JP7314873B2

JP7314873B2 - 虚像表示装置

Info

Publication number: JP7314873B2
Application number: JP2020122211A
Authority: JP
Inventors: 孝啓南原; 誠坂井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2023-07-26
Anticipated expiration: 2040-07-16
Also published as: WO2022014179A1; JP2022018830A

Description

本開示は、虚像表示装置に関する。

表示光を透光部材により反射させて、表示光による虚像を視認可能に表示する虚像表示装置は、従来知られている。

例えば特許文献１に開示の虚像表示装置は、二段レンズにより集光された照明光の透過により画像を形成し、当該画像の表示光を射出する液晶パネルを、備えている。ここで照明光は、発光色の相異なる光源素子の組から、生成されている。これにより、虚像の表示色を調整することが、可能となっている。

特開２０１９－１６４２８５号公報

しかし、特許文献１に開示の虚像表示装置では、液晶パネルの全領域に対して、全光源素子に共通の二段レンズにより、照明光を集光させている。そのため、二段レンズの光軸に配置位置が近接する光源素子からの照明光と、当該光軸とは配置位置が離間する光源素子からの照明光とでは、混色が不十分となって、表示光に色ムラ乃至は色ズレを生じさせてしまうため、虚像の視認性を低下させることになる。

そこで本開示の課題は、虚像の視認性を高める虚像表示装置を、提供することにある。

以下、課題を解決するための本開示の技術的手段について、説明する。尚、特許請求の範囲及び本欄に記載された括弧内の符号は、後に詳述する実施形態に記載された具体的手段との対応関係を示すものであり、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

本開示の一態様は、
表示光を透光部材（３）により反射させて、表示光による虚像（ＶＲＩ）を視認可能に表示する虚像表示装置（１００）であって、
照明光を発する照明ユニット（４０）と、
照明光の透過により画像を形成し、画像の表示光を射出する画像形成ユニット（２０）と、
照明光を画像形成ユニットへ向けて集光する集光ユニット（３０）とを、備え、
照明ユニットは、三原色の照明光を独立して発する光源素子（４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂ）の組を光源群（４０３，２４０３）として、集光ユニットに入射する照明光を光源群から発する光源部（４０２，２４０２）を、有し、
集光ユニットは、画像形成ユニットに入射する照明光を集光する角度空間（θ）内において当該照明光を拡散するように、波面状の拡散面（３１３）を形成するレンズ部（３１２）を、有し、
各光源部の光源群において三原色の光源素子は、直線方向（Ｙｄ）に互いに並んで配置され、
拡散面は、直線方向に沿って波の進行する波面状を、呈する。
本開示の別の一態様は、
表示光を透光部材（３）により反射させて、表示光による虚像（ＶＲＩ）を視認可能に表示する虚像表示装置（１００）であって、
照明光を発する照明ユニット（４０）と、
照明光の透過により画像を形成し、画像の表示光を射出する画像形成ユニット（２０）と、
照明光を画像形成ユニットへ向けて集光する集光ユニット（３０）とを、備え、
照明ユニットは、三原色の照明光を独立して発する光源素子（４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂ）の組を光源群（３４０３）として、集光ユニットに入射する照明光を光源群から発する光源部（３４０２）を、有し、
集光ユニットは、画像形成ユニットに入射する照明光を集光する角度空間（θ）内において当該照明光を拡散するように、波面状の拡散面（３３１３）を形成するレンズ部（３３１２）を、有し、
各光源部の光源群において三原色の光源素子は、直線方向（Ｙｄ）とその直交方向（Ｘｄ）とのうち、少なくとも一方に互いにずれて配置され、
拡散面は、直線方向と直交方向とに沿って波の進行する波面状を、呈する。

これら態様の照明ユニットでは、集光ユニットに入射する三原色の照明光が、光源部の光源群を組する各光学素子から独立して発せられる。このとき一態様の集光ユニットでは、画像形成ユニットに入射する照明光を集光する角度空間内において、レンズ部の形成する波面状拡散面により当該照明光が拡散される。故に、光源群において少なくとも二原色の光源素子からの照明光は、このような入射先レンズ部での拡散集光作用により混色されることで、入射先の集光ユニットから表示光として射出する際には、色ムラ及び色ズレを生じさせ難くなる。故に、虚像の視認性を高めることが可能である。

第一実施形態による虚像表示装置の全体構成を示す模式図である。第一実施形態による虚像表示装置の詳細構成を示す断面図である。図２のIII－III線矢視図である。図２のIV－IV線矢視図である。図２の前段レンズアレイの斜視図である。図２の拡大断面図である。図２のVII－VII線矢視図である。図２のVIII－VIII線拡大断面図である。図２の拡大断面図である。図２のX－X線矢視図である。図３の画像形成パネルの照明例を説明するための模式図である。第二実施形態による虚像表示装置を図１０に対応して示す図である。第三実施形態による虚像表示装置を図２に対応して示す断面図である。第三実施形態による虚像表示装置を図１０に対応して示す図である。図１４の変形例を示す断面図である。第三実施形態による虚像表示装置を図６に対応して示す断面図である。図２の変形例を示す断面図である。図２の変形例を示す断面図である。図２の変形例を示す断面図である。図２の変形例を示す断面図である。

以下、複数の実施形態を図面に基づき説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことで、重複する説明を省略する場合がある。また、各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。さらに、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合わせることができる。

図１に示すように第一実施形態の虚像表示装置は、車両１に搭載されるように構成されて当該車両１のインストルメントパネル２内に収容される、ヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤという）１００である。ここで車両１とは、例えば自動車、鉄道車両の他、航空機、船舶、及び移動しないゲーム筐体等の各種乗り物を含むように、広義に解される。特に本実施形態の車両１は、四輪の自動車である。尚、ＨＵＤ１００に関する前、後、上、下、左、及び右の各方向は、水平面上の車両１を基準として、定義される。

ＨＵＤ１００は、車両１のウインドシールド３へ向けて、画像の表示光を投影する。その結果、ウインドシールド３により反射される表示光は、車両１の室内に設定された視認領域ＥＢに、到達する。車両１の室内において視認領域ＥＢにアイポイントＥＰが位置する乗員は、当該視認領域ＥＢに到達した表示光を虚像ＶＲＩとして知覚する。このようにＨＵＤ１００は、車両１の乗員である視認者（以下、単に視認者という）４により視認可能な虚像ＶＲＩを表示することで、各種情報を当該視認者４に認識させることが可能である。ＨＵＤ１００により虚像ＶＲＩとして表示される各種情報には、例えば車速、燃料残量等といった車両１の状態を示す情報、視界補助情報、道路情報、及びナビゲーション情報等が挙げられる。

視認領域ＥＢは、ＨＵＤ１００により表示される虚像ＶＲＩが所定の仕様を満たす（例えば、虚像ＶＲＩ全体が所定輝度以上となる等）ことで、視認者４により視認可能となる空間領域であって、アイボックスとも称される。視認領域ＥＢは典型的には、車両１に設定されたアイリプスと重なるように、設定される。アイリプスは、視認者４におけるアイポイントＥＰの空間分布を統計的に表したアイレンジに基づき、仮想の楕円体状に設定される。

ウインドシールド３は、例えばガラス又は合成樹脂等により透光性の板状に形成された、透光部材である。ウインドシールド３は、インストルメントパネル２よりも上方に位置して、車両１の室内外を区画している。ウインドシールド３は、前方から後方へ向かうほど、インストルメントパネル２から離間する姿勢に、傾斜している。ウインドシールド３において室内側となる後面は、ＨＵＤ１００から表示光が投影されて反射する反射面３ａを、滑らかな凹面状又は平面状に形成している。

尚、ウインドシールド３については、反射型のホログラフィック光学素子が設けられることで、面反射に代わる干渉縞での回折反射を利用する構成であってもよい。またウインドシールド３に代えて、透光部材としてのコンバイナが車両１の室内に設置されることで、当該コンバイナに反射面３ａが設けられていてもよい。

図１に示すようにＨＵＤ１００は、導光ユニット１０、画像形成ユニット２０、集光ユニット３０、及び照明ユニット４０を備えている。

導光ユニット１０は、画像形成ユニット２０からウインドシールド３に至る光路Ｌを、構成している。導光ユニット１０は、画像形成ユニット２０から投射される表示光を、ウインドシールド３へ向けて導光する。導光ユニット１０は、画像形成ユニット２０により形成される画像を、視認者４により視認される虚像ＶＲＩへ所定の光学倍率に拡大する、拡大作用を有していることが好ましい。これは、導光ユニット１０の拡大作用によって小型化が図られるからである。

このような機能の導光ユニット１０は、少なくとも一つの光学部材１１を含んで構成される。導光ユニット１０は、光学部材１１としての平面鏡（又は曲面鏡）１１ａ及び凹面鏡１１ｂを一つずつ組み合わせて、構成されている。ここで凹面鏡１１ｂは、上述の拡大作用を与える。それ以外にも例えば導光ユニット１０は、光学部材１１としての凸面鏡及び凹面鏡を一つずつ組み合わせた構成であってもよいし、光学部材１１としての一つの凹面鏡から構成される等であってもよい。こうした導光ユニット１０を構成する光学部材１１は、固定式又は可動式のいずれであってもよい。

画像形成ユニット２０は、車両１の室外において虚像ＶＲＩとして結像可能な画像を形成し、当該形成画像の表示光を導光ユニット１０へ向けて射出する。図１，２に示すように画像形成ユニット２０は、画像表示パネル２１及び拡散パネル２２を含んで構成される。

画像表示パネル２１は、全体として板状に形成されている。画像表示パネル２１は、薄膜トランジスタを用いた、透過型のＴＦＴ液晶パネルである。画像表示パネル２１は、二次元配列された複数の液晶画素を有する、アクティブマトリクス式である。画像表示パネル２１の片面である入射面２１０には、照明ユニット４０からの照明光が集光ユニット３０を通して入射する。画像表示パネル２１の逆側となる射出面２１１からは、画像の表示光が光路Ｌ上の導光ユニット１０へ向けて射出される。画像表示パネル２１は、この表示光となる画像を表示形成する。

こうした機能の画像表示パネル２１では、一対の平板状偏光子と、それら偏光子に挟まれた液晶層とが、板厚方向に積層されている。各偏光子は、互いに直交する透過軸及び遮断軸を、画像表示パネル２１の両面２１０，２１１に沿って有している。各偏光子は、透過軸の方位角では偏光を透過させ、遮断軸の方位角では偏光を吸収する。液晶層は、液晶画素毎の印加電圧に応じて透過させる照明光の偏光を、調整可能に構成されている。液晶層での偏光調整により、射出側の偏光子を透過する光の割合、即ち透過率が液晶画素毎に調整されることで、画像が形成される。ここで特に画像表示パネル２１では、各液晶画素にカラーフィルタが設けられることで、カラー画像の形成が可能となっている。

図２，３に示すように画像表示パネル２１には、互いに直交するＸａ方向とＹａ方向とに所定数ずつ二次元配列される複数の画素領域２１２が、設定されている。各画素領域２１２は、Ｘａ方向とＹａ方向とに液晶画素が複数ずつ二次元に並んで構成される、矩形の画像形成領域として定義される。Ｘａ方向における画素領域２１２の配列数は、Ｙａ方向における画素領域２１２の配列数に対して、相違となる「少ない」若しくは「多い」、又は「同一」のいずれであってもよいが、図３の例では「少ない」が採用されている。

図１に示すように拡散パネル２２は、例えばガラス又は樹脂等の硬質透明材から、全体として板状又は薄膜状に形成されている。拡散パネル２２は、画像表示パネル２１の入射面２１０に沿って実質平行に、配置される。拡散パネル２２は、画像表示パネル２１へ入射する照明光に対して、拡散作用を与える。尚、拡散パネル２２は、画像表示パネル２１の入射面２１０に微小な凹凸が与えられることで、同パネル２１と一体に構成されてもよい。

図１，２に示す集光ユニット３０は、照明ユニット４０からの照明光を画像形成ユニット２０へ向けて集光する。集光ユニット３０は、前段レンズアレイ３１及び後段レンズアレイ３２を含んで構成される。

図２，４に示すように前段レンズアレイ３１は、例えばガラス又は樹脂等の硬質透明材から、全体として板状に形成されている。前段レンズアレイ３１は、平凸レンズアレイである。前段レンズアレイ３１は、互いに直交するＸｂ方向とＹｂ方向とに所定数ずつ二次元配列される複数の前段レンズ部３１２を、有している。Ｘｂ方向における前段レンズ部３１２の配列数は、Ｘａ方向における画素領域２１２の配列数と一致している。Ｙｂ方向における前段レンズ部３１２の配列数は、Ｙａ方向における画素領域２１２の配列数と一致している。これらの構成により各前段レンズ部３１２は、画素領域２１２のいずれかと１：１で対応付けられている。

前段レンズ部３１２の片面である前段入射面３１０には、照明ユニット４０からの照明光が入射する。各前段レンズ部３１２の逆面となる前段射出面３１１からは、前段入射面３１０に入射の照明光が後段レンズアレイ３２へ向けて射出される。

図２，５，６に示す各前段レンズ部３１２の前段入射面３１０は、Ｘｂ方向及びＹｂ方向と直交する光軸Ａｌに対して、実質垂直な平面状を呈している。各前段レンズ部３１２毎に前段射出面３１１は、仮想ベース面Ｓｂに拡散面３１３を合成した複合面構造を、形成している。各前段レンズ部３１２毎に定義される仮想ベース面Ｓｂは、図６に示すように、Ｘｂ方向及びＹｂ方向を含む任意方向において滑らかに湾曲する凸面状を、呈している。各前段レンズ部３１２は、後段レンズアレイ３２へ向けて射出の照明光を、こうした凸面状の仮想ベース面Ｓｂに従って角度空間θ内に集光させる。

このような集光作用を発揮するために仮想ベース面Ｓｂの凸面状を表す関数Ｚｂは、例えば次の数１によって与えられる。数１においてｃは、凸面状に与える曲率である。数１においてｒは、凸面状の任意点に関する光軸Ａｌからの、動径（即ち、半径）である。数１においてｋは、コーニック定数である。数１においてαｉは、自由曲面係数である。

各前段レンズ部３１２に定義される拡散面３１３は、光軸Ａｌを含んでＸｂ方向に広がる仮想平面αから、Ｙｂ方向の外側へ向かって波の進行する波面状を、呈している。各前段レンズ部３１２は、後段レンズアレイ３２へ向けて射出の照明光を、こうした波面状の拡散面３１３に従って角度空間θ内に拡散させる。

このような拡散作用を発揮するために拡散面３１３の波面状を表す関数Ｚｗは、例えば一次元平面波面を規定する、次の数２によって与えられる。数２においてＡｙは、Ｙｂ方向における波面状の最大振幅である。数２においてＹｗは、波面状の任意点に関する仮想平面αからのＹｂ方向への、離間距離である。数２においてλｙは、Ｙｂ方向における波面状の波長である。

以上より各前段レンズ部３１２毎の前段射出面３１１において、拡散面３１３が仮想ベース面Ｓｂに合成されてなる複合面構造を表した関数Ｚｃは、次の数３によって与えられる。ここまでの構成から各前段レンズ部３１２は、画像形成ユニット２０のうち、それぞれ対応する画素領域２１２へと入射する照明光を、個別に集光する角度空間θ内には収まる範囲で、拡散させるのである。

図２，７に示すように後段レンズアレイ３２は、例えばガラス又は樹脂等の硬質透明材から、全体として板状に形成されている。後段レンズアレイ３２は、互いに直交するＸｃ方向とＹｃ方向とに所定数ずつ二次元配列される複数の後段レンズ部３２２を、有している。Ｘｃ方向における後段レンズ部３２２の配列数は、Ｘａ方向における画素領域２１２の配列数とＸｂ方向における前段レンズ部３１２の配列数とに、一致している。Ｙｃ方向における後段レンズ部３２２の配列数は、Ｙａ方向における画素領域２１２の配列数とＹｂ方向における前段レンズ部３１２の配列数とに、一致している。これらの構成により各後段レンズ部３２２は、画素領域２１２のいずれかと前段レンズ部３１２のいずれかとに、１：１で対応付けられている。

各後段レンズ部３２２は、対応する前段レンズ部３１２に対しては、後段に位置して光軸Ａｌを共通にしている。こうした各前段レンズ部３１２及び各後段レンズ部３２２の光軸Ａｌに対して、画像表示パネル２１及び拡散パネル２２は傾斜配置されている。この傾斜配置により画像表示パネル２１のＸａ方向は、前段レンズアレイ３１のＸｂ方向と後段レンズアレイ３２のＸｃ方向と対して、それらレンズアレイ３１，３２側へ傾斜するように、定義される。一方、画像表示パネル２１のＹａ方向は、前段レンズアレイ３１のＹｂ方向と後段レンズアレイ３２のＹｃ方向とに沿って実質平行に、定義される。

図７～９に示す各後段レンズ部３２２の片面である後段入射面３２０には、それぞれ対応する前段レンズ部３１２からの照明光が、入射する。各後段レンズ部３２２の逆面となる後段射出面３２１からは、後段入射面３２０に入射の照明光が、それぞれ対応する画素領域２１２へ向けて射出される。

図８に示す各後段レンズ部３２２毎に後段入射面３２０は、光軸ＡｌからＸｃ方向の外側に向かって順屈折面部３２３と逆屈折面部３２４とが交互に並ぶ複合面構造を、形成している。複数の順屈折面部３２３は、Ｘｃ方向に互いに離間且つＹｃ方向に沿って延伸するストライプ状（図７参照）に、形成されている。各順屈折面部３２３は、仮想ベース面Ｓｉ１をＸｃ方向に一定幅で分割した分割部分のいずれかに、対応している。ここで仮想ベース面Ｓｉ１は、入射側に凸の例えば凸面状等に、定義される。複数の逆屈折面部３２４は、Ｘｃ方向に互いに離間且つＹｃ方向に延伸するストライプ状（図７参照）に、形成されている。各逆屈折面部３２４は、仮想ベース面Ｓｉ２をＸｃ方向に複数分割した分割部分のいずれかに、対応している。ここで仮想ベース面Ｓｉ２は、射出側に凹の例えば谷形斜面状等に、定義される。以上の如き複合面構造では、各順屈折面部３２３が照明光を屈折によりＸｃ方向の光軸Ａｌ側に集めて光軸Ａｌに平行化する一方、各逆屈折面部３２４が照明光を各順屈折面部３２３とは逆向きに屈折させて当該平行化光に混ぜ合わせる。尚、平行化とは、照明光が平行光束に近づいた状態となることを意味し、照明光が完全に平行光束となっている必要はない。

図９に示す各後段レンズ部３２２毎に後段射出面３２１は、光軸ＡｌからＹｃ方向の外側に向かって順屈折面部３２５と逆屈折面部３２６とが交互に並ぶ複合面構造を、形成している。複数の順屈折面部３２５は、Ｙｃ方向に互いに離間且つＸｃ方向に沿って延伸するストライプ状（図７参照）に、形成されている。各順屈折面部３２５は、仮想ベース面Ｓｏ１をＹｃ方向に複数分割した分割部分のいずれかに、対応している。ここで仮想ベース面Ｓｏ１は、射出側に凸の例えば凸面状等に、定義される。複数の逆屈折面部３２６は、Ｙｃ方向に互いに離間且つＸｃ方向に延伸するストライプ状（図７参照）に、形成されている。各逆屈折面部３２６は、仮想ベース面Ｓｏ２をＹｃ方向に一定幅で分割した分割部分のいずれかに、対応している。ここで仮想ベース面Ｓｏ２は、入射側に凹の例えば谷形斜面状等に、定義される。以上の如き複合面構造では、各順屈折面部３２５が照明光を屈折によりＹｃ方向の光軸Ａｌ側に集めて光軸Ａｌに平行化する一方、各逆屈折面部３２４が照明光を各順屈折面部３２３とは逆向きに屈折させて当該平行化光に混ぜ合わせる。

ここまでの構成から集光ユニット３０は、画像形成ユニット２０のうち各画素領域２１２にそれぞれ対応する前段レンズ部３１２及び後段レンズ部３２２の共同により、それら各画素領域２１２毎に入射する照明光を、個別に集光するのである。

図１，２に示す照明ユニット４０は、集光ユニット３０を通して画像形成ユニット２０を照明する照明光を、発する。図１，２，１０に示すように照明ユニット４０は、互いに直交するＸｄ方向とＹｄ方向とに所定数ずつ二次元配列される複数の光源部４０２を、有している。Ｘｄ方向における光源部４０２の配列数は、Ｘａ方向における画素領域２１２の配列数とＸｂ方向における前段レンズ部３１２の配列数とＸｃ方向における後段レンズ部３２２の配列数とに、一致している。Ｙｄ方向における光源部４０２の配列数は、Ｙａ方向における画素領域２１２の配列数とＹｂ方向における前段レンズ部３１２の配列数とＹｃ方向における後段レンズ部３２２の配列数とに、一致している。これらの構成により各光源部４０２は、画素領域２１２のいずれかと前段レンズ部３１２のいずれかと後段レンズ部３２２のいずれかとに、１：１で対応付けられている。

図２，１０に示すように各光源部４０２は、互いに同一構成の光源群４０３から構成されている。各光源部４０２の光源群４０３は、赤緑青（ＲＧＢ）である三原色の照明光をそれぞれ独立して発する光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂの組により、定義される。各光源部４０２では、光源群４０３を組する三原色の光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂが個別のＬＥＤベアチップにより構成され、互いに共通にパッケージングされている。

各光源部４０２では、ＲＧＢ三原色の光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂが直線方向としてのＹｄ方向に沿って、互いに並んで一次元に配置されている。ここで特に、光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂが直線上に並ぶＹｄ方向は、虚像ＶＲＩの上下方向Ｄｖ（図１参照）に対応する。また光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂのうち、Ｙｄ方向の真ん中に位置する一原色の光源素子（図２，６は４０３Ｇの例）は、対応する前段レンズ部３１２及び後段レンズ部３２２の共通光軸Ａｌ上に、配置されている。

さらに光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂは、対応する前段レンズ部３１２及び後段レンズ部３２２の光軸Ａｌに沿う方向において、それら対応レンズ部３１２，３２２の合成焦点よりも集光ユニット３０に近接して配置されている。それと共に、対応する前段レンズ部３１２の光軸Ａｌに沿う方向において光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂは、当該対応レンズ部３１２に関する仮想ベース面Ｓｂの焦点距離Ｐｂ（図６参照）よりも、集光ユニット３０に近接して配置されている。

図２に示す各光源部４０２の光源群４０３において、光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂの発光強度がそれぞれ最大となる強度ピーク方向は、対応する前段レンズ部３１２及び後段レンズ部３２２の光軸Ａｌに沿って、実質平行に設定されている。この設定下において照明ユニット４０のＸｄ方向は、前段レンズアレイ３１のＸｂ方向と後段レンズアレイ３２のＸｃ方向とに沿って実質平行に定義されると共に、画像表示パネル２１のＸａ方向とは傾斜して定義される。一方、照明ユニット４０のＹｄ方向は、画像表示パネル２１のＹａ方向と前段レンズアレイ３１のＹｂ方向と後段レンズアレイ３２のＹｃ方向とに沿って実質平行に、定義される。

各光源部４０２の光源群４０３では、三原色の光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂのうち、少なくとも一原色の光源素子から発せられた照明光は、対応する前段レンズ部３１２及び後段レンズ部３２２へ順次入射する。即ち照明ユニット４０は、各レンズ部３１２，３２２の対応する組毎に順次入射される照明光を、それら各レンズ部３１２，３２２と個別に対応する光源部４０２の光源群４０３から、発するのである。

図１１に白抜きで示すように、光源群４０３において三原色の光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂが全て発光した光源部４０２に対応する画素領域２１２は、当該三原色の混色した白色光により、照明される。図１１にドットハッチングで示すように、光源群４０３における光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂのうち、二原色の光源素子の発光且つ一原色の光源素子の消灯した光源部４０２に対応する画素領域２１２は、当該二原色の混色光により照明される。図１１にクロスハッチングで示すように、光源群４０３における光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂのうち、一原色の光源素子の発光且つ二原色の光源素子の消灯した光源部４０２に対応する画素領域２１２は、当該一原色の単色光により照明される。

（作用効果）
以上説明した第一実施形態の作用効果を、以下に説明する。

第一実施形態の照明ユニット４０では、集光ユニット３０に入射する三原色の照明光が、光源部４０２の光源群４０３を組する各光学素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂから独立して発せられる。このとき第一実施形態の集光ユニット３０では、画像形成ユニット２０に入射する照明光を集光する角度空間θ内において、前段レンズ部３１２の形成する波面状拡散面３１３により当該照明光が拡散される。故に、光源群４０３における少なくとも二原色の光源素子からの照明光は、このような入射先レンズ部３１２での拡散集光作用により混色されることで、入射先の集光ユニット３０から表示光として射出する際には、色ムラ及び色ズレを生じさせ難くなる。故に、虚像ＶＲＩの視認性を高めることが可能である。

第一実施形態によると、各光源部４０２の光源群４０３において三原色の光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂは、直線方向としてのＹｄ方向に互いに並んで配置される。故に、拡散集光作用を発揮する前段レンズ部３１２では、光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂの互いに並ぶＹｄ方向に沿うＹｂ方向において、照明光が混色し易くなる。故に、混色される表示光に色ムラ及び色ズレを生じ難くして、虚像ＶＲＩの視認性を高めることが可能となる。

第一実施形態によると、拡散面３１３は、直線方向としてのＹｄ方向に沿ったＹｂ方向へ、波の進行する波面状を呈する。これにより前段レンズ部３１２では、光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂの互いに並んだＹｄ方向における照明光の混色を、拡散集光作用により促進することができる。故に、混色される表示光の色ムラ及び色ズレを効果的に抑制して、虚像ＶＲＩの視認性を高めることが可能となる。

第一実施形態によると、各光源部４０２の光源群４０３において三原色の光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂが並ぶ直線方向としてのＹｄ方向は、虚像ＶＲＩの上下方向Ｄｖに対応する。これによれば、虚像ＶＲＩを視認する視認者４の眼球が移動し難い上下方向Ｄｖでは、混色される表示光の、当該移動に起因する色ズレが生じ難くなる。また一方、視認者４の眼球が移動し易い虚像ＶＲＩの左右方向Ｄｈ（図１参照）に対応したＸｄ方向では、光源群４０３において三原色の光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂが並ばない。そのため、混色される表示光には、視認者４の眼球移動に起因する色ズレがそもそも生じ難い。これらのことから、虚像ＶＲＩの視認性を高める効果の信頼性を、担保することが可能となる。

第一実施形態の集光ユニット３０によると、画像形成ユニット２０において複数配列される各画素領域２１２毎に入射する照明光を個別に集光する角度空間θ内において、当該個別集光の照明光を拡散する拡散面３１３を形成するように、前段レンズ部３１２が複数配列される。ここで第一実施形態の照明ユニット４０では、各前段レンズ部３１２毎に入射する照明光を個別の光源群４０３から発するように、光源部４０２が複数配列される。これにより各光源部４０２の光源群４０３では、三原色の照明光を独立に発する光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂのいずれも、入射先レンズ部３１２の光軸Ａｌに可及的に近接させて配置することができる。

故に、各光源部４０２の光源群４０３において少なくとも二原色の光源素子からの照明光は、入射先レンズ部３１２での拡散集光により混色されて入射先画素領域２１２から表示光として射出する際に、各画素領域２１２毎での色ムラ及び色ズレを生じさせ難い。また、各光源部４０２の光源群４０３において少なくとも一原色の光源素子からの照明光は、入射先レンズ部３１２での拡散集光作用により集光されて入射先画素領域２１２から表示光として射出する際に、各画素領域２１２間での色ムラ及び色ズレも生じさせ難い。さらに、各光源部４０２の光源群４０３において一原色の光源素子からの照明光では、入射先画素領域２１２から射出される表示光の色度が鮮やかになる。これらのことから、虚像ＶＲＩの視認性を高めることが可能である。

第一実施形態によると、各前段レンズ部３１２の後段には、各画素領域２１２毎に入射する照明光を前段レンズ部３１２と共同して個別に集光するように、後段レンズ部３２２が複数配列される。そこで各後段レンズ部３２２では、照明光を屈折により平行化する順屈折面部３２５と、照明光を屈折させて当該平行化光に混ぜ合わせる逆屈折面部３２６とが、直線方向としてのＹｄ方向に交互に形成される。これによれば、各光源部４０２の光源群４０３において少なくとも二原色の光源素子からの照明光は、前段レンズ部３１２での拡散集光作用に加え、平行化光への混ぜ合わせを伴う後段レンズ部３２２での集光作用により、それら素子の並ぶＹｄ方向において混色され易くなる。故に、特に画素領域２１２毎での表示光の色ムラ及び色ズレを抑制して、虚像ＶＲＩの視認性を高めることが可能となる。

（第二実施形態）
図１２に示すように第二実施形態は、第一実施形態の変形例である。第二実施形態の各光源部２４０２では、光源群２４０３を組する三原色の光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂがそれぞれ個別のＬＥＤベアチップにより構成され、互いに個別にパッケージングされている。

このような第二実施形態によると、各光源部２４０２の光源群２４０３において三原色の光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂは、互いに独立してパッケージングされる。これにより各光源部２４０２の光源群２４０３では、三原色の光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂをそれぞれ配置する位置として、入射先レンズ部３１２の光軸Ａｌに可及的に近接した独立パッケージングの位置を、個別に高精度調整することができる。故に、虚像ＶＲＩの視認性を高める効果の信頼性を、担保することが可能となる。

（第三実施形態）
図１３，１４に示すように第三実施形態は、第一実施形態の変形例である。第三実施形態の各光源部３４０２において光源群３４０３を組する三原色の光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂは、直線方向であるＹｄ方向と、その直交方向であるＸｄ方向とのうち、少なくとも一方に互いにずれて二次元に配置されている。ここで図１３，１４は、二原色の光源素子（同図は４０３Ｒ，４０３Ｇの例）同士がＸｄ方向のみにずれると共に、当該二原色の光源素子に対して残りの一原色の光源素子（同図は４０３Ｂの例）がＸｄ，Ｙｄ方向の双方にずれて配置された例を、示している。

ここで特に、二原色の光源素子同士がずれて配置されるＹｄ方向は、虚像ＶＲＩの上下方向Ｄｖ（第一実施形態の図１参照）に対応する。また、光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂの各中心を頂点とする三角形領域（図１４の二点鎖線内）のうち、例えば重心点は、対応する前段レンズ部３１２及び後段レンズ部３２２の共通光軸Ａｌ（図１３参照）上に、配置されている。尚、以上の他にも例えば図１５に示すように、二原色の光源素子（同図は４０３Ｒ，４０３Ｇの例）同士がＹｄ方向のみにずれていると共に、当該二原色の光源素子に対して残りの一原色の光源素子（同図は４０３Ｂの例）がＸｄ，Ｙｄ方向の双方にずれて配置されてもよい。尚、各光源部３４０２の光源群３４０３において光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂは、第一実施形態と同様に互いに共通パッケージングとなっているが、第二実施形態に準じて互いに独立パッケージングとなっていてもよい。

図１６に示す各前段レンズ部３３１２毎の前段射出面３１１は、第一実施形態と同様な仮想ベース面Ｓｂに、第一実施形態とは異なる拡散面３３１３を合成した複合面構造を、形成している。各前段レンズ部３３１２に定義される拡散面３３１３は、光軸Ａｌから少なくともＸｃ方向及びＹｂ方向の外側へ向かって波の進行する波面状を、呈している。各前段レンズ部３３１２は、後段レンズアレイ３２へ向けて射出の照明光を、こうした波面状の拡散面３３１３に従って角度空間θ内に拡散させる。

このような拡散作用を発揮するために拡散面３３１３の波面状を表す関数Ｚｗは、例えば二次元平面波面を規定する、次の数４によって与えられてもよい。数４においてＡｘ，Ａｙは、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向における波面状の最大振幅である。数４においてＸｗは、波面状の任意点に関する仮想平面βからの、Ｘｂ方向への離間距離である。ここで仮想平面βは、光軸Ａｌを含んでＹｂ方向に広がる面として、仮想平面αに直交して定義される。数４においてＹｗは、波面状の任意点に関する仮想平面αからの、Ｙｂ方向への離間距離である。数４においてλｘ，λｙは、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向における波面状の波長である。

拡散面３３１３の波面状を表す関数Ｚｗは、例えば非減衰球面波面を規定する、次の数５によって与えられてもよい。数５においてＡは、Ｘｂ，Ｙｂ方向を含んだ光軸Ａｌまわりの任意方向における、波面状の最大振幅である。数５においてＸｗ，Ｙｗは、波面状の任意点に関する仮想平面β，αからの、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向への離間距離である。数５においてλは、Ｘｂ，Ｙｂ方向を含んだ光軸Ａｌまわりの任意方向における、波面状の波長である。

拡散面３３１３の波面状を表す関数Ｚｗは、例えば減衰球面波面を規定する、次の数６によって与えられてもよい。数６においてＡは、Ｘｂ，Ｙｂ方向を含んだ光軸Ａｌまわりの任意方向における、波面状の最大振幅である。数６においてＸｗ，Ｙｗは、波面状の任意点に関する仮想平面β，αからの、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向への離間距離である。数６においてλは、Ｘｂ，Ｙｂ方向を含んだ光軸Ａｌまわりの任意方向における、波面状の波長である。

拡散面３３１３の波面状を表す関数Ｚｗは、例えばｓｉｎｃ波面を規定する、次の数７～９によって与えられてもよい。数８，９においてＡｘ，Ａｙは、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向における波面状の最大振幅である。数８，９においてＸｗ，Ｙｗは、波面状の任意点に関する仮想平面β，αからの、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向への離間距離である。数８，９においてλｘ，λｙは、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向における波面状の波長である。

拡散面３３１３の波面状を表す関数Ｚｗは、例えば合成二次元平面波面を規定する、次の数１０によって与えられてもよい。数１０においてｊは、波面の合成数をＮとして、１～Ｎまでの整数、又は当該整数により表されるサフィックスである。数１０においてＡｘｊ，Ａｙｊは、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向における波面状の最大振幅である。数１０においてＸｗ，Ｙｗは、波面状の任意点に関する仮想平面β，αからの、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向への離間距離である。数１０においてλｘ，λｙは、それぞれＸｂ，Ｙｂ方向における波面状の波長である。尚、数１０においてＮ=１とした場合は、上記数４に相当する。

ここで、上記数４，７～９，１０の場合にＸｂ方向での最大振幅Ａｘ，Ａｘｊは、Ｙｂ方向での最大振幅Ａｙ，Ａｙｊに対して、相違となる「小さい」若しくは「大きい」、又は「同一」のいずれであってもよい。このうち、最大振幅Ａｘ，Ａｘｊが最大振幅Ａｙ，Ａｙｊと相違する場合には、照明光に対して異方性拡散作用が与えられることになる。

このような第三実施形態によると、各光源部３４０２の光源群３４０３において三原色の光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂは、直線方向であるＹｄ方向と、その直交方向であるＸｄ方向とのうち、少なくとも一方に互いにずれて配置される。故に、拡散面３３１３を有して拡散集光作用を発揮する前段レンズ部３３１２では、光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂの互いにずれた方向に沿うＹｂ，Ｘｂ方向において、照明色が混色し易くなる。故に、混色される表示光に色ムラ及び色ズレを生じ難くして、虚像ＶＲＩの視認性を高めることが可能となる。

さらに、第三実施形態による拡散面３３１３は、直線方向としてのＹｄ方向と直交方向としてのＸｄ方向とに沿ったＹｂ，Ｘｂ方向へ、波の進行する波面状を呈する。これにより、拡散面３３１３を有する前段レンズ部３３１２では、光源素子４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂの互いにずれた方向における照明光の混色を、拡散集光作用により促進することができる。故に、混色される表示光の色ムラ及び色ズレを効果的に抑制して、虚像ＶＲＩの視認性を高めることが可能となる。

（他の実施形態）
以上、複数の実施形態について説明したが、本開示は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。

図１７に示すように変形例では、後段レンズアレイ３２が設けられていなくてもよい。図１８に示すように変形例では、後段レンズアレイ３２において後段入射面３２０及び後段射出面３２１の少なくとも一方が、フレネルレンズ面により構成されていてもよい。図１９に示すように変形例では、各前段レンズ部３１２及び各後段レンズ部３２２の光軸Ａｌに対して、画像表示パネル２１及び拡散パネル２２が実質垂直に配置されていてもよい。

図２０に示すように変形例のレンズ部３１２，３３１２では、拡散面３１３，３３１３と仮想ベース面Ｓｂとの複合面構造が、前段入射面３１０に形成されていてもよい（同図は拡散面３１３の例）。この場合に、第一実施形態と同様な拡散面３１３，３３１３が合成される仮想ベース面Ｓｂは、光軸Ａｌに対して実質垂直な平面状を、呈していてもよい。また、この場合にレンズ部３１２，３３１２の前段射出面３１１は、Ｘｂ方向及びＹｂ方向を含む任意方向において滑らかに湾曲する凸面状を、呈していてもよい。

変形例の前段レンズアレイ３１は、拡散面３１３，３３１３と仮想ベース面Ｓｂとの複合面構造がレンズ部３１２，３３１２に形成された、ＴＩＲレンズアレイであってもよい。変形例の前段レンズ部３１２には、第三実施形態に準じた拡散面３３１３が適用されてもよい。変形例の前段レンズ部３３１２には、第一実施形態に準じた拡散面３１３が適用されてもよい。

変形例の画像表示パネル２１において画素領域２１２は、Ｘａ方向及びＹａ方向の一方においては一列の、一次元配列されていてもよい。変形例の前段レンズアレイ３１において前段レンズ部３１２は、Ｘｂ方向及びＹｂ方向の一方においては一列の、一次元配列されていてもよい。変形例の後段レンズアレイ３２において後段レンズ部３２２は、Ｘｃ方向及びＹｃ方向の一方においては一列の、一次元配列されていてもよい。変形例において光源部４０２は、Ｘｄ方向及びＹｄ方向の一方においては一列の、一次元配列されていてもよい。

変形例の画像表示パネル２１におけるＸａ方向とＹａ方向とは、互いに入れ替えられてもよい。変形例の後段レンズアレイ３２におけるＸｃ方向とＹｃ方向とは、互いに入れ替えられてもよい。変形例の各光源部４０２，２４０２，３４０２におけるＹｄ方向は、虚像ＶＲＩの左右方向Ｄｈ（第一実施形態の図１参照）に対応していてもよい。

３透光部材、２０画像形成ユニット、３０集光ユニット、４０照明ユニット、１００ＨＵＤ、２１２画素領域、３１２，３３１２前段レンズ部、３１３，３３１３拡散面、３２２後段レンズ部、３２５順屈折面部、３２６逆屈折面部、４０２，２４０２，３４０２光源部、４０３，２４０３，３４０３光源群、４０３Ｂ、４０３Ｇ、４０３Ｒ光源素子、Ｄｖ上下方向、ＶＲＩ虚像、θ 角度空間

Claims

表示光を透光部材（３）により反射させて、前記表示光による虚像（ＶＲＩ）を視認可能に表示する虚像表示装置（１００）であって、
照明光を発する照明ユニット（４０）と、
前記照明光の透過により画像を形成し、前記画像の前記表示光を射出する画像形成ユニット（２０）と、
前記照明光を前記画像形成ユニットへ向けて集光する集光ユニット（３０）とを、備え、
前記照明ユニットは、三原色の前記照明光を独立して発する光源素子（４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂ）の組を光源群（４０３，２４０３）として、前記集光ユニットに入射する前記照明光を前記光源群から発する光源部（４０２，２４０２）を、有し、
前記集光ユニットは、前記画像形成ユニットに入射する前記照明光を集光する角度空間（θ）内において当該照明光を拡散するように、波面状の拡散面（３１３）を形成するレンズ部（３１２）を、有し、
各前記光源部の前記光源群において三原色の前記光源素子は、直線方向（Ｙｄ）に互いに並んで配置され、
前記拡散面は、前記直線方向に沿って波の進行する波面状を、呈する虚像表示装置。
前記直線方向は、前記虚像の上下方向（Ｄｖ）に対応する請求項１に記載の虚像表示装置。
表示光を透光部材（３）により反射させて、前記表示光による虚像（ＶＲＩ）を視認可能に表示する虚像表示装置（１００）であって、
照明光を発する照明ユニット（４０）と、
前記照明光の透過により画像を形成し、前記画像の前記表示光を射出する画像形成ユニット（２０）と、
前記照明光を前記画像形成ユニットへ向けて集光する集光ユニット（３０）とを、備え、
前記照明ユニットは、三原色の前記照明光を独立して発する光源素子（４０３Ｒ，４０３Ｇ，４０３Ｂ）の組を光源群（３４０３）として、前記集光ユニットに入射する前記照明光を前記光源群から発する光源部（３４０２）を、有し、
前記集光ユニットは、前記画像形成ユニットに入射する前記照明光を集光する角度空間（θ）内において当該照明光を拡散するように、波面状の拡散面（３３１３）を形成するレンズ部（３３１２）を、有し、
各前記光源部の前記光源群において三原色の前記光源素子は、直線方向（Ｙｄ）とその直交方向（Ｘｄ）とのうち、少なくとも一方に互いにずれて配置され、
前記拡散面は、前記直線方向と前記直交方向とに沿って波の進行する波面状を、呈する虚像表示装置。
前記画像形成ユニットは、複数配列される画素領域（２１２）を、有し、
前記集光ユニットは、各前記画素領域毎に入射する前記照明光を個別に集光する前記角度空間内において当該個別集光の前記照明光を拡散する前記拡散面（３１３，３３１３）を形成するように、複数配列される前記レンズ部を、有し、
前記照明ユニットは、前記各レンズ部毎に入射する前記照明光を個別の前記光源群（４０３，２４０３，３４０３）から発するように、複数配列される前記光源部（４０２，２４０２，３４０２）を、有する請求項１～３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記集光ユニットは、前記レンズ部としての前段レンズ部の後段において、各前記画素領域毎に入射する前記照明光を当該前段レンズ部と共同して個別に集光するように、複数配列される後段レンズ部（３２２）を有し、
前記後段レンズ部は、前記照明光を屈折により平行化する順屈折面部（３２５）と、前記照明光を屈折により当該平行化光に混ぜ合わせる逆屈折面部（３２６）とを、各前記光源部（４０２，２４０２）の前記光源群（４０３，２４０３）において三原色の前記光源素子が互いに並ぶ前記直線方向に、交互に形成する請求項４に記載の虚像表示装置。
前記集光ユニットは、前記レンズ部としての前段レンズ部の後段において、各前記画素領域毎に入射する前記照明光を当該前段レンズ部と共同して個別に集光するように、複数配列される後段レンズ部（３２２）を有する請求項４又は５に記載の虚像表示装置。