(57)【要約】ウィンドシールド８に設けられる表示部材１００であって、第１光学素子１１１と、第２光学素子１１２と、を備え、第２フレネル形状部１１２ａは、第１フレネル形状部１１１ａの形状を略反転させた形状を有し、第１及び第２光学素子１１１，１１２は、第１及び第２フレネル形状部１１１ａ，１１２ａを対向させた状態で接合されており、接合面ＣＲにおいて、像形成素子３０からの表示光ＨＫを第１及び第２フレネル形状部１１１ａ，１１２ａの少なくともいずれか一方により反射光として偏向しつつ反射させるとともに、像形成素子３０と反対側からの光を透過光として透過させることにより、反射光と透過光とを重ねて観察可能にし、第１溝１ａは、水平方向に直交する縦方向に対して傾斜して延びる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示スクリーンに設けられる表示部材であって、
一方の面に複数の第１溝を有する第１フレネル形状部を有する第１光学素子と、
一方の面に複数の第２溝を有する第２フレネル形状部を有する第２光学素子と、
を備え、
前記第２フレネル形状部は、前記第１フレネル形状部の形状を略反転させた形状を有し、
前記第１光学素子と前記第２光学素子とは、前記第１フレネル形状部と前記第２フレネル形状部とを対向させた状態で接合されており、
前記第１及び第２光学素子の接合面において、像形成素子からの表示光を前記第１及び第２フレネル形状部の少なくともいずれか一方により反射光として偏向しつつ反射させるとともに、前記像形成素子と反対側からの光を透過光として透過させることにより、前記反射光と前記透過光とを重ねて観察可能にし、
前記第１溝は、水平方向に直交する縦方向に対して傾斜して延びる、表示部材。
【請求項２】
前記第１光学素子の前記接合面と反対側の面には前記表示スクリーンの少なくとも一部を構成する第１光学部材が設けられ、前記第２光学素子の前記接合面の反対側の面には前記表示スクリーンの少なくとも一部を構成する第２光学部材が設けられる、請求項１に記載の表示部材。
【請求項３】
前記表示スクリーンは、ウィンドシールドの少なくとも一部である、請求項２に記載の表示部材。
【請求項４】
前記表示スクリーンは、コンバイナーである、請求項２に記載の表示部材。
【請求項５】
前記第１溝の高さは、前記水平方向に対応する第１方向の断面と、前記第１方向に直交する前記縦方向に対応する第２方向の断面において一定である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の表示部材。
【請求項６】
前記第１溝の表面は、非球面形状及び自由曲面形状のいずれかを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の表示部材。
【請求項７】
前記第１溝の表面の曲率は、前記水平方向に対応する第１方向と、前記第１方向に直交する前記縦方向に対応する第２方向の少なくともいずれかにおいて位置に応じて変化する、請求項６に記載の表示部材。
【請求項８】
前記第１溝のピッチは、前記水平方向に対応する第１方向と、前記第１方向に直交する前記縦方向に対応する第２方向の少なくともいずれかにおいて位置に応じて変化する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の表示部材。
【請求項９】
前記第１溝の表面の厚み方向に垂直な方向に対する角度は、前記水平方向に対応する第１方向と、前記第１方向に直交する前記縦方向に対応する第２方向の少なくともいずれかにおいて位置に応じて変化する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の表示部材。
【請求項１０】
前記複数の第１溝は、前記第１光学素子の面に沿って複合輪帯形状を有し、非同心円状に配置される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の表示部材。
【請求項１１】
前記第１及び第２光学素子は、前記表示スクリーンの全体形状に応じて湾曲する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の表示部材。
【請求項１２】
前記第１及び第２光学素子で構成されるシート状部材を有し、
前記シート状部材は厚さが変化する楔形状を有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の表示部材。
【請求項１３】
前記接合面において、第１光学素子と、前記第２光学素子とは、略同じ屈折率を有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の表示部材。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の表示部材と、
前記表示部材を設けた表示スクリーンと、
前記表示部材越しに表示する虚像に対応する画像を表示する描画ユニットと、
を備える、表示装置。
【請求項１５】
像形成素子によって形成された画像を表示スクリーン越しに虚像投影して表示させる虚像投影光学系を備える表示装置であって、
前記虚像投影光学系は、少なくとも１つのフレネル素子を含み、
前記虚像投影光学系を構成する部材の少なくとも１つを微細振動させる振動機構を備える、表示装置。
【請求項１６】
前記虚像投影光学系は、前記像形成素子の像を拡大する拡大投射光学系を有する、請求項１５に記載の表示装置。
【請求項１７】
前記拡大投射光学系は、中間像の形成位置の近傍に配置される中間スクリーンと、前記中間スクリーンより前記像形成素子側に配置される第１投影光学系と、前記中間スクリーンより虚像側に配置される第２投影光学系とを有する、請求項１６に記載の表示装置。
【請求項１８】
前記像形成素子は、液晶表示パネルである、請求項１５及び１６のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項１９】
前記フレネル素子は、ミラー及びレンズの少なくともいずれかである、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項２０】
前記フレネル素子は、前記表示スクリーンの少なくとも一部として設けられている、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項２１】
前記フレネル素子は、フレネル構造上にハーフミラーコート層を有し、前記ハーフミラーコート層は、ほぼ同一の屈折率を有する一対の基材で挟まれている、請求項２０に記載の表示装置。
【請求項２２】
前記微細振動のストロークは、前記フレネル素子を構成するフレネル構造の平均ピッチよりも短い、請求項１５〜２１のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項２３】
前記微細振動の振動方向は、前記フレネル素子の中心におけるフレネル構造の接線垂直方向に対して±３０°の角度範囲内に設定されている、請求項１５〜２２のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項２４】
前記微細振動の振動方向は、前記フレネル素子の中心におけるフレネル構造の接線垂直方向に対して±３０°の角度範囲内の所定方向、及び前記所定方向に対して垂直な方向である、請求項１５〜２２のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項２５】
前記振動機構は、前記フレネル素子を微細振動させる、請求項１５〜１９、２２〜２４のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項２６】
前記振動機構は、前記虚像投影光学系を構成する部材のうち前記フレネル素子以外の部材を微細振動させる、請求項１５〜２４のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項２７】
前記フレネル素子を構成するフレネル構造は、同心円型のパターンを有する、請求項１５〜２６のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項２８】
前記フレネル素子を構成するフレネル構造は、非同心円型のパターンを有する、請求項１５〜２６のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項２９】
前記フレネル素子を構成するフレネル構造の表面は、自由曲面を有する、請求項２８に記載の表示装置。
【請求項３０】
前記フレネル素子を構成するフレネル構造によって遮光される領域に応じて、前記像形成素子の輝度パターンを変化させる、請求項１５〜２９のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項３１】
前記フレネル素子は、表示スクリーンに設けられる表示部材であり、一方の面に複数の第１溝を有する第１フレネル形状部を有する第１光学素子と、一方の面に複数の第２溝を有する第２フレネル形状部を有する第２光学素子とを有し、
前記第１溝は、水平方向に直交する縦方向に対して傾斜して延びる、請求項１５〜２９のいずれか一項に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光透過性を有しつつ画像を投影表示させるために用いられる表示部材、及び、画像を投影によって表示する表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤとする）装置等の表示装置には、光透過型のスクリーン（又は表示部材）が用いられている。このスクリーンは、表示装置の光学ユニット又は描画ユニットからの表示光を反射し、かつ外界からの光を透過させるものである。ＨＵＤ装置において、表示光は観察者の頭部を正面として斜め方向からスクリーンに入射する。そのため、表示光は、スクリーンにおいて観察者が表示光による投影画像を認識するように正面に相当する所定の方向に曲げられることが求められる。【０００３】
ウィンドシールドにおいて、外部ガラス板と内部ガラス板との間に、ライン及び空白部の組み合わせからなり、入射される映像をラインを用いて反射するパターン部を有するものがある（特許文献１参照）。特許文献１のウィンドシールドでは、パターン部と内部ガラス板との間にＰＶＢフィルムが設けられている。パターン部のラインはＨＵＤ装置の表示光全体又は一部を反射させ、空白部はラインとラインとの間に形成され光を透過させる。パターン部は、不連続又は連続的な水平、垂直、又は曲線ラインの組み合わせ、格子形ライン、又は円形、楕円形、多角形、又はファジー形ラインの組み合わせで構成されている。このようなパターン部の構成により、ウィンドシールドで発生する二重像の問題を解決している。【０００４】
しかしながら、特許文献１では、表示光の向きを所定方向に偏向することについては開示されていない。【０００５】
また、ウィンドシールドにおいて、厚み方向の一方の面に複数の溝が形成されたフレネル形状部と、当該フレネル形状部の面上に形成されたハーフミラー層とを備える光学部材で構成される光学デバイスを有するものがある（特許文献２、３参照）。特に特許文献２の光学デバイスにおいて、フレネル形状部の複数の溝は、それぞれの表面に自由曲面を有している。また、各溝の深さや反射面の角度を変化させている。また、各溝の円周方向の位置毎に、フレネル形状部の中央部から円周上の各点までの距離も変化させることができる。特許文献２の光学デバイスは、溝に沿った円周方向の位置の違いに応じて各溝の反射面の角度を連続的に変化させることで、自由曲面特性を持たせることができ、光学系等に存在する３次元状の歪みを抑制している。【０００６】
しかしながら、特許文献２の光学デバイスでは、上述のように自由曲面のフレネル形状について記載されているが、溝のピッチが特定方向において一定の場合、曲率変化の大きい形状をフレネル化すると、溝の輪帯高さが高くなる。そのため、このような光学デバイスをウィンドシールドに適用すると、厚さが問題となる。さらに、フレネル構造部の段差付近を通過する光線は遮光され、虚像に欠落部が生じ、画像品質の悪い虚像となる可能性がある。【０００７】
また、ウィンドシールドにおいて、第１〜第３の光学層を有し、第１の光学層と第２の光学層とが互いに密着し、かつ第１の光学層と第３の光学層とが互いに密着した光学部材を有するものがある（特許文献４参照）。第１の光学層は、第１の主面に凹部と当該凹部の周囲に設けられた複数の凸条部とを有し、第１の主面に対向する第２の主面に凸部と当該凸部の周囲に設けられた複数の凸条部とを有する。第１の光学層の屈折率は、第２の光学層の屈折率よりも高く、かつ第３の光学層の屈折率よりも高くなっている。特許文献４の光学部材は、表示像を拡大しつつ、ウィンドシールドを透過する外界像の歪みを抑制している。【０００８】
また、ウィンドシールドにおいて、フレネルレンズが設けられた主面を有する光学シートを備え、フレネルレンズの光軸が当該主面の外形の中心とは異なる位置に配置されている光学素子を有するものがある（特許文献５参照）。特許文献５において、主面側に光学素子を支持するウィンドシールド等の透明板が配置されている。【０００９】
特許文献４及び５の光学部材や光学素子は、フレネル形状を有しているが、光学部材や光学素子を含む領域においてフレネル形状が軸対称であり自由曲面を有しておらず、非点隔差が生じうる。これにより、観察像（投影像）の性能劣化が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１２−５１７８０号公報
【特許文献２】特開２０１６−１８０８７１号公報
【特許文献３】特開２０１５−１６１７３２号公報
【特許文献４】特開２０１０−７８８６０号公報
【特許文献５】特開２０１１−１９１７１５号公報
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、広い視野角や広いアイボックスを確保しつつ、表示光を生成する装置の小型化を図ることができる表示部材を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、画像表示性能を確保して虚像を投影することができる表示装置を提供することを目的とする。
【００１３】
上記した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した表示部材は、表示スクリーンに設けられるものであって、一方の面に複数の第１溝を有する第１フレネル形状部を有する第１光学素子と、一方の面に複数の第２溝を有する第２フレネル形状部を有する第２光学素子と、を備え、第２フレネル形状部は、第１フレネル形状部の形状を略反転させた形状を有し、第１光学素子と第２光学素子とは、第１フレネル形状部と第２フレネル形状部とを対向させた状態で接合されており、第１及び第２光学素子の接合面において、像形成素子からの表示光を第１及び第２フレネル形状部の少なくともいずれか一方により反射光として偏向しつつ反射させるとともに、像形成素子と反対側からの光を透過光として透過させることにより、反射光と透過光とを重ねて観察可能にし、第１溝は、水平方向に直交する縦方向に対して傾斜して延びる。なお、略反転させた形状とは、第２フレネル形状部の形状が、第１フレネル形状部の形状を反転させた形状と完全に同じでなく、多少の誤差を含んでもよいことも意味する。この場合、第１及び第２フレネル形状部間には、接着剤等が介在することが望ましい。
【００１４】
また、上記した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した表示装置は、上述の表示部材と、表示部材を設けた表示スクリーンと、表示部材越しに表示する虚像に対応する画像を表示する描画ユニットと、を備える。
【００１５】
また、上記した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した表示装置は、像形成素子によって形成された画像を表示スクリーン越しに虚像投影して表示させる虚像投影光学系を備えるものであって、虚像投影光学系は、少なくとも１つのフレネル素子を含み、虚像投影光学系を構成する部材の少なくとも１つを微細振動させる振動機構を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１Ａ及び１Ｂは、第１実施形態に係る表示部材及び表示部材を組み込んだ表示装置を説明する図である。
【図２】図２Ａは、図１Ａに示す表示部材及び表示装置の構成を説明する縦断面図であり、図２Ｂは、表示部材の部分横断面図である。
【図３】図３Ａは、図２Ａの表示部材を第１光学素子側から見た平面図であり、図３Ｂは、図３Ａの表示部材のＡ−Ａ断面図であり、図３Ｃは、図３Ａの表示部材のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図４Ａは、表示部材の溝の構造及び反射面における反射を説明する図であり、図４Ｂは、表示部材の無反射領域を説明する図である。
【図５】第２実施形態に係る表示部材等を説明する図である。
【図６】第３実施形態に係る表示部材等を説明する図である。
【図７】表示部材の変形例を説明する図である。
【図８】表示部材の別の変形例を説明する図である。
【図９】表示部材の別の変形例を説明する図である。
【図１０】第４実施形態の表示装置の具体的な構成例を説明する拡大側方断面図である。
【図１１】図１１Ａは、表示装置に組み込まれた虚像投影光学系のうちフレネル素子の正面図であり、図１１Ｂは、図１１Ａのフレネル素子のＡ−Ａ’矢視拡大断面図である。
【図１２】表示装置を含む移動体用表示システムを説明するブロック図である。
【図１３】具体的な表示状態を説明する斜視図である。
【図１４】図１４Ａは、第４実施形態の実施例であって、フレネル素子をミラーとして使用した場合の光学配置のＹＺ断面図であり、図１４Ｂは、図１４Ａの光学配置のＸＺ断面図である。
【図１５】図１５Ａは、第４実施形態の比較例であって、虚像生成光学系においてミラーを使用した場合の光学配置のＹＺ断面図であり、図１５Ｂは、図１５Ａの光学配置のＸＺ断面図である。
【図１６】第５実施形態の表示装置の具体的な構成例を説明する拡大側方断面図である。
【図１７】図１７Ａは、虚像投影光学系のうちフレネル素子を説明する平面図であり、図１７Ｂは、図１７Ａのフレネル素子のＡ−Ａ’矢視拡大断面図である。
【図１８】図１８Ａは、第６実施形態の表示装置を説明する車内側からの正面図であり、図１８Ｂは、表示装置を説明する側方断面図である。
【図１９】第７実施形態の表示装置のうちフレネル素子を説明する図である。
【図２０】第８実施形態の表示装置の具体的な構成例を説明する拡大側方断面図である。
【図２１】図２１Ａ及び２１Ｂは、中間スクリーンを組み込んだ拡散部の構造を説明する一部破断平面図及び一部破断側面図であり、図２１Ｃは、中間スクリーンの回転に伴う機能領域の移動を説明する図である。
【図２２】フレネル素子の変形例を説明する正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態にかかる表示部材及び表示装置について説明する。
【００１８】
図１Ａ、１Ｂ、２Ａ、及び２Ｂに示すように、本実施形態の表示部材１００は、自動車等の移動体のウィンドシールド８又はフロントガラス等の光透過性を有する板状部材の内部に埋め込まれている。本実施形態において、ウィンドシールド８の一部である表示部１３０は、表示スクリーンとして機能しており、表示部材１００はこの表示スクリーンの内部に組み込まれている。ウィンドシールド８は、ガラス製の第１光学部材１１０と第２光学部材１２０とを貼りあわせて形成されている。表示部材１００は、フィルム状のシート状部材９０であり、このシート状部材９０がウィンドシールド８を構成する第１光学部材１１０と第２光学部材１２０とに挟まれた状態となり、ウィンドシールド８の一部を構成している。
【００１９】
表示部材１００は、可視光波長域で８０％以上の内部透過率を有している。表示部材１００は、後述する表示装置２００の描画ユニット２１０からの投影像（表示光）を鮮明に映し出し、かつ外界からの光を透過させる。つまり、表示部材１００をＨＵＤ装置等の表示装置２００に用いる場合、観察者（ドライバーＵＮ）等が表示部材１００を介して外部の背景を観察するとともに、投影像も観察することができる。
【００２０】
表示部材１００は、第１光学素子１１１と第２光学素子１１２とを接合した構造を有する。表示部材１００には、第１光学素子１１１の接合面ＣＲと反対側の面（具体的には、平坦面１１１ｂ）に第１光学部材１１０が設けられ、第２光学素子１１２の接合面ＣＲの反対側の面（具体的には、平坦面１１２ｂ）に第２光学部材１２０が設けられる。これにより、表示部材１００の全体形状をウィンドシールド８の形状に沿ったものとすることができ、表示部材１００の取り扱いを容易にすることができる。また、表示部材１００のメンテナンスを簡易化することができる。第１及び第２光学素子１１１，１１２は、表示スクリーンを備えるウィンドシールド８の形状に応じて湾曲している。なお、ウィンドシールド８が湾曲面を有する場合、平坦面１１１ｂ，１１２ｂも完全な平面ではなく湾曲面を有することになる。表示部材１００を構成する要素的な反射面は、この湾曲による角度変化を前提としたものとなっている。
【００２１】
表示部材１００のうち第１光学素子１１１は、観察者であるドライバーＵＮ側に配置され、一方の面に複数の第１溝１ａを有する第１フレネル形状部１１１ａを有する。また、第２光学素子１１２は、第１光学素子１１１に対向してドライバーＵＮの反対側に配置され、一方の面に複数の第２溝２ａを有する第２フレネル形状部１１２ａを有する。つまり、第１及び第２溝１ａ，２ａは、第１及び第２光学素子１１１，１１２の面上に、２次元的にそれぞれ配列されている（図３Ａ参照）。第２フレネル形状部１１２ａは、第１フレネル形状部１１１ａの形状を略反転させた形状を有している。なお、略反転させた形状とは、第２フレネル形状部１１２ａの形状が、第１フレネル形状部１１１ａの形状を反転させた形状と完全に同じでなく、多少の誤差を含んでもよいことも意味する。第１光学素子１１１と第２光学素子１１２とは、第１フレネル形状部１１１ａと第２フレネル形状部１１２ａとを対向させた状態で接合面ＣＲで接合されている。この場合、第１及び第２フレネル形状部１１１ａ，１１２ａ間には、接着剤等が介在することが望ましい。詳細は後述するが、接合面ＣＲにおいて、第１光学素子１１１と、第２光学素子１１２とは、略同じ屈折率を有する。この場合、表示部材１００を透過する透過光の歪みを防ぐことができる。第１及び第２光学素子１１１，１１２において、接合面ＣＲと反対側の面はそれぞれ平坦面１１１ｂ，１１２ｂとなっている。表示部材１００は、第１及び第２光学素子１１１，１１２の接合面ＣＲにおいて、後述する像形成素子３０からの表示光ＨＫを第１及び第２フレネル形状部１１１ａ，１１２ａの少なくともいずれか一方により反射光として偏向しつつ反射させるとともに、像形成素子３０と反対側からの光を透過光として透過させることにより、反射光と透過光とを重ねて観察可能にしている。ここで、フレネル形状部１１１ａ，１１２ａによる表示光ＨＫの偏向とは、表示部材１００の全体形状で見て正反射的でないこと、つまり入射角と反射角とが正確に一致しないことを意味し、表示部材１００の全体的又は平坦面１１１ｂ，１１２ｂの曲面に近似させた非球面等の近似面について基準軸を考えた場合に、フレネル形状部１１１ａ，１１２ａの微細形状としての光軸を基準軸と一致させずズレを生じさせることを意味する。具体的には、フレネル形状部１１１ａ，１１２ａによる表示光ＨＫの偏向とは、例えばＹＺ面内で観察した場合に、光軸の方向と基準軸の方向とがＸ軸のまわりに回転する角度差を有することを意味し、ＸＺ面内で観察した場合に、光軸の方向と基準軸の方向とがＹ軸のまわりに回転する角度差を有することを意味する。フレネル形状部１１１ａ，１１２ａが例えば自由曲面を分割して個々の分割領域間に段差を付与したものである場合、フレネル形状部１１１ａ，１１２ａの光軸方向は、光学素子１１１，１１２の中心部における近似的光軸方向であるとすればよい。 
【００２２】
第１及び第２フレネル形状部１１１ａ，１１２ａの表面のいずれか一方は、所望の反射特性を持つミラーＭＲとなっている。表示部材１００において、シート状部材９０内において多数のミラーＭＲが集まって、全体としてウィンドシールド８に沿って面状に延びる反射面１９１が形成される。ミラーＭＲの反射率は、例えば１５％〜３０％となっている。ミラーＭＲは、金属や多層膜等で形成されている。第１及び第２フレネル形状部１１１ａ，１１２ａの形状は、ミラーＭＲの有効領域の傾斜角がシート状部材９０への巨視的な入射角θ１と、シート状部材９０からの巨視的な射出角θ２とを達成できるように設定され、描画ユニット２１０からの表示光ＨＫを偏向させてアイボックスに向ける。ミラーＭＲは、反射に寄与する第１要素ＭＲａと反射に寄与しない第２要素ＭＲｂとからなり、巨視的な入射角θ１に対して巨視的な射出角θ２を実現するため、一方の第１要素ＭＲａのみが使われることになる。なお、第２要素ＭＲｂには、反射防止処理を施すことができる。
【００２３】
図３Ａ〜３Ｃに示すように、第１フレネル形状部１１１ａにおいて、第１溝１ａは、水平方向に直交する縦方向に対して傾斜して延びている。言い換えれば、第１溝１ａは、表示部材１００を有する領域である表示部１３０において、水平方向に対応する第１方向αと第１方向αに直交する縦方向に対応する第２方向βとに対してそれぞれ非軸対称となっている。ここで、表示部材１００において、水平方向は、車体２の設置面を基準とする。縦方向は、鉛直方向つまりＹ方向とは限らず、表示部材１００全体が延びる平面又は曲面に沿った方向を意味する。第１方向αは、第１光学素子１１１の面とＸＺ面とが交差する方向である。また、第２方向βは、第１光学素子１１１の面とＹＺ面とが交差する方向となる。ここで、−Ｚ方向は、車体２の前進方向であり、Ｘ方向は、車体２の横方向である。
【００２４】
複数の第１溝１ａは、第１光学素子１１１の面に沿って複合輪帯形状を有し、非同心円状に配置されている。ここで、非同心円状とは、第１溝１ａの各輪帯を構成する円弧局所部の表示部１３０に沿った曲率半径が、同一の円弧又は輪帯内の他の円弧局所部の曲率半径と一致しないことを意味する。複合輪帯形状は、各第１溝１ａの最大頂点を基準として設計されている。この場合、第１溝１ａの複合輪帯形状は、非軸対称又は偏芯といった非対称性を特徴とする非球面形状（トーリック面を含む）又は自由曲面形状を有することになり、フレネル形状の自由度が増え、光学倍率を高くすることができる。これにより、虚像の視野を広くすることができ、表示装置２００の小型化を図ることができる。この複合輪帯形状の表示部１３０に沿った曲率の中心は表示部材１００の表示部１３０の中央に対して斜め方向にずれた位置にあり、フレネル形状部１１１ａによる表示光ＨＫの斜め偏向を可能にしている。そのため、後述する像形成素子３０の中心は、例えば表示部１３０の中心又は中心付近を通るＹＺ面内に対応する正反射的な位置に配置されず、第１溝１ａの複合輪帯形状の曲率中心側にずらした斜め下方向に配置されている。このような構成とすることで、像形成素子３０の配置自由度が増し、例えばハンドル等の表示部材１００の下方にある部材との干渉がなく装置を配置できる等の利点が生じるので、望ましい構成と言える。
【００２５】
第１溝１ａの高さｈ１，ｈ２は、水平方向に対応する第１方向αの断面及び横方向に対応する第２方向βの断面において一定となっている。ここで、第１溝の高さｈ１，ｈ２とは、各第１溝１ａにおける最大頂点と最小頂点との差を意味する。また、この場合において、車体２における水平方向や縦方向を基準としてもよいが、第１方向α及び第２方向βは、画像の中心を通り、アイボックスに入る主光線に基づいて決定することができる。これにより、表示部材１００の厚さを略一定にしやすくなり、表示スクリーンを備えるウィンドシールド８への組み込みを容易にすることができる。
【００２６】
複数の第１溝１ａの各表面は、非球面形状及び自由曲面形状のいずれかを有している。これにより、解像度の高い虚像の表示が可能となるだけでなく、表示部材１００内の接合面ＣＲを屈折力を有するものとしても画質を維持しやすく、表示部材１００を組み込む表示装置２００から入射する光束を比較的小さくすることができる。これにより、表示装置２００の光学系を小さくすることができ、表示装置２００の小型化を図ることができる。第１溝１ａの表面の曲率は、第１及び第２方向α，βの少なくともいずれかにおいて位置に応じて変化している。これにより、第１溝１ａの高さｈ１，ｈ２が一定でも、表示部材１００において反射光を所定の方向に偏向して反射させた場合において状態を確保することができる。
【００２７】
第１溝１ａのピッチｐ１，ｐ２は、第１及び第２方向α，βの少なくともいずれかにおいて位置に応じて変化することが望ましい。これにより、第１溝１ａの高さｈ１，ｈ２が一定でも、表示部材１００において反射光を所定の方向に偏向して反射させることができる。
【００２８】
また、第１溝１ａの表面の厚み方向に垂直な方向に対する角度についても、第１及び第２方向α，βの少なくともいずれかにおいて位置に応じて変化することが望ましい。これにより、第１溝１ａの高さｈ１，ｈ２が一定でも、表示部材１００において反射光を所定の方向に偏向して反射させることができる。
【００２９】
以上のように、第１フレネル形状部１１１ａの第１溝１ａを水平方向に直交する縦方向である第２方向βに対して傾斜する構造とすることにより、第１フレネル形状部１１１ａは、光源からの入射光束の中心の主光線と、表示部材１００の反射面９１で反射されドライバーＵＮの瞳ＨＴに導かれる出射光束の中心の主光線とが所定の方向又は所定の面内を通過するように設定されている。結果的に、第１フレネル形状部１１１ａにより、表示部材１００における表示光ＨＫの入射角度（つまり、入射角θ１）に対する反射角度（つまり、射出角θ２）の角度変化を補正又は調整することができ、所望の偏向を実現することができる。第１フレネル形状部１１１ａの形状は、第１溝１ａの縦方向に対する傾きを前提として、第１及び第２方向α，βの側断面視において、光線反射角を補正して反射光を偏向しつつ、非点隔差も補正されるように設定されている。第１溝１ａにおいて、第１方向α成分及び第２方向β成分の形状パラメーターを決定することで、第１溝１ａの縦方向に対する傾斜角が決まり、第１溝１ａの延びる方向が決まる。反射面９１への入射角は、第１フレネル形状部１１１ａの構造に応じて例えば０°〜９０°までの全ての範囲とすることができる。
【００３０】
第１フレネル形状部１１１ａにおいて、第１溝１ａの高さｈ１，ｈ２、ピッチｐ１，ｐ２、及び曲率等の寸法は、ＨＵＤ装置を構成する光学系との組合せで性能を確保するために必要な構造から決まる値である。なお、第２フレネル形状部１１２ａは、第１フレネル形状部１１１ａを略反転させた形状であるので、寸法等の説明を省略する（以降も同様）。
【００３１】
図４Ａに示すように、ミラーＭＲの第１要素ＭＲａと第２要素ＭＲｂとのなす角、すなわちフレネル面角度ｂは、入射光束の表示部材１００の入射面に対応する面１００ａ（本実施形態では、第１光学部材１１０の表面）に対する方向（又は角度、すなわち入射角θ１）、出射光束の表示部材１００の入射面に対応する面１００ａに対する方向（又は角度、すなわち射出角θ２）、及び表示部材１００を構成する媒質の屈折率等で決められる。表示部材１００に対して、ある一定の距離を持った位置に置かれた光源からの光束は、例えば発散光として光束が入射する場合には、表示部材１００の入射面に入射する位置によって、その位置の光線の入射角度（つまり、入射角θ１）が変化する。
【００３２】
図４Ｂに示すように、表示部材１００には、第１フレネル形状部１１１ａに表示光Ｌ１が入射せず、反射に寄与しない無反射領域ＤＡが発生しうる。第１フレネル形状部１１１ａは、この無反射領域ＤＡが最小限となるように設計されることが好ましい。第１溝１ａの高さｈ１，ｈ２、及びピッチｐ１，ｐ２を回折が問題にならない程度に設定し、第１溝１ａの高さｈ１，ｈ２をできるだけ小さくすれば無反射領域ＤＡを小さくすることができる。
【００３３】
表示部材１００は、プレス成形、光硬化性樹脂等を用いた転写成形等によって製造される。第１及び第２光学素子１１１，１１２は、光透過性を有する有機材料や無機材料等で形成されている。既に説明したように、第１及び第２光学素子１１１，１１２の接合面ＣＲにおいて、第１フレネル形状部１１１ａ側の基材と、第２フレネル形状部１１２ａ側の基材とは、略同じ屈折率を有する。ここで、略同じ屈折率とは、０〜０．０５程度の屈折率差を有することを意味する。この場合、第１及び第２光学素子１１１，１１２の接合面ＣＲで屈折等の問題が生じることを防ぐことができ、画像の歪み等の劣化を防ぐことができる。なお、第１及び第２光学素子１１１，１１２の屈折率については、表示光Ｌ１が反射する側の第１溝１ａ（つまり第１フレネル形状部１１１ａ）を有する基材の屈折率を基準とすることが望ましい。
【００３４】
以下、表示部材１００の使用状態等について説明する。図１Ａ、１Ｂ、及び２Ａ等に示すように、表示部材１００は、表示装置２００に組み込まれる。この表示装置２００は、例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置として車体２内に搭載されるものであり、描画ユニット２１０と表示部材１００とを備える。表示装置２００は、後述する像形成素子３０に表示される画像情報を、表示部材１００越しに虚像表示又は虚像投影するものである。本実施形態では、表示部材１００は、ウィンドシールド（フロントウィンドウ）８と一体で設置されるものとなっている。
【００３５】
表示装置２００のうち描画ユニット２１０は、車体２のダッシュボード４内に埋め込むように設置されており、運転関連情報や危険信号等を含む画像に対応する表示光ＨＫを表示部材１００の表示部１３０に向けて射出する。ここで、表示部１３０とは、ウィンドシールド８のうち表示部材１００を有する領域を意味する。表示部１３０は、表示スクリーンとして機能し、ウィンドシールド８のうち像形成素子３０からの画像を表示させる部分である。表示部１３０は、ドライバーＵＮのいる観察側又は運転席６側に設けた第１光学面１１ａと、反観察側に設けた第２光学面１２ａとを有する。表示部１３０の反射率は、表示部１３０の周囲の領域の反射率よりも高くなっている。この場合、表示部１３０において、表示部１３０の周囲よりも画像を見えやすくすることができる。表示部１３０の領域及びその周囲の領域は、観察者（ドライバーＵＮ）の視野角とアイボックスの仕様とで決まる。表示部１３０は、描画ユニット２１０からの表示光ＨＫを車体２の後方に向けて反射する。表示部材１００（表示部１３０）で反射された表示光ＨＫは、ドライバーＵＮの瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックスに導かれる。ドライバーＵＮは、表示部材１００で反射された表示光ＨＫ、つまり車体２の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、ドライバーＵＮは、表示部材１００を透過した外界光、つまり前方景色等の実像を観察することができる。結果的に、ドライバーＵＮは、表示部１３０の背後の外界像に重ねて、表示部材１００の表示部１３０での表示光ＨＫの反射によって形成される運転関連情報等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。
【００３６】
図２Ａ及び２Ｂに示すように、描画ユニット２１０は、像形成素子３０を備えた像形成部４０と、拡大投射光学系５０と、ハウジング１４とを備える。なお、図２Ａ等は、表示装置２００の構成を例示したものであり、表示装置２００の構成は、その仕様や設置箇所等によって適宜変更される。
【００３７】
像形成部４０は、詳細な説明を省略するが、像形成素子３０のほかに、像形成素子３０に表示動作を行わせる表示駆動回路、像形成素子３０を照明するための光を射出するＬＥＤその他の光源、かかる光源からの光を均一化する均一化光学系等を備える。像形成素子３０は、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）や反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）等の反射型の素子でも、液晶等（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等）の透過型の素子でもよい。特に、像形成素子３０にＤＭＤを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切り替えることができ、表示に有利である。
【００３８】
拡大投射光学系５０は、像形成素子３０に形成された画像に対応する中間像を形成する第１投影光学系５１と、中間像に対応する像光を表示部材１００に入射させることによって虚像を表示する第２投影光学系５２とを備える。拡大投射光学系５０は、中間像が形成される位置又はその近傍に中間スクリーン１６を有する。詳細な説明を表略するが、中間スクリーン１６は、光軸ＡＸ方向に移動する可動型の部材とすることができる。この場合、拡大投射光学系５０は、可変焦点となり、表示像（虚像）ＩＭの投影距離を変化させることができる。
【００３９】
ハウジング１４は、表示光ＨＫを通過させる開口１４ａを有し、この開口１４ａには、フィルム状又は薄板状の光透過部材１４ｂを配置することができる。
【００４０】
図１Ａに示すように、表示部材１００で反射された表示光ＨＫは、ドライバーＵＮの瞳ＨＴに導かれる。ここで、表示光ＨＫを表示部材１００の背後に延長した虚像光線ＫＫは、ドライバーの瞳ＨＴに対して前方の所定位置に表示像（虚像）ＩＭを形成する。なお、瞳ＨＴから表示部材１００までの距離は、車体２の仕様によるが例えば０．５〜１ｍ程度としており、表示部材１００から表示像ＩＭまでの距離は、例えば１ｍ程度以上としている。また、視野角は、−１０°〜−１５°程度としている。また、アイボックスは、標準的なドライバーＵＮの瞳ＨＴの位置をカバーするように設定され、例えば横１０〜１５ｃｍ、縦５〜８ｃｍと言ったサイズに設定される。
【００４１】
表示部材１００の瞳ＨＴ側に配置されている第１光学面１１ａ（実際には、接合面ＣＲ）は、拡大投射光学系５０を介して像形成素子３０に形成された画像を瞳ＨＴに対して表示像ＩＭとして少ない歪みで表示又は投影する。この際、第１光学面１１ａは、その光学面形状によって歪みのない表示像ＩＭを形成することができる。なお、第２光学面１２ａに反射防止膜を設けない場合、又は反射防止膜で若干の反射が残る場合、第２光学面１２ａにおいても、第１光学面１１ａを通過して分岐された表示光ＨＫを部分的に反射する。この場合、分岐後に背後の第２光学面１２ａでの反射された表示光（以下便宜上、副表示光と呼ぶ）は、第１光学面１１ａを通過して瞳ＨＴに入射するので、表示像ＩＭと重畳して２重像を形成する可能性がある。しかしながら、第２光学面１２ａで反射された副表示光が、元の表示光ＨＫとの関連で表示像ＩＭ上の同一点から射出されるよう進行するならば、表示光ＨＫによる虚像と副表示光による虚像とが重なって２重像の形成を回避できる。副表示光の進行方向を制御するため、第２光学面１２ａの曲率又は傾斜角や基材の厚さを第１光学面１１ａを基準として調整すればよい。
【００４２】
以上説明した表示部材１００では、表示部材１００内の接合面ＣＲにおいて、反射光を偏向させてドライバーＵＮ側に入射させることにより、視野角やアイボックスを十分に確保することができる。また、偏向により、ＨＵＤ装置等の表示装置２００の配置に自由度を持たせることができる。また、第１フレネル形状部１１１ａを構成する第１溝１ａが水平方向に直交する縦方向（具体的には、第２方向β）に対して傾斜して延びることで、第１溝１ａを直交する２方向においてそれぞれ非軸対称とすることができ、表示部材１００を組み込む表示装置２００の例えば第２投影光学系５２等の光学部材のサイズを小さくすることができ、表示装置２００全体の小型化を図ることができる。
【００４３】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る表示部材等について説明する。なお、第２実施形態の表示部材等は第１実施形態の表示部材等を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。
【００４４】
図５に示すように、本実施形態において、表示部材１００は、ウィンドシールド８とは独立した部材であるコンバイナー１０８内に設けられる。つまり、コンバイナー１０８が表示スクリーンの機能を有する。この場合、表示部材１００の配置を適宜変更することができる。
【００４５】
〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る表示部材等について説明する。なお、第３実施形態の表示部材等は第１実施形態の表示部材等を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。
【００４６】
図６に示すように、本実施形態において、ウィンドシールド８は、略鉛直方向に延びるように配置されている。これに伴い、ウィンドシールド８内に設けられた表示部材１００又は表示部１３０も、略鉛直方向に延びるように配置されている。表示部１３０が所望のフレネル形状部１１１ａ，１１２ａを有することにより、観察者（ドライバーＵＮ）に対して表示部材１００をトラックやバス等のフロントウィンドウが地面に対して垂直に近い移動体におけるＨＵＤ装置等の表示装置２００をウィンドシールド８に配置しても、観察者（ドライバーＵＮ）は外界の像を観察しつつ、斜入射で投影された画像を十分に観察することができる。その際に、ＨＵＤ装置等の表示装置２００で表示させる反射像の性能を確保しつつ、車外の透過像に歪みを生じさせない。つまり、略垂直に立っている状態の表示部材１００において、表示部材１００の持つフレネル形状部１１１ａ，１１２ａにより、例えば表示部材１００の斜め下方や斜め上方から投影された画像を表示部材１００に対して所定の方向にその反射像を返すことができる。これにより、バスやトラック等のフロントウィンドウが略垂直に配置される移動体においても、フロントウィンドウを表示部材１００としたウィンドシールドタイプの表示装置２００が達成され、空間を有効に利用できる。
【００４７】
上記第１〜第３実施形態は単なる例示であり、例えば図７に示すように、第１及び第２光学素子１１１，１１２で構成されるシート状部材９０は、厚さが変化する楔形状を有してもよい。この場合、表示部材１００を透過する透過光と表示部材１００で反射する反射光とのずれによって発生する二重像を防ぐことができる。
【００４８】
また、上記第１〜第３実施形態において、第１溝１ａの第１光学素子１１１の面に沿った複合輪帯形状は例示であり、仕様に応じて適宜変更することができる。例えば、図８に示すように、第１溝１ａの第１光学素子１１１の面に沿った複合輪帯形状は、円弧状に傾斜する形状に限らず、直線状に傾斜する形状であってもよい。
【００４９】
また、上記第１〜第３実施形態において、ミラーＭＲの第１要素ＭＲａと第２要素ＭＲｂとを繋ぐ頂点がＲ面を有してもよい。これにより、表示光Ｌ１が頂点付近で散乱することを防ぐことができる。なお、表示光Ｌ１が入射する側つまりＺ側の頂点にＲ面が設けられていればよい。
【００５０】
また、上記第１〜第３実施形態において、図９に示すように、表示部材１００としてのシート状部材９０をウィンドシールド８に貼り付けてもよい。シート状部材９０は、接着剤又は粘着剤層等を介してウィンドシールド８等に貼り付けられている。
【００５１】
また、上記第１〜第３実施形態において、表示装置２００の光学系との関係で、第１光学素子１１１の接合面ＣＲとは反対側の面と、第２光学素子１１２の接合面ＣＲとは反対側の面とに曲率等のパワーを持たせる構成とすることもできる。
【００５２】
上記第１〜第３実施形態において、第１及び第２光学素子１１１，１１２を別々に成形した後に接合して表示部材１００（又はシート状部材９０）を製造する例を挙げたが、例えば第１光学素子１１１を成形した後に、第２光学素子１１２用の金型に第１光学素子１１１を挿入した状態で第２光学素子１１２を成形して表示部材１００（又はシート状部材９０）を製造してもよい。
【００５３】
上記第１〜第３実施形態において、図２Ａ等に示す描画ユニット２１０等は、単なる例示であり、拡大投射光学系５０の構成を適宜変更したり、像形成素子３０を他の種類の像形成素子に置き換えたりすることができる。例えば、拡大投射光学系５０を固定焦点の光学系に変更することができる。また、描画ユニット２１０において、例えば拡大投射光学系５０を省略する構成や、第１投影光学系５１を省略する構成とすることもできる。
【００５４】
〔第４実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る表示装置の第４実施形態について説明する。
【００５５】
図１０に示すように、表示部材２０は、コンバイナーとも呼ばれるハーフミラーであり、半透過性を有する凹面鏡又は平面鏡である。表示部材２０は、下端の支持によってダッシュボード４上に立設され、描画ユニット２１０からの表示光ＨＫを車体２の後方に向けて反射する。つまり、図示の場合、表示部材２０は、フロントガラス（ウィンドシールド）８とは別体で設置される独立型のものとなっている。ハーフミラーである表示部材２０で反射された表示光ＨＫは、運転席６に座った運転者（ドライバー）ＵＮの瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックス（不図示）に導かれる。運転者ＵＮは、表示部材２０で反射された表示光ＨＫ、つまり車体２の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、運転者ＵＮは、半透過性を有する表示部材２０を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を観察することができる。結果的に、運転者ＵＮは、表示部材２０の背後の外界像に重ねて、表示部材２０での表示光ＨＫの反射によって形成される運転関連情報や危険信号等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。
【００５６】
以上において、表示部材２０は、ウィインドシールド８の運転者ＵＮ側光学面に相当するものであってもよい。さらに、表示部材２０は、凹面鏡又は平面鏡に限らず、非球面等の曲面であってもよく、曲面をさらに傾けたものでも、対称性をもたない自由曲面であってもよい。
【００５７】
描画ユニット２１０は、本体光学系１３と、本体光学系１３を動作させる表示制御部１８と、本体光学系１３等を収納するハウジング１４とを備える。これらのうち本体光学系１３と表示部材（コンバイナー）２０とを組み合わせたものは、虚像投影光学系（又は虚像表示光学系）１０３０を構成する。なお、図１０等において座標軸ＸＹＺは、一般的な運転者ＵＮの瞳ＨＴ間の位置に対応するアイボックスの中心を原点とするが、便宜上原点をシフトさせた状態で表示されている。
【００５８】
詳細は後述するが、虚像投影光学系１０３０は、少なくとも１つのフレネル素子１０５０を含んでいる。また、虚像投影光学系１０３０は、虚像投影光学系１０３０を構成する部材の少なくとも１つを微細振動させる振動機構８０を備えている。なお、虚像投影光学系１０３０の構成に応じて虚像に発生していた欠落部を補完するような適切な部材を微細振動させる。本実施形態では、後述する第２投影光学系５２を構成する第１ミラー１７ａをフレネル素子１０５０とする例を挙げ、当該フレネル素子１０５０を微細振動させる。
【００５９】
本体光学系１３は、像形成素子３０と、像形成素子３０に形成された画像を拡大した中間像ＴＩを形成可能な第１投影光学系５１と、中間像ＴＩの結像位置に近接して光路後段に配置される中間スクリーン１６と、中間像ＴＩを虚像に変換する第２投影光学系５２とを備える。像形成素子３０は、表示デバイス又は描画デバイスとも呼ぶ。詳細は後述するが、虚像投影光学系として機能する本体光学系１３によって、虚像投影距離が可変となっている。第１投影光学系５１、中間スクリーン１６、及び第２投影光学系５２は、像形成素子３０の像を拡大する拡大投射光学系５０となっている。拡大投射光学系５０により、表示装置２００において、アイボックスを確保しつつ、虚像のＦＯＶをより広くすることができる。
【００６０】
像形成素子３０は、２次元的な表示面３０ａを有する表示部である。像形成素子３０の表示面３０ａに形成された像は、本体光学系１３のうち第１投影光学系５１で拡大されて中間像ＴＩを形成し、中間スクリーン１６を通過し、第２投影光学系５２等へ導かれる。この際、２次元表示が可能な像形成素子３０を用いることで、中間像ＴＩ又は表示像（虚像）ＩＭの切換えを比較的高速とできる。図示を省略しているが、像形成素子３０に付随して、液晶表示パネル（又は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ））のような表示パネルのほかに、液晶表示パネルに表示動作を行わせる表示駆動回路、液晶表示パネルを照明するための光を射出するＬＥＤその他の光源、かかる光源からの光を均一化する均一化光学系等が設けられている。表示パネルとして液晶ディスプレイを用いることにより、装置を小型化することができる。また、ＬＣＤの配光角は広いため、虚像のＦＯＶを広くすることができる。なお、像形成素子３０は、例えば６０ｆｐｓ以上のフレームレートで動作する。これにより、異なる投影距離に複数の表示像ＩＭが同時に表示されているように見せることが容易になる。
【００６１】
像形成素子３０は、後述するフレネル素子１０５０を構成するフレネル構造１０５１によって遮光される領域又はパターンに応じて、輝度パターンを変化させることができる。つまり、像形成素子３０の表示部の明るさを部分的に変化させる。
【００６２】
第１投影光学系（結像光学系）５１は、固定焦点のレンズ系であり、図示を省略するが、複数のレンズ要素を有する。第１投影光学系５１は、中間スクリーン１６より像形成素子３０側に配置される。第１投影光学系５１のＦ値は、２．０以上となっている。第１投影光学系５１は、像形成素子３０の表示面３０ａに形成された画像を適当な倍率に拡大投影し、中間スクリーン１６の入射面１９ｍに近接した位置に中間像ＴＩ（又は入射面１９ｍの位置に強制中間像ＴＩ’）を形成する。ここで、強制中間像ＴＩ’は、中間像ＴＩそのものの他、中間像ＴＩから位置ずれして僅かにピントがボケたものも含む。なお、第１投影光学系５１は、この第１投影光学系５１の最も中間スクリーン１６側に配置された絞り１５ａを有する。このように、絞り１５ａを配置することで、第１投影光学系５１の中間スクリーン１６側のＦ値の設定や調整が比較的容易になる。なお、第１投影光学系５１の絞りはレンズ系のどこに配置されていてもよい。
【００６３】
中間スクリーン１６は、拡散角を所望の角度に制御した部材であり、結像位置（つまり中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）において強制中間像ＴＩ’を形成する。この結果、後述するように中間スクリーン１６を光軸ＡＸ方向に移動させることにより、強制中間像ＴＩ’の位置も光軸ＡＸ方向に移動させることができる。中間スクリーン１６には、例えば拡散板、拡散スクリーン、マイクロレンズアレイ等を用いることができる。中間スクリーン１６によって、アイボックスサイズを拡大することができる。中間像ＴＩは、中間スクリーン１６から光路前段にかけての表示領域に結像される。中間スクリーン１６の入射面１９ｍは、拡散機能を有している。入射面１９ｍに強制中間像ＴＩ’が形成され、ここから光が拡散するので、アイボックスを広く確保することができる。中間スクリーン１６は、第１投影光学系５１の焦点深度内で移動する。
【００６４】
中間スクリーン１６は、配置変更装置６２に駆動されて例えば一定速度又は周期的な運動で光軸ＡＸに沿って移動する。つまり、中間スクリーン１６の位置は可変となっている。本例の場合、光軸ＡＸとは、像形成素子３０の中心と、アイボックスの中心と、表示装置２００によって作られる像形成素子３０の中心に対応する像点（虚像）とを通るものである。配置変更装置６２によって中間スクリーン１６を光軸ＡＸに沿って移動させることで、第２投影光学系５２によって表示スクリーンとして機能する表示部材（コンバイナー）２０の背後に形成される虚像としての表示像ＩＭと観察者である運転者ＵＮとの距離を長く、又は短くすることができる。つまり、配置変更装置６２は、本体光学系１３又は虚像投影光学系１０３０の構成配置を変化させて投影距離を変化させる。このように、投影される表示像ＩＭの位置を前後に変化させるとともに、表示内容をその位置に応じたものとすることで、表示像ＩＭまでの虚像距離又は投影距離を変化させつつ表示像ＩＭを変化させることになり、一連の投影像としての表示像ＩＭを３次元的なものとすることができる。中間スクリーン１６の光軸ＡＸに沿った移動範囲は、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍に相当するものであるが、第１投影光学系５１の中間スクリーン１６側の焦点深度の範囲内とすることが望ましい。これにより、強制中間像ＴＩ’の状態と虚像としての表示像ＩＭの結像状態とを、いずれも略ピントが合った良好な状態とすることができる。中間スクリーン１６の光軸ＡＸ方向の移動量は、例えば２０ｍｍ以下となっている。これにより、中間スクリーン１６の移動を効率良く行うことができ、中間スクリーン１６の応答性を向上させることができる。中間スクリーン１６の移動速度は、虚像としての表示像ＩＭが複数個所又は複数虚像距離に同時に表示されているかのように見せることができる速度であることが望ましい。配置変更装置６２は、例えば１５Ｈｚ以上の速度で中間スクリーン１６を移動させる。この場合、観察者（運転者ＵＮ）の知覚を超える速さのため、観察者は投影距離の異なる虚像を略同時に認識することができる。
【００６５】
中間スクリーン１６は、支持部材６２ａに支持されている。支持部材６２ａは、配置変更装置６２の台座６２ｂに光軸ＡＸ方向に沿った所定の範囲内で移動可能に取り付けられている。中間スクリーン１６が移動範囲の最も上流側（つまり、第１投影光学系５１に最も近い側）に配置されたタイミングでは、この時点で中間スクリーン１６に表示されている画像が、ハーフミラーである表示部材（表示スクリーン又はコンバイナー）２０の背後の最も遠くに虚像として表示される。また、中間スクリーン１６が移動範囲の最も下流側（つまり、第１投影光学系５１から最も遠い側）に配置されたタイミングでは、この時点で中間スクリーン１６に表示されている画像が、ハーフミラーである表示部材（コンバイナー）２０の背後の最も近くに虚像として表示される。
【００６６】
虚像生成光学系（第２投影光学系）５２は、中間スクリーン１６付近に形成された中間像ＴＩを表示部材２０と協働して拡大する拡大光学系であり、運転者ＵＮの前方に虚像としての表示像ＩＭを形成する。第２投影光学系５２は、中間スクリーン１６より虚像側に配置される。第２投影光学系５２は、反射光学系を有し、少なくとも１枚のミラーで構成されるが、図示の例では２枚の第１及び第２ミラー１７ａ，１７ｂを含む。ここで、第１ミラー１７ａは、第１の反射体であって、光路前段にある像形成素子３０側に配置されており、光学的なパワーを有する。また、第２ミラー１７ｂは、光路後段にある表示部材（コンバイナー）２０側に配置されており、光学的なパワーを有する。第１及び第２ミラー１７ａ，１７ｂは、凸面、凹面、又は平面とでき、曲面の場合、球面に限らず、非球面、自由曲面等とすることができる。
【００６７】
図１１Ａ及び１１Ｂに示すように、第２投影光学系５２の第１ミラー１７ａは、フレネル素子（フレネルミラー）１０５０となっている。フレネル素子１０５０は、円弧状のぎざぎざの突起が所定のピッチＰ１で一方向に繰り返し形成されたフレネル構造１０５１を有し、フレネル構造１０５１の表面にミラーコート層を有している。ここでは、ピッチＰ１を一定としたが、必ずしも一定とは限らない。図１１Ａに示すように、フレネル素子１０５０を構成するフレネル構造１０５１は、非同心円型のパターンを有している。また、図１１Ｂに示すように、フレネル構造１０５１の表面１０５１ａは、自由曲面を有している。非同心円型では、円弧局所部の曲率半径が同一円弧内の各円弧局所部で一致しない。この場合、フレネル素子１０５０の形状自由度が増えたことで光学倍率を高くすることができ、虚像のＦＯＶを広くすることができ、表示装置２００をコンパクトにすることができる。
【００６８】
本実施形態において、振動機構８０は、フレネル素子１０５０である第１ミラー１７ａを振動させる。振動機構８０としては、例えばピエゾ素子等を用いる。
【００６９】
図１１Ａに示すように、微細振動の振動方向ＣＤは、フレネル素子１０５０の中心におけるフレネル構造１０５１の接線Ｌ１に垂直な方向に対して±３０°の角度範囲内に設定されている。この場合、フレネルパターンを基準とする振動方向ＣＤは１次元的となり、微細振動の制御を簡易にすることができる。微細振動のストロークは、フレネル素子１０５０を構成するフレネル構造１０５１の平均ピッチよりも短くなっている。具体的には、例えばフレネル構造１０５１の平均ピッチを０．３ｍｍ〜０．６ｍｍとして、その半分程度である。なお、接線Ｌ１は、フレネル構造１０５１の各パターンの接線を平均化したものを基準とすることが好ましい。
【００７０】
図１０に戻って、ハウジング１４は、表示光ＨＫを通過させる開口１４ａを有し、この開口１４ａには、フィルム又は薄板状の光透過部材１４ｂを配置することができる。
【００７１】
図１２は、移動体用表示システム３００を説明するブロック図であり、移動体用表示システム３００は、その一部として表示装置２００を含む。この表示装置２００は、図１０に示す構造を有するものであり、ここでは説明を省略する。図１２に示す移動体用表示システム３００は、移動体である自動車等に組み込まれるものである。
【００７２】
移動体用表示システム３００は、表示装置２００のほかに、運転者検出部７１と、環境監視部７２と、主制御装置１０９０とを備える。
【００７３】
運転者検出部７１は、運転者ＵＮの存在や視点位置を検出する部分であり、運転席用カメラ７１ａと、運転席用画像処理部７１ｂと、運転席画像判断部７１ｃとを備える。運転席用カメラ７１ａは、車体２内のダッシュボード４の運転席正面に設置されており（図１Ｂ参照）、運転者ＵＮの頭部及びその周辺の画像を撮影する。運転席用画像処理部７１ｂは、運転席用カメラ７１ａで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って運転席画像判断部７１ｃでの処理を容易にする。運転席画像判断部７１ｃは、運転席用画像処理部７１ｂを経た運転席画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって運転者ＵＮの頭部や目を検出するとともに、運転席画像に付随する奥行情報から車体２内における運転者ＵＮの頭部の存否とともに運転者ＵＮの目の空間的な位置（結果的に視線の方向）を算出する。
【００７４】
環境監視部７２は、前方に近接する自動車、自転車、歩行者等を識別する部分であり、外部用カメラ７２ａと、外部用画像処理部７２ｂと、外部画像判断部７２ｃとを備える。外部用カメラ７２ａは、車体２内外の適所に設置されており、運転者ＵＮ又はウィインドシールド８の前方、側方等の外部画像を撮影する。外部用画像処理部７２ｂは、外部用カメラ７２ａで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って外部画像判断部７２ｃでの処理を容易にする。外部画像判断部７２ｃは、外部用画像処理部７２ｂを経た外部画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって自動車、自転車、歩行者等の対象物（例えば図１３に示すオブジェクトＯＢ参照）の存否を検出するとともに、外部画像に付随する奥行情報から車体２前方における対象物の空間的な位置を算出する。
【００７５】
なお、運転席用カメラ７１ａや外部用カメラ７２ａは、図示を省略しているが、例えば複眼型の３次元カメラである。つまり、両カメラ７１ａ，７２ａは、結像用のレンズと、ＣＭＯＳその他の撮像素子とを一組とするカメラ素子をマトリックス状に配列したものであり、撮像素子用の駆動回路をそれぞれ有する。各カメラ７１ａ，７２ａを構成する複数のカメラ素子は、例えば奥行方向の異なる位置にピントを合わせるようになっており、或いは相対的な視差を検出できるようになっており、各カメラ素子から得た画像の状態（フォーカス状態、オブジェクトの位置等）を解析することで、画像内の各領域又はオブジェクトまでの距離を判定できる。
【００７６】
なお、上記のような複眼型のカメラ７１ａ，７２ａに代えて、２次元カメラと赤外距離センサーとを組み合わせたものを用いても、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。また、複眼型のカメラ７１ａ，７２ａに代えて、２つの２次元カメラを分離配置したステレオカメラによって、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。その他、単一の２次元カメラにおいて、焦点距離を高速で変化させながら撮像を行うことによっても、撮影した画面内の各部に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。
【００７７】
表示制御部１８は、主制御装置１０９０の制御下で虚像投影光学系１０３０を動作させて、表示部材２０の背後に虚像距離又は投影距離が変化する３次元的な表示像ＩＭを表示させる。表示制御部１８は、主制御装置１０９０を介して環境監視部７２から受信した表示形状や表示距離を含む表示情報から、虚像投影光学系１０３０に表示させる表示像ＩＭを生成する。表示像ＩＭは、例えば表示部材２０の背後に存在する自動車、自転車、歩行者その他の対象物に対してその奥行き位置方向に関して周辺に位置する表示枠（図１３に示す表示枠ＨＷ参照）のような標識とすることができる。
【００７８】
なお、表示像ＩＭの表示に際して、虚像投影光学系１０３０の像形成素子３０では、フレネル素子１０５０を構成するフレネル構造１０５１によって遮光される領域に応じて、輝度パターンを変化させている。輝度パターンの変化は、フレネル構造１０５１の１つのエッジに対応するものでも、複数のエッジを平均化したものに対応するものでもよい。像形成素子３０の面内輝度を変えることで、虚像全体での輝度を合わせている。具体的には、フレネル素子１０５０のピッチが狭い領域を通る像形成素子３０の表示領域の輝度は、フレネル素子１０５０のピッチが広い領域を通る像形成素子３０の表示領域の輝度よりも高くしている。これにより、より認識しやすい表示像（虚像）ＩＭを表示することができる。
【００７９】
表示制御部１８は、主制御装置１０９０を介して運転者検出部７１から運転者ＵＮの存在や目の位置に関する検出出力を受け取る。これにより、虚像投影光学系１０３０による表示像ＩＭの投影の自動的な開始や停止が可能になる。また、運転者ＵＮの視線の方向のみに表示像ＩＭの投影を行うこともできる。さらに、運転者ＵＮの視線の方向の表示像ＩＭのみを明るくする、点滅する等の強調を行った投影を行うこともできる。
【００８０】
主制御装置１０９０は、表示装置２００、環境監視部７２等の動作を調和させる役割を有し、環境監視部７２によって検出した対象物の空間的な位置に対応するように、虚像投影光学系１０３０によって投影される表示枠その他の像の空間的な配置を調整する。
【００８１】
図１３は、具体的な表示状態を説明する斜視図である。観察者である運転者ＵＮの前方は観察視野に相当する検出領域ＶＦとなっている。検出領域ＶＦ内、つまり道路及びその周辺に、歩行者等である人のオブジェクトＯＢ１，ＯＢ３や、自動車等である移動体のオブジェクトＯＢ２が存在すると考える。この場合、主制御装置１０９０は、表示装置２００によって３次元的な表示像（虚像）ＩＭを投影させ、各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３に対して関連情報像としての表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を付加する。この際、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離が異なるので、表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を表示させる表示像（投影像）ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３までの投影距離は、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離に相当するものとなっている。なお、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の投影距離は、離散的であり、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの現実の距離に対して正確に一致させることはできない。ただし、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の投影距離と、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの現実の距離との差が大きくなければ、運転者ＵＮの視点が動いても視差が生じにくく、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３と表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３との配置関係を略維持することができる。
【００８２】
以上で説明した表示装置では、虚像投影光学系１０３０に少なくとも１つのフレネル素子１０５０を含み、当該フレネル素子１０５０を微細振動させることで、表示像（虚像）ＩＭに発生していた欠落部を補完することができ、欠落部のない表示像（虚像）ＩＭを表示することができる。これにより、アイボックスを維持したまま、虚像のＦＯＶが広く、コンパクトな表示装置２００とでき、かつ当該表示装置２００により認識しやすい像を観察者（運転者ＵＮ）に視認させることができる。
【００８３】
（実施例）
以下、本実施形態の具体的な実施例について説明する。図１４Ａ及び１４Ｂに示すように、本実施例の第２投影光学系５２は１枚の第１ミラー１７ａとウィンドシールドで構成されている。本実施例において、第１ミラー１７ａがフレネル素子１０５０となっている。第１ミラー１７ａは、巨視的に見て平板状のミラーとなっているが、反射面である像形成素子３０側の面上には、フレネル構造１０５１が形成されている。
【００８４】
図１５Ａ及び１５Ｂにおいて、比較例として、第２投影光学系５２にフレネル素子１０５０ではない第１ミラー１７ａのみを設けた場合の光学配置を示す。なお、比較例の第１ミラー１７ａは、像形成素子３０側の面において凹面を有している。図１４Ａ、１４Ｂ、図１５Ａ、及び１５Ｂから分かるように、第１ミラー１７ａをフレネル素子１０５０としても、従来の光学配置と変わらないものとすることができる。ただし、実施例では、第１ミラー１７ａをフレネル素子１０５０とすることで、表示装置２００をより小さくすることができる。図１４Ａ等に示す実施例の光学系を組み込んだ表示装置では、フレネル素子１０５０である第１ミラー１７ａを微動振動させることによって虚像に発生していた欠落部を補完することができ、比較例の構成よりも欠落部のない虚像を表示することができる。
【００８５】
〔第５実施形態〕
以下、第５実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第５実施形態の表示装置は第４実施形態等の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第４実施形態等と同様である。
【００８６】
図１６に示すように、本実施形態において、表示部材２０がフレネル素子１０５０となっている。図１６に示すように表示部材（表示スクリーン）２０がコンバイナーである場合、フレネル素子１０５０を振動機構８０を用いて微細振動させることができる。
【００８７】
図１７Ａ及び１７Ｂに示すように、表示部材２０は、フレネル素子（フレネルスクリーン）１０５０となっている。図１７Ａにおいて、フレネル構造１０５１は、同心円型の円弧状のパターンを描く。同心円型のパターンでは、円弧局所部の曲率半径が同一円弧内の各円弧局所部で一致する。また、同心円型のパターンは、フレネル素子１０５０に同心円の中心が含まれない軸外しタイプも含んでいる。この場合、軸外し光学系ながらフレネル素子１０５０を作製する金型加工が容易になる。図１７Ｂに示すように、フレネル素子１０５０は、２枚の基材１０５３で構成されている。フレネル構造１０５１は、各基材１０５３の一方の面に設けられており、それらが対向している。フレネル素子１０５０は、フレネル構造１０５１上にハーフミラーコート層１０５２を有している。ハーフミラーコート層１０５２と反対側の基材１０５３との間にはほぼ同一の屈折率を有する媒質があってもよい。その場合には、ハーフミラーコート層１０５２を有していない一方の基材１０５３は平面でもよい。結果的に、ハーフミラーコート層１０５２は、ほぼ同一の屈折率を有する一対の基材１０５３で挟まれている状態となっている。これにより、虚像を視認できるだけでなく、フレネル素子１０５０を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を歪みのない透過像として視認できる。なお、フレネル構造１０５１を含む基材１０５３をシート状にして、別途、表示部材２０の表面に貼り付けてもよい。
【００８８】
フレネル素子１０５０は、図２Ａ等に示すシート状部材９０（つまり、表示部材１００）と同様の構造を有する。フレネル素子１０５０のうち、対向する２つの基材１０５３は、光学素子１１１，１１２に相当し、ハーフミラーコート層１０５２は、ミラーＭＲに相当する。ハーフミラーコート層１０５２の立体的な形状によって、フレネル形状部１９０が形成されている。詳細は省略するが、フレネル形状部１９０又はハーフミラーコート層１０５２の立体的な形状は、フレネル形状部１１１ａ，１１２ａ又はミラーＭＲの立体的な形状と同様に、水平方向に直交する縦方向に対して傾斜して延びるものとなっている。
【００８９】
〔第６実施形態〕
以下、第６実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第６実施形態の表示装置は第４実施形態等の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第４実施形態等と同様である。
【００９０】
図１８Ａ及び１８Ｂに示すように、本実施形態において、表示部材２０がフレネル素子１０５０となっている。本実施形態では、コンバイナーを設けずに、フロントウィンドウを形成するウィインドシールド８の運転席正面に設けた矩形の反射領域８ｄの内側に、表示部材２０として、コンバイナー部分２２０が貼り付けられている。なお、表示部材は、ウィインドシールド８内に埋め込むこともできる。このように、表示部材２０が車のウィインドシールド８上に設けられる場合、虚像投影光学系１０３０を構成する部材のうちフレネル素子１０５０以外の部材を振動機構８０を用いて微細振動させる。具体的には、例えば、像形成素子３０、第１投影光学系５１を構成するレンズ、第２投影光学系５２のミラー等を微動振動させる。レンズやミラー等の振動方向は、フレネル素子１０５０の中心におけるフレネル構造１０５１の接線に垂直な方向に対して±３０°の角度範囲内の所定方向に対応する方向であり、例えば光軸ＡＸに垂直な方向となっている。
【００９１】
〔第７実施形態〕
以下、第７実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第７実施形態の表示装置は第４実施形態等の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第４実施形態等と同様である。
【００９２】
図１９に示すように、本実施形態において、フレネル素子１０５０の微細振動の振動方向ＣＤ，ＥＦは、フレネル素子１０５０の中心におけるフレネル構造１０５１の接線Ｌ１に垂直な方向に対して±３０°の角度範囲内の所定方向、及び当該所定方向に対して垂直な方向である。この場合、フレネルパターンを基準とする振動方向ＣＤ，ＥＦは２次元的となり、虚像に生じうる欠落部をより正確に補完することができる。２次元的な振動方向に振動させることは、フレネル構造１０５１の曲率半径が小さいパターンを有する場合に特に有効である。なお、第６実施形態のように、フレネル素子１０５０以外の部材を微細振動させる場合も同様に、２次元方向に振動させることができる。
【００９３】
〔第８実施形態〕
以下、第８実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第８実施形態の表示装置は第４実施形態等の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第４実施形態等と同様である。
【００９４】
図２０に示すように、本実施形態において、虚像投影光学系１０３０を構成する中間スクリーン１６は、拡散部１９に設けられている。拡散部１９は、結像光学系（第１投影光学系）５１による投影位置又は結像位置（つまり中間像の結像予定位置又はその近傍）に配置され、回転体１９ａと中空枠体１９ｂとを有し、スクリーン駆動部である回転駆動部１６２に駆動されて例えば一定速度で基準軸ＳＸの周りに回転する。
【００９５】
図２１Ａは、拡散部１９を説明する正面図であり、図２１Ｂは、拡散部１９を説明する側方断面図である。拡散部１９は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体１９ａと、回転体１９ａを収納する円筒状の中空枠体１９ｂとを有する。
【００９６】
回転体１９ａは、中央部１９ｃと外周光学部１９ｐとを有する。回転体１９ａの外周光学部１９ｐに形成された一方の表面１９ｆは、平滑面又は光学面に形成されており、表面１９ｆ上には、全域に亘って中間スクリーン１６が形成されている。回転体１９ａの表面１９ｆは、立体形状部１１６として機能する。中間スクリーン１６は、配光角を所望の角度に制御した拡散板であり、拡散度（拡散分布の半値強度の拡散角）が例えば２０°以上である。中間スクリーン１６は、回転体１９ａに貼り付けられるシートとできるが、回転体１９ａの表面に形成された微細な凹凸パターンであってもよい。さらに、中間スクリーン１６は、回転体１９ａの内部に埋め込むように形成されたものであってもよい。中間スクリーン１６は、入射した表示光ＨＫを拡散させることによって中間像ＴＩを形成する（図２０参照）。回転体１９ａの外周光学部１９ｐに形成された他方の表面１９ｓは、平滑面又は光学面に形成されている。回転体１９ａは、光透過性を有する螺旋状の部材であり、一対の表面１９ｆ，１９ｓは、基準軸ＳＸを螺旋軸とする螺旋面となっている。結果的に、一方の表面１９ｆ上に形成された中間スクリーン１６も連続的な螺旋面に沿って形成されたものとなっている。回転体１９ａは、基準軸ＳＸ又は光軸ＡＸ方向に関して略等しい厚みｔを有する。中間スクリーン１６は、螺旋の一周期に対応する範囲に形成されている。つまり、中間スクリーン１６は、螺旋の１ピッチ分の範囲に形成されている。この結果、拡散部１９の周に沿った一箇所に段差部１９ｊが形成されている。
【００９７】
回転体１９ａにおいて、周方向に沿った一箇所は、本体光学系１３の光軸ＡＸが通る機能領域ＦＡとなっており、機能領域ＦＡにおける中間スクリーン１６の部分によって中間像ＴＩが形成される。この機能領域ＦＡは、回転体１９ａの回転に伴って回転体１９ａ上において一定速度で移動する。つまり、回転体１９ａを回転させつつその一部である機能領域ＦＡに表示光（映像光）ＨＫを入射させることで、機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの位置が光軸ＡＸに沿って往復移動する（像形成素子３０の表示が動作していなければ、必ずしも表示としての中間像は形成されないが、中間像が形成されるであろう位置も中間像の位置と呼ぶ）。図示の例では、中間スクリーン１６が螺旋の一周期に対応する範囲に形成されているので、回転体１９ａの１回転で中間スクリーン１６の機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩは、光軸ＡＸ方向に段差に相当する距離だけ１往復することになる。
【００９８】
なお、結像光学系（第１投影光学系）５１は、拡散部１９に設けた中間スクリーン１６の位置によってピントぼけが生じないように、機能領域ＦＡの移動範囲以上の所定の焦点深度を有する。
【００９９】
中空枠体１９ｂは、円柱状の外形輪郭を有し、側面部１９ｅと一対の端面部１９ｇ，１９ｈとで構成される。側面部１９ｅと一対の端面部１９ｇ，１９ｈとは、光透過性を有する同一の材料で形成されている。ただし、側面部１９ｅは、光透過性を有していなくてもよい。一方の端面部１９ｇの主面６３ａ，６３ｂは、例えば互いに平行な平滑面又は光学面とできるが、自由曲面形状や非球面形状とすることもできる。同様に、他方の端面部１９ｈの主面６４ａ，６４ｂも、例えば互いに平行な平滑面又は光学面とできるが、自由曲面形状や非球面形状とすることもできる。中空枠体１９ｂ中の回転体１９ａは、一対の中心軸部６５を介して中空枠体１９ｂに固定されており、中空枠体１９ｂと回転体１９ａとは基準軸ＳＸの周りに一体的に回転する。このように、中間スクリーン１６を設けた回転体１９ａを中空枠体１９ｂ中に配置することで、回転体１９ａに塵等が付着することを抑制でき、回転体１９ａの回転に伴う音の発生を抑制することができ、回転体１９ａの高速での回転を安定化させることが容易になる。なお、回転体１９ａは、その外周部分において中空枠体１９ｂに固定してもよい。
【０１００】
図２０に戻って、スクリーン駆動部である回転駆動部１６２によって拡散部１９を一定速度で基準軸ＳＸの周りに回転させることで、回転体１９ａの中間スクリーン１６（又は立体形状部１１６）が光軸ＡＸと交差する位置（つまり機能領域ＦＡ）も光軸ＡＸ方向に移動する。つまり、例えば図２１Ｃに示すように、回転体１９ａの回転に伴って、中間スクリーン１６上の機能領域ＦＡは、例えば等角度でずれた位置に設定された隣接する機能領域ＦＡ’に順次シフトし、光軸ＡＸ方向に移動する。このような機能領域ＦＡの光軸ＡＸ方向への移動により、中間像ＴＩの位置も光軸ＡＸ方向に移動させることができる。詳細は後述するが、例えば中間像ＴＩの位置を像形成素子３０側に移動させることにより、表示像ＩＭまでの投影距離又は虚像距離を増加させることができる。また、中間像ＴＩの位置を第２投影光学系５２側に移動させることにより、表示像ＩＭまでの投影距離又は虚像距離を減少させることができる。
【０１０１】
虚像生成光学系（第２投影光学系）５２は、回転体１９ａの機能領域ＦＡにおける中間スクリーン１６の湾曲（つまり中間像ＴＩの像面湾曲）を補正するような光学特性を有するものとできる。
【０１０２】
図２０に示す表示装置２００において、表示制御部１８の制御下で回転駆動部１６２を動作させることで、拡散部１９が基準軸ＳＸの周りに回転して機能領域ＦＡに対応する中間像ＴＩの位置が光軸ＡＸ方向に繰り返し周期的に移動し、第２投影光学系５２によって表示部材２０の背後に形成される虚像としての表示像ＩＭと観察者である運転者ＵＮとの距離を長く、又は短くすることができる。
【０１０３】
〔変形その他〕
以上では実施形態に係る表示部材等について説明したが、本発明に係る表示部材等は、上記のものには限られない。
【０１０４】
例えば、第１実施形態や第４実施形態において、表示装置２００の配置を上下反転させて、ウィンドシールド（フロントウィンドウ）８の上部又はサンバイザー位置に表示部１３０又は表示部材２０を配置することもできる。この場合、描画ユニット２１０の斜め下方前方に表示部１３０又は表示部材２０が配置される。また、表示部１３０又は表示部材２０は、自動車の従来のミラーに対応する位置に配置してもよい。
【０１０５】
また、上記実施形態において、表示部１３０又は表示部材２０の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。
【０１０６】
図２等に示す拡大投射光学系５０、又は図１０等に示す本体光学系１３は、単なる例示であり、これらの光学的構成については適宜変更することができる。例えば、第１投影光学系５１中に中間像ＴＩの前段としての中間像を追加で形成することができる。第２投影光学系５２の光路中において、光学的なパワーを持たない１つ以上のミラーを配置してもよい。この場合、折り返しによる描画ユニット２１０等の小型化に有利になる場合もある。
【０１０７】
上記第４実施形態等において、表示像（虚像）ＩＭの表示位置は、上記実施例で例示した３か所に限らず、適当数に設定することができる。また、表示像ＩＭの表示は、位置を変化させて連続的又は断続的に設定することもできる。また、表示像ＩＭの表示位置を変化させないで固定させることもできる。
【０１０８】
また、上記第４実施形態等において、像形成素子３０として、ＬＣＤを用いたが、他の種類の表示パネル、例えば有機ＥＬを用いてもよい。この場合、表示装置２００を軽量化することができる。また、像形成素子３０は、ＤＭＤやＬＣＯＳ等の反射型の素子であってもよい。特に、像形成素子３０としてＤＭＤを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切り替えることが容易になり、虚像距離又は投影距離を変化させる表示に有利である。また、像形成素子３０は、ＤＭＤのような反射型の素子の代わりに、ＭＥＭＳを利用した走査型の映像素子に置き換えることができる。
【０１０９】
また、上記第４実施形態等において、フレネル構造１０５１のパターンは、同心円型のパターン及び非同心円のパターンのいずれでもよい。また、フレネル構造１０５１のパターンは虚像投影光学系１０３０の構成に応じて適宜変更することができる。具体的には、図２２に示すように、フレネル構造１０５１の円弧状のパターンの中心を横方向にずらしたものとすることができる。
【０１１０】
また、上記第４実施形態等において、第２投影光学系５２の第１ミラー１７ａや表示部材２０等をフレネル素子１０５０としたが、第１投影光学系５１を構成するレンズの一部をフレネル素子１０５０としてもよい。この場合、フレネル素子１０５０を所定の方向に微細振動させる。また、２つ以上のフレネル素子１０５０を微細振動させてもよい。
【０１１１】
また、上記第４実施形態等において、第２投影光学系５２には、１枚又は２枚のミラーを設けたが、３枚以上のミラーを設けてもよい。また、上述のように、表示部材２０、レンズ等をフレネル素子とする場合、ミラーコート層を省略してもよい。また、表示部材２０その他の虚像投影光学系１０３０を構成する一般的なミラーやフレネル素子型のミラーの光学面は、例えば対称性がある非球面や自由曲面としているが、これに限るものではなく、対称性を持たない自由曲面でもよい。
【０１１２】
また、上記第４実施形態において、第６実施形態と同様に、コンバイナーを設けずに、フロントウィンドウを形成するウィインドシールド８の運転席正面に設けた矩形の反射領域の内側に表示部材２０を貼り付けることによって表示スクリーンを形成してもよい。なお、表示部材２０は、ウィインドシールド８内に埋め込むこともでき、この場合、ウィインドシールド８のうち表示部材２０を埋め込んだ部分が表示スクリーンとなる。
【０１１３】
また、上記実施形態において、第１投影光学系５１は、固定焦点光学系としたが、焦点可変光学系であってもよい。
【０１１４】
また、上記実施形態において、中間スクリーン１６を設けない構成としてもよい。
【０１１５】
上記実施形態では、中間スクリーン１６全体を光軸ＡＸに沿って移動させる又は基準軸ＳＸまわりに回転させることで投影される表示像ＩＭの位置を変化させたが、複数の厚みが異なる階段状の部分領域を有する中間スクリーンをスライドさせる等、他の手法を用いて表示像ＩＭの位置を変化させてもよい。
【０１１６】
以上で説明した表示装置２００は、自動車やその他移動体に搭載される投影装置に限らず、デジタルサイネージ等に組み込むことができるが、これら以外の用途に適用することもできる。
【図１】
2019151498.tif 000003
【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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【国際調査報告】
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