WO2019097868A1 - 虚像表示装置 - Google Patents

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大山　実
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株式会社Ｊｖｃケンウッド
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    • G02B2027/014—Head-up displays characterised by optical features comprising information/image processing systems

Definitions

  • the present invention relates to a virtual image display device.
  • the above technique is premised on increasing the viewing distance to the presentation position of the virtual image seen in front of the user in order to reduce double images. It is preferable that generation of a double image can be suitably reduced regardless of the visual distance of the virtual image.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and an object thereof is to provide a technique for improving the visibility of a virtual image to be presented.
  • the virtual image display apparatus includes a display unit that modulates illumination light to generate image display light, and a projection optical system that projects the image display light toward the virtual image presentation plate.
  • the projection optical system includes a main concave mirror that reflects the image display light toward the virtual image presentation plate, and a sub-concave mirror that reflects the image display light toward the main concave mirror.
  • the main concave mirror is disposed such that the image display light is directed to be incident on the main concave mirror in the direction along the reference plane, assuming that a plane along both the incident direction and the emission direction of the image display light on the virtual image presentation plate is a reference plane.
  • the sub-concave mirror is arranged to be oriented such that the image display light is incident on the sub-concave mirror in the direction intersecting the reference plane.
  • the virtual image display apparatus includes a display unit that modulates illumination light to generate image display light, and a projection optical system that projects the image display light toward the virtual image presentation plate.
  • the image display light is reflected by the first main surface of the virtual image display plate and is refracted by the first display light toward the user, and is refracted by the first main surface, and the second main surface of the virtual image display plate facing the first main surface And the second display light which is refracted at the first main surface and directed to the user.
  • the projection optical system includes a concave first reflection region for reflecting the first display light toward the virtual image presentation plate, and a concave second reflection region for reflecting the second display light toward the virtual image presentation plate.
  • the projection optical system is a synthetic optical system including a virtual image presentation plate and a projection optical system, wherein the second display light passes more than the first focal length of the synthetic optical system on the first optical path through which the first display light passes.
  • the second focal length of the combining optical system on the two optical paths is configured to be short, and the display unit is disposed at a position between the first focus and the second focus of the combining optical system.
  • the visibility of a virtual image can be improved by reducing the generation of a double image.
  • FIGS. 6A and 6B are diagrams schematically showing astigmatism of a light beam obliquely incident on the concave mirror. It is a figure which shows typically reduction of the astigmatism by two concave mirrors.
  • 8 (a) to 8 (c) are diagrams showing in detail the configuration of the virtual image display device according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a configuration of a virtual image display device 10 according to an embodiment.
  • the virtual image display device 10 is installed in the dashboard of the vehicle 60, which is an example of a mobile object.
  • the virtual image display device 10 is a so-called head-up display device.
  • the virtual image display device 10 projects image display light on a windshield 62 which is a virtual image presentation plate, and presents a virtual image 50 in the forward direction of the vehicle 60 (the right direction in FIG. 1).
  • a user E such as a driver can visually recognize the virtual image 50 superimposed on the real landscape through the windshield 62. Therefore, the user E can obtain the information shown in the virtual image 50 without moving the sight line while the vehicle is traveling.
  • the traveling direction (front-rear direction) of the vehicle 60 is z direction
  • the top-bottom direction (vertical direction) of the vehicle 60 is y-direction
  • the left-right direction of the vehicle 60 is x-direction.
  • the virtual image display device 10 includes an illumination unit 11, a display unit 12, a projection optical system 14, and a control unit 40.
  • the illumination unit 11 is a light source for generating display light, and generates illumination light for illuminating the display unit 12.
  • the illumination unit 11 includes a light emitting element such as a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD), and an optical element for adjusting the intensity distribution and the angular distribution of the output light from the light emitting element.
  • the illumination unit 11 provides the display unit 12 with white light of substantially uniform brightness.
  • the configuration of the illumination unit 11 is not particularly limited, but in order to adjust the output light from the light emitting element, an optical element such as a light tunnel, a Fresnel lens, or a light diffusion plate can be used, for example.
  • the display unit 12 modulates the illumination light from the illumination unit 11 to generate display light, and forms an intermediate image corresponding to the display content of the virtual image 50.
  • the display unit 12 includes a transmissive image display element for generating display light, and includes a display device such as a transmissive liquid crystal panel.
  • the image display element receives the image signal transmitted from the control unit 40, and generates image display light of the display content corresponding to the image signal.
  • the display unit 12 may further include an optical element for adjusting the direction and light distribution angle of the image display light.
  • the display unit 12 may be, for example, a projection unit such as a DMD (Digital Mirror Device) other than a transmissive liquid crystal panel, a LCOS (Liquid Crystal on Silicon), or an LSM (Laser Scanning Module) such as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). It may be configured to be combined with a transmission type screen such as a microlens array sheet or a light diffusion sheet.
  • a projection unit such as a DMD (Digital Mirror Device) other than a transmissive liquid crystal panel, a LCOS (Liquid Crystal on Silicon), or an LSM (Laser Scanning Module) such as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
  • a transmission type screen such as a microlens array sheet or a light diffusion sheet.
  • the projection optical system 14 projects the image display light generated by the display unit 12 toward the windshield 62.
  • the projection optical system 14 includes a main concave mirror 16 and a sub concave mirror 18.
  • the main concave mirror 16 reflects the image display light from the display unit 12 toward the windshield 62.
  • the sub concave mirror 18 is disposed between the display unit 12 and the main concave mirror 16 and adjusts the direction of the image display light directed from the display unit 12 to the main concave mirror 16.
  • the projection optical system 14 may further include an additional optical element (not shown), and may be further provided with, for example, a plane mirror for folding the optical path from the illumination unit 11 to the main concave mirror 16.
  • the additional plane mirror may be disposed between the illumination unit 11 and the display unit 12 or may be disposed between the display unit 12 and the sub-concave mirror 18.
  • the projection optical system 14 may further be provided with two or more plane mirrors.
  • the control unit 40 generates a display image, and operates the illumination unit 11 and the display unit 12 so that the virtual image 50 corresponding to the display image is presented.
  • the control unit 40 is connected to the external device 64, and generates a display image based on the information from the external device 64.
  • the external device 64 is a device that generates the original data of the image displayed as the virtual image 50.
  • the external device 64 is, for example, an electronic control unit (ECU) of the vehicle 60, a navigation device, a mobile device such as a mobile phone, a smartphone, or a tablet.
  • the external device 64 transmits image data necessary for displaying the virtual image 50, information indicating the content and type of the image data, and information on the vehicle 60 such as the speed and current position of the vehicle 60 to the control unit 40.
  • ECU electronice control unit
  • FIG. 2 is a view schematically showing the generation of a double image caused by the virtual image presentation plate 22.
  • an optical element such as a concave mirror disposed between the virtual image presentation plate 22 and the display unit 92 is omitted for simplification of the description.
  • the virtual image presenting plate 22 has a predetermined thickness t, and has a first major surface 23 and a second major surface 24.
  • the first major surface 23 corresponds to the inboard interface of the windshield 62
  • the second major surface 24 corresponds to the inboard interface of the windshield 62.
  • the projection optical system 114 is configured such that the first light path L1 and the second light path L2 directed from the virtual image presentation plate 22 to the user E coincide with each other.
  • the first light path L1 and the second light path L2 become parallel or substantially parallel, and the second light path L2 is farther from the first light path L1 when viewed from the user E Do.
  • the image display light passing through each of the first light path L 1 and the second light path L 2 is reflected by different regions 131 and 132 of the concave mirror 116.
  • the second reflection area 132 where the second display light passing through the second light path L2 is reflected is higher than the first reflection area 131 where the first display light passing through the first light path L1 is reflected. It is located on the side (closer to the virtual image presentation board 22). Because of such an optical arrangement, than the first display light incident reflection angle phi a1 in the first reflective region 131 toward the second display light incident reflection angle phi a2 in the second reflective region 132 increases.
  • the distance to the light convergence position may change according to the incident angle.
  • the focal length of the concave mirror is f and the incident angle of light incident on the concave mirror is ⁇
  • the focal length of obliquely incident light is expressed as f ⁇ cos ⁇
  • the focal length f ⁇ cos ⁇ decreases as the incident / reflecting angle ⁇ increases. . Therefore, in the configuration of FIG. 4, since the incident / reflecting angle ⁇ a1 is relatively small in the first reflection region 131, the focal distance becomes relatively long. On the other hand, in the second reflection region 132, since the incident / reflecting angle ⁇ a2 is relatively large, the focal length becomes relatively short.
  • FIG. 5 is a view schematically showing a focal position of a light beam obliquely incident on the concave mirror 116, and shows a case where a parallel light beam is incident on the concave mirror 116.
  • the convergence position (first focal point) F1 of the parallel luminous flux reflected by the first reflection area 131 is the convergence position (second focal point) F2 of the parallel luminous flux reflected by the second reflection area 132. It gets farther than that.
  • an intersection point (also referred to as a reference point) F0 of the light flux reflected by the first reflection area 131 and the light flux reflected by the second reflection area 132 is located between the first focus F1 and the second focus F2. .
  • the display unit 112 is disposed at or near the reference point F0 between the first focal point F1 and the second focal point F2, thereby suppressing the occurrence of double images. Since the display unit 112 is disposed on the near side (near the concave mirror 116) with respect to the focal point (first focal point F1) on the first optical path L1, the luminous flux of the first display light passing through the first optical path L1 is The convergent light converges toward E. As a result, the first display light presents a virtual image 150 which is viewed at a finite distance as viewed from the user E.
  • the display unit 112 is disposed on the back side (far from the main concave mirror) with respect to the focal point (second focal point F2) on the second optical path L2, the second display light passes through the second optical path L2.
  • the luminous flux becomes divergent light diverging toward the user E.
  • the second display light is not imaged as viewed from the user E and presents blurred light. Therefore, according to the present comparative example, the virtual image 150 is presented at a finite distance based on the first display light reflected by the first main surface 23 of the virtual image presentation plate 22, and the virtual image 150 is reflected by the second main surface 24. It is possible to prevent the imaging of the second display light. This makes it possible to present the virtual image 150 at a finite distance that is easy for the user to view while suppressing the occurrence of double images.
  • the “sagittal plane” is a plane including the optical axis of the synthetic optical system 120 and is a plane orthogonal to the meridional plane, and the xz plane in the example of FIG. 4 corresponds to the sagittal plane.
  • the convergent positions F1m and F1s of the parallel light flux are different between the meridional plane and the sagittal plane, and the sagittal in-plane focal point F1s is located farther from the concave mirror 116 than the meridional in-plane focal point F1m. This is because, as described in FIG. 5, the focal length in the meridional plane where the light beam is obliquely incident is shortened to f ⁇ cos ⁇ .
  • the illustrated xz plane is a sagittal plane of the main concave mirror 16 and a meridional plane of the sub-concave mirror 18.
  • the sub-concave mirror 18 acts to relatively shorten the focal point F2s in the xz plane among the focal points F2m and F2s of the combining optical system 20. That is, the sagittal in-plane focal point F2s of the combined optical system 20 is positioned on the front side of the sagittal in-plane focal point F1s' when the light path is folded back using the plane mirror instead of the sub-concave mirror 18.
  • the illumination unit 11, the display unit 12, and the sub concave mirror 18 are arranged in order in the x direction.
  • the sub-concave mirror 18 is disposed so as to reflect the image display light L incident in the x-direction toward the sub-concave mirror 18 in the z-direction, as shown in FIG. 8B.
  • the main concave mirror 16 is arranged to reflect the image display L incident in the z direction toward the main concave mirror 16 upward to the virtual image presentation plate 22.
  • the first display light passing through the first light path L1 is incident on the first reflection area 31 of the main concave mirror 16, and the second display light passing through the second light path L2 is the second above the first reflection area 31. It is configured to be incident on the reflective area 32.
  • the first display light incident reflection angle phi a1 is toward the second display light incident reflection angle phi a2 increases in the main concave mirror 16.
  • the second display light passes more than the first focal length on the first optical path L1 through which the first display light passes.
  • the second focal length on the light path L2 can be shortened.
  • the display unit 12 is disposed at or near the intersection of the first light path L1 and the second light path L2, and is disposed at a position between the first focus F1 and the second focus F2 shown in FIG.
  • the display unit 12 includes a first focus of the combining optical system 20 on the first optical path L1 through which the first display light passes, and a second displaying in the combining optical system 20 including the virtual image presentation plate 22 and the projection optical system 14. It is disposed at a position between the second optical path L2 of the combining optical system 20 and the second optical path L2 through which light passes.
  • the amount of astigmatism in the combining optical system 20 in which the main concave mirror 16 and the sub concave mirror 18 are combined can be reduced.
  • the amounts of astigmatism generated in each of the main concave mirror 16 and the sub concave mirror 18 may be made equal.
  • Product f a ⁇ cos [phi a of the cosine cos [phi a focal length f a and incident reflection angle phi a of the image display light L in the main concave mirror 16 of the main concave mirror 16, the focal length f b and the auxiliary concave mirror 18 of the auxiliary concave mirror 18 product f b ⁇ cos ⁇ b of cosine cos [phi b of the incoming reflection angle phi b of the image display light L may be such that the equivalent.
  • the median in-plane focal length f a ⁇ cos ⁇ a of the main concave mirror 16 is not less than 0.5 times and twice or less the median in-plane focal length f b ⁇ cos ⁇ b of the sub-concave mirror 18 It is possible to preferably prevent a decrease in imaging performance caused by point aberration.
  • the projection optical system 14 is configured by the concave mirror, the generation of the chromatic aberration due to the transmission type optical element such as a lens can be prevented, and the virtual image 50 with higher definition can be presented. .
  • the present invention was explained with reference to the above-mentioned embodiment, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, but what was suitably combined and replaced with composition shown in each display example. Are also included in the present invention.
  • the projection optical system 14 is configured such that the meridional surface of the main concave mirror 16 and the meridional surface of the sub concave mirror 18 are orthogonal to each other.
  • the projection optical system 14 may be configured such that the meridional planes of the main concave mirror 16 and the sub concave mirror 18 are not strictly orthogonal to each other, but both intersect each other.
  • the image display light L incident on the main concave mirror 16 is a direction along the reference plane
  • the image display light L incident on the sub-concave mirror 18 may be configured to cross the reference plane.
  • one of the first reflection area 31 for reflecting the first display light toward the virtual image presentation plate 22 and the second reflection area 32 for reflecting the second display light toward the virtual image presentation plate 22 is one.
  • the case where it comprises by two concave mirrors 16 was shown.
  • each of the first reflection area 31 and the second reflection area 32 may be configured by separate optical members.
  • the first reflective area 31 and the second reflective area 32 may be configured to have the same curved surface shape, or may be configured to have curved surfaces having different shapes.
  • each of the first reflection area 31 and the second reflection area 32 may be a spherical surface having different curvatures, or may be an aspheric surface (free-form surface) defined by different parameters.
  • a projection optical system is comprised by a concave mirror.
  • the projection optical system may be configured by combining additional lenses and the like.
  • the visibility of a virtual image can be improved by reducing the generation of a double image.

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Abstract

虚像表示装置１０は、照明光を変調して画像表示光を生成する表示部１２と、画像表示光Ｌを虚像提示板２２に向けて投射する投射光学系１４と、を備える。投射光学系１４は、画像表示光Ｌを虚像提示板２２に向けて反射させる主凹面鏡１６と、画像表示光Ｌを主凹面鏡１６に向けて反射させる副凹面鏡１８と、を含む。虚像提示板２２における画像表示光Ｌの入射方向と出射方向の双方に沿う平面を基準面としたとき、主凹面鏡１６は、画像表示光Ｌが基準面に沿う方向に主凹面鏡１６に入射する向きとなるよう配置され、副凹面鏡１８は、画像表示光Ｌが基準面に交差する方向に副凹面鏡１６に入射する向きとなるよう配置される。

Description

虚像表示装置
　本発明は、虚像表示装置に関する。
　近年、車両用表示装置としてヘッドアップディスプレイが用いられることがある。ヘッドアップディスプレイは、画像表示光を車両のウィンドシールドなどに投射し、画像表示光に基づく虚像を車外の風景に重畳して表示する。ウィンドシールドには車内側と車外側の二つの界面があるため、それぞれの界面にて反射して視認される画像表示光がずれて重畳され、二重像に見えてしまうことがある。このような二重像の発生を抑制するため、二重像のずれ量が人間の目の分解能以内となるように視距離を設定し、その視距離を実現する光学配置を得るための数式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６２－２２５４２９号公報
　上述の技術では、二重像を低減するためにユーザの前方に見える虚像の提示位置までの視距離を大きくすることが前提とされる。虚像の視距離によらずに二重像の発生を好適に低減できることが好ましい。
　本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、提示する虚像の視認性を向上させる技術を提供することを目的とする。
　本発明のある態様は、虚像提示板を介してユーザに虚像を提示するための虚像表示装置である。この虚像表示装置は、照明光を変調して画像表示光を生成する表示部と、画像表示光を虚像提示板に向けて投射する投射光学系と、を備える。投射光学系は、画像表示光を虚像提示板に向けて反射させる主凹面鏡と、画像表示光を主凹面鏡に向けて反射させる副凹面鏡と、を含む。虚像提示板における画像表示光の入射方向と出射方向の双方に沿う平面を基準面としたとき、主凹面鏡は、画像表示光が基準面に沿う方向に主凹面鏡に入射する向きとなるよう配置され、副凹面鏡は、画像表示光が基準面に交差する方向に副凹面鏡に入射する向きとなるよう配置される。
　本発明の別の態様もまた、虚像提示板を介してユーザに虚像を提示するための虚像表示装置である。この虚像表示装置は、照明光を変調して画像表示光を生成する表示部と、画像表示光を虚像提示板に向けて投射する投射光学系と、を備える。画像表示光は、虚像提示板の第１主面にて反射されてユーザに向かう第１表示光と、第１主面で屈折し、第１主面に対向する虚像提示板の第２主面にて反射されてから第１主面で屈折してユーザに向かう第２表示光とを含む。投射光学系は、第１表示光を虚像提示板に向けて反射させる凹面形状の第１反射領域と、第２表示光を虚像提示板に向けて反射させる凹面形状の第２反射領域とを含む。投射光学系は、虚像提示板および投射光学系により構成される合成光学系において、第１表示光が通る第１光路上での合成光学系の第１焦点距離よりも第２表示光が通る第２光路上での合成光学系の第２焦点距離が短くなるよう構成されており、表示部は、合成光学系の第１焦点と第２焦点の間の位置に配置される。
　なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
　本発明によれば、二重像の発生を低減して虚像の視認性を向上させることができる。
実施の形態に係る虚像表示装置の構成を模式的に示す図である。 虚像提示板に起因する二重像の発生を模式的に示す図である。 楔ガラスによる二重像の抑制を模式的に示す図である。 比較例に係る虚像表示装置の光学配置を示す図である。 凹面鏡に斜入射する光束の焦点位置を模式的に示す図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、凹面鏡に斜入射する光束の非点収差を模式的に示す図である。 二枚の凹面鏡による非点収差の低減を模式的に示す図である。 図８（ａ）～（ｃ）は、実施の形態に係る虚像表示装置の構成を詳細に示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施の形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
　図１は、実施の形態に係る虚像表示装置１０の構成を模式的に示す図である。本実施の形態では、移動体の一例である車両６０のダッシュボード内に虚像表示装置１０が設置される。虚像表示装置１０は、いわゆるヘッドアップディスプレイ装置である。虚像表示装置１０は、虚像提示板であるウインドシールド６２に画像表示光を投射し、車両６０の進行方向（図１の右方向）の前方に虚像５０を提示する。運転者などのユーザＥは、ウインドシールド６２を介して現実の風景に重畳される虚像５０を視認できる。そのため、ユーザＥは、車両の走行中に視線をほとんど動かすことなく虚像５０に示される情報を得ることができる。図１において、車両６０の進行方向（前後方向）をｚ方向、車両６０の天地方向（上下方向）をｙ方向、車両６０の左右方向をｘ方向としている。
　虚像表示装置１０は、照明部１１と、表示部１２と、投射光学系１４と、制御部４０とを備える。照明部１１は、表示光を生成するための光源であり、表示部１２を照明するための照明光を生成する。照明部１１は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）などの発光素子と、発光素子からの出力光の強度分布や角度分布を調整するための光学素子とを有する。照明部１１は、ほぼ一様な明るさの白色光を表示部１２に提供する。照明部１１の構成は特に限られないが、発光素子からの出力光を整えるために、例えば、ライトトンネル、フレネルレンズ、光拡散板などの光学素子を用いることができる。
　表示部１２は、照明部１１からの照明光を変調して表示光を生成し、虚像５０の表示内容に対応する中間像を形成する。表示部１２は、表示光を生成するための透過型の画像表示素子を含み、透過型の液晶パネルといった表示デバイスを含む。画像表示素子は、制御部４０から送信される画像信号を受け、画像信号に対応する表示内容の画像表示光を生成する。表示部１２は、画像表示光の向きや配光角を整えるための光学素子をさらに含んでもよい。また、表示部１２は、例えば、透過型液晶パネル以外のＤＭＤ（Digital Mirror Device）やＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）方式等のＬＳＭ（Laser Scanning Module）といったプロジェクションユニットと、マイクロレンズアレイシートや光拡散シートといった透過型スクリーンとを組み合わせた構成としてもよい。
　投射光学系１４は、表示部１２が生成する画像表示光をウインドシールド６２に向けて投射する。投射光学系１４は、主凹面鏡１６と、副凹面鏡１８とを含む。主凹面鏡１６は、表示部１２からの画像表示光をウインドシールド６２に向けて反射させる。副凹面鏡１８は、表示部１２と主凹面鏡１６の間に配置され、表示部１２から主凹面鏡１６に向かう画像表示光の向きを調整する。
　投射光学系１４は、図示しない追加の光学素子をさらに含んでもよく、例えば、照明部１１から主凹面鏡１６までの光路を折り返すための平面鏡などがさらに設けられてもよい。追加の平面鏡は、照明部１１と表示部１２の間に配置されてもよいし、表示部１２と副凹面鏡１８の間に配置されてもよい。投射光学系１４に二枚以上の平面鏡がさらに設けられてもよい。
　制御部４０は、表示用画像を生成し、表示用画像に対応する虚像５０が提示されるように照明部１１および表示部１２を動作させる。制御部４０は、外部装置６４と接続されており、外部装置６４からの情報に基づいて表示用画像を生成する。
　外部装置６４は、虚像５０として表示される画像の元データを生成する装置である。外部装置６４は、例えば、車両６０の電子制御ユニット（ＥＣＵ；Electronic Control Unit）や、ナビゲーション装置、携帯電話やスマートフォン、タブレットといったモバイル装置などである。外部装置６４は、虚像５０の表示に必要な画像データ、画像データの内容や種別を示す情報、車両６０の速度や現在位置といった車両６０に関する情報を制御部４０に送信する。
　本実施の形態では、二枚の凹面鏡１６，１８を組み合わせるとともに、表示部１２を所定の位置に配置することにより、ウインドシールド６２の車内側と車外側の二つの界面で反射して視認される画像表示光がずれて提示されて二重像に見えてしまうのを抑制する。実施の形態に係る光学配置を詳述する前に、比較例を参照しながらこのような二重像の発生について説明する。
　図２は、虚像提示板２２に起因する二重像の発生を模式的に示す図である。図２では、説明の簡略化のため、虚像提示板２２と表示部９２の間に配置される凹面鏡などの光学素子を省略している。虚像提示板２２は、所定の厚みｔを有し、第１主面２３と、第２主面２４とを有する。第１主面２３は、ウインドシールド６２の車内側の界面に対応し、第２主面２４は、ウインドシールド６２の車外側の界面に対応する。
　表示部９２の任意の一点からユーザＥに達する画像表示光Ｌは、主に二つの光路Ｌ１，Ｌ２を通る。第１光路Ｌ１は、第１主面２３で反射されてユーザＥに向かう光路であり、第２光路Ｌ２は、第１主面２３で屈折し、第２主面２４で反射された後、第１主面２３で再度屈折してユーザＥに向かう光路である。このとき、ユーザＥに向かう第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２の間に角度差Δθが存在すると、その角度差Δθに応じて二つの光路Ｌ１，Ｌ２のそれぞれを通る画像表示光がずれて視認され、虚像１５０に二重像が生じる。なお、第１主面２３と第２主面２４の間を多重反射してユーザＥに向かう光路も想定しうるが、多重反射してユーザＥに向かう画像表示光の成分は小さく、通常の使用態様において無視できる。
　図３は、楔ガラスによる二重像の抑制を模式的に示す図である。図３の虚像提示板２２２は、いわゆる「楔ガラス」と言われるものであり、虚像提示板２２２の厚みが場所に応じて変化するよう構成されている。その結果、虚像提示板２２２の第１主面２２３と第２主面２２４は、虚像表示装置１１０に対して互いに異なる傾斜角を有し、角度差δが設けられる。二つの主面２２３，２２４の間に角度差δが設けられた楔ガラスを用いることにより、図２に示すような第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２の角度差Δθが補正され、二重像を抑制させた虚像２５０を提示できる。
　しかしながら、このような「楔ガラス」は角度差δを精密に制御して形成する必要があるため、厚さｔが均一な通常のガラスと比べて高価である。また、車両６０のウインドシールド６２を楔ガラスにする場合には、車両６０の形状に応じた専用の楔ガラスが必要となるだけでなく、ウインドシールド６２の全体を交換しなければならないため、非常にコストがかかる。したがって、このような特殊な楔ガラスを用いずに二重像の発生を低減できることが好ましい。
　図４は、比較例に係る虚像表示装置１１０の光学配置を詳細に示す図である。比較例に係る虚像表示装置１１０は、照明部１１１と、表示部１１２と、投射光学系１１４とを備え、投射光学系１１４が一枚の凹面鏡１１６で構成される。本比較例では、表示部１１２および凹面鏡１１６の配置を適切に設定することで、上述の楔ガラスを用いなくても二重像の発生が抑制される。
　図４の構成では、虚像提示板２２からユーザＥに向かう第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２とが一致するように投射光学系１１４が構成される。その結果、虚像提示板２２と凹面鏡１１６の間の区間において第１光路Ｌ１および第２光路Ｌ２が平行ないし略平行となり、ユーザＥから見て第１光路Ｌ１よりも第２光路Ｌ２が遠くに位置する。また、第１光路Ｌ１および第２光路Ｌ２のそれぞれを通る画像表示光は、凹面鏡１１６の異なる領域１３１，１３２で反射される。具体的には、第１光路Ｌ１を通る第１表示光が反射される第１反射領域１３１よりも、第２光路Ｌ２を通る第２表示光が反射される第２反射領域１３２の方が上側（虚像提示板２２に近い側）に位置する。このような光学配置のため、第１反射領域１３１における第１表示光の入反射角φａ１よりも第２反射領域１３２における第２表示光の入反射角φａ２の方が大きくなる。
　一般に、凹面鏡に平行光束を斜入射させると、その入射角に応じて光の収束位置までの距離（つまり、焦点距離）が変化しうる。凹面鏡の焦点距離をｆ、凹面鏡に入射する光の入射角をφとすると、斜入射する光の焦点距離はｆ・ｃｏｓφと表され、入反射角φが大きいほど焦点距離ｆ・ｃｏｓφは小さくなる。したがって、図４の構成において、第１反射領域１３１では入反射角φａ１が相対的に小さいため、焦点距離が相対的に長くなる。一方で、第２反射領域１３２では入反射角φａ２が相対的に大きいため、焦点距離が相対的に短くなる。
　図５は、凹面鏡１１６に斜入射する光束の焦点位置を模式的に示す図であり、凹面鏡１１６に平行光束を入射させた場合を示す。図示されるように、第１反射領域１３１にて反射される平行光束の収束位置（第１焦点）Ｆ１は、第２反射領域１３２にて反射される平行光束の収束位置（第２焦点）Ｆ２よりも遠くになる。また、第１反射領域１３１にて反射される光束と第２反射領域１３２にて反射される光束の交点（基準点ともいう）Ｆ０は、第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２の間に位置する。
　図４の比較例では、表示部１１２を第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２の間の基準点Ｆ０またはその近傍に配置することで二重像の発生が抑制される。表示部１１２は、第１光路Ｌ１上での焦点（第１焦点Ｆ１）よりも手前側（凹面鏡１１６の近く）に配置されるため、第１光路Ｌ１を通る第１表示光の光束は、ユーザＥに向かって収束する収束光となる。その結果、第１表示光は、ユーザＥから見て有限の距離に視認される虚像１５０を提示する。その一方で、表示部１１２は、第２光路Ｌ２上での焦点（第２焦点Ｆ２）よりも奥側（主凹面鏡から遠く）に配置されるため、第２光路Ｌ２を通る第２表示光の光束は、ユーザＥに向かって発散する発散光となる。その結果、第２表示光は、ユーザＥから見て結像されず、ぼやけた光を提示する。したがって、本比較例によれば、虚像提示板２２の第１主面２３で反射される第１表示光に基づいて有限の距離に虚像１５０を提示するとともに、第２主面２４で反射される第２表示光の結像を防ぐことができる。これにより、二重像の発生を抑制しつつ、ユーザにとって見やすい有限の距離に虚像１５０を提示できる。
　しかしながら、図４の比較例では、一枚の凹面鏡１１６に画像表示光Ｌを斜入射させているため、非点収差が発生しうる。ここでいう「非点収差」とは、合成光学系１２０のメリディオナル（meridional）面内焦点とサジタル（sagittal）面内焦点の不一致をいう。このような非点収差が生じると、虚像１５０の横方向（ｘ方向）の結像位置と縦方向（ｙ方向）の結像位置にずれが生じ、結像性能の低下につながる。なお、「メリディオナル面」とは合成光学系１２０の光軸と画像表示光Ｌの主光線を含む平面のことをいい、図４のおけるｙｚ平面がメリディオナル面に相当する。一方、「サジタル面」とは、合成光学系１２０の光軸を含む平面であってメリディオナル面に直交する平面であり、図４の例におけるｘｚ平面がサジタル面に相当する。
　図６（ａ）、（ｂ）は、凹面鏡１１６に入射する平行光束の非点収差を模式的に示す図であり、それぞれ異なる視点から見た図である。図６（ａ）は、上述の図５に対応し、虚像提示板２２および凹面鏡１１６で構成される合成光学系１２０のメリディオナル面（ｙｚ平面）内での光束を模式的に示す。図６（ｂ）は、虚像提示板２２および凹面鏡１１６で構成される合成光学系１２０のサジタル面(ｘｚ平面）内での光束を模式的に示している。図示されるように、メリディオナル面とサジタル面では平行光束の収束位置Ｆ１ｍ，Ｆ１ｓが異なり、メリディオナル面内焦点Ｆ１ｍよりもサジタル面内焦点Ｆ１ｓの方が凹面鏡１１６から遠くに位置する。これは、図５にて説明したように、光束が斜めに入射するメリディオナル面内での焦点距離がｆ・ｃｏｓφに短くなることに起因する。
　メリディオナル面内焦点Ｆ１ｍとサジタル面内焦点Ｆ１ｓの間のずれである非点較差Ａｓを小さくするには、凹面鏡１１６の入反射角φを小さくすればよい。しかしながら、凹面鏡１１６により画像表示光Ｌを虚像提示板２２に投射する構成では、凹面鏡１１６の入反射角φを顕著に小さくすることは難しい。そこで、本実施の形態では、二枚の凹面鏡を組み合わせることにより、それぞれの凹面鏡にて生じる非点収差の特性が反対となるようにし、投射光学系全体としての非点収差が小さくなるようにする。
　図７は、二枚の凹面鏡１６，１８による非点収差の低減を模式的に示す図である。図７の例では、二枚の凹面鏡がねじれ配置となるように構成している。符号Ｆ１ｍ，Ｆ１ｓは、主凹面鏡１６のみの場合のメリディオナル面内焦点およびサジタル面内焦点を示し、符号Ｆ２ｍ，Ｆ２ｓは、主凹面鏡１６および副凹面鏡１８を組み合わせた合成光学系２０のメリディオナル面内焦点およびサジタル面内焦点を示す。二枚の凹面鏡１６，１８がねじれ配置であるため、図示されるｘｚ平面は、主凹面鏡１６におけるサジタル面である一方、副凹面鏡１８におけるメリディオナル面である。その結果、副凹面鏡１８は、合成光学系２０の焦点Ｆ２ｍ，Ｆ２ｓのうちｘｚ平面内の焦点Ｆ２ｓを相対的に短くするように作用する。つまり、副凹面鏡１８の代わりに平面鏡を用いて光路を折り返した場合のサジタル面内焦点Ｆ１ｓ’よりも手前側に合成光学系２０のサジタル面内焦点Ｆ２ｓが位置することとなり、メリディオナル面内焦点Ｆ２ｍとの間の距離（つまり、非点較差）を小さくできる。これにより、上述の比較例よりも結像性能の優れた光学系を実現することができ、より解像度の高い虚像５０を提示できる。
　図８（ａ）～（ｃ）は、実施の形態に係る虚像表示装置の構成を詳細に示す図であり、それぞれ異なる視点から見た図である。図８（ａ）は、図１に対応し、ｙｚ平面で見た構成を示す。図８（ｂ）は、ｘｚ平面で見た構成を示し、図８（ｃ）は、ｘｙ平面で見た構成を示す。
　図８（ｃ）に示されるように、照明部１１、表示部１２および副凹面鏡１８は、ｘ方向に順に並んで配置されている。副凹面鏡１８は、図８（ｂ）に示されるように、副凹面鏡１８に向けてｘ方向に入射する画像表示光Ｌをｚ方向に反射させるように配置される。主凹面鏡１６は、図８（ａ）に示されるように、主凹面鏡１６に向けてｚ方向の入射する画像表示Ｌを虚像提示板２２に向けて上方に反射させるように配置される。
　図８（ａ）～（ｃ）では、虚像提示板２２の第１主面２３にて反射される第１表示光が通る第１光路Ｌ１を基準に描いている。つまり、図８（ａ）～（ｃ）にて実線で示される光路は、第１光路Ｌ１に相当する。一方、虚像提示板２２の第２主面２４にて反射される第２表示光が通る第２光路Ｌ２は、破線で描かれており、第１光路Ｌ１よりも僅かに上側に位置する。表示部１２から主凹面鏡１６までの第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２は非平行であり、ｙ方向に向きが異なっている。具体的には、第１光路Ｌ１を通る第１表示光が主凹面鏡１６の第１反射領域３１に入射し、第２光路Ｌ２を通る第２表示光が第１反射領域３１より上側の第２反射領域３２に入射するように構成されている。その結果、主凹面鏡１６における第１表示光の入反射角φａ１よりも第２表示光の入反射角φａ２の方が大きくなる。これにより、虚像提示板２２と投射光学系１４で構成される合成光学系２０において、第１表示光が通る第１光路Ｌ１上での第１焦点距離よりも、第２表示光が通る第２光路Ｌ２上での第２焦点距離を短くできる。
　表示部１２は、第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２の交点またはその近傍に配置されており、図５に示した第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２の間の位置に配置されている。表示部１２は、虚像提示板２２と投射光学系１４で構成される合成光学系２０において、第１表示光が通る第１光路Ｌ１上での合成光学系２０の第１焦点と、第２表示光が通る第２光路Ｌ２上での合成光学系２０の第２焦点との間の位置に配置されている。その結果、第１表示光に基づく虚像５０をユーザＥから見て有限の距離（例えば２ｍ～７ｍ程度）に提示することができ、かつ、ユーザＥから見て第２表示光に基づく虚像が結像されにくくなる。これにより、二重像の発生を抑制できる。
　本実施の形態によれば、主凹面鏡１６と副凹面鏡１８がねじれ配置となっているため、主凹面鏡１６と副凹面鏡１８を組み合わせた合成光学系２０における非点収差量を小さくできる。合成光学系２０の非点収差量を小さくするためには、主凹面鏡１６および副凹面鏡１８のそれぞれにて発生する非点収差量が同等となるようにすればよい。主凹面鏡１６の焦点距離ｆａと主凹面鏡１６における画像表示光Ｌの入反射角φａの余弦ｃｏｓφａとの積ｆａ・ｃｏｓφａが、副凹面鏡１８の焦点距離ｆｂと副凹面鏡１８における画像表示光Ｌの入反射角φｂの余弦ｃｏｓφｂとの積ｆｂ・ｃｏｓφｂが同等となるようにすればよい。例えば、主凹面鏡１６のメディオナル面内焦点距離ｆａ・ｃｏｓφａが副凹面鏡１８のメディオナル面内焦点距離ｆｂ・ｃｏｓφｂの０．５倍以上２倍以下となるように設計することで、非点収差に起因する結像性能の低下を好適に防ぐことができる。
　本実施の形態によれば、投射光学系１４を凹面鏡により構成しているため、レンズなどの透過型の光学素子に起因する色収差の発生を防ぐことができ、より高精細な虚像５０を提示できる。
　以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、各表示例に示す構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。
　上述の実施の形態では、主凹面鏡１６のメリディオナル面と副凹面鏡１８のメリディオナル面が直交するように投射光学系１４を構成する場合について示した。変形例においては、主凹面鏡１６および副凹面鏡１８のメリディオナル面が厳密に直交するのではなく、両者が互いに交差するよう投射光学系１４を構成してもよい。虚像提示板２２における画像表示光Ｌの入射方向と反射方向の双方に沿う平面を基準面（例えばｙｚ平面）としたとき、主凹面鏡１６に入射する画像表示光Ｌが基準面に沿う方向となる一方、副凹面鏡１８に入射する画像表示光Ｌが基準面に交差する方向となるように構成されてもよい。
　上述の実施の形態では、第１表示光を虚像提示板２２に向けて反射させる第１反射領域３１と、第２表示光を虚像提示板２２に向けて反射させる第２反射領域３２とを一つの凹面鏡１６で構成する場合を示した。変形例においては、第１反射領域３１および第２反射領域３２のそれぞれが別々の光学部材により構成されてもよい。また、第１反射領域３１および第２反射領域３２は、同等の曲面形状で構成されてもよいし、それぞれが異なる形状の曲面で構成されてもよい。後者の場合、第１反射領域３１および第２反射領域３２のそれぞれが曲率の異なる球面であってもよいし、それぞれが異なるパラメータで定義される非球面（自由曲面）であってもよい。
　上述の実施の形態では、二枚の凹面鏡を組み合わせることにより非点収差を低減する構成について示した。変形例では、図４に示す比較例のように一枚の凹面鏡を用いて二重像を抑制する構成としてもよい。
　上述の実施の形態では、凹面鏡により投射光学系を構成する場合について示した。変形例においては、追加のレンズ等を組み合わせて投射光学系を構成してもよい。
　１０…虚像表示装置、１２…表示部、１４…投射光学系、１６…主凹面鏡、１８…副凹面鏡、２０…合成光学系、２２…虚像提示板、２３…第１主面、２４…第２主面、３１…第１反射領域、３２…第２反射領域、５０…虚像、６０…車両、６２…ウインドシールド、Ｌ…画像表示光、Ｌ１…第１光路、Ｌ２…第２光路。
　本発明によれば、二重像の発生を低減して虚像の視認性を向上させることができる。

Claims (8)

  1. 　虚像提示板を介してユーザに虚像を提示するための虚像表示装置であって、
    　照明光を変調して画像表示光を生成する表示部と、
    　前記画像表示光を前記虚像提示板に向けて投射する投射光学系と、を備え、
    　前記投射光学系は、前記画像表示光を前記虚像提示板に向けて反射させる主凹面鏡と、前記画像表示光を前記主凹面鏡に向けて反射させる副凹面鏡と、を含み、
    　前記虚像提示板における前記画像表示光の入射方向と出射方向の双方に沿う平面を基準面としたとき、前記主凹面鏡は、前記画像表示光が前記基準面に沿う方向に前記主凹面鏡に入射する向きとなるよう配置され、前記副凹面鏡は、前記画像表示光が前記基準面に交差する方向に前記副凹面鏡に入射する向きとなるよう配置されることを特徴とする虚像表示装置。
  2. 　前記副凹面鏡は、前記画像表示光が前記基準面に直交する平面に沿う方向に前記副凹面鏡に入射する向きとなるよう配置されることを特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。
  3. 　前記投射光学系は、前記主凹面鏡の焦点距離ｆａと前記主凹面鏡における前記画像表示光の入反射角φａの余弦ｃｏｓφａとの積ｆａ・ｃｏｓφａが、前記副凹面鏡の焦点距離ｆｂと前記副凹面鏡における前記画像表示光の入反射角φｂの余弦ｃｏｓφｂとの積ｆｂ・ｃｏｓφｂの０．５倍以上２倍以下となるように構成されることを特徴とする請求項２に記載の虚像表示装置。
  4. 　前記投射光学系は、前記主凹面鏡の焦点距離ｆａと前記主凹面鏡における前記画像表示光の入反射角φａの余弦ｃｏｓφａとの積ｆａ・ｃｏｓφａよりも前記副凹面鏡の焦点距離ｆｂと前記副凹面鏡における前記画像表示光の入反射角φｂの余弦ｃｏｓφｂとの積ｆｂ・ｃｏｓφｂが大きくなるように構成されることを特徴とする請求項２または３に記載の虚像表示装置。
  5. 　前記画像表示光は、前記虚像提示板の第１主面にて反射されて前記ユーザに向かう第１表示光と、前記第１主面で屈折し、前記第１主面に対向する前記虚像提示板の第２主面にて反射されてから前記第１主面で屈折して前記ユーザに向かう第２表示光とを含み、
    　前記投射光学系は、前記虚像提示板および前記投射光学系により構成される合成光学系において、前記第１表示光が通る第１光路上での前記合成光学系の第１焦点距離よりも前記第２表示光が通る第２光路上での前記合成光学系の第２焦点距離が短くなるよう構成されており、
    　前記表示部は、前記合成光学系の第１焦点と第２焦点の間の位置に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  6. 　前記主凹面鏡は、前記第１表示光が入射する第１反射領域と、前記第２表示光が入射する第２反射領域とを有し、前記第１反射領域における前記第１表示光の入反射角よりも前記第２反射領域における前記第２表示光の入反射角が大きくなるよう構成されることを特徴とする請求項５に記載の虚像表示装置。
  7. 　虚像提示板を介してユーザに虚像を提示するための虚像表示装置であって、
    　照明光を変調して画像表示光を生成する表示部と、
    　前記画像表示光を前記虚像提示板に向けて投射する投射光学系と、を備え、
    　前記画像表示光は、前記虚像提示板の第１主面にて反射されて前記ユーザに向かう第１表示光と、前記第１主面で屈折し、前記第１主面に対向する前記虚像提示板の第２主面にて反射されてから前記第１主面で屈折して前記ユーザに向かう第２表示光とを含み、
    　前記投射光学系は、前記第１表示光を前記虚像提示板に向けて反射させる凹面形状の第１反射領域と、前記第２表示光を前記虚像提示板に向けて反射させる凹面形状の第２反射領域とを含み、
    　前記投射光学系は、前記虚像提示板および前記投射光学系により構成される合成光学系において、前記第１表示光が通る第１光路上での前記合成光学系の第１焦点距離よりも前記第２表示光が通る第２光路上での前記合成光学系の第２焦点距離が短くなるよう構成されており、
    　前記表示部は、前記合成光学系の第１焦点と第２焦点の間の位置に配置されることを特徴とする虚像表示装置。
  8. 　前記虚像提示板は、車両に設けられる厚さが均一なウインドシールドであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
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