図１】
0004867854.tif 000014
【図２】
0004867854.tif 000015
【図３】
0004867854.tif 000016
【図６】
0004867854.tif 000017
【図７】
0004867854.tif 000018
【図８】
0004867854.tif 000019
【図９】
0004867854.tif 000020
【図１０】
0004867854.tif 000021
【図１２】
0004867854.tif 000022