JP2020118935A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】虚像の視認性を高めつつ、体格増大を抑制した虚像表示装置を提供する。【解決手段】虚像表示装置は、短手方向の寸法に対して長手方向の寸法が大きく設定された照明対象面に照明された光源光を利用して画像を表示する画像表示素子と、光源光を照明対象面へ照射するバックライトユニットと、を備える。バックライトユニットは、少なくともＸ方向ＸＤに所定の間隔だけずれて、互いに並べられた複数の光源素子を有する光源部４２と、光源部と照明対象面との間の光路上に配置され、少なくともＹ方向ＹＤに沿って、小さなピッチで配列された複数の小光源レンズ素子５２を有し、各小光源レンズ素子５２が光源部からの光源光を分割して新たな小光源を構成するように振る舞う小光源アレイレンズ部５１と、を有する。各小光源レンズ素子５２において、Ｙ方向ＹＤの焦点距離ｆａｙの絶対値は、Ｘ方向ＸＤの焦点距離ｆａｘの絶対値よりも小さい。【選択図】図４

Description

この明細書による開示は、虚像表示装置に関する。

従来、画像の表示光を投影部に投影することにより、虚像を表示する虚像表示装置が知られている。特許文献１に開示の虚像表示装置は、画像を表示する画像表示素子、及び画像表示素子へ光源光を照射するバックライトユニットを備えている。画像表示素子の表示領域は、長方形状に形成されている。

バックライトユニットは、光源、レンズアレイ、第１のフォーカスレンズ、及び第２のフォーカスレンズ等を有している。光源は、２つのＬＥＤから構成されている。レンズアレイは、両凸レンズを縦横に複数配列してなるレンズ体である。この両凸レンズの配列ピッチは、十分に大きなものとなっている。

また、バックライトユニットは、第１のフォーカスレンズ及び第２のフォーカスレンズの４面のうち、少なくとも１面をトロイダル面とし、長方形状の表示領域の形状に合わせた光源光の照射を実施している。

特許第６２４８４７３号公報

画像表示素子において、例えば長方形状のような、短手方向の寸法に対して長手方向の寸法が大きく設定された照明対象部が設けられた場合では、照明ムラ、延いては輝度ムラを低減し、虚像の視認性を高めるため、寸法の違い、すなわちアスペクト比に対応したバックライトユニットの構成が求められる。

この点、特許文献１では、フォーカスレンズにトロイダル面を設けることで、長手方向に対応する長手対応方向に照明光を大きく広げ、光源光の照射範囲を照明対象部の形状に近づけている。しかしながら、この形態では、フォーカスレンズ部分の光路長が長くなりがちであり、特に、長手対応方向に光源光が好適に拡がるように、長手対応方向に合わせた光路長を設定することになるため、装置の体格が増大してしまう。

この明細書の開示による目的のひとつは、虚像の視認性を高めつつ、体格増大を抑制した虚像表示装置を提供することにある。

ここに開示された態様のひとつは、画像の表示光を投影部（３ａ）に投影することにより、虚像（ＶＲＩ）を表示する虚像表示装置であって、
短手方向（ＳＤ）の寸法に対して長手方向（ＬＤ）の寸法が大きく設定された照明対象部（３２）を有し、照明対象部に照明された光源光を利用して画像を表示する画像表示素子（３１）と、
光源光を照明対象部へ照射するバックライトユニット（４１）と、を備え、
バックライトユニットは、
短手方向に対応する短手対応方向（ＹＤ）及び長手方向に対応する長手対応方向（ＸＤ）のうち少なくとも長手対応方向に所定の間隔（ＩＮＴ）だけずれて、互いに並べられた複数の光源素子（４３）を有し、各光源素子から光源光を発する光源部（４２）と、
光源部と照明対象部との間の光路上に配置され、短手対応方向及び長手対応方向のうち少なくとも短手対応方向に沿って、間隔よりも小さなピッチ（ＰＩＴ）で配列された複数の小光源レンズ素子（５２）を有し、各小光源レンズ素子が光源部からの光源光を分割して新たな小光源を構成するように振る舞う小光源アレイレンズ部（５１）と、を有し、
各小光源レンズ素子において、短手対応方向の焦点距離の絶対値は、長手対応方向の焦点距離の絶対値よりも小さい。

このような態様によると、小光源アレイレンズ部は、複数の小光源レンズ素子を配列して形成されている。こうした小光源レンズ素子は、光源素子の間隔よりも小さなピッチで配列され、光源部からの光源光を分割して小光源を構成するように振る舞う。すなわち、小光源が小さなピッチで短手対応方向に配列されることにより、線状光源ないし面状光源のように小光源アレイレンズ部が機能し、それは、長手対応方向にずれて並べられた複数の光源素子により、長手対応方向に幅をもった光源のように振る舞う。

これに対して、各小光源レンズ素子にて、短手対応方向の焦点距離の絶対値は、長手対応方向の焦点距離の絶対値より小さくされている。この焦点距離の関係により、小光源レンズ素子の各小光源から発せられる短手対応方向の分割光源光の拡がり角が比較的広角になるため、光源光を短い光路長で好適に拡げることが可能となり、照明対象部の短手方向の寸法に合わせた照明を実現できる。短手対応方向に対して長手対応方向では、小光源レンズ素子による各小光源から発せられる長手対応方向の分割光源光の拡がり角が比較的挟角になるものの、既に小光源アレイレンズ部が長手対応方向に幅をもった光源のように振る舞っている。故に、各々の小光源からの分割光源光を、照明対象部の長手方向の寸法まで拡げずとも、照明対象部の長手方向の寸法に合わせた照明を実現することができる。したがって、より幅広の範囲を照明すべき長手対応方向に合わせた長い光路長を設定する必要性を低減できる。

以上により、虚像の輝度ムラ発生を低減して虚像の視認性を高めつつ、体格増大を抑制した虚像表示装置を提供することができる。

なお、括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。

第１実施形態のＨＵＤ装置の車両への搭載状態を示す図である。 第１実施形態の表示器において、短手方向ないしＹ方向に沿った縦断面を示す図である。 第１実施形態の表示器において、長手方向ないしＸ方向に沿った縦断面を示す図である。 第１実施形態の第２レンズ部材及び第３レンズ部材を示す斜視図である。 第１実施形態の小光源レンズ素子による小光源の像点を模式的に示す図であって、上段はＸ方向に沿った縦断面を示し、下段はＹ方向に沿った縦断面を示す。 第１実施形態の分割光源光のインテグレータを説明するための模式図である。 第１実施形態のバックライトユニットの照明特性を説明するための模式図である。 図７のVIII−VIII断面に沿った照明光の強度を説明するためのグラフである。 第２実施形態の第２レンズ部材を示す斜視図である。 変形例において図２に対応する図である。 変形例において図３に対応する図である。

以下、複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。

（第１実施形態）
図１に示すように、本開示の第１実施形態による虚像表示装置は、車両１に用いられ、当該車両１のインストルメントパネル２内に収容されるヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置）１０である。ＨＵＤ装置１０は、車両１のウインドシールド３に設けられた投影部３ａへ向けて画像の表示光を投影する。これにより、ＨＵＤ装置１０は、画像を、視認者としての乗員により視認可能な虚像ＶＲＩとして表示する。すなわち、投影部３ａにて反射される画像の表示光が車両１の室内に設定された視認領域ＥＢに到達することにより、視認領域ＥＢにアイポイントＥＰが位置する乗員は、各種情報を認識することができる。

表示される各種情報としては、例えば車速、燃料残量等の車両１の状態を表す情報、又は視界補助情報、道路情報等のナビゲーション情報が挙げられる。

以下において、特に断り書きがない限り、前、後、上、下、左及び右が示す各方向は、水平面ＨＰ上の車両１を基準として記載される。

車両１のウインドシールド３は、例えばガラスないし合成樹脂により透光性の板状に形成された透過部材であり、インストルメントパネル２よりも上方に配置されている。ウインドシールド３は、前方から後方へ向かう程、インストルメントパネル２とは離間するように傾斜して配置されている。ウインドシールド３は、画像の表示光が投影される投影部３ａを、滑らかな凹面状又は平面状に形成している。なお、投影部３ａは、ウインドシールド３に設けられていなくてもよい。例えば車両１と別体となっているコンバイナを車両１内に設置して、当該コンバイナに投影部３ａが設けられていてもよい。

視認領域ＥＢは、ＨＵＤ装置１０により表示される虚像ＶＲＩが所定の規格を満たすように（例えば虚像ＶＲＩ全体が所定の輝度以上となるように）視認可能となる空間領域であって、アイボックスとも称される。視認領域ＥＢは、典型的には、車両１に設定されたアイリプスと重なるように設定される。アイリプスは、両眼それぞれに対して設定され、乗員のアイポイントＥＰの空間分布を統計的に表したアイレンジに基づいて、楕円体状の仮想的な空間として設定されている。

このようなＨＵＤ装置１０の具体的構成を、以下に説明する。ＨＵＤ装置１０は、ハウジング１１、表示器３０、及び導光部２１等により構成されている。

ハウジング１１は、例えば合成樹脂ないし金属等により、表示器３０及び導光部２１等を収容する中空形状を呈しており、車両１のインストルメントパネル２内に設置されている。ハウジング１１は、投影部３ａと対向する上面部に、光学的に開口する窓部１２を有している。窓部１２は、例えば表示光を透過可能な防塵シート１３で覆われている。

表示器３０は、表示画面３３に画像を表示し、その画像の表示光を導光部２１へ向けて投射する。本実施形態の表示器３０は、透過型の液晶表示器となっている。表示器３０は、画像表示素子３１及びバックライトユニット４１を有し、例えば遮光性を有する箱状のケーシングにこれらを収容しつつ、表示画面３３をケーシングの外部に露出させて構成されている。

導光部２１は、表示器３０の表示画面３３から発せられた表示光を導光する光路を形成している。導光部２１は、例えば平面鏡２２及び凹面鏡２４を有している。導光部２１の合成焦点距離における符号は、正である。

平面鏡２２は、例えば合成樹脂ないしガラスからなる基材の表面に、アルミニウムを蒸着させること等により、反射面２３を形成している。平面鏡２２の反射面２３は、滑らかな平面状に形成されている。表示器３０から平面鏡２２に入射した表示光は、その反射面２３により凹面鏡２４へ向けて反射される。

凹面鏡２４は、例えば合成樹脂ないしガラスからなる基材の表面に、アルミニウムを蒸着させること等により、反射面２５を形成している。凹面鏡２４の反射面２５は、凹状に湾曲することで、滑らかな凹面状に形成されている。平面鏡２２から凹面鏡２４に入射した表示光は、その反射面２３により投影部３ａへ向けて反射される。ここで、正の光学パワーを有する凹面鏡２４の反射面２５での反射によって、虚像ＶＲＩを表示画面３３上の画像に対して拡大することが可能となっている。

こうして凹面鏡２４に反射された表示光は、防塵シート１３を透過することでＨＵＤ装置１０の外部へ射出され、ウインドシールド３の投影部３ａに入射する。投影部３ａに反射された表示光が乗員のアイポイントＥＰに到達すると、当該乗員は虚像ＶＲＩを視認可能となるのである。ここで、投影部３ａは、透過部材としてのウインドシールド３に設けられているので、虚像ＶＲＩは、ウインドシールド３を通して視認される車外の景色と重畳して表示される。

また、凹面鏡２４は、ステッピングモータの駆動に応じて、左右方向に伸びる回転軸２４ａのまわりに回動可能となっている。こうした回動によって、虚像ＶＲＩの表示位置を上下方向に変位するように調整することができる。

以下では、本実施形態の表示器３０について詳細に説明する。図２，３に示すように、表示器３０の画像表示素子３１は、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor；ＴＦＴ）を用いたＴＦＴ液晶パネルであって、例えば２次元配列にて配列された複数の液晶画素を形成しているアクティブマトリクス型の液晶パネルである。

画像表示素子３１は、長手方向ＬＤ及び短手方向ＳＤを有する矩形状、すなわち長方形状を呈している。液晶画素が長手方向ＬＤ及び短手方向ＳＤに配列されることで、導光部２１側を向き、画像の表示光を射出する表示画面３３もまた短手方向ＳＤの寸法に対して長手方向ＬＤの寸法が大きく設定された長方形状を呈している。

表示画面３３の長手方向ＬＤは、視認される虚像ＶＲＩの左右方向に対応し、表示画面３３の短手方向ＳＤは、視認される虚像ＶＲＩの上下方向に対応している。こうして虚像ＶＲＩは、左右方向に長い横長に表示されることが可能となる。

画像表示素子３１の本体を挟んで表示画面３３とは反対側の面は、バックライトユニット４１の光源光により照明される照明対象面３２となっている。照明対象面３２も、表示画面３３の形状に合わせた形状、詳細に、短手方向ＳＤの寸法に対して長手方向ＬＤの寸法が大きく設定された長方形状を呈している。

画像表示素子３１は、一対の偏光板及び一対の偏光板に挟まれた液晶層等が積層されて形成されていることで、平板状を呈している。各偏光板は、互いに直交する透過軸及び吸収軸を有し、透過軸方向に偏光した光を透過させ、吸収軸方向に偏光した光を吸収する性質を有する。一対の偏光板は、透過軸を互いに直交させて配置されている。液晶層は、液晶画素毎の電圧の印加により、印加電圧に応じて液晶層に入射する光の偏光方向を回転させることが可能となっている。こうして画像表示素子３１は、偏光方向の回転により、導光部２１側の偏光板を透過する光の割合、すなわち透過率を、液晶画素毎に変えることができる。

したがって、画像表示素子３１は、照明対象面３２を介した光源光の入射に対応して、液晶画素毎の透過率が制御されることで、当該光源光を利用して表示画面３３に画像を表示する。隣り合う液晶画素には、互いに異なる色（例えば赤、緑及び青）のカラーフィルタが設けられており、これらの組み合わせにより、様々な色が再現されるようになっている。

各液晶画素では、表示画面３３及び照明対象面３２間を貫通するように、面３２，３３の法線方向に光学的に開口して設けられる透過部と、当該透過部を囲んで形成された配線部とが設けられている。したがって、各透過部が光学的な小開口部を構成している。さらに、表示画面３３及び照明対象面３２の外周が遮光部材に囲まれていることで、表示画面３３と照明対象面３２とに挟まれた部位が光学的な大開口部として機能している。

バックライトユニット４１は、光源光を照明対象面３２へ照射する。具体的に、バックライトユニット４１は、光源部４２、第１レンズ部材４６、第２レンズ部材５０、第３レンズ部材５６、及び拡散板６１等により構成されている。第１レンズ部材４６、第２レンズ部材５０、第３レンズ部材５６、及び拡散板６１は、光源部４２と画像表示素子３１の照明対象面３２との間の光路上に配置されている。

光源部４２は、複数の光源素子４３を光源用回路基板４４上に配列して形成されている。本実施形態の光源素子４３には、例えば点状光源としての発光ダイオード素子が採用されている。各光源素子４３は、光源用回路基板４４上の配線パターンを通じて、電源と電気的に接続されている。より詳細に、各光源素子４３は、チップ状の青色発光ダイオードを、透光性を有する合成樹脂に黄色蛍光剤を混合した黄色蛍光体により封止することにより形成されていれる。青色発光ダイオードから電流量に応じて発せられる青色光により、黄色蛍光体が励起されて黄色光が発光され、青色光と黄色光との混合により、結果的に、各光源素子４３から白色（より詳細には疑似白色）の光源光が発光される。

ここで各光源素子４３は、発光強度が最大となる強度ピーク方向ＰＤから乖離するに従って発光強度が相対的に低下する放射角度分布にて、光源光を発光する。各光源素子４３の強度ピーク方向ＰＤは、互いに実質同一の方向であり、光源用回路基板４４の表面（これを光源配置面４４ａと称する）に対して実質垂直な方向となっている。

光源配置面４４ａ上において、複数の光源素子４３は、短手対応方向及び長手対応方向のうち、少なくとも長手対応方向に所定の間隔ＩＮＴだけずれて配置されるように、互いに並べられている。

ここで、短手対応方向とは、表示画面３３又は照明対象面３２を、強度ピーク方向ＰＤの逆方向に沿って射影対象に射影した場合に、表示画面３３又は照明対象面３２上の短手方向ＳＤを示すベクトルが射影対象上に射影されたベクトルによって示される方向を意味する。同様に、長手対応方向とは、表示画面３３又は照明対象面３２を、強度ピーク方向ＰＤの逆方向に沿って射影対象に射影した場合に、表示画面３３又は照明対象面３２上の長手方向ＬＤを示すベクトルが射影対象上に射影されたベクトルによって示される方向を意味する。ここでは、光源配置面４４ａが射影対象である。以下、短手対応方向をＹ方向ＹＤ、長手対応方向をＸ方向ＸＤと称する。

光源配置面４４ａと表示画面３３及び照明対象面３２とが平行に配置されていれば、図２，３のように、短手方向ＳＤとＹ方向ＹＤとは一致し、長手方向ＬＤと方向とＸ方向ＸＤとは、一致する。光源配置面４４ａに対して表示画面３３及び照明対象面３２が傾斜して配置されていれば、その傾斜に対応して、短手方向ＳＤとＹ方向ＹＤとはずれる場合があり、長手方向ＬＤとＸ方向ＸＤとがずれる場合がある。

特に本実施形態では、複数の光源素子４３は、Ｘ方向ＸＤに沿って、１列に配列されている。各光源素子４３間の間隔ＩＮＴは、互いに実質等しく設定されている。各光源素子４３から発光された光源光は、第１レンズ部材４６へと入射する。

図２，３に示す第１レンズ部材４６は、例えば合成樹脂ないしガラスにより、透光性に形成され、光源光を屈折可能な光学面４６ａ，４６ｂを有している。第１レンズ部材４６は、各光源素子４３に１対１で個別に対応するように設けられた平行化レンズ素子４８を、光源配置面４４ａ上の光源素子４３の配置に合わせて並べた平行化部４７を有している。各平行化レンズ素子４８は、対応する光源素子４３と対向して配置され、各光源素子４３から発せられる光源光を集光して平行化する。ここでいう平行化とは、光源光を光源素子４３から射出された直後の状態よりも平行光束に近づけていればよく、光源光を完全な平行光束にするものに限られない。

また、本実施形態では、各平行化レンズ素子４８の光軸に対して、当該平行化レンズ素子４８に個別に対応する光源素子４３を、Ｘ方向ＸＤでの光源部４２中心側に僅かに偏心させた配置が採用されている。換言すると、Ｘ方向ＸＤにて、平行化レンズ素子４８間の間隔は、光源素子４３間の間隔ＩＮＴよりも僅かに大きく設定されている。

本実施形態の第１レンズ部材４６は、光源部４２側に平面状の光学面４６ａを形成している。また第１レンズ部材４６は、光源部４２とは反対側、すなわち照明対象面３２側に、滑らかな凸面状の面が複数並んだ光学面４６ｂを、平行化部４７として形成している。平行化レンズ素子４８の焦点距離における符号は、正であり、その値は平行化レンズ素子４８と光源素子４３との間の距離に近くなるように設定される。こうして第１レンズ部材４６により平行化された光源光は、第２レンズ部材５０へと入射する。

図２〜４に示す第２レンズ部材５０は、例えば合成樹脂ないしガラスにより、透光性に形成され、光源光を屈折可能な光学面５０ａ，５０ｂを有している。第２レンズ部材５０は、第１レンズ部材４６側（換言すると光源部４２側）の光学面５０ａに、小光源アレイレンズ部５１を有すると共に、第３レンズ部材５６側（換言すると照明対象面３２側）の光学面５０ｂに、短手集光部５３を有している。

小光源アレイレンズ部５１は、複数の小光源レンズ素子５２を配列して形成されている。各小光源レンズ素子５２は、光源素子４３が並べられた間隔ＩＮＴよりも十分に小さな微小ピッチＰＩＴ（例えば３ｍｍ以下）にて配列され、互いに隙間なく敷き詰められている。特に本実施形態の小光源レンズ素子５２は、Ｙ方向ＹＤ及びＸ方向ＸＤの２方向に、矩形格子状に配列されている。

各小光源レンズ素子５２は、互いに共通の焦点距離ｆａｘ，ｆａｙを有している。各小光源レンズ素子５２の焦点距離ｆａｘ，ｆａｙの絶対値は、他の焦点距離ｆｂｘ，ｆｂｙ，ｆｃｘ，ｆｃｙ，ｆｄｘ，ｆｄｙの絶対値よりも十分に小さく設定されている。

こうした形態により、各小光源レンズ素子５２は、光源部４２から平行化部４７を経て平行化された光源光を分割して、新たな点状の小光源を構成するように振る舞っている。すなわち、図５に示すように、各小光源レンズ素子５２が入射する光源光を収束又は発散されることによって、各小光源レンズ素子５２の近傍に小光源の像点ＩＰｘ，ＩＰｙが構成される。こうした仮想的ともいえる小光源の像点ＩＰｘ，ＩＰｙが小さなピッチＰＩＴで配列されているので、小光源アレイレンズ部５１は、全体として、仮想的な面状光源をつくり出すように機能している。

特に本実施形態では、各小光源レンズ素子５２は、第１レンズ部材４６側（換言すると光源部４２側）に凸となるトロイダル面状に形成されている。こうした面形状によって、各小光源レンズ素子５２において、Ｙ方向ＹＤの焦点距離ｆａｙの絶対値は、Ｘ方向ＸＤの焦点距離ｆａｘの絶対値よりも小さく設定されている。したがって、各小光源において、Ｙ方向ＹＤにおける像点ＩＰｙの位置（より詳細に、錯乱円のＹ方向ＹＤの寸法を最小とする位置）は、Ｘ方向ＸＤにおける像点ＩＰｘの位置（より詳細に、錯乱円のＸ方向ＸＤの寸法を最小とする位置）と、光源光の進行方向に前後するようにずれている。そして、各小光源から発せられる分割光源光において、Ｙ方向ＹＤの拡がり角βは、Ｘ方向ＸＤの拡がり角αに対して大きな状態となる。換言すると、各小光源レンズ素子５２において、Ｙ方向ＹＤのＦ値は、Ｘ方向ＸＤのＦ値よりも小さい。

なお、上記像点ＩＰｘ，ＩＰｙの位置は、小光源アレイレンズ部５１よりも照明対象面３２側に配置された光学要素の影響を考慮しない小光源アレイレンズ部５１単独の機能として定まる位置である。すなわち、画像表示素子３１側から第３レンズ部材５６等を通してみた像点ＩＰｘ，ＩＰｙの位置は、前述の光学要素の倍率の影響を受ける。

なお、図２〜４では、小光源レンズ素子５２の一部にのみ符号が付されている。図２〜４の小光源レンズ素子５２は、模式的に図示されており、現実にはより微小なサイズとなっている。

短手集光部５３は、小光源の各方向ＸＤ，ＹＤでの像点ＩＰｘ，ＩＰｙの位置よりも照明対象面３２側に配置された光学面５０ｂとして構成されている。短手集光部５３は、各小光源からの分割光源光をまとめて屈折可能な単一の面状に形成されている。短手集光部５３は、各分割光源光を、Ｙ方向ＹＤ及びＸ方向ＸＤのうち、少なくともＹ方向ＹＤに集光するように構成されている。

具体的に本実施形態では、短手集光部５３は、第３レンズ部材５６側（換言すると照明対象面３２側）に凸となり、Ｙ方向ＹＤに湾曲する凸シリンドリカル面状に形成されている。短手集光部５３のＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｂｙにおける符号は、正である。

こうして第２レンズ部材５０にて、小光源に分割され、さらに集光された光源光は、第３レンズ部材５６へと入射する。

図２〜４に示す第３レンズ部材５６は、例えば合成樹脂ないしガラスにより、透光性に形成され、光源光を屈折可能な光学面５６ａ，５６ｂを有している。第３レンズ部材５６は、第２レンズ部材５０側（換言すると光源部４２側）の光学面５６ａに、長手指向性調整部５８を有すると共に、拡散板６１側（換言すると照明対象面３２側）の光学面５６ｂに、短手指向性調整部５９を有している。本実施形態では、長手指向性調整部５８及び短手指向性調整部５９を合わせて、単に指向性調整部５７と称する。

長手指向性調整部５８は、小光源アレイレンズ部５１を経た光源光について、Ｘ方向ＸＤの指向性を調整する。具体的に、長手指向性調整部５８は、第２レンズ部材５０側（換言すると光源部４２側）から、その反対側へ凹み、Ｘ方向ＸＤに湾曲する凹シリンドリカル面状に形成されている。特に本実施形態の長手指向性調整部５８による光学面５６ａは、フレネルレンズ状にＸ方向ＸＤに分割されることで、Ｙ方向ＹＤに延伸する短冊状の分割光学面の集合体となっている。長手指向性調整部５８のＸ方向ＸＤの焦点距離ｆｃｘにおける符号は、負である。こうして、長手指向性調整部５８は、光源光をＸ方向ＸＤに発散することで、Ｘ方向ＸＤの指向性を調整している。長手指向性調整部５８での発散調整により、視認領域ＥＢを乗員の眼が並ぶ左右方向へ拡大することができる。

短手指向性調整部５９は、小光源アレイレンズ部５１を経た光源光について、Ｙ方向ＹＤの指向性を調整する。具体的に、短手指向性調整部５９は、拡散板６１側（換言すると照明対象面３２側）に凸となり、Ｙ方向ＹＤに湾曲する凸シリンドリカル面状に形成されている。短手指向性調整部５９のＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｄｙにおける符号は、正である。こうして、短手指向性調整部５９は、光源光をＹ方向ＹＤに集光することで、Ｙ方向ＹＤの指向性を調整している。短手指向性調整部５９での集光調整により、乗員の眼が並んでいない上下方向に視認領域ＥＢを過度に拡大することなくコンパクト化して虚像ＶＲＩの輝度を高めることができる。

こうして第３レンズ部材５６にて指向性が調整された光源光は、拡散板６１へと入射する。図２，３に示す拡散板６１は、照明対象面３２に近接状態又は接着状態となるように配置され、例えば透光性の合成樹脂からなる基材にマイクロビーズ等の拡散粒子を混合することにより、シート状又は板状に形成されている。拡散板６１は、第３レンズ部材５６側から入射した光源光を拡散して照明対象面３２を照明する。

図２，６に示すように、表示器３０の短手方向ＳＤないしＹ方向ＹＤに沿った縦断面上でみると、各小光源からの分割光源光は、照明対象面３２に到達するまでに、当該照明対象面３２の短手方向ＳＤの寸法まで拡張される。照明対象面３２の短手方向ＳＤにおける両端部間に、各小光源からの分割光源光が重ね合される。すなわちＹ方向ＹＤでは各分割光源光がインテグレートされて、全体照明が実施される。

他方、図３，６に示すように、表示器３０の長手方向ＬＤないしＸ方向ＸＤに沿った縦断面上でみると、各小光源からの分割光源光は、照明対象面３２に到達するまでに、当該照明対象面３２の長手方向ＬＤの寸法まで拡張されない。分割光源光の到達時の拡張幅は、例えば、各光源素子４３間の間隔ＩＮＴ以上であって、当該間隔ＩＮＴの２倍以下の範囲に抑制される。各分割光源光は、照明対象面３２のうち、互いにＸ方向ＸＤにずれた照明範囲を照明する。すなわちＸ方向ＸＤでは各分割光源光のインテグレートが規制されており、部分照明が実施される。

Ｙ方向ＹＤのインテグレートよりもＸ方向ＸＤのインテグレートが規制されている態様、すなわちＹ方向ＹＤのみインテグレータ光学系となっている態様では、図７に模式的に示すように、各小光源からの分割光源光が短手方向ＳＤに大きく引き伸ばされたように照明される。このため、各分割光源光の重なり部分も短手方向ＳＤに引き延ばされたようになる。故に、短手方向ＳＤでの照明強度の勾配が抑制されることは勿論、長手方向ＬＤにおいても、図８に模式的に示すように照明強度の均一化が図られる。

ここで図４を参照して、短手集光部５３と短手指向性調整部５９との焦点距離の設定及び関係について、説明する。まず、短手集光部５３におけるＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｂｙの絶対値及び短手指向性調整部５９におけるＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｄｙの絶対値は、各小光源レンズ素子５２におけるＹ方向ＹＤの焦点距離ｆａｙの絶対値よりも十分に大きく設定される。また、短手集光部５３におけるＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｂｙ及び短手指向性調整部５９におけるＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｄｙは、短手集光部５３と短手指向性調整部５９との間の距離Ｄよりも大きく設定される。さらには、短手指向性調整部５９におけるＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｄｙは、短手集光部５３におけるＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｂｙよりも大きく設定される。

このようにすることで、各小光源からの分割光源光は、Ｙ方向ＹＤにおいて、短手指向性調整部５９よりも照明対象面３２に近い位置で重ね合わせ状態を構成する。さらには、導光部２１の凹面鏡２４が表示光を集光する構成に適合した指向性を以って、照明を実施することができる。

以下、焦点距離及びレンズ配置の具体例を示す。図４の例において、各小光源レンズ素子５２のＸ方向ＸＤの焦点距離ｆａｘは、２．０３ｍｍである。各小光源レンズ素子５２のＹ方向ＹＤの焦点距離ｆａｙは、１．２２ｍｍである。短手集光部５３のＸ方向ＸＤの焦点距離ｆｂｘは、実質無限大である。短手集光部５３のＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｂｙは、３７．７４ｍｍである。長手指向性調整部５８のＸ方向ＸＤの焦点距離ｆｃｘは、−１５２ｍｍである。長手指向性調整部５８のＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｃｙは、実質無限大である。短手指向性調整部５９のＸ方向ＸＤの焦点距離ｆｄｘは、実質無限大である。短手指向性調整部５９のＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｄｙは、４２．０５ｍｍである。また、距離Ｄに近似可能な第２レンズ部材５０と第３レンズ部材５６との距離は、２３ｍｍである。

（作用効果）
以上説明した第１実施形態の作用効果を以下に改めて説明する。

第１実施形態によると、小光源アレイレンズ部５１は、複数の小光源レンズ素子５２を配列して形成されている。こうした小光源レンズ素子５２は、光源素子４３の間隔ＩＮＴよりも小さなピッチＰＩＴで配列され、光源部４２からの光源光を分割して小光源を構成するように振る舞う。すなわち、小光源が小さなピッチＰＩＴでＹ方向ＹＤに配列されることにより、線状光源ないし面状光源のように小光源アレイレンズ部５１が機能し、それは、Ｘ方向ＸＤにずれて並べられた複数の光源素子４３により、Ｘ方向ＸＤに幅をもった光源のように振る舞う。

これに対して、各小光源レンズ素子５２にて、Ｙ方向ＹＤの焦点距離ｆａｙの絶対値は、Ｘ方向ＸＤの焦点距離ｆａｘの絶対値より小さくされている。この焦点距離ｆａｘ，ｆａｙの関係により、小光源レンズ素子５２の各小光源から発せられるＹ方向ＹＤの分割光源光の拡がり角βが比較的広角になるため、光源光を短い光路長で好適に拡げることが可能となり、照明対象面３２の短手方向ＳＤの寸法に合わせた照明を実現できる。Ｙ方向ＹＤに対してＸ方向ＸＤでは、小光源レンズ素子５２による各小光源から発せられるＸ方向ＸＤの分割光源光の拡がり角αが比較的挟角になるものの、既に小光源アレイレンズ部５１がＸ方向ＸＤに幅をもった光源のように振る舞っている。故に、各々の小光源からの分割光源光を、照明対象面３２の長手方向ＬＤの寸法まで拡げずとも、照明対象面３２の長手方向ＬＤの寸法に合わせた照明を実現することができる。したがって、より幅広の範囲を照明すべきＸ方向ＸＤに合わせた長い光路長を設定する必要性を低減できる。

以上により、虚像ＶＲＩの輝度ムラ発生を低減して虚像ＶＲＩの視認性を高めつつ、体格増大を抑制したＨＵＤ装置１０を提供することができる。

また、第１実施形態によると、各小光源レンズ素子５２は、Ｙ方向ＹＤ及びＸ方向ＸＤに配列され、トロイダル面状に形成されている。トロイダル面状の小光源レンズ素子５２が２方向に配列されることにより、２次元的に多数の小光源を構成することが可能となり、小光源アレイレンズ部５１を輝度ムラの少ない面状光源のように機能させることができる。

また、第１実施形態によると、照明対象面３２に入射する分割光源光は、Ｙ方向ＹＤではインテグレートされ、Ｘ方向ＸＤではＹ方向ＹＤよりもインテグレートを規制される。照明対象面３２の長手方向ＬＤの寸法までＸ方向ＸＤに分割光源光を拡張する必要がないので、Ｙ方向ＹＤでのインテグレートに合わせた光路長を設定可能となる。故に、バックライトユニット４１の光路長が短縮可能となるので、装置１０の体格増大を抑制できる。

また、第１実施形態によると、短手集光部５３は、光路上において、各小光源レンズ素子５２よりも照明対象面３２側に配置され、分割光源光をまとめてＹ方向ＹＤに集光するように構成されている。こうした短手集光部５３による集光によって、各小光源レンズ素子５２からの分割光源光が照明対象面３２へ向かうようになり、当該照明対象面３２での適切な重ね合わせが実現される。

また、第１実施形態によると、小光源アレイレンズ部５１が光源部４２側に配置された光学面５０ａを構成すると共に、短手集光部５３が照明対象面３２側に配置された光学面５０ｂを構成することにより、小光源アレイレンズ部５１と短手集光部５３とが第２レンズ部材５０として一体的に形成されている。このようにすると、小光源アレイレンズ部５１と短手集光部５３との間の位置合わせの精度、延いては照明の精度を高めることができ、透過率も向上できる。同時に、部品点数を抑制できるので、装置１０の体格拡大を抑制できる。

また、第１実施形態によると、指向性調整部５７は、短手集光部５３と照明対象面３２との間の光路上に配置され、小光源アレイレンズ部５１を経て入射した光源光の指向性を調整する。短手集光部５３によりも照明対象面３２に近い位置、すなわち各分割光源光の重ね合わせ状態が醸成されつつある位置で、視認領域ＥＢを形成するための指向性が調整される。バックライトユニット４１に照明対象面３２への照明ムラ抑制効果を発揮させつつ、視認領域ＥＢを適切な範囲とすることができる。この結果、虚像ＶＲＩの視認性が高まる。

また、第１実施形態によると、指向性調整部５７は、Ｙ方向ＹＤに光源光を集光すると共に、Ｘ方向ＸＤに光源光を発散させる。発散作用を受けた方向に視認領域ＥＢが拡大されるので、視認領域ＥＢの長手方向と、画像の長手方向ＬＤを一致させることができる。このため、両眼の並び方向を視認領域ＥＢの長手方向を合わせた場合に、両眼視し易く、かつ横長の見易い虚像ＶＲＩを実現することができる。この結果、虚像ＶＲＩの視認性が高まる。

また、第１実施形態によると、短手集光部５３のＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｂｙは、指向性調整部５７のＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｄｙよりも小さく、かつ、短手集光部５３と指向性調整部５７との間の距離Ｄよりも大きい。こうした条件を満たすことにより、指向性調整部５７よりも照明対象面３２側で分割光源光の重ね合わせ状態が実現される。

（第２実施形態）
図９に示すように、第２実施形態は第１実施形態の変形例である。第２実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。

第２実施形態の第２レンズ部材２５０においても小光源アレイレンズ部２５１は、第１実施形態と同様に、複数の小光源レンズ素子２５２を配列して形成されている。各小光源レンズ素子２５２は、光源素子４３が並べられた間隔ＩＮＴよりも十分に小さなピッチＰＩＴ（例えば３ｍｍ以下）にて配列され、互いに隙間なく敷き詰められている。ただし、第２実施形態の小光源レンズ素子２５２は、Ｙ方向ＹＤの１方向に配列されている。このように、小光源レンズ素子２５２は、Ｙ方向ＹＤ及びＸ方向ＸＤのうち、分割光源光がインテグレートされるＹ方向ＹＤに配列されていればよい。

各小光源レンズ素子２５２は、Ｘ方向ＸＤに延伸した短冊状を呈しており、第１レンズ部材４６側（換言すると光源部４２側）に凸となる凸シリンドリカル面状に形成されている。こうしたシリンドリカル面の小光源レンズ素子２５２では、Ｘ方向ＸＤの焦点距離ｆａｘは、実質無限大である。故に、第１実施形態と同様に、各小光源レンズ素子２５２において、Ｙ方向ＹＤの焦点距離ｆａｙの絶対値がＸ方向ＸＤの焦点距離ｆａｘの絶対値よりも小さいという関係が成立している。こうした第２実施形態では、各小光源レンズ素子２５２が構成する小光源は、線状光源のようになる。

以上説明した第２実施形態によると、各小光源レンズ素子２５２は、Ｙ方向ＹＤに配列され、シリンドリカル面状に形成されている。シリンドリカル面状の小光源レンズ素子２５２がＹ方向ＹＤに配列されることにより、Ｙ方向ＹＤの焦点距離ｆａｙの絶対値とＸ方向ＸＤの焦点距離ｆａｘの絶対値の差を大きくできる。したがって、Ｙ方向ＹＤに対して最適な光路長と、Ｘ方向ＸＤに対して最適な光路長との差を縮めることが可能となる。故に、バックライトユニット４１の光路長を、両方向ＸＤ，ＹＤ共に適切な光路長に設定することが容易となるので、虚像ＶＲＩの視認性を高めつつ、体格増大を抑制したＨＵＤ装置１０を提供することができる。

（他の実施形態）
以上、複数の実施形態について説明したが、本開示は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。

具体的に変形例１としては、図１０，１１に示すように、小光源アレイレンズ部５１と、短手集光部５３とは、別体にてそれぞれ形成されていてもよい。

変形例２としては、各小光源レンズ素子５２のＸ方向ＸＤの焦点距離ｆａｘにおける符号及びＹ方向ＹＤの焦点距離ｆａｙにおける符号のうち少なくとも一方は、負であってもよい。

変形例３としては、光源部４２は、少なくともＸ方向ＸＤに所定の間隔だけずれて、互いに並べられた光源素子４３を含むものであればよい。複数の光源素子４３がＸ方向ＸＤに沿って一直線上に並べられていなくてもよい。具体例としては、複数の光源素子４３は、Ｘ方向ＸＤに所定の間隔だけずれると共に、Ｙ方向ＹＤにも光源素子４３毎に異なる値だけオフセットされていることで、曲線状に並べられていてもよい。また、複数の光源素子４３がＸ方向ＸＤに所定の間隔だけずれると共に、Ｙ方向ＹＤにも交互に逆方向にオフセットされていることで、ジグザグに並べられていてもよい。

変形例４としては、光源部４２は、少なくともＸ方向ＸＤに所定の間隔ＩＮＴだけずれて、互いに並べられた光源素子４３を含むものであればよい。複数の光源素子４３が２次元に配列されていれば、Ｘ方向ＸＤに互いにずれる光源素子４３の組み合わせが発生する。具体例としては、複数の光源素子４３がＹ方向ＹＤ及びＸ方向ＸＤの２方向に矩形格子状に配列されていてもよい。また、複数の光源素子４３は、三角格子状、六角格子状等に配列されていてもよい。

変形例５としては、光源素子４３がずれる所定の間隔ＩＮＴは、変調していてもよい。この場合、小光源レンズ素子５２が配列されるピッチＰＩＴは、間隔ＩＮＴの平均値である平均間隔よりも小さければよい。ただし、ピッチＰＩＴが各間隔ＩＮＴのうち最小値である最小間隔よりも小さくなっていることがより好適である。

変形例６としては、光源素子４３には、点状光源に限られず、線状光源又は面状光源が採用されてもよい。光源部４２は、例えばＹ方向ＹＤに延伸する線状光源としての光源素子４３を、Ｘ方向ＸＤに複数並べた構成であってもよい。また、光源部４２は、面状光源としての光源素子４３を、Ｘ方向ＸＤに互いに離間するように複数並べた構成であってもよい。

変形例７としては、導光部２１は、平面鏡２２の代わりに、又は新たな光学素子の追加によって、凸面鏡を有していてもよい。導光部２１に凸面鏡が含まれる場合であっても、導光部２１の合成焦点距離における符号は、正であることが好ましい。この構成においては、短手集光部５３のＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｂｙは、短手指向性調整部５９のＹ方向ＹＤの焦点距離ｆｄｙと実質的に等しい値に設定されてもよい。

変形例８としては、拡散板６１は、第２レンズ部材５０と第３レンズ部材５６との間に配置されていてもよい。

変形例９としては、長手指向性調整部５８は、フレネルレンズ状ではなく、単一の凹シリンドリカル面状に形成されていてもよい。逆に、短手指向性調整部５９は、フレネルレンズ状に形成されていてもよい。また、図１０，１１に示すように、長手指向性調整部５８及び短手指向性調整部５９の少なくとも一部は、トロイダル面等の１つの光学面により合成状態にて構成されていてもよい。さらには、長手指向性調整部５８及び短手指向性調整部５９のうち少なくとも一方が設けられていなくてもよい。

変形例１０としては、バックライトユニット４１の照明対象として機能する照明対象部としての照明対象面３２は、長方形状に限られず、楕円形状、平行四辺形状等に形成されていてもよい。また、照明対象部は、単一の面状に形成されていなくてもよく、３次元的な構造を含んでいてもよい。

変形例１１としては、虚像表示装置は、航空機、船舶、あるいはゲーム筐体等の移動しない筐体等の各種の乗り物に適用することができる。また、虚像表示装置は、ヘッドマウントディスプレイ等の携帯情報端末に適用することができる。

３ａ：投影部、１０：ＨＵＤ装置（虚像表示装置）、３１：画像表示素子、３２：照明対象面（照明対象部）、４１：バックライトユニット、４２：光源部、４３：光源素子、５１：小光源アレイレンズ部、５２：小光源レンズ素子、ＳＤ：短手方向、ＬＤ：長手方向、ＹＤ：Ｙ方向（短手対応方向）、ＸＤ：Ｘ方向（長手対応方向）、ＩＮＴ：間隔、ＰＩＴ：ピッチ

Claims (9)

1. 画像の表示光を投影部（３ａ）に投影することにより、虚像（ＶＲＩ）を表示する虚像表示装置であって、
   短手方向（ＳＤ）の寸法に対して長手方向（ＬＤ）の寸法が大きく設定された照明対象部（３２）を有し、前記照明対象部に照明された光源光を利用して前記画像を表示する画像表示素子（３１）と、
   前記光源光を前記照明対象部へ照射するバックライトユニット（４１）と、を備え、
   前記バックライトユニットは、
   前記短手方向に対応する短手対応方向（ＹＤ）及び前記長手方向に対応する長手対応方向（ＸＤ）のうち少なくとも前記長手対応方向に所定の間隔（ＩＮＴ）だけずれて、互いに並べられた複数の光源素子（４３）を有し、各前記光源素子から前記光源光を発する光源部（４２）と、
   前記光源部と前記照明対象部との間の光路上に配置され、前記短手対応方向及び前記長手対応方向のうち少なくとも前記短手対応方向に沿って、前記間隔よりも小さなピッチ（ＰＩＴ）で配列された複数の小光源レンズ素子（５２）を有し、各前記小光源レンズ素子が前記光源部からの前記光源光を分割して新たな小光源を構成するように振る舞う小光源アレイレンズ部（５１）と、を有し、
   各前記小光源レンズ素子において、前記短手対応方向の焦点距離の絶対値は、前記長手対応方向の焦点距離の絶対値よりも小さな虚像表示装置。
2. 各前記小光源レンズ素子は、前記短手対応方向に配列され、シリンドリカル面状に形成されている請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 各前記小光源レンズ素子は、前記短手対応方向及び前記長手対応方向に配列され、トロイダル面状に形成されている請求項１に記載の虚像表示装置。
4. 前記バックライトユニットは、各前記小光源レンズ素子により分割された各前記光源光を、前記照明対象部に対して、前記短手対応方向ではインテグレートをして入射させると共に、前記長手対応方向では前記短手対応方向よりもインテグレートが規制された状態で入射させる請求項１から３のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
5. 前記バックライトユニットは、前記光路上において、各前記小光源レンズ素子よりも前記照明対象部側に、各前記小光源レンズ素子により分割された各前記光源光をまとめて前記短手対応方向に集光するように構成された短手集光部（５３）を、さらに有する請求項１から４のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
6. 前記小光源アレイレンズ部が前記光路上の前記光源部側に配置された光学面（５０ａ）を構成すると共に、前記短手集光部が前記光路上の前記照明対象部側に配置された光学面（５０ｂ）を構成することにより、前記小光源アレイレンズ部と前記短手集光部とがレンズ部材（５０）として一体的に形成されている請求項５に記載の虚像表示装置。
7. 前記バックライトユニットは、前記短手集光部と前記照明対象部との間の前記光路上に配置され、前記小光源アレイレンズ部を経て入射した前記光源光の指向性を調整する指向性調整部（５７）を、さらに備える請求項５又は６に記載の虚像表示装置。
8. 前記指向性調整部は、前記短手対応方向に前記光源光を集光すると共に、前記長手対応方向に前記光源光を発散させる請求項７に記載の虚像表示装置。
9. 前記短手集光部の前記短手対応方向の焦点距離は、前記指向性調整部の前記短手対応方向の焦点距離よりも小さく、かつ、前記短手集光部と前記指向性調整部との間の距離よりも大きい請求項７又は８に記載の虚像表示装置。

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