WO2013024539A1 - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

　虚像表示装置は、表示すべき画像を形成する画像形成素子と、画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる光学素子と、を備える。光学素子は、画像形成素子から出射された光の進行方向に向かって凹形状を有している。また、光学素子には、画像形成素子から出射された光が他の光学素子によって反射されることなく入射される。そして、画像形成素子は、光学素子を通して虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されている。

Description

虚像表示装置

　本発明は、虚像として画像を視認させる虚像表示装置に関する。

　従来から、ユーザの目の位置（アイポイント）から虚像として画像を視認させるヘッドアップディスプレイなどの表示装置が知られている。例えば、特許文献１には、画像表示装置から観察者に至る光の経路に、画像を拡大するための凹面鏡を２枚設け、画像表示装置の画像を２回反射させて虚像を形成することで、虚像の拡大率や虚像の形状歪などを改善することを図った技術が提案されている。また、例えば特許文献２には、映像表示素子の表示面と投影光学系の投影面がＹ－Ｚ断面内で偏心し、投影面はＸ－Ｚ断面で投影光学系側に弦を向けた円弧状の曲面で構成され、像歪みを補正する少なくとも一つの回転非対称な補正光学面を有する投影光学系と、投影された映像を遠方の虚像とする正の反射パワーを有する接眼光学系を備えた視覚表示装置が提案されている。

　その他にも、本発明に関連する技術が、例えば特許文献３に提案されている。

特開平８－２９７２３号公報 特開２０１０－１６４９４４号公報 特開２００９－１５０９４７号公報

　ところで、上記したようなヘッドアップディスプレイでは、例えば大きな画角を得るために曲率半径の小さな凹面ミラーをチルトして使用すると、虚像に歪みが生じる傾向にある。また、左右の眼で観察した虚像に、形状の異なる歪みが生じる傾向にある。この場合には、ユーザに疲労を与えてしまう可能性がある。上記の特許文献１に記載された反射面を２面使用する構成では、虚像の歪みを軽減することができるが、この構成ではヘッドアップディスプレイ全体が大きくなり、車室内への取り付けに不利となる場合がある。また、特許文献２のように非球面や自由曲面の光学素子を用いると、虚像の歪を微小にする事が可能であるが安価な製造が難しい事が知られている。

　本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、簡便な構成にて虚像の歪みを適切に抑制することが可能な虚像表示装置を提供することを課題とする。

　請求項１に記載の発明では、虚像表示装置は、表示すべき画像を形成する画像形成素子と、前記画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる光学素子と、を備え、前記光学素子は、前記画像形成素子から出射された光の進行方向に向かって凹形状を有しており、前記光学素子には、前記画像形成素子から出射された光が他の光学素子によって反射されることなく入射され、前記画像形成素子は、前記光学素子を通して前記虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されている。

　請求項１６に記載の発明では、虚像表示装置は、表示すべき画像を形成する画像形成素子と、前記画像形成素子から出射された光を凹面で反射することで虚像を表示させる光学素子と、を備え、前記光学素子は、前記画像形成素子から出射された光の出射方向に配置され、前記画像形成素子は、前記光学素子を通して前記虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されている。

　請求項１７に記載の発明では、表示すべき画像を形成する画像形成素子から出射された光を、前記画像形成素子から出射された光の出射方向に配置された凹面を有する光学素子で反射させることで虚像を表示させる虚像表示装置は、前記画像形成素子は、前記光学素子を通して前記虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されている。

第１実施例に係る虚像表示装置の全体構成を示す。 レーザプロジェクタの構成を示す。 アイポイントから虚像の中心を見つめる方向（視線方向）などを説明するための図を示す。 視線方向に対するＥＰＥ及びコンバイナの配置関係を説明するための図を示す。 シミュレーションにおいてＥＰＥに形成される画像を示す。 アイボックスセンターでのシミュレーション条件を説明するための図を示す。 第１実施例における、アイボックスセンターでのシミュレーション結果例を示す。 両眼でのシミュレーション条件を説明するための図を示す。 第１実施例における、両眼でのシミュレーション結果例を示す。 ＥＰＥを視線方向に対して直交する方向に配置しなかった場合に、虚像の歪みが発生することを説明するための図を示す。 ＥＰＥを視線方向に対して直交する方向に配置した場合に、虚像の歪みを抑制できることを説明するための図を示す。 コンバイナの曲率半径ごとに、ＥＰＥと視線方向の成す角度と虚像の歪み量の関係を示す。 レーザプロジェクタとＥＰＥとの配置状態の具体例を示す。 ＥＰＥ上に形成される像の歪みを補正する方法を説明するための図を示す。 第３実施例に係る虚像表示装置の全体構成を示す。 第３実施例における、アイボックスセンターでのシミュレーション結果例を示す。 第３実施例における、両眼でのシミュレーション結果例を示す。 変形例１に係る虚像表示装置の全体構成を示す。 変形例２に係る虚像表示装置の全体構成を示す。 変形例３に係るフィールドレンズを用いた場合の、シミュレーション結果例を示す。

　本発明の１つの観点では、虚像表示装置は、表示すべき画像を形成する画像形成素子と、前記画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる光学素子と、を備え、前記光学素子は、前記画像形成素子から出射された光の進行方向に向かって凹形状を有しており、前記光学素子には、前記画像形成素子から出射された光が他の光学素子によって反射されることなく入射され、前記画像形成素子は、前記光学素子を通して前記虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されている。

　上記の虚像表示装置は、虚像として画像を視認させる装置である。画像形成素子は、表示すべき画像を形成し、光学素子は、画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる。光学素子は、画像形成素子から出射された光の進行方向に向かって凹形状を有しており、画像形成素子から出射された光が他の光学素子（ミラーなど）によって反射されることなく入射される。好適には、光学素子は、画像形成素子から出射された光の出射方向に配置されている。そして、画像形成素子は、光学素子を通して虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されている。つまり、光が出射される画像形成素子の面が、虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されている。

　上記の虚像表示装置によれば、虚像の歪みを適切に抑制することができる。具体的には、虚像の台形歪みや画像形成素子上に形成された画像と虚像とのアスペクト比の違い、両眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いを適切に抑制することができる。また、両眼で観察される虚像の形状の違いを抑制することにより、画像処理によって虚像の歪を補正する事が容易になる。

　上記の虚像表示装置の一態様では、前記光学素子の傾きが変更された場合に、前記画像形成素子が、前記虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されるように、前記画像形成素子の傾きを変化させる傾き変更手段を更に備える。これにより、光学素子の傾きが変更された場合に、画像形成素子の傾きを適切に変化させることで、画像形成素子と虚像を視認する方向とが直交しないことによって生じる虚像の歪みを適切に抑制することができる。

　上記の虚像表示装置の他の一態様では、前記画像形成素子と前記光学素子との間に、虚像歪補正素子が配置されている。この場合、好適には、前記虚像歪補正素子は、前記光学素子が曲率を有することに起因する、前記虚像の弓なりの歪みを補正する。このような虚像歪補正素子を用いることで、虚像の弓なりの歪みを適切に補正することができる。

　上記の虚像表示装置の他の一態様では、前記光学素子に、前記画像形成素子から出射された光が直接入射されることとしても良い。これにより、装置をより簡便に構成することができる。

　上記の虚像表示装置の他の一態様では、前記画像形成素子は、光源から照射された光の射出瞳を拡大する射出瞳拡大素子である。例えば、射出瞳拡大素子は、複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイである。

　上記の虚像表示装置の他の一態様では、前記光源から照射された光によって前記画像形成素子上に形成される像の歪みを補正する補正手段を更に備える。好適には、前記補正手段は、前記光源より照射された光の前記画像形成素子に対する角度に起因する、前記像の歪みを補正する。これにより、例えば光源より照射された光が画像形成素子に垂直に入射しないことに起因する像の歪みを、適切に補正することができる。

　上記の虚像表示装置の他の一態様では、前記画像形成素子として、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイを用いることができる。

　好適には、前記画像形成素子を、前記光学素子によって反射された光が照射されない位置に配置することができる。

　また好適には、前記画像形成素子を、平面形状に構成することができる。

　本発明の他の観点では、虚像表示装置は、表示すべき画像を形成する画像形成素子と、前記画像形成素子から出射された光を凹面で反射することで虚像を表示させる光学素子と、を備え、前記光学素子は、前記画像形成素子から出射された光の出射方向に配置され、前記画像形成素子は、前記光学素子を通して前記虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されている。

　本発明の更に他の観点では、表示すべき画像を形成する画像形成素子から出射された光を、前記画像形成素子から出射された光の出射方向に配置された凹面を有する光学素子で反射させることで虚像を表示させる虚像表示装置は、前記画像形成素子は、前記光学素子を通して前記虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されている。

　以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。

　［第１実施例］
　まず、本発明の第１実施例について説明する。

　（装置構成）
　図１は、第１実施例に係る虚像表示装置１００の全体構成を概略的に示したブロック図である。ここでは、虚像表示装置１００の各構成要素の概要について説明する。

　図１に示すように、第１実施例に係る虚像表示装置１００は、主に、レーザプロジェクタ１と、射出瞳拡大素子（以下、適宜「ＥＰＥ（Exit-Pupil Expander）」と表記する）１１と、フィールドレンズ１２と、コンバイナ１３と、を有する。虚像表示装置１００は、画像をユーザの目の位置（アイポイント）から虚像として視認させる装置である。虚像表示装置１００は、例えばヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイとして利用される。

　レーザプロジェクタ１は、赤色、緑色、青色のレーザ光源や、レーザ光源から出射されたレーザ光を走査するスキャン機構（走査機構）や、これらを制御する制御部などを有する。レーザプロジェクタ１から照射された光は、ＥＰＥ１１に入射する。なお、レーザプロジェクタ１の詳細は後述する。

　ＥＰＥ１１は、レーザプロジェクタ１から照射された光の射出瞳を拡大し、ユーザに提示する画像の中間像を形成する。例えば、ＥＰＥ１１は、複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイである。ＥＰＥ１１から出射された光は、フィールドレンズ１２に入射する。なお、ＥＰＥ１１には、中間像として歪みの無い画像が形成される。ＥＰＥ１１は、本発明における「画像形成素子」の一例に相当する。

　フィールドレンズ１２は、ＥＰＥ１１の射出側に配置されたレンズである。フィールドレンズ１２は、ＥＰＥ１１からの光が入射する面（つまり入射面）が平面形状に構成されていると共に、ＥＰＥ１１からの光が入射する面と反対側の面（つまり出射面）が球面の凸面形状に構成されている。フィールドレンズ１２は、平面形状の面がＥＰＥ１１の面と平行になるように、ＥＰＥ１１と離間して配置されている。また、フィールドレンズ１２は、その中心とＥＰＥ１１の中心とを結んだ軸が、ＥＰＥ１１の鉛直方向に延びる軸と平行になるように配置されている。フィールドレンズ１２から出射された光は、コンバイナ１３に入射する。なお、フィールドレンズ１２は、本発明における「虚像歪補正素子」の一例に相当する。

　コンバイナ１３は、フィールドレンズ１２からの光を反射することで、入射光に対応する像を拡大した虚像として表示させるハーフミラーである。具体的には、コンバイナ１３は、フィールドレンズ１２からの光が入射する面（つまり入射面）が球面の凹面形状に構成されている。このようにコンバイナ１３によって反射された光により、ユーザは、コンバイナ１３から所定距離離れたアイポイントから虚像を観察する。なお、コンバイナ１３は、本発明における「光学素子」の一例に相当する。

　なお、例えば、ＥＰＥ１１及びフィールドレンズ１２は、レーザプロジェクタ１と一体に構成される。つまり、虚像表示装置１００では、レーザプロジェクタ１とＥＰＥ１１及びフィールドレンズ１２とが別体にて構成されているわけではなく、レーザプロジェクタ１とＥＰＥ１１及びフィールドレンズ１２とが一体の装置として構成されている。

　次に、図２を参照して、レーザプロジェクタ１の構成について説明する。図２に示すように、レーザプロジェクタ１は、画像信号入力部２と、ビデオＡＳＩＣ３と、フレームメモリ４と、ＲＯＭ５と、ＲＡＭ６と、レーザドライバＡＳＩＣ７と、ＭＥＭＳ制御部８と、レーザ光源ユニット９と、ＭＥＭＳミラー１０とを備える。

　画像信号入力部２は、外部から入力される画像信号を受信してビデオＡＳＩＣ３に出力する。ビデオＡＳＩＣ３は、画像信号入力部２から入力される画像信号及びＭＥＭＳミラー１０から入力される走査位置情報Ｓｃに基づいてレーザドライバＡＳＩＣ７やＭＥＭＳ制御部８を制御するブロックであり、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）として構成されている。

　ビデオＡＳＩＣ３は、同期／画像分離部３１と、ビットデータ変換部３２と、発光パターン変換部３３と、タイミングコントローラ３４と、を備える。同期／画像分離部３１は、画像信号入力部２から入力された画像信号から、画像表示部であるＥＰＥ１１に表示される画像データと同期信号とを分離し、画像データをフレームメモリ４へ書き込む。ビットデータ変換部３２は、フレームメモリ４に書き込まれた画像データを読み出してビットデータに変換する。発光パターン変換部３３は、ビットデータ変換部３２で変換されたビットデータを、各レーザの発光パターンを表す信号に変換する。タイミングコントローラ３４は、同期／画像分離部３１、ビットデータ変換部３２の動作タイミングを制御する。また、タイミングコントローラ３４は、後述するＭＥＭＳ制御部８の動作タイミングも制御する。

　フレームメモリ４には、同期／画像分離部３１により分離された画像データが書き込まれる。ＲＯＭ５は、ビデオＡＳＩＣ３が動作するための制御プログラムやデータなどを記憶している。ＲＡＭ６には、ビデオＡＳＩＣ３が動作する際のワークメモリとして、各種データが逐次読み書きされる。

　レーザドライバＡＳＩＣ７は、後述するレーザ光源ユニット９に設けられるレーザダイオードを駆動する信号を生成するブロックであり、ＡＳＩＣとして構成されている。レーザドライバＡＳＩＣ７は、赤色レーザ駆動回路７１と、青色レーザ駆動回路７２と、緑色レーザ駆動回路７３と、を備える。赤色レーザ駆動回路７１は、発光パターン変換部３３が出力する信号に基づき、赤色レーザＬＤ１を駆動する。青色レーザ駆動回路７２は、発光パターン変換部３３が出力する信号に基づき、青色レーザＬＤ２を駆動する。緑色レーザ駆動回路７３は、発光パターン変換部３３が出力する信号に基づき、緑色レーザＬＤ３を駆動する。

　ＭＥＭＳ制御部８は、タイミングコントローラ３４が出力する信号に基づきＭＥＭＳミラー１０を制御する。ＭＥＭＳ制御部８は、サーボ回路８１と、ドライバ回路８２と、を備える。サーボ回路８１は、タイミングコントローラからの信号に基づき、ＭＥＭＳミラー１０の動作を制御する。ドライバ回路８２は、サーボ回路８１が出力するＭＥＭＳミラー１０の制御信号を所定レベルに増幅して出力する。

　レーザ光源ユニット９は、レーザドライバＡＳＩＣ７から出力される駆動信号に基づいて、レーザ光をＭＥＭＳミラー１０へ出射する。走査手段としてのＭＥＭＳミラー１０は、レーザ光源ユニット９から出射されたレーザ光をＥＰＥ１１に向けて反射する。こうすることで、ＭＥＭＳミラー１０は、ＥＰＥ１１上に表示すべき画像を形成する。また、ＭＥＭＳミラー１０は、画像信号入力部２に入力された画像を表示するためにＭＥＭＳ制御部８の制御によりＥＰＥ１１上を走査（スキャン）するように移動し、その際の走査位置情報（例えばミラーの角度などの情報）をビデオＡＳＩＣ３へ出力する。

　次に、レーザ光源ユニット９の詳細な構成を説明する。レーザ光源ユニット９は、ケース９１と、波長選択性素子９２と、コリメータレンズ９３と、赤色レーザＬＤ１と、青色レーザＬＤ２と、緑色レーザＬＤ３と、モニタ用受光素子（以下、単に「受光素子」と呼ぶ。）５０と、を備える。以下では、赤色レーザＬＤ１、青色レーザＬＤ２及び緑色レーザＬＤ３を区別しない場合には、単に「レーザＬＤ」と表記する。

　ケース９１は、樹脂などにより略箱状に形成される。ケース９１には、緑色レーザＬＤ３を取り付けるために、ケース９１内へ貫通する孔が設けられているとともに断面が凹状のＣＡＮ取付部９１ａと、ＣＡＮ取付部９１ａと直交する面に設けられ、ケース９１内へ貫通する孔が設けられているとともに断面が凹状のコリメータ取付部９１ｂと、が形成されている。

　合成素子としての波長選択性素子９２は、例えばトリクロイックプリズムにより構成され、反射面９２ａと反射面９２ｂが設けられている。反射面９２ａは、赤色レーザＬＤ１から出射されたレーザ光をコリメータレンズ９３へ向かって透過させ、青色レーザＬＤ２から出射されたレーザ光をコリメータレンズ９３へ向かって反射させる。反射面９２ｂは、赤色レーザＬＤ１および青色レーザＬＤ２から出射されたレーザ光の大部分をコリメータレンズ９３へ向かって透過させ、その一部を受光素子５０へ向かって反射させる。また、反射面９２ｂは、緑色レーザＬＤ３から出射されたレーザ光の大部分をコリメータレンズ９３へ向かって反射させ、その一部を受光素子５０へ向かって透過させる。こうして、各レーザからの出射光が重ね合わされて、コリメータレンズ９３および受光素子５０に入射される。なお、波長選択性素子９２は、ケース９１内のコリメータ取付部９１ｂの近傍に設けられている。コリメータレンズ９３は、波長選択性素子９２から入射したレーザ光を平行光にしてＭＥＭＳミラー１０へ出射する。コリメータレンズ９３は、ケース９１のコリメータ取付部９１ｂに、ＵＶ系接着剤などで固定される。即ち、合成素子の後段にコリメータレンズ９３が設けられている。

　レーザ光源としての赤色レーザＬＤ１は、赤色のレーザ光を出射する。赤色レーザＬＤ１は、半導体レーザ光源がチップ状態のまま、又は、チップがサブマウントなどに載置された状態で、ケース９１内の波長選択性素子９２及びコリメータレンズ９３と同軸となる位置に固定されている。レーザ光源としての青色レーザＬＤ２は、青色のレーザ光を出射する。青色レーザＬＤ２は、半導体レーザ光源がチップ状態のまま、又は、チップがサブマウントなどに載置された状態で、出射したレーザ光が反射面９２ａによってコリメータレンズ９３へ向かって反射できる位置に固定されている。この赤色レーザＬＤ１と青色レーザＬＤ２の位置は入れ替わってもよい。レーザ光源としての緑色レーザＬＤ３は、ＣＡＮパッケージに取り付けられた状態又はフレームパッケージに取り付けられた状態であり、緑色のレーザ光を出射する。緑色レーザＬＤ３は、ＣＡＮパッケージ内に緑色のレーザ光を発生する半導体レーザ光源チップＢが取り付けられており、ケース９１のＣＡＮ取付部９１ａに固定されている。受光素子５０は、各レーザ光源から出射されたレーザ光の一部を受光する。受光素子５０は、フォトディテクタなどの光電変換素子であり、入射したレーザ光の光量に応じた電気信号である検出信号ＳｄをレーザドライバＡＳＩＣ７へ供給する。

　（視線方向に対するＥＰＥの角度）
　次に、図３及び図４を参照して、ユーザが正面から虚像の中心を見つめる方向（以下、「視線方向」と呼ぶ。）に対するＥＰＥ１１の角度について説明する。ここでは、説明の便宜上、フィールドレンズ１２が無い光学系を用いて説明する。

　図３は、視線方向を説明するための図を示す。図３に示すように、視線方向は、ユーザが正面から虚像の中心Ｃ４を見つめる方向と定義される。この視線方向に対応する軸を「ｃ」とする。

　図４は、視線方向に対するＥＰＥ１１及びコンバイナ１３の配置関係を説明するための図を示す。図４（ａ）に示すように、ＥＰＥ１１の中心Ｃ１とコンバイナ１３の中心Ｃ２とを結んだ直線を「ａ」と定義し、ＥＰＥ１１の中心Ｃ１を通り、ＥＰＥ１１の面に平行な軸を「ｂ」と定義する。そうすると、直線ａと軸ｃとの成す角度は「φ」と定義され、軸ｂと軸ｃとの成す角度は「θ」と定義される。本明細書では、角度θのことを、「視線方向に対するＥＰＥ１１の角度」と呼ぶ。なお、角度φは、軸ｃから見て時計回りを正とし、角度θは、軸ｃから見て時計回りを正とする。

　図４（ｂ）を用いて更に詳しく説明する。図４（ｂ）においてハッチングで表した面Ｓは、図４（ａ）に示した光学系の断面の一部である。図４（ｂ）に示すように、直線ａに対して垂直に交差し、ＥＰＥ１１の中心Ｃ１を通る軸を「ｄ」と定義し、直線ａに対して垂直に交差し、コンバイナ１３の中心Ｃ２を通る軸を「ｅ」と定義する。上記した軸ｂは、このような軸ｄに直交し、ＥＰＥの中心Ｃ１を通る軸として定義される。ＥＰＥ１１の面を軸ｄ回りにチルトさせた場合、それに合わせて軸ｂも回転する。ＥＰＥ１１の中心Ｃ１から、コンバイナ１３の中心Ｃ２に入射した光線は、コンバイナ１３の軸ｅ回りのチルト角に応じて決定される軸ｃの方向に反射される。この反射した光線の逆方向が、ユーザが虚像の中心Ｃ４を正面から見る際の視線方向に相当する。ここで、直線ａと軸ｃとの成す角度は「φ」であり、軸ｃと軸ｂとの成す角度は「θ」である。なお、軸ｃと軸ｂとの交点を「Ｃ３」とする。

　本実施例では、コンバイナ１３によって表示される虚像の歪みを抑制するといった観点より（例えば左右の眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いを抑制するといった観点より）、ＥＰＥ１１を、コンバイナ１３を通して虚像を視認する方向（視線方向）に対して略直交する方向に配置する。つまり、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θ（即ち、軸ｃと軸ｂとの成す角度θ）を、略９０度に設定する。

　（シミュレーション結果）
　次に、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θを略９０度に設定した場合のシミュレーション結果について説明する。

　以下では、下記のようなパラメータを用いてシミュレーションを行った場合について例示する。なお、「Ｙ１」及び「Ｙ２」については図３を参照されたい。
・ＥＰＥ１１の中心Ｃ１からコンバイナ１３の中心Ｃ２に入射した光線と反射した光線との成す角度φ（直線ａと軸ｃとの成す角度）：２４度
・ＥＰＥ１１の中心Ｃ１とコンバイナ１３の中心Ｃ２との間隔Ｙ１（直線ａに沿って測った距離）：１７０ｍｍ
・コンバイナ１３の中心Ｃ２とアイポイントとの間隔Ｙ２：５００ｍｍ
・ＥＰＥ１１上に形成された中間像のサイズ：水平方向の長さ７５ｍｍ×垂直方向の長さ２５ｍｍ（なお、中間像の形状は、図５に示すように、歪みの無い正方形が並べられた格子像である）
・コンバイナ１３の凹面の曲率半径：４００ｍｍ
・フィールドレンズ１２の凸面の曲率半径：１５０ｍｍ
・フィールドレンズ１２の中心厚み：８ｍｍ
・ＥＰＥ１１とフィールドレンズ１２の平面との間隔：２ｍｍ
・フィールドレンズ１２の屈折率：１．５２６
　まず、図６及び図７を参照して、アイボックスセンターでのシミュレーション結果について説明する。ここでは、図６に示すように、アイボックスセンターから「Ｙ３＝１５００ｍｍ」だけ前方の位置に虚像が形成される場合について例示する。なお、アイボックスセンターとは両眼のほぼ中央であり、虚像をほぼ真正面から観測できる理想的な観測点を指す。

　図７は、アイボックスセンターでのシミュレーション結果の一例を示している。図７（ａ）～（ｃ）では、シミュレーションより得られた虚像を実線で示しており、虚像サイズや形状の比較を行うための参照スクリーンの形状を一点鎖線の枠で示している。ここで参照スクリーンのサイズは「水平方向の長さ４５０（ｍｍ）×垂直方向の長さ１５０（ｍｍ）」である。

　図７は、アイボックスセンターでのシミュレーション結果の一例を示している。図７（ａ）～（ｃ）では、シミュレーションより得られた虚像を実線で示しており、虚像サイズや形状の比較を行うための参照スクリーンの形状を一点鎖線の枠で示している。ここで参照スクリーンのサイズは「水平方向の長さ４５０（ｍｍ）×垂直方向の長さ１５０（ｍｍ）」である。

　図７（ａ）は、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θを「１１４度」に設定した場合、つまりＥＰＥ１１を視線方向に対して略直交する方向に配置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。また、図７（ａ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図７（ａ）より、虚像に歪みが生じていることがわかる。具体的には、虚像の台形歪みや、虚像の弓なりの歪みなどが生じていることがわかる。

　図７（ｂ）は、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θを「９０度」に設定した場合、つまりＥＰＥ１１を視線方向に対して直交する方向に配置した場合のシミュレーション結果例を示している。また、図７（ｂ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図７（ｂ）より、図７（ａ）と比較すると、虚像の台形歪みが適切に除去されていることがわかる。

　図７（ｃ）は、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θを「９０度」に設定した場合、つまりＥＰＥ１１を視線方向に対して直交する方向に配置した場合のシミュレーション結果例を示している。また、図７（ｃ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置した場合のシミュレーション結果例を示している。図７（ｃ）より、図７（ｂ）と比較すると、虚像の弓なりの歪みが適切に除去されていることがわかる。

　次に、図８及び図９を参照して、両眼でのシミュレーション結果について説明する。ここでは、図８に示すように、両眼の間隔Ｗが「７０ｍｍ」であり、左眼と右眼との間の中心に位置する点から「Ｙ４＝１５００ｍｍ」だけ前方の位置に虚像が形成される場合について例示する。

　図９は、両眼でのシミュレーション結果の一例を示している。図９（ａ）～（ｃ）では、シミュレーションより得られた虚像を実線及び破線で示しており、参照スクリーンの形状を一点鎖線の枠で示している。具体的には、左眼で観察される虚像を実線で示しており、右眼で観察される虚像を破線で示している。

　図９（ａ）は、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θを「１１４度」に設定した場合、つまりＥＰＥ１１を視線方向に対して略直交する方向に配置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。また、図９（ａ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図９（ａ）より、台形歪みや弓なりの歪みなどの虚像の歪みが生じていることがわかる。また、左眼で観察される虚像の歪みの形状と、右眼で観察される虚像の歪みの形状とが、異なることがわかる。

　図９（ｂ）は、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θを「９０度」に設定した場合、つまりＥＰＥ１１を視線方向に対して直交する方向に配置した場合のシミュレーション結果例を示している。また、図９（ｂ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図９（ｂ）より、図９（ａ）と比較すると、虚像の台形歪みが適切に除去されていることがわかる。また、両眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いが適切に抑制されていることがわかる。

　図９（ｃ）は、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θを「９０度」に設定した場合、つまりＥＰＥ１１を視線方向に対して直交する方向に配置した場合のシミュレーション結果例を示している。また、図９（ｃ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置した場合のシミュレーション結果例を示している。図９（ｃ）より、図９（ｂ）と比較すると、虚像の弓なりの歪みが適切に除去されていることがわかる。また、図９（ｂ）に示したような両眼での虚像の形状の違いが抑制された状態が、適切に維持されていることがわかる。

　以上のことから、第１実施例によれば、ＥＰＥ１１を視線方向に対して略直交する方向に配置することで、虚像の歪みを適切に抑制することができる。具体的には、虚像の台形歪みや、両眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いを適切に抑制することができる。また、第１実施例によれば、ＥＰＥ１１の射出側にフィールドレンズ１２を挿入することで、虚像の弓なりの歪みを適切に抑制することができる。

　ここで、図１０及び図１１を参照して、ＥＰＥ１１を視線方向に対して略直交する方向に配置することで虚像の歪みを抑制することができる理由について考察する。ここでも、説明の便宜上、フィールドレンズ１２が無い光学系を用いて説明する。また、以下では、少なくともＥＰＥ１１及びコンバイナ１３から成る光学系を、適宜「接眼光学系」と呼ぶ。

　図１０は、ＥＰＥ１１を視線方向に対して直交する方向に配置しなかった場合（つまり軸ｃと軸ｂとの成す角度θが９０度でない場合）の図を示している。図１０（ａ）は、接眼光学系の上面図に相当し、図１０（ｂ）は、接眼光学系の側面図に相当する。具体的には、図１０（ｂ）は、図３に示した接眼光学系を時計回りに角度φ回転させた図に相当する。

　コンバイナ１３の反射面は球面の凹面形状であるため、反射面のある一点の法線方向は、コンバイナ１３の曲率半径の中心の方向を向く。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）では、コンバイナ１３の反射面とコンバイナ１３の曲率半径の中心とを結んだ破線にて、反射面各点における面の法線ベクトルを表している（後述する図１１も同様する）。コンバイナ１３に入射した光線は、このような法線方向に対して対称に反射する。上記のような法則に従って、接眼光学系の側面図において、ＥＰＥ１１上に形成された画像の上端及び下端から射出された光線Ｕ、Ｄが、アイボックスセンターの観測点に入射した角度を図示すると、図１０（ｂ）のようになる。そして、接眼光学系の上面図において、ＥＰＥ１１上に形成された画像の上辺の右端及び左端と下辺の右端及び左端とから射出された光線ＲＵ、ＬＵ、ＲＤ、ＬＤが、アイボックスセンターの観測点に入射した角度を図示すると、図１０（ａ）のようになる。

　図１０（ａ）に示すように、視線方向とＥＰＥ１１の面とが直交しない場合（具体的には視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度よりもかなり大きい場合）には、虚像の上辺に相当する光線ＬＵ、ＲＵよりも、虚像の下辺に相当する光線ＬＤ、ＲＤの方が目に入射する角度が大きくなる。このようなことから、視線方向とＥＰＥ１１の面とが直交しない場合には、図７（ａ）に示したように下に広がった扇形の歪が発生したものと考えられる。

　図１１は、ＥＰＥ１１を視線方向に対して直交する方向に配置した場合（つまり軸ｃと軸ｂとの成す角度θが９０度である場合）の図を示している。図１１（ａ）は、接眼光学系の上面図に相当し、図１１（ｂ）は、接眼光学系の側面図に相当する。具体的には、図１１（ｂ）は、図３に示した接眼光学系を時計回りに角度φ回転させた図に相当する。

　図１１（ｂ）は、図１０（ｂ）と同様に、接眼光学系の側面図において、ＥＰＥ１１上に形成された画像の上端及び下端から射出された光線Ｕ’、Ｄ’が、アイボックスセンターの観測点に入射した角度を図示したものである。そして、図１１（ａ）は、図１０（ａ）と同様に、接眼光学系の上面図において、ＥＰＥ１１上に形成された画像の上辺の右端及び左端と下辺の右端及び左端とから射出された光線ＲＵ’、ＬＵ’、ＲＤ’、ＬＤ’が、アイボックスセンターの観測点に入射した角度を図示したものである。

　図１１（ａ）に示すように、視線方向とＥＰＥ１１の面とが直交する場合（具体的には視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度である場合）には、虚像の上辺に相当する光線ＬＵ’、ＲＵ’と虚像の下辺に相当する光線ＬＤ’、ＲＤ’とが、目に入射する角度が概ね等しくなる。このようなことから、視線方向とＥＰＥ１１の面とが直交する場合には、図７（ｂ）に示したように虚像縦線の傾きがほぼ無くなり、虚像の歪が微小になったものと考えられる。

　なお、上記ではコンバイナ１３の曲率半径が４００ｍｍである場合の結果を示したが、以下では、コンバイナ１３の曲率半径が４００ｍｍでなくても本実施例を適用できることを説明する。合わせて、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度付近の角度であっても、上記した本実施例による効果が得られることを説明する。

　ここでは、コンバイナ１３の曲率半径が４００ｍｍである場合の結果と、コンバイナ１３の曲率半径が５００ｍｍである場合の結果とを比較する。シミュレーションは、下記のようなパラメータを用いて行ったものとする。なお、コンバイナ１３の曲率半径が４００ｍｍである場合を適宜「Ｒ４００」と表記し、コンバイナ１３の曲率半径が５００ｍｍである場合を適宜「Ｒ５００」と表記する。
・ＥＰＥ１１の中心Ｃ１からコンバイナ１３の中心Ｃ２に入射した光線と反射した光線との成す角度φ（直線ａと軸ｃとの成す角度）：２４度
・コンバイナ１３の中心Ｃ２とアイポイントとの間隔：５００ｍｍ
・ＥＰＥ１１上に形成された中間像のサイズ：水平方向の長さ７５ｍｍ×垂直方向の長さ２５ｍｍ（なお、中間像の形状は、図５に示すように、歪みの無い正方形が並べられた格子像である）
・目から虚像までの距離：１５００ｍｍ
・Ｒ４００のコンバイナ１３の曲率半径：４００ｍｍ
・ＥＰＥ１１の中心Ｃ１とＲ４００のコンバイナ１３の中心Ｃ２との間隔（直線ａに沿って測った距離）：１７０ｍｍ
・Ｒ４００のコンバイナ１３に用いた参照スクリーンサイズ：水平方向の長さ４５０ｍｍ×垂直方向の長さ１５０ｍｍ
・Ｒ５００のコンバイナ１３の曲率半径：５００ｍｍ
・ＥＰＥ１１の中心Ｃ１とＲ５００のコンバイナ１３の中心Ｃ２との間隔（直線ａに沿って測った距離）：２００ｍｍ
・Ｒ５００のコンバイナ１３に用いた参照スクリーンサイズ：水平方向の長さ３６０ｍｍ×垂直方向の長さ１２０ｍｍ
　図１２は、Ｒ４００及びＲ５００のシミュレーション結果の一例を示す。ここでは、フィールドレンズ１２を用いなかった場合の結果を示す。図１２（ａ）は、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θを種々の値に設定した場合の、Ｒ４００及びＲ５００での虚像の歪量を示している。「虚像の歪量」は、図１２（ｂ）及び（ｃ）中の一点鎖線Ｘ１で示すような枠の縦線に対する、図１２（ｂ）及び（ｃ）中の実線矢印Ｘ２で示すような虚像端部の縦線の角度の絶対値にて定義される。図１２（ｂ）は、Ｒ４００を用いた場合の、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θを「１１４度」に設定した際のアイボックスセンターで観察される虚像歪みを示し、図１２（ｃ）は、Ｒ４００を用いた場合の、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θを「８２度」に設定した際のアイボックスセンターで観察される虚像歪みを示している。

　図１２（ａ）より、コンバイナ１３の曲率半径が４００ｍｍでも５００ｍｍでも、虚像の歪量が最も小さくなるＥＰＥ１１の角度θが９０度であることがわかる。つまり、コンバイナ１３の曲率半径が４００ｍｍでも５００ｍｍでも、ＥＰＥ１１の角度θに関する最適な設定値が変わらないと言える。

　また、図１２（ａ）より、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度であるときに虚像の歪量が最も小さくなるが、角度θが９０度でなくても、角度θが９０度付近の角度であれば、虚像の歪量が小さいことがわかる。この結果より、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θを９０度に設定しなくても、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θを９０度付近の角度に設定すれば、虚像の歪みを軽減できるといった本実施例による効果が得られることが実証された。

　他方で、図１２（ｂ）より、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度よりも大きいと下に広がった台形形状の虚像歪みが生じ、図１２（ｃ）より、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度よりも小さいと上に広がった台形形状の虚像歪みが生じることがわかる。また、図１２（ｂ）及び（ｃ）より、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度から大きく異なる値になった場合、アスペクト比の理想状態とのずれも大きくなってしまうことがわかる。

　（先行技術との比較）
　ここでは、本実施例に係る構成と、前述した特許文献３（特開２００９－１５０９４７号公報）に係る構成とを比較する。

　特許文献３には、一見すると、本実施例と同様の、ＥＰＥが視線方向に対して直交する方向に配置された構成が記載されていると言える。しかしながら、特許文献３に記載の構成では、ＥＰＥ（スクリーン）とコンバイナ（フロントシールド）との間に、拡大ミラー（ミラー）が配置されている。つまり、本実施例に係る構成では、ＥＰＥ１１から出射された光が他のミラー（光学素子）に反射されることなくコンバイナ１３に入射しているが、特許文献３に記載の構成では、ＥＰＥから出射された光が拡大ミラーによって反射され、拡大ミラーによって反射された光がコンバイナに入射している。このようにＥＰＥとコンバイナとの間に拡大ミラーが配置された構成（つまり拡大ミラーとアイポイントとの間に略平面のコンバイナが配置された構成）では、たとえ視線方向に対して直交する方向にＥＰＥを配置したとしても、本実施例のように両眼観察時の虚像歪を軽減する効果は得られない。

　［第２実施例］
　次に、本発明の第２実施例について説明する。第２実施例では、レーザプロジェクタ１から照射される光によってＥＰＥ１１上に形成される像の歪みを補正する点で、第１実施例と異なる。具体的には、第２実施例では、レーザプロジェクタ１より照射された光がＥＰＥ１１に垂直に入射しないような配置状態である場合に、レーザプロジェクタ１より照射された光がＥＰＥ１１に垂直に入射しないことにより生じ得る、ＥＰＥ１１上に形成される像の歪みを補正する。

　なお、以下では、上記した第１実施例と同様の構成については、適宜説明を省略する。また、ここで特に説明しない構成については、第１実施例と同様であるものとする。例えば、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θを略９０度に設定するといった構成は、第２実施例にも適用される。

　図１３は、レーザプロジェクタ１とＥＰＥ１１との配置状態の具体例を示す。図１３（ａ）は、レーザプロジェクタ１からの光がＥＰＥ１１に垂直に入射するような配置状態を示している。この配置状態では、画像中心を描画するための光が、レーザプロジェクタ１からＥＰＥ１１に対して垂直に投射される。図１３（ｂ）は、レーザプロジェクタ１からの光がＥＰＥ１１に垂直に入射しないような配置状態を示している。この配置状態では、画像中心を描画するための光が、所定の入射角度（≠０度）にて、レーザプロジェクタ１からＥＰＥ１１に対して斜めに投射される。

　図１３（ｂ）に示した配置状態を適用した場合には、ＥＰＥ１１上に形成される像（実像を意味する。以下同様とする。）に台形歪みが発生する場合がある。第２実施例では、このような台形歪みを補正するための処理を行う。なお、図１３（ａ）に示した配置状態を適用した場合には、基本的には、ＥＰＥ１１上に形成される像に台形歪みは発生しない。しかしながら、図１３（ａ）の配置状態では、虚像表示装置１００を車室内の上部に設置した場合に、ヘッドクリアランスを確保しにくくなる。よって、虚像表示装置１００を車室内の上部に設置する場合のヘッドクリアランスを確保するといった観点では、図１３（ａ）の配置状態よりも図１３（ｂ）の配置状態のほうが有利であると言える。

　図１４は、ＥＰＥ１１上に形成される像の台形歪みを補正する方法を説明するための図である。図１４（ａ）は、図１３（ｂ）に示した配置状態を適用した場合に生じ得る、ＥＰＥ１１上に形成される像の台形歪みの具体例を示している。第２実施例では、このような台形歪みをキャンセルするような画像を、レーザプロジェクタ１によってＥＰＥ１１上に描画させる処理を行う。具体的には、図１４（ｂ）に示すような上辺から下辺にかけて横幅が徐々に変化するような画像を、入力された画像の縦の幅を圧縮して描画することで、ＥＰＥ１１上には図５に示すような歪の無い格子像が形成される。

　１つの例では、レーザプロジェクタ１内のレーザドライバＡＳＩＣ７（図２参照）が、レーザ光源ユニット９内のレーザＬＤの発光周期を変える制御（つまりレーザＬＤを発光させるタイミングを変える制御）を行うことで、ＥＰＥ１１上に形成される像のどの横のラインでも画素の数が変わらないように、図１４（ｂ）に示すような画像をレーザプロジェクタ１で描画する。この例では、レーザドライバＡＳＩＣ７は、ＥＰＥ１１上に形成される画像の上部から下部にかけて、レーザＬＤの発光周期が徐々に短くなるように制御を行う（言い換えると、ＥＰＥ１１上に形成される画像の下部から上部にかけて、レーザＬＤの発光周期が徐々に長くなるように制御を行う）。同時に、ＭＥＭＳ制御部８は、入力された画像に対して描画する横のラインの間隔を狭める、言い換えると線密度を上げるようにＭＥＭＳミラー１０を制御する。

　他の例では、レーザプロジェクタ１内のビデオＡＳＩＣ３（図２参照）が、画像信号入力部２から入力された画像に対して画像処理を行うことで、図１４（ｂ）に示すような画像をＥＰＥ１１上に描画させる。この例では、ビデオＡＳＩＣ３は、画像信号入力部２から入力された元画像を、図１４（ｂ）に示すような画像に変形する画像処理を行う。このように、レーザプロジェクタ１内のレーザドライバＡＳＩＣ７やビデオＡＳＩＣ３は、本発明における「補正手段」の一例に相当する。

　以上説明した第２実施例によれば、レーザプロジェクタ１より照射された光がＥＰＥ１１に垂直に入射しないことに起因する、ＥＰＥ１１上に形成される像の歪みを適切に補正することができる。そのため、虚像表示装置１００を車室内に設置する場合に、ＥＰＥ１１上に形成される像の歪みといった不具合の発生を抑制しつつ、ヘッドクリアランスが確保されるような適切な配置を採用することが可能となる。

　［第３実施例］
　次に、本発明の第３実施例について説明する。第３実施例では、コンバイナ１３がチルトされた場合に、それに応じてＥＰＥ１１を自動でチルトさせる、つまり軸ｅ回りのコンバイナ１３の傾きが変更された場合に、軸ｄ回りのＥＰＥ１１の傾きを自動で変化させる点で、上記した第１及び第２実施例と異なる。具体的には、第３実施例では、コンバイナ１３の軸ｅ回りの角度（以下、「コンバイナ１３のチルト角」と呼ぶ。）が変化された場合に、視線方向に対して略直交する方向にＥＰＥ１１が配置されるように、ＥＰＥ１１の軸ｄ回りの角度（以下、「ＥＰＥ１１のチルト角」と呼ぶ。）を変化させる制御を行う。

　ここで、虚像表示装置を車室内に設置して利用する場合、ユーザとしての運転者のアイポイントは、運転者の座高やシートポジションなどによって変わるため、運転者はコンバイナ１３のチルト角を調整する傾向にある。したがって、第３実施例では、運転者がコンバイナ１３のチルト角を変化させることを想定して、当該チルト角が変化された場合に、それに伴ってＥＰＥ１１のチルト角を自動で変化させることとした。

　図１５は、第３実施例に係る虚像表示装置１０１の全体構成を概略的に示したブロック図である。なお、第１実施例に係る虚像表示装置１００（図１及び図３参照）と同様の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

　第３実施例に係る虚像表示装置１０１は、レーザプロジェクタ１の代わりにレーザプロジェクタ１ａを有すると共に、角度センサ１５及びアクチュエータ１６を有する点で、第１実施例に係る虚像表示装置１００と異なる。角度センサ１５は、コンバイナ１３のチルト角を検出する。アクチュエータ１６は、ＥＰＥ１１のチルト角を変化させる制御を行う。レーザプロジェクタ１ａは、レーザプロジェクタ１と同様の構成要素（図２参照）を有すると共に、アクチュエータ１６を制御する制御部１ａａを有する。

　レーザプロジェクタ１内の制御部１ａａは、角度センサ１５が検出したチルト角に対応する検出信号Ｓ１５を取得し、検出信号Ｓ１５に基づいて、ＥＰＥ１１のチルト角を変化させるための制御信号Ｓ１６をアクチュエータ１６に供給する。具体的には、制御部１ａａは、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが略９０度になるように、変化後のコンバイナ１３のチルト角に応じて、ＥＰＥ１１のチルト角を変化させる制御を行う。例えば、制御部１ａａは、角度センサ１５が検出したチルト角から直線ａと軸ｃとの成す角度φを求め、角度φに対して設定すべきＥＰＥ１１のチルト角が対応付けられたテーブルを参照して、求めた角度φに対応するＥＰＥ１１のチルト角に、ＥＰＥ１１を設定する制御を行う。このテーブルには、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度になる際の、角度φとＥＰＥ１１のチルト角との関係が予め定められている。なお、制御部１ａａ及びアクチュエータ１６は、本発明における「傾き変更手段」の一例に相当する。

　次に、図１６及び図１７を参照して、上記のように直線ａと軸ｃとの成す角度φに応じてＥＰＥ１１のチルト角を変化させた場合のシミュレーション結果について説明する。なお、シミュレーションは、直線ａと軸ｃとの成す角度φを除いて第一実施例の図７、図９と同じパラメータを使用して行ったものとする。図１６及び図１７では、初期状態において、直線ａと軸ｃとの成す角度φが第１実施例と同様に「２４度」に設定されており、この状態から、コンバイナ１３が軸ｅを中心軸にして反時計回りの方向にチルトされることで、角度φが「３２度」に変化した場合について例示する。また、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θは、初期状態において、第１実施例と同様に「９０度」に設定されているものとする（つまり初期状態においては、視線方向に対して直交する方向にＥＰＥ１１が配置されているものとする）。その他のパラメータは、第１実施例と同様の値であるものとする。

　図１６は、アイボックスセンターでのシミュレーション結果の一例を示している。図１６（ａ）～（ｄ）では、シミュレーションより得られた虚像を実線で示しており、参照スクリーンの形状を一点鎖線の枠で示している。

　図１６（ａ）は、角度φが変化された際にＥＰＥ１１のチルト角を変化させなかった場合、つまり視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度になるようにＥＰＥ１１のチルト角を変化させなかった場合のシミュレーション結果例を示している。この場合には、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度がθ「９０度」から「９８度」に変化するものとする。また、図１６（ａ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図１６（ａ）より、虚像の歪みが生じていることがわかる。具体的には、図７（ｂ）に示した、直線ａと軸ｃとの成す角度φが変化される前の初期状態での結果と比較すると、新たな虚像の歪みが生じていることがわかる。

　図１６（ｂ）は、角度φが変化された際にＥＰＥ１１のチルト角を変化させなかった場合、つまり視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度になるようにＥＰＥ１１のチルト角を変化させなかった場合のシミュレーション結果例を示している。この場合には、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが「９０度」から「９８度」に変化するものとする。また、図１６（ｂ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置した場合のシミュレーション結果例を示している。図１６（ｂ）より、図１６（ａ）と比較すると、虚像の弓なりの歪みが抑制されているが、図７（ｃ）に示した、直線ａと軸ｃとの成す角度φが変化される前の初期状態での結果と比較すると、新たな虚像の歪みが生じていることがわかる。

　図１６（ｃ）は、変化後の角度φに応じてＥＰＥ１１のチルト角を変化させた場合、つまり視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度になるようにＥＰＥ１１のチルト角を変化させた場合のシミュレーション結果例を示している。また、図１６（ｃ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図１６（ｃ）より、図１６（ａ）と比較すると、虚像の歪みが適切に軽減されていることがわかる。

　図１６（ｄ）は、変化後の角度φに応じてＥＰＥ１１のチルト角を変化させた場合、つまり視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度になるようにＥＰＥ１１のチルト角を変化させた場合のシミュレーション結果例を示している。また、図１６（ｄ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置した場合のシミュレーション結果例を示している。図１６（ｄ）より、図１６（ｂ）と比較すると、虚像の歪みが適切に除去されていることがわかる。また、図１６（ｃ）と比較すると、虚像の弓なりの歪みが適切に除去されていることがわかる。

　図１７は、両眼でのシミュレーション結果の一例を示している。図１７（ａ）～（ｄ）では、シミュレーションより得られた虚像を実線及び破線で示しており、参照スクリーンの形状を一点鎖線の枠で示している。具体的には、左眼で観察される虚像を実線で示しており、右眼で観察される虚像を破線で示している。

　図１７（ａ）は、角度φが変化された際にＥＰＥ１１のチルト角を変化させなかった場合、つまり視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度になるようにＥＰＥ１１のチルト角を変化させなかった場合のシミュレーション結果例を示している。この場合には、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが「９０度」から「９８度」に変化するものとする。また、図１７（ａ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図１７（ａ）より、虚像の歪みが生じていることがわかる。具体的には、図９（ｂ）に示した、直線ａと軸ｃとの成す角度φが変化される前の初期状態での結果と比較すると、新たな虚像の歪みが生じていると共に、両眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いが大きくなっていることがわかる。

　図１７（ｂ）は、角度φが変化された際にＥＰＥ１１のチルト角を変化させなかった場合、つまり視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度になるようにＥＰＥ１１のチルト角を変化させなかった場合のシミュレーション結果例を示している。この場合には、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが「９０度」から「９８度」に変化するものとする。また、図１７（ｂ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置した場合のシミュレーション結果例を示している。図１７（ｂ）より、図１７（ａ）と比較すると、虚像の弓なりの歪みが抑制されているが、図９（ｃ）に示した、直線ａと軸ｃとの成す角度φが変化される前の初期状態での結果と比較すると、新たな虚像の歪みが生じていると共に、両眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いが大きくなっていることがわかる。

　図１７（ｃ）は、変化後の角度φに応じてＥＰＥ１１のチルト角を変化させた場合、つまり視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度になるようにＥＰＥ１１のチルト角を変化させた場合のシミュレーション結果例を示している。また、図１７（ｃ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図１７（ｃ）より、図１７（ａ）と比較すると、虚像の歪みが適切に軽減されていると共に、両眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いが適切に軽減されていることがわかる。

　図１７（ｄ）は、変化後の角度φに応じてＥＰＥ１１のチルト角を変化させた場合、つまり視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度になるようにＥＰＥ１１のチルト角を変化させた場合のシミュレーション結果例を示している。また、図１７（ｄ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置した場合のシミュレーション結果例を示している。図１７（ｄ）より、図１７（ｂ）と比較すると、虚像の歪みが適切に軽減されていると共に、両眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いが適切に軽減されていることがわかる。また、図１７（ｃ）と比較すると、虚像の弓なりの歪みが適切に除去されていることがわかる。

　以上説明した第３実施例によれば、コンバイナ１３が軸ｅ回りにチルトされた場合に、ＥＰＥ１１を軸ｄ回りに適切にチルトさせることで（具体的には、視線方向に対して略直交する方向にＥＰＥ１１が配置されるように、ＥＰＥ１１をチルトさせることで）、コンバイナ１３をチルトさせることで生じる虚像の歪みを適切に抑制することができる。

　なお、上記の第１実施例で述べた理由より、コンバイナ１３のチルト角が変化された場合に、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが厳密に９０度になるように、ＥＰＥ１１のチルト角を変化させなくても良い。つまり、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが９０度付近の角度になるように、ＥＰＥ１１のチルト角を変化させても良い。

　また、第３実施例は、上記した第２実施例と組み合わせて実施することができる。つまり、コンバイナ１３のチルト角が変化された場合に、視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θが略９０度になるように、ＥＰＥ１１のチルト角を変化させる制御を行うと共に、レーザプロジェクタ１から照射される光によってＥＰＥ１１上に形成される像の歪みを補正する処理を行うことができる。

　［変形例］
　次に、上記した実施例の変形例について説明する。なお、以下で提示する変形例は、上記した第１乃至第３実施例に適宜組み合わせて実施することができると共に、それぞれを適宜組み合わせて実施することができる。

　（変形例１）
　上記した実施例では、ユーザが虚像を見上げるように構成された虚像表示装置１００、１０１を示したが、変形例１は、ユーザが虚像を見下ろすように構成された虚像表示装置に関する。

　図１８は、変形例１に係る虚像表示装置１０２の全体構成を概略的に示したブロック図である。なお、第１実施例に係る虚像表示装置１００（図１及び図３参照）と同様の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

　図１８に示すように、変形例１に係る虚像表示装置１０２は、ユーザが見下ろすことで虚像を観察可能に構成されている点で、第１実施例に係る虚像表示装置１００などと異なる。具体的には、第１実施例に係る虚像表示装置１００では、ユーザが見上げることで虚像が観察できるように、ＥＰＥ１１及びコンバイナ１３を、それぞれ軸ｄ、ｅを中心軸にして反時計回りの方向にチルトさせていたが、変形例１に係る虚像表示装置１０２では、ユーザが見下ろすことで虚像が観察できるように、ＥＰＥ１１及びコンバイナ１３を、それぞれ軸ｄ、ｅを中心軸にして時計回りの方向にチルトさせる。このような変形例１に係る構成でも、第１実施例などと同様に、視線方向に対して略直交する方向にＥＰＥ１１が配置される。

　（変形例２）
　変形例２は、レーザプロジェクタ１及びＥＰＥ１１の代わりに、液晶ディスプレイを用いる点で、上記した実施例と異なる。

　図１９は、変形例２に係る虚像表示装置１０４の全体構成を概略的に示したブロック図である。なお、第１実施例に係る虚像表示装置１００（図１及び図３参照）と同様の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

　図１９に示すように、変形例２に係る虚像表示装置１０４は、レーザプロジェクタ１及びＥＰＥ１１の代わりに、液晶ディスプレイ２００を有する点で、第１実施例に係る虚像表示装置１００などと異なる。液晶ディスプレイ２００は、本発明の「画像形成素子」の一例に相当する。液晶ディスプレイ２００も、上記した第１実施例などと同様に、視線方向に対して略直交する方向に配置される。

　なお、レーザプロジェクタ１及びＥＰＥ１１の代わりに、液晶ディスプレイ２００を用いることに限定はされない。他の例では、レーザプロジェクタ１及びＥＰＥ１１の代わりに、有機ＥＬディスプレイを用いることができる。この場合、有機ＥＬディスプレイは、本発明の「画像形成素子」の一例に相当する。

　（変形例３）
　変形例３は、ＥＰＥ１１の射出側に配置されたフィールドレンズの構成が、上記した実施例と異なる。具体的には、変形例３に係るフィールドレンズは、ＥＰＥ１１からの光が入射する面（つまり入射面）が凸面形状に構成されていると共に、ＥＰＥ１１からの光が入射する面と反対側の面（つまり出射面）が凸面形状に構成されている。即ち、変形例３に係るフィールドレンズは、両凸球面の形状を有している。また、変形例３に係るフィールドレンズは、その中心とＥＰＥ１１の中心とを結んだ軸が、ＥＰＥ１１の鉛直方向に延びる軸と平行になるように配置されている。フィールドレンズから出射された光は、コンバイナ１３に入射する。なお、変形例３に係るフィールドレンズも、本発明における「虚像歪補正素子」の一例に相当する。

　図２０は、変形例３に係るフィールドレンズを用いた場合のシミュレーション結果の一例を示す。なお、シミュレーションは、下記のようなパラメータを用いて行ったものとする。
・視線方向に対するＥＰＥ１１の角度θ（軸ｃと軸ｂとの成す角度）：９０度
・ＥＰＥ１１の中心Ｃ１からコンバイナ１３の中心Ｃ２に入射した光線と反射した光線との成す角度φ（直線ａと軸ｃとの成す角度）：２４度
・ＥＰＥ１１の中心Ｃ１とコンバイナ１３の中心Ｃ２との間隔Ｙ１（直線ａに沿って測った距離）：１７０ｍｍ
・コンバイナ１３の中心Ｃ２とアイポイントとの間隔Ｙ２：５００ｍｍ
・目から虚像までの距離：１５００ｍｍ
・ＥＰＥ１１上に形成された中間像のサイズ：水平方向の長さ７５ｍｍ×垂直方向の長さ２５ｍｍ（なお、中間像の形状は、図５に示すように、歪みの無い正方形が並べられた格子像である）
・参照スクリーンサイズ：水平方向の長さ４５０ｍｍ×垂直方向の長さ１５０ｍｍ
・コンバイナ１３の曲率半径：４００ｍｍ（コンバイナ１３の形状は球面）
・フィールドレンズの入射側凸面の曲率半径：８００ｍｍ
・フィールドレンズの射出側凸面の曲率半径：１７０ｍｍ
・フィールドレンズの中心厚み：８ｍｍ
・ＥＰＥ１１とフィールドレンズ入射面との間隔：２ｍｍ（ＥＰＥ１１とフィールドレンズの中心は一致するものとする）
・フィールドレンズの屈折率：１．５２６
　図２０（ａ）は、変形例３に係るフィールドレンズを用いた場合のアイボックスセンターでのシミュレーション結果の一例を示し、図２０（ｂ）は、変形例３に係るフィールドレンズを用いた場合の両眼でのシミュレーション結果の一例を示している。図２０（ａ）及び（ｂ）より、両凸球面に構成されたフィールドレンズを用いた場合にも、虚像の歪み（弓なりの歪みなど）を適切に抑制できていることがわかる。

　（変形例４）
　上記した実施例では、本発明をレーザプロジェクタ１に適用する例を示したが、本発明は、レーザプロジェクタ１以外にも、液晶プロジェクタなどの種々のプロジェクタに適用することができる。

　（変形例５）
　上記した実施例では、球面形状に構成されたフィールドレンズ１２及びコンバイナ１３に本発明を適用する例を示したが、本発明は、非球面形状に構成されたフィールドレンズ及び／又はコンバイナにも適用することができる。また、上記した実施例では、平面形状に構成されたＥＰＥ１１に本発明を適用する例を示したが、ＥＰＥ１１を平面形状に構成することに限定はされない。

　以上に述べたように、実施例は、上述した実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能である。

　本発明は、ヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイなどの、虚像として画像を視認させる虚像表示装置に利用することができる。

　１　レーザプロジェクタ
　１１　射出瞳拡大素子（ＥＰＥ）
　１２　フィールドレンズ
　１３　コンバイナ
　１５　角度センサ
　１６　アクチュエータ
　１００　虚像表示装置

Claims (17)

1. 　表示すべき画像を形成する画像形成素子と、
   　前記画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる光学素子と、を備え、
   　前記光学素子は、前記画像形成素子から出射された光の進行方向に向かって凹形状を有しており、
   　前記光学素子には、前記画像形成素子から出射された光が他の光学素子によって反射されることなく入射され、
   　前記画像形成素子は、前記光学素子を通して前記虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されていることを特徴とする虚像表示装置。
2. 　前記光学素子の傾きが変更された場合に、前記画像形成素子が、前記虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されるように、前記画像形成素子の傾きを変化させる傾き変更手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 　前記画像形成素子と前記光学素子との間に、虚像歪補正素子が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の虚像表示装置。
4. 　前記虚像歪補正素子は、前記光学素子が曲率を有することに起因する、前記虚像の弓なりの歪みを補正することを特徴とする請求項３に記載の虚像表示装置。
5. 　前記光学素子には、前記画像形成素子から出射された光が直接入射されることを特徴とする請求項１又は２に記載の虚像表示装置。
6. 　前記画像形成素子は、光源から照射された光の射出瞳を拡大する射出瞳拡大素子であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 　前記光源から照射された光によって前記画像形成素子上に形成される像の歪みを補正する補正手段を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の虚像表示装置。
8. 　前記補正手段は、前記光源から照射された光の前記画像形成素子に対する角度に起因する、前記像の歪みを補正することを特徴とする請求項７に記載の虚像表示装置。
9. 　前記画像形成素子は、液晶ディスプレイであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
10. 　前記画像形成素子は、有機ＥＬディスプレイであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
11. 　前記光学素子は、前記画像形成素子から出射された光の出射方向に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
12. 　前記光が出射される前記画像形成素子の面が、前記虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
13. 　前記画像形成素子は、前記光学素子によって反射された光が照射されない位置に配置されていることを特徴とすることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
14. 　前記画像形成素子は、平面形状であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
15. 　前記画像形成素子の中心と前記光学素子の中心とを結んだ直線に対して垂直に交差し、前記画像形成素子の中心を通る軸を定義すると、
    　前記画像形成素子は、前記軸回りの角度が、前記虚像を視認する方向に対応する軸に対して略９０度となるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
16. 　表示すべき画像を形成する画像形成素子と、
    　前記画像形成素子から出射された光を凹面で反射することで虚像を表示させる光学素子と、を備え、
    　前記光学素子は、前記画像形成素子から出射された光の出射方向に配置され、
    　前記画像形成素子は、前記光学素子を通して前記虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されていることを特徴とする虚像表示装置。
17. 　表示すべき画像を形成する画像形成素子から出射された光を、前記画像形成素子から出射された光の出射方向に配置された凹面を有する光学素子で反射させることで虚像を表示させる虚像表示装置であって、
    　前記画像形成素子は、前記光学素子を通して前記虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置されていることを特徴とする虚像表示装置。

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