JP2022018831A

JP2022018831A - 虚像表示装置

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Publication number: JP2022018831A
Application number: JP2020122212A
Authority: JP
Inventors: 孝啓南原; Takahiro Nambara
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2040-07-16
Also published as: WO2022014180A1; DE112021003813T5; CN115917399A; JP7318604B2

Abstract

【課題】虚像の視認性を高める虚像表示装置の提供。【解決手段】虚像表示装置としてのＨＵＤは、白色の照明光を発する照明ユニット４０と、照明光の透過により画像を形成し、画像の表示光を射出する画像形成ユニット２０と、照明光を画像形成ユニット２０へ向けて集光する集光ユニット３０とを、備える。画像形成ユニットは、複数配列される画素領域２１２を、有する。集光ユニット３０は、各画素領域２１２毎に個別に入射する照明光を集光する角度空間内において当該個別入射の照明光を拡散する波面状の拡散面３１３を形成するように、複数配列される前段レンズ部３１２と、各前段レンズ部３１２の後段において各画素領域２１２毎に個別に入射する角度空間内の照明光を屈折により個別に集光する屈折面部を、それぞれの光軸Ａｌに対する直交方向としてのＹｃ方向において断続形成するように、複数配列される後段レンズ部３２２とを、有する。【選択図】図２

Description

本開示は、虚像表示装置に関する。

表示光を透光部材により反射させて、表示光による虚像を視認可能に表示する虚像表示装置は、従来知られている。

例えば特許文献１に開示の虚像表示装置は、照明用レンズにより集光された照明光の透過によって画像を形成し、当該画像の表示光を射出する表示器を、備えている。ここで照明用レンズは、照明光を屈折により集光するレンズ面部を、それぞれの光軸に対する直交方向において断続形成するように、複数配列された配列構造を有している。これにより、表示器の照明における照度ムラを抑制することが、可能となっている。

特許６２３７２４９号公報

しかし、特許文献１に開示の虚像表示装置では、配列構造同士の境界において面形状の不連続に変化する不連続面が、形成されている。その結果、配列構造の境界に入射した照明光は、視認者におけるアイポイントの位置によっては、鋭く光るエッジ光を生むことで、虚像の視認性を左右する照明品質の低下を招く懸念があった。

そこで本開示の課題は、虚像の視認性を高める虚像表示装置を、提供することにある。

以下、課題を解決するための本開示の技術的手段について、説明する。尚、特許請求の範囲及び本欄に記載された括弧内の符号は、後に詳述する実施形態に記載された具体的手段との対応関係を示すものであり、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

本開示の一態様は、
表示光を透光部材（３）により反射させて、表示光による虚像（ＶＲＩ）を視認可能に表示する虚像表示装置（１００）であって、
白色の照明光を発する照明ユニット（４０）と、
照明光の透過により画像を形成し、画像の表示光を射出する画像形成ユニット（２０）と、
照明光を画像形成ユニットへ向けて集光する集光ユニット（３０）とを、備え、
画像形成ユニットは、複数配列される画素領域（２１２）を、有し、
集光ユニットは、
各画素領域毎に個別に入射する照明光を集光する角度空間（θ）内において当該個別入射の照明光を拡散する波面状の拡散面（３１３，３３１３）を形成するように、複数配列される前段レンズ部（３１２，３３１２）と、
各前段レンズ部の後段において各画素領域毎に個別に入射する角度空間内の照明光を屈折により集光する屈折面部（３２３，３２５）を、光軸（Ａｌ）に対する直交方向（Ｘｃ，Ｙｃ）において断続形成するように、複数配列される後段レンズ部（３２２）とを、有する。

こうした一態様の集光ユニットにおいて複数配列される後段レンズ部では、画像形成ユニットにおける複数配列の各画素領域毎に個別入射する角度空間内の照明光を屈折によって集光するように、屈折面部が光軸に対する直交方向に断続形成される。そこで、一態様の集光ユニットにおいて複数配列される前段レンズ部では、各画素領域毎に個別入射する照明光を集光する角度空間内において当該個別入射の照明光を拡散するように、拡散面が形成される。これによれば、各前段レンズ部での拡散集光作用を受けた照明光は、それぞれ角度空間内では見かけ上拡がって、対応する後段レンズ部へと入射する。その結果、各後段レンズ部間の境界に起因して鋭く光るエッジ光が、生じ難くなる。故に、照明品質を高めて虚像の視認性を高めることが、可能である。

第一実施形態による虚像表示装置の全体構成を示す模式図である。第一実施形態による虚像表示装置の詳細構成を示す断面図である。図２のIII－III線矢視図である。図２のIV－IV線矢視図である。図２の前段レンズアレイの斜視図である。図２の拡大断面図である。図２のVII－VII線矢視図である。図２のVIII－VIII線拡大断面図である。図２の拡大断面図である。図２のX－X線矢視図である。図３の画像形成パネルの照明例を説明するための模式図である。第二実施形態による前段レンズアレイの斜視図である。第三実施形態による虚像表示装置を図２に対応して示す断面図である。第三実施形態による虚像表示装置を図６に対応して示す断面図である。図２の変形例を示す断面図である。図１５の拡大断面図である。図２の変形例を示す断面図である。図２の変形例を示す断面図である。

以下、複数の実施形態を図面に基づき説明する。尚、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で、重複する説明を省略する場合がある。また、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。さらに、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わせることができる。

図１に示すように第一実施形態の虚像表示装置は、車両１に搭載されるように構成されて当該車両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（以下、ＨＵＤという）１００である。ここで車両１とは、例えば自動車、鉄道車両の他、航空機、船舶、及び移動しないゲーム筐体等の各種乗り物を含むように、広義に解される。特に本実施形態の車両１は、四輪の自動車である。尚、ＨＵＤ１００に関する前、後、上、下、左、及び右の各方向は、水平面上の車両１を基準として、定義される。

ＨＵＤ１００は、車両１のウインドシールド３へ向けて、画像の表示光を投影する。その結果、ウインドシールド３により反射される表示光は、車両１の室内に設定された視認領域ＥＢに、到達する。車両１の室内において視認領域ＥＢにアイポイントＥＰが位置する乗員は、当該視認領域ＥＢに到達した表示光を虚像ＶＲＩとして知覚する。このようにＨＵＤ１００は、車両１の乗員である視認者（以下、単に視認者という）４により視認可能な虚像ＶＲＩを表示することで、各種情報を当該視認者４に認識させることが可能である。ＨＵＤ１００により虚像ＶＲＩとして表示される各種情報には、例えば車速、燃料残量等といった車両１の状態を示す情報、視界補助情報、道路情報、及びナビゲーション情報等が挙げられる。

視認領域ＥＢは、ＨＵＤ１００により表示される虚像ＶＲＩが所定の仕様を満たす（例えば、虚像ＶＲＩ全体が所定輝度以上となる等）ことで、視認者４により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、視認者４におけるアイポイントＥＰの空間分布を統計的に表したアイレンジに基づき、仮想の楕円体状に設定される。

ウインドシールド３は、例えばガラス又は合成樹脂等により透光性の板状に形成された、透光部材である。ウインドシールド３は、インストルメントパネル２よりも上方に位置して、車両１の室内外を区画している。ウインドシールド３は、前方から後方へ向かうほど、インストルメントパネル２から離間する姿勢に、傾斜している。ウインドシールド３において室内側となる後面は、ＨＵＤ１００から表示光が投影されて反射する反射面３ａを、滑らかな凹面状又は平面状に形成している。

尚、ウインドシールド３については、反射型のホログラフィック光学素子が設けられることで、面反射に代わる干渉縞での回折反射を利用する構成であってもよい。またウインドシールド３に代えて、透光部材としてのコンバイナが車両１の室内に設置されることで、当該コンバイナに反射面３ａが設けられていてもよい。

図１に示すようにＨＵＤ１００は、導光ユニット１０、画像形成ユニット２０、集光ユニット３０、及び照明ユニット４０を備えている。

導光ユニット１０は、画像形成ユニット２０からウインドシールド３に至る光路Ｌを、構成している。導光ユニット１０は、画像形成ユニット２０から投射される表示光を、ウインドシールド３へ向けて導光する。導光ユニット１０は、画像形成ユニット２０により形成される画像を、視認者４により視認される虚像ＶＲＩへ所定の光学倍率に拡大する、拡大作用を有していることが好ましい。これは、導光ユニット１０の拡大作用によって小型化が図られるからである。

このような機能の導光ユニット１０は、少なくとも一つの光学部材１１を含んで構成される。導光ユニット１０は、光学部材１１としての平面鏡（又は曲面鏡）１１ａ及び凹面鏡１１ｂを一つずつ組み合わせて、構成されている。ここで凹面鏡１１ｂは、上述の拡大作用を与える。それ以外にも例えば導光ユニット１０は、光学部材１１としての凸面鏡及び凹面鏡を一つずつ組み合わせた構成であってもよいし、光学部材１１としての一つの凹面鏡から構成される等であってもよい。こうした導光ユニット１０を構成する光学部材１１は、固定式又は可動式のいずれであってもよい。

画像形成ユニット２０は、車両１の室外において虚像ＶＲＩとして結像可能な画像を形成し、当該形成画像の表示光を導光ユニット１０へ向けて射出する。図１，２に示すように画像形成ユニット２０は、画像表示パネル２１及び拡散パネル２２を含んで構成される。

画像表示パネル２１は、全体として板状に形成されている。画像表示パネル２１は、薄膜トランジスタを用いた、透過型のＴＦＴ液晶パネルである。画像表示パネル２１は、二次元配列された複数の液晶画素を有する、アクティブマトリクス式である。画像表示パネル２１の片面である入射面２１０には、照明ユニット４０からの照明光が集光ユニット３０を通して入射する。画像表示パネル２１の逆側となる射出面２１１からは、画像の表示光が光路Ｌ上の導光ユニット１０へ向けて射出される。画像表示パネル２１は、この表示光となる画像を表示形成する。

こうした機能の画像表示パネル２１では、一対の平板状偏光子と、それら偏光子に挟まれた液晶層とが、板厚方向に積層されている。各偏光子は、互いに直交する透過軸及び遮断軸を、画像表示パネル２１の両面２１０，２１１に沿って有している。各偏光子は、透過軸の方位角では偏光を透過させ、遮断軸の方位角では偏光を吸収する。液晶層は、液晶画素毎の印加電圧に応じて透過させる照明光の偏光を、調整可能に構成されている。液晶層での偏光調整により、射出側の偏光子を透過する光の割合、即ち透過率が液晶画素毎に調整されることで、画像が形成される。ここで特に画像表示パネル２１では、各液晶画素にカラーフィルタが設けられることで、カラー画像の形成が可能となっている。

図２，３に示すように画像表示パネル２１には、互いに直交するＸａ方向とＹａ方向とに所定数ずつ二次元配列される複数の画素領域２１２が、設定されている。各画素領域２１２は、Ｘａ方向とＹａ方向とに液晶画素が複数ずつ二次元に並んで構成される、矩形の画像形成領域として定義される。Ｘａ方向における画素領域２１２の配列数は、Ｙａ方向における画素領域２１２の配列数に対して、相違となる「少ない」若しくは「多い」、又は「同一」のいずれであってもよいが、図３に示す第一実施形態では「少ない」構成が採用されている。

図１に示すように拡散パネル２２は、例えばガラス又は樹脂等の硬質透明材から、全体として板状又は薄膜状に形成されている。拡散パネル２２は、画像表示パネル２１の入射面２１０に沿って実質平行に、配置される。拡散パネル２２は、画像表示パネル２１へ入射する照明光に対して、拡散作用を与える。尚、拡散パネル２２は、画像表示パネル２１の入射面２１０に微小な凹凸が与えられることで、同パネル２１と一体に構成されてもよい。

図１，２に示す集光ユニット３０は、照明ユニット４０からの照明光を画像形成ユニット２０へ向けて集光する。集光ユニット３０は、前段レンズアレイ３１及び後段レンズアレイ３２を含んで構成される。

図２，４に示すように前段レンズアレイ３１は、例えばガラス又は樹脂等の硬質透明材から、全体として板状に形成されている。前段レンズアレイ３１は、平凸レンズアレイである。前段レンズアレイ３１は、互いに直交するＸｂ方向とＹｂ方向とに所定数ずつ二次元配列される複数の前段レンズ部３１２を、有している。Ｘｂ方向における前段レンズ部３１２の配列数は、Ｘａ方向における画素領域２１２の配列数と一致している。Ｙｂ方向における前段レンズ部３１２の配列数は、Ｙａ方向における画素領域２１２の配列数と一致している。これらの構成により各前段レンズ部３１２は、画素領域２１２のいずれかと１：１で対応付けられている。

前段レンズ部３１２の片面である前段入射面３１０には、照明ユニット４０からの照明光が入射する。各前段レンズ部３１２の逆面となる前段射出面３１１からは、前段入射面３１０に入射の照明光が後段レンズアレイ３２へ向けて射出される。

図２，５，６に示す各前段レンズ部３１２の前段入射面３１０は、Ｘｂ方向及びＹｂ方向と直交する光軸Ａｌに対して、実質垂直な平面状を呈している。各前段レンズ部３１２毎に前段射出面３１１は、仮想ベース面Ｓｂに拡散面３１３を合成した複合面構造を、形成している。各前段レンズ部３１２毎に定義される仮想ベース面Ｓｂは、図６に示すように、Ｘｂ方向及びＹｂ方向を含む任意方向において滑らかに湾曲する凸面状を、呈している。各前段レンズ部３１２は、後段レンズアレイ３２へ向けて射出の照明光を、こうした凸面状の仮想ベース面Ｓｂに従って角度空間θ内に集光させる。

このような集光作用を発揮するために仮想ベース面Ｓｂの凸面状を表す関数Ｚｂは、例えば次の数１によって与えられる。数１においてｃは、凸面状に与える曲率である。数１においてｒは、凸面状の任意点に関する光軸Ａｌからの、動径（即ち、半径）である。数１においてｋは、コーニック定数である。数１においてαｉは、自由曲面係数である。

各前段レンズ部３１２に定義される拡散面３１３は、光軸Ａｌを含んでＸｂ方向に広がる仮想平面αから、Ｙｂ方向の外側へ向かって波の進行する波面状を、呈している。各前段レンズ部３１２は、後段レンズアレイ３２へ向けて射出の照明光を、こうした波面状の拡散面３１３に従って角度空間θ内に拡散させる。

このような拡散作用を発揮するために拡散面３１３の波面状を表す関数Ｚｗは、例えば一次元平面波面を規定する、次の数２によって与えられる。数２においてＡｙは、Ｙｂ方向における波面状の最大振幅である。数２においてＹｗは、波面状の任意点に関する仮想平面αからのＹｂ方向への、離間距離である。数２においてλｙは、Ｙｂ方向における波面状の波長である。

以上より各前段レンズ部３１２毎の前段射出面３１１において、拡散面３１３が仮想ベース面Ｓｂに合成されてなる複合面構造を表した関数Ｚｃは、次の数３によって与えられる。ここまでの構成から各前段レンズ部３１２は、画像形成ユニット２０のうち、それぞれ対応する画素領域２１２へと個別に入射する照明光を、それぞれ集光する角度空間θ内には収まる範囲で、拡散させるのである。

図２，７に示すように後段レンズアレイ３２は、例えばガラス又は樹脂等の硬質透明材から、全体として板状に形成されている。後段レンズアレイ３２は、互いに直交するＸｃ方向とＹｃ方向とに所定数ずつ二次元配列される複数の後段レンズ部３２２を、有している。Ｘｃ方向における後段レンズ部３２２の配列数は、Ｘａ方向における画素領域２１２の配列数とＸｂ方向における前段レンズ部３１２の配列数とに、一致している。Ｙｃ方向における後段レンズ部３２２の配列数は、Ｙａ方向における画素領域２１２の配列数とＹｂ方向における前段レンズ部３１２の配列数とに、一致している。これらの構成により各後段レンズ部３２２は、画素領域２１２のいずれかと前段レンズ部３１２のいずれかとに、１：１で対応付けられている。

各後段レンズ部３２２は、対応する前段レンズ部３１２に対しては、後段に位置して光軸Ａｌを共通にしている。こうした各前段レンズ部３１２及び各後段レンズ部３２２の光軸Ａｌに対して、画像表示パネル２１及び拡散パネル２２は傾斜配置されている。この傾斜配置により画像表示パネル２１のＸａ方向は、前段レンズアレイ３１のＸｂ方向と後段レンズアレイ３２のＸｃ方向と対して、それらレンズアレイ３１，３２側へ傾斜するように、定義される。一方、画像表示パネル２１のＹａ方向は、前段レンズアレイ３１のＹｂ方向と後段レンズアレイ３２のＹｃ方向とに沿って実質平行に、定義される。

図７～９に示す各後段レンズ部３２２の片面である後段入射面３２０には、それぞれ対応する前段レンズ部３１２からの照明光が、入射する。各後段レンズ部３２２の逆面となる後段射出面３２１からは、後段入射面３２０に入射の照明光が、それぞれ対応する画素領域２１２へ向けて射出される。

図８に示す各後段レンズ部３２２毎に後段入射面３２０は、光軸ＡｌからＸｃ方向の外側に向かって順屈折面部３２３と逆屈折面部３２４とが交互に並ぶ複合面構造を、形成している。複数の順屈折面部３２３は、Ｘｃ方向に断続して互いに離間且つＹｃ方向に沿って延伸するストライプ状（図７参照）に、形成されている。各順屈折面部３２３は、仮想ベース面Ｓｉ１をＸｃ方向に一定幅で分割した分割部分のいずれかに、対応している。ここで仮想ベース面Ｓｉ１は、入射側に凸の例えば凸面状等に、定義される。複数の逆屈折面部３２４は、Ｘｃ方向に断続して互いに離間且つＹｃ方向に延伸するストライプ状（図７参照）に、形成されている。各逆屈折面部３２４は、仮想ベース面Ｓｉ２をＸｃ方向に複数分割した分割部分のいずれかに、対応している。ここで仮想ベース面Ｓｉ２は、射出側に凹の例えば谷形斜面状等に、定義される。以上の如き複合面構造では、各順屈折面部３２３が照明光を屈折によりＸｃ方向の光軸Ａｌ側に集めて光軸Ａｌに平行化する一方、各逆屈折面部３２４が照明光を各順屈折面部３２３とは逆向きに屈折させて当該平行化光に混ぜ合わせる。尚、平行化とは、照明光が平行光束に近づいた状態となることを意味し、照明光が完全に平行光束となっている必要はない。

第一実施形態の各後段レンズ部３２２では、順屈折面部３２３及び逆屈折面部３２４の交互に断続形成されるＸｃ方向が、虚像ＶＲＩの左右方向Ｄｈ（図１参照）に対応する。各後段レンズ部３２２において逆屈折面部３２４は、このＸｃ方向に隣り合う他の後段レンズ部３２２における逆屈折面部３２４との間に、山形状の境界３２８を形成している。尚、各後段レンズ部３２２における順屈折面部３２３が、Ｘｃ方向に隣り合う他の後段レンズ部３２２での順屈折面部３２３との間に、谷形状の境界３２８を形成していてもよい。

図９に示す各後段レンズ部３２２毎に後段射出面３２１は、光軸ＡｌからＹｃ方向の外側に向かって順屈折面部３２５と逆屈折面部３２６とが交互に並ぶ複合面構造を、形成している。複数の順屈折面部３２５は、Ｙｃ方向に断続して互いに離間且つＸｃ方向に沿って延伸するストライプ状（図７参照）に、形成されている。各順屈折面部３２５は、仮想ベース面Ｓｏ１をＹｃ方向に複数分割した分割部分のいずれかに、対応している。ここで仮想ベース面Ｓｏ１は、射出側に凸の例えば凸面状等に、定義される。複数の逆屈折面部３２６は、Ｙｃ方向に断続して互いに離間且つＸｃ方向に延伸するストライプ状（図７参照）に、形成されている。各逆屈折面部３２６は、仮想ベース面Ｓｏ２をＹｃ方向に一定幅で分割した分割部分のいずれかに、対応している。ここで仮想ベース面Ｓｏ２は、入射側に凹の例えば谷形斜面状等に、定義される。以上の如き複合面構造では、各順屈折面部３２５が照明光を屈折によりＹｃ方向の光軸Ａｌ側に集めて光軸Ａｌに平行化する一方、各逆屈折面部３２４が照明光を各順屈折面部３２３とは逆向きに屈折させて当該平行化光に混ぜ合わせる。

第一実施形態の各後段レンズ部３２２では、順屈折面部３２５及び逆屈折面部３２６の交互に断続形成されるＹｃ方向が、虚像ＶＲＩの上下方向Ｄｖ（図１参照）に対応する。各後段レンズ部３２２において逆屈折面部３２６は、このＹｃ方向に隣り合う他の後段レンズ部３２２における逆屈折面部３２６との間に、山形状の境界３２９を形成している。尚、各後段レンズ部３２２における順屈折面部３２５が、Ｙｃ方向に隣り合う他の後段レンズ部３２２での順屈折面部３２５との間に、谷形状の境界３２９を形成していてもよい。

ここまでの構成から集光ユニット３０は、画像形成ユニット２０のうち各画素領域２１２にそれぞれ対応する前段レンズ部３１２及び後段レンズ部３２２の共同により、それら各画素領域２１２毎に個別に入射する照明光を、それぞれ集光するのである。

図１，２に示す照明ユニット４０は、集光ユニット３０を通して画像形成ユニット２０を照明する照明光を、発する。図１，２，１０に示すように照明ユニット４０は、互いに直交するＸｄ方向とＹｄ方向とに所定数ずつ二次元配列される複数の光源部４０２を、有している。Ｘｄ方向における光源部４０２の配列数は、Ｘａ方向における画素領域２１２の配列数とＸｂ方向における前段レンズ部３１２の配列数とＸｃ方向における後段レンズ部３２２の配列数とに、一致している。Ｙｄ方向における光源部４０２の配列数は、Ｙａ方向における画素領域２１２の配列数とＹｂ方向における前段レンズ部３１２の配列数とＹｃ方向における後段レンズ部３２２の配列数とに、一致している。これらの構成により各光源部４０２は、画素領域２１２のいずれかと前段レンズ部３１２のいずれかと後段レンズ部３２２のいずれかとに、１：１で対応付けられている。

各光源部４０２は、白色の照明光をそれぞれ独立して発する光源素子により、構成されている。各光源部４０２の光源素子は、例えばＹＡＧ又はＫＳＦ等を用いた、ＬＥＤベアチップである。各光源部４０２の光源素子は、発光強度の可変調整により、照明光の照度を個別に設定可能となっている。

図６に示すように各光源部４０２の光源素子は、対応する前段レンズ部３１２及び後段レンズ部３２２の共通光軸Ａｌ上に、配置されている。ここで各光源部４０２の光源素子は、対応する前段レンズ部３１２及び後段レンズ部３２２の光軸Ａｌに沿う方向において、それら対応レンズ部３１２，３２２の合成焦点よりも集光ユニット３０に近接して配置されている。それと共に、対応する前段レンズ部３１２の光軸Ａｌに沿う方向において各光源部４０２の光源素子は、当該対応レンズ部３１２に関する仮想ベース面Ｓｂの焦点距離Ｐｂよりも、集光ユニット３０に近接して配置されている。

図２に示す各光源部４０２において、光源素子の発光強度がそれぞれ最大となる強度ピーク方向は、対応する前段レンズ部３１２及び後段レンズ部３２２の光軸Ａｌに沿って、実質平行に設定されている。この設定下において照明ユニット４０のＸｄ方向は、前段レンズアレイ３１のＸｂ方向と後段レンズアレイ３２のＸｃ方向とに沿って実質平行に定義されると共に、画像表示パネル２１のＸａ方向とは傾斜して定義される。一方、照明ユニット４０のＹｄ方向は、画像表示パネル２１のＹａ方向と前段レンズアレイ３１のＹｂ方向と後段レンズアレイ３２のＹｃ方向とに沿って実質平行に、定義される。

ここまでの構成から各光源部４０２の光源素子が発した照明光は、対応する前段レンズ部３１２及び後段レンズ部３２２へ順次入射する。即ち照明ユニット４０は、各レンズ部３１２，３２２の対応する組毎に個別に入射される照明光を、それら各レンズ部３１２，３２２と個別に対応する光源部４０２の光源素子から、発するのである。

図１１に白抜きで示すように、光源素子が最大強度で発光した光源部４０２に対応する画素領域２１２は、白色光により最大照度で透過照明される。図１１にドットハッチングで示すように、光源素子が最大強度よりも低強度で発光した光源部４０２に対応する画素領域２１２は、白色光により最大照度よりも低照度で透過照明される。図１１にクロスハッチングで示すように、光源素子が消灯した光源部４０２に対応する画素領域２１２は、透過照明されない、実質的に非表示の領域となる。

（作用効果）
以上説明した第一実施形態の作用効果を、以下に説明する。

第一実施形態の集光ユニット３０において複数配列される後段レンズ部３２２では、画像形成ユニット２０における複数配列の各画素領域２１２毎に個別入射する角度空間θ内の照明光を屈折によって集光するように、順屈折面部３２５が光軸Ａｌに対する直交方向となるＹｃ方向に断続形成される。そこで、第一実施形態の集光ユニット３０において複数配列される前段レンズ部３１２では、各画素領域２１２毎に個別入射する照明光を集光する角度空間θ内において当該個別入射の照明光を拡散するように、拡散面３１３が形成される。これによれば、各前段レンズ部３１２での拡散集光作用を受けた照明光は、それぞれ角度空間θ内では見かけ上拡がって、対応する後段レンズ部３２２へと入射する。その結果、各後段レンズ部３２２間の境界３２９に起因して鋭く光るエッジ光が、生じ難くなる。故に、照明品質を高めて虚像ＶＲＩの視認性を高めることが、可能である。

第一実施形態による拡散面３１３は、直交方向としてのＹｃ方向に沿ったＹｂ方向へ、波の進行する波面状を呈する。これにより前段レンズ部３１２では、後段レンズ部３２２の配列されたＹｃ方向に沿うＹｂ方向において、照明光の見かけ上での拡がりを拡散集光作用によって促進することができる。故に、各後段レンズ部３２２間の境界３２９に起因したエッジ光を効果的に抑制して、虚像ＶＲＩの視認性を高めることが可能となる。

第一実施形態によると、後段レンズ部３２２が配列された直交方向としてのＹｃ方向は、虚像ＶＲＩの上下方向Ｄｖに対応する。これによれば、虚像ＶＲＩを視認する視認者４の眼球が移動し易い虚像ＶＲＩの左右方向Ｄｈに対して、当該眼球移動し難い虚像ＶＲＩの上下方向Ｄｖでは、表示光の輝度変動がそもそも生じ難い。故に、エッジ光の抑制と相俟って、虚像ＶＲＩの視認性を高めることが可能となる。

第一実施形態の照明ユニット４０では、各前段レンズ部３１２及び各後段レンズ部３２２の組個毎に個別に入射する照明光を発するように、光源部４０２が複数配列される。これにより各光源部４０２から、対応する前段レンズ部３１２へ入射して拡散集光作用を受けた照明光は、それぞれ角度空間θ内にて対応する後段レンズ部３２２には、見かけ上拡がって入射することとなる。故に、各後段レンズ部３２２間の境界３２９に起因したエッジ光の入射を各画素領域２１２毎に抑制して、虚像ＶＲＩの視認性を高めることが可能となる。

第一実施形態による各後段レンズ部３２２では、照明光を屈折により平行化する順屈折面部３２３，３２５と、照明光を屈折させて当該平行化光に混ぜ合わせる逆屈折面部３２４，３２６とが、直交方向としてのＸｃ，Ｙｃ方向に交互に形成される。これにより照明光は、前段レンズ部３１２での拡散集光作用に加え、平行化光への混ぜ合わせを伴う後段レンズ部３２２での集光作用により、各後段レンズ部３２２間の境界３２８，３２９に起因したエッジ光を生じ難くなる。故に、そうしたエッジ光を効果的に抑制して、虚像ＶＲＩの視認性を高めることが可能となる。

（第二実施形態）
図１２に示すように第二実施形態は、第一実施形態の変形例である。第二実施形態では、Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄ方向における要素２１２，３１２，３２２，４０２の配列数は、Ｙａ，Ｙｂ，Ｙｃ，Ｙｄ方向における要素２１２，３１２，３２２，４０２の配列数に対して、「多い」構成が採用されている（図１２は前段レンズ部３１２の図示のみ）。

このような第二実施形態では、虚像ＶＲＩの左右方向Ｄｈに対応する視認領域ＥＢの左右方向（第一実施形態の図１における紙面垂直方向）でのサイズが、虚像ＶＲＩの上下方向Ｄｖに対応する視認領域ＥＢの上下方向（第一実施形態の図１における上下方向）でのサイズよりも、大きくなる。故に、車両１において横長となるウインドシールド３を有効活用して、横長の視認領域ＥＢにおける視認性を高めた虚像ＶＲＩの表示を、提供することが可能となる。

（第三実施形態）
図１３，１４に示すように第三実施形態は、第二実施形態の変形例である。第三実施形態において各前段レンズ部３３１２毎の前段射出面３１１は、第一実施形態と同様な仮想ベース面Ｓｂに、第一実施形態とは異なる拡散面３３１３を合成した複合面構造を、形成している。各前段レンズ部３３１２に定義される拡散面３３１３は、光軸Ａｌから少なくともＸｃ方向及びＹｂ方向の外側へ向かって波の進行する波面状を、呈している。各前段レンズ部３３１２は、後段レンズアレイ３２へ向けて射出の照明光を、こうした波面状の拡散面３３１３に従って角度空間θ内に拡散させる。

このような拡散作用を発揮するために拡散面３３１３の波面状を表す関数Ｚｗは、例えば二次元平面波面を規定する、次の数４によって与えられてもよい。数４においてＡｘ，Ａｙは、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向における波面状の最大振幅である。数４においてＸｗは、波面状の任意点に関する仮想平面βからの、Ｘｂ方向への離間距離である。ここで仮想平面βは、光軸Ａｌを含んでＹｂ方向に広がる面として、仮想平面αに直交して定義される。数４においてＹｗは、波面状の任意点に関する仮想平面αからの、Ｙｂ方向への離間距離である。数４においてλｘ，λｙは、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向における波面状の波長である。

拡散面３３１３の波面状を表す関数Ｚｗは、例えば非減衰球面波面を規定する、次の数５によって与えられてもよい。数５においてＡは、Ｘｂ，Ｙｂ方向を含んだ光軸Ａｌまわりの任意方向における、波面状の最大振幅である。数５においてＸｗ，Ｙｗは、波面状の任意点に関する仮想平面β，αからの、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向への離間距離である。数５においてλは、Ｘｂ，Ｙｂ方向を含んだ光軸Ａｌまわりの任意方向における、波面状の波長である。

拡散面３３１３の波面状を表す関数Ｚｗは、例えば減衰球面波面を規定する、次の数６によって与えられてもよい。数６においてＡは、Ｘｂ，Ｙｂ方向を含んだ光軸Ａｌまわりの任意方向における、波面状の最大振幅である。数６においてＸｗ，Ｙｗは、波面状の任意点に関する仮想平面β，αからの、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向への離間距離である。数６においてλは、Ｘｂ，Ｙｂ方向を含んだ光軸Ａｌまわりの任意方向における、波面状の波長である。

拡散面３１３の波面状を表す関数Ｚｗは、例えばｓｉｎｃ波面を規定する、次の数７～９によって与えられてもよい。数８，９においてＡｘ，Ａｙは、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向における波面状の最大振幅である。数８，９においてＸｗ，Ｙｗは、波面状の任意点に関する仮想平面β，αからの、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向への離間距離である。数８，９においてλｘ，λｙは、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向における波面状の波長である。

拡散面３３１３の波面状を表す関数Ｚｗは、例えば合成二次元平面波面を規定する、次の数１０によって与えられてもよい。数１０においてｊは、波面の合成数をＮとして、１～Ｎまでの整数、又は当該整数により表されるサフィックスである。数１０においてＡｘｊ，Ａｙｊは、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向における波面状の最大振幅である。数１０においてＸｗ，Ｙｗは、波面状の任意点に関する仮想平面β，αからの、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向への離間距離である。数１０においてλｘ，λｙは、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向における波面状の波長である。尚、数１０においてＮ=１とした場合は、上記数４に相当する。

ここで、上記数４，７～９，１０の場合にＸｂ方向での最大振幅Ａｘ，Ａｘｊは、Ｙｂ方向での最大振幅Ａｙ，Ａｙｊに対して、相違となる「小さい」若しくは「大きい」、又は「同一」のいずれであってもよい。このうち、最大振幅Ａｘ，Ａｘｊが最大振幅Ａｙ，Ａｙｊと相違する場合には、照明光に対して異方性拡散作用が与えられることになる。そこで特に第三実施形態では、虚像ＶＲＩの左右方向Ｄｈに対応するＸｂ方向での最大振幅Ａｘ，Ａｘｊが、虚像ＶＲＩの上下方向Ｄｖに対応するＹｂ方向での最大振幅Ａｙ，Ａｙｊよりも、「大きく」設定されているとよい。これにより第三実施形態では、第二実施形態で説明した横長の視認領域ＥＢに向け、照明光を高効率に拡散させた表示光により、高視認性の虚像ＶＲＩを提供することが可能となる。

さらに第三実施形態による拡散面３３１３は、互いに直交する一対の直交方向としてのＸｃ，Ｙｃ方向にそれぞれ沿ったＸｂ，Ｙｂ方向へは少なくとも、波の進行する波面状を呈する。これにより前段レンズ部３３１２では、後段レンズ部３２２の配列されたＸｃ，Ｙｃ方向に沿うＸｂ，Ｙｂ方向において、照明光の見かけ上での拡がりを拡散集光作用によって促進することができる。故に、各後段レンズ部３２２間の境界３２８，３２９に起因したエッジ光を効果的に抑制して、虚像ＶＲＩの視認性を高めることが可能となる。

（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に適用することができる。

図１５，１６に示すように変形例では、後段レンズアレイ３２において後段入射面３２０及び後段射出面３２１の少なくとも一方（図１５，１６は後段射出面３２１のみの例）が、フレネルレンズ面により構成されていてもよい。この場合には、逆屈折面部３２４及び逆屈折面部３２６の少なくとも一方に代えて、順屈折面部３２３間又は順屈折面部３２５間を光軸Ａｌに対して実質平行に接続する接続面部３２７が、形成される。またこの場合には、各後段レンズ部３２２における順屈折面部３２３及び順屈折面部３２５の少なくとも一方が、Ｘｃ方向又はＹｃ方向に隣り合う他の後段レンズ部３２２での順屈折面部３２３又は順屈折面部３２５との間に、谷形状の境界３２８又は境界３２９を形成する。

図１７に示すように変形例では、各前段レンズ部３１２及び各後段レンズ部３２２の光軸Ａｌに対して、画像表示パネル２１及び拡散パネル２２が実質垂直に配置されていてもよい。変形例の前段レンズアレイ３１は、拡散面３１３，３３１３と仮想ベース面Ｓｂとの複合面構造がレンズ部３１２，３３１２に形成された、ＴＩＲレンズアレイであってもよい。

図１８に示すように変形例のレンズ部３１２，３３１２では、拡散面３１３，３３１３と仮想ベース面Ｓｂとの複合面構造が、前段入射面３１０に形成されていてもよい（同図は拡散面３１３の例）。この場合に、第一実施形態と同様な拡散面３１３，３３１３が合成される仮想ベース面Ｓｂは、光軸Ａｌに対して実質垂直な平面状を、呈していてもよい。また、この場合にレンズ部３１２，３３１２の前段射出面３１１は、Ｘｂ方向及びＹｂ方向を含む任意方向において滑らかに湾曲する凸面状を、呈していてもよい。

変形例の画像表示パネル２１において画素領域２１２は、Ｘａ方向及びＹａ方向の一方においては一列の、一次元配列されていてもよい。変形例の前段レンズアレイ３１において前段レンズ部３１２は、Ｘｂ方向及びＹｂ方向の一方においては一列の、一次元配列されていてもよい。変形例の後段レンズアレイ３２において後段レンズ部３２２は、Ｘｃ方向及びＹｃ方向の一方においては一列の、一次元配列されていてもよい。変形例において光源部４０２は、Ｘｄ方向及びＹｄ方向の一方においては一列の、一次元配列されていてもよい。

変形例の画像表示パネル２１におけるＸａ方向とＹａ方向とは、互いに入れ替えられてもよい。変形例の後段レンズアレイ３２におけるＸｃ方向とＹｃ方向とは、互いに入れ替えられてもよい。変形例の各光源部４０２，２４０２，３４０２におけるＹｄ方向は、虚像ＶＲＩの左右方向Ｄｈ（第一実施形態の図１参照）に対応していてもよい。

３透光部材、２０画像形成ユニット、３０集光ユニット、４０照明ユニット、１００ＨＵＤ、２１２画素領域、３１２，３３１２前段レンズ部、３１３，３３１３拡散面、３２２後段レンズ部、３２３，３２５順屈折面部、３２４，３２６逆屈折面部、３２７接続面部、３２８，３２９境界、４０２光源部、Ｄｖ上下方向、ＶＲＩ虚像、θ 角度空間

Claims

表示光を透光部材（３）により反射させて、前記表示光による虚像（ＶＲＩ）を視認可能に表示する虚像表示装置（１００）であって、
白色の照明光を発する照明ユニット（４０）と、
前記照明光の透過により画像を形成し、前記画像の前記表示光を射出する画像形成ユニット（２０）と、
前記照明光を前記画像形成ユニットへ向けて集光する集光ユニット（３０）とを、備え、
前記画像形成ユニットは、複数配列される画素領域（２１２）を、有し、
前記集光ユニットは、
各前記画素領域毎に個別に入射する前記照明光を集光する角度空間（θ）内において当該個別入射の前記照明光を拡散する波面状の拡散面（３１３，３３１３）を形成するように、複数配列される前段レンズ部（３１２，３３１２）と、
各前記前段レンズ部の後段において各前記画素領域毎に個別に入射する前記角度空間内の前記照明光を屈折により集光する屈折面部（３２３，３２５）を、光軸（Ａｌ）に対する直交方向（Ｘｃ，Ｙｃ）において断続形成するように、複数配列される後段レンズ部（３２２）とを、有する虚像表示装置。
前記拡散面（３１３）は、前記直交方向（Ｙｃ）に沿った方向（Ｙｂ）へ波の進行する波面状を、呈する請求項１に記載の虚像表示装置。
前記拡散面（３３１３）は、互いに直交する一対の前記直交方向（Ｘｃ，Ｙｃ）にそれぞれ沿った方向（Ｘｂ，Ｙｂ）へ波の進行する波面状を、呈する請求項１に記載の虚像表示装置。
互いに直交する一対の前記直交方向にそれぞれ沿って波の進行する方向（Ｘｂ，Ｙｂ）において、それら波の最大振幅（Ａｘ，Ａｘｉ，Ａｙ，Ａｙｉ）が相違する請求項３に記載の虚像表示装置。
前記直交方向として、前記虚像の上下方向（Ｄｖ）に対応する方向を、含む請求項２～４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記後段レンズ部は、前記照明光を屈折により平行化する前記屈折面部としての順屈折面部（３２３，３２５）と、前記照明光を屈折により当該平行化光に混ぜ合わせる逆屈折面部（３２４，３２６）とを、前記直交方向（Ｘｃ，Ｙｃ）において交互に形成する請求項１～５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記照明ユニットは、各前記前段レンズ部及び各前記後段レンズ部の組毎に個別に入射する前記照明光を発するように、複数配列される光源部（４０２）を、有する請求項１～６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。