JP7318604B2 - virtual image display - Google Patents

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Description

本開示は、虚像表示装置に関する。 The present disclosure relates to virtual image display devices.

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。 2. Description of the Related Art A virtual image display device that reflects display light with a translucent member and visually displays a virtual image of the display light is conventionally known.

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。 For example, the virtual image display device disclosed in Patent Document 1 includes a display that forms an image by transmission of illumination light condensed by an illumination lens and emits display light of the image. Here, the illuminating lens has an arrangement structure in which a plurality of lens surface portions for condensing illumination light by refraction are intermittently formed in a direction orthogonal to each optical axis. As a result, it is possible to suppress illuminance unevenness in the lighting of the display.

特許6237249号公報Japanese Patent No. 6237249

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。 However, in the virtual image display device disclosed in Patent Document 1, a discontinuous surface whose surface shape changes discontinuously is formed at the boundary between the array structures. As a result, depending on the position of the viewer's eyepoint, the illumination light incident on the boundary of the array structure produces sharp edge light, which could lead to deterioration of the illumination quality that affects the visibility of the virtual image. .

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。 Accordingly, an object of the present disclosure is to provide a virtual image display device that enhances the visibility of virtual images.

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。 Technical means of the present disclosure for solving the problems will be described below. It should be noted that the symbols in parentheses described in the claims and this column indicate the correspondence with specific means described in the embodiments described in detail later, and limit the technical scope of the present disclosure. not something to do.

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させる照明光を集光する角度空間(θ)内に収まる範囲で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させる、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。
One aspect of the present disclosure is
A virtual image display device (100) for visibly displaying a virtual image (VRI) by the display light by reflecting the display light with a translucent member (3),
a lighting unit (40) that emits white illumination light;
an image forming unit (20) that forms an image by transmission of illumination light and emits display light of the image;
a light collecting unit (30) for collecting the illumination light toward the image forming unit;
The image forming unit has a plurality of pixel regions (212) arranged,
The light collection unit
A plurality of diffusing surfaces (313, 3313) are arranged so as to form a wave-like diffusing surface (313, 3313) that diffuses illumination light within a range within an angle space (θ) for condensing illumination light individually incident on each pixel region. a front stage lens portion (312, 3312);
In the rear stage of each front lens section , the refracting surface sections (323, 325) for condensing the illumination light in the angle space, which is individually incident on each pixel region, by refraction are arranged in the orthogonal direction (Xc, Yc) and a plurality of rear lens portions (322) arranged so as to be intermittently formed.

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させる、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させる照明光を集光する角度空間内に収まる範囲で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。 In the plurality of rear-stage lens portions arranged in the light-condensing unit of such an aspect, the refracting surface portion is arranged so that the illumination light in the angle space , which is individually incident on each pixel region of the plurality of arrays in the image forming unit, is condensed by refraction. are intermittently formed in the direction perpendicular to the optical axis. Therefore, in the plurality of front-stage lens portions arranged in the light-condensing unit of one aspect, the diffusing surface is formed so as to diffuse the illumination light within the range of the angular space for condensing the illumination light individually incident on each pixel region. It is formed. According to this, the illumination light that has undergone the diffusing and condensing action in each front lens section apparently spreads within the angular space and enters the corresponding rear lens section. As a result, edge light that shines sharply due to the boundaries between the rear lens portions is less likely to occur. Therefore, it is possible to improve the visibility of the virtual image by increasing the illumination quality.

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。1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a virtual image display device according to a first embodiment; FIG. 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。2 is a cross-sectional view showing the detailed configuration of the virtual image display device according to the first embodiment; FIG. 図2のIII-III線矢視図である。FIG. 3 is a view taken along line III-III in FIG. 2; 図2のIV-IV線矢視図である。FIG. 3 is a view taken along line IV-IV in FIG. 2; 図2の前段レンズアレイの斜視図である。3 is a perspective view of the front stage lens array of FIG. 2; FIG. 図2の拡大断面図である。3 is an enlarged sectional view of FIG. 2; FIG. 図2のVII-VII線矢視図である。FIG. 3 is a view taken along line VII-VII of FIG. 2; 図2のVIII-VIII線拡大断面図である。3 is an enlarged cross-sectional view taken along line VIII-VIII of FIG. 2; FIG. 図2の拡大断面図である。3 is an enlarged sectional view of FIG. 2; FIG. 図2のX-X線矢視図である。FIG. 3 is a view taken along line XX of FIG. 2; 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。4 is a schematic diagram for explaining an illumination example of the image forming panel of FIG. 3; FIG. 第二実施形態による前段レンズアレイの斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of a front lens array according to a second embodiment; 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。3 is a sectional view showing the virtual image display device according to the third embodiment corresponding to FIG. 2; FIG. 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。FIG. 7 is a sectional view showing the virtual image display device according to the third embodiment corresponding to FIG. 6; 図2の変形例を示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a modification of FIG. 2; 図15の拡大断面図である。16 is an enlarged sectional view of FIG. 15; FIG. 図2の変形例を示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a modification of FIG. 2; 図2の変形例を示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a modification of FIG. 2;

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。 A plurality of embodiments will be described below with reference to the drawings. Note that redundant description may be omitted by assigning the same reference numerals to corresponding components in each embodiment. Moreover, when only a part of the configuration is described in each embodiment, the configurations of the other embodiments previously described can be applied to the other portions of the configuration. Furthermore, not only the combinations of the configurations explicitly specified in the description of each embodiment, but also the configurations of the multiple embodiments can be partially combined even if they are not explicitly specified unless there is a particular problem with the combination.

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。 As shown in FIG. 1, the virtual image display device of the first embodiment is a head-up display (hereinafter referred to as HUD) that is configured to be mounted on a vehicle 1 and accommodated in an instrument panel 2 of the vehicle 1. 100. Here, the vehicle 1 is understood in a broad sense to include various vehicles such as automobiles, railroad vehicles, aircraft, ships, and non-moving game cabinets. In particular, the vehicle 1 of this embodiment is a four-wheel automobile. The front, rear, up, down, left, and right directions of the HUD 100 are defined with respect to the vehicle 1 on the horizontal plane.

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。 The HUD 100 projects image display light toward the windshield 3 of the vehicle 1 . As a result, the display light reflected by the windshield 3 reaches the visible area EB set in the interior of the vehicle 1 . An occupant whose eye point EP is positioned in the visual recognition area EB in the interior of the vehicle 1 perceives the display light that has reached the visual recognition area EB as a virtual image VRI. In this way, the HUD 100 displays a virtual image VRI that can be visually recognized by a viewer (hereinafter simply referred to as a viewer) 4 who is an occupant of the vehicle 1, thereby making it possible for the viewer 4 to recognize various types of information. . Various types of information displayed by the HUD 100 as a virtual image VRI include, for example, information indicating the state of the vehicle 1 such as vehicle speed and remaining amount of fuel, visibility assistance information, road information, navigation information, and the like.

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。 The visible region EB is a spatial region that can be visually recognized by the viewer 4 when the virtual image VRI displayed by the HUD 100 satisfies a predetermined specification (for example, the entire virtual image VRI has a predetermined luminance or more). Also called a box. The visual recognition area EB is typically set so as to overlap the eyelip set on the vehicle 1 . The eyelip is set in a virtual ellipsoidal shape based on the eye range that statistically represents the spatial distribution of the eyepoints EP of the viewer 4 .

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。 The windshield 3 is a translucent member made of, for example, glass or synthetic resin and formed into a translucent plate. The windshield 3 is positioned above the instrument panel 2 to separate the interior and exterior of the vehicle 1 . The windshield 3 is inclined so as to be spaced apart from the instrument panel 2 from the front to the rear. The rear surface of the windshield 3, which faces the room, forms a smooth concave or flat reflecting surface 3a on which display light projected from the HUD 100 is reflected.

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。 The windshield 3 may be provided with a reflective holographic optical element so as to utilize diffraction reflection with interference fringes instead of surface reflection. Instead of the windshield 3, a combiner as a translucent member may be installed inside the vehicle 1 so that the combiner is provided with the reflecting surface 3a.

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。 As shown in FIG. 1, the HUD 100 includes a light guiding unit 10, an image forming unit 20, a condensing unit 30, and an illumination unit 40. As shown in FIG.

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。 The light guide unit 10 constitutes an optical path L from the image forming unit 20 to the windshield 3 . The light guide unit 10 guides display light projected from the image forming unit 20 toward the windshield 3 . The light guiding unit 10 preferably has an enlarging action of enlarging the image formed by the image forming unit 20 to the virtual image VRI visually recognized by the viewer 4 by a predetermined optical magnification. This is because the magnifying action of the light guide unit 10 contributes to miniaturization.

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。 The light guide unit 10 having such functions includes at least one optical member 11 . The light guide unit 10 is configured by combining a plane mirror (or a curved mirror) 11a and a concave mirror 11b as optical members 11 one by one. Here, the concave mirror 11b provides the above-described magnifying action. In addition, for example, the light guide unit 10 may be configured by combining one convex mirror and one concave mirror as the optical member 11, or may be configured by one concave mirror as the optical member 11. good. The optical member 11 that constitutes the light guide unit 10 may be fixed or movable.

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。 The image forming unit 20 forms an image that can be formed as a virtual image VRI outside the vehicle 1 and emits display light of the formed image toward the light guide unit 10 . As shown in FIGS. 1 and 2, the image forming unit 20 includes an image display panel 21 and a diffusion panel 22. As shown in FIG.

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。 The image display panel 21 is formed in a plate shape as a whole. The image display panel 21 is a transmissive TFT liquid crystal panel using thin film transistors. The image display panel 21 is of an active matrix type having a plurality of two-dimensionally arranged liquid crystal pixels. Illumination light from the illumination unit 40 is incident on the incident surface 210 , which is one side of the image display panel 21 , through the light collection unit 30 . Image display light is emitted toward the light guide unit 10 on the optical path L from the exit surface 211 on the opposite side of the image display panel 21 . The image display panel 21 displays and forms an image that becomes this display light.

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。 In the image display panel 21 having such functions, a pair of flat polarizers and a liquid crystal layer sandwiched between the polarizers are laminated in the plate thickness direction. Each polarizer has a transmission axis and a cutoff axis that are orthogonal to each other along both surfaces 210 and 211 of the image display panel 21 . Each polarizer transmits polarized light at azimuthal angles of the transmission axis and absorbs polarized light at azimuthal angles of the block axis. The liquid crystal layer is configured to be able to adjust the polarization of illumination light to be transmitted according to the voltage applied to each liquid crystal pixel. An image is formed by adjusting the ratio of light passing through the polarizer on the exit side, ie, the transmittance, by adjusting the polarization in the liquid crystal layer for each liquid crystal pixel. Particularly in the image display panel 21, a color image can be formed by providing a color filter for each liquid crystal pixel.

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。 As shown in FIGS. 2 and 3, the image display panel 21 is provided with a plurality of pixel regions 212 that are two-dimensionally arranged in predetermined numbers in Xa and Ya directions that are orthogonal to each other. Each pixel area 212 is defined as a rectangular image forming area in which a plurality of liquid crystal pixels are arranged two-dimensionally in the Xa direction and the Ya direction. The number of arrays of pixel regions 212 in the Xa direction may be different from the number of arrays of pixel regions 212 in the Ya direction; In the first embodiment shown in , the "less" configuration is adopted.

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。 As shown in FIG. 1, the diffusion panel 22 is made of a rigid transparent material such as glass or resin and formed in a plate-like or thin-film shape as a whole. The diffusion panel 22 is arranged substantially parallel along the entrance surface 210 of the image display panel 21 . The diffusion panel 22 diffuses illumination light incident on the image display panel 21 . Incidentally, the diffusion panel 22 may be configured integrally with the image display panel 21 by providing the incident surface 210 of the image display panel 21 with minute irregularities.

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。 The light collecting unit 30 shown in FIGS. 1 and 2 collects the illumination light from the illumination unit 40 toward the image forming unit 20 . The condensing unit 30 includes a front lens array 31 and a rear lens array 32 .

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。 As shown in FIGS. 2 and 4, the front-stage lens array 31 is made of a rigid transparent material such as glass or resin and formed in a plate shape as a whole. The front-stage lens array 31 is a plano-convex lens array. The front lens array 31 has a plurality of front lens portions 312 arranged two-dimensionally in a predetermined number each in the Xb direction and the Yb direction that are orthogonal to each other. The number of arrays of the front-stage lens units 312 in the Xb direction matches the number of arrays of the pixel regions 212 in the Xa direction. The number of arrays of front-stage lens units 312 in the Yb direction matches the number of arrays of pixel regions 212 in the Ya direction. With these configurations, each front lens section 312 is associated with one of the pixel regions 212 at 1:1.

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。 Illumination light from the illumination unit 40 is incident on the front incidence surface 310 that is one side of the front lens portion 312 . Illumination light incident on the front entrance surface 310 is emitted toward the rear lens array 32 from the front exit surface 311 , which is the opposite surface of each front lens portion 312 .

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。 A front entrance surface 310 of each front lens portion 312 shown in FIGS. 2, 5, and 6 has a planar shape substantially perpendicular to the optical axis Al orthogonal to the Xb direction and the Yb direction. The front exit surface 311 of each front lens portion 312 forms a composite surface structure in which the diffusion surface 313 is combined with the virtual base surface Sb. As shown in FIG. 6, the virtual base surface Sb defined for each front lens portion 312 has a convex shape that smoothly curves in any direction including the Xb direction and the Yb direction. Each front-stage lens unit 312 converges the emitted illumination light toward the rear-stage lens array 32 within the angle space θ according to the convex virtual base surface Sb.

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。
A function Zb that expresses the convexity of the virtual base surface Sb in order to exhibit such a light condensing effect is given by the following equation 1, for example. In Equation 1, c is the curvature given to the convex surface. In Equation 1, r is a radius vector (that is, radius) from the optical axis Al for any point on the convex surface. k in Equation 1 is a conic constant. αi in Equation 1 is a free-form surface coefficient.

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。 A diffusion surface 313 defined in each front-stage lens portion 312 presents a wavefront shape in which waves travel outward in the Yb direction from a virtual plane α that includes the optical axis Al and spreads in the Xb direction. Each front-stage lens section 312 diffuses the emitted illumination light toward the rear-stage lens array 32 within the angular space θ according to the wavefront-like diffusion surface 313 .

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。
A function Zw representing the wavefront shape of the diffusion surface 313 for exhibiting such a diffusion action is given by the following equation 2, which defines, for example, a one-dimensional plane wavefront. In Equation 2, Ay is the maximum wavefront amplitude in the Yb direction. In Expression 2, Yw is the separation distance in the Yb direction from the virtual plane α with respect to any point on the wavefront. λy in Equation 2 is the wavefront wavelength in the Yb direction.

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。
From the above, the function Zc representing the composite surface structure in which the diffusion surface 313 is combined with the virtual base surface Sb on the front exit surface 311 of each front lens portion 312 is given by the following equation (3). From the configuration up to this point, each front-stage lens unit 312 diffuses the illumination light that individually enters the corresponding pixel region 212 of the image forming unit 20 within the condensing angle space θ. Let it be.

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。 As shown in FIGS. 2 and 7, the rear-stage lens array 32 is made of a hard transparent material such as glass or resin and formed in a plate shape as a whole. The rear-stage lens array 32 has a plurality of rear-stage lens sections 322 that are two-dimensionally arranged in predetermined numbers each in the Xc direction and the Yc direction that are orthogonal to each other. The number of arrays of the rear lens sections 322 in the Xc direction matches the number of arrays of the pixel regions 212 in the Xa direction and the number of arrays of the front lens sections 312 in the Xb direction. The number of arrays of the rear lens sections 322 in the Yc direction matches the number of arrays of the pixel regions 212 in the Ya direction and the number of arrays of the front lens sections 312 in the Yb direction. With these configurations, each rear lens section 322 is associated 1:1 with one of the pixel regions 212 and one of the front lens sections 312 .

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。 Each rear lens portion 322 is positioned behind the corresponding front lens portion 312 and shares the optical axis Al. The image display panel 21 and the diffusion panel 22 are inclined with respect to the optical axis Al of each front lens section 312 and each rear lens section 322 . With this inclined arrangement, the Xa direction of the image display panel 21 is defined to be inclined toward the lens arrays 31 and 32 with respect to the Xb direction of the front lens array 31 and the Xc direction of the rear lens array 32 . On the other hand, the Ya direction of the image display panel 21 is defined substantially parallel to the Yb direction of the front lens array 31 and the Yc direction of the rear lens array 32 .

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。 Illumination light from the corresponding front lens portion 312 is incident on the rear entrance surface 320, which is one surface of each rear lens portion 322 shown in FIGS. Illumination light incident on the rear entrance surface 320 is emitted from the rear exit surface 321 , which is the opposite surface of each rear lens unit 322 , toward the corresponding pixel regions 212 .

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。 The rear entrance surface 320 of each rear lens portion 322 shown in FIG. 8 forms a compound surface structure in which forward refractive surface portions 323 and reverse refractive surface portions 324 are alternately arranged outward in the Xc direction from the optical axis Al. there is The plurality of forward refracting surface portions 323 are formed in stripes (see FIG. 7) that are intermittent in the Xc direction, are spaced apart from each other, and extend along the Yc direction. Each forward refracting surface portion 323 corresponds to one of divided portions obtained by dividing the virtual base surface Si1 in the Xc direction with a constant width. Here, the virtual base surface Si1 is defined to be convex on the incident side, for example, in a convex shape. The plurality of reverse refracting surface portions 324 are formed in stripes (see FIG. 7) that are intermittent in the Xc direction, are spaced apart from each other, and extend in the Yc direction. Each reverse refracting surface portion 324 corresponds to one of divided portions obtained by dividing the virtual base surface Si2 in the Xc direction. Here, the imaginary base surface Si2 is defined to be concave on the exit side, for example, in the shape of a valley-shaped slope. In the composite surface structure as described above, each forward refracting surface portion 323 refracts the illumination light toward the optical axis Al side in the Xc direction and makes it parallel to the optical axis Al, while each reverse refracting surface portion 324 refracts the illumination light forwardly. The light is refracted in the opposite direction to the surface portion 323 and mixed with the collimated light. Note that the collimation means that the illumination light becomes a parallel light flux, and the illumination light does not need to be a perfectly parallel light flux.

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。 In each rear lens portion 322 of the first embodiment, the Xc direction in which the forward refraction surface portions 323 and the reverse refraction surface portions 324 are alternately and intermittently formed corresponds to the horizontal direction Dh (see FIG. 1) of the virtual image VRI. The reverse refractive surface portion 324 of each rear lens portion 322 forms a mountain-shaped boundary 328 with the reverse refractive surface portion 324 of the other rear lens portion 322 adjacent in the Xc direction. A valley-shaped boundary 328 may be formed between the forward refractive surface portion 323 of each rear lens portion 322 and the forward refractive surface portion 323 of another rear lens portion 322 adjacent in the Xc direction.

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。 The rear exit surface 321 of each rear lens portion 322 shown in FIG. 9 has a compound surface structure in which forward refractive surface portions 325 and reverse refractive surface portions 326 are alternately arranged outward in the Yc direction from the optical axis Al. there is The plurality of forward refracting surface portions 325 are formed in stripes (see FIG. 7) that are intermittent in the Yc direction, are spaced apart from each other, and extend along the Xc direction. Each forward refracting surface portion 325 corresponds to one of divided portions obtained by dividing the virtual base surface So1 in the Yc direction. Here, the virtual base surface So1 is defined to be convex toward the exit side, for example, in a convex shape. The plurality of reverse refracting surface portions 326 are formed in stripes (see FIG. 7) that are intermittent in the Yc direction, are spaced apart from each other, and extend in the Xc direction. Each reverse refracting surface portion 326 corresponds to one of divided portions obtained by dividing the virtual base surface So2 in the Yc direction by a constant width. Here, the virtual base surface So2 is defined to be concave on the incident side, for example, in the shape of a valley-shaped slope. In the composite surface structure as described above, each forward refracting surface portion 325 refracts the illumination light toward the optical axis Al side in the Yc direction and makes it parallel to the optical axis Al. The light is refracted in the opposite direction to the surface portion 323 and mixed with the collimated light.

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。 In each rear lens portion 322 of the first embodiment, the Yc direction in which the forward refractive surface portion 325 and the reverse refractive surface portion 326 are alternately and intermittently formed corresponds to the vertical direction Dv (see FIG. 1) of the virtual image VRI. The reverse refractive surface portion 326 of each rear lens portion 322 forms a mountain-shaped boundary 329 with the reverse refractive surface portion 326 of the other rear lens portion 322 adjacent in the Yc direction. A valley-shaped boundary 329 may be formed between the forward refracting surface portion 325 of each rear lens portion 322 and the forward refracting surface portion 325 of another rear lens portion 322 adjacent in the Yc direction.

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。 From the configuration up to this point, the condensing unit 30 is configured such that the front lens section 312 and the rear lens section 322 corresponding to each pixel region 212 of the image forming unit 20 are jointly used to individually input illumination to each pixel region 212 . Each light is condensed.

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。 The illumination unit 40 shown in FIGS. 1 and 2 emits illumination light that illuminates the image forming unit 20 through the light collecting unit 30 . As shown in FIGS. 1, 2, and 10, the illumination unit 40 has a plurality of light source sections 402 that are two-dimensionally arranged in predetermined numbers in the Xd direction and the Yd direction that are orthogonal to each other. The number of arrays of the light source units 402 in the Xd direction matches the number of arrays of the pixel regions 212 in the Xa direction, the number of arrays of the front lens units 312 in the Xb direction, and the number of arrays of the rear lens units 322 in the Xc direction. The number of arrays of the light source units 402 in the Yd direction matches the number of arrays of the pixel regions 212 in the Ya direction, the number of arrays of the front lens units 312 in the Yb direction, and the number of arrays of the rear lens units 322 in the Yc direction. With these configurations, each light source unit 402 is associated 1:1 with one of the pixel regions 212 , one of the front lens units 312 , and one of the rear lens units 322 .

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。 Each light source unit 402 is composed of a light source element that independently emits white illumination light. A light source element of each light source unit 402 is an LED bare chip using, for example, YAG or KSF. The light source element of each light source unit 402 can individually set the illuminance of the illumination light by variably adjusting the emission intensity.

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。 As shown in FIG. 6, the light source element of each light source section 402 is arranged on the common optical axis Al of the corresponding front lens section 312 and rear lens section 322 . Here, the light source element of each light source unit 402 is closer to the condensing unit 30 than the composite focus of the corresponding lens units 312 and 322 in the direction along the optical axis Al of the corresponding front lens unit 312 and rear lens unit 322. are placed. At the same time, the light source element of each light source section 402 is closer to the condensing unit 30 than the focal length Pb of the virtual base surface Sb for the corresponding lens section 312 in the direction along the optical axis Al of the corresponding front lens section 312. are placed.

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。 In each light source unit 402 shown in FIG. 2, the intensity peak directions in which the light emission intensity of each light source element is maximized are set substantially parallel along the optical axis Al of the corresponding front-stage lens unit 312 and rear-stage lens unit 322. there is Under this setting, the Xd direction of the illumination unit 40 is defined substantially parallel to the Xb direction of the front lens array 31 and the Xc direction of the rear lens array 32, and is inclined with respect to the Xa direction of the image display panel 21. defined as On the other hand, the Yd direction of the illumination unit 40 is defined substantially parallel to the Ya direction of the image display panel 21 , the Yb direction of the front lens array 31 , and the Yc direction of the rear lens array 32 .

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。 Illumination light emitted from the light source element of each light source unit 402 from the configuration described above is sequentially incident on the corresponding front lens unit 312 and rear lens unit 322 . That is, the illumination unit 40 emits illumination light individually incident on each corresponding set of the lens sections 312 and 322 from the light source elements of the light source section 402 individually corresponding to the lens sections 312 and 322. .

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。 As shown by outline in FIG. 11, the pixel region 212 corresponding to the light source unit 402 in which the light source element emits light with the maximum intensity is transmissively illuminated with white light with the maximum illuminance. As indicated by dot hatching in FIG. 11, a pixel region 212 corresponding to the light source unit 402 in which the light source element emits light with an intensity lower than the maximum intensity is transilluminated with white light at an intensity lower than the maximum intensity. As shown by cross-hatching in FIG. 11, the pixel region 212 corresponding to the light source unit 402 whose light source element is turned off becomes a substantially non-display region that is not transmissively illuminated.

(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。
(Effect)
The effects of the first embodiment described above will be described below.

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。 In the plurality of rear lens sections 322 arranged in the light collection unit 30 of the first embodiment, the illumination light within the angular space θ individually incident on each of the plurality of arranged pixel regions 212 in the image forming unit 20 is condensed by refraction. , the forward refracting surface portion 325 is intermittently formed in the Yc direction, which is the direction perpendicular to the optical axis Al. Therefore, in the front lens section 312 arranged in plurality in the light collecting unit 30 of the first embodiment, the individually incident illumination light is diffused in the angular space θ for condensing the individually incident illumination light for each pixel region 212. A diffusing surface 313 is formed so as to. According to this, the illumination light that has undergone the diffusing and condensing action in each front lens section 312 apparently spreads within the angular space θ and enters the corresponding rear lens section 322 . As a result, edge light that shines sharply due to boundaries 329 between the rear lens portions 322 is less likely to occur. Therefore, it is possible to enhance the visibility of the virtual image VRI by enhancing the illumination quality.

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。 The diffusion surface 313 according to the first embodiment presents a wavy surface in which waves travel in the Yb direction along the Yc direction as the orthogonal direction. As a result, in the front lens section 312, the apparent spread of the illumination light can be promoted by the diffusing and condensing action in the Yb direction along the Yc direction in which the rear lens section 322 is arranged. Therefore, it is possible to effectively suppress the edge light caused by the boundaries 329 between the rear-stage lens portions 322 and improve the visibility of the virtual image VRI.

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。 According to the first embodiment, the Yc direction as the orthogonal direction in which the rear lens units 322 are arranged corresponds to the vertical direction Dv of the virtual image VRI. According to this, in the horizontal direction Dh of the virtual image VRI in which the eyeballs of the viewer 4 viewing the virtual image VRI are easy to move, in the vertical direction Dv of the virtual image VRI in which the eyeballs are difficult to move, the luminance of the display light fluctuates in the first place. hard. Therefore, along with suppression of edge light, it is possible to improve the visibility of the virtual image VRI.

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。 In the illumination unit 40 of the first embodiment, a plurality of light source sections 402 are arranged so that illumination light that individually enters each set of the front lens section 312 and the rear lens section 322 is emitted. As a result, the illumination light from each light source unit 402 that enters the corresponding front lens unit 312 and undergoes the diffusion and condensing action enters the corresponding rear lens unit 322 within the angle space θ, apparently spreading. It will be done. Therefore, the incidence of edge light caused by the boundaries 329 between the rear-stage lens portions 322 can be suppressed for each pixel region 212, and the visibility of the virtual image VRI can be improved.

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。 In each rear lens unit 322 according to the first embodiment, forward refraction surface portions 323 and 325 that collimate the illumination light by refraction, and reverse refraction surface portions 324 and 326 that refract the illumination light and mix it with the collimated light are They are formed alternately in the Xc and Yc directions as orthogonal directions. As a result, the illumination light is diffused and condensed by the front lens section 312, and by the condensing action of the rear lens section 322 accompanied by mixing into collimated light, the boundary 328, 329 between the respective rear lens sections 322. It becomes difficult to generate edge light caused by Therefore, it is possible to effectively suppress such edge light and improve the visibility of the virtual image VRI.

(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)。
(Second embodiment)
As shown in FIG. 12, the second embodiment is a modification of the first embodiment. In the second embodiment, the number of arrays of elements 212, 312, 322, 402 in the Xa, Xb, Xc, and Xd directions is 12, only the front lens portion 312 is shown.

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。 In such a second embodiment, the size in the horizontal direction (perpendicular to the paper surface in FIG. 1 of the first embodiment) of the visual recognition area EB corresponding to the horizontal direction Dh of the virtual image VRI corresponds to the vertical direction Dv of the virtual image VRI. larger than the vertical size of the visual recognition area EB (the vertical direction in FIG. 1 of the first embodiment). Therefore, it is possible to effectively utilize the horizontally long windshield 3 of the vehicle 1 and provide display of the virtual image VRI with improved visibility in the horizontally long visual recognition area EB.

(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。
(Third embodiment)
As shown in FIGS. 13 and 14, the third embodiment is a modification of the second embodiment. In the third embodiment, the front exit surface 311 of each front lens portion 3312 forms a composite surface structure in which a diffusion surface 3313 different from that in the first embodiment is combined with the virtual base surface Sb that is the same as in the first embodiment. are doing. A diffusing surface 3313 defined in each front lens portion 3312 exhibits a wavefront shape in which waves travel outward at least in the Xc direction and the Yb direction from the optical axis Al. Each front-stage lens portion 3312 diffuses the emitted illumination light toward the rear-stage lens array 32 within the angular space θ according to the wavefront diffusion surface 3313 .

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。
A function Zw representing the wavefront shape of the diffusing surface 3313 to exhibit such a diffusing action may be given by the following equation 4, which defines, for example, a two-dimensional plane wavefront. In Equation 4, Ax and Ay are the wavefront maximum amplitudes in the Xb and Yb directions, respectively. In Equation 4, Xw is the separation distance in the Xb direction from the virtual plane β for any point on the wavefront. Here, the virtual plane β is defined orthogonal to the virtual plane α as a plane including the optical axis Al and extending in the Yb direction. In Equation 4, Yw is the separation distance in the Yb direction from the virtual plane α for any point on the wavefront. In Equation 4, λx and λy are wavefront wavelengths in the Xb and Yb directions, respectively.

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。
The function Zw, which describes the wavefront shape of the diffusing surface 3313, may be given by Equation 5 below, which defines, for example, a non-attenuating spherical wavefront. In Expression 5, A is the maximum wavefront amplitude in any direction around the optical axis Al including the Xb and Yb directions. In Expression 5, Xw and Yw are distances in the Xb and Yb directions from the virtual planes β and α regarding arbitrary points on the wavefront. In Equation 5, λ is the wavefront wavelength in any direction around the optical axis Al including the Xb and Yb directions.

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。
The function Zw, which describes the wavefront shape of the diffuser surface 3313, may be given by Equation 6 below, which defines, for example, an attenuated spherical wavefront. In Equation 6, A is the maximum wavefront amplitude in any direction around the optical axis Al including the Xb and Yb directions. In Equation 6, Xw and Yw are distances in the Xb and Yb directions from virtual planes β and α with respect to arbitrary points on the wavefront. In Equation 6, λ is the wavefront wavelength in any direction around the optical axis Al including the Xb and Yb directions.

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。
A function Zw representing the wavefront shape of the diffusing surface 313 may be given by Equations 7-9 below, which define, for example, a sinc wavefront. In Equations 8 and 9, Ax and Ay are the wavefront maximum amplitudes in the Xb and Yb directions, respectively. In Equations 8 and 9, Xw and Yw are the separation distances in the Xb and Yb directions from the virtual planes β and α regarding arbitrary points on the wavefront. In Equations 8 and 9, λx and λy are wavefront wavelengths in the Xb and Yb directions, respectively.

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。
A function Zw representing the wavefront shape of the diffuser surface 3313 may be given by the following equation (10), which defines, for example, a composite two-dimensional plane wavefront. In Equation 10, j is an integer from 1 to N, or a suffix represented by the integer, where N is the composite number of wavefronts. In Equation 10, Axj and Ayj are the wavefront maximum amplitudes in the Xb and Yb directions, respectively. In Equation 10, Xw and Yw are the separation distances in the Xb and Yb directions from the virtual planes β and α regarding arbitrary points on the wavefront. In Equation 10, λx and λy are wavefront wavelengths in the Xb and Yb directions, respectively. Note that when N=1 in Equation 10, it corresponds to Equation 4 above.

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。 Here, in the case of the above equations 4, 7 to 9, 10, the maximum amplitudes Ax, Axj in the Xb direction are different from the maximum amplitudes Ay, Ayj in the Yb direction. or "same". If the maximum amplitudes Ax and Axj are different from the maximum amplitudes Ay and Ayj, the illumination light is given an anisotropic diffusion effect. Therefore, particularly in the third embodiment, the maximum amplitudes Ax and Axj in the Xb direction corresponding to the horizontal direction Dh of the virtual image VRI are larger than the maximum amplitudes Ay and Ayj in the Yb direction corresponding to the vertical direction Dv of the virtual image VRI. “Large” should be set. As a result, in the third embodiment, it is possible to provide a highly visible virtual image VRI by display light obtained by highly efficiently diffusing the illumination light toward the oblong visual recognition area EB described in the second embodiment. .

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。 Furthermore, the diffusing surface 3313 according to the third embodiment presents a wavy surface shape in which waves travel at least in the Xb and Yb directions along the Xc and Yc directions as a pair of mutually orthogonal directions. Thus, in the front lens section 3312, the apparent spread of the illumination light can be promoted by the diffusing and condensing action in the Xb and Yb directions along the Xc and Yc directions in which the rear lens section 322 is arranged. Therefore, it is possible to effectively suppress the edge light caused by the boundaries 328 and 329 between the rear lens portions 322 and improve the visibility of the virtual image VRI.

(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。
(Other embodiments)
Although a plurality of embodiments have been described above, the present disclosure is not to be construed as being limited to those embodiments, and can be applied to various embodiments within the scope of the present disclosure. .

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。 In the modification shown in FIGS. 15 and 16, at least one of the rear entrance surface 320 and the rear exit surface 321 in the rear lens array 32 (FIGS. 15 and 16 are examples of only the rear exit surface 321) is composed of a Fresnel lens surface. may have been In this case, instead of at least one of the reverse refraction surface portions 324 and 326, a connection surface portion 327 that connects the forward refraction surface portions 323 or the forward refraction surface portions 325 substantially parallel to the optical axis Al is formed. be done. Further, in this case, at least one of the forward refraction surface portion 323 and the forward refraction surface portion 325 in each post-stage lens portion 322 is the forward refraction surface portion 323 or the forward refraction surface portion of the other post-stage lens portion 322 adjacent in the Xc direction or the Yc direction. 325 form a valley-shaped boundary 328 or boundary 329 .

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。 As shown in FIG. 17 , in a modification, the image display panel 21 and the diffusion panel 22 may be arranged substantially perpendicular to the optical axis Al of each front lens section 312 and each rear lens section 322 . The front-stage lens array 31 of the modified example may be a TIR lens array in which a compound surface structure of diffusion surfaces 313, 3313 and a virtual base surface Sb is formed in lens portions 312, 3312. FIG.

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。 As shown in FIG. 18, in the lens portions 312 and 3312 of the modified example, a composite surface structure of the diffusion surfaces 313 and 3313 and the virtual base surface Sb may be formed on the front incident surface 310 (this figure shows the diffusion surface 313 example). In this case, the virtual base surface Sb on which the diffusion surfaces 313 and 3313 similar to those in the first embodiment are synthesized may have a planar shape substantially perpendicular to the optical axis Al. Further, in this case, the front exit surface 311 of the lens portions 312 and 3312 may have a convex shape that curves smoothly in any direction including the Xb direction and the Yb direction.

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。 In the image display panel 21 of the modified example, the pixel regions 212 may be one-dimensionally arranged in one row in one of the Xa direction and the Ya direction. In the front lens array 31 of the modified example, the front lens portions 312 may be one-dimensionally arranged in one row in one of the Xb direction and the Yb direction. In the rear lens array 32 of the modified example, the rear lens portions 322 may be one-dimensionally arranged in one row in one of the Xc direction and the Yc direction. In a modification, the light source units 402 may be one-dimensionally arranged in one row in one of the Xd direction and the Yd direction.

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。 The Xa direction and the Ya direction in the image display panel 21 of the modified example may be exchanged with each other. The Xc direction and the Yc direction in the rear-stage lens array 32 of the modified example may be exchanged with each other. The Yd direction in each of the light source units 402, 2402, 3402 of the modified example may correspond to the horizontal direction Dh of the virtual image VRI (see FIG. 1 of the first embodiment).

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、100 HUD、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 3 translucent member 20 image forming unit 30 condensing unit 40 lighting unit 100 HUD 212 pixel area 312, 3312 front lens section 313, 3313 diffusion surface 322 rear lens section 323, 325 regular refracting surface section , 324, 326 reverse refraction surface, 327 connection surface, 328, 329 boundary, 402 light source, Dv vertical direction, VRI virtual image, θ angle space

Claims (7)

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させる前記照明光を集光する角度空間(θ)内に収まる範囲で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させる、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。
A virtual image display device (100) for visibly displaying a virtual image (VRI) of the display light by reflecting the display light with a translucent member (3),
a lighting unit (40) that emits white illumination light;
an image forming unit (20) that forms an image by transmission of the illumination light and emits the display light of the image;
a light collecting unit (30) for collecting the illumination light toward the image forming unit;
The image forming unit has a plurality of pixel regions (212) arranged,
The condensing unit is
A plurality of diffusing surfaces (313, 3313) for diffusing the illumination light within a range within an angular space (θ) for condensing the illumination light incident on each pixel region. arrayed front-stage lens units (312, 3312);
Refracting surface portions (323, 325) condensing by refraction the illumination light in the angle space , which is individually incident on each pixel region, are arranged at a right angle to the optical axis (Al) at the rear stage of each of the front lens portions. A virtual image display device having a plurality of rear lens sections (322) arranged so as to be intermittently formed in directions (Xc, Yc).
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。 2. The virtual image display device according to claim 1, wherein said diffusing surface (313) presents a wavefront shape in which waves travel in a direction (Yb) along said orthogonal direction (Yc). 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。 2. The virtual image display device according to claim 1, wherein the diffusion surface (3313) presents a wave surface shape in which waves travel in directions (Xb, Yb) along the pair of orthogonal directions (Xc, Yc) that are orthogonal to each other. . 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。 4. The virtual image display device according to claim 3, wherein the waves have different maximum amplitudes (Ax, Axi, Ay, Ayi) in the directions (Xb, Yb) in which the waves travel along the pair of orthogonal directions that are orthogonal to each other. . 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。 The virtual image display device according to any one of claims 2 to 4, wherein the orthogonal direction includes a direction corresponding to the vertical direction (Dv) of the virtual image. 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、前記順屈折面部により平行化された前記照明光に対して混ぜ合わせるように、前記照明光を屈折させる逆屈折面部(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。 The rear-stage lens section includes forward refracting surface portions (323, 325) as the refracting surface portions that collimate the illumination light by refraction, and to mix the illumination light collimated by the forward refracting surface portion , The virtual image display device according to any one of claims 1 to 5, wherein the reverse refracting surface portions (324, 326) for refracting the illumination light are alternately formed in the orthogonal direction (Xc, Yc). 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。 The illumination unit has a plurality of light source sections (402) arranged so as to emit the illumination light individually incident on each set of the front lens section and the rear lens section. The virtual image display device according to any one of the items.
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