JP2010224016A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置を大型化することなく、像面湾曲と形状歪みを補正した画像を出力できる画像表示装置を提供する。
【解決手段】
画像表示装置１は、表示面１０ａに２次元画像を表示する表示器１０と、平凸形状のシリンドリカルレンズ２０と、凹面鏡３０と、カバー４０と、からなる。シリンドリカルレンズ２０は、平面２０ａが表示面１０ａと接するように配置されている。
また、シリンドリカルレンズ２０は、曲率方向が、第２光路１２と第３光路１３とを含む平面における法線に沿って配置される。
この画像表示装置１では、シリンドリカルレンズ２０の光学作用により、凹面鏡に対して凸形状となる方向に湾曲した形状となっている見かけ上の表示面が形成される。この見かけ上の表示面の湾曲方向は、凹面鏡によって発生する像面湾曲と打ち消しあう方向であるため、凹面鏡によって生じる像面湾曲収差を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示面に画像を出力する表示器と凹面鏡とを備え、表示面に出力された画像を、凹面鏡を介して観察者の視点に投射する画像表示装置に関する。

従来、表示器から出力される画像を観察者の視点に投射して虚像表示像を視認させる画像表示装置が利用されている。
このような画像表示装置を車両において搭載する場合には、インストルメントパネルのメータに示される情報や経路案内の情報など示す画像を、コンバイナとして用いられるフロントガラスに投射する構成が考えられる。フロントガラスに投射された画像は、フロントガラスに反射して運転者の目に投射されるため、運転者はフロントガラスを介して車両外部を視認しながらに、その視界において画像を虚像表示像として視認することができるようになる。

このような画像表示装置において、装置を小型化するために、拡大作用を持つ光学素子からなる拡大光学系を光路中に設けることが一般的となっている。
例えば、図１０（ａ），（ｂ）に示す画像表示装置３０１では、表示器１０から出力された画像は、凹面鏡３０を経由しカバー４０を透過した後、車両のフロントガラス５０をコンバイナとして観察者の視点Ａに到達する。観察者は、フロントガラス５０の前方の地点（図１０（ｂ）における虚像表示面Ｂ）において、画像を拡大された虚像表示像として視認することができる。

しかし、上述した凹面鏡のように拡大作用を持つ光学素子は、同時に収差も発生させることとなる。一般的に、画像表示装置を小型化しようとするほど光学系の必要拡大倍率が上がるため光学素子の曲率が大きくなり、虚像表示像の歪みは顕著となる。

この虚像表示像の歪みは、像面湾曲と形状歪みに分けられる。像面湾曲とは、観察者から見た虚像表示像が空間的に歪む現象である。また、形状歪みとは、観察者から見た虚像表示像が表示像面内で平面的に歪む現象である。

従来、これらの歪みを補正するための種々の技術が提案されている。
像面湾曲を補正する例としては、拡大光学系にて発生する像面湾曲効果を相殺するような湾曲形状を持つ中間実像をリレー光学系にて一旦形成し、その中間実像を拡大光学系にて拡大した虚像表示像に変換することで、観察者が最終的に視認する虚像表示像の像面湾曲を補正する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

また、形状歪みを補正する例としては、その形状歪みと相殺するように、表示器が出力する表示画像に予め形状歪みを持たせることで、観察者が視認する虚像表示像の形状歪みを補正する技術が提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。

特開平６−３０８４２３号公報 特開平１１−３０７６４号公報

特許文献１の装置では、実像である中間実像を形成するリレー光学系を設置するスペースの確保が必要となるため、装置が大型化してしまうという問題があった。
また、特許文献２の装置では以下のような問題がある。例えば長方形の画像を観察者に視認させたい場合に、その長方形の画像に形状歪みを持たせた画像を一般的な長方形の表示画面にて表示するためには、その表示画面は形状歪みを持たせる前の画像の長方形よりも大きなものを用いる必要がある。その結果、装置が大型化してしまったり、コスト高に繋がるという問題があった。

本発明は、かかる問題を鑑みてなされたもので、装置を大型化することなく、像面湾曲と形状歪みを補正した画像を出力できる画像表示装置を提供することを目的とする。

上述した問題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、表示面に画像を出力する表示器と凹面鏡とを備え、表示面に出力された画像を、上記凹面鏡を介して観察者の視点に投射する画像表示装置に関する。この画像表示装置は、平凸型のシリンドリカル形状を有するレンズを備えている。このレンズは、所定の方向に曲率を有する第１面と、略平坦な第２面と、を有しており、上記第２面が表示器の表示面に対向する。

このレンズは、表示器の表示面の中心から観察者の視点の中心に向かう光路を中心光軸としたとき、その中心光軸を通り上記凹面鏡に入射する入射光と、中心光軸を通り上記凹面鏡から反射する反射光と、を含む平面の法線に、レンズの曲率方向が沿う位置関係で配置される。

また、上記表示器および上記凹面鏡は、上記平面において、表示器の表示面における法線，および，凹面鏡の上記入射光が入射する部分の法線が中心光軸と平行となる位置から、上記平面の法線方向を回転軸として、それぞれが同じ方向に回転して傾斜した位置関係で配置されている。

このように構成された画像表示装置では、シリンドリカル形状のレンズの光学効果により、凹面鏡に対して凸形状となる方向に湾曲した見かけ上の表示面上において画像が表示されているとみなすことができる。

そして、その見かけ上の表示面上に表示される画像の湾曲が、凹面鏡によって生じる像面湾曲と打ち消しあうため、凹面鏡によって生じる像面湾曲収差を補正することができる。

さらに、像面湾曲収差を補正するための中間実像を形成するリレー光学系が不要となることから、光路をコンパクトにすることができ、それにより画像表示装置をコンパクトにすることができる。

また、レンズは曲率方向に沿って厚みが変化しているため、レンズを透過する光は、その曲率方向に関する位置に応じて、レンズから外部に射出する位置が異なる。そして、レンズから射出した光は屈折するが、射出する位置が異なるため、曲率方向と交差する方向から見ると、射出した光の光路にはずれが生じる（図３（ａ）、（ｂ）の光路６０〜６２参照）。それにより、画像に弓形の形状歪みが生じる。

そして、上述したように各光学素子が配置されていることにより、レンズによる画像の形状歪みが、凹面鏡によって生じる形状歪みと打ち消しあうため、凹面鏡によって生じる形状歪みを補正することができる。

このように、本発明の画像表示装置では、装置を大型化することなく、像面湾曲と形状歪みを補正した画像を出力することができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の画像表示装置において、上述したレンズが、そのレンズにおける上記入射光と反射光を含む平面に平行な断面において、第１面側の境界線と、第２面側の境界線と、が非平行となるように形成されていることを特徴とする。

このように構成された画像表示装置では、レンズの内部反射にて発生する光線がノイズ光として観察者に到達しないため、表示画質の劣化を防ぐことができる。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の画像表示装置において、表示器の表示面とレンズの第２面との間に位置し、負のパワーを持つリニアフレネルレンズをさらに備えおり、そのリニアフレネルレンズが、曲率方向が上記レンズの曲率方向に沿う方向となるように配置されることを特徴とする。

このように構成された画像表示装置では、レンズによって生じる曲率方向の正のフィールドレンズ効果を、リニアフレネルレンズによって生じる逆向きのフィールドレンズ効果によって相殺できるため、観察者の視域における虚像表示像の輝度分布を良好にすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の画像表示装置において、表示器の表示面とレンズの第２面との間に位置し、正のパワーを持つリニアフレネルレンズをさらに備えており、そのリニアフレネルレンズが、曲率方向が上記レンズの曲率方向と交差する方向となるように配置されることを特徴とする。

このように構成された画像表示装置では、上記レンズではフィールドレンズ効果が生じない、曲率方向と交差する方向において、リニアフレネルレンズにより正のフィールドレンズ効果を発生させることができる。そのため、上述した曲率方向およびその方向と交差する方向のいずれにも正のフィールドレンズ効果を発生させることができ、観察者の視域における虚像表示像の輝度分布を良好にすることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項３または請求項４に記載の画像表示装置において、リニアフレネルレンズは、上述したレンズと一体として形成されていることを特徴とする。
このように構成された画像表示装置では、レンズおよびリニアフレネルレンズの効果を１つの光学素子で達成でき、部品点数を減らすことができることから組み付けの容易を向上することができる。

実施例１の画像表示装置を示す側面図 実施例１のシリンドリカルレンズの断面図 実施例１のシリンドリカルレンズの断面図および上面図 表示器における出力画像の例を示す図 観察面における表示像を示す図 実施例１の虚像表示面における虚像表示像を示す図 実施例２の画像表示装置を示す側面図 実施例２のシリンドリカルレンズの断面図 実施例３の画像表示装置を示す側面図 従来構成の画像表示装置を示す側面図 従来構成の虚像表示面における虚像表示像を示す図

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［実施例１］
（１）構成
本実施例の画像表示装置１は、車両に搭載されて用いられるものであって、図１（ａ）に示すように、平面形状の表示面１０ａに２次元画像を表示する表示器１０と、平凸形状のシリンドリカルレンズ２０と、凹面鏡３０と、防塵を目的とし、拡散，集光などの光学作用を持たない透明なカバー４０と、からなる。

表示面１０ａから出力された画像（画像光）は、シリンドリカルレンズ２０および凹面鏡３０を経由し、カバー４０を透過した後、図１（ｂ）に示すように、車両のフロントガラス５０に投射される。そして、このフロントガラス５０をコンバイナとして観察者の視点Ａに到達する。観察者は、フロントガラス５０の前方の地点（図１（ｂ）における虚像表示面Ｂ）において、画像を拡大された虚像（虚像表示像）として視認する。

上述した画像表示装置１における各構成要素の詳細および光学配置を説明する。光学配置を説明する上で、上述した表示器１０の表示面１０ａ中心部から観察者の視点Ａまで到達する光線を中心光軸と定義する。そして、表示面１０ａ（シリンドリカルレンズ２０における光が入射する面である平面２０ａ）からシリンドリカルレンズ２０における光の射出する面である凸面２０ｂまでの中心光軸の光路を第１光路１１、シリンドリカルレンズ２０の凸面２０ｂから凹面鏡３０までの中心光軸の光路を第２光路１２、凹面鏡３０からカバー４０までの中心光軸の光路を第３光路１３とする。なお、上述した図１（ａ）、（ｂ）は、第２光路１２と第３光路１３とを含む平面（以降、単に基準平面という。図示しない）による画像表示装置１の断面図を、図１右方向を車両の進行方向としたときに、進行方向を向いて車両の右側から見た様子を示している。

また、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸は、表示面１０ａを基準に定められており、表示面１０ａはＸＹ平面上に位置しており、Ｚ軸は表示面１０ａの法線方向と一致する。
上述した表示器１０は、液晶やＣＲＴ等のディスプレイにより表示面１０ａを構成するものであるが、プロジェクタ等の画像投影手段によってスクリーン（表示面１０ａ）に画像を形成する構成に置き換えることも可能である。この表示器１０は、基準平面において、表示面１０ａの法線１４が第１光路１１と平行となる場合より、表示器１０を時計回りに回転させた位置関係にて配置されている（図１（ａ）参照）。

シリンドリカルレンズ２０をＹ軸方向から見た断面図を図２に示す。シリンドリカルレンズ２０は、略平坦な平面２０ａ（本発明における第２面）と、一方向にのみ集光作用を持つように一方向にのみ曲率を有する凸面２０ｂ（本発明における第１面）とからなる平凸形状を有している。この凸面２０ｂの曲面形状は非球面形状である。

このシリンドリカルレンズ２０は、図２に示すように、シリンドリカルレンズ２０の平面２０ａが表示器１０の表示面１０ａと接するように配置されている。そのため、表示面１０ａから出力された画像光は同時にシリンドリカルレンズ２０に進入する。

また、シリンドリカルレンズ２０は、曲率を持つ曲率方向（集光方向）が、基準平面における法線と平行となるように（図１におけるＸ軸方向となるように）配置される。
なお、図２は、シリンドリカルレンズ２０と凹面鏡３０との関係を模式的に示したものであるため、それらの位置関係は他の図面と一致しない場合がある。

凹面鏡３０は、湾曲した曲面の内側を鏡面とし、入射された画像を拡大した像とする鏡であって、公知の構成である。この凹面鏡３０は、基準平面において、第２光路１２が入射する点における凹面鏡３０の法線１５が第２光路１２と一致する場合より、凹面鏡３０を時計回りに回転させた位置関係にて配置されている（図１（ａ）参照）。

上記各光学素子（構成要素）および光学配置の具体的なデータを表１に示す。

表１における座標系について以下に説明する。なお、後述する表２〜４においても同様である。

各数値データにおいては、表示器１０の表示面１０ａの位置を絶対座標系の基準として表記する。そして、絶対座標系における座標軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とする。ここで、上述したように、Ｘ軸とＹ軸はそれぞれ表示器１０の表示面１０ａの面内にある。また、Ｚ軸は以下のように定義する。

Ｚ軸：表示面１０ａ（第１面）の法線と平行である。そして、第１面の中心から第２面の中心を通る直線であり、この方向を正とする。なお、表におけるsurfaceの項目が面番号を示している。

また、光学系を構成する第ｉ面の面形状の表記は、それぞれにおいてローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を設定して、そのローカル座標系での関数により表現する。また、第ｉ面のtiltは、各面のチルト角度を示している。本実施形態では、ＹＺ面内のみにチルト角を設定しており、＋Ｚ方向から＋Ｙ方向に回転する方向を正として表す（単位はdegree）。このときのローカル座標系のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を以下のように示す。

ｚ軸：第ｉ面のローカル座標系の原点を通り、かつ、第(i-1)面のローカル座標系のｚ軸に対してＹＺ面内においてチルト角の量だけ角度をなす直線。（ただし、第１面のローカル座標はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸であるとする）
ｘ軸：第ｉ面のローカル座標系の原点を通り、Ｘ軸と平行な直線。

ｙ軸：第ｉ面のローカル座標系の原点を通り、ｘｚ面に対して直交する直線。
表１における各項目について以下に説明する。なお、後述する表２〜４においても同様である。

type：面の形状を示す。自由曲面形状の場合はXYP、ｘ方向に曲率を持つシリンドリカル形状の場合はXC、ｘ方向に曲率を持つリニアフレネル形状の場合はXRFと示す。平面形状の場合は空白とする。また、ミラーとして用いる場合は（Ｍ）を付随する。

surface：面番号を示す。
d：第ｉ面のｚ軸の＋方向における、第ｉ面のローカル座標の原点から第(i+1)面のローカル座標の原点までの長さを示す（単位はmm）。

tilt：各面のチルト角度を示している。本実施形態では、ＹＺ面内のみにチルト角を設定しており、＋Ｚ方向から＋Ｙ方向に回転する方向を正として表す（単位はdegree）。
n、ν：第ｉ面と第(i+1)面の間のd線での屈折率とアッベ数を示す。

また、自由曲面形状については以下の式で表現する。

また、ｘ方向に曲率を持つシリンドリカル形状については以下の式で表現する。

また、ｘ方向に曲率を持つリニアフレネル形状については、フレネル形状を考慮せず単レンズとした場合における形状として以下の式で表現する。

（２）実施例１の作用および効果
（２．１）像面湾曲収差の補正
本実施例の表示器１０およびシリンドリカルレンズ２０は、上述したように、表示面１０ａと平面２０ａとが接するように配置されている。

図２において、表示面１０ａから出力される画像光の実際の光路１６ａを実線で示し、シリンドリカルレンズ２０の光学効果による見かけ上の光路１６ｂを破線で示す。この光学効果については後述する。

見かけ上の光路１６ｂは実際の光路１６ａよりも表示器１０における光の進行方向前方の位置から射出されているように見える。よって、表示器１０から出力される画像光は、一点鎖線の位置に形成される見かけ上の表示面（見かけ表示面１０ｂ）から出力されているとみなすことができる。この見かけ表示面１０ｂは、凹面鏡３０に対して凸形状となる方向に虚像化した湾曲形状となっている。

ここで、表示器１０の表示面１０ａとシリンドリカルレンズの平面２０ａとが接するように配置することによる光学効果（見かけ表示面１０ｂが形成される理由）を説明する。
表示面１０ａから出力された画像光は、厚みを持った媒質内を通過することによる光路長の変化が発生する。ここで言う光路長の変化とは、ある厚みを持った屈折率が１以上の媒質内を光線が通過する場合に、見かけ上の光路長（ある厚みを持った屈折率が１以上の媒質によって形成される見かけ表示面１０ｂからの光路長）が、実際に光が通る空間的長さよりも短くなる効果のことを指す。

この光路長の変化は媒質の厚みが大きいほど顕著となる。本実施例のシリンドリカルレンズ２０は平凸形状であり、曲率方向（図１、図２におけるＸ軸方向）に関して、表示面１０ａの上下方向の端部ほどレンズ部分の厚みが小さく、中心部分ほどレンズ部分の厚みが大きくなっている。そのため、見かけ上の光路長は上記曲率方向の中心部分ほど短くなる結果、見かけ表示面１０ｂは、凹面鏡３０に対して凸形状となる方向の湾曲形状となる。

像面湾曲収差の補正の説明に戻る。前述したように、凹面鏡３０による拡大を伴う虚像表示（図１（ｂ）における虚像表示面Ｂにて形成される虚像表示像の表示）を行う場合、像面湾曲収差が発生する。ここで発生する像面湾曲収差は、凹面鏡を介すことにより生じる虚像表示像の周辺部ほど観察者に近くなる方向に歪む現象である。

しかしながら、本発明の構成では、見かけ表示面１０ｂが凹面鏡３０に対して凸形状となる方向に湾曲しているため、見かけ表示面１０ｂの水平方向（図１におけるＸ軸方向、シリンドリカルレンズ２０の曲率方向）の周辺部ほど画像が観察者からみると遠くに表示されている（観察者から遠くなる方向に像面湾曲収差がある）こととなる。

その結果、出力された画像における水平方向の像面湾曲収差と、虚像表示像の水平方向の像面湾曲収差と、が相殺されることにより、虚像表示像の水平方向の像面湾曲収差を補正できる。

本実施例の構成では、上述したように見かけ表示面１０ｂが形成される結果、虚像表示面Ｂ形成される虚像表示像における中央部分(0mm,0mm)（Ｘｏ−Ｙｏ平面における座標）と端部分(225mm,0mm)とでの結像距離の差は10mmとなった。一方、シリンドリカルレンズ２０を用いない構成によって拡大した虚像表示を行う場合は、中央部分と端部分との結像距離の差が41mmとなったことから、本実施例の構成をとることによって像面湾曲収差を低減できていることがわかる。

また、表示器１０の表示面１０ａとシリンドリカルレンズ２０の平面２０ａとが接するように配置することによって、表示面１０ａはシリンドリカルレンズ２０の主点近傍に配置されることになるため、シリンドリカルレンズ２０において表示面１０ａの拡大効果はほとんど発生しない。よって、その拡大効果による虚像表示面Ｂでの虚像表示像の変形は抑制されている。

なお、本実施例では、観察者がより像面湾曲収差に対する違和感を強く感じる水平方向（Ｙ，Ｙｏ方向）の像面湾曲収差の補正を行っている。そのため、観察者は、相対的に違和感を受けにくい鉛直方向の像面湾曲収差のみを補正する場合と比較して、その補正効果をより効果的に感じることができる。
（２．２）弓状の形状歪みの補正
上述したように、本実施例の表示器１０およびシリンドリカルレンズ２０は、表示面１０ａと平面２０ａとが接するように配置されている。図３（ａ），（ｂ）に、図１（ａ）のＸ軸方向およびＹ軸方向から見たシリンドリカルレンズ２０の断面図および上面図を示す。なお、図３（ａ），（ｂ）は、説明を容易にするためシリンドリカルレンズ２０のサイズを適宜変更して記載しているの、そのサイズが各図で一致しない場合がある。図中の光路６０，６１，６２は、表示面１０ａから射出された画像光のうち、ＹＺ平面に関する方向は同一で、Ｘ軸方向が異なる光路を示している。

図３（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズ２０はＸ軸方向の中心ほど厚み（Ｚ軸方向の厚み）が大きく、中心から離れた端部ほど厚みが小さくなるため、各光路６０〜６２は、Ｘ軸方向の位置に応じて、シリンドリカルレンズ２０の凸面２０ｂにおいて外部に射出する射出点のＺ軸方向の位置が異なる。

シリンドリカルレンズ２０の材質の屈折率ｎ₁は、空気の屈折率ｎ₂（≒１）よりも大きい。そのため、図３（ｂ）に示すように、凸面２０ｂから射出した画像光において、シリンドリカルレンズ２０から空気への入射角をα、屈折角をβとすると、ｎ₁ｓｉｎα＝ｎ₂ｓｉｎβであるから、ｓｉｎα＜ｓｉｎβとなり、α＜βとなる。つまり、画像光は入射角度よりも大きな角度で射出される。

ここで、上述したように、各光路６０〜６２では、Ｘ軸方向の位置が違うことにより射出点のＺ軸方向の位置が変化する。その結果、図３（ｂ）に示すように、各光路６０〜６２ごとにＹＺ平面に関して光路がずれることとなる。このずれの大きさは、シリンドリカルレンズ２０のＸ軸方向の中心を通る光路６０に比べて、Ｘ軸方向の中心から離れる光路ほど大きくなる。

ここで、表示器１０に図４に示すような格子状の表示を出力した場合に、シリンドリカルレンズ２０を通過したある観察面（図１（ａ）における面Ｄであって、実際に光学素子などは存在しない）において観察される表示像を図５に示す。面Ｄでは、先に説明した光路のずれによって、Ｘａ方向に関して中心から離れるほど、Ｙａ方向に関して負の方向に移動するように歪んだ表示像が観察される。この図５において、Ｘａ，Ｙａは、虚像表示像における画像成分のＸｏ，Ｙｏに対応する方向である。なお、仮にシリンドリカルレンズ２０を透過しない場合には、面Ｄでは図４と同様に歪みのない表示像が観察される。

上記シリンドリカルレンズ２０を用いない従来の構成において、凹面鏡３０を斜入射構成にて用いる場合に発生する虚像表示像の弓形の形状歪みは、図１１に示すように、Ｘｏ方向に関して中心から離れるほど、Ｙｏ方向に関して正の方向に移動するような弓形の形状歪みとなっている。この形状歪みは、上述した面Ｄにて観察される表示像における歪みと反対方向の歪みである。

その結果、シリンドリカルレンズ２０により生じる形状歪みと、凹面鏡３０を斜入射構成にて用いる場合に発生する形状歪みと、を相殺することができるため、虚像表示面Ｂにて視認される虚像表示像の弓状の形状歪みを補正することができる。

参考として、表示器１０の表示面１０ａに図４に示すような格子状の表示（76mm×21mm）を出力した場合の虚像表示像の様子を図６に示す。従来の構成における虚像表示像である図１１と比較すると、それぞれの図における、Ｐの値は1mm（図６）と2mm（図１１）となり、本実施形態の値の方が小さいことから、本実施形態をとることによって形状歪みを低減できていることがわかる。
（２．３）その他の効果
車両に搭載する画像表示装置１においては、装置サイズが小さいこと、つまり、装置内の光路がコンパクトであることが望まれる。本実施例では、光路の順に、表示器１０、シリンドリカルレンズ２０、凹面鏡３０と配置する構成において、表示器１０の表示面１０ａとシリンドリカルレンズ２０の平面２０ａとを接するように配置することで、光路をコンパクトにすることが実現されている。

さらに詳しく説明すると、映像の欠けを発生させることなく虚像表示像を観察者に視認させるには、凹面鏡３０から観察者までの光線をけらないように、厚肉レンズを配置しなければならない。この場合、表示器１０から厚肉レンズまでの距離に関係なく、厚肉レンズを凹面鏡３０からある程度以上の距離を離して配置する必要がある。本実施例では、シリンドリカルレンズ２０が肉厚レンズに該当する。よって、本実施例のように、表示器１０の表示面１０ａとシリンドリカルレンズ２０の平面２０ａとを接するように配置することで、装置全体の光路をコンパクトにすることができる。

また、画像表示装置１において、凸形状等の正のパワーを持つレンズを光路中に配置する場合、表示器１０と正のパワーを持つレンズとの間に距離を設けることで、正のパワーを持つレンズに拡大作用を持たせることが可能であるが、この場合、正のパワーを持つレンズでの拡大作用に伴う色収差が発生することとなる。これに対して、本実施形態のように、表示器１０の表示面１０ａとシリンドリカルレンズ２０の平面２０ａとを接するように配置する場合、表示面１０ａをシリンドリカルレンズ２０の主点近傍に、もしくは主点位置に、配置できるため、シリンドリカルレンズ２０に拡大作用をほぼ持たせず、凹面鏡３０に拡大作用のほぼ全てを持たせることが可能となり、シリンドリカルレンズ２０にて発生する色収差の影響を小さくすることができる。

また、本実施形態では、Ｘ軸方向にのみ曲率を持ち、かつ、中心光軸（第１光路１１）に対して傾斜配置したシリンドリカルレンズ２０を、表示器１０に接するように配置しているため、太陽光などの装置外光成分がレンズ表面にて反射し、その反射成分が観察者に到達することによってノイズ光となる現象の発生を抑制することができる。
（３）変形例
本実施例においては、シリンドリカルレンズ２０の平面２０ａと表示器１０の表示面１０ａとが接するように配置される構成を例示したが、上記平面２０ａと上記表示面１０ａとが対向していれば、それらの間に間隔があってもよい。なお、その間隔が小さいほどシリンドリカルレンズ２０による拡大効果が生じないため都合がよい。

また、本実施例においては、シリンドリカルレンズ２０の凸面２０ｂが非球面形状である構成を例示したが、球面形状のシリンドリカルレンズを用いる構成であってもよい。
また、本実施例においては、一方向にのみ曲率を有するシリンドリカルレンズ２０を用いた。しかしながら、他方にも曲率を有するトロイダルレンズを用いる構成であっても、形状歪みの補正，および太陽光などのノイズ光抑制は困難になるものの、像面湾曲収差の補正を実現できる。
［実施例２］
（１）構成
実施例２における画像表示装置１０１を図７（ａ），（ｂ）に示す。図７（ａ），（ｂ）は、図１（ａ），（ｂ）と同じ視点から画像表示装置１０１を見た断面図である。なお、本実施例において、上述した実施例１と共通する構成については共通の符号を用いて詳細な説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

本実施例において、シリンドリカルレンズ１２０は、略平坦な平面１２０ａと、一方向にのみ集光作用を持つように曲率を有する凸面１２０ｂとからなる平凸形状を有している。また、曲率方向（図７（ａ）におけるＸ軸方向）と垂直関係となる方向に対してプリズム効果を持つような楔形状である。この形状をより具体的に説明する。

図８に、シリンドリカルレンズ１２０の基準平面に平行な平面による断面図を示す。平面１２０ａ側の境界線１２１ａと、凸面１２０ｂ側の境界線１２１ｂとは、非平行となるように形成されている。また、境界線１２１ａと境界線１２１ｂとの間の傾斜方向は、基準平面の法線方向を回転軸として、境界線１２１ａを反時計回り方向に傾ける方向としている。

なお、基準平面に平行な平面による断面図であれば、シリンドリカルレンズ１２０のどの部分の断面図であっても上述した関係を満たす形状となっている。
上記各光学素子（構成要素）および光学配置の具体的なデータを表２に示す。

（２）実施例２の作用および効果
表示面１０ａからシリンドリカルレンズ１２０に進入した画像光のうち、シリンドリカルレンズ１２０にて内部反射しない光線を正規光とし、内部反射した光線をノイズ光とすると、図８に示すように、シリンドリカルレンズ１２０を射出した正規光とノイズ光との間に角度差が生じる。その結果、ノイズ光は観察者の視点に到達しないこととなる。ノイズ光が観察者の視点に到達すると表示画質が劣化するが、本実施例の構成であれば、ノイズ光が観察者の視点に到達しないため、表示画質の劣化を防ぐことができる。
［実施例３］
（１）構成
実施例３における画像表示装置２０１を図９（ａ），（ｂ）に示す。図９（ａ），（ｂ）は、図１（ａ），（ｂ）と同じ視点から画像表示装置２０１を見た断面図である。なお、本実施例において、上述した実施例１と共通する構成については共通の符号を用いて詳細な説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

本実施例の画像表示装置２０１は、負のパワーを持つリニアフレネルレンズ２１０を備えている。このリニアフレネルレンズ２１０は、その主たる面が、表示器１０の表示面１０ａとシリンドリカルレンズ２０の平面２０ａとにそれぞれ接するように配置されている。また、リニアフレネルレンズ２１０の曲率方向は、シリンドリカルレンズ２０の曲率方向（図９（ａ）におけるＸ軸方向）に沿う方向となる。

上記各光学素子（構成要素）および光学配置の具体的なデータを表３に示す。

（２）実施例３の作用および効果
リニアフレネルレンズ２１０は１つの方向にのみ負のパワーを有しているため、その曲率方向にのみ、負のフィールドレンズ効果を与える。ここで、負のフィールドレンズ効果とは、負のパワーを有するレンズをフィールドレンズとして用いた場合の光学効果を表すこととする。一方、シリンドリカルレンズ２０は、その曲率方向に正のフィールドレンズ効果を与える。ここで、正のフィールドレンズ効果とは、正のパワーを有するレンズをフィールドレンズとして用いた場合の光学効果を表すこととする。このとき、上述したリニアフレネルレンズ２１０の曲率方向は、シリンドリカルレンズ２０の曲率方向に沿った方向であるため、シリンドリカルレンズ２０によるフィールドレンズ効果をリニアフレネルレンズ２１０により打消し合うような光学作用を発生させることができる。

シリンドリカルレンズ２０が曲率を持つ方向は、図９におけるＸ軸方向であり、この方向は観察者における左右方向（虚像表示面ＢにおけるＸｏ方向）である。上述したリニアフレネルレンズのフィールドレンズ効果によって、左右方向のフィールドレンズ効果を抑制できるため、虚像表示像における左右方向と上下方向との投影光の状態の異なりを低減できる。
（３）変形例
本実施例においては、負のパワーを持つリニアフレネルレンズ２１０を、その曲率方向がシリンドリカルレンズ２０の曲率方向に沿った位置関係で配置する構成を例示したが、リニアフレネルレンズ２１０に替えて、正のパワーを持つリニアフレネルレンズを、その曲率方向がシリンドリカルレンズ２０の曲率方向と交差する位置関係で配置する構成であっても良い。

このように構成された画像表示装置２０１であれば、シリンドリカルレンズ２０による左右方向の正のフィールドレンズ効果に、更にリニアフレネルレンズによる上下方向の正のフィールドレンズ効果を加えることができるため、観察者が視認する虚像表示像の左右方向と上下方向とにおける投影光の状態の差異を小さくすることができる。なお、リニアフレネルレンズの曲率方向は、シリンドリカルレンズ２０の曲率方向と直交する方向に近づくほど正のフィールドレンズ効果が上下方向のみに集約されるため都合がよい。

また、本実施例におけるリニアフレネルレンズ２１０，または，上述した変形例における正のパワーをもつリニアフレネルレンズは、シリンドリカルレンズ２０と一体として形成されていてもよい。具体的には、シリンドリカルレンズ２０の平面２０ａをリニアフレネル形状に形成するとよい。このように構成することで、リニアフレネルレンズとシリンドリカルレンズの効果を１つの光学素子で達成でき、部品点数を減らすことができるため、組み付けの容易さ向上が期待できる。

また、本実施例においては、リニアフレネルレンズ２１０の主たる面が、シリンドリカルレンズ２０の平面２０ａと表示器１０の表示面１０ａとに接するように配置される構成を例示したが、それらの間に間隔をあけて配置される構成であってもよい。なお、その間隔が小さいほどシリンドリカルレンズ２０による拡大効果が生じないため都合がよい。
［比較例］
従来技術の画像表示装置３０１を図１０（ａ），（ｂ）に示す。各構成要素の基本的な光学配置は、上記各実施例と同様である。上記各光学素子（構成要素）および光学配置の具体的なデータを表４に示す。

１…画像表示装置、１０…表示器、１０ａ…表示面、１０ｂ…見かけ表示面、１１…第１光路、１２…第２光路、１３…第３光路、１４…法線、１５…法線、１６ａ、１６ｂ…光路、２０…シリンドリカルレンズ、２０ａ…平面、２０ｂ…凸面、３０…凹面鏡、４０…カバー、５０…フロントガラス、６０，６１，６２…光路、１０１…画像表示装置、１２０…シリンドリカルレンズ、１２０ａ…平面、１２０ｂ…凸面、１２１ａ，１２１ｂ…境界線、２０１…画像表示装置、２１０…リニアフレネルレンズ、３０１…画像表示装置

Claims (5)

1. 表示面に画像を出力する表示器と凹面鏡とを備え、前記表示面に出力された画像を、前記凹面鏡を介して観察者の視点に投射する画像表示装置であって、
   所定の方向にのみ曲率を有する第１面と、略平坦な第２面と、からなる平凸型のシリンドリカル形状を有しており、前記第２面が前記表示面に対向するレンズを備えており、
   前記レンズは、前記表示面の中心から観察者の視点の中心に向かう光路を中心光軸としたとき、前記中心光軸を通り前記凹面鏡に入射する入射光と、前記中心光軸を通り前記凹面鏡から反射する反射光と、を含む平面の法線に、前記レンズの曲率方向が沿う位置関係で配置され、
   前記表示器および前記凹面鏡は、前記平面において、前記表示器の前記表示面における法線，および，前記凹面鏡の前記入射光が入射する部分の法線が前記中心光軸と平行となる位置から、前記平面の法線方向を回転軸として、それぞれが同じ方向に回転して傾斜した位置関係で配置されている
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記レンズは、前記レンズにおける前記平面に平行な断面において、前記第１面側の境界線と、前記第２面側の境界線と、が非平行となるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記表示面と前記第２面との間に位置し、負のパワーを持つリニアフレネルレンズを備え、
   前記リニアフレネルレンズは、曲率方向が前記レンズの曲率方向に沿う方向となるように配置される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記表示面と前記第２面との間に位置し、正のパワーを持つリニアフレネルレンズを備え、
   前記リニアフレネルレンズは、曲率方向が前記レンズの曲率方向と交差する方向となるように配置される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像表示装置。
5. 前記リニアフレネルレンズは、前記レンズと一体として形成されている
   ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の画像表示装置。