WO2019240230A1 - 虚像表示装置 - Google Patents

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WO2019240230A1
WO2019240230A1 PCT/JP2019/023542 JP2019023542W WO2019240230A1 WO 2019240230 A1 WO2019240230 A1 WO 2019240230A1 JP 2019023542 W JP2019023542 W JP 2019023542W WO 2019240230 A1 WO2019240230 A1 WO 2019240230A1
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virtual image
optical system
distance
plane
user
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PCT/JP2019/023542
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Inventor
成晃 伊藤
Original Assignee
株式会社Ｊｖｃケンウッド
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays

Definitions

  • the present invention relates to a virtual image display device.
  • head-up displays are sometimes used as vehicle display devices.
  • the head-up display projects image display light onto a windshield of the vehicle and displays a virtual image based on the image display light superimposed on the scenery outside the vehicle. Since the windshield has two interfaces on the vehicle inner side and the vehicle outer side, the image display light that is reflected and visually recognized at each interface may be shifted and superimposed, and may appear as a double image.
  • the viewing distance is set so that the shift amount of the double image is within the resolution of the human eye, and an equation for obtaining an optical arrangement that realizes the viewing distance is It has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
  • the viewing distance to the virtual image presentation position that is visible in front of the user is about 20 m in order to reduce double images. Even when a virtual image is presented so as to appear closer, it is preferable that generation of a double image can be suitably reduced. Moreover, it is preferable that a virtual image can be presented with a natural appearance even when the height of the user's viewpoint changes.
  • the present invention has been made in view of the above 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 device includes a display unit that generates image display light and a projection optical system that includes a projection mirror that projects the image display light toward a virtual image presentation board.
  • the projection optical system is configured so that the focal point in the meridional plane and the focal point in the sagittal plane of the synthesis optical system composed of the virtual image presentation plate and the projection optical system are different. This is the condensing position of the parallel light beam when the parallel light beam is incident from the user toward the virtual image presentation board along the plane, and the in-plane focal point of the composite optical system is the user along the sagittal plane of the virtual image presentation board.
  • the virtual image display device has a first distance D1 and a second distance D2 when the first distance to the sagittal image plane position of the virtual image viewed from the user is D1 and the second distance to the meridional image plane position of the virtual image is D2.
  • the difference between the reciprocals of each is configured to be 0.25 [m ⁇ 1 ] or less.
  • FIGS. 7A and 7B are diagrams schematically showing astigmatism of a parallel light beam incident on a partial region of a concave curved surface.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams schematically showing the height positions of both eyes. It is a figure which shows typically how a virtual image looks when the height position of both eyes differs in embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of a virtual image display device 10 according to an embodiment.
  • virtual image display device 10 is installed in the dashboard of vehicle 60 that is an example of a moving body.
  • the virtual image display device 10 is a so-called head-up display device.
  • the virtual image display device 10 projects image display light onto a windshield 62 that is a virtual image presentation board, and presents the virtual image 50 in front of the traveling direction of the vehicle 60 (right direction in FIG. 1).
  • a user E such as a driver can visually recognize the virtual image 50 superimposed on the actual scenery through the windshield 62. Therefore, the user E can obtain the information shown in the virtual image 50 without moving the line of sight while the vehicle is traveling.
  • the traveling direction (front-rear direction) of the vehicle 60 is the z direction
  • the vertical direction (vertical direction) of the vehicle 60 is the y direction
  • the left and right direction of the vehicle 60 is the 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 an LED (Light Emitting Diode) or an LD (Laser Diode), and an optical element for adjusting the intensity distribution and angle distribution of output light from the light emitting element.
  • the illumination unit 11 provides white light with substantially uniform brightness to the display unit 12.
  • the configuration of the illuminating unit 11 is not particularly limited, but an optical element such as a light tunnel, a Fresnel lens, or a light diffusing plate can be used to adjust the output light from the light emitting element.
  • the display unit 12 modulates the illumination light from the illumination unit 11 to generate display light, and forms an intermediate image (real 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 an image signal transmitted from the control unit 40 and generates image display light having display contents 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 is a projection unit such as a DMSM (Digital Mirror Device) other than a transmissive liquid crystal panel, an LCOS (Liquid Crystal Silicon) Silicon), or a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) type LSM (Laser Scanning Module). Further, a configuration in which a transmissive screen such as a microlens array sheet or a light diffusion sheet is combined may be used.
  • DMSM Digital Mirror Device
  • LCOS Liquid Crystal Silicon
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • 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 transmissive optical element such as a convex lens and a reflective optical element such as a concave mirror. The specific configuration of the projection optical system 14 will be described later separately.
  • the control unit 40 generates a display image and operates the illumination unit 11 and the display unit 12 so that a 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 information from the external device 64.
  • External device 64 is a device that generates original data of an image displayed as 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 information related to the vehicle 60 such as image data necessary for displaying the virtual image 50, information indicating the content and type of the image data, and the speed and current position of the vehicle 60 to the control unit 40.
  • ECU electronice control unit
  • the external device 64 transmits information related to the vehicle 60 such as image data necessary for displaying the virtual image 50, information indicating the content and type of the image data, and the speed and current position of the vehicle 60 to the control unit 40.
  • a factor that causes the virtual image 50 to be seen as a double image is that image display light reflected and viewed at two interfaces on the inside and outside of the windshield 62 is presented in a shifted manner.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the generation of a double image caused by the virtual image presentation board 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 description.
  • the virtual image presentation board 22 has a predetermined thickness t, and has a first surface 23 and a second surface 24.
  • the first surface 23 corresponds to the vehicle inner interface of the windshield 62
  • the second surface 24 corresponds to the vehicle outer interface of the windshield 62.
  • the image display light L reaching the user's eyes E from an arbitrary point on the display unit 92 mainly passes through the two optical paths L1 and L2.
  • the first optical path L1 is an optical path reflected from the first surface 23 toward the user's eye E
  • the second optical path L2 is refracted by the first surface 23 and reflected by the second surface 24, and then the first This is an optical path that is refracted again at the surface 23 and travels toward the user's eye E.
  • an angle difference ⁇ exists between the first optical path L1 and the second optical path L2 toward the user's eyes E, the image display light passing through each of the two optical paths L1 and L2 is shifted according to the angular difference ⁇ .
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing double image suppression by wedge glass.
  • the virtual image presentation board 82 in FIG. 3 is a so-called “wedge glass”, and is configured such that the thickness of the virtual image presentation board 82 changes depending on the location.
  • the first surface 83 and the second surface 84 of the virtual image presentation plate 82 have different inclination angles with respect to the user E's line-of-sight direction, and are provided with an angle difference ⁇ .
  • the angle difference ⁇ between the first optical path L1 and the second optical path L2 as shown in FIG.
  • the suppressed virtual image 52 can be presented.
  • such a “wedge glass” needs to be formed by precisely controlling the angle difference ⁇ , and thus is more expensive than ordinary glass having a uniform thickness t.
  • the windshield 62 of the vehicle 60 is made of wedge glass, not only a dedicated wedge glass corresponding to the shape of the vehicle 60 is required, but also the entire windshield 62 must be replaced. Cost. Therefore, it is preferable that generation of double images can be reduced without using such special wedge glass.
  • FIG. 4 is a diagram showing in detail the optical arrangement of the virtual image display device 90 according to the comparative example.
  • the comparative example is different from the configuration of FIG. 4 in that a convex lens 94 is provided between the virtual image presentation board 22 and the display unit 92.
  • a convex lens 94 is provided between the virtual image presentation board 22 and the display unit 92.
  • the convex lens 94 by providing the convex lens 94, the first optical path L1 reflected from the first surface 23 of the virtual image presentation plate 22 after starting from any one point of the display unit 92 and the second of the virtual image presentation plate 22 are provided.
  • the angle difference from the second optical path L2 reflected by the surface 24 can be reduced.
  • the double image can be eliminated by eliminating the angular difference between the first optical path L1 and the second optical path L2. Can do.
  • the display unit 92 since the display unit 92 is disposed at the focal point of the combining optical system, the presentation position of the virtual image 53 when viewed from the user E is at infinity or near infinity.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a change in the appearance of the virtual image 53 when the eye height position changes in the comparative example.
  • code E A, E B also the height position of the user's eye as shown in E C (eyepoint trough also referred) is changed in the vertical , the direction in which the virtual image 53 is visible (the image display light L A, L B, the extending direction of the L C) does not change.
  • the virtual image 53 also appears to translate up and down.
  • the vertical movement amount ⁇ h of the user's eye points E A to E C is substantially equal to the vertical movement amount ⁇ k at the corresponding virtual image 53 presentation position.
  • This way of viewing is different from when viewing an object at a finite distance, such as several meters away, and may give the user a sense of discomfort.
  • the left and right eye heights are different, for example, by tilting the head, the presentation position of the virtual image 53 visually recognized by the left and right eyes is shifted by the difference between the left and right eye heights. There is a risk that the feeling of discomfort given will increase.
  • the virtual image is presented at a finite distance when viewed from the user in order to reduce discomfort in the appearance of the virtual image that may occur due to a change in the height position of the eyes. That is, in the comparative example of FIG. 4, the display unit 92 is arranged at a position shifted from the focus of the combining optical system. At this time, as the distance between the focal point of the display unit 92 and the combining optical system is increased, the virtual image presentation position can be arranged closer to the user as viewed from the user. Can be reduced. On the other hand, as the distance between the display unit 92 and the focal point of the combining optical system is increased, a trade-off occurs that a double image caused by the virtual image presentation plate 22 is easily perceived.
  • the inventors focused on the astigmatism of the composite optical system, and by appropriately setting the meridional image surface position and the sagittal image surface position of the virtual image, how the virtual image appears due to changes in the eye height position. We considered a method to alleviate the occurrence of double images while reducing the sense of discomfort. Details of astigmatism will be described later.
  • FIG. 6 is a diagram showing in detail the optical arrangement of the virtual image display device 10 according to the embodiment, and corresponds to the configuration of FIG. 1 described above.
  • the projection optical system 14 of the virtual image display device 10 includes a concave mirror 16 and a convex lens 18.
  • the concave mirror 16 projects the image display light L generated by the display unit 12 toward the virtual image presentation board 22.
  • the convex lens 18 is disposed between the display unit 12 and the concave mirror 16.
  • the convex lens 18 adjusts an astigmatism amount, a focal length, and the like of the combining optical system 20 configured by the virtual image presentation plate 22 and the projection optical system 14.
  • the projection optical system 14 may not include the convex lens 18, and another optical element such as a lens or a folding mirror may be added in addition to the illustrated optical element.
  • the image display light L is incident obliquely on the concave mirror 16 at an angle ⁇ , astigmatism (astigmatism difference) As occurs.
  • a deviation occurs between the meridional in-plane focal point 26 m and the sagittal in-plane focal point 26 s of the combining optical system 20.
  • the sagittal in-plane focal length is longer than the meridional in-plane focal length, so that the sagittal in-plane focal point 26 s is positioned farther from the concave mirror 16 than the meridional in-plane focal point 26 m.
  • the “meridional surface” refers to a plane including the optical axis of the combining optical system 20 and the principal ray of the image display light L
  • the yz plane in FIG. 6 corresponds to the meridional surface
  • the “sagittal plane” is a plane including the optical axis of the synthesis optical system 20 and orthogonal to the meridional plane
  • the xz plane in FIG. 6 corresponds to the sagittal plane.
  • FIG. 7 (a) and 7 (b) are diagrams schematically showing astigmatism of a parallel light beam incident on a partial region 98 of the concave curved surface 96, each viewed from different viewpoints.
  • FIG. 7A shows the light beam in the meridional surface (yz plane) of the concave curved surface 96
  • FIG. 7B shows the light beam in the sagittal surface (xz plane) of the concave curved surface 96.
  • the convergence positions Fm and Fs of the parallel light beams are different between the meridional plane and the sagittal plane, and the sagittal in-plane focus Fs is located farther from the concave curved surface 96 than the meridional in-plane focus Fm.
  • the focal length of the concave mirror is f and the incident angle of the light incident on the concave mirror is ⁇
  • the focal length of the obliquely incident light is expressed as f ⁇ cos ⁇
  • the focal length f ⁇ cos ⁇ becomes smaller as the incident reflection angle ⁇ becomes larger.
  • the focal length in the sagittal plane is increased to f / cos ⁇ .
  • the concave mirror 16 is determined by the characteristics and arrangement of the concave mirror 16, the convex lens 18, and the virtual image presentation plate 22 that constitute the synthetic optical system 20. Specifically, it is determined by the focal length of the concave mirror 16, the focal length of the convex lens 18, the focal length of the virtual image presentation plate 22, and the relative distance and orientation of the concave mirror 16, convex lens 18 and virtual image presentation plate 22.
  • the virtual image presentation plate 22 has a predetermined curvature
  • the first surface 23 has a concave surface
  • the second surface 24 has a convex shape
  • the image display light L is incident and reflected obliquely on the virtual image presentation plate 22. Astigmatism due to this can occur.
  • the virtual image presentation board 22 may have a shape in which the first surface 23 and the second surface 24 are flat. Further, the positions of the focal points 26m and 26s of the combining optical system 20 shown in FIG. 6 are schematically shown, and do not indicate an accurate focal position based on the optical arrangement of the combining optical system 20.
  • the display unit 12 is arranged at a position closer to the front side (convex lens 18 side) than the focal points 26m and 26s of the combining optical system 20, and the display unit 12 is arranged on the near side from the meridional in-plane focal point 26m by a distance d. Is done. Therefore, it appears to the user E that the virtual image 50 is presented at a finite viewing distance. Further, since there is an astigmatic difference As, the sagittal image surface 50s of the virtual image 50 that appears to be in focus in the horizontal direction (in the sagittal plane) and the virtual image 50 that appears to be in focus in the vertical direction (in the meridional plane).
  • the meridional image plane 50m is presented at a different distance in the depth direction when viewed from the user E. Specifically, the virtual image 50 is presented such that the first distance D1 to the sagittal image plane 50s viewed from the user E is shorter than the second distance D2 to the meridional image plane 50m. At this time, the user E mainly visually recognizes the virtual image formed at the position of the sagittal image surface 50s that can be seen on the near side.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing how the virtual image 50 looks when the height position of the eyes changes in the embodiment.
  • the presentation position of the virtual image 50 is a finite distance, and the position where the meridional image plane 50m can be seen does not change even if the user's eye points E A to E C move up and down. That is, in the embodiment, the direction or angle of the virtual image 50 appear (image display light L A, L B, direction or angle extension of L C) varies depending on the position of the eye point.
  • the vertical change amount ⁇ k of the sagittal image plane 50 s is smaller than the vertical change amount ⁇ h of the eye point.
  • ⁇ k ⁇ h ⁇ ⁇ (D2 ⁇ D1) / D2 ⁇ . Therefore, according to the present embodiment, the amount of vertical movement of the virtual image 50 caused by the change in the vertical direction of the eye point can be reduced and the sense of incongruity can be alleviated compared to the comparative example described above. .
  • the difference between the reciprocals of the first distance D1 and the second distance D2 is 0.25 [m ⁇ 1. ] (That is, (1 / D1) ⁇ (1 / D2) ⁇ 0.25 [m ⁇ 1 ]) is desirable.
  • this relational expression it is possible to focus the user's eyes E on both the meridional image plane 50m and the sagittal image plane 50s, and to prevent the occurrence of discomfort such as dizziness.
  • the second distance D2 is set within the range of 2 m to 4 m. If the first distance D1 is 3 m, the second distance D2 is preferably set within a range of 3 m to 12 m. If the first distance D1 is 4 m, the second distance D2 is limited to about 4 m to 20 m. It is preferable to set the distance.
  • the difference between the first distance D1 and the second distance D2 is small.
  • the second distance D2 less than or equal to twice the first distance D1
  • the vertical movement of the virtual image 50 can be made less conspicuous compared to the case where this is not the case.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams schematically showing the height positions of both eyes.
  • 9 (a) is the height position of the right eye E R and the left eye E L users shows a case same
  • FIG. 9 (b) a case where the height position of the right eye E R and the left eye E L of the user are different shows, shows the case where the right eye E R is at the position higher Delta] h LR than the left eye E L.
  • Difference Delta] h LR height position of the user's right eye E R and the left eye E L, for example a user is generated by tilted his head.
  • FIG. 10 is a diagram schematically illustrating how a virtual image looks when the height positions of both eyes E R and E L are different in the embodiment.
  • Figure 10 is a user of the eyes E R, shows the case where the position of E L is the state in FIG. 9 (b), shows a case where the right eye E R is at the position higher Delta] h LR than the left eye E L.
  • the direction or angle of the virtual image 50 appear image display light L L, L direction or angle extension of R
  • each visible sagittal image surface 50s primarily visual recognition of the right eye E R and the left eye E L of the users differ by .DELTA.k LR.
  • ⁇ ⁇ h LR ⁇ ⁇ (1 / D1) ⁇ (1 / D2) ⁇ .
  • the first distance D1 is smaller than the second distance D2, and D1 ⁇ D2.
  • the size of the vertical parallax ⁇ of the virtual image 50 presented by the virtual image display device 10 be equal to or less than the upper limit value ⁇ allowable by the user.
  • the upper limit value ⁇ h LR of the height position difference between both eyes E R and E L that the user can take is h LR.
  • an example of the upper limit value ⁇ of vertical parallax that a user can tolerate is 1 ⁇ 10 ⁇ 3 [rad] (that is, 1 mrad).
  • the unit of the first distance D1 and the second distance D2 is meter [m]
  • the unit of the upper limit value h LR of the height position difference between both eyes E R and E L is mm [mm]
  • ⁇ ( 1 / D1) ⁇ (1 / D2) ⁇ ⁇ 1 / h LR ⁇ ( 1 / D1) ⁇ (1 / D2) ⁇ ⁇ 1 / h LR .
  • the upper limit value h LR of the height position difference between both eyes E R and E L of the user is 4 mm
  • the first distance D1 and the second distance D2 are ⁇ (1 / D1) ⁇ (1 / D2) ⁇ . It may be set so that ⁇ 0.25 [m ⁇ 1 ].
  • the upper limit value ⁇ of the angle difference ⁇ between the eyes E R and E L is about 3.5 degrees.
  • the upper limit value h LR of the height position difference between the eyes E R and E L is 10 mm
  • the first distance D1 and the second distance D2 are ⁇ (1 / D1) ⁇ (1 / D2) ⁇ ⁇ 0. .1 [m ⁇ 1 ] may be set.
  • the upper limit value ⁇ of the angle difference ⁇ between the eyes E R and E L is about 9 degrees.
  • the present embodiment by appropriately setting the first distance D1 and the second distance D2, the occurrence of double images is reduced and dizziness due to the change in the eye height position shown in FIG. 8 is prevented. At the same time, it is possible to prevent dizziness due to the difference between the height positions of the eyes shown in FIG.
  • the first distance D1 is preferably set to 10 m or less. That is, the visibility of the virtual image 50 can be improved by arranging the position of the sagittal image surface 50s that the user mainly views at a position that is not too far from the user.
  • the present invention has been described with reference to the above-described embodiment.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the configuration shown in each display example is appropriately combined or replaced. Are also included in the present invention.
  • the vertical direction or the height direction is set based on the traveling direction of the vehicle 60 .
  • the vertical direction or the height direction may be set based on the line of sight of the user who visually recognizes the virtual image 50.
  • the direction perpendicular to the sagittal surface of the virtual image presentation board 22 (or the windshield 62) is the vertical direction or the high direction. It is good also as a direction.
  • the second distance D2 may be infinity. That is, the display unit 12 may be arranged at the meridional in-plane focal point 26m. In this case, the dizziness caused by the vertical parallax ⁇ can be prevented while eliminating the double image as in the comparative example of FIG.
  • the first distance D1 may be set so that D1 ⁇ h LR / ⁇ .
  • the first distance D1 may be 4 m or more.
  • the first distance D1 is preferably set to 10 m or less.
  • the positions of the sagittal in-plane focal point 26 s and the meridional in-plane focal point 26 m of the combining optical system 20 are the image display light passing through the first optical path L 1 reflected by the first main surface 23 of the virtual image presentation plate 22.
  • the curvatures of the first main surface 22 and the second main surface 23 are the same, and the thickness t of the virtual image presentation plate 22 is about 2 mm to 10 mm, for example, about 3 mm to 5 mm.
  • the difference in optical path length between the first optical path L1 and the second optical path L2 is very small, and the deviation of the focal position of the combining optical system 20 based on each of the first optical path L1 and the second optical path L2 is so small that it can be ignored. It can be said that they are substantially the same.
  • the positions of the sagittal in-plane focal point 26s and the meridional in-plane focal point 26m of the combining optical system 20 may be set with reference to the first optical path L1 or may be set with reference to the second optical path L2.
  • SYMBOLS 10 ... Virtual image display apparatus, 12 ... Display part, 14 ... Projection optical system, 16 ... Concave mirror, 18 ... Convex lens, 20 ... Synthetic optical system, 22 ... Virtual image presentation board, 26m ... Meridional in-plane focus, 26s ... Sagittal in-plane focus 50 ... Virtual image, 50m ... Meridional image plane, 50s ... Sagittal image plane.

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Abstract

本発明は、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。本発明の虚像表示装置（１０）は、虚像提示板（２２）を介してユーザに虚像を提示する。虚像表示装置（１０）は、画像表示光を生成する表示部（１２）と、画像表示光を虚像提示板（２２）に向けて投射する投射鏡（１６）を含む投射光学系（１４）と、を備える。投射光学系（１４）は、虚像提示板（２２）および投射光学系（１４）により構成される合成光学系（２０）のメリディオナル面内焦点（２６ｍ）とサジタル面内焦点（２６ｓ）が異なるよう構成される。虚像表示装置（１０）は、ユーザから見た虚像のサジタル像面位置（５０ｓ）までの第１距離をＤ１とし、虚像のメリディオナル像面位置（５０ｍ）までの第２距離Ｄ２としたとき、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２のそれぞれの逆数の差が０．２５［ｍ－１］以下となるように構成される。

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イ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。ウイ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２０ｍ程度にすることが前提とされる。より近い位置に見えるように虚像を提示する場合であっても二重像の発生を好適に低減できることが好ましい。また、ユーザの視点の高さが変化する場合であっても、自然な見え方で虚像を提示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。虚像表示装置は、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鏡を含む投射光学系と、を備える。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のメリディオナル面内焦点とサジタル面内焦点が異なるよう構成され、合成光学系のメリディオナル面内焦点は、虚像提示板のメリディオナル面に沿ってユーザから虚像提示板に向けて平行光束を入射させたときの当該平行光束の集光位置であり、合成光学系のサジタル面内焦点は、虚像提示板のサジタル面に沿ってユーザから虚像提示板に向けて平行光束を入射させたときの当該平行光束の集光位置である。虚像表示装置は、ユーザから見た虚像のサジタル像面位置までの第１距離をＤ１とし、虚像のメリディオナル像面位置までの第２距離をＤ２としたとき、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２のそれぞれの逆数の差が０．２５［ｍ－１］以下となるように構成される。
　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。 比較例において目の高さ位置が変化したときの虚像の見え方の変化を模式的に示す図である。 実施の形態に係る虚像表示装置の光学配置を詳細に示す図である。 図７（ａ），（ｂ）は、凹曲面の一部領域に入射する平行光束の非点収差を模式的に示す図である。 実施の形態において目の高さ位置が変化したときの虚像の見え方の変化を模式的に示す図である。 図９（ａ），（ｂ）は、両目の高さ位置を模式的に示す図である。 実施の形態において両目の高さ位置が異なる場合の虚像の見え方を模式的に示す図である。
　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（実像）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、凸レンズなどの透過型光学素子や凹面鏡などの反射型光学素子を含む。投射光学系１４の具体的構成は、別途後述する。
　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。
　以下、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二重像の発生について説明する。虚像５０が二重像として見えてしまう要因として、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ることが挙げられる。
　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面２３と、第２面２４とを有する。第１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の目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面２３で反射されてユーザの目Ｅに向かう光路であり、第２光路Ｌ２は、第１面２３で屈折し、第２面２４で反射された後、第１面２３で再度屈折してユーザの目Ｅに向かう光路である。このとき、ユーザの目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５１に二重像が生じる。なお、第１面２３と第２面２４の間を多重反射してユーザの目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８２は、いわゆる「楔ガラス」と言われるものであり、虚像提示板８２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８２の第１面８３と第２面８４は、ユーザＥの視線方向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。二つの面８３，８４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５２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９０の光学配置を詳細に示す図である。比較例は、虚像提示板２２と表示部９２の間に凸レンズ９４が設けられる点で図４の構成と異なる。本比較例では、凸レンズ９４を設けることにより、表示部９２の任意の一点から出発してから虚像提示板２２の第１面２３で反射される第１光路Ｌ１と、虚像提示板２２の第２面２４で反射される第２光路Ｌ２との間の角度差を低減できる。特に、虚像提示板２２と凸レンズ９４により構成される合成光学系の焦点に表示部９２を配置することで、第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２の角度差をなくして二重像を解消することができる。なお、図４の比較例では、表示部９２が合成光学系の焦点に配置されるため、ユーザＥから見たときの虚像５３の提示位置は無限遠または無限遠の近傍となる。
　図５は、比較例において目の高さ位置が変化したときの虚像５３の見え方の変化を模式的に示す図である。比較例では、虚像５３の提示位置が無限遠となるため、符号ＥＡ，ＥＢ，ＥＣで示すようにユーザの目の高さ位置（アイポイントといもいう）が上下に変化したとしても、虚像５３が見える方向（画像表示光ＬＡ，ＬＢ，ＬＣの延びる方向）は変わらない。その結果、ユーザのアイポイントＥＡ～ＥＣが上下に移動すると、虚像５３も同様に上下に平行移動したように見える。つまり、ユーザのアイポイントＥＡ～ＥＣの上下方向の移動量Δｈと、対応する虚像５３の提示位置での上下方向の移動量Δｋとがほぼ同等になる。このような見え方は、数メートル先といった有限の距離にある物体を見るときとは異なるため、ユーザに違和感を与えることがある。特に、頭部を傾げるなどして左右の目の高さが異なった状態では、左右のそれぞれの目で視認される虚像５３の提示位置が左右の目の高さの差分だけずれるため、ユーザに与える違和感が大きくなるおそれがある。
　そこで、本実施の形態では、目の高さ位置の変化によって生じうる虚像の見え方の違和感を低減するため、虚像がユーザから見て有限の距離に提示されるようにする。つまり、図４の比較例において、表示部９２を合成光学系の焦点からずらした位置に配置する。このとき、表示部９２と合成光学系の焦点の距離を大きくするほど、虚像の提示位置をユーザから見てより手前側に配置することができ、目の高さ位置の変化による虚像の見え方の違和感を低減できる。その一方で、表示部９２と合成光学系の焦点の距離を大きくするほど、虚像提示板２２に起因する二重像が知覚されやすくなるというトレードオフが生じる。そこで、本発明者らは、合成光学系の非点収差に着目し、虚像のメリディオナル像面位置とサジタル像面位置を適切に設定することで、目の高さ位置の変化による虚像の見え方の違和感を低減しつつ、二重像の発生を緩和する方法を考えた。非点収差の詳細については別途後述する。
　図６は、実施の形態に係る虚像表示装置１０の光学配置を詳細に示す図であり、上述の図１の構成に対応する。虚像表示装置１０の投射光学系１４は、凹面鏡１６および凸レンズ１８を含む。凹面鏡１６は、表示部１２が生成する画像表示光Ｌを虚像提示板２２に向けて投射する。凸レンズ１８は、表示部１２と凹面鏡１６の間に配置される。凸レンズ１８は、虚像提示板２２と投射光学系１４にて構成される合成光学系２０の非点収差量や焦点距離等を調整する。なお、投射光学系１４に凸レンズ１８が含まれなくてもよいし、図示する光学素子に加えてレンズや折り返しミラーといったさらに別の光学素子が追加されてもよい。
　合成光学系２０では、画像表示光Ｌが凹面鏡１６に角度θで斜入射するため、非点収差（非点較差）Ａｓが生じる。その結果、合成光学系２０のメリディオナル面内焦点２６ｍとサジタル（sagittal）面内焦点２６ｓとの間にずれが生じる。具体的には、メリディオナル面内焦点距離よりもサジタル面内焦点距離が長くなるため、メリディオナル面内焦点２６ｍよりもサジタル面内焦点２６ｓが凹面鏡１６の遠くに位置する。ここで、「メリディオナル面」とは合成光学系２０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６の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２０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６のｘｚ平面がサジタル面に相当する。
　図７（ａ），（ｂ）は、凹曲面９６の一部領域９８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７（ａ）は、凹曲面９６のメリディオナル面（ｙｚ平面）内での光束を示し、図７（ｂ）は、凹曲面９６のサジタル面(ｘｚ平面）内での光束を示す。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Ｆｍ，Ｆｓが異なり、メリディオナル面内焦点Ｆｍよりもサジタル面内焦点Ｆｓの方が凹曲面９６から遠くに位置する。これは、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）が変化するためである。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。つまり、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。一方、サジタル面内での焦点距離はｆ／ｃｏｓφに長くなる。
　図６の合成光学系２０の焦点は、合成光学系２０を構成する凹面鏡１６、凸レンズ１８および虚像提示板２２の特性および配置により決定される。具体的には、凹面鏡１６の焦点距離、凸レンズ１８の焦点距離、虚像提示板２２の焦点距離、凹面鏡１６、凸レンズ１８および虚像提示板２２の相対距離や向きにより決まる。例えば、虚像提示板２２が所定の曲率を有し、第１面２３が凹面、第２面２４が凸面となる形状を有する場合、虚像提示板２２にて画像表示光Ｌが斜めに入反射することによる非点収差が生じうる。なお、虚像提示板２２は、第１面２３および第２面２４が平面となる形状を有してもよい。また、図６に示される合成光学系２０の焦点２６ｍ，２６ｓの位置は模式的に示すものであり、合成光学系２０の光学配置に基づく正確な焦点位置を示すものではない。
　本実施の形態では、合成光学系２０の焦点２６ｍ，２６ｓより手前側（凸レンズ１８側）に離れて表示部１２が配置され、メリディオナル面内焦点２６ｍから距離ｄだけ手前側に表示部１２が配置される。そのため、ユーザＥからは有限の視距離に虚像５０が提示されるように見える。また、非点較差Ａｓがあるため、横方向（サジタル面内）のピントが合うように見える虚像５０のサジタル像面５０ｓと、縦方向（メリディオナル面内）のピントが合うように見える虚像５０のメリディオナル像面５０ｍとがユーザＥから見て奥行き方向に異なる距離に提示される。具体的には、ユーザＥから見たサジタル像面５０ｓまでの第１距離Ｄ１がメリディオナル像面５０ｍまでの第２距離Ｄ２よりも短くなるように虚像５０が提示される。このとき、ユーザＥは、手前側に見えるサジタル像面５０ｓの位置に形成される虚像を主として視認することになる。
　図８は、実施の形態において目の高さ位置が変化したときの虚像５０の見え方の変化を模式的に示す図である。実施の形態では、虚像５０の提示位置が有限の距離となり、ユーザのアイポイントＥＡ～ＥＣが上下に移動してもメリディオナル像面５０ｍが見える位置は変わらない。つまり、実施の形態では、虚像５０が見える方向または角度（画像表示光ＬＡ，ＬＢ，ＬＣの延びる方向または角度）がアイポイントの位置に応じて変化する。このとき、ユーザの各アイポイントＥＡ～ＥＣにて主として視認される手前側のサジタル像面５０ｓが見える位置は、画像表示光ＬＡ～ＬＣの延びる方向に応じて上下方向に変化しうる。しかしながら、サジタル像面５０ｓの上下方向の変化量Δｋは、アイポイントの上下方向の変化量Δｈよりも小さい。具体的には、上述の第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２を用いると、Δｋ＝Δｈ・｛（Ｄ２－Ｄ１）／Ｄ２｝となる。したがって、本実施の形態によれば、上述の比較例に比べて、アイポイントの上下方向の変化に起因する虚像５０の上下方向の移動量を低減でき、見え方の違和感を緩和させることができる。
　なお、二重像の発生とアイポイントの変化による見え方の違和感の緩和とを両立させるためには、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２のそれぞれの逆数の差が０．２５［ｍ－１］以下（つまり、（１／Ｄ１）－（１／Ｄ２）≦０．２５［ｍ－１］）となるように設定することが望ましい。この関係式を満たすようにすることで、メリディオナル像面５０ｍとサジタル像面５０ｓの双方にユーザの目Ｅのピントを合わせることができ、めまいが生じるといった違和感の発生を防ぐことができる。
　具体例を挙げると、第１距離Ｄ１が２ｍであれば、第２距離Ｄ２は２ｍ～４ｍの範囲内に設定することが好ましい。第１距離Ｄ１が３ｍであれば、第２距離Ｄ２は３ｍ～１２ｍの範囲内に設定することが好ましく、第１距離Ｄ１が４ｍであれば、第２距離Ｄ２は４ｍ～２０ｍ程度の有限の距離とすることが好ましい。
　また、アイポイントの上下方向の変化に起因する虚像５０の上下方向の移動量を低減させるためには、第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２の差は小さい方が好ましい。例えば、第２距離Ｄ２を第１距離Ｄ１の２倍以下とすることで、そうではない場合と比較して虚像５０の上下方向の移動をより目立たなくできる。
　つづいて、ユーザの両目の高さ位置が異なる場合にユーザが知覚する垂直視差の緩和について説明する。図９（ａ），（ｂ）は、両目の高さ位置を模式的に示す図である。図９（ａ）は、ユーザの右目ＥＲと左目ＥＬの高さ位置が同じ場合を示し、図９（ｂ）は、ユーザの右目ＥＲと左目ＥＬの高さ位置が異なる場合を示し、右目ＥＲが左目ＥＬよりもΔｈＬＲだけ高い位置にある場合を示している。ユーザの右目ＥＲと左目ＥＬの高さ位置の差ΔｈＬＲは、例えばユーザが頭部を傾げることで発生する。ユーザの右目ＥＲと左目ＥＬの高さ位置の差ΔｈＬＲは、ユーザの右目ＥＲと左目ＥＬの瞳孔間隔ｗと、ユーザの右目ＥＲと左目ＥＬを結んだ直線と水平線のなす角度Δβとを用いて、ΔｈＬＲ＝ｗ・ｓｉｎ（Δβ）と記述することができる。ユーザの右目ＥＲと左目ＥＬの瞳孔間隔ｗは個人差があるが、一般的に６０ｍｍ～７０ｍｍ程度である。
　図１０は、実施の形態において両目ＥＲ，ＥＬの高さ位置が異なる場合の虚像の見え方を模式的に示す図である。図１０は、ユーザの両目ＥＲ，ＥＬの位置が図９（ｂ）の状態となる場合を示し、右目ＥＲが左目ＥＬよりもΔｈＬＲだけ高い位置にある場合を示している。図８の場合と同様、虚像５０が見える方向または角度（画像表示光ＬＬ，ＬＲの延びる方向または角度）がユーザの右目ＥＲと左目ＥＬの高さ位置に応じて変化する。その結果、ユーザの右目ＥＲと左目ＥＬのそれぞれが主として視認するサジタル像面５０ｓが見える高さ位置はΔｋＬＲだけ異なっている。ユーザの両目ＥＲ，ＥＬが視認するサジタル像面５０ｓの高さ位置の差ΔｋＬＲは、ΔｋＬＲ＝ΔｈＬＲ・｛（Ｄ２－Ｄ１）／Ｄ２｝と記述できる。このとき、ユーザは、両目で視認するサジタル像面５０ｓの高さ位置の差を垂直視差（角度差）Δαとして知覚し、Δα＝ΔｋＬＲ／Ｄ１と記述できる。ここで、ユーザの両目ＥＲ，ＥＬの高さ位置の差ΔｈＬＲを用いて垂直視差Δαを表すと、Δα＝ΔｈＬＲ・｛（１／Ｄ１）－（１／Ｄ２）｝と記述できる。なお、第１距離Ｄ１は、第２距離Ｄ２よりも小さく、Ｄ１＜Ｄ２である。
　本発明者の知見によれば、ユーザが知覚する虚像５０の垂直視差Δαが大きすぎると、ユーザがめまいを感じるおそれがあることが分かっている。したがって、ユーザにめまいを感じさせないようにするため、虚像表示装置１０により提示される虚像５０の垂直視差Δαの大きさがユーザが許容しうる上限値α以下となるようにすることが好ましい。ここで、ユーザが虚像５０を視認する状況、例えば、ユーザが車両６０を運転している状況において、ユーザが取りうる両目ＥＲ，ＥＬの高さ位置の差ΔｈＬＲの上限値をｈＬＲとすると、｛（１／Ｄ１）－（１／Ｄ２）｝≦α／ｈＬＲとなることが好ましい。このような条件が満たされるように虚像表示装置１０の第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２を設定することで、垂直視差Δαに起因するめまいの発生を好適に防止できる。
　本発明者の知見によれば、ユーザが許容しうる垂直視差の上限値αの一例は、１×１０－３［ｒａｄ］（つまり、１ｍｒａｄ）である。この場合、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２の単位をメートル［ｍ］とし、両目ＥＲ，ＥＬの高さ位置の差の上限値ｈＬＲの単位をミリメートル［ｍｍ］とすると、｛（１／Ｄ１）－（１／Ｄ２）｝≦１／ｈＬＲと記述できる。例えば、ユーザの両目ＥＲ，ＥＬの高さ位置の差の上限値ｈＬＲを４ｍｍとした場合、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２を｛（１／Ｄ１）－（１／Ｄ２）｝≦０．２５［ｍ－１］となるように設定すればよい。このとき、両目ＥＲ，ＥＬの瞳孔間隔ｗを６５ｍｍとすれば、両目ＥＲ，ＥＬの角度差Δβの上限値βは、約３．５度である。また、両目ＥＲ，ＥＬの高さ位置の差の上限値ｈＬＲを１０ｍｍとする場合、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２を｛（１／Ｄ１）－（１／Ｄ２）｝≦０．１［ｍ－１］となるように設定すればよい。このとき、両目ＥＲ，ＥＬの角度差Δβの上限値βは、約９度である。
　本実施の形態によれば、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２を適切に設定することで、二重像の発生を低減し、図８に示される目の高さ位置の変化によるめまいを防ぐとともに、図１０に示される両目の高さ位置の差に起因するめまいを防ぐことができる。
　なお、虚像５０の視認性の観点から、第１距離Ｄ１は、１０ｍ以下に設定することが好ましい。つまり、ユーザが主に視認するサジタル像面５０ｓの位置をユーザから見て遠すぎない位置に配置することで、虚像５０の視認性を高めることができる。
　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、上下方向または高さ方向を車両６０の進行方向を基準に設定する場合について示した。上下方向または高さ方向は、虚像５０を視認するユーザの視線方向を基準に設定されてもよく、例えば、虚像提示板２２（またはウインドシールド６２）のサジタル面に直交する方向を上下方向または高さ方向としてもよい。
　図１０に示す実施の形態において、第２距離Ｄ２が無限遠となるようにしてもよい。つまり、表示部１２をメリディオナル面内焦点２６ｍに配置してもよい。この場合、図４の比較例と同様に二重像を解消しつつ、垂直視差Δαに起因するめまいの発生を防ぐことができる。この場合、第１距離Ｄ１は、Ｄ１≧ｈＬＲ／αとなるように設定されればよい。例えば、垂直視差αの上限値を１ｍｒａｄとし、両目ＥＲ，ＥＬの高さ位置の差の上限値ｈＬＲを４ｍｍとする場合、第１距離Ｄ１を４ｍ以上とすればよい。なお、虚像５０の視認性の観点から、第１距離Ｄ１は、１０ｍ以下に設定することが好ましい。
　上述の実施の形態において、合成光学系２０のサジタル面内焦点２６ｓおよびメリディオナル面内焦点２６ｍの位置は、虚像提示板２２の第１主面２３で反射される第１光路Ｌ１を通る画像表示光を基準として設定することができる。なお、上述の実施の形態において、第１主面２２と第２主面２３の曲率は同じであり、虚像提示板２２の厚みｔは２ｍｍ～１０ｍｍ程度であり、例えば３ｍｍ～５ｍｍ程度である。そのため、第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２の光路長の差は非常に小さく、第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２のそれぞれに基づく合成光学系２０の焦点位置のずれは無視できるほどに小さく、実質的に同一であると言える。合成光学系２０のサジタル面内焦点２６ｓおよびメリディオナル面内焦点２６ｍの位置は、第１光路Ｌ１を基準として設定されてもよいし、第２光路Ｌ２を基準として設定されてもよい。
　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。
　１０…虚像表示装置、１２…表示部、１４…投射光学系、１６…凹面鏡、１８…凸レンズ、２０…合成光学系、２２…虚像提示板、２６ｍ…メリディオナル面内焦点、２６ｓ…サジタル面内焦点、５０…虚像、５０ｍ…メリディオナル像面、５０ｓ…サジタル像面。

Claims (6)

  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、
    　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鏡を含む投射光学系と、を備え、
    　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のメリディオナル面内焦点とサジタル面内焦点が異なるよう構成され、
    　前記合成光学系のメリディオナル面内焦点は、前記虚像提示板のメリディオナル面に沿って前記ユーザから前記虚像提示板に向けて平行光束を入射させたときの当該平行光束の集光位置であり、
    　前記合成光学系のサジタル面内焦点は、前記虚像提示板のサジタル面に沿って前記ユーザから前記虚像提示板に向けて平行光束を入射させたときの当該平行光束の集光位置であり、
    　前記ユーザから見た前記虚像のサジタル像面位置までの第１距離をＤ１とし、前記虚像のメリディオナル像面位置までの第２距離をＤ２としたとき、前記第１距離Ｄ１および前記第２距離Ｄ２のそれぞれの逆数の差が０．２５［ｍ－１］以下となるように構成されることを特徴とする虚像表示装置。
  2. 　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、
    　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鏡を含む投射光学系と、を備え、
    　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のメリディオナル面内焦点とサジタル面内焦点が異なるよう構成され、
    　前記合成光学系のメリディオナル面内焦点は、前記虚像提示板のメリディオナル面に沿って前記ユーザから前記虚像提示板に向けて平行光束を入射させたときの当該平行光束の集光位置であり、
    　前記合成光学系のサジタル面内焦点は、前記虚像提示板のサジタル面に沿って前記ユーザから前記虚像提示板に向けて平行光束を入射させたときの当該平行光束の集光位置であり、
    　前記ユーザから見た前記虚像のサジタル像面位置までの第１距離をＤ１とし、前記虚像のメリディオナル像面位置までの第２距離をＤ２とし、ユーザの両目の高さ位置の差の上限値をｈとし、ユーザが許容しうる垂直視差の上限値をαとした場合に、｛（１／Ｄ１）－（１／Ｄ２）｝≦α／ｈであることを特徴とする虚像表示装置。
  3. 　前記垂直視差の上限値αは、１×１０－３［ｒａｄ］であることを特徴とする請求項２に記載の虚像表示装置。
  4. 　｛（１／Ｄ１）－（１／Ｄ２）｝≦０．２５［ｍ－１］であ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. 　前記第１距離Ｄ１は、４ｍ以上１０ｍ以下であ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５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
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