WO2019138626A1 - 虚像表示装置 - Google Patents

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    • G02B2027/0196—Supplementary details having transparent supporting structure for display mounting, e.g. to a window or a windshield

Definitions

  • the present invention relates to a virtual image display device.
  • a head-up display may be used as a display device for vehicles.
  • the head-up display projects image display light onto a windshield of a vehicle, and displays a virtual image based on the image display light superimposed on a landscape outside the vehicle.
  • the windshield has two interfaces at the vehicle inner side and the vehicle outer side, so the image display light reflected and recognized at each interface may be shifted and superimposed to appear as a double image.
  • the visual distance is set so that the displacement amount of the double image is within the resolution of the human eye, and the formula for obtaining an optical arrangement for realizing the visual distance is It is proposed (for example, refer patent document 1).
  • 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.
  • One embodiment of the present invention is a virtual image display device for presenting a virtual image to a user via a virtual image presentation plate, comprising: a display unit generating image display light; and projecting the image display light toward the virtual image presentation plate And a projection optical system including a projection mirror.
  • the projection mirror has a concave surface on which the image display light enters and reflects obliquely, and is configured such that the curvature in the second cross section intersecting the concave surface is larger than the curvature in the first cross section intersecting the concave surface.
  • the first cross section is a plane including both the incident direction and the reflection direction of the image display light obliquely incident on the concave surface
  • the second cross section is a plane orthogonal to the first cross section and obliquely incident on the concave surface It is a plane along a direction orthogonal to both the incident direction and the reflection direction of the image display light.
  • the display unit is disposed at a meridional in-plane focal point of the synthetic optical system configured of the virtual image presentation plate and the projection optical system, and the meridional in-plane focal point of the synthetic optical system is virtual image presentation from the user along the meridional plane of the virtual image presentation plate It is a condensing position of the parallel light flux when the parallel light flux is made incident to the plate.
  • the visibility of a virtual image can be improved by reducing the generation of a double image.
  • FIGS. 5 (a) and 5 (b) are diagrams schematically showing astigmatism of a parallel beam incident on a partial region of the concave surface.
  • 6 (a) to 6 (c) are diagrams showing in detail the configuration of the virtual image display device according to the first embodiment. It is a figure which shows the structure of the virtual image display apparatus based on 2nd Embodiment in detail.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams showing in detail the configuration of the virtual image display device according to the fourth embodiment. It is a figure which shows the structure of the virtual image display apparatus based on 5th Embodiment in detail.
  • 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 (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 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 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 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 surface 23 and a second surface 24.
  • the first surface 23 corresponds to the in-vehicle interface of the windshield 62
  • the second surface 24 corresponds to the in-vehicle interface of the windshield 62.
  • the image display light L reaching the user E from any one point on the display unit 92 mainly passes through two light paths L1 and L2.
  • the first optical path L1 is an optical path reflected by the first surface 23 toward the user E
  • the second optical path L2 is refracted by the first surface 23 and reflected by the second surface 24, and then the first surface 23 Is an optical path which is refracted again to the user E.
  • an angular difference ⁇ exists between the first optical path L1 and the second optical path L2 directed to the user E
  • the image display light passing through each of the two optical paths L1 and L2 is shifted and recognized according to the angular difference ⁇
  • a double image occurs in the virtual image 51.
  • an optical path toward the user E may be assumed by multiple reflection between the first surface 23 and the second surface 24, the component of the image display light toward the user E toward multiple reflection is small, and in the normal usage mode It can be ignored.
  • FIG. 3 is a view schematically showing the suppression of double image by the glazed glass.
  • the virtual image presentation board 82 of FIG. 3 is what is called a so-called "glaze glass", and it is comprised so that the thickness of the virtual image presentation board 82 may change according to a place.
  • the first surface 83 and the second surface 84 of the virtual image presentation plate 82 have different inclination angles with respect to the line of sight of the user E, and an angle difference ⁇ is provided.
  • the angle difference ⁇ is provided between the two surfaces 83 and 84, the angle difference ⁇ between the first light path L1 and the second light path L2 as shown in FIG.
  • the suppressed virtual image 52 can be presented.
  • 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 differs from the configuration of FIG. 2 in that a convex lens 94 is provided between the virtual image presentation plate 22 and the display unit 92.
  • a convex lens 94 is provided between the virtual image presentation plate 22 and the display unit 92.
  • the convex lens 94 by providing the convex lens 94, the first optical path L1 reflected by 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 optical path L1 of the virtual image presentation plate 22 The angular difference between the second light path L2 reflected by the surface 24 can be reduced.
  • the double image is eliminated by eliminating the angular difference between the first optical path L1 and the second optical path L2.
  • astigmatism may occur when the virtual image presentation plate 22 is formed of a curved surface. Since the windshield 62 of a general automobile is configured by a curved surface and the first surface 23 is configured to be a concave surface, the oblique incidence of the image display light L on the concave surface causes astigmatism.
  • the term "astigmatism" as used herein refers to a mismatch between the in-plane focal point and the sagittal in-plane focus of the synthetic optical system.
  • the term "meridional plane” refers to a plane including the optical axis of the synthetic optical system and the chief ray of the image display light L, and the yz plane in FIG. 4 corresponds to the meridional plane.
  • the “sagittal plane” is a plane including the optical axis of the synthetic optical system and is a plane orthogonal to the meridional plane, and the xz plane in FIG. 4 corresponds to the sagittal plane.
  • FIGS. 5A and 5B are diagrams schematically showing astigmatism of a parallel light beam incident on a partial region 98 of the concave surface 96, as viewed from different viewpoints.
  • FIG. 5 (a) shows a light flux in the meridional plane (yz plane) of the concave curved surface 96
  • FIG. 5 (b) shows a light flux in the sagittal plane (xz flat) of the concave curved surface 96.
  • FIG. As illustrated, in the meridional plane and the sagittal plane, the convergence positions Fm and Fs of the parallel light flux are different, and the sagittal in-plane focal point Fs is located farther from the concave surface 96 than the meridional in-plane focal point Fm.
  • 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.
  • the focal length in the meridional plane where the luminous flux is incident obliquely becomes short to f ⁇ cos ⁇ .
  • the focal length in the sagittal plane is increased to f / cos ⁇ .
  • the projection optical system 14 is configured such that the astigmatism of the entire synthetic optical system including the virtual image presentation plate 22 and the projection optical system 14 is reduced. Specifically, by using one or more features shown in the following (1) to (5), it is possible to achieve both the alleviation of the occurrence of double image and the reduction of astigmatism of the synthetic optical system.
  • the concave mirror is disposed at a position twisted with respect to the virtual image presentation plate.
  • a projection mirror having a curved surface shape in which the unevenness is opposite to that of the virtual image presentation plate is disposed.
  • First Embodiment 6 (a) to 6 (c) are diagrams showing in detail the configuration of the virtual image display device 10 according to the first embodiment, as viewed from different viewpoints.
  • FIG. 6 (a) corresponds to FIG. 1 and shows the configuration seen in the yz plane.
  • FIG. 6 (b) shows the configuration seen in the xz plane, and
  • FIG. 6 (c) shows the configuration seen in the xy plane.
  • the present embodiment is a configuration using the above-described feature (1), and the concave mirror 16 included in the projection optical system 14 is disposed at a twisted position with respect to the virtual image presentation plate 22.
  • the virtual image display device 10 includes an illumination unit 11, a display unit 12, and a projection optical system 14.
  • the projection optical system 14 includes a concave mirror 16 and a convex lens 18.
  • the illumination unit 11, the display unit 12, the convex lens 18, and the concave mirror 16 are disposed on the optical axis extending in the x direction.
  • the concave mirror 16 reflects the image display light L incident in the x direction toward the virtual image presentation plate 22 in the y direction.
  • the virtual image presenting plate 22 reflects the image display light L incident in the y direction toward the user E in the z direction.
  • the virtual image presenting plate 22 is configured such that the first surface 23 is a concave surface.
  • the first surface 23 of the virtual image presentation plate 22 is a first concave surface on which the image display light L is obliquely incident and reflected.
  • the virtual image presentation board 22 is comprised so that thickness t may become fixed, and the curved surface shape of the 1st surface 23 and the 2nd surface 24 is the same.
  • the virtual image presentation plate 22 is arranged such that the direction (axis A) orthogonal to both the incident direction and the reflection direction of the image display light L on the first surface 23 (first concave surface) is the x direction.
  • the concave mirror 16 is a projection mirror that projects the image display light L toward the virtual image presentation plate 22.
  • the convex lens 18 is disposed between the display unit 12 and the concave mirror 16.
  • the concave mirror 16 has a second concave surface on which the image display light L enters and reflects obliquely, and the direction (axis B) orthogonal to both the incident direction and the reflection direction of the image display light L on the second concave surface is the z direction It is arranged to become. Therefore, the direction of the axis B of the concave mirror 16 is orthogonal to the direction of the axis A of the virtual image presentation plate 22, and the concave mirror 16 and the virtual image presentation plate 22 are arranged in a twisted manner.
  • the virtual image presentation plate 22 and the concave mirror 16 are arranged in a twisted manner, astigmatism generated by the virtual image presentation plate 22 and astigmatism generated by the concave mirror 16 occur in the opposite directions to each other.
  • a parallel luminous flux is made incident on the meridional surface (yz plane) of the virtual image presentation plate 22
  • the parallel luminous flux is reflected by the virtual image presentation plate 22 and the concave mirror 16 and passes through the convex lens 18, It converges in the xz plane on the optical axis in the x direction.
  • the virtual image presentation plate 22 acts to shorten the focal length of the luminous flux in the xz plane and to elongate the focal length of the luminous flux in the xy plane.
  • the concave mirror 16 acts to shorten the focal length of the luminous flux in the xy plane and to shorten the focal length of the luminous flux in the xz plane. Therefore, by combining the virtual image presentation plate 22 and the concave mirror 16 in such a twisted arrangement, it is possible to make the astigmatism smaller than in the case where the concave mirror 16 in the twisted arrangement is not provided.
  • the amounts of astigmatism generated by the concave mirror 16 and the virtual image presenting plate 22 are equal to each other. You should do it.
  • a product f a ⁇ cos [phi a of the cosine cos [phi a of the incident reflection angle phi a of the image display light L at the focal length f a and a concave mirror 1616 of the concave mirror 16, the focal length f b of the virtual image presentation plate 22 it may be such that the product f b ⁇ cos ⁇ b of cosine cos [phi b of the incoming reflection angle phi b of the image display light L in the virtual image presented plate 22 becomes equal.
  • the in-plane focal length f a ⁇ cos ⁇ a of the concave mirror 16 is not less than 0.5 times and twice or less the in-plane focal length f b ⁇ cos ⁇ b of the virtual image presentation plate 22 It is possible to preferably prevent a decrease in imaging performance caused by point aberration.
  • the display unit 12 at the meridional in-plane focal point of the combining optical system 20 configured by the concave mirror 16, the convex lens 18 and the virtual image presenting plate 22, it is caused by the virtual image presenting plate 22 having two surfaces 23 and 24.
  • the occurrence of double image can be eliminated.
  • the meridional in-plane focal point of the synthetic optical system 20 refers to the parallel luminous flux when a parallel luminous flux is made incident from the user E toward the virtual image presentation plate 22 along the meridional plane (yz plane) of the virtual image presentation plate 22. It is a condensing position.
  • the display unit 12 by arranging the display unit 12 at the in-plane focal point of the combining optical system 20, the occurrence of the double image is alleviated without using a virtual image display plate of a special specification such as a glazed glass. it can. Furthermore, by providing the concave mirror 16 in a torsional arrangement with respect to the virtual image presentation plate 22, it is possible to reduce the amount of astigmatism of the combining optical system 20, and to prevent the deterioration of the imaging performance due to the astigmatism. it can. Thereby, the visibility of the virtual image 50 presented to the user E can be enhanced.
  • FIG. 7 is a diagram showing in detail the configuration of the virtual image display device 110 according to the second embodiment.
  • the axis A of the virtual image presentation plate 22 and the axis B of the concave mirror 116 are in the same direction (x direction), so that the concave mirror 116 is not in a torsional arrangement with respect to the virtual image presentation plate 22 This is different from the first embodiment.
  • the virtual image display device 110 includes an illumination unit 11, a display unit 12 and a projection optical system 114.
  • the projection optical system 114 includes a concave mirror 116 and a convex lens 18.
  • the concave mirror 116 is a projection mirror having a concave surface on which the image display light L obliquely enters and reflects.
  • the illumination unit 11, the display unit 12, the convex lens 18, and the concave mirror 116 are disposed on the optical axis extending in the z direction.
  • the concave mirror 116 reflects the image display light L incident in the z direction toward the virtual image presentation plate 22.
  • the virtual image presentation plate 22 reflects the image display light L from the concave mirror 116 toward the user E.
  • the concave mirror 116 has a curvature in the meridional plane (first cross section) and a sagittal plane (second cross section) in order to reduce the astigmatism amount of the combining optical system 120 including the projection optical system 114 and the virtual image display plate 22.
  • the curvature of is configured to be different.
  • the meridional surface of the concave mirror 116 is a plane (yz plane) including both the incident direction and the reflection direction of the image display light obliquely incident on the concave mirror 116, and is a plane intersecting the concave surface of the concave mirror 116.
  • the sagittal surface of the concave mirror 116 is a plane orthogonal to the meridional surface, and is a plane along the direction (x direction) orthogonal to both the incident direction and the reflection direction of the image display light. It is a crossing plane.
  • the curvature in the meridional plane is related to the focal length of the parallel light beam incident along the meridional plane, ie, the meridional in-plane focal length.
  • the curvature in the sagittal plane is related to the sagittal in-plane focal length.
  • the in-meridional in-plane focal point and the sagittal in-plane focus of the composite optical system 120 coincide with each other.
  • the curvature in the meridional plane of the concave mirror 116 smaller than the curvature in the sagittal plane, the difference between the meridional in-plane focal length and the sagittal in-plane focal length can be reduced.
  • the specific curvature of the concave mirror 116 is the curvature in the meridional plane and the sagittal plane of the virtual image presentation plate 22, the incident / reflecting angle ⁇ a of the image display light L in the virtual image presentation plate 22, and the incident / reflection of the image display light L in the concave mirror 116 It is preferable to set appropriately according to the value of the angle ⁇ b .
  • the amount of astigmatism of the combining optical system 120 is reduced, and the imaging performance due to astigmatism is reduced. Can be prevented.
  • the display unit 12 by arranging the display unit 12 at the in-plane focal point of the combining optical system 120, the generation of a double image can be suppressed. Thus, the virtual image 150 with high visibility can be presented to the user.
  • this embodiment is applicable also when the 1st surface 23 of the virtual image presentation board 22 is a plane.
  • the curvatures in the meridional plane and in the sagittal plane of the concave mirror 116 can be set to different values so that the amount of astigmatism in the concave mirror 116 is reduced. Just do it.
  • FIG. 8 is a diagram showing in detail the configuration of the virtual image display device 210 according to the third embodiment.
  • the present embodiment is different from the above-described embodiment in that a parallel flat plate 219 obliquely disposed between the display unit 12 and the convex lens 218 is added.
  • the virtual image display device 210 includes the illumination unit 11, the display unit 12, and the projection optical system 214.
  • the projection optical system 214 includes a concave mirror 216, a convex lens 218 and a plane parallel plate 219.
  • the illumination unit 11, the display unit 12, the parallel flat plate 219, the convex lens 218, and the concave mirror 216 are disposed on the optical axis extending in the z direction.
  • the parallel flat plate 219 is a transparent member having a uniform thickness, and is made of glass or a resin material.
  • the parallel flat plate 219 is disposed obliquely to the light path of the projection optical system 214, and is disposed such that the rotation axis C is in the direction (x direction) orthogonal to the meridional plane (yz plane).
  • the focal length of the combining optical system 220 configured by the virtual image presenting plate 22 and the projection optical system 214 becomes long.
  • the meridional in-plane focal length can be made longer than the sagittal in-plane focal length.
  • the difference between the meridional in-plane focal length and the sagittal in-plane focal length can be reduced, and astigmatism can be alleviated, as compared to the case where the parallel flat plate 219 is not inserted.
  • the amount of increase in focal length due to the parallel flat plate 219 depends on the tilt angle ⁇ c of the parallel flat plate 219, so the amount of astigmatism can be adjusted by changing the tilt angle ⁇ c .
  • the amount of astigmatism of the combining optical system 220 can be reduced by inserting the parallel flat plate 219. Furthermore, by arranging the display unit 12 at the in-plane focal point of the combining optical system 220, the generation of double images can be suppressed. Thereby, the visibility of the virtual image 250 can be improved.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams showing in detail the configuration of the virtual image display device 310 according to the fourth embodiment, as viewed from different viewpoints.
  • FIG. 9 (a) corresponds to FIG. 1 and shows the configuration seen in the yz plane
  • FIG. 9 (b) shows the configuration seen in the xz plane.
  • the present embodiment is different from the above-described embodiment in that the projection optical system 314 includes two concave mirrors 316 and 318, and the two concave mirrors 316 and 318 are in a twisting arrangement.
  • the virtual image display device 310 includes the illumination unit 11, the display unit 12, and the projection optical system 314.
  • the projection optical system 314 includes a first concave mirror 316 and a second concave mirror 318.
  • the illumination unit 11, the display unit 12, and the second concave mirror 318 are disposed on the optical axis extending in the x direction.
  • the second concave mirror 318 is disposed so that the direction (axis D) orthogonal to both the incident direction and the reflection direction of the image display light L is the y direction, and the image display light L incident in the x direction is the z direction Reflect on
  • the first concave mirror 316 is disposed so that the direction (axis B) orthogonal to both the incident direction and the reflection direction of the image display light L is the x direction, and the virtual image presentation plate 22 receives the image display light L incident in the z direction. Reflect towards.
  • the first concave mirror 316 and the second concave mirror 318 are arranged in a twisting manner, astigmatism produced by the respective concave mirrors can be made opposite to each other.
  • the mechanism for combining two concave surfaces to reduce astigmatism is the same as that of the first embodiment described above. Therefore, also in the present embodiment, it is possible to reduce the amount of astigmatism of the combining optical system 320 configured by the virtual image presentation plate 22 and the projection optical system 314, and to improve the imaging performance. Furthermore, by arranging the display unit 12 at the in-plane focal point of the combining optical system 320, generation of a double image can be suppressed. Thereby, the visibility of the virtual image 350 can be improved.
  • this embodiment is applicable also when the 1st surface 23 of the virtual image presentation board 22 is a plane.
  • the curvatures of the two concave mirrors 316 and 318 and the respective curvatures of the two concave mirrors 316 and 318 can be reduced so that the amount of astigmatism of the combination of the first concave mirror 316 and the second concave mirror 318 is reduced.
  • the incident and reflection angles ⁇ b and ⁇ d may be set.
  • the projection optical system 314 is not provided with a convex lens, but an additional convex lens may be provided in the projection optical system 314.
  • an additional convex lens may be disposed between the display unit 12 and the second concave mirror 318, and an additional convex lens may be disposed between the second concave mirror 318 and the first concave mirror 316.
  • FIG. 10 is a diagram showing in detail the configuration of the virtual image display device 410 according to the fifth embodiment.
  • the present embodiment is different from the above-described embodiment in that a convex mirror 416 is used to reduce astigmatism generated in the virtual image display plate 22. That is, by inverting the concavo-convex shapes of the virtual image presentation plate 22 and the projection mirror, astigmatism generated on each of the curved surfaces is produced in the opposite direction, and the amount of astigmatism of the entire synthetic optical system is reduced.
  • the virtual image display device 410 includes the illumination unit 11, the display unit 12, and the projection optical system 414.
  • the projection optical system 414 includes a convex mirror 416 and a convex lens 418.
  • the illumination unit 11, the display unit 12, the convex lens 418, and the convex mirror 416 are disposed on the optical axis extending in the z direction.
  • the convex mirror 416 is a projection mirror whose incident / reflection surface of the image display light L is a convex curved surface.
  • the convex mirror 416 is disposed so that the direction (axis B) orthogonal to both the incident direction and the reflection direction of the image display light L is the x direction, and the virtual image presentation plate 22 receives the image display light L incident in the z direction. Reflect towards.
  • the virtual image presentation plate 22 is configured such that the first surface 23 on which the image display light L is reflected is a concave surface, and the direction (axis A) orthogonal to both the incident direction and the reflection direction of the image display light L is It is arranged to be in the x direction.
  • the virtual image presentation plate 22 reflects the image display light L from the convex mirror 416 toward the user E.
  • the virtual image presentation plate 22 and the convex mirror 416 are arranged to face each other, and since the concaves and convexes of the respective curved surfaces are opposite to each other, the astigmatism amount generated on the respective curved surfaces is reduced or canceled. be able to.
  • the amount of astigmatism of the combining optical system 420 including the virtual image presentation plate 22 and the projection optical system 414 can be reduced to enhance the imaging performance.
  • the display unit 12 at the in-plane focal point of the combining optical system 420, the generation of a double image can be suppressed. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to reduce both the astigmatic main difference and the double image, and to improve the visibility of the virtual image 450 presented to the user E.
  • 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 case where the astigmatism of the synthetic optical system is alleviated by using any one of the above-mentioned features (1) to (5) is shown.
  • a plurality of features may be used in combination.
  • the feature (2) or the feature (3) may be combined with the feature (1)
  • the feature (3) or the feature (4) may be combined with the feature (2)
  • the feature (4) or the feature (5) may be combined with the feature (3).
  • the 1st field 23 of virtual image presentation board 22 is constituted by a concave curve or a plane.
  • the synthetic optical system may be configured to alleviate the astigmatism.
  • the concave mirror 16 may be replaced by a convex mirror.
  • the curvature in the meridional plane may be larger than the curvature in the sagittal plane.
  • the convex mirror 416 may be replaced by a concave mirror.
  • the projection optical system may not be provided with a convex lens.
  • the projection optical system 14 may not include the convex lens 18, and the meridional in-plane focal point of the synthetic optical system 20 not including the convex lens 18 may be provided.
  • the display unit 12 may be disposed on the Similarly, in the embodiment shown in FIG. 7, the projection optical system 114 may not include the convex lens 18, and in the embodiment shown in FIG. 8, the projection optical system 214 may not include the convex lens 218. It is also good.
  • a virtual image display apparatus for presenting a virtual image to a user via a virtual image presentation board, comprising: A display unit that generates image display light; And a projection optical system including a projection mirror that projects the image display light toward the virtual image presentation plate so that the image display light is obliquely reflected by the first concave surface of the virtual image presentation plate,
  • the projection mirror has a second concave surface on which the image display light obliquely enters and reflects, and a direction orthogonal to both the incident direction and the reflection direction of the image display light on the first concave surface, and the second It is disposed such that the direction orthogonal to both the incident direction and the reflection direction of the image display light on the concave surface is orthogonal to each other,
  • the display unit is disposed at a meridional in-plane focal point of a synthetic optical system configured of the virtual image presentation plate and the projection optical system, and a meridional in-plane focal point of the synthetic optical system
  • the projection mirror is configured such that the curvature at a second cross section intersecting the second concave curved surface is larger than the curvature at a first cross section intersecting the second concave curved surface, and the first cross section
  • the second cross section is a plane including both the incident direction and the reflection direction of the image display light obliquely incident on the second concave surface
  • the second cross section is a plane orthogonal to the first cross section, and is oblique to the second concave surface.
  • the virtual image display device according to Item 1-1 which is a plane along a direction orthogonal to both the incident direction and the reflection direction of the incident image display light.
  • a virtual image display apparatus for presenting a virtual image to a user via a virtual image presentation board, comprising: A display unit that generates image display light; A projection optical system including a projection mirror for projecting the image display light toward the virtual image presentation plate; The projection mirror has a concave surface on which the image display light obliquely enters and reflects, and the curvature in the second cross section intersecting with the concave surface is larger than the curvature in the first cross section intersecting with the concave surface.
  • the first cross section is a plane including both the incident direction and the reflection direction of the image display light obliquely incident on the concave surface
  • the second cross section is a plane orthogonal to the first cross section.
  • the display unit is disposed at a meridional in-plane focal point of a synthetic optical system configured by the virtual image presentation plate and the projection optical system.
  • the meridional in-plane focal point of the synthetic optical system is a condensing position of the parallel light beam when the parallel light beam is made incident from the user toward the virtual image display plate along the meridional surface of the virtual image display plate
  • a virtual image display device characterized by (Section 2-2) The virtual image display device according to Item 2-1, wherein the projection optical system further includes a parallel flat plate disposed obliquely to the light path of the projection optical system.
  • a virtual image display apparatus for presenting a virtual image to a user via a virtual image presentation board, comprising: A display unit that generates image display light; A projection optical system for projecting the image display light toward the virtual image presentation plate; The projection optical system includes a projection mirror that projects the image display light toward the virtual image display plate, and a parallel flat plate disposed obliquely to the light path of the projection optical system.
  • the display unit is disposed at a meridional in-plane focal point of a synthetic optical system configured by the virtual image presentation plate and the projection optical system.
  • the meridional in-plane focal point of the synthetic optical system is a condensing position of the parallel light beam when the parallel light beam is made incident from the user toward the virtual image display plate along the meridional surface of the virtual image display plate
  • a virtual image display device characterized by
  • a virtual image display apparatus for presenting a virtual image to a user via a virtual image presentation board, comprising: A display unit that generates image display light; A projection optical system for projecting the image display light toward the virtual image presentation plate; The projection optical system includes a first concave mirror that reflects the image display light toward the virtual image presentation plate, and a second concave mirror that reflects the image display light toward the first concave mirror.
  • the first concave mirror is configured to move the image display light in the direction along the reference plane.
  • the second concave mirror is disposed to be incident, and the second concave mirror is disposed to be incident to the second concave mirror in a direction in which the image display light intersects the reference surface.
  • the display unit is disposed at a meridional in-plane focal point of a synthetic optical system configured of the virtual image presentation plate and the projection optical system, and a meridional in-plane focal point of the synthetic optical system is along the meridional plane of the virtual image presentation plate
  • a virtual image display apparatus characterized in that it is a condensing position of the parallel beam when the parallel beam is incident from the user toward the virtual image display plate.
  • the curved surface of at least one of the first concave mirror and the second concave mirror is configured such that the curvature of the second cross section intersecting the curved surface is larger than the curvature of the first cross section intersecting the curved surface
  • the first cross section is a plane including both the incident direction and the reflection direction of the image display light obliquely incident on the curved surface
  • the second cross section is a plane orthogonal to the first cross section and the curved surface
  • the virtual image display device according to Item 4-1 which is a plane along a direction orthogonal to both the incident direction and the reflection direction of the image display light that is obliquely incident.
  • the projection optical system further includes a parallel flat plate disposed obliquely to the light path of the projection optical system.
  • a virtual image display apparatus for presenting a virtual image to a user via a virtual image presentation board, comprising: A display unit that generates image display light; And a projection optical system including a projection mirror that projects the image display light toward the virtual image presentation plate so that the image display light is obliquely reflected by the concave curved surface of the virtual image presentation plate,
  • the projection mirror has a convex surface on which the image display light obliquely enters and reflects, and a direction orthogonal to both the incident direction and the reflection direction of the image display light on the concave surface, and the image display on the convex surface Are arranged so that the directions orthogonal to both the incident direction and the reflection direction of light are parallel to each other,
  • the display unit is disposed at a meridional in-plane focal point of a synthetic optical system configured of the virtual image presentation plate and the projection optical system, and a meridional in-plane focal point of the synthetic optical system is along the meridional plane of the virtual image presentation plate A
  • E user
  • L image display light
  • 10 virtual image display device
  • 12 display unit
  • 14 projection optical system
  • 16 concave mirror (projection mirror)
  • 20 synthetic optical system
  • 22 virtual image presentation plate
  • 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１１０は、画像表示光Ｌを虚像提示板２２に向けて投射する投射鏡１１６を含む投射光学系１１４を備える。投射鏡１１６は、画像表示光Ｌが斜めに入反射する凹曲面を有し、凹曲面と交差する第１断面での曲率よりも凹曲面と交差する第２断面での曲率が大きくなるように構成される。第１断面は、凹曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方を含む平面であり、第２断面は、第１断面に直交する平面であって、凹曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向に沿う平面である。表示部１２は、虚像提示板２２および投射光学系１１４により構成される合成光学系１２０のメリディオナル面内焦点に配置される。

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って、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鏡を含む投射光学系と、を備える。投射鏡は、画像表示光が斜めに入反射する凹曲面を有し、凹曲面と交差する第１断面での曲率よりも凹曲面と交差する第２断面での曲率が大きくなるように構成され、第１断面は、凹曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方を含む平面であり、第２断面は、第１断面に直交する平面であって、凹曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向に沿う平面である。表示部は、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に配置され、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を光学配置を示す図である。 図５（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。 図６（ａ）～（ｃ）は、第１の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。 第２の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。 第３の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。 図９（ａ），（ｂ）は、第４の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。 第５の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（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２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。
　図４の比較例では、虚像提示板２２に画像表示光Ｌを斜入射させているため、虚像提示板２２が曲面で構成される場合には非点収差が発生しうる。一般的な自動車のウインドシールド６２は曲面で構成され、第１面２３が凹曲面となるように構成されることから、この凹曲面への画像表示光Ｌの斜入射により非点収差が生じる。ここでいう「非点収差」とは、合成光学系のメリディオナル（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５３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ｘｚ平面がサジタル面に相当する。
　図５（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５（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５（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。
　メリディオナル面内焦点Ｆｍとサジタル面内焦点Ｆｓの間のずれである非点収差Ａｓを小さくするには、凹曲面９６の入反射角φを小さくすればよい。しかしながら、虚像提示板２２における画像表示光Ｌの入反射角を顕著に小さくすることは現実的ではない。そこで、本実施の形態では、虚像提示板２２および投射光学系１４で構成される合成光学系全体としての非点収差が小さくなるように投射光学系１４を構成する。具体的には、以下の（１）～（５）に示す一以上の特徴を用いることにより、二重像の発生の緩和と合成光学系の非点収差を低減を両立させることとする。
（１）虚像提示板に対してねじれた位置に凹面鏡を配置する。
（２）サジタル方向とメリディオナル方向の曲率が異なる投射鏡を配置する。
（３）光軸に対して傾斜させた平行平板を挿入する。
（４）互いにねじれた位置となる二枚の凹面鏡を組み合わせる。
（５）虚像提示板とは凹凸が逆となる曲面形状の投射鏡を配置する。
（第１の実施の形態）
　図６（ａ）～（ｃ）は、第１の実施の形態に係る虚像表示装置１０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６（ａ）は、図１に対応し、ｙｚ平面で見た構成を示す。図６（ｂ）は、ｘｚ平面で見た構成を示し、図６（ｃ）は、ｘｙ平面で見た構成を示す。本実施の形態は、上述の特徴（１）を用いた構成であり、虚像提示板２２に対し、投射光学系１４に含まれる凹面鏡１６がねじれた位置に配置されている。
　虚像表示装置１０は、照明部１１、表示部１２および投射光学系１４を備える。投射光学系１４は、凹面鏡１６および凸レンズ１８を含む。照明部１１、表示部１２、凸レンズ１８および凹面鏡１６は、ｘ方向に延びる光軸上に配置されている。凹面鏡１６は、ｘ方向に入射する画像表示光Ｌを虚像提示板２２に向けてｙ方向に反射させる。虚像提示板２２は、ｙ方向の入射する画像表示光ＬをユーザＥに向けてｚ方向に反射させる。
　虚像提示板２２は、第１面２３が凹曲面となるよう構成される。虚像提示板２２の第１面２３は、画像表示光Ｌが斜めに入反射する第１凹曲面である。虚像提示板２２は、厚みｔが一定となるよう構成されており、第１面２３および第２面２４の曲面形状が同じである。虚像提示板２２は、第１面２３（第１凹曲面）における画像表示光Ｌの入射方向と反射方向の双方に直交する方向（軸Ａ）がｘ方向となるように配置されている。
　凹面鏡１６は、画像表示光Ｌを虚像提示板２２に向けて投射する投射鏡である。凸レンズ１８は、表示部１２と凹面鏡１６の間に配置される。凹面鏡１６は、画像表示光Ｌが斜めに入反射する第２凹曲面を有し、第２凹曲面における画像表示光Ｌの入射方向と反射方向の双方に直交する方向（軸Ｂ）がｚ方向となるように配置されている。したがって、凹面鏡１６の軸Ｂの向きは、虚像提示板２２の軸Ａの向きと直交しており、凹面鏡１６と虚像提示板２２とはねじれた配置となっている。
　本実施の形態では、虚像提示板２２と凹面鏡１６がねじれ配置となっているため、虚像提示板２２にて発生する非点収差と凹面鏡１６にて発生する非点収差とが互いに逆向きに生じる。例えば、虚像提示板２２のメリディオナル面（ｙｚ平面）に平行光束を入射させた場合、その平行光束は、虚像提示板２２および凹面鏡１６にて反射して凸レンズ１８を通過した後、表示部１２におけるｘ方向の光軸上でｘｚ平面内で収束する。したがって、虚像提示板２２は、表示部１２の光軸上において、ｘｚ平面内の光束の焦点距離を短くし、ｘｙ平面内の光束の焦点距離を長くするように作用する。一方、凹面鏡１６は、ｘｙ平面内の光束の焦点距離を短くし、ｘｚ平面内の光束の焦点距離を短くするよう作用する。したがって、このようなねじれ配置の虚像提示板２２と凹面鏡１６を組み合わせることにより、ねじれ配置の凹面鏡１６が設けられない場合よりも非点収差量を小さくできる。
　なお、凹面鏡１６および虚像提示板２２を組み合わせた合成光学系２０の非点収差量を小さくするためには、凹面鏡１６および虚像提示板２２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。具体的には、凹面鏡１６の焦点距離ｆａと凹面鏡１６１６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と、虚像提示板２２の焦点距離ｆｂと虚像提示板２２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とが同等となるようにすればよい。例えば、凹面鏡１６のメディオナル面内焦点距離ｆａ・ｃｏｓφａが虚像提示板２２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。
　さらに、凹面鏡１６、凸レンズ１８および虚像提示板２２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に表示部１２を配置することで、二つの面２３，２４を有する虚像提示板２２に起因する二重像の発生を解消できる。ここで、合成光学系２０のメリディオナル面内焦点とは、虚像提示板２２のメリディオナル面（ｙｚ平面）に沿ってユーザＥから虚像提示板２２に向けて平行光束を入射させたときの平行光束の集光位置である。
　本実施の形態によれば、表示部１２を合成光学系２０のメリディオナル面内焦点に配置することで、楔ガラスのような特殊仕様の虚像提示板を用いることなく、二重像の発生を緩和できる。さらに、虚像提示板２２に対してねじれ配置の凹面鏡１６を設けることで、合成光学系２０の非点収差量を小さくすることができ、非点収差に起因する結像性能の低下を防ぐことができる。これにより、ユーザＥに提示する虚像５０の視認性を高めることができる。
（第２の実施の形態）
　図７は、第２の実施の形態に係る虚像表示装置１１０の構成を詳細に示す図である。本実施の形態は、虚像提示板２２の軸Ａと凹面鏡１１６の軸Ｂが同じ方向（ｘ方向）となっており、虚像提示板２２に対して凹面鏡１１６がねじれ配置ではない点で上述の第１の実施の形態と相違する。
　虚像表示装置１１０は、照明部１１、表示部１２および投射光学系１１４を備える。投射光学系１１４は、凹面鏡１１６および凸レンズ１８を含む。凹面鏡１１６は、画像表示光Ｌが斜めに入反射する凹曲面を有する投射鏡である。照明部１１、表示部１２、凸レンズ１８および凹面鏡１１６は、ｚ方向に延びる光軸上に配置されている。凹面鏡１１６は、ｚ方向に入射する画像表示光Ｌを虚像提示板２２に向けて反射させる。虚像提示板２２は、凹面鏡１１６からの画像表示光ＬをユーザＥに向けて反射させる。
　凹面鏡１１６は、投射光学系１１４および虚像提示板２２で構成される合成光学系１２０の非点収差量を小さくするため、メリディオナル面内（第１断面）の曲率とサジタル面内（第２断面）の曲率が異なるように構成されている。ここで、凹面鏡１１６のメリディオナル面は、凹面鏡１１６に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方を含む平面（ｙｚ平面）であって、凹面鏡１１６の凹曲面と交差する平面である。一方、凹面鏡１１６のサジタル面は、メリディオナル面に直交する平面であり、画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向（ｘ方向）に沿う平面であって、凹面鏡１１６の凹曲面と交差する平面である。メリディオナル面内の曲率は、メリディオナル面に沿って入射する平行光束の焦点距離、つまり、メリディオナル面内焦点距離に関連する。一方、サジタル面内の曲率は、サジタル面内焦点距離に関連する。
　本実施の形態では、凹面鏡１１６のメリディオナル面内の曲率とサジタル面内の曲率を適切に設定することで、合成光学系１２０のメリディオナル面内焦点とサジタル面内焦点が一致するようにする。例えば、凹面鏡１１６のメリディオナル面内の曲率をサジタル面内の曲率よりも小さくすることで、メリディオナル面内焦点距離とサジタル面内焦点距離の差を低減できる。凹面鏡１１６の具体的な曲率は、虚像提示板２２のメリディオナル面内およびサジタル面内の曲率、虚像提示板２２における画像表示光Ｌの入反射角φａ、凹面鏡１１６における画像表示光Ｌの入反射角φｂの値に応じて適宜設定することが好ましい。
　本実施の形態によれば、凹面鏡１１６のメリディオナル面内の曲率とサジタル面内の曲率を異ならせることにより、合成光学系１２０の非点収差量を低減し、非点収差に起因する結像性能の低下を防ぐことができる。また、表示部１２を合成光学系１２０のメリディオナル面内焦点に配置することで、二重像の発生を抑制することができる。これにより、視認性の高い虚像１５０をユーザに提示できる。
　なお、本実施の形態は、虚像提示板２２の第１面２３が平面である場合にも適用可能である。この場合、虚像提示板２２における非点収差は無視できることから、凹面鏡１１６における非点収差量が低減されるように、凹面鏡１１６のメリディオナル面内およびサジタル面内のそれぞれの曲率を異なる値に設定すればよい。
（第３の実施の形態）
　図８は、第３の実施の形態に係る虚像表示装置２１０の構成を詳細に示す図である。本実施の形態は、表示部１２と凸レンズ２１８の間に斜めに配置される平行平板２１９が追加される点で上述の実施の形態と相違する。
　虚像表示装置２１０は、照明部１１、表示部１２および投射光学系２１４を備える。投射光学系２１４は、凹面鏡２１６、凸レンズ２１８および平行平板２１９を含む。照明部１１、表示部１２、平行平板２１９、凸レンズ２１８および凹面鏡２１６は、ｚ方向に延びる光軸上に配置されている。
　平行平板２１９は、厚さが均一な透明部材であり、ガラスや樹脂材料で構成される。平行平板２１９は、投射光学系２１４の光路に対して斜めに配置されており、回転軸Ｃがメリディオナル面（ｙｚ平面）と直交する方向（ｘ方向）となるように配置されている。平行平板２１９を斜めに挿入することにより、虚像提示板２２および投射光学系２１４で構成される合成光学系２２０の焦点距離が長くなる。特に、平行平板２１９の回転軸Ｃの方向をメリディオナル面と直交させることで、サジタル面内焦点距離に比べてメリディオナル面内焦点距離をより長くできる。これにより、平行平板２１９を挿入しない場合と比べて、メリディオナル面内焦点距離とサジタル面内焦点距離の差を低減し、非点収差を緩和させることができる。平行平板２１９による焦点距離の増加量は、平行平板２１９の傾斜角φｃに依存するため、傾斜角φｃを変えることで非点収差量を調整できる。
　本実施の形態によれば、平行平板２１９を挿入することにより合成光学系２２０の非点収差量を低減できる。さらに、表示部１２を合成光学系２２０のメリディオナル面内焦点に配置することで、二重像の発生を抑制できる。これにより、虚像２５０の視認性を高めることができる。
（第４の実施の形態）
　図９（ａ），（ｂ）は、第４の実施の形態に係る虚像表示装置３１０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９（ａ）は、図１に対応し、ｙｚ平面で見た構成を示し、図９（ｂ）は、ｘｚ平面で見た構成を示す。本実施の形態は、投射光学系３１４が二枚の凹面鏡３１６，３１８を含み、二枚の凹面鏡３１６，３１８がねじれ配置となる点で上述の実施の形態と相違する。
　虚像表示装置３１０は、照明部１１、表示部１２および投射光学系３１４を備える。投射光学系３１４は、第１凹面鏡３１６および第２凹面鏡３１８を含む。照明部１１、表示部１２および第２凹面鏡３１８は、ｘ方向に延びる光軸上に配置されている。第２凹面鏡３１８は、画像表示光Ｌの入射方向と反射方向の双方に直交する方向（軸Ｄ）がｙ方向となるように配置されており、ｘ方向に入射する画像表示光Ｌをｚ方向に反射させる。第１凹面鏡３１６は、画像表示光Ｌの入射方向と反射方向の双方に直交する方向（軸Ｂ）がｘ方向となるように配置され、ｚ方向に入射する画像表示光Ｌを虚像提示板２２に向けて反射させる。
　本実施の形態によれば、第１凹面鏡３１６および第２凹面鏡３１８がねじれ配置となっているため、それぞれの凹面鏡にて生じる非点収差を互いに逆向きにすることができる。二つの凹曲面を組み合わせて非点収差を緩和させるメカニズムは上述の第１の実施の形態と同様である。したがって、本実施の形態においても、虚像提示板２２および投射光学系３１４で構成される合成光学系３２０の非点収差量を低減させ、結像性能を高めることができる。さらに、表示部１２を合成光学系３２０のメリディオナル面内焦点に配置することで、二重像の発生を抑制できる。これにより、虚像３５０の視認性を高めることができる。
　なお、本実施の形態は、虚像提示板２２の第１面２３が平面である場合にも適用可能である。この場合、虚像提示板２２における非点収差は無視できることから、第１凹面鏡３１６および第２凹面鏡３１８の組み合わせの非点収差量が低減されるように、二つの凹面鏡３１６，３１８のそれぞれの曲率および入反射角φｂ，φｄを設定すればよい。
　本実施の形態では、投射光学系３１４に凸レンズが設けられない構成としているが、投射光学系３１４に追加の凸レンズを設けてもよい。例えば、表示部１２と第２凹面鏡３１８の間に追加の凸レンズを配置してもよいし、第２凹面鏡３１８と第１凹面鏡３１６の間に追加の凸レンズを配置してもよい。
（第５の実施の形態）
　図１０は、第５の実施の形態に係る虚像表示装置４１０の構成を詳細に示す図である。本実施の形態は、虚像提示板２２にて生じる非点収差を緩和させるため、凸面鏡４１６を用いる点で上述の実施の形態と相違する。つまり、虚像提示板２２と投射鏡の凹凸形状を逆にすることで、それぞれの曲面で生じる非点収差を逆向きに生じさせ、合成光学系全体の非点収差量を小さくする。
　虚像表示装置４１０は、照明部１１、表示部１２および投射光学系４１４を備える。投射光学系４１４は、凸面鏡４１６および凸レンズ４１８を含む。照明部１１、表示部１２、凸レンズ４１８および凸面鏡４１６は、ｚ方向に延びる光軸上に配置されている。凸面鏡４１６は、画像表示光Ｌの入反射面が凸曲面である投射鏡である。凸面鏡４１６は、画像表示光Ｌの入射方向および反射方向の双方に直交する方向（軸Ｂ）がｘ方向となるように配置されており、ｚ方向に入射する画像表示光Ｌを虚像提示板２２に向けて反射させる。
　虚像提示板２２は、画像表示光Ｌが入反射する第１面２３が凹曲面となるよう構成されており、画像表示光Ｌの入射方向および反射方向の双方に直交する方向（軸Ａ）がｘ方向となるように配置される。虚像提示板２２は、凸面鏡４１６からの画像表示光ＬをユーザＥに向けて反射させる。
　本実施の形態によれば、虚像提示板２２および凸面鏡４１６が向かい合うように配置されており、それぞれの曲面の凹凸が逆向きであるため、それぞれの曲面で生じる非点収差量を低減ないし相殺することができる。これにより、虚像提示板２２および投射光学系４１４で構成される合成光学系４２０の非点収差量を小さくして結像性能を高めることができる。さらに、表示部１２を合成光学系４２０のメリディオナル面内焦点に配置することで、二重像の発生を抑制することができる。したがって、本実施の形態によれば、非点主差および二重像の双方を軽減して、ユーザＥに提示する虚像４５０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、上述の特徴（１）～（５）のいずれかを用いることで合成光学系の非点収差を緩和させる場合について示した。変形例においては、複数の特徴を組み合わせて用いてもよい。例えば、特徴（１）に対して特徴（２）や特徴（３）を組み合わせてもよいし、特徴（２）に対して特徴（３）や特徴（４）を組み合わせてもよい。さらに特徴（３）に特徴（４）や特徴（５）を組み合わせてもよい。
　上述の実施の形態では、虚像提示板２２の第１面２３が凹曲面または平面で構成される場合について示した。変形例では、虚像提示板２２の第１面２３が凸曲面で構成される場合にその非点収差を緩和するように合成光学系を構成してもよい。特徴（１）の場合、凹面鏡１６を凸面鏡に置き換えてもよい。特徴（２）の場合、メリディオナル面内の曲率をサジタル面内の曲率よりも大きくしてもよい。特徴（５）の場合、凸面鏡４１６を凹面鏡に置き換えてもよい。
　上述の実施の形態では、投射光学系に凸レンズが含まれる構成について示した。変形例では、投射光学系に凸レンズが設けられなくてもよい。例えば、図６（ａ）～（ｃ）に示す実施の形態であれば、投射光学系１４に凸レンズ１８が含まれない構成としてもよく、凸レンズ１８を含まない合成光学系２０のメリディオナル面内焦点に表示部１２が配置されてもよい。同様に、図７に示す実施の形態において、投射光学系１１４に凸レンズ１８が含まれない構成としてもよく、図８に示す実施の形態において、投射光学系２１４に凸レンズ２１８が含まれない構成としてもよい。
　本実施の形態の一態様は、以下の通りである。
（項１－１）
　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、
　前記虚像提示板の第１凹曲面にて前記画像表示光が斜めに入反射するように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、
　前記投射鏡は、前記画像表示光が斜めに入反射する第２凹曲面を有し、前記第１凹曲面における前記画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向と、前記第２凹曲面における前記画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向とが互いに直交するように配置され、
　前記表示部は、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に配置され、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ることを特徴とする虚像表示装置。
（項１－２）
　前記投射鏡は、前記第２凹曲面と交差する第１断面での曲率よりも前記第２凹曲面と交差する第２断面での曲率が大きくなるように構成され、前記第１断面は、前記第２凹曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方を含む平面であり、前記第２断面は、前記第１断面に直交する平面であって、前記第２凹曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向に沿う平面であることを特徴とする項１－１に記載の虚像表示装置。
（項１－３）
　前記投射光学系は、前記投射光学系の光路に対して斜めに配置される平行平板をさらに含むことを特徴とする項１－１または項１－２に記載の虚像表示装置。
（項２－１）
　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、
　前記投射鏡は、前記画像表示光が斜めに入反射する凹曲面を有し、前記凹曲面と交差する第１断面での曲率よりも前記凹曲面と交差する第２断面での曲率が大きくなるように構成され、前記第１断面は、前記凹曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方を含む平面であり、前記第２断面は、前記第１断面に直交する平面であって、前記凹曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向に沿う平面であり、
　前記表示部は、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に配置され、
　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ることを特徴とする虚像表示装置。
（項２－２）
　前記投射光学系は、前記投射光学系の光路に対して斜めに配置される平行平板をさらに含むことを特徴とする項２－１に記載の虚像表示装置。
（項３－１）
　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光学系と、を備え、
　前記投射光学系は、前記虚像提示板に向けて前記画像表示光を投射する投射鏡と、前記投射光学系の光路に対して斜めに配置される平行平板と、を含み、
　前記表示部は、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に配置され、
　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ることを特徴とする虚像表示装置。
（項４－１）
　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第１凹面鏡と、前記画像表示光を前記第１凹面鏡に向けて反射させる第２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、前記第１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第１凹面鏡に入射する向きとなるよう配置され、前記第２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第２凹面鏡に入射する向きとなるよう配置され、
　前記表示部は、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に配置され、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ることを特徴とする虚像表示装置。
（項４－２）
　前記第１凹面鏡および前記第２凹面鏡の少なくとも一方の曲面は、当該曲面と交差する第１断面での曲率よりも当該曲面と交差する第２断面での曲率が大きくなるように構成されており、前記第１断面は、当該曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方を含む平面であり、前記第２断面は、前記第１断面に直交する平面であって、当該曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向に沿う平面であることを特徴とする項４－１に記載の虚像表示装置。
（項４－３）
　前記投射光学系は、前記投射光学系の光路に対して斜めに配置される平行平板をさらに含むことを特徴とする項４－２に記載の虚像表示装置。
（項５－１）
　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、
　前記虚像提示板の凹曲面にて前記画像表示光が斜めに入反射するように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、
　前記投射鏡は、前記画像表示光が斜めに入反射する凸曲面を有し、前記凹曲面における前記画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向と、前記凸曲面における前記画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向とが互いに平行となるように配置され、
　前記表示部は、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に配置され、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ることを特徴とする虚像表示装置。
（項５－２）
　前記投射光学系は、前記投射光学系の光路に対して斜めに配置される平行平板をさらに含むことを特徴とする項５－１に記載の虚像表示装置。
　Ｅ…ユーザ、Ｌ…画像表示光、１０…虚像表示装置、１２…表示部、１４…投射光学系、１６…凹面鏡（投射鏡）、２０…合成光学系、２２…虚像提示板、５０，６２…ウインドシールド。
　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 (3)

  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、
    　前記投射鏡は、前記画像表示光が斜めに入反射する凹曲面を有し、前記凹曲面と交差する第１断面での曲率よりも前記凹曲面と交差する第２断面での曲率が大きくなるように構成され、前記第１断面は、前記凹曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方を含む平面であり、前記第２断面は、前記第１断面に直交する平面であって、前記凹曲面に斜入射する画像表示光の入射方向と反射方向の双方に直交する方向に沿う平面であり、
    　前記表示部は、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に配置され、
    　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ることを特徴とする虚像表示装置。
  2. 　前記投射光学系は、前記投射光学系の光路に対して斜めに配置される平行平板をさらに含む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または２に記載の虚像表示装置。
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