JP6260345B2 - 中間像形成部及びそれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、透過型スクリーン及びそれを用いた画像表示装置に関する。

ヘッドアップディスプレイと呼ばれる車両用表示装置が知られている。ヘッドアップディスプレイは、車外から入る光を透過すると共に、車内に配置された光学ユニットから投射された画像を車両のウィンドシールドなどに反射させることにより、車外の風景に重畳して情報を表示する表示装置である。ヘッドアップディスプレイは、車外の景色を視認している運転者が視線や焦点をほとんど変化させることなく光学ユニットから投射された画像の情報を認識することができるため、車両用の表示装置として近年注目を集めている。

光学ユニットから投射される画像表示光は、透過型のスクリーンにいったん結像され、スクリーンに結像された画像がユーザに提示される。このような透過型スクリーンとして、二つのマイクロレンズアレイ部を対向配置させた構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２２６３０４号公報

ユーザは、透過型スクリーンを介して画像を認識するため、視認性の高い透過型スクリーンであることが望ましい。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、視認性を高めた透過型スクリーンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の透過型スクリーンは、第１のマイクロレンズが複数配列された第１レンズアレイ面と、第１レンズアレイ面に垂直な方向に離れて設けられ、第１のマイクロレンズとは形状の異なる第２のマイクロレンズが複数配列された第２レンズアレイ面と、を備える。第１のマイクロレンズは、頂点付近における等高線が円または楕円形状であり、第２のマイクロレンズは、頂点付近における等高線が第１のマイクロレンズの等高線と楕円率の異なる楕円形状である。

本発明の別の態様は、画像表示装置である。この装置は、画像表示光を投射する画像投射部と、画像投射部から投射された画像表示光に基づく実像を結像させる中間像形成部と、中間像形成部を透過した画像表示光を虚像提示面に向けて反射させる投射鏡と、を備える。中間像形成部は、第１のマイクロレンズが複数配列された第１レンズアレイ面と、第１レンズアレイ面に垂直な方向に離れて設けられ、第１のマイクロレンズとは形状の異なる第２のマイクロレンズが複数配列された第２レンズアレイ面と、を備える。第１のマイクロレンズは、頂点付近における等高線が円または楕円形状であり、第２のマイクロレンズは、頂点付近における等高線が第１のマイクロレンズの等高線と楕円率の異なる楕円形状である。

本発明の透過型スクリーンによれば、投射される画像の視認性を高めることができる。

本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイの設置態様を模式的に示す図である。 光学ユニットの内部構成を示す図である。 画像投射部の内部構成を模式的に示す図である。 ウィンドシールドに投射される画像表示光の光路を示す図である。 異なる高さの視点に対して虚像を提示する場合の画像表示光の光路を示す図である。 中間像形成部により配光される画像表示光を示す図である。 拡散スクリーンの構成を模式的に示す側面図である。 拡散スクリーンの構成を模式的に示す上面図である。 図９（ａ）は、第１レンズアレイ面の構造を示す上面図であり、図９（ｂ）は、第１レンズアレイ面の構造を示す断面図である。 図１０（ａ）は、第２レンズアレイ面の構造を示す上面図であり、図１０（ｂ）は、第２レンズアレイ面の構造を示す断面図である。 図１１（ａ）は、比較例に係る拡散スクリーンを模式的に示す図であり、図１１（ｂ）は、実施の形態にかかる拡散スクリーンを模式的に示す図である。 比較例に係る拡散スクリーンを透過した光の配光分布を示すグラフである。 実施の形態に係る拡散スクリーンを透過した光の配光分布を示すグラフである。 図１４（ａ）〜（ｃ）は、変形例に係る拡散スクリーンの構成を模式的に示す側面図である。 本発明の他の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ及びインスツルメントパネルの設置態様を模式的に示す図である。 ヘッドアップディスプレイ及びインスツルメントパネルの設置態様を模式的に示す斜視図である。 ヘッドアップディスプレイ及びインスツルメントパネルの設置態様を模式的に示す正面図である。

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。

（第１の実施の形態）
実施の形態に係る画像表示装置の例として、車両のダッシュボード内に設置して使用されるヘッドアップディスプレイ１０を例に挙げて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０の設置態様を模式的に示す図である。ヘッドアップディスプレイ１０は、光学ユニット１００と制御装置５０とを含む。図１は、車両の進行方向（図１における左方向）を基準として左側のダッシュボード内に光学ユニット１００を配置して使用する場合を示す図であり、以下の実施の形態は、左ハンドル車における運転者向けにヘッドアップディスプレイ１０が配置されている例を示している。なお、右ハンドル車用とするためには、車両の進行方向を基準として光学ユニット１００の内部構成を左右反転させればよい。以下図１を参照して、ヘッドアップディスプレイ１０の概要を説明する。

制御装置５０は図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）を備え、光学ユニット１００に表示させるための画像信号を生成する。制御装置５０はまた、図示しない外部入力インタフェースを備えており、ナビゲーション装置やメディア再生装置などの外部装置から出力された画像信号が入力され、その入力された信号に対して所定の処理を行った後、光学ユニット１００に出力することもできる。

光学ユニット１００は、制御装置５０が生成した画像信号をもとに、ウィンドシールド６１０に虚像４５０として表示させる画像表示光を生成する。このため光学ユニット１００は、筐体１１０の内部に画像投射部２１０、中間鏡３５０、中間像形成部３６０、および投射鏡４００を備える。

画像投射部２１０には、光源、画像表示素子、及び各種光学レンズなどが収納される。画像投射部２１０は制御装置５０が出力した画像信号をもとに画像表示光を生成して投射する。なお、本実施の形態では画像表示素子として反射型液晶表示パネルであるＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）を用いる場合を例示する。

画像投射部２１０が投射した画像表示光は中間鏡３５０で反射される。中間鏡３５０で反射された画像表示光は、中間像形成部３６０に結像される。中間像形成部３６０で結像した実像に係る画像表示光は、中間像形成部３６０を透過し、投射鏡４００に投射される。

投射鏡４００は凹面鏡であり、中間像形成部３６０を透過した画像表示光は投射鏡４００によって拡大されてウィンドシールド６１０に投射される。ウィンドシールド６１０に投射された画像表示光は、ウィンドシールド６１０によってユーザに向かう光路へ変更される。運転者であるユーザＥは、ウィンドシールド６１０で反射した画像表示光を虚像４５０として、ウィンドシールド６１０よりも視線方向の前方に認識する。

図２は、本発明の実施の形態に係る光学ユニット１００の内部構成を示す図である。以下、図２を参照して、光学ユニット１００の内部構成を説明する。

上述したように、光学ユニット１００は、筐体１１０の内側に画像投射部２１０、中間鏡３５０、中間像形成部３６０、および投射鏡４００を備える。詳細は後述するが、画像投射部２１０は、赤色、緑色、または青色の光をそれぞれ発生する３種類の異なる光源を備える。光源はＬＥＤ（Light Emitting Diode）や半導体レーザー光源を用いて実現できるが、本実施の形態では、光源としてＬＥＤを用いる場合について説明する。

光源は使用時に熱を発生する。このため、光学ユニット１００は、光源を冷却するためのヒートシンクを備える。光源は３種類あるため、それらの光源を冷やすために、光学ユニット１００の筐体１１０の外側に、赤色の光源と接続するヒートシンク１２０ａ、緑色の光源と接続するヒートシンク１２０ｂ（図示せず）、および青色の光源と接続するヒートシンク１２０ｃを備える。

筐体１１０はアルミ製のダイキャストである。ここで、青色の光源および緑色の光源をそれぞれ冷却するためのヒートシンク１２０ｂおよびヒートシンク１２０ｃはともに、筐体１１０と一体に構成されている。これに対し、赤色の光源を冷やすためのヒートシンク１２０ａは、ヒートシンク１２０ｂおよびヒートシンク１２０ｃから空間的に離れた場所に設置されるとともに、筐体１１０とは分離して外付けされている。このため、赤色の光源が発生する熱は、ヒートパイプ２５を介してヒートシンク１２０ａまで運ばれる。

次に、図３および図４を参照してヘッドアップディスプレイ１０の光学系について説明する。図３は、画像投射部２１０の内部構成を画像表示光の光路とともに模式的に示す図である。図４は、中間鏡３５０、中間像形成部３６０および投射鏡４００を介してウィンドシールド６１０に投射される画像表示光の光路を示す図である。

まず、図３を参照して画像投射部２１０の内部構成を説明する。画像投射部２１０は、照明部２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ（以下総称して照明部２３０ともいう）、ダイクロイッククロスプリズム２４４、反射鏡２３６、フィールドレンズ２３７、偏光ビームスプリッタ２３８、位相差板２３９、検光子２４１、及び投射レンズ群２４２を備える。なお、図３では第１照明部２３０ａ、第３照明部２３０ｃの内部構成の記載を省略し、第２照明部２３０ｂの内部構成のみを示すが、それぞれの照明部２３０は、同様の構成を有する。

照明部２３０は、光源２３１、コリメートレンズ２３２、ＵＶ−ＩＲ（UltraViolet-Infrared Ray）カットフィルタ２３３、偏光子２３４、フライアイレンズ２３５を備える。光源２３１は赤色、緑色、青色のいずれかの色の光を発する発光ダイオードからなる。第１照明部２３０ａは、光源として赤色の光を発する発光ダイオードを有する。第２照明部２３０ｂは、光源２３１として緑色の光を発する発光ダイオードを有する。第３照明部２３０ｃは、光源として青色の光を発する発光ダイオードを有する。

光源２３１は、光源取付部２４３に取り付けられる。光源取付部２４３は、図示しないヒートシンクと熱的に結合され、光源２３１の発光に伴い発生する熱を放熱する。光源２３１が発光した光は、コリメートレンズ２３２によって平行光に変えられる。ＵＶ−ＩＲカットフィルタ２３３は、コリメートレンズ２３２を通過した平行光から紫外光及び赤外光を吸収し除去する。偏光子２３４は、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ２３３を通過した光を乱れのないＰ偏光へと変える。そしてフライアイレンズ２３５が、偏光子２３４を通過した光の明るさを均一に整える。

それぞれの照明部２３０のフライアイレンズ２３５を透過した光は、ダイクロイッククロスプリズム２４４に異なる向きから入射される。ダイクロイッククロスプリズム２４４に入射した赤色、緑色、青色の光は、三色が合成された白色光となって反射鏡２３６へ向かう。反射鏡２３６は、ダイクロイッククロスプリズム２４４により合成された白色光の光路を９０度変更する。反射鏡２３６で反射された光は、フィールドレンズ２３７によって集光される。フィールドレンズ２３７が集光した光は、Ｐ偏光を透過する偏光ビームスプリッタ２３８及び位相差板２３９を介して、画像表示素子２４０に照射される。

画像表示素子２４０は、画素毎に赤色、緑色、及び青色のカラーフィルタを備えている。画像表示素子２４０に照射された光は、各画素に対応する色となり、画像表示素子２４０の備える液晶組成物によって変調が施され、Ｓ偏光の画像表示光となって偏光ビームスプリッタ２３８に向けて出射される。出射されたＳ偏光の光は偏光ビームスプリッタ２３８で反射され、光路を変えて検光子２４１を通過した後に投射レンズ群２４２へ入射される。投射レンズ群２４２を透過した画像表示光は、画像投射部２１０を出て中間鏡３５０に入射する。

次に、図４を参照して中間鏡３５０から中間像形成部３６０および投射鏡４００を介してウィンドシールド６１０に投射される画像表示光の光路について説明する。画像投射部２１０の投射レンズ群２４２から出射された画像表示光の光路は、中間鏡３５０によって投射鏡４００に向かう光路へ変更される。その途中で、中間鏡３５０で反射された画像表示光に基づく実像が中間像形成部３６０で結像する。

中間像形成部３６０は、拡散スクリーン３６２と、凹レンズ３６４を有する。拡散スクリーン３６２は、中間像形成部３６０を透過する画像表示光に基づく実像を結像させるとともに、投射鏡４００へと向かう画像表示光の配光角ψを制御する。凹レンズ３６４は、投射鏡４００へと向かう画像表示光の主光線の方向を制御し、中間像形成部３６０を透過する前後の画像表示光がなす角度θを調整する。

中間像形成部３６０を透過した画像表示光は、投射鏡４００により反射されウィンドシールド６１０に投射される。ウィンドシールド６１０に投射された画像表示光は、ウィンドシールド６１０によってユーザに向かう光路へ変更される。これにより、ユーザは上述したように、ウィンドシールド６１０を介して画像表示光に基づく虚像を前方に視認することができる。したがって、ウィンドシールド６１０は、虚像提示面としての機能を有することとなる。

以上の構成とすることで、ユーザは、制御装置５０から出力された画像信号に基づく虚像を、ウィンドシールド６１０を介して現実の風景に重畳して視認することができる。

つづいて、図５および図６を参照しながら、本実施の形態に係る中間像形成部３６０の機能について詳述する。図５は、異なる高さの視点Ｅ１、Ｅ２に対して虚像４５０を提示する場合の画像表示光の光路を示す図である。図６は、中間像形成部３６０により配光される画像表示光を示す図であり、図５の中間像形成部３６０と投射鏡４００の間の光路を拡大して示したものである。

図５に示すように、運転者であるユーザの視点Ｅ１、Ｅ２は、運転者の身長や、着座位置により上下方向に変わる。ユーザの視点が変わるような場合においても、虚像４５０の上端部４５１から下端部４５２までの全体を視認できることが好ましい。また、車両前方を見る視線方向Ｃ１、Ｃ２の真正面に虚像４５０を提示するのではなく、上下方向に少しずらした位置に虚像４５０を提示すると、必要なときに視線方向を少しずらして虚像４５０を参照することができるのでユーザにとって使いやすい。

そこで、本実施の形態では、中間像形成部３６０として拡散スクリーン３６２と凹レンズ３６４を組み合わせることにより、中間像形成部３６０を透過した画像表示光の主光線の向きと配光角を制御し、虚像４５０の視認性を高める。特に、凹レンズ３６４を上下方向に偏心して設けることにより、虚像４５０の提示位置を上下方向にずらして、見やすい位置に虚像４５０を提示することができる。なお、本実施の形態では、虚像４５０を視線方向Ｃ１、Ｃ２に対して下方に提示する場合の構成を示すが、凹レンズ３６４の偏心の態様を変えることにより、虚像４５０を異なる位置に提示することとしてもよい。

まず、図５を参照して視点Ｅ１、Ｅ２の違いによる画像表示光の経路の相違について詳述する。第１視点Ｅ１は、虚像４５０の全体を視認することのできる上限位置であり、第２視点Ｅ２は虚像４５０の全体を視認できる下限位置である。よって、第１視点Ｅ１から第２視点Ｅ２の間の範囲であれば、ユーザは虚像４５０の全体を視認することができる。

図５において、実線で示す光Ａ１、Ａ２は、虚像４５０の上端部４５１をユーザに提示するための光線を示しており、中間像形成部３６０に結像される実像３７０の上端部３７１から出射される光が投射鏡４００およびウィンドシールド６１０に反射してユーザの視点Ｅ１、Ｅ２に到達する。第１視点Ｅ１に向かう光Ａ１は、投射鏡４００の第１反射位置４０１で反射され、第２視点Ｅ２に向かうＡ２は、投射鏡４００の第２反射位置４０２で反射される。なお、本実施の形態で示す光学系においては、投射鏡４００とウィンドシールド６１０とで画像表示光を反射する構成としているため、中間像形成部３６０には上下反転した実像が結像される。

一方、破線で示す光Ｂ１、Ｂ２は、虚像４５０の下端部４５２をユーザに提示するための光線を示しており、中間像形成部３６０に結像される実像３７０の下端部３７２から出射される光が投射鏡４００およびウィンドシールド６１０に反射して視点Ｅ１、Ｅ２に達する。第１視点Ｅ１に向かう光Ｂ１は、投射鏡４００の第３反射位置４０３で反射され、第２視点Ｅ２に向かう光Ｂ２は、投射鏡４００の第４反射位置４０４で反射される。

つづいて図６を参照して、中間像形成部３６０により上下方向に配光される画像表示光について詳述する。図６は、図５の中間像形成部３６０と投射鏡４００の間の光路を拡大して示したものである。実像３７０の上端部３７１として結像する光Ａは、拡散スクリーン３６２に直交する方向（ｚ方向）を基準に、凹レンズ３６４に入射して角度θ１だけ上方向（ｙ方向）に方向を変えて透過する。その後、拡散スクリーン３６２に実像として結像するとともに拡散されて、配光角ψ１を有する画像表示光として投射鏡４００に向かう。その結果、中間像形成部３６０に入射する光Ａは、主光線Ａ０を中心にして、第１反射位置４０１に向かう光Ａ１と、第２反射位置４０２に向かう光Ａ２の間で配光する画像表示光となる。

同様に、実像３７０の下端部３７２として結像する光Ｂは、凹レンズ３６４に入射して角度θ２だけ上方向（ｙ方向）に方向を変えて透過する。その後、拡散スクリーン３６２に実像として結像するとともに拡散されて、配光角ψ２を有する画像表示光として投射鏡４００に向かう。その結果、中間像形成部３６０に入射する光Ｂは、主光線Ｂ０を中心にして、第３反射位置４０３に向かう光Ｂ１と、第４反射位置４０４に向かう光Ｂ２の間で配光する画像表示光となる。

ここで、本実施の形態の凹レンズ３６４は、ｚ方向を基準として上下方向（図４における上下方向）に偏心して設けられる。より詳細には、凹レンズ３６４の光軸の位置は、拡散スクリーン３６２の中心位置よりも下方に位置される。そのため、凹レンズ３６４の光軸に近い上端部３７１から出射される主光線Ａ０の角度θ１よりも、凹レンズ３６４の光軸から遠い下端部３７２から出射される主光線Ｂ０の角度θ２の方が大きくなる。また、本実施の形態の凹レンズ３６４は、凹レンズ３６４の光軸が凹曲面に含まれないように構成されるため、主光線Ａ０およびＢ０は、いずれも上方向（ｙ方向）に傾いて出射される。

つづいて図７から図１０を参照しながら、本実施の形態における拡散スクリーン３６２について詳述する。図７は、拡散スクリーン３６２の構成を模式的に示す側面図であり、図８は、拡散スクリーン３６２の構成を示す上面図である。透過型スクリーンである拡散スクリーン３６２は、二枚の光拡散板３８０ａ、３８０ｂを備える。光拡散板３８０ａ、３８０ｂは、片面に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。本実施の形態では、レンズアレイを構成するマイクロレンズの形状がそれぞれ異なる二枚の光拡散板３８０ａ、３８０ｂを組み合わせて用いる。特性の異なるマイクロレンズアレイを組み合わせることにより、拡散スクリーン３６２を透過した光の配光特性を向上させて視認性の高い画像表示光を提供する。

第１光拡散板３８０ａは、第１平坦面３８１ａと、第１平坦面３８１ａに背向し、第１のマイクロレンズ３８３ａが複数配列される第１レンズアレイ面３８２ａを有する。同様に、第２光拡散板３８０ｂは、第２平坦面３８１ｂと、第２平坦面３８１ｂに背向し、第２のマイクロレンズ３８３ｂが複数配列される第２レンズアレイ面３８２ｂを有する。第１光拡散板３８０ａおよび第２光拡散板３８０ｂは、複屈折性を有しないか、複屈折性の少ない材料で構成されることが望ましく、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）などの樹脂材料で構成される。

第１光拡散板３８０ａは、第１レンズアレイ面３８２ａが凹レンズ３６４と対向するように配置され、第２光拡散板３８０ｂは、第２レンズアレイ面３８２ｂが第１平坦面３８１ａと対向するように配置される。これにより、拡散スクリーン３６２に入射する光Ａは、第１レンズアレイ面３８２ａ、第１平坦面３８１ａ、第２レンズアレイ面３８２ｂ、第２平坦面３８１ｂの順に透過する。

第１光拡散板３８０ａおよび第２光拡散板３８０ｂは、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂとの距離Ｗが所定の値となるように配置される。その距離Ｗは、２００μｍ〜４００μｍ程度とすればよく、好ましくは、２５０μｍ〜３００μｍ程度の範囲とすればよい。第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの距離Ｗをこの範囲に設定することにより、マイクロレンズの周期的な配列によるモアレの発生を防ぎ、かつ、二枚の光拡散板を用いることにより像が二重になってしまう影響を抑えることができる。ここで、モアレとは、干渉縞のことをいい、規則正しく繰り返される模様を複数重ね合わせたときに、それらの周期のずれにより視覚的に発生する縞模様のことをいう。

なお、図７および図８では、説明の便宜上、第１光拡散板３８０ａと第２光拡散板３８０ｂの間に隙間を空けているが、本実施の形態では、第１平坦面３８１ａと第２レンズアレイ面３８２ｂとが接するように、第１光拡散板３８０ａと第２光拡散板３８０ｂとが積層される。このとき、第１光拡散板３８０ａの厚さを調整することで、第１レンズアレイ面３８２ａと第１レンズアレイ面３８２ａの間の距離Ｗが調整される。したがって、所定の距離Ｗが保たれるようにするには、第１光拡散板３８０ａの厚さを２００μｍ〜４００μｍ程度にすればよい。

第１光拡散板３８０ａおよび第２光拡散板３８０ｂは、結像される画像表示光の画像サイズに合わせて、図７に示す上下方向（ｙ軸方向）の幅Ｌｙと、図８に示す左右方向（ｘ軸方向）の幅Ｌｘとが異なるように構成される。具体的には、上下方向の幅Ｌｙよりも左右方向の幅Ｌｘの方を長くして、左右方向に長い画像が提示できるようにする。人間の視野角の特性上、左右方向に長い画像の方が見やすいためである。

また、第１光拡散板３８０ａおよび第２光拡散板３８０ｂは、図７に示す上下方向の配光特性（配光角ψｙ）と図８に示す左右方向（水平方向）の配光特性（配光角ψｘ）とが異なるように構成される。具体的には、上下方向の配光角ψｙよりも水平方向の配光角ψｘを大きくして、画像表示光により提示される画像全体が視認できる視線位置の範囲を、水平方向に大きくする。運転者であるユーザの視点位置は、着座した状態において上下方向よりも水平方向に大きく動くため、水平方向の視認範囲を広くとることで視認性が高まるためである。

本実施の形態では、水平方向の配光角ψｘが大きくなるように、レンズアレイ面３８２ａ、３８２ｂを構成するマイクロレンズ３８３ａ、３８３ｂの特性を選択している。本実施の形態では、第１のマイクロレンズ３８３ａの形状を円形にする一方で、第２のマイクロレンズ３８３ｂの形状を楕円形にすることにより、水平方向の配光角ψｘを大きくする。以下、図９および図１０を参照しながら、このような特性を実現する第１のマイクロレンズ３８３ａおよび第２のマイクロレンズ３８３ｂの形状について説明する。

図９（ａ）は、第１レンズアレイ面３８２ａの構造を示す上面図である。図９（ｂ）は、第１レンズアレイ面３８２ａの構造を示す断面図であり、図９（ａ）のＸ−Ｘ線断面を示す。第１レンズアレイ面３８２ａは、輪郭３８４ａの形状が正六角形である第１のマイクロレンズ３８３ａを六方格子状に配列することにより構成される。また、第１レンズアレイ面３８２ａは、第１のマイクロレンズ３８３ａがｘ軸方向に並ぶように構成される。第１のマイクロレンズ３８３ａのｘ方向の幅Ｗｘａは、１０μｍ〜３０μｍ程度とすればよく、例えば、２０μｍ程度とすればよい。一方、第１のマイクロレンズ３８３ａのｙ方向の幅Ｗｙａは、ｘ方向の幅Ｗｘａに対応して輪郭３８４ａが正六角形の形状となる幅とすればよく、例えば、２３μｍ程度とすればよい。

第１のマイクロレンズ３８３ａは、球面からなる曲面によりレンズを構成する。その結果、第１のマイクロレンズ３８３ａの頂点３８６ａの付近における等高線３８７ａの形状は円形または略円形となる。ここで、第１のマイクロレンズ３８３ａの等高線３８７ａの形状とは、ｚ方向に垂直なｘｙ平面で第１のマイクロレンズ３８３ａを切断した場合の断面形状に対応する。等高線３８７ａのｘ方向の径Ｒｘａとｙ方向の径Ｒｙａは、円形であることから同じ長さであり、これらの比により得られる第１の楕円率ｅ_ａ＝Ｒｙａ／Ｒｘａは、１または１に近い値である。

なお、第１のマイクロレンズ３８３ａの等高線３８７ａの形状は、必ずしも真円である必要はなく、第１レンズアレイ面３８２ａを形成する製造工程の加工精度などにより、真円から少しずれた円に近い形状であってもよい。ここでいう円形とは、ｘ方向の径Ｒｘａとｙ方向の径Ｒｙａとがほぼ等しいことを言い、ｘ方向の径Ｒｘａとｙ方向の径Ｒｙａとが異なることにより明らかに楕円と言える形状ではないことを意図する。

図１０（ａ）は、第２レンズアレイ面３８２ｂの構造を示す上面図である。図１０（ｂ）は、第２レンズアレイ面３８２ｂの構造を示す断面図であり、図１０（ａ）のＸ−Ｘ線断面を示す。第２レンズアレイ面３８２ｂは、第１レンズアレイ面３８２ａと同様、第２のマイクロレンズ３８３ｂが六方格子状に配列され、ｘ軸方向に第２のマイクロレンズ３８３ｂが並ぶように構成される。

その一方で、第２のマイクロレンズ３８３ｂの輪郭３８４ｂは、正六角形ではなく、正六角形をｘ方向に圧縮したような六角形状を有する。その結果、第２のマイクロレンズ３８３ｂは、楕円面からなる曲面によりレンズを構成し、頂点３８６ｂの付近における等高線３８７ｂの形状は楕円形となる。また、ｘ方向に圧縮された楕円形であることから、等高線３８７ｂのｘ方向の径Ｒｘｂとｙ方向の径Ｒｙｂは異なる長さとなり、ｘ方向が短軸、ｙ方向が長軸となる。また、長軸と短軸の比により得られる第２の楕円率ｅ_ｂ＝Ｒｙｂ／Ｒｘｂは、１よりも大きな値となる。つまり、第２の楕円率ｅ_ｂは、第１のマイクロレンズ３８３ａにおける第１の楕円率ｅ_ａと異なる値をとる。

第２のマイクロレンズ３８３ｂのｘ方向の幅Ｗｘｂは、第１のマイクロレンズ３８３ａのｘ方向の幅Ｗｘａと同様、１０μｍ〜３０μｍ程度とすればよいが、第１のマイクロレンズ３８３ａのｘ方向の幅Ｗｘａとは異なる値とすることが望ましい。例えば、第１のマイクロレンズ３８３ａのｘ方向の幅Ｗｘａを２０μｍとした場合、第２のマイクロレンズ３８３ｂのｘ方向の幅Ｗｘｂは、１５〜１９μｍ程度とすればよい。一方、第２のマイクロレンズ３８３ｂのｙ方向の幅Ｗｙｂは、等高線３８７ｂの楕円形状が第２の楕円率ｅ_ｂをとるようにｘ方向の幅Ｗｘｂに対応した幅とすればよい。例えば、第２のマイクロレンズ３８３ｂのｙ方向の幅Ｗｙｂは、２１μｍ〜３０μｍ程度とすればよい。

第２のマイクロレンズ３８３ｂは、ｘ方向に短軸を有し、ｙ軸方向に長軸を有する楕円形状のレンズであるため、ｘ方向の曲率がｙ方向の曲率よりも大きくなる。その結果、第２のマイクロレンズ３８３ｂに入射する光は、曲率の低いｙ方向と比べて、曲率の高いｘ方向に大きく拡散することとなり、ｘ方向の配光角が大きくなることとなる。これにより、上下方向の配光角ψｙよりも水平方向の配光角ψｘを大きくすることができる。

つづいて、図１１から図１３を参照しながら、本実施の形態に係る拡散スクリーン３６２の配光特性について示す。図１１（ａ）は、比較例に係る拡散スクリーン３９２を模式的に示す図であり、図１１（ｂ）は、実施の形態にかかる拡散スクリーン３６２を模式的に示す図である。比較例に係る拡散スクリーン３９２は、本実施の形態に係る第１光拡散板３８０ａのみにより構成される透過型スクリーンである。まず、比較例に係る拡散スクリーン３９２の配光特性を図１２を用いて示し、拡散スクリーン３９２における課題について説明する。つづいて、本実施の形態に係る拡散スクリーン３６２の配光特性を図１３を用いて示す。

図１２は、比較例に係る拡散スクリーン３９２を透過した光の配光分布を示すグラフである。本グラフは、図１１（ａ）に示す入射角θｉｎを、−２０度、０度、２０度とした場合における透過光の配光特性を示す。図示されるように、いずれの入射角θｉｎにおいても、ピーク付近の形状がギザギザとした配光分布が見られる。これは、複数のマイクロレンズが周期的に配列されるため、マイクロレンズにより回折された透過光が干渉して、特定の方向における強度が高まるためと考えられる。このような回折ピークが見られると、画像表示光により提示される画像の輝度にムラができ、視認性の低下につながる。

また、入射角θｉｎが−２０度または２０度の場合には、左右非対称な配光分布が見られる。中心（０度）に近い角度では、ピーク位置に向けて強度が緩やかに高まるのに対し、中心より離れた角度（−６０度、６０度）からピーク位置に向けて強度が急峻に高まる。このように非対称な配光分布を有することとなると、視線位置を動かした場合に、虚像４５０の一部範囲の輝度が急激に変化するように見えてしまい視認性の低下につながる。虚像４５０の視認範囲を広げるためには、画像表示光を透過型スクリーンに斜めに入射させる必要があるため、斜入射させた場合であっても透過光の配光分布が左右対称であることが望ましい。

図１３は、実施の形態に係る拡散スクリーンを透過した光の配光分布を示すグラフである。本グラフは、図１１（ｂ）に示す入射角θｉｎを、−２０度、０度、２０度とした場合における透過光の配光特性を示す。比較例の場合とは異なり、いずれの入射角θｉｎにおいても、ピーク付近にギザギザの形状が見られず、ガウス分布に近いなだらかな形状の配光分布となっている。これは、マイクロレンズの形状が異なる二枚のマイクロレンズアレイを組み合わせているため、マイクロレンズアレイを一枚だけ用いる場合と比べて回折による干渉効果を緩和できたためと考えられる。これにより虚像４５０の輝度のムラを抑えて視認性を高めることができる。

また、入射角θｉｎが−２０度または２０度の場合においても、配光分布が左右対称に近い形状となることがわかる。これにより、視線位置を動した場合であっても、虚像４５０の輝度を均一にすることができる。これにより、視線位置が動く前と動いた後に見える画像の間での輝度の変化量を少なくして、視認性を高めることができる。

また、二枚のマイクロレンズアレイを組み合わせることにより、マイクロレンズアレイを一枚だけ用いる場合と比べて、透過光の配光角ψの幅を広げることができる。ここでの配光角ψの幅とは、例えば、グラフに示す配光分布の半値全幅に相当する角度の値である。透過光の配光角ψを広げることで、虚像４５０の全体を視認できる視線位置の範囲を広くすることができる。これにより、視線位置が移動する場合であっても、画像全体を提示することができるため、視認性を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る拡散スクリーン３６２において、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの間の距離を、２００μｍ〜４００μｍ程度としている。一般に、周期的な配列構造を有するマイクロレンズアレイを二枚組み合わせると、モアレが発生しやすい。また、周期性のない拡散スクリーンを二枚組み合わせた場合であっても、それぞれのスクリーンに結像する像が重なり合って二重像を形成し、虚像４５０の解像度が低下する要因となりうる。本実施の形態では、レンズアレイ面の間の距離を約４００μｍ以下としているため、二重像の発生による解像度の低下を抑えることができる。

一方で、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの間の距離を小さくしすぎると、第１レンズアレイ面３８２ａにより回折される光の干渉効果を、第２レンズアレイ面３８２ｂによって十分に緩和できなくなるおそれがある。本実施の形態では、レンズアレイ面の間の距離を約２００μｍ以上とすることで、マイクロレンズアレイを一枚だけ用いる場合に発生する回折ピークの発生を抑制することができる。また、周期的な配列のマイクロレンズアレイを組み合わせることによるモアレの発生も抑制することができる。つまり、二つのレンズアレイ面の距離を２００μｍ〜４００μｍ程度とすることで、解像度の低下を抑えつつ、輝度ムラやモアレの発生を抑えて、視認性の高い画像を提示することができる。

以下、本実施の形態における中間像形成部３６０により奏する効果について述べる。

本実施の形態における中間像形成部３６０は、主光線Ａ０、Ｂ０に対して所定の配光角ψ１、ψ２を有した画像表示光となるよう主光線の配光角を制御する拡散スクリーン３６２を有する。このため、視点位置が移動する場合であっても所定範囲内であれば一定の明るさの虚像を提示することができる。また、拡散スクリーン３６２として、配光角ψ１、ψ２が投射鏡４００の第１反射位置４０１から第２反射位置４０２の範囲内、または第３反射位置４０３から第４反射位置４０４の範囲内となる特性のものを選択することにより、画像表示光を高効率に利用することができる。この反射位置の範囲よりも配光角が狭くなってしまうと、明るい虚像４５０を提示できる視点の範囲が狭くなってしまう一方で、この反射位置の範囲よりも配光角が広くなってしまうと、投射鏡４００で反射されない画像表示光の割合が増えて、ユーザに提示される虚像４５０が暗くなってしまうためである。このように、配光角ψ１、ψ２を適切に制御することにより、明るい虚像４５０を高効率でユーザに提示することができ、虚像４５０の視認性を高めることができる。

また、中間像形成部３６０は、中間像形成部３６０を透過した主光線Ａ０、Ｂ０の方向を制御する凹レンズ３６４を有する。中間像形成部３６０として凹レンズ３６４を設けることにより、中間像形成部３６０と投射鏡４００の間の距離Ｄを短くしなければならない場合であっても、ユーザに提示する虚像４５０をより大きくすることができる。したがって、凹レンズ３６４を設けることにより、光学ユニット１００の大きさを小型化しつつ、より大きな虚像４５０を提示することができ、虚像４５０の視認性を高めることができる。

また、中間像形成部３６０は、凹レンズ３６４が上下方向に偏心して設けられる。これにより、虚像４５０をユーザの視線方向に対して真正面ではなく、上下方向に少しずらした位置に提示することができる。虚像４５０の上端部４５１を提示するための光と、虚像４５０の下端部４５２を提示するための光との間に角度差をつけることができるためである。虚像４５０を上下方向にずらすことによって、ユーザにとって見やすい位置に虚像４５０を提示することができ、虚像４５０の視認性を高めることができる。また、上下方向に偏心させた凹レンズを用いることにより、光学ユニット１００をより小型化することができる。

また、中間像形成部３６０は、拡散スクリーン３６２として、マイクロレンズアレイである二枚の光拡散板３８０ａ、３８０ｂを組み合わせて用いる。これにより、ユーザに角度差をつけた画像表示光を提示するために拡散スクリーン３６２に斜めに光を入射させる場合であっても、拡散スクリーン３６２を透過した後の光の配光分布を整えることができる。また、虚像４５０として提示される画像の輝度ムラを抑えつつ、透過光の配光角を大きくして虚像４５０の全体を視認できる視線位置の範囲を広げることができる。その結果、虚像４５０の視認性を高めることができる。

また、拡散スクリーン３６２は、円形状を有する第１のマイクロレンズ３８３ａで構成される第１レンズアレイ面３８２ａと、楕円形状を有する第２のマイクロレンズ３８３ｂで構成される第２レンズアレイ面３８２ｂの組み合わせにより構成される。マイクロレンズの形状が異なる二枚の光拡散板３８０ａ、３８０ｂを組み合わせることで、回折光の干渉の影響による輝度ムラを抑えることできる。また、第２のマイクロレンズ３８３ｂを、ｘ方向に短軸を有しｙ方向に長軸を有する楕円形状とすることで、ｘ方向の配光角をｙ方向よりも大きくすることができる。これにより、視認可能な範囲をｘ方向（左右方向）に広げることができ、虚像４５０の視認性を高めることができる。

また、拡散スクリーン３６２は、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの距離Ｗが所定の値となるように構成される。この距離Ｗを一定の範囲にすることにより、二重像やモアレの発生による解像度の低下を抑えつつ、輝度ムラの少ない虚像４５０を提示することができる。これにより、虚像４５０の視認性を高めることができる。

つづいて、図１４を参照しながら変形例に係る拡散スクリーン３６２について示す。図１４（ａ）〜（ｃ）は、変形例に係る拡散スクリーン３６２の構成を模式的に示す側面図である。

図１４（ａ）は、変形例１に係る拡散スクリーン３６２である。変形例１では、第１レンズアレイ面３８２ａと第２平坦面３８１ｂとが対向するように二枚の光拡散板３８０ａ、３８０ｂを積層させている。その結果、拡散スクリーン３６２に入射する光は、第１平坦面３８１ａ、第１レンズアレイ面３８２ａ、第２平坦面３８１ｂ、第２レンズアレイ面３８２ｂの順に透過する。このような構成であっても、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの間の距離Ｗを一定の範囲にすることで、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図１４（ｂ）は、変形例２に係る拡散スクリーン３６２である。変形例２では、第１平坦面３８１ａと第２平坦面３８１ｂとが接するように二枚の光拡散板３８０ａ、３８０ｂが積層される。その結果、拡散スクリーン３６２に入射する光は、第１レンズアレイ面３８２ａ、第１平坦面３８１ａ、第２平坦面３８１ｂ、第２レンズアレイ面３８２ｂの順に透過する。このとき、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの間の距離Ｗを一定の範囲となるように、第１光拡散板３８０ａの厚さと第２光拡散板３８０ｂの厚さの合計値が距離Ｗと等しくなるように厚さが調整される。変形例２においても、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、変形例２において、二枚の光拡散板３８０ａ、３８０ｂは別体である必要はなく、代わりに、両面にレンズアレイ面を形成した一枚の光拡散板を用いてもよい。この場合、一方の面には第１レンズアレイ面３８２ａが形成され、他方の面には第２レンズアレイ面３８２ｂが形成される。また、この光拡散板の厚さは、距離Ｗと等しくなるように調整される。このような構成としても、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図１４（ｃ）は、変形例３に係る拡散スクリーン３６２である。変形例３では、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂとが対向するように配置されるとともに、その間に透光板３８０ｃが設けられる。透光板３８０ｃは、両面に平坦面が設けられ、ポリカーボネートなどの透明な樹脂材料で構成される。透光板３８０ｃは、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの距離Ｗを一定の範囲に保つ役割を有し、その厚さが距離Ｗと同じに等しくなるように調整される。このような構成としても、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（第２の実施の形態）
上述した第１の実施の形態における透過型スクリーンである拡散スクリーン３６２は、ヘッドアップディスプレイ１０に用いる用途に加えて、虚像を提示する各種装置に適用可能である。具体的な他の実施形態としては、自動車等に用いられるインスツルメントパネルに用いることができる。以下、図１５から図１７を参照しながら、虚像を用いてインスツルメントパネルに各種情報を表示する画像表示装置の構成について説明する。

図１５は、本発明の他の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０及びインスツルメントパネル７０の設置態様を模式的に示す図である。本実施の形態においては、ヘッドアップディスプレイ１０が提示する虚像４５０に加えて、インスツルメントパネル７０によって別の虚像７５０が提示される。二つの虚像４５０、７５０は、虚像提示面であるウィンドシールド６１０またはスモーク板７１０よりも遠方に画像があるように見える。

運転者であるユーザは、視線方向を移動させることにより、ウィンドシールド６１０を介して提示される虚像４５０とスモーク板７１０を介して提示される虚像７５０の双方を見ることなる。本実施の形態では、ユーザの視点Ｅから見て同一またはほぼ同一の距離に二つの虚像４５０、７５０が見えるように表示することで、ユーザの視点Ｅから見た二つの虚像４５０、７５０の焦点位置がほぼ同じとなるようにする。これにより、運転中などに視線方向を移動させて双方の虚像４５０、７５０を見る場合における焦点移動を少なくし、視線移動に伴うユーザの負担を軽減させる。

ヘッドアップディスプレイ１０の構成は、上述した第１の実施の形態と同様の構成である。インスツルメントパネル７０の構成も、ヘッドアップディスプレイ１０と同様であるが、ウィンドシールド６１０により画像表示光を反射して虚像４５０を提示する代わりに、スモーク板７１０を透過した画像表示光により虚像７５０を提示する点で相違する。以下、インスツルメントパネル７０の構成を中心に説明する。

インスツルメントパネル７０は、画像投射部７２０、中間鏡７３５、中間像形成部７３６、凹面鏡７４０およびスモーク板７１０を備える。インスツルメントパネル７０の画像投射部７２０、中間鏡７３５、中間像形成部７３６、凹面鏡７４０は、それぞれ上述したヘッドアップディスプレイ１０の画像投射部２１０、中間鏡３５０、中間像形成部３６０、投射鏡４００と同様のものである。

インスツルメントパネル７０は、画像投射部７２０が生成する画像表示光を中間像形成部７３６に実像として結像させ、中間像形成部７３６に結像した実像に係る画像表示光を凹面鏡７４０により拡大反射してスモーク板７１０に投射する。これによりユーザは、スモーク板７１０を介して凹面鏡７４０により反射拡大された画像を視認する。特に、中間像形成部７３６に結像された実像を１０倍以上の大きさに拡大可能な形状を有する凹面鏡７４０を用いることで、インスツルメントパネル７０を小型化することができる。

ユーザは、スモーク板７１０を介して凹面鏡７４０が反射する画像表示光を直接視認するが、実際には、ユーザの視点Ｅから約１ｍ〜２ｍ先に約１０インチ〜１２インチの虚像７５０が見えることとなる。また、ユーザは、ウィンドシールド６１０を介してヘッドアップディスプレイ１０が提示する画像表示光を視認することができ、ユーザの視点Ｅから約２ｍ前方に約１２インチの虚像４５０が見える。

スモーク板７１０は、光の透過率が低い平板状の部材である。スモーク板７１０は、例えば、スモーク樹脂板に対してスモークフィルムをラミネートして形成される。このような構成とすることで、スモーク板７１０の透過率を低くするとともに、スモーク板７１０の界面における反射率を低くすることができる。また、スモーク樹脂板をフィルムにより保護することができる。なお、スモーク板７１０は、平板形状ではなく、曲面を構成するような板状部材であってもよい。

スモーク板７１０の透過率は、スモーク板７１０の界面における反射率より小さい値とすることが望ましく、８％以下とすることが好ましい。透過率を８％以下とすることで、ユーザの後方や上方向からの太陽光などが凹面鏡７４０に入射し、ユーザや他の構成部材に光が反射することを防止することができる。また、スモーク板７１０の透過率を低くすることで、インスツルメントパネル７０の内部が見えにくい構成とすることができる。これにより、虚像７５０の視認性を高めるとともに、インスツルメントパネル７０のデザイン性を高めることができる。

なお、スモーク板７１０は、その表面にタッチパネル用のセンサを備えてもよい。スモーク板７１０をタッチパネルとして機能させることにより、スモーク板７１０は、インスツルメントパネル７０に対する設定を行うユーザインターフェースを兼ねることができる。これにより、インスツルメントパネル７０に対する入力ボタンなどをダッシュボード上の他の位置に設ける必要が無くなり、ダッシュボード上をすっきりとさせることができる。

インスツルメントパネル７０は、ヘッドアップディスプレイ１０と同様に、制御装置を含む。インスツルメントパネル７０の制御装置は、ヘッドアップディスプレイ１０の制御装置５０と共通であってもよいし、ヘッドアップディスプレイ１０とは別に制御装置を備えることとしてもよい。

インスツルメントパネル７０は、制御装置からの画像信号により、スピードメータ、タコメータ、燃料計、シフトポジション等、一般的な車両のインスツルメントパネルに備えられる計器が示す内容を表示する。また、インスツルメントパネル７０は、車両の後方を撮影するカメラにより撮像される車両後方の画像を表示してもよい。

インスツルメントパネル７０に表示される内容は、運転状況やユーザからの入力情報などの様々な条件によって、それぞれの表示内容に割り当てられる画像のサイズや表示形態を変化させることとしてもよい。例えば、ユーザの好みに応じた表示形態としたり、車両の走行速度に応じて、スピードメータのサイズを大きくしたり、バック走行時にはスピードメータ等の表示を無くして車両後方の画像を大きく表示したりしてもよい。

図１６は、ヘッドアップディスプレイ１０及びインスツルメントパネル７０の設置態様を模式的に示す斜視図であり、図１７は、ヘッドアップディスプレイ１０及びインスツルメントパネル７０の設置態様を模式的に示す正面図である。図示されるように、スモーク板７１０は、インスツルメントパネル７０の前面に設置され、一般的な車両においてインスツルメントパネルが設けられる位置に設けられる。その結果、スモーク板７１０は、運転席に着座したユーザの正面に位置するように配置され、運転者であるユーザは、ハンドル越しにスモーク板７１０を視認することとなる。

また、ヘッドアップディスプレイ１０が提示する虚像４５０は、ユーザの視点Ｅから見てインスツルメントパネル７０の奥に位置する箇所に表示される。その結果、ヘッドアップディスプレイ１０が提示する虚像４５０と、インスツルメントパネル７０が提示する虚像７５０は、ユーザの視点Ｅとほぼ同軸上に並ぶように配置されることとなる。このような配置とすることによって、ユーザの視点移動をさらに少なくすることができ、車外の景色と、ヘッドアップディスプレイ１０が提示する虚像４５０およびインスツルメントパネル７０が提示する虚像７５０を同時に目視することも可能となる。

以上の構成により、本実施の形態では、ヘッドアップディスプレイ１０が提示する虚像４５０と、インスツルメントパネル７０が提示する虚像７５０とが、ユーザの視点Ｅからほぼ同軸上に配置されるとともに、ユーザの視点Ｅから同一またはほぼ同一の距離に見えることとなる。そのため、ヘッドアップディスプレイ１０が提示する虚像４５０とともに車外の風景を目視している状態から、インスツルメントパネル７０が提示する虚像７５０を目視する状態へと視線を移動させる場合において、ユーザの視点移動角と焦点移動量の双方を小さくすることができる。これにより、ユーザにより多くの情報を提示しつつ、視線移動に伴うユーザの負担を減らすことができる。

なお、変形例に係るインスツルメントパネル７０においては、ユーザの視点Ｅから虚像７５０までの距離や、視認される虚像７５０のサイズを、運転状況やユーザからの入力情報などの様々な条件によって変更することとしてもよい。このような変形例に係るインスツルメントパネル７０では、中間像形成部７３６および凹面鏡７４０の位置を調整する駆動部をさらに備え、この駆動部を制御することにより虚像７５０の距離およびサイズを調整する。

例えば、インスツルメントパネル７０の制御装置が車速情報を取得し、車両の走行速度が６０ｋｍ/ｈ以上などの所定速度以上である場合には、インスツルメントパネル７０の虚像７５０までの距離を、ヘッドアップディスプレイ１０の虚像４５０の距離と同一またはほぼ同一の距離とする。一般に、車両の走行速度が高い場合、比較的遠方の位置に焦点を合わせて運転をすることから、インスツルメントパネル７０が提示する虚像７５０の焦点位置を遠くすることによって、視線移動に伴う負担を減らすことができる。

一方、車両の走行速度が所定速度以下である場合は、インスツルメントパネル７０の虚像７５０までの距離を、ヘッドアップディスプレイ１０の虚像４５０の距離よりも数十ｃｍ〜１ｍ程度手前に設定する。一般に、車両の走行速度が低いときには比較的近い位置に焦点を合わせて運転することが多いことから、インスツルメントパネル７０が提示する虚像７５０の焦点位置を短くすることによって、視線移動に伴う負担を減らすことができる。その他、後方走行時にも、インスツルメントパネル７０の虚像７５０の距離を手前に設定することとしてもよい。このような制御を行うことで、視線移動に伴うユーザの負担を減らしつつ、より多くの情報をユーザに提示することができる。視線移動の負担が減ることにより、ユーザはより短い時間でより多くの情報を確認することができる。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の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。

上述の実施の形態においては、中間像形成部３６０として凹レンズ３６４を拡散スクリーン３６２の手前に配置する場合、つまり、凹レンズ３６４を透過した画像表示光が拡散スクリーン３６２に入射する構成となる場合を示した。さらなる変形例として、拡散スクリーン３６２と凹レンズ３６４を逆に配置することとしてもよい。この場合、中間鏡３５０から投射鏡４００の間は、中間鏡３５０、拡散スクリーン３６２、凹レンズ３６４、投射鏡４００の順に光学素子が配列されることとなる。中間像形成部３６０の向きを逆にしたとしても、拡散スクリーン３６２により画像表示光の配光角を制御するとともに、凹レンズ３６４により主光線の向きを制御して、視認性の高い虚像４５０を提示することができる。

上述の実施の形態においては、中間像形成部３６０として凹レンズ３６４を用いることにより画像表示光の主光線の方向を制御することとした。変形例においては、凹レンズ３６４を設けず、中間像形成部３６０が拡散スクリーン３６２のみを備える構成としてもよい。この変形例においては、画像投射部２１０が備える投射レンズ群２４２により、画像表示光の主光線の方向が調整される。

上述の実施の形態においては、第２レンズアレイ面３８２ｂを、ｘ方向に短軸を有しｙ方向に長軸を有する楕円形状の第２のマイクロレンズ３８３ｂで構成する場合を示した。変形例においては、第２のマイクロレンズ３８３ｂの長軸と短軸の方向が異なる向きとなるようにして第２レンズアレイ面３８２ｂを構成することとしてもよい。例えば、上下方向（ｙ方向）の配光角を大きくしたい場合には、短軸がｙ方向となるように構成すればよい。この場合においても、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

上述の実施の形態においては、拡散スクリーン３６２に入射する光が、円形状の第１のマイクロレンズ３８３ａにより構成される第１レンズアレイ面３８２ａ、楕円形状の第２のマイクロレンズ３８３ｂにより構成される第２レンズアレイ面３８２ｂの順に透過する場合について示した。変形例においては、第１レンズアレイ面３８２ａと第２レンズアレイ面３８２ｂの配置を逆にして、第２レンズアレイ面３８２ｂ、第１レンズアレイ面３８２ａの順に入射光が透過する構成としてもよい。

上述の実施の形態においては、第１レンズアレイ面３８２ａを、円形状を有する第１のマイクロレンズ３８３ａで構成する場合を示した。変形例においては、楕円形状を有する第１のマイクロレンズ３８３ａを用いてもよい。この場合、第１のマイクロレンズ３８３ａと第２のマイクロレンズ３８３ｂの形状は異なることが望ましく、第１の楕円率ｅ_ａと第２の楕円率ｅ_ｂの値が異なるようにすることが望ましい。二枚の光拡散板において、それぞれのマイクロレンズの楕円率ｅ_ａ、ｅ_ｂを異なる値とすることで、回折光の干渉による回折ピークの発生を抑えることができる。

上述の実施の形態では、第１のマイクロレンズ３８３ａおよび第２のマイクロレンズ３８３ｂの輪郭３８４ａ、３８４ｂの形状が六角形となる場合について示した。変形例においては、マイクロレンズの輪郭の形状を四角形とし、複数のマイクロレンズを格子状または六方格子状に配置することとしてもよい。また、マイクロレンズの輪郭の形状を円形または楕円形とし、平坦面の上に円形または楕円形のマイクロレンズを配列させることとしてもよい。

上述の実施の形態においては、虚像を提示する画像表示装置として、車両用に用いられるヘッドアップディスプレイ１０や、インスツルメントパネル７０を用いた例について説明した。さらなる変形例として、虚像の投影により車両の後方を確認する虚像電子ミラーに本発明に係る画像表示装置を適用してもよい。

虚像電子ミラーとは、車両の後方を撮影するカメラからの画像を、インスツルメントパネル７０と同様の構成により、リアルタイムでユーザに提示するものである。虚像電子ミラーは、一般的なサイドミラーやバックミラーを補助する装置または置き換えされる装置として利用可能である。例えば、サイドミラーに置き換えて虚像電子ミラーを用いる場合、一般的な計器類で構成されるインスツルメントパネルや、上述した虚像７５０を提示可能なインスツルメントパネル７０の左右の位置に虚像電子ミラーを設けて、車両後方の画像を提示する。

このとき、ユーザの視点Ｅから虚像電子ミラーが提示する虚像までの距離は、インスツルメントパネル７０が提示する虚像７５０の距離と同一またはほぼ同一とすることが望ましい。各種情報を虚像としてユーザに提示する装置が複数存在する場合に、それぞれの装置における虚像提示面よりも遠方に虚像が見えるようにすることで、視線移動に伴うユーザの負担を軽減することができる。

また、虚像電子ミラーにおいても、インスツルメントパネル７０と同様に車両の速度や他の条件に対応して、虚像の距離やサイズを可変することとしてもよい。インスツルメントパネル７０により提示される虚像の距離と同じまたはほぼ同一にすることで、視線移動に伴うユーザの負担を軽減することができる。これに伴い、車両を運行させるために必要となる安全確認や情報確認の時間を低減させることができ、ユーザにとって使いやすいシステムとすることができる。

１０…ヘッドアップディスプレイ、７０…インスツルメントパネル、２１０…画像投射部、３６０…中間像形成部、３６２…拡散スクリーン、３６４…凹レンズ、３７０…実像、３８０ａ…第１光拡散板、３８０ｂ…第２光拡散板、３８１ａ…第１平坦面、３８１ｂ…第２平坦面、３８２ａ…第１レンズアレイ面、３８２ｂ…第２レンズアレイ面、３８３ａ…第１のマイクロレンズ、３８３ｂ…第２のマイクロレンズ、３８６ａ，３８６ｂ…頂点、３８７ａ，３８７ｂ…等高線、４５０…虚像、７１０…スモーク板、７２０…画像投射部、７３５…中間鏡、７３６…中間像形成部、７４０…凹面鏡、７５０…虚像。

Claims (7)

1. 画像表示光に基づく実像が結像する中間像形成部であって、
   前記画像表示光の主光線の向きを変化させる凹レンズと、
   前記主光線が所定の配光角を有するように配光する透過型スクリーンと、を備え、
   前記透過型スクリーンは、
   第１のマイクロレンズが複数配列された第１レンズアレイ面と、
   前記第１レンズアレイ面に垂直な方向に離れて設けられ、前記第１のマイクロレンズとは形状の異なる第２のマイクロレンズが複数配列された第２レンズアレイ面と、を備え、
   前記第１のマイクロレンズは、頂点付近における等高線が円または楕円形状であり、
   前記第２のマイクロレンズは、頂点付近における等高線が前記第１のマイクロレンズの等高線と楕円率の異なる楕円形状であることを特徴とする中間像形成部。
2. 前記透過型スクリーンは、
   前記第１レンズアレイ面と、前記第１レンズアレイ面に背向する第１平坦面と、を有する第１光拡散板と、
   前記第２レンズアレイ面と、前記第２レンズアレイ面に背向する第２平坦面と、を有する第２光拡散板と、を備え、
   前記第２光拡散板は、前記第２レンズアレイ面が前記第１平坦面と対向して配置されることを特徴とする請求項１に記載の中間像形成部。
3. 前記透過型スクリーンは、前記第１レンズアレイ面に垂直な方向をｚ軸方向とする直交座標系において、ｘ軸方向の幅が、ｙ軸方向の幅よりも長い形状を有しており、
   前記第１のマイクロレンズの等高線は、円形状であり、
   前記第２のマイクロレンズの等高線は、前記ｘ軸方向に短軸を有し、前記ｙ軸方向に長軸を有する楕円形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の中間像形成部。
4. 当該透過型スクリーンに入射させる光が、前記第１レンズアレイ面に入射した後に前記第２レンズアレイ面に入射するよう構成されることを特徴とする請求項３に記載の中間像形成部。
5. 前記第１レンズアレイ面と前記第２レンズアレイ面との距離が、２００μｍ以上４００μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の中間像形成部。
6. 前記凹レンズの光軸方向をｚ軸方向とし、そのｚ軸方向と前記主光線の透過方向との双方に直交する方向をｘ軸方向、そのｚ軸方向およびそのｘ軸方向に直交する方向をｙ軸方向とした場合に、
   前記凹レンズは、前記ｙ軸方向に偏心して設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の中間像形成部。
7. 画像表示光を投射する画像投射部と、
   前記画像投射部から投射された画像表示光に基づく実像を結像させる中間像形成部と、
   前記中間像形成部を透過した画像表示光を虚像提示面に向けて反射させる投射鏡と、を備え、
   前記中間像形成部は、
   前記画像表示光の主光線の向きを変化させる凹レンズと、
   前記主光線が所定の配光角を有するように配光する透過型スクリーンと、を備え、
   前記透過型スクリーンは、
   第１のマイクロレンズが複数配列された第１レンズアレイ面と、
   前記第１レンズアレイ面に垂直な方向に離れて設けられ、前記第１のマイクロレンズとは形状の異なる第２のマイクロレンズが複数配列された第２レンズアレイ面と、を備え、
   前記第１のマイクロレンズは、頂点付近における等高線が円または楕円形状であり、
   前記第２のマイクロレンズは、頂点付近における等高線が前記第１のマイクロレンズの等高線と楕円率の異なる楕円形状であることを特徴とする画像表示装置。

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