JP2019066760A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示像（虚像）を異なる距離に表示させることができ、特に十分に離れた観察位置から広い視野角範囲で異なる距離の表示像を重ねて観察することができる画像表示装置を提供する。【解決手段】画像表示装置１００は、表示デバイス１０と、パワーが異なる第１、第２の光学系を含み、両光学系の光軸をずらし、かつ第１、第２の光学系の一部を重複させて合体させた多焦点光学系２０であって、表示デバイス１０に表示された画像の虚像を表示させる多焦点光学系２０と、を備える。多焦点光学系２０は、第１、第２の光学系により表示させる第１、第２の画像に対応する第１、第２の虚像の少なくとも一部を重複させて表示させる。【選択図】 図１

Description

本発明は画像表示装置に係り、特に表示像（虚像）を異なる距離に表示させる画像表示装置に関する。

近年、ヘッドアップディスプレイ(ＨＵＤ：Head-Up Display)が普及しようとしている。

車載ディスプレイやＡＲ(Augmented Reality)分野では、表示する文字や映像を、外界と同時に（重ねて）視認できるようにしたい。その際に、観察者の眼の焦点に文字や映像を合わせるためには、現実の物体までの距離に、表示像（虚像）の距離を合わせることが重要である。

この場合、虚像の位置を遠距離と近距離に切り替えて表示したり、遠距離の虚像と近距離の虚像を同時に表示するＨＵＤが求められる。

特許文献１には、図２３に示すように複数の領域に複数の画像１ａ、１ｂを表示する表示体１と、複数のレンズ３ａ、３ｂを含み、複数のレンズ３ａ、３ｂが複数の領域に対応して位置し、複数の領域に表示された複数の画像１ａ、１ｂの虚像５ａ、５ｂをつくるレンズアレイ３とを備える画像表示装置が記載されている。

特許文献１に記載の画像表示装置によれば、表示体１に表示される２つの画像１ａ、１ｂに対応する虚像５ａ、５ｂを、それぞれ重ねて表示することができるようにしている。

また、特許文献１には、複数のレンズの焦点距離を異ならせ、表示体の複数の領域に表示された複数の画像に対応する虚像を、それぞれ異なる位置に重ねて表示させる記載がある（特許文献１の図２５等）。

これにより、例えば、観察者の眼の位置Ｐ０から相対的に遠い位置に形成される虚像に背景画像を割り当て、観察者の眼の位置Ｐ０に相対的に近い位置に形成される虚像に人物などのオブジェクトの画像を割り当てるといった使用法を可能にしている。

特開２０１６−２１２３７３号公報

特許文献１に記載の画像表示装置は、図２４に示すように観察者の眼が、レンズアレイ３に近接した位置であって、レンズアレイ３のレンズ３ａを覗く位置Ｐ１にある場合、表示体１に表示される画像１ａの虚像５ａを見ることができるが、位置Ｐ１よりも後方の、図２４上で上下方向の異なる位置Ｐ２，Ｐ３に観察者の眼がある場合、位置Ｐ２では、画像１ａの下部（矢印の下端）しか見えず、位置Ｐ３では、画像１ａの上部（矢印の上端）しか見えない。

つまり、「レンズの開口サイズ」と「眼の位置と瞳孔サイズ」とで、眼の位置が規定の位置からずれている等の理由で、虚像を見ることができなくなるという問題がある。

広い範囲（視野）で虚像を観察するためには、眼（瞳孔）に対してレンズ開口が大きな視野角度をもっていることが必要となる。レンズ開口サイズが決まってしまえば、視野角度範囲を拡げるためには、眼をレンズに近づけるしか方法はない。

以上のことから、特許文献１に記載の画像表示装置の場合、レンズアレイ３のレンズ３ａ、３ｂの間隔は、瞳孔サイズ以下でなくてはならず、また、広い視野角範囲を実現するためには、レンズアレイ３に眼の位置を近づけなければならない。

したがって、特許文献１に記載の画像表示装置は、表示部（レンズアレイ）が眼のすぐ近くに配置されるヘッドマウントディスプレイのような用途に限定され、表示部を眼から離して配置したいＨＵＤには使用できないという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、表示像（虚像）を異なる距離に表示させることができ、特に十分に離れた観察位置から広い視野角範囲で異なる距離の表示像を重ねて観察することができる画像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の一の態様に係る画像表示装置は、画像を表示する表示デバイスと、第１の光学系と第１の光学系とはパワーが異なる第２の光学系とを含み、第１の光学系と第２の光学系との光軸をずらし、かつ第１の光学系の一部の第１の領域と第２の光学系の一部の第２の領域とを重複させて合体させた多焦点光学系であって、表示デバイスに表示された画像の虚像を表示させる多焦点光学系と、を備え、表示デバイスは、多焦点光学系に含まれる第１の光学系と第２の光学系との光軸がずれた方向に分離した第１の画像と第２の画像とを表示し、第１の光学系の第１の領域及び第２の光学系の第２の領域は、それぞれ複数に分割された第１の分割領域群及び第２の分割領域群からなり、第１の分割領域群の各分割領域と第２の分割領域群の各分割領域とが交互に配列されて合体し、多焦点光学系は、第１の光学系により表示させる第１の画像の第１の虚像の表示領域と、第１の光学系により表示させる第２の画像の第２の虚像の表示領域との少なくとも一部を重複させて表示させる。

本発明の一の態様によれば、それぞれパワーが異なる第１の光学系と第２の光学系との光軸をずらし、第１の光学系の一部の第１の領域と第２の光学系の一部の第２の領域とを重複させて合体させることで多焦点光学系を構成するようにしたため、第１の光学系と第２の光学系との物理的な干渉に制限されることなく、第１の光学系と第２の光学系との光軸のずらしを調整することができ、かつ第１の光学系と第２の光学系のそれぞれの開口サイズを飛躍的に大きく確保することができる。

これにより、表示デバイスに分離して表示される第１の画像及び第２の画像に対応する第１の虚像及び第２の虚像を、多焦点光学系から十分に離れた観察位置からであっても広い視野角範囲で同時に観察することができる。また、第１の虚像の表示領域と第２の虚像の表示領域との少なくとも一部を重複させて表示させるため、それぞれパワーが異なる第１の光学系と第２の光学系により表示される、第１の虚像及び第２の虚像の位置（距離）を変えて表示させることができ、かつ視線を移動させることなく第１の虚像及び第２の虚像を同時に観察することができる。

本発明の他の態様に係る画像表示装置において、第１の光学系と第２の光学系との光軸ずらしは、第１の光学系と第２の光学系とを相対的に変位させ、変位に応じて第１の光学系の光軸と第２の光学系の光軸とをずらしたものであることが好ましい。

本発明の更に他の態様に係る画像表示装置において、第１の光学系と第２の光学系との光軸ずらしは、第１の分割領域群に対応する第１のプリズム群と、第１の分割領域群に対応する第２のプリズム群であって、第１のプリズム群とは頂角が異なる第２のプリズム群とにより行われることが好ましい。

本発明の更に他の態様に係る画像表示装置において、多焦点光学系の第１の光学系及び第２の光学系は、それぞれ第１の凸レンズ及び第２の凸レンズであり、第１のプリズム群及び第２のプリズム群は、それぞれ第１の凸レンズの第１の分割領域群及び第２の凸レンズの第２の分割領域群に一体化されていることが好ましい。これにより、シンプルな多焦点光学系にて、それぞれパワーが異なる第１の光学系と第２の光学系と、第１の光学系と第２の光学系との光軸のずらしを実現することができ、多焦点光学系を精密樹脂成型で製作することができる。

本発明の更に他の態様に係る画像表示装置において、第１の光学系と第２の光学系との光軸ずらしは、複屈折光学系により行われることが好ましい。

本発明の更に他の態様に係る画像表示装置において、多焦点光学系の第１の光学系及び第２の光学系は、それぞれ第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡であり、第１の光学系と第２の光学系との光軸ずらしは、第１の分割領域群に対応する第１のミラー群と、第２の分割領域群に対応する第２のミラー群であって、第１のミラー群とは角度が異なる第２のミラー群とにより行われることが好ましい。これにより、多焦点光学系の第１の光学系及び第２の光学系の開口サイズを容易に大きくすることができる。

本発明の更に他の態様に係る画像表示装置において、第１のミラー群及び第２のミラー群は、それぞれ第１の凹面鏡の第１の分割領域群及び第２の凹面鏡の第２の分割領域群の面と一体化されていることが好ましい。

本発明の更に他の態様に係る画像表示装置において、多焦点光学系の第１の光学系及び第２の光学系は、それぞれ第１の凸レンズ及び第２の凸レンズであり、表示デバイスは、第１の凸レンズ及び第２の凸レンズに対して第１の凸レンズ及び第２の凸レンズの各焦点距離よりも近い位置に配置される。

本発明の更に他の態様に係る画像表示装置において、多焦点光学系の第１の光学系及び第２の光学系は、それぞれ第１の凸レンズ及び第２の凸レンズであり、表示デバイスは、第１の画像及び第２の画像を示す画像光を第１の凸レンズ及び第２の凸レンズに出射し、第１の凸レンズ及び第２の凸レンズを透過した画像光を、第１の虚像及び第２の虚像として観察者側に反射させる反射面を有することが好ましい。反射面で反射した第１の凸レンズ及び第２の凸レンズを透過した画像光を、第１の虚像及び第２の虚像として同時に観察することができる。

本発明の更に他の態様に係る画像表示装置において、第１の凸レンズ及び第２の凸レンズは、それぞれフレネルレンズであることが好ましい。多焦点光学系の厚みを薄くすることができ、また、パワーの異なる第１の光学系と第２の光学系との合体時の段差を少なくすることができる。

本発明の更に他の態様に係る画像表示装置において、多焦点光学系の第１の光学系及び第２の光学系は、それぞれ第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡であり、表示デバイスは、第１の画像及び第２の画像を示す画像光を第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡に出射し、第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡により反射された画像光を、第１の虚像及び第２の虚像として観察者側に反射させる反射面を有することが好ましい。

本発明の更に他の態様に係る画像表示装置において、反射面は、乗り物のフロントガラスに設けられたコンバイナであることが好ましい。これにより、コンバイナで反射した画像光を、第１の虚像及び第２の虚像として観察することができるとともに、フロントガラスのコンバイナを通じて現実の物体を観察することができる。

本発明の更に他の態様に係る画像表示装置において、多焦点光学系の第１の光学系及び第２の光学系は、それぞれ第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡であり、表示デバイスは、第１の画像及び第２の画像を示す画像光を第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡に出射し、第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡は、それぞれフレネルミラー型の凹面鏡であって、第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡により反射された画像光を、第１の虚像及び第２の虚像として観察者側に反射させることが好ましい。多焦点光学系をフレネルミラー型の凹面鏡とすることで、多焦点光学系の厚みを薄くすることができ、また、パワーの異なる第１の凹面鏡と第２の凹面鏡との合体時の段差を少なくすることができる。

本発明の更に他の態様に係る画像表示装置において、フレネルミラー型の凹面鏡は、乗り物のフロントガラスに設けられたフレネル型コンバイナであることが好ましい。これにより、フレネル型コンバイナで反射した画像光を、第１の虚像及び第２の虚像として観察することができるとともに、フロントガラスのフレネル型コンバイナを通じて現実の物体を観察することができる。

本発明の更に他の態様に係る画像表示装置において、第１の分割領域群及び第２の分割領域群は、それぞれ短冊状、チェッカーパターン状、同心円状、又は鱗状に分割された複数の分割領域であることが好ましい。

本発明の更に他の態様に係る画像表示装置において、多焦点光学系の第１の光学系は、表示デバイスに表示される第１の画像の第１の虚像を第１の距離に表示させ、多焦点光学系の第２の光学系は、表示デバイスに表示される第２の画像の第２の虚像を、第１の距離とは距離が異なる第２の距離に表示させることが好ましい。

本発明によれば、多焦点光学系により表示デバイスの異なる領域に表示される画像の虚像を異なる距離に表示させることができ、かつ異なる距離に表示される虚像を重ねて表示させることができる。また、多焦点光学系は、それぞれパワーが異なる第１の光学系と第２の光学系との光軸をずらし、第１の光学系の一部の第１の領域と第２の光学系の一部の第２の領域とが重複して合体する構成であるため、第１の光学系と第２の光学系との物理的な干渉に制限されることなく、第１の光学系と第２の光学系との光軸のずらしを調整することができ、かつ第１の光学系と第２の光学系のそれぞれの開口サイズを飛躍的に大きく確保することができる。

本発明に係る画像表示装置の概略構成を示す図 図１に示した画像表示装置の表示デバイスにより表示される第１の画像が、多焦点光学系を構成する第１の光学系を通じて第１の虚像として観察される様子を示す図 図１に示した画像表示装置の表示デバイスにより表示される第２の画像が、多焦点光学系を構成する第２の光学系を通じて第２の虚像として観察される様子を示す図 第１の実施形態の多焦点光学系を示す図 第１の光学系の第１の領域と第２の光学系の第２の領域とが重複して合体する様子を概念的に示す図 第１の光学系及び第２の光学系の第１の分割領域群及び第２の分割領域群の各分割領域が、ストライプ状（短冊状）に分割されていることを示す図 第１の光学系及び第２の光学系の第１の分割領域群及び第２の分割領域群の各分割領域が、チェッカーパターン状（市松状）に分割されていることを示す図 第１の光学系及び第２の光学系の第１の分割領域群及び第２の分割領域群の各分割領域が、同心円状に分割されていることを示す図 第１の光学系及び第２の光学系の第１の分割領域群及び第２の分割領域群の各分割領域が、鱗状に分割されていることを示す図 第３の実施形態の多焦点光学系を示す図 図１に示した多焦点光学系として、第３の実施形態の多焦点光学系を採用した場合の画像表示装置の概略構成を示す図 本発明に係る画像表示装置の第２の実施形態を示す構成図 第１の光学系と第２の光学系の光軸をずらさずに合体させた多焦点光学系を示す図 第１の光学系と第２の光学系とを矢印で示す方向に相対的に移動させ、両光学系の「光軸ずらし」を行う第１の方法を示す図 プリズムを使用して光軸をずらす方法を示す図 ミラーを使用して光軸をずらす方法を示す図 ランダム偏光から特定の方向（常光線又は異常光線）の直線偏光を取り出す偏光子（偏光プリズム）を示す図 多焦点光学系の他の実施形態のバリエーションを説明するために用いた図 第８の実施形態の多焦点光学系を示す図 本発明に係る画像表示装置の第３の実施形態を示す構成図 本発明に係る画像表示装置の第４の実施形態を示す構成図 第１の虚像と第２の虚像との重なり具合の他の例を示す図 従来の画像表示装置の課題を説明するために用いた図 従来の画像表示装置の課題を説明するために用いた他の図

以下、添付図面に従って本発明に係る画像表示装置の好ましい実施形態について説明する。

［画像表示装置の概略構成］
図１は、本発明に係る画像表示装置の概略構成を示す図である。

図１に示すように、画像表示装置１００は、主として表示デバイス１０と、多焦点光学系２０とから構成されている。

表示デバイス１０は、近距離用の第１の画像１０ａと遠距離用の第２の画像１０ｂとを表示する。表示デバイス１０は、図１に示す例では、上下方向（鉛直方向）に分離された２つの表示領域を有し、上側の表示領域に第１の画像１０ａを表示し、下側の表示領域に第２の画像１０ｂを表示している。尚、第１の画像１０ａは、「止まれ」を示す道路標識を示し、第２の画像１０ｂは、「一方通行」を示す道路標識を示している。

多焦点光学系２０は、パワーが異なる第１の光学系２１と、第２の光学系２２とが合体して構成されている。また、第１の光学系２１の光軸Ｌ１と第２の光学系２２の光軸Ｌ２とは、上下方向に間隔Ｄだけ光軸がずれている。

図１に示す第１の光学系２１は両凸レンズ（第１の凸レンズ）であり、第２の光学系２２は、第１の光学系２１よりもパワーの強い両凸レンズ（第２の凸レンズ）である。尚、多焦点光学系２０の詳細な構成については後述する。

表示デバイス１０は、多焦点光学系２０を構成する第１の光学系２１及び第２の光学系２２に対して、第１の光学系２１及び第２の光学系２２の各焦点距離よりも近い位置に配置されている。

これにより、表示デバイス１０により表示される近距離用の第１の画像１０ａ及び遠距離用の第２の画像１０ｂは、観察者からはそれぞれ距離が異なる位置（第１の距離、第２の距離）に表示される第１の虚像３０ａ及び遠距離用の第２の虚像３０ｂとして観察される。

また、表示デバイス１０上では、第１の画像１０ａと第２の画像１０ｂとは異なる表示領域に表示されるが、第１の画像１０ａの第１の虚像３０ａと第２の画像１０ｂの第２の虚像３０ｂとは、第１の光学系２１と第２の光学系２２との光軸ずれにより、互いに重複するように表示される。したがって、観察者は、第１の虚像３０ａと第２の虚像３０ｂを、同一の視線上で観察することができる。

図２は、表示デバイス１０により表示される第１の画像１０ａが、多焦点光学系２０を構成する第１の光学系２１を通じて第１の虚像３０ａとして観察される様子を示す図であり、図３は、表示デバイス１０により表示される第２の画像１０ｂが、多焦点光学系２０を構成する第２の光学系２２を通じて第２の虚像３０ｂとして観察される様子を示す図である。

図４は、第１の実施形態の多焦点光学系２０を示す図である。

図４に示すように第１の光学系２１と第２の光学系２２とは、それぞれの光軸Ｌ１，Ｌ２が間隔Ｄだけずれ、第１の光学系２１の一部の第１の領域２４ａと第２の光学系２２の一部の第２の領域２４ｂとが重複して合体し、多焦点光学系２０が構成される。

図５は、第１の光学系２１の第１の領域２４ａと第２の光学系２２の第２の領域２４ｂとが重複して合体する様子を概念的に示す図である。

図５に示すように、互いに重複している第１の光学系２１の第１の領域２４ａ及び第２の光学系２２の第２の領域２４ｂは、それぞれ複数に分割された第１の分割領域群及び第２の分割領域群からなり、第１の分割領域群の各分割領域と第２の分割領域群の各分割領域とが交互に配列されて合体し、これにより第１の実施形態の多焦点光学系２０が構成される。

多焦点光学系は、第１の実施形態の多焦点光学系２０に代えて、レンズの厚みを減らした鋸歯状の断面を有するフレネルレンズで構成した第２の実施形態の多焦点光学系２０−１とすることができる。フレネルレンズで多焦点光学系を構成することで、多焦点光学系の厚みを薄くすることができ、多焦点光学系の軽量化を図ることができ、また、パワーの異なる第１の光学系２１と第２の光学系２２との段差を少なくすることができる。

図６から図９は、それぞれ第１の光学系２１及び第２の光学系２２の複数に分割された第１の分割領域群及び第２の分割領域群の各分割領域の形状の実施形態を示す図である。

即ち、図６から図９に示す各分割領域の形状は、それぞれストライプ状（短冊状）、チェッカーパターン状（市松状）、同心円状、及び鱗状である。尚、分割領域の形状は、図６から図９に示した各実施形態に限らず、種々の形状にすることができる。また、第１の分割領域群及び第２の分割領域群の各分割領域は、各分割領域の境界が視認できない程度に微細であることが好ましい。

図１０は、第３の実施形態の多焦点光学系を示す図である。

図１０に示す多焦点光学系２０−２は、パワーが異なる第１の光学系２１と第２の光学系２２の光軸Ｌ１，Ｌ２をずらし、第１の光学系２１及び第２の光学系２２の複数に分割された第１の分割領域群及び第２の分割領域群の各分割領域のパワーを、一方の面に集約したフレネルレンズ状に構成されたものであり、他方の面は平面となっている。

第３の実施形態の多焦点光学系２０−２は、両面がフレネルレンズ状になっている第２の実施形態の多焦点光学系２０−１（図５）と比べて形状がシンプルであり、例えば、精密樹脂成型等で製作する場合に低コストで製作することができる。

図１１は、図１に示した多焦点光学系２０として、第３の実施形態の多焦点光学系２０−２（図１０）を採用した場合の画像表示装置の概略構成を示す図である。尚、多焦点光学系２０−２は、多焦点光学系２０と同じ機能を有するため、その詳細な説明は省略する。

図１２は、本発明に係る画像表示装置の第２の実施形態を示す構成図である。

図１２に示す画像表示装置１００−１は、乗り物（例えば、自動車）の運転席に設置され、画像表示装置１００−１の本体部分と、自動車のフロントガラス４０に設けられたコンバイナ４２とから構成された、ヘッドアップディスプレイである。

画像表示装置１００−１の本体部分には、図１１に示した表示デバイス１０及び多焦点光学系２０−２の他に、表示制御部１２が設けられている。

表示デバイス１０は、例えば、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ、又は無機ＥＬディスプレイ等であり、外界が明るくても視認できるように発光強度の大きいものが好ましい。

表示制御部１２は、図１に示したように表示デバイス１０に表示させる画像（第１の画像１０ａ、第２の画像１０ｂ）の表示を制御する部分であり、本例では、近距離の第１の画像１０ａを表示デバイス１０の上側に表示させ、遠距離用の第２の画像１０ｂを表示デバイス１０の上側に表示させる。

表示制御部１２は、例えば、カーナビゲーションシステム（図示せず）から自動車の現在位置に基づいて必要な情報を取得し、例えば、自動車の現在位置から進行方向の近い位置に道路標識が存在する場合には、その道路標識を示す近距離用の第１の画像１０ａを取得し、自動車の現在位置から進行方向の遠い位置に道路標識が存在する場合には、その道路標識を示す遠距離用の第２の画像１０ｂを取得する。表示制御部１２は、取得した第１の画像１０ａを表示デバイス１０の上側に表示させ、第２の画像１０ｂを表示デバイス１０の下側に表示させる。

尚、自動車は走行しているため、自動車の現在位置から進行方向の遠い位置の道路標識は近い位置の道路標識に変化する。したがって、遠い位置の道路標識として表示されていた遠距離用の第２の画像１０ｂは、自動車の現在位置から所定の距離（閾値）以内に近づくと、近距離用の第１の画像１０ａに切り替えられ、表示デバイス１０の下側の表示領域から上側に表示領域に表示位置が切り替えられる。

また、表示制御部１２は、自動車の現在位置から近い位置又は遠い位置に道路標識が存在しない場合には、いずれか一方の道路標識をその距離に応じて表示デバイス１０の上側の表示領域又は下側に表示領域に表示する。

本例の表示制御部１２は、自動車の現在位置から近い位置の道路標識及び遠い位置の道路標識を、それぞれ表示デバイス１０の上側の表示領域及び下側に表示領域に表示するが、近距離用の第１の画像１０ａ及び遠距離用の第２の画像１０ｂとして表示デバイス１０に表示させる画像は、上記の実施形態に限らず、種々の形態が考えられる。例えば、自動車のスピードメータ等の計器類の情報を近距離用の第１の画像１０ａとして表示デバイス１０の上側の表示領域に表示させ、前方の道路標識を示す画像を遠距離用の第２の画像１０ｂとして表示デバイス１０の下側の表示領域に表示させるようにしてもよい。

表示デバイス１０に表示された近距離用の第１の画像１０ａ及び遠距離用の第２の画像１０ｂを示す画像光は、多焦点光学系２０−２を介して投射され、フロントガラス４０に設けられたコンバイナ４２の反射面により観察者側に反射される。

これにより、観察者は、フロントガラス４０を挟んで観察者とは反対側（フロントガラス４０の前方側）に、表示デバイス１０に表示された第１の画像１０ａ及び第２の画像１０ｂにそれぞれ対応する第１の虚像３０ａ及び第２の虚像３０ｂを見ることができる。このとき、多焦点光学系２０−２により第１の虚像３０ａは近くに見え、第２の虚像３０ｂは遠くに見える。これにより、近距離用の第１の画像１０ａ（例えば、近距離の道路標識）に対応する第１の虚像３０ａは近くに見え、遠距離用の第２の画像１０ｂ（例えば、遠距離の道路標識）に対応する第２の虚像３０ｂは遠くに見え、現実の道路標識と違和感がないように見ることができる。

また、表示デバイス１０の上側の表示領域及び下側に表示領域に表示された第１の画像１０ａ及び第２の画像１０ｂは、多焦点光学系２０−２により第１の虚像３０ａ及び第２の虚像３０ｂとして、それぞれ視野中心に（重なって）見える。これにより、観察者は、視線を移動させることなく第１の虚像３０ａ及び第２の虚像３０ｂを見ることができる。

更に、コンバイナ４２は、フロントガラス４０の前方から入射する光を透過させるため、観察者は、外界も同時に観察することができる。

［多焦点光学系の他の実施形態］
次に、図１３から図１８を使用して、多焦点光学系の他の実施形態について説明する。

図１３は、第１の光学系２１と第２の光学系２２の光軸をずらさずに合体させた多焦点光学系を示す図である。

図１３に示す第４の実施形態の多焦点光学系２０−３は、両凸レンズからなる第１の光学系２１に対応する第１の分割領域群の各分割領域と、両凸レンズからなる第２の光学系２２に対応する第２の分割領域群の各分割領域とが交互に配列された合体して構成されている。

図１３に示す第５の実施形態の多焦点光学系２０−４は、第４の実施形態の多焦点光学系２０−３のレンズの厚みを減らしたフレネルレンズで構成されたものである。

多焦点光学系２０−３、２０−４は、図５に示した多焦点光学系２０、２０−１とは、それぞれ光軸がずれていない点で相違する。

一方、第１の光学系２１と第２の光学系２２との光軸をずらす方法は、以下に示すように種々の方法が考えられる。

図１４は、第１の光学系２１と第２の光学系２２とを矢印で示す方向に相対的に変位させ、両光学系の「光軸ずらし」を行う第１の方法を示す図である。この第１の方法は、図５で説明したように多焦点光学系２０、２０−１を作成する場合に適用される方法である。

図１５は、プリズム４４を使用して光軸をずらす方法を示す図である。入射角θでプリズム４４に入射する光は、入射角θに対して角度αで出射する。この角度αは、プリズム４４の頂角Ａに応じて変化する。したがって、図１８に示す合成プリズム４６により第１の光学系２１と第２の光学系との光軸をずらすことができる。この合成プリズム４６は、第１の光学系２１の第１の分割領域群に対応する第１のプリズム群と、第２の光学系２２の第２の分割領域群に対応する第２のプリズム群であって、第１のプリズム群とは頂角が異なる第２のプリズム群とが一体化されたものである。

図１６は、ミラー５０を使用して光軸をずらす方法を示す図である。ミラー５０の傾き角度を調整することで、入射光の反射方向を調整することができる。したがって、図１８に示す合成ミラー５２により第１の光学系２１と第２の光学系との光軸をずらすことができる。この合成ミラー５２は、第１の光学系２１の第１の分割領域群に対応する第１のミラー群と、第２の光学系２２の第２の分割領域群に対応する第２のミラー群であって、第１のミラー群とは角度が異なる第２のミラー群とが一体化されたものである。

図１７は、ランダム偏光から特定の方向（常光線又は異常光線）の直線偏光を取り出す偏光子（偏光プリズム）６０ａを示す図である。尚、偏光プリズム６０ａには、方解石等の複屈折材が使用される。常光線と異常光線をそれぞれ取り出す２種類の偏光プリズム６０ａ（偏光プリズム６０ｂ）を、第１の光学系２１の第１の分割領域群と第２の光学系２２の第２の分割領域群とにそれぞれ対応付けて配置し一体化した偏光プリズム群６２（図１８）を作成する。偏光プリズム群６２の後段に、複屈折を利用した偏光分離用の偏光プリズム６４（図１８）を配置することで、常光線と異常光線との屈折率の差により常光線と異常光線とを分離する。

したがって、偏光プリズム群６２及び偏光プリズム６４により構成された複屈折光学系６０により、第１の光学系２１と第２の光学系との光軸をずらすことができる。

また、図１８には、図１２に示した第５の実施形態の多焦点光学系２０−４の他に、第６の実施形態の多焦点光学系２０−５及び第７の実施形態の多焦点光学系２０−６が示されている。

第６の実施形態の多焦点光学系２０−５は、図１０に示した第３の実施形態の多焦点光学系２０−２と比較すると、光軸がずれていない点で相違する。

第７の実施形態の多焦点光学系２０−６は、主として第１の光学系２１及び第２の光学系が、それぞれ第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡で構成されている点で、第６の実施形態の多焦点光学系２０−５とは相違する。

第７の実施形態の多焦点光学系２０−６の第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡は、それぞれ第１の光学系２１（第１の凹面鏡）の第１の分割領域群に対応する第１のミラー群と、第２の光学系２２（第２の凹面鏡）の第２の分割領域群に対応する第２のミラー群とが交互に配列されて合体している。また、多焦点光学系２０−６は、フレネルミラー型の凹面鏡である。

図１８に示した光軸がずれていない３種類の多焦点光学系２０−４、２０−５、２０−６と、図１４から図１７を使用して説明した４種類の光軸をずらす方法とを組み合わせることで、１２種類の光軸がずれた多焦点光学系を構成することができる。

例えば、第２の実施形態の多焦点光学系２０−１（図５）、及び第３の実施形態の多焦点光学系２０−２（図１０）は、それぞれ多焦点光学系２０−４、２０−５と、図１４で説明した「光軸ずらし」とを組み合わせたものである。

図１９に示す第８の実施形態の多焦点光学系２０−７は、一方の面が第６の実施形態の多焦点光学系２０−５の一方の面と同じであり、他方の面が合成プリズム４６（図１８）と同じである。即ち、第８の実施形態の多焦点光学系２０−７は、第６の実施形態の多焦点光学系２０−５と合成プリズム４６とを合体して構成されている。

図２０は、本発明に係る画像表示装置の第３の実施形態を示す構成図である。尚、図２０において、図１２に示した第２の実施形態の画像表示装置１００−１と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図２０に示す第３の実施形態の画像表示装置１００−２は、主として表示デバイス１１及び多焦点光学系２０−８が、画像表示装置１００−１と相違する。

表示デバイス１１は、表示用光学素子と投影光源とからなるプロジェクタ式の表示デバイスである。表示用光学素子は、例えば、光透過型の液晶パネルで構成され、表示制御部１２による制御により、図１２に示した表示デバイス１０と同様に近距離の第１の画像１０ａと遠距離用の第２の画像１０ｂとを、上側の表示領域及び下側の表示領域に表示する。具体的には、第１の画像１０ａ及び第２の画像１０ｂに基づいて表示用光学素子の各光学素子の透過率が制御される。尚、表示用光学素子は、光透過型の液晶パネルに限らず、反射型の液晶表示素子、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror Device)等の他の表示用光学素子を適用することができる。

投影光源は、例えば、発光ダイオード、半導体レーザ等で構成され、投影光を表示用光学素子に出射する。投影光源は、平行光を表示用光学素子に投射するものでもよいし、２次元走査光を表示用光学素子に投射するものでもよい。また、表示デバイス１１は、投影レンズを備えていてもよい。

表示デバイス１１から投射された近距離用の第１の画像１０ａ及び遠距離用の第２の画像１０ｂを示す表示光は、多焦点光学系２０−８に入射し、ここで反射する。

多焦点光学系２０−８は、図１８に示した多焦点光学系２０−６が、第１の光学系２１と第２の光学系２２との相対移動により光軸がずらされたもの、又は合成ミラー５２により光軸がずらされたものである。例えば、多焦点光学系２０−６の第１のミラー群（第１の光学系２１に対応するミラー群）と第２のミラー群（第２の光学系２２に対応するミラー群）との光軸のずらしは、第１のミラー群の角度と第２のミラー群との角度を変えることで行うことができる。

表示デバイス１１から投射された近距離用の第１の画像１０ａ及び遠距離用の第２の画像１０ｂを示す画像光は、多焦点光学系２０−８及びフロントガラス４０に設けられたコンバイナ４２でそれぞれ反射される。

これにより、観察者は、フロントガラス４０を挟んで観察者とは反対側に、表示デバイス１１から投射された第１の画像１０ａ及び第２の画像１０ｂにそれぞれ対応する第１の虚像３０ａ及び第２の虚像３０ｂを見ることができる。

図２１は、本発明に係る画像表示装置の第４の実施形態を示す構成図である。尚、図２１において、図２０に示した第３の実施形態の画像表示装置１００−２と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図２１に示す第４の実施形態の画像表示装置１００−３は、第３の実施形態の画像表示装置１００−２の多焦点光学系２０−８及びコンバイナ４２の代わりに、第１０の実施形態の多焦点光学系２０−９が使用されている点で、画像表示装置１００−２と相違する。

第１０の実施形態の多焦点光学系２０−９は、フレネル型コンバイナであり、フロントガラス４０に設けられている。多焦点光学系２０−９は、フロントガラス４０の内部に組み込んでもよいし、フロントガラス４０の内側（運転席側）の表面に設けるようにしてもよい。

多焦点光学系２０−９は、第１の光学系２１及び第２の光学系２２に対応する第１のミラー群及び第２のミラー群（パワーが異なり、かつ光軸がずれている第１、第２のミラー群）を含み、図２０に示した多焦点光学系２０−８と同等の機能を有するが、これらの第１、第２のミラー群はハーフミラーとなっており、コンバイナとしても機能する。

これにより、表示デバイス１１から投射された近距離用の第１の画像１０ａ及び遠距離用の第２の画像１０ｂを示す画像光は、多焦点光学系２０−９により観察者側に反射される。

観察者は、フロントガラス４０を挟んで観察者とは反対側に、表示デバイス１１から投射された第１の画像１０ａ及び第２の画像１０ｂにそれぞれ対応する第１の虚像３０ａ及び第２の虚像３０ｂを見ることができる。また、コンバイナとしても機能する多焦点光学系２０−９は、フロントガラス４０の前方から入射する光を透過させるため、観察者は、外界も同時に観察することができる。

この第４の実施形態の画像表示装置１００−３は、第３の実施形態の画像表示装置１００−２よりも本体部分を小型にすることができる。

［その他］
本実施形態の画像表示装置は、表示デバイスの上側の表示領域及び下側に表示領域に表示される第１の画像及び第２の画像を、多焦点光学系により第１の虚像及び第２の虚像として、それぞれ視野中心に重なるように表示するようにしたが、図２２に示すように表示デバイス１０の上側の表示領域及び下側の表示領域に表示される近距離用の第１の画像１０ａ及び遠距離用の第２の画像１０ｂに対応する第１の虚像及び第２の虚像の一部が重なるように表示するようにしてもよい。

また、表示デバイスに表示される近距離用の第１の画像及び遠距離用の第２の画像は、上下方向の２つの領域に表示する場合に限らず、左右方向の２つの領域に表示するようにしてもよい。この場合、多焦点光学系の第１の光学系と第２の光学系とは、左右方向に光軸がずれるようにする必要がある。

更に、近距離用の第１の画像及び遠距離用の第２の画像の２つの画像に限らず、３つ以上の画像を表示デバイスの異なる領域に表示してもよい。この場合、３つ以上の画像に対応して３つ以上の光学系を一体化して多焦点光学系を構成する必要がある。これにより、遠、中、近等の３つ以上の距離にそれぞれ虚像を形成することができる。

また、本実施形態の画像表示装置は、自動車等の車両の運転席に設置されるヘッドアップディスプレイとして説明したが、航空機、船舶等の他の乗り物の運転席に設置することが可能である。また、コンバイナは、フロントガラスに設けるようにしたが、フロントガラスとは別体のものでもよい。

更に、本実施形態の画像表示装置は、ヘッドマントディスプレイとしても使用可能である。

更にまた、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１０,１１ 表示デバイス
１０ａ 第１の画像
１０ｂ 第２の画像
１２ 表示制御部
２０、２０−１〜２０−９ 多焦点光学系
２１ 第１の光学系
２２ 第２の光学系
２４ａ 第１の領域
２４ｂ 第２の領域
３０ａ 第１の虚像
３０ｂ 第２の虚像
４０ フロントガラス
４２ コンバイナ
４４ プリズム
４６ 合成プリズム
５０ ミラー
５２ 合成ミラー
６０ 複屈折光学系
６０ａ、６０ｂ、６４ 偏光プリズム
６２ 偏光プリズム群
１００、１００−１〜１００−３ 画像表示装置
Ｌ１ 光軸
Ｌ２ 光軸

Claims (16)

1. 画像を表示する表示デバイスと、
   第１の光学系と前記第１の光学系とはパワーが異なる第２の光学系とを含み、前記第１の光学系と前記第２の光学系との光軸をずらし、かつ前記第１の光学系の一部の第１の領域と前記第２の光学系の一部の第２の領域とを重複させて合体させた多焦点光学系であって、前記表示デバイスに表示された画像の虚像を表示させる多焦点光学系と、を備え、
   前記表示デバイスは、前記多焦点光学系に含まれる前記第１の光学系と前記第２の光学系との光軸がずれた方向に分離した第１の画像と第２の画像とを表示し、
   前記第１の光学系の前記第１の領域及び前記第２の光学系の第２の領域は、それぞれ複数に分割された第１の分割領域群及び第２の分割領域群からなり、前記第１の分割領域群の各分割領域と前記第２の分割領域群の各分割領域とが交互に配列されて合体し、
   前記多焦点光学系は、前記第１の光学系により表示させる前記第１の画像の第１の虚像の表示領域と、前記第１の光学系により表示させる前記第２の画像の第２の虚像の表示領域との少なくとも一部を重複させて表示させる画像表示装置。
2. 前記第１の光学系と前記第２の光学系との光軸ずらしは、前記第１の光学系と前記第２の光学系とを相対的に変位させ、前記変位に応じて前記第１の光学系の光軸と前記第２の光学系の光軸とをずらしたものである請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１の光学系と前記第２の光学系との光軸ずらしは、前記第１の分割領域群に対応する第１のプリズム群と、前記第１の分割領域群に対応する第２のプリズム群であって、前記第１のプリズム群とは頂角が異なる第２のプリズム群とにより行われる請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記多焦点光学系の前記第１の光学系及び前記第２の光学系は、それぞれ第１の凸レンズ及び第２の凸レンズであり、
   前記第１のプリズム群及び前記第２のプリズム群は、それぞれ前記第１の凸レンズの前記第１の分割領域群及び前記第２の凸レンズの前記第２の分割領域群に一体化されている請求項３に記載の画像表示装置。
5. 前記第１の光学系と前記第２の光学系との光軸ずらしは、複屈折光学系により行われる請求項１に記載の画像表示装置。
6. 前記第１の光学系と前記第２の光学系との光軸ずらしは、前記第１の分割領域群に対応する第１のミラー群と、前記第２の分割領域群に対応する第２のミラー群であって、前記第１のミラー群とは角度が異なる第２のミラー群とにより行われる請求項１に記載の画像表示装置。
7. 前記多焦点光学系の前記第１の光学系及び前記第２の光学系は、それぞれ第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡であり、
   前記第１のミラー群及び前記第２のミラー群は、それぞれ前記第１の凹面鏡の前記第１の分割領域群及び前記第２の凹面鏡の前記第２の分割領域群の面と一体化されている請求項６に記載の画像表示装置。
8. 前記多焦点光学系の前記第１の光学系及び前記第２の光学系は、それぞれ第１の凸レンズ及び第２の凸レンズであり、
   前記表示デバイスは、前記第１の凸レンズ及び前記第２の凸レンズに対して前記第１の凸レンズ及び前記第２の凸レンズの各焦点距離よりも近い位置に配置される請求項１から５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
9. 前記多焦点光学系の前記第１の光学系及び前記第２の光学系は、それぞれ第１の凸レンズ及び第２の凸レンズであり、
   前記表示デバイスは、前記第１の画像及び前記第２の画像を示す画像光を前記第１の凸レンズ及び第２の凸レンズに出射し、
   前記第１の凸レンズ及び第２の凸レンズを透過した前記画像光を、前記第１の虚像及び前記第２の虚像として観察者側に反射させる反射面を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
10. 前記第１の凸レンズ及び前記第２の凸レンズは、それぞれフレネルレンズである請求項８又は９に記載の画像表示装置。
11. 前記多焦点光学系の前記第１の光学系及び前記第２の光学系は、それぞれ第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡であり、
    前記表示デバイスは、前記第１の画像及び前記第２の画像を示す画像光を前記第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡に出射し、
    前記第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡により反射された前記画像光を、前記第１の虚像及び前記第２の虚像として観察者側に反射させる反射面を有する請求項１、２、６及び７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
12. 前記反射面は、乗り物のフロントガラスに設けられたコンバイナである請求項９又は１１に記載の画像表示装置。
13. 前記多焦点光学系の前記第１の光学系及び前記第２の光学系は、それぞれ第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡であり、
    前記表示デバイスは、前記第１の画像及び前記第２の画像を示す画像光を前記第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡に出射し、
    前記第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡は、それぞれフレネルミラー型の凹面鏡であって、前記第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡により反射された前記画像光を、前記第１の虚像及び前記第２の虚像として観察者側に反射させる請求項１、２、６及び７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
14. 前記フレネルミラー型の凹面鏡は、乗り物のフロントガラスに設けられたフレネル型コンバイナである請求項１３に記載の画像表示装置。
15. 前記第１の分割領域群及び前記第２の分割領域群は、それぞれ短冊状、チェッカーパターン状、同心円状、又は鱗状に分割された複数の分割領域である請求項１から１４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
16. 前記多焦点光学系の前記第１の光学系は、前記表示デバイスに表示される前記第１の画像の前記第１の虚像を第１の距離に表示させ、前記多焦点光学系の前記第２の光学系は、前記表示デバイスに表示される前記第２の画像の前記第２の虚像を、前記第１の距離とは距離が異なる第２の距離に表示させる請求項１から１５のいずれか１項に記載の画像表示装置。

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