JP2015146012A - 虚像表示システム - Google Patents

Abstract

【課題】視認性を高めた虚像表示システムを提供する。
【解決手段】虚像表示システム１は、外景を背景としてユーザＥから第１距離Ｄ１前方に第１の虚像４５０が位置するように、ユーザＥの前方に位置する第１の虚像提示面６１０に対して第１の画像表示光４４５を投射する第１の虚像生成装置１０と、ユーザＥから第２距離Ｄ２前方に第２の虚像７５０が位置するように、ユーザＥの前方に位置する第２の虚像提示面７４０に対して第２の画像表示光７４５を投射する第２の虚像生成装置７０と、を備える。第２距離Ｄ２は、第１距離Ｄ１と同一またはユーザＥから第２の虚像提示面７４０までの距離よりも長く第１距離Ｄ１よりも短い。
【選択図】図１

Description

本発明は、虚像表示システムに関する。

ヘッドアップディスプレイと呼ばれる車両用表示装置が知られている。ヘッドアップディスプレイは、車外から入る光を透過すると共に、車内に配置された光学ユニットから投射された画像を車両のウィンドシールドなどに反射させることにより、車外の風景に重畳して情報を表示する表示装置である。ヘッドアップディスプレイは、車外の景色を視認している運転者が視線や焦点をほとんど変化させることなく光学ユニットから投射された画像の情報を認識することができるため、車両用の表示装置として近年注目を集めている。

また、車両に関する情報を提示するインスツルメントパネルは、従来の機構メータ式に代えて、液晶表示パネルを用いて様々な表示形態に対応するものが普及してきており、虚像系表示装置を用いたインスツルメントパネルも提案されている。例えば、特許文献１には、虚像系の表示装置を用いたヘッドアップディスプレイとインスツルメントパネルが開示されている。

特開２０１３−１８０７１３号公報

複数の虚像が表示され、その一方が外景を背景とする場合であっても、他方の虚像を見る際にユーザの視線移動およびユーザの目の焦点移動が少ないことが望ましい。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、視認性を高めた虚像表示システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の虚像表示システム（１，２）は、外景を背景としてユーザ（Ｅ）から第１距離（Ｄ１）前方に第１の虚像（４５０）が位置するように、ユーザ（Ｅ）の前方に位置する第１の虚像提示面（６１０）に対して第１の画像表示光（４４５）を投射する第１の虚像生成装置（１０）と、ユーザ（Ｅ）から第２距離（Ｄ２）前方に第２の虚像（７５０，８５０）が位置するように、ユーザ（Ｅ）の前方に位置する第２の虚像提示面（７４０，８４０）に対して第２の画像表示光（７４５，８４５）を投射する第２の虚像生成装置（７０，８０）と、を備える。第２距離（Ｄ２）は、第１距離（Ｄ１）と同一またはユーザ（Ｅ）から第２の虚像提示面（７４０，８４０）までの距離よりも長く第１距離（Ｄ１）よりも短い。

本発明の虚像表示システムによれば、複数の虚像に対する視認性を高めることができる。

第１の実施の形態に係る虚像表示システムの設置態様と第２の虚像生成装置である電子インスツルメントパネルの構成を模式的に示す図である。 第１の虚像生成装置であるヘッドアップディスプレイの構成を示す図である。 光学ユニットの内部構成を示す図である。 画像投射部の内部構成を模式的に示す図である。 ウィンドシールドに投射される画像表示光の光路を示す図である。 異なる高さの視点に対して虚像を提示する場合の画像表示光の光路を示す図である。 中間像形成部により配光される画像表示光を示す図である。 拡散スクリーンの構成を模式的に示す側面図である。 拡散スクリーンの構成を模式的に示す上面図である。 図１０（ａ）は、第１レンズアレイ面の構造を示す上面図であり、図１０（ｂ）は、第１レンズアレイ面の構造を示す断面図である。 図１１（ａ）は、第２レンズアレイ面の構造を示す上面図であり、図１１（ｂ）は、第２レンズアレイ面の構造を示す断面図である。 図１２（ａ）は、比較例に係る拡散スクリーンを模式的に示す図であり、図１２（ｂ）は、実施の形態にかかる拡散スクリーンを模式的に示す図である。 比較例に係る拡散スクリーンを透過した光の配光分布を示すグラフである。 実施の形態に係る拡散スクリーンを透過した光の配光分布を示すグラフである。 図１５（ａ）〜（ｃ）は、変形例に係る拡散スクリーンの構成を模式的に示す側面図である。 ヘッドアップディスプレイ及び電子インスツルメントパネルの設置態様を模式的に示す斜視図である。 ヘッドアップディスプレイ及び電子インスツルメントパネルの設置態様を模式的に示す正面図である。 電子インスツルメントパネルが備える制御装置の機能ブロック図である。 第２の実施の形態に係る虚像表示システムの設置態様と第２の虚像生成装置である虚像電子ミラーの構成を模式的に示す図である。 虚像表示システムを構成するヘッドアップディスプレイ、電子インスツルメントパネルおよび虚像電子メータの設置態様を模式的に示す正面図である。 車両の側方に設けられる撮像部の設置態様を模式的に示す図である。 虚像電子メータにおけるスモーク板の構成を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施の形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る虚像表示システム１の構成例として、車両のダッシュボード内に設置して使用されるヘッドアップディスプレイ１０を第１の虚像生成装置とし、車両のダッシュボード内に備えられる電子インスツルメントパネル７０を第２の虚像生成装置とする虚像表示システム１を例に挙げて説明する。図１は、第１の実施の形態に係る虚像表示システム１の設置態様および第２の虚像生成装置である電子インスツルメントパネル７０の構成を模式的に示す図である。虚像表示システム１は、ヘッドアップディスプレイ１０および電子インスツルメントパネル７０により構成される。ヘッドアップディスプレイ１０は、図２に示すように、光学ユニット１００と制御装置５０とを含む。図１は、車両の進行方向（図１における左方向）を基準として左側のダッシュボード内にヘッドアップディスプレイ１０および電子インスツルメントパネル７０が配置されて使用する場合を示す図である。以下図２を参照して、ヘッドアップディスプレイ１０の概要を説明する。

制御装置５０は図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）を備え、光学ユニット１００に表示させるための画像信号を生成する。制御装置５０はまた、図示しない外部入力インタフェースを備えており、ナビゲーション装置やメディア再生装置などの外部装置から出力された画像信号が入力され、その入力された信号に対して所定の処理を行った後、光学ユニット１００に出力することもできる。また、制御装置５０は、ナビゲーション装置が備えるＣＰＵ等の処理装置や可搬型の装置が備えるＣＰＵ等の処理装置で実現されてもよい。

光学ユニット１００は、制御装置５０が生成した画像信号をもとに、ウィンドシールド６１０に第１の虚像４５０として表示させる第１の画像表示光４４５を生成する。このため光学ユニット１００は、筐体１１０の内部に画像投射部２１０、中間鏡３５０、中間像形成部３６０、および投射鏡４００を備える。

画像投射部２１０には、光源、画像表示素子、及び各種光学レンズなどが収納される。画像投射部２１０は制御装置５０が出力した画像信号をもとに第１の画像表示光４４５を生成して投射する。なお、本実施の形態では画像表示素子として反射型液晶表示パネルであるＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）を用いる場合を例示する。

画像投射部２１０が投射した第１の画像表示光４４５は中間鏡３５０で反射される。中間鏡３５０で反射された第１の画像表示光４４５は、中間像形成部３６０に結像される。中間像形成部３６０で結像した実像に係る第１の画像表示光４４５は、中間像形成部３６０を透過し、投射鏡４００に投射される。

投射鏡４００は凹面鏡であり、中間像形成部３６０を透過した第１の画像表示光４４５は投射鏡４００によって適切な拡大率としてウィンドシールド６１０に投射される。ウィンドシールド６１０に投射された第１の画像表示光４４５は、ウィンドシールド６１０によってユーザに向かう光路へ変更される。運転者であるユーザＥは、ウィンドシールド６１０で反射した第１の画像表示光４４５を外景を背景とした第１の虚像４５０として、ウィンドシールド６１０よりも視線方向の前方に認識する。

図３は、本発明の実施の形態に係る光学ユニット１００の内部構成を示す図である。以下、図３を参照して、光学ユニット１００の内部構成を説明する。

上述したように、光学ユニット１００は、筐体１１０の内側に画像投射部２１０、中間鏡３５０、中間像形成部３６０、および投射鏡４００を備える。詳細は後述するが、画像投射部２１０は、赤色、緑色、または青色の光をそれぞれ発生する３種類の異なる光源を備える。光源はＬＥＤ（Light Emitting Diode）や半導体レーザー光源を用いて実現できるが、本実施の形態では、光源としてＬＥＤを用いる場合について説明する。

光源は使用時に熱を発生する。このため、光学ユニット１００は、光源を冷却するためのヒートシンクを備える。光源は３種類あるため、それらの光源を冷やすために、光学ユニット１００の筐体１１０の外側に、赤色の光源と接続するヒートシンク１２０ａ、緑色の光源と接続するヒートシンク１２０ｂ（図示せず）、および青色の光源と接続するヒートシンク１２０ｃを備える。

筐体１１０はアルミ製のダイキャストである。ここで、青色の光源および緑色の光源をそれぞれ冷却するためのヒートシンク１２０ｂおよびヒートシンク１２０ｃはともに、筐体１１０と一体に構成されている。これに対し、赤色の光源を冷やすためのヒートシンク１２０ａは、ヒートシンク１２０ｂおよびヒートシンク１２０ｃから空間的に離れた場所に設置されるとともに、筐体１１０とは分離して外付けされている。このため、赤色の光源が発生する熱は、ヒートパイプ２５を介してヒートシンク１２０ａまで運ばれる。

次に、図４および図５を参照してヘッドアップディスプレイ１０の光学系について説明する。図４は、画像投射部２１０の内部構成を第１の画像表示光４４５の光路とともに模式的に示す図である。図５は、中間鏡３５０、中間像形成部３６０および投射鏡４００を介してウィンドシールド６１０に投射される第１の画像表示光４４５の光路を示す図である。

まず、図４を参照して画像投射部２１０の内部構成を説明する。画像投射部２１０は、照明部２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ（以下総称して照明部２３０ともいう）、ダイクロイッククロスプリズム２４４、反射鏡２３６、フィールドレンズ２３７、偏光ビームスプリッタ２３８、位相差板２３９、検光子２４１、及び投射レンズ群２４２を備える。なお、図４では第１照明部２３０ａ、第３照明部２３０ｃの内部構成の記載を省略し、第２照明部２３０ｂの内部構成のみを示すが、それぞれの照明部２３０は、同様の構成を有する。

照明部２３０は、光源２３１、コリメートレンズ２３２、ＵＶ−ＩＲ（UltraViolet-Infrared Ray）カットフィルタ２３３、偏光子２３４、フライアイレンズ２３５を備える。光源２３１は赤色、緑色、青色のいずれかの色の光を発する発光ダイオードからなる。第１照明部２３０ａは、光源として赤色の光を発する発光ダイオードを有する。第２照明部２３０ｂは、光源２３１として緑色の光を発する発光ダイオードを有する。第３照明部２３０ｃは、光源として青色の光を発する発光ダイオードを有する。

光源２３１は、光源取付部２４３に取り付けられる。光源取付部２４３は、図示しないヒートシンクと熱的に結合され、光源２３１の発光に伴い発生する熱を放熱する。光源２３１が発光した光は、コリメートレンズ２３２によって平行光に変えられる。ＵＶ−ＩＲカットフィルタ２３３は、コリメートレンズ２３２を通過した平行光から紫外光及び赤外光を吸収し除去する。偏光子２３４は、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ２３３を通過した光を乱れのないＰ偏光へと変える。そしてフライアイレンズ２３５が、偏光子２３４を通過した光の明るさを均一に整える。

それぞれの照明部２３０のフライアイレンズ２３５を透過した光は、ダイクロイッククロスプリズム２４４に異なる向きから入射される。ダイクロイッククロスプリズム２４４に入射した赤色、緑色、青色の光は、三色が合成された白色光となって反射鏡２３６へ向かう。反射鏡２３６は、ダイクロイッククロスプリズム２４４により合成された白色光の光路を９０度変更する。反射鏡２３６で反射された光は、フィールドレンズ２３７によって集光される。フィールドレンズ２３７が集光した光は、Ｐ偏光を透過する偏光ビームスプリッタ２３８及び位相差板２３９を介して、画像表示素子２４０に照射される。

画像表示素子２４０は、画素毎に赤色、緑色、及び青色のカラーフィルタを備えている。画像表示素子２４０に照射された光は、各画素に対応する色となり、画像表示素子２４０の備える液晶組成物によって変調が施され、Ｓ偏光の第１の画像表示光４４５となって偏光ビームスプリッタ２３８に向けて出射される。出射されたＳ偏光の光は偏光ビームスプリッタ２３８で反射され、光路を変えて検光子２４１を通過した後に投射レンズ群２４２へ入射される。投射レンズ群２４２を透過した第１の画像表示光４４５は、画像投射部２１０を出て中間鏡３５０に入射する。

次に、図５を参照して中間鏡３５０から中間像形成部３６０および投射鏡４００を介してウィンドシールド６１０に投射される第１の画像表示光４４５の光路について説明する。画像投射部２１０の投射レンズ群２４２から出射された第１の画像表示光４４５の光路は、中間鏡３５０によって投射鏡４００に向かう光路へ変更される。その途中で、中間鏡３５０で反射された第１の画像表示光４４５に基づく実像が中間像形成部３６０で結像する。

中間像形成部３６０は、拡散スクリーン３６２と、凹レンズ３６４を有する。拡散スクリーン３６２は、中間像形成部３６０を透過する第１の画像表示光４４５に基づく実像を結像させるとともに、投射鏡４００へと向かう第１の画像表示光４４５の配光角ψを制御する。凹レンズ３６４は、投射鏡４００へと向かう第１の画像表示光４４５の主光線の方向を制御し、中間像形成部３６０を透過する前後の第１の画像表示光４４５がなす角度θを調整する。

中間像形成部３６０を透過した第１の画像表示光４４５は、投射鏡４００により反射されウィンドシールド６１０に投射される。ウィンドシールド６１０に投射された第１の画像表示光４４５は、ウィンドシールド６１０によってユーザに向かう光路へ変更される。これにより、ユーザは上述したように、ウィンドシールド６１０を介して第１の画像表示光４４５に基づく第１の虚像４５０を前方に視認することができる。したがって、ウィンドシールド６１０は、第１の虚像提示面としての機能を有することとなる。ウィンドシールド６１０は、運転者であるユーザから見て、第１の虚像４５０の背景となる外景を安全に視認可能なように、外光がほぼ透過するように構成されている。投射鏡４００により反射された第１の画像表示光４４５は、ウィンドシールド６１０に代えて、半透過板である図示しないコンバイナに投射されてもよい。この場合、図示しないコンバイナを、ウィンドシールド６１０と同様、第１の虚像４５０を提示する第１の虚像提示面としてもよい。

以上の構成とすることで、ユーザは、制御装置５０から出力された画像信号に基づく虚像を、ウィンドシールド６１０等を介して現実の風景である外景に重畳して視認することができる。

つづいて、図６および図７を参照しながら、本実施の形態に係る中間像形成部３６０の機能について詳述する。図６は、異なる高さの視点Ｅ１、Ｅ２に対して第１の虚像４５０を提示する場合の第１の画像表示光４４５の光路を示す図である。図７は、中間像形成部３６０により配光される第１の画像表示光４４５を示す図であり、図６の中間像形成部３６０と投射鏡４００の間の光路を拡大して示したものである。

図６に示すように、運転者であるユーザの視点Ｅ１、Ｅ２は、運転者の身長や、着座位置により上下方向に変わる。ユーザの視点が変わるような場合においても、第１の虚像４５０の上端部４５１から下端部４５２までの全体を視認できることが好ましい。また、車両前方を見る視線方向Ｃ１、Ｃ２の真正面に第１の虚像４５０を提示するのではなく、上下方向に少しずらした位置に第１の虚像４５０を提示すると、必要なときに視線方向を少しずらして第１の虚像４５０を参照することができるのでユーザにとって使いやすい。

そこで、本実施の形態では、中間像形成部３６０として拡散スクリーン３６２と凹レンズ３６４を組み合わせることにより、中間像形成部３６０を透過した第１の画像表示光４４５の主光線の向きと配光角を制御し、第１の虚像４５０の視認性を高める。特に、凹レンズ３６４を上下方向に偏心して設けることにより、第１の虚像４５０の提示位置を上下方向にずらして、見やすい位置に第１の虚像４５０を提示することができる。なお、本実施の形態では、第１の虚像４５０を視線方向Ｃ１、Ｃ２に対して下方に提示する場合の構成を示すが、凹レンズ３６４の偏心の態様を変えることにより、第１の虚像４５０を異なる位置に提示することとしてもよい。

まず、図６を参照して視点Ｅ１、Ｅ２の違いによる第１の画像表示光４４５の経路の相違について詳述する。第１視点Ｅ１は、第１の虚像４５０の全体を視認することのできる上限位置であり、第２視点Ｅ２は第１の虚像４５０の全体を視認できる下限位置である。よって、第１視点Ｅ１から第２視点Ｅ２の間の範囲であれば、ユーザは第１の虚像４５０の全体を視認することができる。

図６において、実線で示す光Ａ１、Ａ２は、第１の虚像４５０の上端部４５１をユーザに提示するための光線を示しており、中間像形成部３６０に結像される実像３７０の上端部３７１から出射される光が投射鏡４００およびウィンドシールド６１０に反射してユーザの視点Ｅ１、Ｅ２に到達する。第１視点Ｅ１に向かう光Ａ１は、投射鏡４００の第１反射位置４０１で反射され、第２視点Ｅ２に向かうＡ２は、投射鏡４００の第２反射位置４０２で反射される。なお、本実施の形態で示す光学系においては、投射鏡４００とウィンドシールド６１０とで第１の画像表示光４４５を反射する構成としているため、中間像形成部３６０には上下反転した実像が結像される。

一方、破線で示す光Ｂ１、Ｂ２は、第１の虚像４５０の下端部４５２をユーザに提示するための光線を示しており、中間像形成部３６０に結像される実像３７０の下端部３７２から出射される光が投射鏡４００およびウィンドシールド６１０に反射して視点Ｅ１、Ｅ２に達する。第１視点Ｅ１に向かう光Ｂ１は、投射鏡４００の第３反射位置４０３で反射され、第２視点Ｅ２に向かう光Ｂ２は、投射鏡４００の第４反射位置４０４で反射される。

つづいて図７を参照して、中間像形成部３６０により上下方向に配光される第１の画像表示光４４５について詳述する。図７は、図６の中間像形成部３６０と投射鏡４００の間の光路を拡大して示したものである。実像３７０の上端部３７１として結像する光Ａは、拡散スクリーン３６２に直交する方向（ｚ方向）を基準に、凹レンズ３６４に入射して角度θ１だけ上方向（ｙ方向）に方向を変えて透過する。その後、拡散スクリーン３６２に実像として結像するとともに拡散されて、配光角ψ１を有する第１の画像表示光４４５として投射鏡４００に向かう。その結果、中間像形成部３６０に入射する光Ａは、主光線Ａ０を中心にして、第１反射位置４０１に向かう光Ａ１と、第２反射位置４０２に向かう光Ａ２の間で配光する第１の画像表示光４４５となる。

同様に、実像３７０の下端部３７２として結像する光Ｂは、凹レンズ３６４に入射して角度θ２だけ上方向（ｙ方向）に方向を変えて透過する。その後、拡散スクリーン３６２に実像として結像するとともに拡散されて、配光角ψ２を有する第１の画像表示光４４５として投射鏡４００に向かう。その結果、中間像形成部３６０に入射する光Ｂは、主光線Ｂ０を中心にして、第３反射位置４０３に向かう光Ｂ１と、第４反射位置４０４に向かう光Ｂ２の間で配光する第１の画像表示光４４５となる。

ここで、本実施の形態の凹レンズ３６４は、ｚ方向を基準として上下方向（図５における上下方向）に偏心して設けられる。より詳細には、凹レンズ３６４の光軸の位置は、拡散スクリーン３６２の中心位置よりも下方に位置される。そのため、凹レンズ３６４の光軸に近い上端部３７１から出射される主光線Ａ０の角度θ１よりも、凹レンズ３６４の光軸から遠い下端部３７２から出射される主光線Ｂ０の角度θ２の方が大きくなる。また、本実施の形態の凹レンズ３６４は、凹レンズ３６４の光軸が凹曲面に含まれないように構成されるため、主光線Ａ０およびＢ０は、いずれも上方向（ｙ方向）に傾いて出射される。

つづいて図８から図１１を参照しながら、本実施の形態における拡散スクリーン３６２について詳述する。図８は、拡散スクリーン３６２の構成を模式的に示す側面図であり、図９は、拡散スクリーン３６２の構成を示す上面図である。透過型スクリーンである拡散スクリーン３６２は、二枚の光拡散板３８０ａ、３８０ｂを備える。光拡散板３８０ａ、３８０ｂは、片面に複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイである。本実施の形態では、レンズアレイを構成するマイクロレンズの形状がそれぞれ異なる二枚の光拡散板３８０ａ、３８０ｂを組み合わせて用いる。特性の異なるマイクロレンズアレイを組み合わせることにより、拡散スクリーン３６２を透過した光の配光特性を向上させて視認性の高い第１の画像表示光４４５を提供する。

第１光拡散板３８０ａは、第１平坦面３８１ａと、第１平坦面３８１ａに背向し、第１のマイクロレンズ３８３ａが複数配列される第１レンズアレイ面３８２ａを有する。同様に、第２光拡散板３８０ｂは、第２平坦面３８１ｂと、第２平坦面３８１ｂに背向し、第２のマイクロレンズ３８３ｂが複数配列される第２レンズアレイ面３８２ｂを有する。第１光拡散板３８０ａおよび第２光拡散板３８０ｂは、複屈折性を有しないか、複屈折性の少ない材料で構成されることが望ましく、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）などの樹脂材料で構成される。

第１光拡散板３８０ａは、第１レンズアレイ面３８２ａが凹レンズ３６４と対向するように配置され、第２光拡散板３８０ｂは、第２レンズアレイ面３８２ｂが第１平坦面３８１ａと対向するように配置される。これにより、拡散スクリーン３６２に入射する光Ａは、第１レンズアレイ面３８２ａ、第１平坦面３８１ａ、第２レンズアレイ面３８２ｂ、第２平坦面３８１ｂの順に透過する。

第１光拡散板３８０ａおよび第２光拡散板３８０ｂは、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂとの距離Ｗが所定の値となるように配置される。その距離Ｗは、２００μｍ〜４００μｍ程度とすればよく、好ましくは、２５０μｍ〜３００μｍ程度の範囲とすればよい。第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの距離Ｗをこの範囲に設定することにより、マイクロレンズの周期的な配列によるモアレの発生を防ぎ、かつ、二枚の光拡散板を用いることにより像が二重になってしまう影響を抑えることができる。ここで、モアレとは、干渉縞のことをいい、規則正しく繰り返される模様を複数重ね合わせたときに、それらの周期のずれにより視覚的に発生する縞模様のことをいう。

なお、図８および図９では、説明の便宜上、第１光拡散板３８０ａと第２光拡散板３８０ｂの間に隙間を空けているが、本実施の形態では、第１平坦面３８１ａと第２レンズアレイ面３８２ｂとが接するように、第１光拡散板３８０ａと第２光拡散板３８０ｂとが積層される。このとき、第１光拡散板３８０ａの厚さを調整することで、第１レンズアレイ面３８２ａと第１レンズアレイ面３８２ａの間の距離Ｗが調整される。したがって、所定の距離Ｗが保たれるようにするには、第１光拡散板３８０ａの厚さを２００μｍ〜４００μｍ程度にすればよい。

第１光拡散板３８０ａおよび第２光拡散板３８０ｂは、結像される第１の画像表示光４４５の画像サイズに合わせて、図８に示す上下方向（ｙ軸方向）の幅Ｌｙと、図９に示す左右方向（ｘ軸方向）の幅Ｌｘとが異なるように構成される。具体的には、上下方向の幅Ｌｙよりも左右方向の幅Ｌｘの方を長くして、左右方向に長い画像が提示できるようにする。人間の視野角の特性上、左右方向に長い画像の方が見やすいためである。

また、第１光拡散板３８０ａおよび第２光拡散板３８０ｂは、図８に示す上下方向の配光特性（配光角ψｙ）と図９に示す左右方向（水平方向）の配光特性（配光角ψｘ）とが異なるように構成される。具体的には、上下方向の配光角ψｙよりも水平方向の配光角ψｘを大きくして、第１の画像表示光４４５により提示される画像全体が視認できる視線位置の範囲を、水平方向に大きくする。運転者であるユーザの視点位置は、着座した状態において上下方向よりも水平方向に大きく動くため、水平方向の視認範囲を広くとることで視認性が高まるためである。

本実施の形態では、水平方向の配光角ψｘが大きくなるように、レンズアレイ面３８２ａ、３８２ｂを構成するマイクロレンズ３８３ａ、３８３ｂの特性を選択している。本実施の形態では、第１のマイクロレンズ３８３ａの形状を円形にする一方で、第２のマイクロレンズ３８３ｂの形状を楕円形にすることにより、水平方向の配光角ψｘを大きくする。以下、図１０および図１１を参照しながら、このような特性を実現する第１のマイクロレンズ３８３ａおよび第２のマイクロレンズ３８３ｂの形状について説明する。

図１０（ａ）は、第１レンズアレイ面３８２ａの構造を示す上面図である。図１０（ｂ）は、第１レンズアレイ面３８２ａの構造を示す断面図であり、図１０（ａ）のＸ−Ｘ線断面を示す。第１レンズアレイ面３８２ａは、輪郭３８４ａの形状が正六角形である第１のマイクロレンズ３８３ａを六方格子状に配列することにより構成される。また、第１レンズアレイ面３８２ａは、第１のマイクロレンズ３８３ａがｘ軸方向に並ぶように構成される。第１のマイクロレンズ３８３ａのｘ方向の幅Ｗｘａは、１０μｍ〜３０μｍ程度とすればよく、例えば、２０μｍ程度とすればよい。一方、第１のマイクロレンズ３８３ａのｙ方向の幅Ｗｙａは、ｘ方向の幅Ｗｘａに対応して輪郭３８４ａが正六角形の形状となる幅とすればよく、例えば、２３μｍ程度とすればよい。

第１のマイクロレンズ３８３ａは、球面からなる曲面によりレンズを構成する。その結果、第１のマイクロレンズ３８３ａの頂点３８６ａの付近における等高線３８７ａの形状は円形または略円形となる。ここで、第１のマイクロレンズ３８３ａの等高線３８７ａの形状とは、ｚ方向に垂直なｘｙ平面で第１のマイクロレンズ３８３ａを切断した場合の断面形状に対応する。等高線３８７ａのｘ方向の径Ｒｘａとｙ方向の径Ｒｙａは、円形であることから同じ長さであり、これらの比により得られる第１の楕円率ｅａ＝Ｒｙａ／Ｒｘａは、１または１に近い値である。

なお、第１のマイクロレンズ３８３ａの等高線３８７ａの形状は、必ずしも真円である必要はなく、第１レンズアレイ面３８２ａを形成する製造工程の加工精度などにより、真円から少しずれた円に近い形状であってもよい。ここでいう円形とは、ｘ方向の径Ｒｘａとｙ方向の径Ｒｙａとがほぼ等しいことを言い、ｘ方向の径Ｒｘａとｙ方向の径Ｒｙａとが異なることにより明らかに楕円と言える形状ではないことを意図する。

図１１（ａ）は、第２レンズアレイ面３８２ｂの構造を示す上面図である。図１１（ｂ）は、第２レンズアレイ面３８２ｂの構造を示す断面図であり、図１１（ａ）のＸ−Ｘ線断面を示す。第２レンズアレイ面３８２ｂは、第１レンズアレイ面３８２ａと同様、第２のマイクロレンズ３８３ｂが六方格子状に配列され、ｘ軸方向に第２のマイクロレンズ３８３ｂが並ぶように構成される。

その一方で、第２のマイクロレンズ３８３ｂの輪郭３８４ｂは、正六角形ではなく、正六角形をｘ方向に圧縮したような六角形状を有する。その結果、第２のマイクロレンズ３８３ｂは、楕円面からなる曲面によりレンズを構成し、頂点３８６ｂの付近における等高線３８７ｂの形状は楕円形となる。また、ｘ方向に圧縮された楕円形であることから、等高線３８７ｂのｘ方向の径Ｒｘｂとｙ方向の径Ｒｙｂは異なる長さとなり、ｘ方向が短軸、ｙ方向が長軸となる。また、長軸と短軸の比により得られる第２の楕円率ｅｂ＝Ｒｙｂ／Ｒｘｂは、１よりも大きな値となる。つまり、第２の楕円率ｅｂは、第１のマイクロレンズ３８３ａにおける第１の楕円率ｅａと異なる値をとる。

第２のマイクロレンズ３８３ｂのｘ方向の幅Ｗｘｂは、第１のマイクロレンズ３８３ａのｘ方向の幅Ｗｘａと同様、１０μｍ〜３０μｍ程度とすればよいが、第１のマイクロレンズ３８３ａのｘ方向の幅Ｗｘａとは異なる値とすることが望ましい。例えば、第１のマイクロレンズ３８３ａのｘ方向の幅Ｗｘａを２０μｍとした場合、第２のマイクロレンズ３８３ｂのｘ方向の幅Ｗｘｂは、１５〜１９μｍ程度とすればよい。一方、第２のマイクロレンズ３８３ｂのｙ方向の幅Ｗｙｂは、等高線３８７ｂの楕円形状が第２の楕円率ｅｂをとるようにｘ方向の幅Ｗｘｂに対応した幅とすればよい。例えば、第２のマイクロレンズ３８３ｂのｙ方向の幅Ｗｙｂは、２１μｍ〜３０μｍ程度とすればよい。

第２のマイクロレンズ３８３ｂは、ｘ方向に短軸を有し、ｙ軸方向に長軸を有する楕円形状のレンズであるため、ｘ方向の曲率がｙ方向の曲率よりも大きくなる。その結果、第２のマイクロレンズ３８３ｂに入射する光は、曲率の低いｙ方向と比べて、曲率の高いｘ方向に大きく拡散することとなり、ｘ方向の配光角が大きくなることとなる。これにより、上下方向の配光角ψｙよりも水平方向の配光角ψｘを大きくすることができる。

つづいて、図１２から図１４を参照しながら、本実施の形態に係る拡散スクリーン３６２の配光特性について示す。図１２（ａ）は、比較例に係る拡散スクリーン３９２を模式的に示す図であり、図１２（ｂ）は、実施の形態にかかる拡散スクリーン３６２を模式的に示す図である。比較例に係る拡散スクリーン３９２は、本実施の形態に係る第１光拡散板３８０ａのみにより構成される透過型スクリーンである。まず、比較例に係る拡散スクリーン３９２の配光特性を図１２を用いて示し、拡散スクリーン３９２における課題について説明する。つづいて、本実施の形態に係る拡散スクリーン３６２の配光特性を図１３を用いて示す。

図１３は、比較例に係る拡散スクリーン３９２を透過した光の配光分布を示すグラフである。本グラフは、図１２（ａ）に示す入射角θｉｎを、−２０度、０度、２０度とした場合における透過光の配光特性を示す。図示されるように、いずれの入射角θｉｎにおいても、ピーク付近の形状がギザギザとした配光分布が見られる。これは、複数のマイクロレンズが周期的に配列されるため、マイクロレンズにより回折された透過光が干渉して、特定の方向における強度が高まるためと考えられる。このような回折ピークが見られると、第１の画像表示光４４５により提示される画像の輝度にムラができ、視認性の低下につながる。

また、入射角θｉｎが−２０度または２０度の場合には、左右非対称な配光分布が見られる。中心（０度）に近い角度では、ピーク位置に向けて強度が緩やかに高まるのに対し、中心より離れた角度（−６０度、６０度）からピーク位置に向けて強度が急峻に高まる。このように非対称な配光分布を有することとなると、視線位置を動かした場合に、第１の虚像４５０の一部範囲の輝度が急激に変化するように見えてしまい視認性の低下につながる。第１の虚像４５０の視認範囲を広げるためには、第１の画像表示光４４５を透過型スクリーンに斜めに入射させる必要があるため、斜入射させた場合であっても透過光の配光分布が左右対称であることが望ましい。

図１４は、実施の形態に係る拡散スクリーンを透過した光の配光分布を示すグラフである。本グラフは、図１２（ｂ）に示す入射角θｉｎを、−２０度、０度、２０度とした場合における透過光の配光特性を示す。比較例の場合とは異なり、いずれの入射角θｉｎにおいても、ピーク付近にギザギザの形状が見られず、ガウス分布に近いなだらかな形状の配光分布となっている。これは、マイクロレンズの形状が異なる二枚のマイクロレンズアレイを組み合わせているため、マイクロレンズアレイを一枚だけ用いる場合と比べて回折による干渉効果を緩和できたためと考えられる。これにより第１の虚像４５０の輝度のムラを抑えて視認性を高めることができる。

また、入射角θｉｎが−２０度または２０度の場合においても、配光分布が左右対称に近い形状となることがわかる。これにより、視線位置を動した場合であっても、第１の虚像４５０の輝度を均一にすることができる。これにより、視線位置が動く前と動いた後に見える画像の間での輝度の変化量を少なくして、視認性を高めることができる。

また、二枚のマイクロレンズアレイを組み合わせることにより、マイクロレンズアレイを一枚だけ用いる場合と比べて、透過光の配光角ψの幅を広げることができる。ここでの配光角ψの幅とは、例えば、グラフに示す配光分布の半値全幅に相当する角度の値である。透過光の配光角ψを広げることで、第１の虚像４５０の全体を視認できる視線位置の範囲を広くすることができる。これにより、視線位置が移動する場合であっても、画像全体を提示することができるため、視認性を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る拡散スクリーン３６２において、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの間の距離を、２００μｍ〜４００μｍ程度としている。一般に、周期的な配列構造を有するマイクロレンズアレイを二枚組み合わせると、モアレが発生しやすい。また、周期性のない拡散スクリーンを二枚組み合わせた場合であっても、それぞれのスクリーンに結像する像が重なり合って二重像を形成し、第１の虚像４５０の解像度が低下する要因となりうる。本実施の形態では、レンズアレイ面の間の距離を約４００μｍ以下としているため、二重像の発生による解像度の低下を抑えることができる。

一方で、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの間の距離を小さくしすぎると、第１レンズアレイ面３８２ａにより回折される光の干渉効果を、第２レンズアレイ面３８２ｂによって十分に緩和できなくなるおそれがある。本実施の形態では、レンズアレイ面の間の距離を約２００μｍ以上とすることで、マイクロレンズアレイを一枚だけ用いる場合に発生する回折ピークの発生を抑制することができる。また、周期的な配列のマイクロレンズアレイを組み合わせることによるモアレの発生も抑制することができる。つまり、二つのレンズアレイ面の距離を２００μｍ〜４００μｍ程度とすることで、解像度の低下を抑えつつ、輝度ムラやモアレの発生を抑えて、視認性の高い画像を提示することができる。

以下、本実施の形態における中間像形成部３６０により奏する効果について述べる。

本実施の形態における中間像形成部３６０は、主光線Ａ０、Ｂ０に対して所定の配光角ψ１、ψ２を有した第１の画像表示光４４５となるよう主光線の配光角を制御する拡散スクリーン３６２を有する。このため、視点位置が移動する場合であっても所定範囲内であれば一定の明るさの虚像を提示することができる。また、拡散スクリーン３６２として、配光角ψ１、ψ２が投射鏡４００の第１反射位置４０１から第２反射位置４０２の範囲内、または第３反射位置４０３から第４反射位置４０４の範囲内となる特性のものを選択することにより、第１の画像表示光４４５を高効率に利用することができる。この反射位置の範囲よりも配光角が狭くなってしまうと、明るい第１の虚像４５０を提示できる視点の範囲が狭くなってしまう一方で、この反射位置の範囲よりも配光角が広くなってしまうと、投射鏡４００で反射されない第１の画像表示光４４５の割合が増えて、ユーザに提示される第１の虚像４５０が暗くなってしまうためである。このように、配光角ψ１、ψ２を適切に制御することにより、明るい第１の虚像４５０を高効率でユーザに提示することができ、第１の虚像４５０の視認性を高めることができる。

また、中間像形成部３６０は、中間像形成部３６０を透過した主光線Ａ０、Ｂ０の方向を制御する凹レンズ３６４を有する。中間像形成部３６０として凹レンズ３６４を設けることにより、中間像形成部３６０と投射鏡４００の間の距離Ｄを短くしなければならない場合であっても、ユーザに提示する第１の虚像４５０をより大きくすることができる。したがって、凹レンズ３６４を設けることにより、光学ユニット１００の大きさを小型化しつつ、より大きな第１の虚像４５０を提示することができ、第１の虚像４５０の視認性を高めることができる。

また、中間像形成部３６０は、凹レンズ３６４が上下方向に偏心して設けられる。これにより、第１の虚像４５０をユーザの視線方向に対して真正面ではなく、上下方向に少しずらした位置に提示することができる。第１の虚像４５０の上端部４５１を提示するための光と、第１の虚像４５０の下端部４５２を提示するための光との間に角度差をつけることができるためである。第１の虚像４５０を上下方向にずらすことによって、ユーザにとって見やすい位置に第１の虚像４５０を提示することができ、第１の虚像４５０の視認性を高めることができる。また、上下方向に偏心させた凹レンズを用いることにより、光学ユニット１００をより小型化することができる。

また、中間像形成部３６０は、拡散スクリーン３６２として、マイクロレンズアレイである二枚の光拡散板３８０ａ、３８０ｂを組み合わせて用いる。これにより、ユーザに角度差をつけた第１の画像表示光４４５を提示するために拡散スクリーン３６２に斜めに光を入射させる場合であっても、拡散スクリーン３６２を透過した後の光の配光分布を整えることができる。また、第１の虚像４５０として提示される画像の輝度ムラを抑えつつ、透過光の配光角を大きくして第１の虚像４５０の全体を視認できる視線位置の範囲を広げることができる。その結果、第１の虚像４５０の視認性を高めることができる。

また、拡散スクリーン３６２は、円形状を有する第１のマイクロレンズ３８３ａで構成される第１レンズアレイ面３８２ａと、楕円形状を有する第２のマイクロレンズ３８３ｂで構成される第２レンズアレイ面３８２ｂの組み合わせにより構成される。マイクロレンズの形状が異なる二枚の光拡散板３８０ａ、３８０ｂを組み合わせることで、回折光の干渉の影響による輝度ムラを抑えることできる。また、第２のマイクロレンズ３８３ｂを、ｘ方向に短軸を有しｙ方向に長軸を有する楕円形状とすることで、ｘ方向の配光角をｙ方向よりも大きくすることができる。これにより、視認可能な範囲をｘ方向（左右方向）に広げることができ、第１の虚像４５０の視認性を高めることができる。

また、拡散スクリーン３６２は、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの距離Ｗが所定の値となるように構成される。この距離Ｗを一定の範囲にすることにより、二重像やモアレの発生による解像度の低下を抑えつつ、輝度ムラの少ない第１の虚像４５０を提示することができる。これにより、第１の虚像４５０の視認性を高めることができる。

つづいて、図１５を参照しながら変形例に係る拡散スクリーン３６２について示す。図１５（ａ）〜（ｃ）は、変形例に係る拡散スクリーン３６２の構成を模式的に示す側面図である。

図１５（ａ）は、変形例１に係る拡散スクリーン３６２である。変形例１では、第１レンズアレイ面３８２ａと第２平坦面３８１ｂとが対向するように二枚の光拡散板３８０ａ、３８０ｂを積層させている。その結果、拡散スクリーン３６２に入射する光は、第１平坦面３８１ａ、第１レンズアレイ面３８２ａ、第２平坦面３８１ｂ、第２レンズアレイ面３８２ｂの順に透過する。このような構成であっても、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの間の距離Ｗを一定の範囲にすることで、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図１５（ｂ）は、変形例２に係る拡散スクリーン３６２である。変形例２では、第１平坦面３８１ａと第２平坦面３８１ｂとが接するように二枚の光拡散板３８０ａ、３８０ｂが積層される。その結果、拡散スクリーン３６２に入射する光は、第１レンズアレイ面３８２ａ、第１平坦面３８１ａ、第２平坦面３８１ｂ、第２レンズアレイ面３８２ｂの順に透過する。このとき、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの間の距離Ｗを一定の範囲となるように、第１光拡散板３８０ａの厚さと第２光拡散板３８０ｂの厚さの合計値が距離Ｗと等しくなるように厚さが調整される。変形例２においても、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、変形例２において、二枚の光拡散板３８０ａ、３８０ｂは別体である必要はなく、代わりに、両面にレンズアレイ面を形成した一枚の光拡散板を用いてもよい。この場合、一方の面には第１レンズアレイ面３８２ａが形成され、他方の面には第２レンズアレイ面３８２ｂが形成される。また、この光拡散板の厚さは、距離Ｗと等しくなるように調整される。このような構成としても、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図１５（ｃ）は、変形例３に係る拡散スクリーン３６２である。変形例３では、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂとが対向するように配置されるとともに、その間に透光板３８０ｃが設けられる。透光板３８０ｃは、両面に平坦面が設けられ、ポリカーボネートなどの透明な樹脂材料で構成される。透光板３８０ｃは、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの距離Ｗを一定の範囲に保つ役割を有し、その厚さが距離Ｗと同じに等しくなるように調整される。このような構成としても、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図１に戻り、虚像表示システム１を構成する電子インスツルメントパネル７０の構成について説明する。本実施の形態においては、ヘッドアップディスプレイ１０が提示する第１の虚像４５０に加えて、電子インスツルメントパネル７０によって第２の虚像７５０が提示される。第１の虚像４５０および第２の虚像７５０は、虚像提示面であるウィンドシールド６１０または凹面鏡７４０よりも遠方に画像があるように見える。

運転者であるユーザは、視線方向を移動させることにより、ウィンドシールド６１０を介して提示される第１の虚像４５０とスモーク板７１０を介して提示される第２の虚像７５０の双方を見ることなる。本実施の形態では、ユーザの視点Ｅから見て第１の虚像４５０までの距離を第１距離Ｄ１とし、第２の虚像７５０までの距離を第２距離Ｄ２とした場合に、第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２とが同一またはほぼ同一の距離となるように第１の虚像４５０および第２の虚像７５０を表示する。言い換えれば、ユーザの視点Ｅから見た第１の虚像４５０および第２の虚像７５０の焦点位置がほぼ同じとなるようにする。これにより、運転中などに視線方向を移動させての第１の虚像４５０および第２の虚像７５０双方を見る場合におけるユーザの目の焦点移動を少なくし、視線移動に伴うユーザの負担を軽減させる。

電子インスツルメントパネル７０の構成は、ヘッドアップディスプレイ１０と同様であり、ウィンドシールド６１０により第１の画像表示光４４５を反射して第１の虚像４５０を提示する代わりに、スモーク板７１０を透過した第２の画像表示光７４５により第２の虚像７５０を提示する点で相違する。

電子インスツルメントパネル７０は、画像投射部７２０、中間鏡７３５、中間像形成部７３６、凹面鏡７４０およびスモーク板７１０を備える。電子インスツルメントパネル７０の画像投射部７２０、中間鏡７３５、中間像形成部７３６、凹面鏡７４０は、それぞれ上述したヘッドアップディスプレイ１０の画像投射部２１０、中間鏡３５０、中間像形成部３６０、投射鏡４００と同様のものである。

電子インスツルメントパネル７０は、画像投射部７２０が生成する第２の画像表示光７４５を中間像形成部７３６に実像として結像させ、中間像形成部７３６に結像した実像に係る第２の画像表示光７４５を凹面鏡７４０により適切な拡大率として反射し、スモーク板７１０に投射する。これによりユーザは、スモーク板７１０を介して凹面鏡７４０により反射された画像を視認する。特に、中間像形成部７３６に結像された実像を１０倍以上の大きさに拡大可能な形状を有する凹面鏡７４０を用いることで、電子インスツルメントパネル７０を小型化することができる。

ユーザは、スモーク板７１０を介して第２の虚像提示面として機能する凹面鏡７４０が反射する第２の画像表示光７４５を直接視認するが、実際には、ユーザの視点Ｅから約１ｍ〜２ｍ先に約１０インチ〜１２インチの第２の虚像７５０が見えることとなる。また、ユーザは、ウィンドシールド６１０を介してヘッドアップディスプレイ１０が提示する第１の画像表示光４４５を視認することができ、ユーザの視点Ｅから約２ｍ前方に約１２インチの第１の虚像４５０が見える。

また、通常のインスツルメントパネルは、凹面鏡７４０が該当する位置に各種メータ等が存在するため、ユーザの違和感を無くすために、第２距離Ｄ２を、ユーザの視点Ｅから凹面鏡７４０までの距離より大きく、第１距離Ｄ１より小さい距離となるように設定してもよい。ユーザの視点Ｅから第１の虚像４５０までの第１距離Ｄ１は、中間像形成部３６０、投射鏡４００または画像投射部２１０の光軸方向の位置などにより設定可能である。同様に、ユーザの視点Ｅから第２の虚像７５０までの第２距離Ｄ２は、凹面鏡７４０、中間像形成部７３６の位置または画像投射部７２０の光軸方向の位置により設定可能である。

スモーク板７１０は、光の透過率が低い平板状の部材である。スモーク板７１０は、例えば、スモーク樹脂板に対してスモークフィルムをラミネートして形成される。このような構成とすることで、スモーク板７１０の透過率を低くするとともに、スモーク板７１０の界面における反射率を低くすることができる。また、スモーク樹脂板をフィルムにより保護することができる。なお、スモーク板７１０は、平板形状ではなく、曲面を構成するような板状部材であってもよい。

電子インスツルメントパネル７０は、その筐体により内部への外光の入射が遮断される構造であるとともに、スモーク板７１０の透過率は、外光の入射を制限するためにスモーク板７１０の界面における反射率より小さい値とすることが望ましく、８％以下とすることが好ましい。透過率を８％以下とすることで、ユーザの後方や上方向からの太陽光などがスモーク板７１０を介して凹面鏡７４０に入射し、ユーザや他の構成部材に光が反射することを防止することができる。また、スモーク板７１０の透過率を低くすることで、電子インスツルメントパネル７０の内部が見えにくい構成とすることができる。これにより、第２の虚像７５０の視認性を高めるとともに、電子インスツルメントパネル７０のデザイン性を高めることができる。

なお、スモーク板７１０は、その表面にタッチパネル用のセンサを備えてもよい。スモーク板７１０をタッチパネルとして機能させることにより、スモーク板７１０は、電子インスツルメントパネル７０に対する設定を行うユーザインターフェースを兼ねることができる。これにより、電子インスツルメントパネル７０に対する入力ボタンなどをダッシュボード上の他の位置に設ける必要が無くなり、ダッシュボード上をすっきりとさせることができる。

電子インスツルメントパネル７０は、ヘッドアップディスプレイ１０と同様に、制御装置７８０を含む。電子インスツルメントパネル７０の制御装置７８０は、ヘッドアップディスプレイ１０の制御装置５０と共通であってもよいし、ヘッドアップディスプレイ１０とは別に制御装置を備えることとしてもよい。

電子インスツルメントパネル７０は、制御装置７８０からの画像信号により、スピードメータ、タコメータ、燃料計、シフトポジション等、一般的な車両のインスツルメントパネルに備えられる計器が示す内容を表示する。また、電子インスツルメントパネル７０は、車両の後方を撮影するカメラにより撮像される車両後方の画像を表示してもよい。

電子インスツルメントパネル７０に表示される内容は、運転状況やユーザからの入力情報などの様々な条件によって、それぞれの表示内容に割り当てられる画像のサイズや表示形態を変化させることとしてもよい。例えば、ユーザの好みに応じた表示形態としたり、車両の走行速度に応じて、スピードメータのサイズを大きくしたり、バック走行時にはスピードメータ等の表示を無くして車両後方の画像を大きく表示したりしてもよい。

図１６は、ヘッドアップディスプレイ１０及び電子インスツルメントパネル７０の設置態様を模式的に示す斜視図であり、図１７は、ヘッドアップディスプレイ１０及び電子インスツルメントパネル７０の設置態様を模式的に示す正面図である。図示されるように、スモーク板７１０は、電子インスツルメントパネル７０の前面に設置され、一般的な車両においてインスツルメントパネルが設けられる位置に設けられる。その結果、スモーク板７１０は、運転席に着座したユーザの正面に位置するように配置され、運転者であるユーザは、ステアリングホイール越しにスモーク板７１０を視認することとなる。

また、ヘッドアップディスプレイ１０が提示する第１の虚像４５０は、ユーザの視点Ｅから見て電子インスツルメントパネル７０の奥に位置する箇所に表示される。その結果、図１７に示すように、ヘッドアップディスプレイ１０が提示する第１の虚像４５０と、電子インスツルメントパネル７０が提示する第２の虚像７５０は、ユーザの視点Ｅとほぼ同軸上つまり、車両の上下方向に延びる直線上に並ぶように配置されることとなる。このような配置とすることによって、ユーザの目の焦点移動の低減に加えて視点移動をさらに少なくすることができ、車外の景色と、ヘッドアップディスプレイ１０が提示する第１の虚像４５０および電子インスツルメントパネル７０が提示する第２の虚像７５０を同時に目視することも可能となる。

以上の構成により、本実施の形態では、ヘッドアップディスプレイ１０が提示する第１の虚像４５０と、電子インスツルメントパネル７０が提示する第２の虚像７５０とが、ユーザの視点Ｅからほぼ同軸上となる上下方向に並んで配置されるとともに、ユーザの視点Ｅから同一またはほぼ同一の距離に見えることとなる。そのため、ヘッドアップディスプレイ１０が提示する第１の虚像４５０とともに車外の風景を目視している状態から、電子インスツルメントパネル７０が提示する第２の虚像７５０を目視する状態へと視線を移動させる場合において、ユーザの視点移動角と焦点移動量の双方を小さくすることができる。これにより、ユーザにより多くの情報を提示しつつ、視線移動に伴うユーザの負担を減らすことができる。特に、ユーザが運転中に車外の前方を目視している場合であっても、主に車両の移動に関連する情報が提示される第１の虚像４５０と、主に車両の制御に関連する情報が提示される第２の虚像７５０との双方を、負担無く目視することができる。

なお、変形例に係る電子インスツルメントパネル７０においては、ユーザの視点Ｅから第２の虚像７５０までの第２距離Ｄ２や、視認される第２の虚像７５０のサイズを、運転状況やユーザからの入力情報などの様々な条件によって変更することとしてもよい。

図１８は、変形例における電子インスツルメントパネル７０の制御装置７８０のブロック図である。制御装置７８０は、プログラム等の動作によって実現する機能として、表示制御部７８１、速度検出部７８２および可変制御部７８３を備える。表示制御部７８１は、入力された画像信号に基づき、画像投射部７２０が投射する画像の輝度や色調を制御する。なお、表示制御部７８１と同等の機能は、ヘッドアップディスプレイ１０が備える制御装置５０にも備えられていてもよい。また、制御装置５０および制御装置７８０は共通の制御装置であってもよく、例えば、制御装置５０が制御装置７８０の機能を兼ね備える場合には、制御装置５０がヘッドアップディスプレイ１０および電子インスツルメントパネル７０の投射画像を制御してもよい。

速度検出部７８２は、車両若しくは図示しないナビゲーション装置より、車両の走行速度の情報を取得することにより速度を検出する。可変制御部７８３は、速度検出部７８２が検出した車両の速度等に基づいて、第２の虚像７５０までの第２距離Ｄ２を変化させる制御を行う。具体的には、凹面鏡７４０、中間像形成部７３６または画像投射部７２０のいずれかの光軸方向の位置を機構的に可変可能な駆動部が備えられ、可変制御部７８３の制御により駆動部が駆動される。駆動部の具体例としては、パルスモータ等である。

例えば、速度検出部７８２が車速情報を取得し、車両の走行速度が６０ｋｍ/ｈ以上などの所定の閾値となる速度以上である場合には、可変制御部７８３は、電子インスツルメントパネル７０が生成する第２の虚像７５０までの第２距離Ｄ２を、ヘッドアップディスプレイ１０が生成する第１の虚像４５０までの第１距離Ｄ１と同一またはほぼ同一の距離とする。一般に、車両の走行速度が高い場合、比較的遠方の位置に焦点を合わせて運転をすることから、電子インスツルメントパネル７０が提示する第２の虚像７５０の焦点位置を遠くすることによって、視線移動に伴う負担を減らすことができる。

一方、車両の走行速度が所定の閾値となる速度未満である場合は、電子インスツルメントパネル７０が生成する第２の虚像７５０までの第２距離Ｄ２を、ヘッドアップディスプレイ１０が生成する第１の虚像４５０までの第１距離Ｄ１よりも数十ｃｍ〜１ｍ程度手前に設定する。一般に、車両の走行速度が低いときには比較的近い位置に焦点を合わせて運転することが多いことから、電子インスツルメントパネル７０が提示する第２の虚像７５０の焦点位置を短くすることによって、視線移動に伴う負担を減らすことができる。その他、後方走行時にも、電子インスツルメントパネル７０が生成する第２の虚像７５０までの第２距離Ｄ２を手前に設定することとしてもよい。このような制御を行うことで、視線移動に伴うユーザの負担を減らしつつ、より多くの情報をユーザに提示することができる。視線移動の負担が減ることにより、ユーザはより短い時間でより多くの情報を確認することができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態においては、虚像表示システム２の構成例として、ヘッドアップディスプレイ１０を第１の虚像を生成する第１の虚像生成装置、虚像電子ミラー８０を第２の虚像を生成する第２の虚像生成装置として説明する。図１９は、第２の実施の形態に係る虚像表示システム２の設置態様および第２の虚像生成装置である虚像電子ミラー８０の構成を模式的に示す図である。以下、第１の実施の形態との差を明確にするため、虚像電子ミラー８０が投射する画像表示光を第３の画像表示光８４５、虚像電子ミラー８０が提示する虚像を第３の虚像８５０として説明する。

虚像電子ミラー８０とは、車両の後方を撮影するカメラからの画像を、電子インスツルメントパネル７０と同様の構成により、リアルタイムでユーザに提示するものである。虚像電子ミラー８０は、一般的なサイドミラーやバックミラーを補助する装置または置き換えされる装置として利用可能である。例えば、サイドミラーに置き換えて虚像電子ミラー８０を用いる場合、一般的な計器類で構成されるインスツルメントパネルや、上述した第２の虚像７５０を提示可能な電子インスツルメントパネル７０の左右の位置に虚像電子ミラー８０を設けて、車両後方の画像を提示する。

虚像電子ミラー８０の構成は、電子インスツルメントパネル７０の構成と同様であり、ステアリングホイール９１０を挟んで設けられる左右のスモーク板８１０を透過した第３の画像表示光８４５により第３の虚像８５０を提示する点で相違する。図１９に示すように、虚像電子ミラー８０は、画像投射部８２０、中間鏡８３５、中間像形成部８３６、凹面鏡８４０およびスモーク板８１０を備える。虚像電子ミラー８０の画像投射部８２０、中間鏡８３５、中間像形成部８３６、凹面鏡８４０は、それぞれ上述した電子インスツルメントパネル７０の画像投射部７２０、中間鏡７３５、中間像形成部７３６、凹面鏡７４０と同様のものである。虚像電子ミラー８０の構成は、第３の虚像８５０を左右に提示する必要があり、上述した構成を左右各々に備える。

図２０は、虚像表示システム２を構成する虚像電子ミラー８０Ｌ、８０Ｒ（以下、虚像電子ミラー８０ともいう）の構成例を示した図である。本実施の形態においては、ヘッドアップディスプレイ１０が提示する第１の虚像４５０に加えて、虚像電子ミラー８０によって第３の虚像８５０が提示される。第１の虚像４５０および第３の虚像８５０は、第１の虚像提示面として機能するウィンドシールド６１０または第３の虚像提示面として機能する凹面鏡８４０よりも遠方に画像があるように見える。なお、虚像表示システム２は、図２０に示すように、第２の虚像７５０を生成する電子インスツルメントパネル７０をさらに備えてもよい。

虚像電子ミラー８０は、車両の左後方および右後方各々に対応することが好ましく、ステアリングホイール９１０を挟んで左側に虚像電子ミラー８０Ｌ、右側に虚像電子ミラー８０Ｒが備えられる。虚像電子ミラー８０は、ダッシュボード９００に備えられてもよく、ダッシュボード９００よりユーザ側に備えられていてもよい。

虚像電子ミラー８０が表示する画像は、車両の後方を撮影した画像である。虚像電子ミラー８０は、図２１に示すように、車両の外部または内部に備えられた撮像部８９０（８９０Ｌ）が撮影した画像をリアルタイムで表示する。図２１は、車両の側面に設けられる撮像部８９０の設置態様を模式的に示す。図２１は、車両の左側面において車両の左後方を撮影する撮像部８９０Ｌのみを示しているが、車両の右側面においても撮像部８９０Ｒが同様に備えられている。また、撮像部８９０の設置位置は、車両のフェンダー上などであってもよく、特に限定されるものではない。

撮像部８９０Ｌが撮影した画像は、虚像電子ミラー８０Ｌによって虚像８５０Ｌとしてユーザに提示される。同様に、撮像部８９０Ｒが撮影した画像は、虚像電子ミラー８０Ｒによって虚像８５０Ｒとしてユーザに提示される。

図２２は、スモーク板８１０Ｒを例としてスモーク板８１０の構成を示した図である。スモーク板８１０は、図２２に示すように、透過率が低い透過部分８１１および光が透過しない非透過部分８１２より構成される。透過部分８１１の形状は、ユーザ視点Ｅから見て第３の虚像８５０が提示される範囲を含む形状であり、一般的に車両の左右側面に備えられているバックミラーと同様の形状である。非透過部分８１２は、スモーク板８１０に対して透過部分８１１の形状を除く非透過性のフィルムの貼り付けや、樹脂素材によるカバーなどである。

運転者であるユーザは、視線方向を移動させることにより、ウィンドシールド６１０を介して提示される第１の虚像４５０とスモーク板８１０を介して提示される第３の虚像８５０の双方を見ることなる。本実施の形態では、ユーザの視点Ｅから見て第１の虚像４５０までの距離を第１距離Ｄ１とし、第３の虚像８５０までの距離を第２距離Ｄ２とした場合に、第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２とが同一またはほぼ同一の距離となるように第１の虚像４５０および第３の虚像８５０を表示する。言い換えれば、ユーザの視点Ｅから見た第１の虚像４５０および第３の虚像８５０の焦点位置がほぼ同じとなるようにする。これにより、運転中などに視線方向を移動させての第１の虚像４５０および第３の虚像８５０双方を見る場合におけるユーザの目の焦点移動を少なくし、視線移動に伴うユーザの負担を軽減させる。特に、ユーザが運転中に車外の前方を目視している場合であっても、主に車両の移動に関連する情報が提示される第１の虚像４５０と、主に車両の後方画像が提示される第３の虚像８５０との双方を、負担無く目視することができる。

さらに、虚像表示システム２が上述の第１の実施の形態で示したような電子インスツルメントパネル７０を備える場合、第１の虚像４５０、第３の虚像８５０に加えて第２の虚像７５０もほぼ同一の距離となるため、同様の効果が得られる。また、第３の虚像８５０は、虚像として提示される範囲が透過部分８１１の形状であるバックミラーの形状であるため、ユーザが第３の虚像８５０を目視して後方を確認する場合の違和感を低減することができる。

さらに、第３の虚像８５０は、運転中に前方を注視しているユーザの視野内に位置するように配置されていることが好ましい。ここでいう視野とは、誘導視野さらには有効視野であることが好ましく、図２０において視野Ｓとして示す。このような構成により、車両を運行させるために必要となる安全確認や情報確認の時間および視点移動の負担を低減させることができ、ユーザにとって使いやすいシステムとすることができる。

また、虚像電子ミラー８０が備える制御装置８８０においても、図１８に示す電子インスツルメントパネル７０の制御装置７８０と同様に、速度検出部および可変制御部を備え、電子インスツルメントパネル７０と同様に車両の走行速度に応じて第３の虚像８５０までの第２距離Ｄ２を変化させてもよい。なお、虚像電子ミラー８０が生成する第３の虚像８５０までの距離は、電子インスツルメントパネル７０が生成する第２の虚像７５０までの距離と同一となるように、その距離を変化させてもよいし、それぞれの距離を独立して変化させてもよい。また、制御装置８８０は、電子インスツルメントパネル７０の制御装置７８０やヘッドアップディスプレイ１０の制御装置５０と共通であってもよい。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、下記変形例は、ヘッドアップディスプレイ１０の構成例として説明しているが、電子インスツルメントパネル７０の構成および虚像電子ミラー８０の構成としても適用可能である。

上述の実施の形態においては、中間像形成部３６０として凹レンズ３６４を拡散スクリーン３６２の手前に配置する場合、つまり、凹レンズ３６４を透過した第１の画像表示光４４５が拡散スクリーン３６２に入射する構成となる場合を示した。さらなる変形例として、拡散スクリーン３６２と凹レンズ３６４を逆に配置することとしてもよい。この場合、中間鏡３５０から投射鏡４００の間は、中間鏡３５０、拡散スクリーン３６２、凹レンズ３６４、投射鏡４００の順に光学素子が配列されることとなる。中間像形成部３６０の向きを逆にしたとしても、拡散スクリーン３６２により第１の画像表示光４４５の配光角を制御するとともに、凹レンズ３６４により主光線の向きを制御して、視認性の高い第１の虚像４５０を提示することができる。

上述の実施の形態においては、中間像形成部３６０として凹レンズ３６４を用いることにより第１の画像表示光４４５の主光線の方向を制御することとした。変形例においては、凹レンズ３６４を設けず、中間像形成部３６０が拡散スクリーン３６２のみを備える構成としてもよい。この変形例においては、画像投射部２１０が備える投射レンズ群２４２により、第１の画像表示光４４５の主光線の方向が調整される。

上述の実施の形態においては、第２レンズアレイ面３８２ｂを、ｘ方向に短軸を有しｙ方向に長軸を有する楕円形状の第２のマイクロレンズ３８３ｂで構成する場合を示した。変形例においては、第２のマイクロレンズ３８３ｂの長軸と短軸の方向が異なる向きとなるようにして第２レンズアレイ面３８２ｂを構成することとしてもよい。例えば、上下方向（ｙ方向）の配光角を大きくしたい場合には、短軸がｙ方向となるように構成すればよい。この場合においても、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

上述の実施の形態においては、拡散スクリーン３６２に入射する光が、円形状の第１のマイクロレンズ３８３ａにより構成される第１レンズアレイ面３８２ａ、楕円形状の第２のマイクロレンズ３８３ｂにより構成される第２レンズアレイ面３８２ｂの順に透過する場合について示した。変形例においては、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの配置を逆にして、第２レンズアレイ面３８２ｂ、第１レンズアレイ面３８２ａの順に入射光が透過する構成としてもよい。

上述の実施の形態においては、第１レンズアレイ面３８２ａを、円形状を有する第１のマイクロレンズ３８３ａで構成する場合を示した。変形例においては、楕円形状を有する第１のマイクロレンズ３８３ａを用いてもよい。この場合、第１のマイクロレンズ３８３ａと第２のマイクロレンズ３８３ｂの形状は異なることが望ましく、第１の楕円率ｅａと第２の楕円率ｅｂの値が異なるようにすることが望ましい。二枚の光拡散板において、それぞれのマイクロレンズの楕円率ｅａ、ｅｂを異なる値とすることで、回折光の干渉による回折ピークの発生を抑えることができる。

上述の実施の形態では、第１のマイクロレンズ３８３ａおよび第２のマイクロレンズ３８３ｂの輪郭３８４ａ、３８４ｂの形状が六角形となる場合について示した。変形例においては、マイクロレンズの輪郭の形状を四角形とし、複数のマイクロレンズを格子状または六方格子状に配置することとしてもよい。また、マイクロレンズの輪郭の形状を円形または楕円形とし、平坦面の上に円形または楕円形のマイクロレンズを配列させることとしてもよい。

１，２…虚像表示システム、１０…ヘッドアップディスプレイ、７０…電子インスツルメントパネル、２１０…画像投射部、３６０…中間像形成部、３６２…拡散スクリーン、３６４…凹レンズ、３７０…実像、３８０ａ…第１光拡散板、３８０ｂ…第２光拡散板、３８１ａ…第１平坦面、３８１ｂ…第２平坦面、３８２ａ…第１レンズアレイ面、３８２ｂ…第２レンズアレイ面、３８３ａ…第１のマイクロレンズ、３８３ｂ…第２のマイクロレンズ、３８６ａ，３８６ｂ…頂点、３８７ａ，３８７ｂ…等高線、４４５…第１の画像表示光、４５０…第１の虚像、７１０…スモーク板、７２０…画像投射部、７３５…中間鏡、７３６…中間像形成部、７４０…凹面鏡、７４５…第２の画像表示光、７５０…第２の虚像、７８０…制御装置、８０…虚像電子ミラー、８１０…スモーク板、８２０…画像投射部、８３５…中間鏡、８４５…第３の画像表示光、８５０…第３の虚像、８８０…制御装置、８９０…撮像部。

Claims (8)

1. 外景を背景としてユーザから第１距離前方に第１の虚像が位置するように、前記ユーザの前方に位置する第１の虚像提示面に対して第１の画像表示光を投射する第１の虚像生成装置と、
   前記ユーザから第２距離前方に第２の虚像が位置するように、前記ユーザの前方に位置する第２の虚像提示面に対して第２の画像表示光を投射する第２の虚像生成装置と、
   を備え、
   前記第２距離は、前記第１距離と同一または前記ユーザから前記第２の虚像提示面までの距離よりも長く前記第１距離よりも短いことを特徴とする虚像表示システム。
2. 前記第１の虚像生成装置は、外光を透過することにより前記ユーザが外景を視認可能な透過板または半透過板によって構成される前記第１の虚像提示面に対して前記第１の画像表示光を投射することにより、前記第１の虚像を生成し、
   前記第２の虚像生成装置は、前記第２の虚像生成装置の内部に設けられる前記第２の虚像提示面に対して前記第２の画像表示光を投射することにより、前記第２の虚像を生成する請求項１に記載の虚像表示システム。
3. 前記第２の虚像生成装置は、前記ユーザと前記第２の虚像提示面の間の位置に設けられるスモーク板を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の虚像表示システム。
4. 前記虚像表示システムは、車両に用いられるものであり、
   前記第１の虚像生成装置は、前記車両の移動に関連する情報を表示するヘッドアップディスプレイであり、
   前記第２の虚像生成装置は、前記車両の制御に関連する情報を表示する電子インスツルメントパネルであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の虚像表示システム。
5. 前記第１の虚像と前記第２の虚像は、前記ユーザからみて前記車両の上下方向に並んで配置されることを特徴とする請求項４に記載の虚像表示システム。
6. 前記虚像表示システムは、車両に用いられるものであり、
   前記第１の虚像生成装置は、前記車両の移動に関連する情報を表示するヘッドアップディスプレイであり、
   前記第２の虚像生成装置は、前記車両の後方画像を表示する電子ミラーであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の虚像表示システム。
7. 前記第２の虚像生成装置は、前記第２の虚像として前記車両の右後方画像および左後方画像に基づく複数の第２の虚像を生成し、
   前記第１の虚像は、前記複数の第２の虚像の間に位置し、
   前記第１の虚像と前記第２の虚像は、前記ユーザの視野内に位置することを特徴とする請求項６に記載の虚像表示システム。
8. 前記車両の移動速度を検出する速度検出部と、
   前記ユーザから前記第２の虚像までの前記第２距離を可変とする可変制御部と、
   をさらに備え、
   前記可変制御部は、前記速度検出部が検出した移動速度が所定の閾値以上である場合、前記第２距離を前記第１距離と同一とし、前記速度検出部が検出した移動速度が前記所定の閾値未満である場合、前記第２距離を前記第１距離よりも短くする請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の虚像表示システム。

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