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WO2017072841A1 - 情報表示装置 - Google Patents

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WO2017072841A1
WO2017072841A1 PCT/JP2015/080156 JP2015080156W WO2017072841A1 WO 2017072841 A1 WO2017072841 A1 WO 2017072841A1 JP 2015080156 W JP2015080156 W JP 2015080156W WO 2017072841 A1 WO2017072841 A1 WO 2017072841A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
virtual image
display device
information display
optical system
image
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2015/080156
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English (en)
French (fr)
Inventor
平田　浩二
谷津　雅彦
杉山　寿紀
啓之 梶川
一臣 金子
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maxell Ltd
Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd
Hitachi Maxell Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd, Hitachi Maxell Ltd filed Critical Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd
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Priority to JP2017547218A priority patent/JP6709228B2/ja
Priority to US15/768,840 priority patent/US10670864B2/en
Priority to CN202110756662.1A priority patent/CN113433699B/zh
Priority to PCT/JP2015/080156 priority patent/WO2017072841A1/ja
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Priority to US16/837,207 priority patent/US10942353B2/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0179—Display position adjusting means not related to the information to be displayed
    • G02B2027/0185—Displaying image at variable distance

Definitions

  • the present invention relates to an information display device that projects an image on a windshield of an automobile, train, aircraft, or the like (hereinafter also referred to generally as a “vehicle”), and the image is observed as a virtual image through the windshield.
  • the present invention relates to a virtual image optical system and an information display device using the same.
  • HUD Head-Up
  • -Display A so-called head-up display (HUD: Head-Up) that projects image light on the windshield of a car to form a virtual image and displays traffic information such as route information and traffic information, and car information such as fuel remaining amount and cooling water temperature.
  • -Display A so-called head-up display (HUD: Head-Up) that projects image light on the windshield of a car to form a virtual image and displays traffic information such as route information and traffic information, and car information such as fuel remaining amount and cooling water temperature.
  • a virtual image is formed at a plurality of positions according to the driver's visual recognition position, that is, the distance at which the virtual image is formed is determined by the driver. It is required to be matched with the viewing position. For this reason, as disclosed in, for example, Patent Document 2 below, there is an apparatus that forms an image at a distance (far distance) and a vicinity (short distance) from the driver.
  • the image light displayed on the liquid crystal display panel is mapped as a real image (Ir in FIG. 2 of Patent Document 1) by the relay optical system, and the eyepiece optical system (in FIG.
  • the virtual image (Iv in the figure) is observed through L1).
  • the image light (plane) on the liquid crystal display panel is mapped to the real image Ir (plane), and the real image Ir (plane) is mapped to the virtual image Iv (plane).
  • the driver's foreground is not a two-dimensional plane but a three-dimensional space. Then, the line-of-sight direction from the driver who got on the car (own vehicle) and the distance to the driver will be described with reference to FIG.
  • the range of the field of view as the foreground seen by the driver of the vehicle 101 is close to the foreground vehicle 102 running ahead, the road surface 105 in front of it (for example, whether there is no fallen object on the road surface), or the edge of the road.
  • the line-of-sight direction 103 for viewing the preceding vehicle 102 running forward is a direction in which the line of sight is slightly lowered from the frontal direction, but the line-of-sight direction 104 for viewing the road surface 105 on the road is a direction in which the line of sight is further lowered. become.
  • the distance to the object being watched while driving and the distance to the virtual image displayed at that time are made closer to focus on the eyes. It is important to shorten the time.
  • the virtual image is formed at different distances from the driver.
  • the screen is selected according to the display content, It is indispensable to focus with a variable focus lens at high speed according to the selected screen.
  • the variable focus lens “a liquid lens that changes the liquid interface of the liquid sealed in the container” or “with a concave mirror that can change the curvature” or the like is used. Increase in size and cost.
  • the present invention has been achieved in view of the above-described problems in the prior art, and more specifically, different viewpoint positions (distances) from the driver while suppressing an increase in size and complexity of the device. ) Also provides an information display device capable of forming a highly visible virtual image.
  • the present invention made to achieve the above object is, as an example, an information display device that displays video information of a virtual image on a windshield of a vehicle, the liquid crystal display panel displaying the video information, and the liquid crystal display
  • a virtual image optical system that displays a virtual image in front of the vehicle by reflecting light emitted from the panel by the windshield, and the virtual image optical system includes a concave mirror and a plurality of optical elements.
  • the concave mirror has a reflective surface made of a metal film having a uniform and uniform spectral reflectance with respect to visible light on the surface of the substrate, and the plurality of optical elements are directed from the upper part to the lower part of the windshield.
  • An arrangement information displaying apparatus as bundles are separated.
  • an information display device capable of forming a virtual image with high visibility even at different viewpoint positions (distances) from the driver while suppressing an increase in size and complexity of the device. It becomes possible to provide.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a schematic configuration of an information display device and a peripheral device assigned to the information display device according to an embodiment of the present invention. It is a top view of the motor vehicle carrying the information display apparatus of one Embodiment of this invention. It is a block diagram explaining the difference in the curvature radius of the windshield of one Embodiment of this invention. It is a schematic block diagram which shows the area
  • FIG. 15B is an overall ray diagram of the virtual image optical system according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 15A shows a state in which video information on the virtual image plane is viewed with an observer's eye on the YZ plane.
  • FIG. 15A shows a state in which video information on the virtual image plane is viewed with an observer's eye on the YZ plane.
  • FIG. 1 is a block diagram and a schematic configuration diagram showing a peripheral device configuration of an information display device 1 according to an embodiment of the present invention.
  • an information display for projecting an image onto a windshield of an automobile is shown. The apparatus will be described.
  • the information display device 1 forms various virtual images V1 to V3 at a plurality of positions in front of the host vehicle in the line of sight 8 of the driver, and thus various types of information reflected by the projection target member 6 (windscreen in the present embodiment).
  • a device that displays information as a virtual image VI (Virtual Image) (so-called HUD (Headup Display).
  • the projection member 6 may be a member on which information is projected. That is, in the information device 1 of the present embodiment, a virtual image is formed at each of a plurality of positions in front of the host vehicle in the driver's line of sight 8 and visually recognized by the driver.
  • a camera such as a surveillance camera or an around viewer (not shown) Including foreground information taken in).
  • the information display device 1 includes a video projection device 11 that projects video light for displaying information, an intermediate image imaging unit 4 that forms an image of light from the video projection device 11, and the intermediate image imaging unit 4.
  • the optical component 5 that converges or diverges the image information (image light) formed in FIG. 1 and the control device 40 that controls the image projection device 11 are provided.
  • the optical component 5 is a virtual image optical system described below, and includes a concave mirror that reflects light. Further, the light reflected by the optical component 5 is reflected by the projection member 6 and travels toward the driver's line of sight 8 (EyeBox: described in detail later).
  • the intermediate image formation (or intermediate image display) unit 4 has a function of forming an image of light from the image projection device 11, for example, by a microlens array in which microlenses are arranged two-dimensionally. Composed.
  • an optical element 21 and an optical element 22 are disposed between the intermediate image forming unit 4 and the optical component 5 including the concave reflecting mirror that forms the eyepiece optical system.
  • the arrangement of the optical elements 21 and 22 is for the purpose of setting the virtual image forming positions at a plurality of positions in front of the host vehicle (three positions in the present embodiment).
  • aberration correction is performed between the intermediate image forming unit 4 and the optical component 5 forming the eyepiece optical system at a position where the image light from the intermediate image forming unit 4 is separated. To do. According to the aberration correction by these optical elements, even if virtual images are formed at different positions, a plurality of virtual images can be displayed at different magnifications by using the same virtual image optical system.
  • the optical element 21 corrects the aberration of the light beam forming the nearest virtual image V1
  • the optical element 22 corrects the aberration of the intermediate virtual image V2.
  • the virtual image V3 formed at the farthest is optimally designed for aberration in the original virtual image optical system, no optical element is provided here, but it was optimally designed to further improve the aberration correction capability. It goes without saying that the provision of an optical element does not depart from the technical idea or scope of the present invention.
  • the generation position of the virtual image is divided into the far virtual image V3, the intermediate virtual image V2, and the near virtual image V1, and the optical elements 21 and 22 are provided individually, has been described. It is not limited to this.
  • the spatial optical distance is changed, and the aberration is sufficiently reduced so that the position where the virtual image is continuously generated is changed. Therefore, it goes without saying that providing a common optical element does not depart from the technical idea or scope of the present invention.
  • the control device 30 includes a storage device 31 and a microcomputer (hereinafter referred to as “microcomputer”) 32.
  • the storage device 31 is a non-volatile storage device that can rewrite stored contents.
  • the microcomputer 32 includes a ROM 34 that stores processing programs and data that need to retain stored contents even when the power is turned off, a RAM 33 that temporarily stores processing programs and data, and processes stored in the ROM 34 and RAM 33. It is mainly configured by a computer having a CPU 35 that executes various processes according to a program.
  • the ROM 34 stores a processing program for the microcomputer 44 to execute information display processing for controlling the video projection device 11 so that various information such as vehicle information and foreground information is projected onto the projection target member 6.
  • the control device 30 is connected with at least a navigation system 41 and a driving support electronic control device (hereinafter referred to as “driving support ECU (Electronic Control Unit))” 42 as an acquisition source of vehicle information and foreground information. Yes.
  • driving support ECU Electric Control Unit
  • the navigation system 61 is a device that guides a route to a set destination according to the result of collating the current position detected by the position detection device with the map data stored in the map data storage unit.
  • the map data includes various information such as information on road speed limits, the number of lanes, and intersections.
  • the control device 30 obtains information such as the speed limit and number of lanes of the road corresponding to the current position where the host vehicle is traveling, the planned travel route of the host vehicle set in the navigation system 51, and the like. Obtained as foreground information (that is, information displayed in front of the host vehicle by the virtual image).
  • the driving support ECU 62 is a control device that realizes driving support control by controlling the drive system and the control system in accordance with the obstacle detected as a result of monitoring by the periphery monitoring device 63, and cruise control is used as the driving support control. , Including well-known technologies such as adaptive cruise control, pre-crash safety, lane keeping assistance.
  • the periphery monitoring device 63 is a device that monitors the situation around the host vehicle.
  • a camera that detects an object around the host vehicle based on an image obtained by shooting the periphery of the host vehicle, an exploration wave, and the like.
  • An exploration device that detects an object that exists in the vicinity of the host vehicle based on the result of transmitting and receiving the vehicle.
  • the control device 30 acquires such information from the driving support ECU 62 (for example, the distance to the preceding vehicle, the heading direction of the preceding vehicle, the position where the obstacle or sign is present, etc.) as the foreground information. Furthermore, an ignition (IG) signal and own vehicle state information are input to the control device 30. Among these pieces of information, the own vehicle state information is information acquired as vehicle information, and represents, for example, that a predetermined abnormal state such as the remaining amount of fuel in the internal combustion engine or the temperature of the cooling water has been entered. Contains warning information. Information such as the operation result of the direction indicator, the traveling speed of the host vehicle, and the shift position is also included. The control device 30 described above is activated when an ignition signal is input. The above is description of the whole system of the information display apparatus which is one Embodiment of this invention.
  • FIG. 2 is a top view of an automobile on which the information display device 1 according to the embodiment of the present invention is mounted.
  • a windshield as the projection member 6 exists in the front part of the driver's seat of the automobile body 101.
  • the windshield has a different inclination angle with respect to the vehicle body depending on the type of automobile.
  • the inventors investigated the radius of curvature in order to realize an optimum virtual image optical system. As a result, as shown in FIG. 3, the windshield has a horizontal radius of curvature Rh parallel to the ground contact surface of the automobile and a vertical radius of curvature Rv perpendicular to the horizontal axis. It was found that Rv generally has the following relationship. Rh> Rv
  • Rh relative to Rv is often in the range of 1.5 to 2.5 times.
  • the inventors investigated a commercial product for the inclination angle of the windshield.
  • it differs depending on the body type, it was 20 to 30 degrees for light cars and 1 Box type, 30 to 40 degrees for sedan type, and 40 degrees or more for sports type. Therefore, in this embodiment, the difference between the curvature radius Rh in the horizontal direction parallel to the ground contact surface of the windshield and the curvature radius Rv in the vertical direction perpendicular to the horizontal axis and the inclination angle of the windshield are considered.
  • the virtual image optical system was designed.
  • the horizontal curvature radius Rh and the vertical curvature radius Rv of the windshield which is the projection member, are greatly different from each other, the horizontal axis of the windshield and the vertical axis are perpendicular to the optical axis (Z axis).
  • a rotationally asymmetric shape capable of realizing an optical system in which each object surface position is on the same plane with respect to a plurality of virtual image surfaces having different visual field ranges and virtual image distances.
  • a first embodiment of a virtual image optical system using a free-form surface lens and a free-form surface mirror (which will be described as an example of a free-form surface mirror based on a concave shape in this specification) will be described below. .
  • FIG. 15 is an overall ray diagram of the virtual image optical system 5 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1.
  • FIG. 15A shows the image information of the virtual image plane 7 on the viewer in the YZ plane.
  • FIG. 15B shows a state where video information on the virtual image plane 7 is viewed with the observer's eyes on the XZ plane.
  • the right eye and the left eye overlap (see reference numeral 8), and in the XZ plane, the right eye and the left eye are seen separately.
  • FIG. 16 is an enlarged perspective view of a main part of the virtual image optical system 5 according to the first embodiment.
  • FIG. 17 is an enlarged perspective view of the lens portion of the eyepiece optical system 5a constituting the virtual image optical system 5 according to the first embodiment.
  • each of the free-form surface lens 54 and the free-form surface mirror 56 is configured in a rotationally asymmetric shape.
  • the optical element 51, the convex lens 52, and the concave lens 53 have a large amount of eccentricity (no eccentricity on the front and rear surfaces).
  • FIG. 18 is a diagram for explaining the mapping relationship on an inclined slope.
  • the virtual image optical system 5 includes a step filter (optical element) 51, a convex lens 52 having a positive refractive power, and an intermediate image display unit (or an image display unit such as a flat display) 4.
  • the concave lens 53 having negative refractive power, the rotationally asymmetric free-form lens 54, the cylinder mirror 55, the rotationally asymmetric free-form surface mirror 56, and the windshield 6 are arranged side by side.
  • the difference between the curvature radii of the windshield 6 in the horizontal direction and the vertical direction is canceled by adding a cylinder mirror 55.
  • the rotationally asymmetric free-form surface lens 56 of the reflecting surface corrects the distortion of the virtual image.
  • lens data obtained in the virtual image optical system 5 of the first embodiment is shown in Table 1 and Table 2 below.
  • Table 1 is a table showing lens data of the image projection apparatus 11 according to the first embodiment of the present invention.
  • the radius of curvature is represented by a positive sign when the center position of the radius of curvature is in the traveling direction, and the inter-surface distance is from the vertex position of each surface to the vertex position of the next surface. This represents the distance on the optical axis.
  • the thickness of the step filter corresponding to the optical element 23 shown in FIG. 6 is 27.439 mm
  • the thickness of the step filter corresponding to the optical element 24 shown in FIG. At 14.556 mm and a virtual image distance of 100 m, the thickness of the step filter is 0 mm.
  • Eccentricity is a value in the Y-axis direction
  • tilting is rotation about the X-axis in the YZ plane
  • eccentricity / falling acts in the order of eccentricity and tilting on the corresponding surface.
  • the next plane is placed at the position of the inter-plane distance on the new coordinate system where the tilt has acted. The decentration and return eccentricity and collapse will only affect one aspect and not the next.
  • the glass material name PMMA is a plastic acrylic, and the glass material name 58.3 represents a material with a refractive index of 1.58 and an Abbe number of 30.
  • Table 2 is a diagram of free-form surface coefficients of lens data of the image projection apparatus 11 according to the first embodiment of the present invention.
  • the free-form surface coefficient in Table 2 is obtained by the following equation (Equation 1).
  • the position of each optical axis of the free-form surface is determined by the amount of decentering / falling in the lens data in Table 1.
  • anamorphic aspheric coefficient of the image projection apparatus 11 according to the first embodiment of the present invention is obtained by the following equation (Equation 2).
  • Eye box size 100 ⁇ 50mm Effective size of image light on screen plate 40.70 ⁇ 18.80mm Viewing angle (full angle of view) 5.4 x 1.8 degrees
  • Separation optical path vertical viewing direction, virtual image size, virtual image distance) 1.8-2.2 degrees, 1698 ⁇ 126mm, 18m 1.1 ⁇ 1.5 degrees, 2830 ⁇ 210mm, 30m 0.4-0.8 degrees, 9432 ⁇ 698mm, 100m
  • FIG. 19 and 20 are diagrams showing the distortion performance of the virtual image optical system 5 in the image projection apparatus 11 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a spot diagram of the eyepiece optical system in the image projection apparatus 11 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a diagram showing the distortion performance for each separation optical path in the first embodiment on the virtual image planes 71, 72, 73 shown in FIG. 15, and from this figure, a rectangular virtual image on each virtual image plane. It can be seen that is realized.
  • the horizontal viewing angle (full angle of view) of the viewing range F3 is 2 ⁇ tan (9432/2).
  • FIG. 21 shows a spot diagram in which object points are arranged on the virtual image planes 71, 72, and 73, and a spot diagram on the screen plate 4 is calculated, and a good optical performance is realized.
  • the size of the eye box 9 is a spot diagram with a total luminous flux of horizontal 100 mm ⁇ vertical 50 mm, and in the case of a virtual image seen by an actual driver, the size of the iris of the human eye (maximum In FIG. 21, the spot diagram is significantly better than that of FIG.
  • an information display device that can simultaneously display as a virtual image in different visual field directions at different virtual image distances by a virtual image optical system using a free-form surface lens and a free-form surface mirror.
  • the driver generally confirms the preceding vehicle (lights up the brake lamp, right turn / left turn lamp), and checks the road surface in front of the driver while driving. (Such as the presence or absence of fallen objects), and also confirming bicycles and pedestrians at the edge of the road in front.
  • the alert information about the preceding vehicle is displayed in the virtual image range corresponding to the position of the preceding vehicle, and the position of the fallen object is displayed in the corresponding virtual image range at the position of the road surface of the road in front of the virtual image range. It is possible to display the presence.
  • the driver since the driver also confirms information such as speedometers and fuel gauges, by installing an information display device, information on various instruments can be displayed as a virtual image in front of the driver, so that the driver's line-of-sight direction can be displayed. Since the movement becomes smaller and the time required for focusing the eyes can be shortened, the driving safety can be improved.
  • the distance from the driver is different between the foreground vehicle in the foreground, the road surface in front of it, and the bicycle / pedestrian at the end of the road in front, the distance of the virtual image that displays information related to them is different.
  • the time it is possible to further reduce the time required for focusing the eyes and further improve the driving safety.
  • FIG. 23 is a diagram for explaining the mapping relationship (in the real image optical system) depending on the object distance and the image distance. As the distance L from the imaging lens 201 to the object surface 202 decreases, the distance a to the image surface 203 increases.
  • d (1 ⁇ ) is the difference between the physical length d of the filter 251 and the optical length d / N.
  • the position of the real image plane 203 can be separated by 1 / N).
  • the filter 251 it is possible to arrange the physical real image plane position on the short distance side and the physical real image plane position on the long distance side on the same plane.
  • the object position on the far side is farther away than the object position on the near side.
  • d (1) which is the difference between the physical length d of the step filter 351 and the optical length d / N.
  • the position of the object surface 203 can be separated by the amount of -1 / N).
  • the optical system shown in FIG. 5 includes a forming unit 10 and an eyepiece optical system 5 a constituting the virtual image optical system 5. That is, the image light emitted from the projection optical system 20 is reflected on the windshield 6 of an automobile (not shown) and is incident on the driver's eyes 8.
  • the light beam applied to the liquid crystal display panel 2 from the backlight 100 is incident on the relay optical system as an image light beam including image information displayed on the liquid crystal display panel 4a.
  • the image information on the liquid crystal display panel 2 is enlarged by the imaging action in the relay optical system 3 and then enlarged and projected onto the intermediate image imaging unit 4.
  • Points P1, P2, and P3 on the liquid crystal display panel 2 correspond to points Q1, Q2, and Q3 of the intermediate image forming unit 4, respectively.
  • the relay optical system 3 a liquid crystal display panel having a small display size can be used. Since the backlight 100, the liquid crystal display panel 2, the relay optical system 3, and the intermediate image forming unit 4 form image information (video information) on the intermediate image forming unit 4, these are collectively referred to as an image.
  • the forming unit 10 is referred to.
  • the image information on the intermediate image forming unit 4 is projected onto the windshield 6 by the eyepiece optical system 5a, and the light beam reflected by the windshield 6 reaches the position of the eye 8 of the observer.
  • a relationship is established as if viewing the image information of the virtual image plane 7.
  • Points Q1, Q2, and Q3 on the intermediate image forming unit 4 correspond to points V1, V2, and V3 on the virtual image plane 7, respectively.
  • the range in which the points V1, V2, and V3 on the virtual image plane 7 can be seen even if the position of the eye 8 is moved is a so-called eye box 9.
  • the virtual image optical system of the present invention can display an object (aerial image) and an image (virtual image) in front of the observer's eyes, similar to an eyepiece of a camera finder or an eyepiece of a microscope. It is a possible optical system.
  • the intermediate image forming unit 4 is configured by a microlens array in which microlenses are two-dimensionally arranged. That is, due to the diffusing action, the spread angle of the light beam emitted from the intermediate image forming unit 4 is increased, thereby making the size of the eyebock 9 a predetermined size.
  • the diffusing action of the intermediate image forming unit 4 can also be realized by incorporating diffusing particles.
  • the correction optical element 21 is disposed at a position where the light beam corresponding to the closest position V1 passes, and the virtual image generation position of the virtual image optical system 5 is brought close to reduce the magnification. Reduce distortion and aberrations that occur in virtual images.
  • a correction optical element 22 is disposed at a position where the light beam corresponding to the virtual image V2 established at the intermediate position passes, and the generation position of the virtual image of the virtual image optical system 5 is established at the intermediate position to increase the medium magnification. At the same time, distortion and aberration generated in the virtual image are reduced.
  • the correction optical element described above does not have to be disposed at the position where the light beam corresponding to the virtual image V3 formed farthest from the observer passes, that is, the eyepiece constituting the virtual image optical system 5
  • the optical system 5a is optimally designed.
  • the eyepiece optical system 5a is optimally designed for the virtual image V3 that is formed at the farthest distance as a reference, and on the other hand, the correction optics are used for V2 that is established at the intermediate distance and V1 that is established in the vicinity. According to the arrangement of the elements, not only the optical distance between the intermediate image forming unit 4 and the eyepiece optical system 5a is shortened, but also the distortion and aberration of the virtual image formed at each image position are corrected. It becomes an optimal structure.
  • a plurality of intermediate image forming portions are used (similar effects can be obtained by dividing), and each is optimal for the eyepiece optical system 5a according to the virtual image position.
  • the direction of the intermediate imaging unit is directed to the entrance pupil direction of the eyepiece optical system 5a, the image light can be more efficiently incident on the eyepiece optical system 5a. Is possible.
  • a light beam corresponding to the virtual image V1 formed in the vicinity, a light beam corresponding to the virtual image V2 formed in the middle, and a light beam corresponding to the virtual image V3 formed in the distance are separated and incident on the virtual image optical system 5.
  • a correction optical system corresponding to each virtual image is arranged at a position to be corrected (shown between the eyepiece optical system and the flat display in FIGS. 5 and 6), thereby correcting the distortion and aberration of the virtual image. I explained that there was. However, the present invention is not limited to this.
  • the optical distance between the virtual image optical system 5 and the intermediate image forming unit 4 is set to It is only necessary to arrange the correcting optical element so as to correspond to the virtual image formation position, and it goes without saying that this does not depart from the technical idea or scope of the present invention.
  • a flat display (for example, a liquid crystal display panel) 4a is used as an image source.
  • the light beam irradiated from the backlight 100 enters the eyepiece optical system 5a constituting the virtual image optical system 5 as a video light beam including video information displayed on the liquid crystal display panel 4a.
  • an optical element for correcting aberration is arranged between the liquid crystal display panel 4a and the eyepiece optical system 5a constituting the virtual image optical system 5 in correspondence with the position where the virtual image is generated.
  • an optical element 23 for correction is arranged at a position where the light beam corresponding to V1 located in the nearest position passes, and the virtual image generation position of the virtual image optical system 5 is brought close to the vicinity and simultaneously generated as a virtual image. Reduce distortion and aberrations.
  • a correction optical element 24 is disposed, and the virtual image generation position of the virtual image optical system 5 is established at the intermediate position to increase the intermediate magnification. At the same time, distortion and aberration generated in the virtual image are reduced.
  • an eyepiece optical system 5a constituting the virtual image optical system 5 is provided so that the correcting optical element does not have to be disposed at a position where the light beam corresponding to the virtual image V3 formed farthest from the observer passes. Design optimally.
  • the virtual image optical system 5 is optimally designed with respect to the virtual image V3 that is formed at the farthest distance of the observer so as to be the design standard of the virtual image optical system 5. It is assumed that correction optical elements are arranged for V2 established at the intermediate distance and V1 established in the vicinity. According to this, since the optical distance between the flat display 4a and the eyepiece optical system 5a can be adjusted to each other, the structure is optimal for correcting the distortion and aberration of the virtual image formed at each position. .
  • FIG. 7 shows an example in which a plurality of flat displays (for example, liquid crystal display panels) 4b, 4c, and 4d are used as video sources.
  • the light beams emitted from the backlights 100b, 100c, and 100d are incident on the virtual image optical system 5a as image light beams including image information displayed on the liquid crystal display panels 4b, 4c, and 4d.
  • the operations of the virtual image optical system 5a and the correction optical elements corresponding to the virtual images V3, V2, and V1 are the same as those in the second embodiment shown in FIG. 6, and the description thereof is omitted here.
  • FIG. 8 shows another example in which a plurality of flat displays (for example, liquid crystal display panels) 4b, 4c, and 4d are used as video sources.
  • the light beams emitted from the backlights 100b, 100c, and 100d are incident on the eyepiece optical system 5a as image light beams including image information displayed on the liquid crystal display panels 4b, 4c, and 4d.
  • image light beams including image information displayed on the liquid crystal display panels 4b, 4c, and 4d.
  • the operation of the correction optical element corresponding to each of the virtual images V3, V2, and V1 is the same as that of the second embodiment shown in FIG. 6, and the description thereof is omitted here.
  • the composite resolution can be increased by using a plurality of liquid crystal display panels as video sources.
  • the image display area 1 (a), the image display area 1 (c), or the image display areas 1 (a) and 1 (1) shown in FIG. A virtual image is established in both of c).
  • the driver of the traveling automobile 101 superimposes on the forward field of view that is watched while driving, and video information and alerting from the periphery monitoring device shown in FIG.
  • Information, and further information from the navigation system can be displayed, and so-called virtual reality can be realized.
  • the warning information is displayed over the captured video information. It is an effective aid for driving.
  • FIG. 7 shows an example in which three liquid crystal display panels 4b, 4c, and 4d are arranged in parallel as an example.
  • the present invention is not limited to this.
  • Each of them is arranged in an inclined manner corresponding to the direction of the optical axis, or a flat display may be arranged in a matrix as shown in FIG. 9, and further, the above-described correction optical element may be inserted. Needless to say. At this time, it is also effective to improve the degree of freedom of distortion correction and aberration correction by inclining each panel with respect to the optical axis of the virtual image optical system.
  • FIG. 10 is a sectional view showing an outline of the entire structure including a liquid crystal display panel 4a and a backlight 100 as an image light source in an information display apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the light funnel 44 reduces the divergence angle of the emitted light from the white LED 46, which is a solid light source, and makes the intensity distribution of the emitted light uniform.
  • the optical element 43 makes the light substantially parallel and aligns it with a single polarization in the PBS 45 for polarization conversion.
  • the light is reflected by the reflecting surface 41 and is incident on the liquid crystal display panel 4a.
  • an optical element 17 for controlling the incident angle of the light beam on the liquid crystal display panel 4 is provided so that the image light beam obtained by the liquid crystal display panel 4a has excellent contrast performance.
  • polarizing plates are provided on the light incident surface and the light exit surface of the liquid crystal display element 4a, and an image light beam with excellent contrast performance can be obtained.
  • a ⁇ / 4 plate 46 may be provided on the emission surface of the liquid crystal display panel 4a, and the emitted light may be circularly polarized. As a result, the driver can monitor a good virtual image even when wearing polarized sunglasses.
  • the eyepiece optical system 5a (for example, the virtual image optical system 5 according to the first embodiment described above).
  • the base material of the free-form curved mirror 56 and the cylinder mirror 55 constituting the enlarged perspective view of the lens portion is shown in FIG. 17, and the shape accuracy of the reflecting surface is ensured by heating and compressing the plastic molding mirror or glass plate. Forms a reflective film. At this time, in order to obtain a bright virtual image, it is necessary to increase the reflectance of the reflective film.
  • FIG. 12 shows a general spectral reflection characteristic of a metal.
  • silver is the most excellent as satisfying the above two requirements.
  • Another excellent characteristic of the silver or silver alloy reflective film is that, as shown in FIGS. 11 and 12, the reflectance of the reflective film obtained by depositing the silver or silver alloy on the substrate is Incident angle dependency is small, and wavelength dependency by P wave and S wave is also small. For this reason, when using a specific polarization using a liquid crystal display panel as an image light source of this embodiment, S polarization is used. As a result, since the reflectance of S-polarized light is high, a bright and good virtual image can be obtained.
  • FIG. 13 shows the spectral reflectance when a single-layer increased reflection film is formed on the surface of the aluminum reflection film.
  • incidentence angle is 0 degree
  • Incidence angle dependency, wavelength dependency, and polarization dependency of reflectivity the reflectivity differs between S-polarization and P-polarization, and the reflectivity of S-polarization is high).
  • FIG. 14 shows the characteristics when the number of the reflective reflection films is five in order to further increase the reflectance.
  • the reflectivity is further improved by about 3% at normal incidence, but the wavelength region for maintaining this reflectivity becomes a narrow band and the dependency on the incident angle. Therefore, in order to obtain desired reflection characteristics and to obtain uniform brightness and single color reproducibility in the entire display screen, it is necessary to design while controlling the light incident angle to the mirror.
  • the reflective film formed on the mirror is preferably a silver or silver alloy reflective film having little wavelength dependency, angle dependency, and polarization dependency.
  • a ⁇ / 4 plate 46 is provided on the exit surface of the liquid crystal display panel 4a, and the outgoing light is made circularly polarized. , S-polarized reflectance is high).
  • the optical member 47 in which the ultraviolet reflection film or the ultraviolet reflection film and the infrared reflection film are combined at a position closest to the virtual image optical system 5, even if external light (sunlight) is incident, the liquid crystal Since the display panel and the polarizing plate can be reduced from the temperature rise and damage, an effect that the reliability of the information display device is not impaired can be obtained.
  • the image projection device is a flat display such as a single plate LCOS (Liquid Crystal On Silicon) provided with a TFT color liquid crystal panel or a color filter, or an OLED (Organic Light Emitting Diode).
  • the image source (intermediate image display unit) modulates the intensity of light according to the image signal by an image display element such as a small liquid crystal panel or DMD (Digital Mirror Device), and projects the modulated light.
  • an image display element such as a small liquid crystal panel or DMD (Digital Mirror Device)
  • DMD Digital Mirror Device
  • there is a method of enlarging and projecting the image on the intermediate image display unit there is a method of enlarging and projecting the image on the intermediate image display unit.
  • the same image information as that of the above-described image projection apparatus can be obtained by scanning the light source light with a micro mirror of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
  • the best image plane of the projection means and the image plane obtained by scanning are substantially matched with the plane shape of the intermediate image display unit, and the virtual image optical system is designed as a non-planar surface such as a spherical surface, an aspherical surface, or a free-form surface.
  • the degree of freedom can be increased.
  • a plurality of intermediate image display units may be installed to display the video in a divided manner (however, in FIGS. 1 and 5, the intermediate image display unit is displayed as one).
  • the virtual image optical system is optimally designed including the difference between the curvature radius in the vehicle horizontal direction and the curvature radius in the vertical direction of the windshield, which has been used as a projection member in the prior art.
  • a concave mirror with a concave surface facing the windshield is arranged between the image display units, so that the image projected on the image projection device or the intermediate image display unit is enlarged and reflected on the windshield.
  • a plurality of optical elements are arranged between the concave mirror and the image projection device or the intermediate image display unit, and on the other hand, an enlarged image of the image formed in accordance with the viewpoint position of the driver.
  • the image light beam forming the (virtual image) passes through the plurality of optical elements arranged between the image projection apparatus or the intermediate image display unit, and in this case, the optical elements arranged at positions separated from each other pass. Therefore, by dividing the optical element corresponding to each light beam and performing optimal aberration correction, it becomes possible to obtain a highly visible virtual image corresponding to the driver's multiple viewpoint positions.
  • high resolution can be realized at low cost by arranging a plurality of small video display elements to form a video projection apparatus. Furthermore, by changing the arrangement location of the plurality of video display elements with respect to the virtual image optical system described above, it is possible to control the generation position of the virtual image and its magnification when viewed from the driver.
  • the virtual image obtained by being reflected by the upper part of the windshield needs to be formed farther away.
  • the concave mirror and the image projection device or intermediate image display unit described above are used.
  • the composite focal length f1 is shortened by inserting a plurality of optical elements between them, or an optical member having a refractive index greater than 1.0 is inserted to increase the optical distance L1.
  • the virtual image obtained by being reflected on the lower part of the vehicle body in the vertical direction is formed closer to the image, so that the combined focal length f2 or the optical distance L2 needs to be shortened.
  • the relationship between the two is preferably set so that f1 ⁇ f2.
  • the image projection apparatus and the intermediate image display unit may be divided into several parts to display necessary information, or continuous information display is performed. It is also possible.
  • the virtual image V3 obtained by being reflected on the upper part of the windshield needs to be formed farther away.
  • the concave mirror and the image projection device or intermediate image display unit described above are used.
  • the composite focal length f1 of the plurality of optical elements arranged between the two is short, and on the contrary, the virtual image V1 obtained by being reflected by the lower part of the windshield (lower part in the vertical direction of the vehicle body) needs to be formed closer.
  • the concave mirror and the image projection device or the intermediate image display unit described above The combined focal length f2 of the plurality of optical elements arranged therebetween is preferably set relatively long.
  • the virtual image of the virtual image that the driver views is different because the curvature radius in the horizontal direction (parallel to the ground) of the windshield is different from the curvature radius in the vertical direction (direction perpendicular to the horizontal direction of the windshield).
  • the above-described distortion correction is realized by disposing optical elements having different axial symmetry with respect to the optical axis in the virtual image optical system.
  • the video screen is configured as a flat panel display.
  • a flat display such as a single-plate LCOS (Liquid Crystal On Silicon) or OLED (Organic Light Emitting Diode) provided with a TFT type color liquid crystal panel or a color filter.
  • the display screen size is preferably about 1 inch to 5 inches, and is preferably about 3 inches considering the effective use of image light.
  • FIG. 7 it is possible to obtain a desired resolution by combining a plurality of small flat displays.
  • the display surface is flat, and therefore the degree of freedom in design considers the inclination of the windshield that is inclined with respect to the optical axis of the virtual image optical system.
  • a degree of freedom such as correction of trapezoidal distortion.
  • the above-described generation position and magnification of the virtual image can be controlled similarly by changing the place where the small flat display is arranged with respect to the virtual image optical system.
  • an optical element with a condensing function is arranged between the image plane and the virtual image optical system so that the image light beam reaches the viewpoint position of the driver, and the emitted light from the image plane operates through the virtual image optical system. Efficiently reach people's eyes.
  • image projection devices that use only specific polarization such as a single-plate LCOS (Liquid Crystal On Silicon) or OLED (Organic Light Emitting Diode) with a TFT color liquid crystal panel or color filter
  • the light source light is converted into polarized light.
  • the windshield reflecting surface has a curvature radius in the vertical direction of the vehicle body and the center position of the curvature radius in the horizontal direction of the vehicle body and the driver. Therefore, the distortion of the image obtained by the virtual image is different from each other. For this reason, for example, in order to measure the viewpoint position of the driver in a car, the position of the pupil is measured by a camera or the like, and the display image on the video projection device is distorted in advance so as to correct the distortion generated in the virtual image. It is good to leave.
  • the distortion of the displayed characters and figures caused by the shape of the windshield reflecting surface and the viewpoint position of the driver can be changed by changing the aspect ratio of the characters and figures depending on the position of the display image.
  • the shape of the virtual image to be viewed can be expressed more naturally (in a more correct aspect ratio).
  • a virtual image with high visibility can be formed at a plurality of viewpoint positions (different distances) of the driver.
  • the information display apparatus which is one embodiment of the present invention, it can be realized with a simple configuration as compared with the techniques disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 described above, that is, the apparatus structure is enlarged. And complexity can be suppressed as much as possible.
  • the focal length of the projection unit it is not necessary to adjust the focal length of the projection unit at a high speed according to the individual image forming unit, and the cost is lower than that in the technique described in Patent Document 2.
  • a virtual image can be formed at a position suitable for the driver's line of sight, such as a short distance (corresponding to the lower part of the windshield) or a long distance (corresponding to the upper part of the windshield).
  • a short distance corresponding to the lower part of the windshield
  • a long distance corresponding to the upper part of the windshield
  • SYMBOLS 1 Information display apparatus, 100 ... Back light, 2 ... Liquid crystal display panel, 3 ... Relay optical system, 4 ... Intermediate image image formation part (diffusion plate), 5a ... Eyepiece optical system (optical component), 5 ... Virtual image optical system , 6 ... Projected member (front glass), 7 ... Virtual image plane, 8 ... Eye box, 9 ... Eye of observer, 10 ... Image forming unit, 11 ... Video projection device, 17 ... Optical element, 20 ... Projection optical system , 21 ... Optical element, 22 ... Optical element, 23 ... Optical element, 41 ... Reflecting surface, 42 ... ⁇ / 2 plate, 43 ...
  • Optical element 44 ... Light funnel, 45 ... PBS, 46 ... Solid light source, 47 ... Ultraviolet light And an infrared reflecting sheet, 48 .lamda. / 4 plate, 51 optical element (step filter), 52 convex lens (first optical element), 53 concave lens (second optical element), 54 free-form lens, 55 cylinder. Mirror (reflection mirror), 56 ... free-form curved mirror (reflection mirror, concave mirror), V1, V2, V3 ... virtual images.

Landscapes

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Abstract

　映像光源として液晶表示パネルを使用した場合、特定の偏光方向に対して所望の反射特性を設けた凹面ミラーを含む接眼光学系により映像情報を虚像として表示する小型の情報表示装置である。代表的な実施形態は、映像情報を形成する平面ディスプレイとして液晶表示パネルを配置し、液晶表示パネルの映像を被投影部材で反射させること虚像を乗り物の前方に表示させるための被投影部材を含む虚像光学系を備えており、虚像光学系には凹面ミラーを備えており、凹面ミラーの反射膜は特定の偏光方向に対して所望の反射特性を有することで明るさと色度の均一性な虚像を得る。

Description

情報表示装置
　本発明は、自動車や電車や航空機等（以下では、一般的に「乗り物」とも言う）のフロントガラスに画像を投影する情報表示装置に関し、その画像をフロントガラス越しに虚像として観察するようにした虚像光学系およびそれを用いた情報表示装置に関する。
　自動車のフロントガラスに映像光を投写して虚像を形成しルート情報や渋滞情報などの交通情報や燃料残量や冷却水温度等の自動車情報を表示するいわゆる、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ－Ｕｐ－Ｄｉｓｐｌａｙ）装置が以下の特許文献１により既に知られている。
　この種の情報表示装置においては、運転者が情報を認識し易くすることを目的として、運転者の視認位置に応じて複数の位置に虚像を形成すること、すなわち虚像の形成する距離を運転者の視認位置に合わせることが求められている。このため、例えば以下の特許文献２にも開示されるように、運転者から遠方（遠距離）および近傍（近距離）のそれぞれに像を形成するものがある。
特開２００９－２２９５５２号公報 特開２０１５－３４９１９号公報
　特許文献１に開示されたヘッドアップディスプレイ装置例では、液晶表示パネルに表示した映像光は、リレー光学系で実像（特許文献１の図２のＩｒ）として写像され、接眼光学系（同図のＬ１）を介して、虚像（同図のＩｖ）を観察する構成になっている。写像関係で整理すると、液晶表示パネル上の映像光（平面）が実像Ｉｒ（平面）に写像され、さらに、実像Ｉｒ（平面）が虚像Ｉｖ（平面）に写像されている。
　しかしながら、運転者の前景は、二次元状の平面ではなく、三次元状の空間である。そこで、図２２を用いて、自動車（自車）に乗った運転者からの視線方向とそこまでの距離について説明する。
　自車１０１の運転者が見る前景としての視野範囲には、前方を走る前走車１０２や、その手前の路面１０５（例えば、路面に落下物が無いかどうか等）や、道路の端で近くを走る自転車や、歩道の歩行者などが存在する。
　前方を走る前走車１０２を見る視線方向１０３は、真正面の方向から視線をやや下げた方向になるが、道路上でその手前の路面１０５を見る視線方向１０４は、さらに、視線を下げた方向になる。このように、運転中に運転者が注意すべき対象物は、視線方向に応じてそこまでの距離が異なることが分かる。
　従って、自動車の運転の安全性をさらに向上させるためには、運転中に注視している対象物までの距離と、そのときに表示する虚像までの距離を近づけることで、眼のピント合わせのための時間を短縮することが重要である。
　また、上記の特許文献２に開示されたヘッドマウントディスプレイ装置例では、運転者から異なる距離に虚像を形成する構成になっているが、具体的には、表示内容に応じてスクリーンを選択し、選択したスクリーンに合わせて可変焦点レンズでのピント合わせを高速に行うことが不可欠である。このため、可変焦点レンズとして、「容器内に封入された液体の液体界面を変更する液体レンズ」或いは、「曲率を変更可能に構成された凹面鏡で」などを用いており、ヘッドマウントディスプレイ装置の大型化や、コストが増加する。
　また、被投影部材（６）であるフロントガラスの反射面は運転者の視点位置が複数存在した場合には、フロントガラスの車体垂直方向曲率半径および車体水平方向曲率半径の中心位置と運転者の眼の位置が異なるため、表示した画像に歪が生じるが、この点については全く考慮されていなかった。
　以上に述べたように、上述した従来の情報表示装置では、装置構成の大型化や複雑化を抑制し運転者の異なる視点位置（距離）に虚像を形成することは困難であった。さらに、表示される映像についても運転者の視点位置により歪が発生する点についても全く考慮されていなかった。
　そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて達成されたものであり、より具体的には、装置の大型化や複雑化を抑制しながら、運転者からの異なる視点位置（距離）においても、視認性の高い虚像を形成することを可能とする情報表示装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するためになされた本発明は、その一例として、乗り物のフロントガラスに虚像の映像情報を表示する情報表示装置であって、前記映像情報を表示する液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルから出射された光を前記フロントガラスで反射させることで虚像を前記乗り物の前方に表示させる虚像光学系とを備えており、前記虚像光学系は、凹面ミラーと複数の光学素子を含んでおり、前記凹面ミラーは、基材表面に可視光に対する分光反射率が高くて一様となる金属膜からなる反射面を有し、前記複数の光学素子は、前記フロントガラスの上部から下部に向かって、運転者の視点位置に対応して複数の位置に前記複数の虚像を成立させるように、前記液晶表示パネルと前記凹面ミラーとの間において各虚像を成立させる映像光束が分離されるように配置された情報表示装置である。
　上述した本発明によれば、装置の大型化や複雑化を抑制しながら、運転者からの異なる視点位置（距離）においても、視認性の高い虚像を形成することを可能とする情報表示装置を提供することが可能となる。
本発明の一実施形態である情報表示装置および情報表示装置に配属された周辺機器の概略構成を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態の情報表示装置を搭載した自動車の上面図である。 本発明の一実施形態のフロントガラスの曲率半径の違いを説明する構成図である。 本発明の一実施形態における運転者が運転中に注視する領域を示す略構成図である。 本発明の一実施形態における情報表示装置の虚像光学系を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態における情報表示装置の虚像光学系の一実施例を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態における情報表示装置の虚像光学系の一実施例を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態における情報表示装置の虚像光学系の一実施例を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態における情報表示装置における映像投写装置の配置を示す構成図である。 本発明の一実施形態における情報表示装置の構造の全体の概略を示す断面図である。 本発明の一実施形態のミラー面での反射を説明する断面図である。 本発明の一実施形態の金属反射膜の分光反射率を示す特性図である。 本発明の一実施形態のアルミ膜に１層の増反射膜を成膜した場合の分光反射率を示す特性図である。 本発明の一実施形態のアルミ膜に５層の増反射膜を成膜した場合の分光反射率を示す特性図である。 本発明の第一の実施形態である虚像光学系の全体光線図であり、図１５（ａ）はＹＺ平面において虚像面の映像情報を観察者の眼で見ている様子を、図１５（ｂ）はＸＺ平面において虚像面の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表す。 本発明の第一の実施形態の虚像光学系の要部斜視拡大図である。 本発明の第一の実施形態の虚像光学系を構成する接眼光学系のレンズ部の斜視拡大図である。 本発明の第一の実施形態における傾いた斜面での写像関係を説明する図である。 本発明の第一の実施形態における分離光路ごとの歪性能を表す図である。 本発明の第一の実施形態における接眼光学系の全体の歪性能を表す図である。 本発明の第一の実施形態における接眼光学系のスポット図である。 従来技術における運転者の視野方向とその距離の違いを説明する図である。 物距離と像距離による写像関係を説明する図である。 実像光学系での写像関係と段差フィルタの作用を説明する図である。 虚像光学系での写像関係と段差フィルタの作用を説明する図である。
　以下、図面等を用いて、本発明の一実施形態および各種実施例について説明する。なお、以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
　＜情報表示装置の実施形態＞
　図１は、本発明の一実施形態である情報表示装置１の周辺機器構成を示すブロックと概略構成図であり、ここでは、その一例として、特に、自動車のフロントガラスに画像を投影する情報表示装置について説明する。
　この情報表示装置１は、運転者の視線８において自車両の前方における複数の位置それぞれに虚像Ｖ１～Ｖ３を形成するため、被投影部材６（本実施形態ではフロントガラス）にて反射された各種情報を虚像ＶＩ（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｉｍａｇｅ）として表示する装置（いわゆるＨＵＤ（Ｈｅａｄｕｐ　Ｄｉｓｐｌａｙ）である。なお、被投影部材６は、情報が投影される部材であればよく、前述したフロントガラスだけではなく、その他、コンバイナであっても良い。すなわち、本実施形態の情報装置１では、運転者の視線８において自車両の前方における複数の位置それぞれに虚像を形成して運転者に視認させるものであり、虚像として表示する情報としては、例えば、車両情報や監視カメラやアラウンドビュアーなどのカメラ（図示せず）で撮影した前景情報も含む。
　また、情報表示装置１は、情報を表示する映像光を投射する映像投写装置１１と、当該映像投写装置１１からの光を結像させる中間像結像部４と、当該中間像結像部４において結像した映像情報（映像光）を収束または発散させる光学部品５と、そして、上記映像投写装置１１を制御する制御装置４０とを備えている。なお、上記の光学部品５は、以下に述べる虚像光学系であり、光を反射させる凹面形状のミラーを含んでいる。また、この光学部品５において反射した光は、被投影部材６にて反射されて運転者の視線８（ＥｙｅＢｏｘ：後に詳述する）へと向かう。
　上記の中間像結像（または、中間像表示）部４は、映像投写装置１１からの光を結像する機能を有しており、例えば、マイクロレンズを２次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成される。本実施形態においては、中間像結像部４と、接眼光学系を形成する上記凹面反射ミラーから成る光学部品５との間には、光学素子２１および光学素子２２が配置されている。これら光学素子２１および光学素子２２の配置は、第一の目的として、虚像の形成位置を自車両の前方の複数個所（本実施形態においては３箇所）とするためである。さらに第二の目的として、中間像結像部４と接眼光学系を形成する光学部品５との間において、当該中間像結像部４からの映像光が分離する位置において、それぞれ、収差補正を行なうためである。なお、これらの光学素子による収差補正によれば、虚像が異なる位置に形成されても、同一の虚像光学系を用いることにより、複数の虚像を異なる倍率で表示することが可能となる。
　より具体的には、最も近傍に位置する虚像Ｖ１を形成する光束の収差改善は、光学素子２１により行ない、同時に、中間に位置する虚像Ｖ２の収差補正は、光学素子２２により行なう。また、最も遠方に形成される虚像Ｖ３は、本来の虚像光学系で収差が最適設計されているため、ここでは光学素子を設けていないが、さらに収差補正能力を向上させるたに最適設計された光学素子を設けても、本発明の技術的思想または範囲を逸脱するものではないことは言うまでもない。
　また、本実施例では、説明の都合上、虚像の発生位置を遠方虚像Ｖ３、中間虚像Ｖ２、近接虚像Ｖ１に分割し、それぞれ、個別に光学素子２１および２２を設けた例について説明したが、これに限定されることはない。例えば、虚像の表示位置を遠方から近接位置まで、連続的に変化させるためには、空間的な光学距離を変化させ、連続的に虚像が発生する位置が変化するように収差を十分に低減するため、共通の光学素子を設けて対応しても、やはり、本発明の技術的思想または範囲を逸脱するものではないことは言うまでもない。
　一方、制御装置３０は、記憶装置３１と、マイクロコンピュータ（以下「マイコン」と記す）３２とを備えている。記憶装置３１は、記憶内容を書き換え可能な不揮発性の記憶装置からなる。マイコン３２は、電源が切断されても記憶内容を保持する必要がある処理プログラムやデータを格納するＲＯＭ３４と、処理プログラムやデータを一時的に収納するＲＡＭ３３と、上記ＲＯＭ３４やＲＡＭ３３に記憶された処理プログラムに従って各種処理を実行するＣＰＵ３５とを有したコンピュータとを中心にして構成されている。
　このうち、ＲＯＭ３４には、車両情報や前景情報などの各種情報が被投影部材６に投影されるように映像投写装置１１を制御する情報表示処理をマイコン４４が実行するための処理プログラムが格納されている。そして、制御装置３０には、車両情報や前景情報の取得元として、少なくとも、ナビゲーションシステム４１と運転支援電子制御装置（以下、「運転支援ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）と記載）４２とが接続されている。
　ナビゲーションシステム６１は、位置検出装置にて検出した現在位置を地図データ記憶部に記憶されている地図データに照合した結果に従って、設定された目的地までの経路を案内する装置である。地図データには、道路の制限速度や車線数、交差点に関する情報などの各種情報が含まれる。
　制御装置３０は、このようなナビゲーションシステム６１から、自車両が走行している現在位置に対応する道路の制限速度や車線数、ナビゲーションシステム５１に設定された自車両の移動予定経路などの情報を前景情報（すなわち、上記虚像により自車両の前方に表示する情報）として取得する。
　運転支援ＥＣＵ６２は、周辺監視装置６３での監視の結果として検出された障害物に従って駆動系や制御系を制御することで、運転支援制御を実現する制御装置であり、運転支援制御としはクルーズコントロール、アダプティブクルーズコントロール、プリクラッシュセーフティ、レーンキーピングアシストなどの周知技術を含む。
　周辺監視装置６３は、自車両の周辺の状況を監視する装置であり、一例としては、自車両の周辺を撮影した画像に基づいて自車両の周辺に存在する物体を検出するカメラや、探査波を送受信した結果に基づいて自車両の周辺に存在する物体を検出する探査装置などである。
　制御装置３０は、このような運転支援ＥＣＵ６２からの情報（例えば、先行車両までの距離および先行車両の方位、障害物や標識が存在する位置など）を前景情報として取得する。さらに、制御装置３０には、イグニッション（ＩＧ）信号、および、自車状態情報が入力される。これらの情報の内、自車状態情報とは、車両情報として取得される情報であり、例えば、内燃機関の燃料の残量や冷却水の温度など予め規定された異常状態となったことを表す警告情報を含んでいる。また、方向指示器の操作結果や自車両の走行速度、シフトポジションなどの情報も含まれている。以上述べた制御装置３０はイグニッション信号が入力されると起動する。以上が本発明の一実施形態である情報表示装置の全体システムの説明である。
　＜第一の実施形態＞
　次に、本発明の一実施形態である虚像光学系５、および、映像投写装置１１のさらなる詳細について、以下に説明する。
　図２は、本発明の一実施形態の情報表示装置１を搭載した自動車の上面図であり、自動車本体１０１の運転席前部には、被投影部材６としてのフロントガラスが存在する。なお、このフロントガラスは、自動車のタイプによって、車体に対する傾斜角度が異なる。さらに、発明者らは、最適な虚像光学系を実現するため、この曲率半径についても調査した。その結果、フロントガラスは、図３に示すように、自動車の接地面に対して平行な水平方向の曲率半径Ｒｈと、水平軸に対して直交する垂直方向の曲率半径Ｒｖとで異なり、ＲｈとＲｖは一般的には下記の関係があることが分かった。
　　　　　　　　　Ｒｈ＞Ｒｖ
　また、この曲率半径の違い、すなわち、Ｒｖに対するＲｈは、１．５倍から２．５倍の範囲にあるものが多いことも判明した。
　次に、発明者等はフロントガラスの傾斜角度についても市販品を調査した。その結果、車体タイプによっても異なるが、軽自動車や１Ｂｏｘタイプでは２０度～３０度、セダンタイプでは３０度～４０度、スポーツタイプでは４０度以上であった。そこで、本実施形態では、フロントガラスの自動車の接地面に対して平行な水平方向の曲率半径Ｒｈと水平軸に対して直交する垂直方向の曲率半径Ｒｖの違いとフロントガラスの傾斜角について考慮し、虚像光学系の設計を行った。
　より詳細には、被投影部材であるフロントガラスの水平曲率半径Ｒｈと垂直曲率半径Ｒｖとは、これらは大きく異なるため、光軸（Ｚ軸）に対してフロントガラスの水平軸とこの軸に垂直な軸に対して軸非対称な光学素子を虚像光学系内に設けることにより、良好な収差補正を実現した。なお、得られた虚像光学系のレンズデータについては、後に詳述する。
　また、ここで、図１にも示したように、視野範囲と虚像距離がそれぞれ異なる複数の虚像面に対し、それぞれの物面位置が同一の平面上となる光学系を実現できる回転非対称な形状である自由曲面レンズと、当該自由曲面ミラー(本明細書では凹面形状をベースとした自由曲面ミラーを例に挙げて説明する)を用いた虚像光学系の第一の実施形態について以下に説明する。
　図１５を参照して本発明の第一の実施形態である虚像光学系の構成について説明する。この図１５は、図１に示した本発明の一実施形態における虚像光学系５の全体光線図であり、特に、図１５（ａ）は、ＹＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表し、図１５（ｂ）は、ＸＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表している。ＹＺ平面では、右眼と左眼が重なっており（符号８を参照）、ＸＺ平面では右眼と左眼が別々に見えている。
　図１６は、上記第一の実施形態の虚像光学系５の要部斜視拡大図である。また、図１７は、上記第一の実施形態に係る虚像光学系５を構成する接眼光学系５aのレンズ部の斜視拡大図である。これら図１６と図１７に示すように、自由曲面レンズ５４および自由曲面ミラー５６のそれぞれは、回転非対称な形状に構成される。なお、光学素子５１、凸レンズ５２および凹レンズ５３は大きな偏心量（前後面での偏心は無し）を持っている。また、図１８は、傾いた斜面での写像関係を説明する図である。
　図１６にも示すように、虚像光学系５は、中間像表示部（または平面ディスプレイなどの画像表示部）４側から順に、段差フィルタ（光学素子）５１と、正の屈折力の凸レンズ５２と、負の屈折力の凹レンズ５３と、回転非対称な自由曲面レンズ５４と、シリンダーミラー５５と、回転非対称な自由曲面ミラー５６と、そして、フロントガラス６とを並べて配置することにより構成されている。フロントガラス６の水平方向と垂直方向の曲率半径の違いは、シリンダーミラー５５を追加することでキャンセルする構成としている。さらに、反射面の回転非対称な自由曲面レンズ５６は、虚像の歪みを補正する。
　ここで、上記第一の実施形態の虚像光学系５内の得られたレンズデータを以下の表１および表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表１は、本発明の第一の実施形態に係る映像投写装置１１のレンズデータを示す表である。この表１に示すレンズデータでは、曲率半径は、曲率半径の中心位置が進行方向にある場合に正の符合で表し、面間距離は、各面の頂点位置から次の面の頂点位置までの光軸上の距離を表している。例えば、虚像距離１８ｍでは、図６に示した光学素子２３に対応した段差フィルタの厚さは２７．４３９ｍｍ、虚像距離３０ｍでは、図６に示した光学素子２４に対応した段差フィルタの厚さは１４．５５６ｍｍ、虚像距離１００ｍでは、段差フィルタの厚さは０ｍｍである。
　また、偏心はＹ軸方向の値であり、倒れはＹＺ平面内でＸ軸回りの回転であり、偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用し、「普通偏心」では、偏心・倒れが作用した新しい座標系上での面間距離の位置に次の面が配置される。デセンタ・アンド・リターンの偏心および倒れは、その面でのみ作用し、次の面に影響しない。
　硝材名のＰＭＭＡはプラスチックのアクリル（Polymethyl methacrylate）であり、硝材名の５８．３は、屈折率１．５８でアッベ数３０の材料を表す。
　表２は、本発明の第一の実施形態に係る映像投写装置１１のレンズデータの自由曲面係数の図である。この表２の自由曲面係数は、以下の式（数１）により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　自由曲面係数Ｃｊは、それぞれの光軸（Ｚ軸）に対して回転非対称な形状であり、円錐項の成分とＸＹの多項式の項の成分で定義される形状である。例えば、Ｘが２次（ｍ＝２）でＹが３次（ｎ＝３）の場合は、ｊ＝｛(２＋３)２＋２＋３×３｝／２＋１＝１９であるＣ１９の係数が対応する。また、自由曲面のそれぞれの光軸の位置は、表１のレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。
　また、本発明の第一の実施形態に係る映像投写装置１１のアナモフィック非球面係数は、以下の式（数２）により求められる。この（数２）のｃｕｙ（＝１／ｒｄｙ）とｃｕｘ（＝１／ｒｄｘ）は、表１では、ｒｄｙ＝９６８６ｍｍ、ｒｄｘ＝５５３１ｍｍであり、その他の係数は、全て０とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　また、以下には、本発明の第一の実施形態の虚像光学系５を構成する接眼光学系のアイボックスサイズや、視野角などの値を、水平方向、垂直方向の順に示す。
　　　アイボックスサイズ　１００×５０ｍｍ
　　　スクリーン板での映像光の有効サイズ　４０．７０×１８．８０ｍｍ
　　　視野角（全画角）　　　　　５．４×１．８度
　　　分離光路（垂直視野方向、虚像サイズ、虚像距離）
　　　　　　１．８～２．２度、１６９８×１２６ｍｍ、　１８ｍ
　　　　　　１．１～１．５度、２８３０×２１０ｍｍ、　３０ｍ
　　　　　　０．４～０．８度、９４３２×６９８ｍｍ、１００ｍ
　次に、上述した第一の実施形態における虚像光学系５の光学性能、特に、歪性能について、図１９～図２１を用いて説明する。
　図１９と図２０は、本発明の第一の実施形態の映像投写装置１１における虚像光学系５の歪性能を表す図である。図２１は、本発明の第一の実施形態の映像投写装置１１における接眼光学系のスポット図である。
　図１９は、上記図１５で示した虚像面７１、７２、７３での第一の実施形態における分離光路ごとの歪性能を表す図であり、この図から、それぞれの虚像面で矩形状の虚像を実現していることが分かる。各虚像面７１、７２、７３での虚像サイズから視野角を計算すると、視野範囲Ｆ１の水平視野角（全画角）は、２×ｔａｎ（１６９８／２／１８０００）＝５．４度、視野範囲Ｆ２の水平視野角（全画角）は、２×ｔａｎ（２８３０／２／３００００）＝５．４度、視野範囲Ｆ３の水平視野角（全画角）は、２×ｔａｎ（９４３２／２／１０００００）＝５．４度となる。各虚像面７１、７２、７３での水平方向の視野角が同じ値なので、図２０では、各虚像面７１、７２、７３での視野範囲をまとめて表したが、各視野領域Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３が、垂直方向にずれた位置に表示されていることが分かる。
　図２１は、虚像面７１、７２、７３にそれぞれ物点を配置し、スクリーン板４でのスポット図を計算したスポット図を示しており、良好な光学性能を実現している。なお、このスポット図では、アイボックス９の大きさが水平１００ｍｍ×垂直５０ｍｍの全光束でのスポット図であり、実際の運転者が見る虚像の場合は、人の眼の虹彩の大きさ（最大でφ７ｍｍといわれている）でのスポット図は、図２１よりも大幅に良くなっている。
　従って、本実施形態によれば、自由曲面レンズと自由曲面ミラーを用いた虚像光学系により、異なる虚像距離で異なる視野方向に同時に虚像として表示できる情報表示装置を提供できる。
　運転者は、一般に、図２４（ａ）～（ｃ）に示すように、運転中においては、前走車の確認（ブレーキランプや右折・左折ランプの点灯）や、手前の道路の路面の確認（落下物の有無など）や、さらには、手前の道路の端の自転車・歩行者の確認などを行っている。本実施形態によれば、前走車の位置に相当する虚像範囲には、前走車に関する注意喚起情報を表示し、その手前の道路の路面の位置には、相当する虚像範囲に落下物の存在を表示するなどの表示が可能となる。さらに、本実施形態によれば、異なる虚像距離で、かつ、異なる視野方向に位置する複数の虚像面に、同時に映像を表示することが可能である。
　また、運転者はスピードメータや燃料計などの情報も確認するので、情報表示装置を装備することによって、各種計器類の情報を虚像として運転者の前方に表示できるので、運転者の視線方向の移動が小さくなり、かつ、眼のピント合わせに要する時間も短縮できることから、運転の安全性が向上できる。
　ところで、前景中の前走車と、その手前の路面と、さらに手前の道路の端の自転車・歩行者では、運転者からの距離が異なるので、それらに関係した情報を表示する虚像の距離を変えることで、さらに眼のピント合わせに要する時間を短縮でき、さらに、運転の安全性が向上できる。
　次に、図２３～図２５を用いて、情報表示装置の虚像距離の違いによる写像関係を整理し、解決される課題を定量的に示す。
　図２３は、物距離と像距離による（実像光学系での）写像関係を説明する図である。結像レンズ２０１からの物面２０２までの距離Ｌが減ることで、像面２０３までの距離ａが増加している。図２４は、実像光学系での写像関係と段差フィルタの作用を説明する図であり、焦点距離＝４４０ｍｍで、物距離Ｌ＝１００～１０ｍでの焦点位置の移動量δを示している。実像光学系では、遠距離側の焦点位置よりも、近距離側の焦点位置の方が離れている。ここで、厚さｄで屈折率Ｎのフィルタ２５１を結像レンズ２０１と実像面２０３の間に配置すると、フィルタ２５１の物理長ｄと光学長ｄ／Ｎのとの差であるｄ（１－１／Ｎ）の分だけ、実像面２０３の位置を離すことができる。実像光学系では、遠距離側の実像面位置に比べて、近距離側の実像面位置の方が離れているので、遠距離側の光路上で、結像レンズ２０１と実像面２０３の間に、フィルタ２５１を配置することで、近距離側の物理的な実像面位置と遠距離側の物理的な実像面位置を同一の平面上に配置することが可能となる。
　同様に、図２５は、虚像光学系での写像関係と段差フィルタの作用を説明する図であり、焦点距離＝４４０ｍｍで、虚像距離Ｌ＝１００～１０ｍでの物位置の移動量δを示している。虚像光学系では、近距離側の物位置よりも、遠距離側の物位置の方が離れている。同様に、厚さｄで屈折率Ｎのフィルタ３５１を、接眼レンズ３０１と物面３０２との間に配置すると、段差フィルタ３５１の物理長ｄと光学長ｄ／Ｎとの差であるｄ（１－１／Ｎ）の分だけ、物面２０３の位置を離すことができる。虚像像光学系では近遠距離側の物面位置に比べて、遠距離側の物面位置の方が離れているので、近距離側の光路上で、接眼レンズ３０１と物面３０２の間に、フィルタ３５１を配置することで、近距離側の物理的な物面位置と遠距離側の物理的な物面位置を同一の平面上に配置することが可能となる。例えば、虚像距離Ｌ＝２０～１０ｍの場合では、物面３０２の位置がδ＝９．１ｍｍずれるので、ｄ＝δ／（１－１／Ｎ）＝２６．６ｍｍのフィルタ３５１が必要となる。同様に、虚像距離Ｌ＝１００～１８ｍの場合では、物面３０２の位置がδ＝８．６ｍｍずれるので、ｄ＝２５．２ｍｍのフィルタ３５１が必要となる。
　＜第二の実施形態＞
　次に、図５を参照しながら、本発明の第二の実施形態である情報表示装置の光学系の基本構造について説明する。この図５に示す光学系は、形成ユニット１０と、上記虚像光学系５を構成する接眼光学系５aを含んでいる。すなわち、投写光学系２０から出射された映像光を、自動車（図示せず）のフロントガラス６に反射させ、もって、運転者の眼８に入射させる構成を備えている。
　より詳しくは、バックライト１００から液晶表示パネル２に照射された光束は、液晶表示パネル４aに表示された映像情報を含んだ映像光束として、リレー光学系に入射する。リレー光学系３での結像作用により、液晶表示パネル２上の映像情報は拡大され、その後、中間像結像部４上に拡大投写される。液晶表示パネル２上の点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が、それぞれ、中間像結像部４の点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３に対応する。リレー光学系３を用いることで、表示サイズの小さい液晶表示パネルを使用することができる。バックライト１００、液晶表示パネル２、リレー光学系３、および、中間像結像部４は、上記中間像結像部４上に画像情報（映像情報）を形成するので、これらを総称して画像形成ユニット１０という。
　次に、中間像結像部４上の画像情報は、接眼光学系５ａによって、フロントガラス６に投写され、フロントガラス６で反射した光束が、観察者の眼８の位置に到達する。観察者の眼から見ると、あたかも、虚像面７の画像情報を見ているような関係性が成立する。中間像結像部４上の点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が、それぞれ、虚像面７の点Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３に対応する。なお、眼８の位置を動かしても虚像面７上の点Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が見ることができる範囲が、いわゆる、アイボックス９である。このように、本発明の虚像光学系は、カメラのファインダーの接眼レンズや顕微鏡での接眼レンズと同様に、物（空間像）と像（虚像）を観察者の眼の前に表示することが可能な光学系である。
　また、中間像結像部４は、マイクロレンズを２次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成される。すなわち、その拡散作用により、当該中間像結像部４を出射する光束の広がり角は大きくなり、これにより、アイボック９の大きさを所定の大きさにしている。なお、中間像結像部４の拡散作用は、拡散粒子を内蔵することでも実現できる。
　また、本発明の第二の実施形態では、図５に示すように、中間像結像部４側から虚像光学系５を構成する接眼光学系５aの間に、虚像の発生位置に対応して、収差補正用の光学素子を配置する。具体的には、最も近接した位置Ｖ１に対応する光束が通過する位置には、補正用の光学素子２１を配置し、虚像光学系５の虚像発生位置を近づけて低倍率化を図ると同時に、虚像で発生する歪みと収差を低減する。次いで、中間位置に成立する虚像Ｖ２に対応する光束が通過する位置には、補正用の光学素子２２を配置し、虚像光学系５の虚像の発生位置を中間位置に成立させて中倍率化を図ると同時に、虚像で発生する歪みと収差を低減する。そして、監視者に対して最も遠方に成立する虚像Ｖ３に対応する光束が通過する位置には上述した補正用光学素子を配置しなくても良いように、すなわち、虚像光学系５を構成する接眼光学系５aを最適設計する。
　このように、基準となる最も遠方に成立する虚像Ｖ３に対して接眼光学系５aを最適設計しておき、他方、中間距離に成立するＶ２および近傍に成立するＶ１に対しては補正用の光学素子をそれぞれ配置することによれば、中間像結像部４と接眼光学系５aとの間の光学距離を短縮するばかりでなく、それぞれの像位置で成立する虚像の歪みと収差を補正するために最適な構造となる。
　また、虚像の歪みや収差を低減するために、中間像結像部を複数用い（分割して同様の効果を得られる）、それぞれを、その虚像位置に合わせて、上記接眼光学系５aに対する最適な位置に配置しても良く、その場合、上記中間結像部の向きを接眼光学系５aの入射瞳方向に向けることによれば、より効率的に映像光を接眼光学系５aに入射させることが可能となる。
　本実施形態では、近傍に成立する虚像Ｖ１に対応する光束と、中間に成立する虚像Ｖ２に対応する光束、および、遠方に成立する虚像Ｖ３に対応する光束が分離して虚像光学系５に入射する位置（図５および図６では接眼光学系と平面ディスプレイの間として図示）に、それぞれの虚像に対応して補正用の光学系を配置することにより、虚像の歪み、収差補正を行なうものであるとして説明をした。しかしながら、本発明はこれにのみ限定されず、例えば虚像の成立位置が遠方から近傍にかけて連続的であっても、上記虚像光学系５と中間像結像部４との間の光学距離をそれぞれの虚像の成立位置に対応するように変化させて補正光学素子を配置すればよく、このことは本発明の技術的思想または範囲を逸脱するものではないことは言うまでもない。
　＜第三の実施形態＞
　次に、本発明の第三の実施形態である情報表示装置の光学系について図６を用いて説明する。
　この図の例では、映像源として平面ディスプレイ（例えば、液晶表示パネル）４ａを使用する。バックライト１００から照射された光束は、液晶表示パネル４ａに表示された映像情報を含んだ映像光束として、虚像光学系５を構成する接眼光学系５aに入射する。上述した第二の実施形態と同様に、液晶表示パネル４ａと虚像光学系５を構成する接眼光学系５aとの間に、虚像の発生位置に対応して収差補正用の光学素子を配置する。具体的には、最も近傍に位置するＶ１に対応する光束が通過する位置には、補正用の光学素子２３を配置し、虚像光学系５の虚像発生位置を近傍に近づけ同時に、虚像で発生する歪みと収差を低減する。次いで、中間位置に成立する虚像Ｖ２に対応する光束が通過する位置には、補正用の光学素子２４を配置し、虚像光学系５の虚像発生位置を中間位置に成立させ中倍率化を図ると同時に、虚像で発生する歪みと収差を低減する。他方、監視者に対して最も遠方に成立する虚像Ｖ３に対応する光束が通過する位置には補正用光学素子を配置しなくても良いように、虚像光学系５を構成する接眼光学系５aを最適設計する。
　この第三の実施形態でも、上記第二の実施形態と同様に、虚像光学系５の設計基準となるように、監視者の最も遠方に成立する虚像Ｖ３に対して虚像光学系５を最適設計しておき、中間距離に成立するＶ２および近傍に成立するＶ１に対して補正用の光学素子をそれぞれ配置するものとする。これによれば、平面ディスプレイ４aと接眼光学系５aとの間の光学距離を、それぞれに合わせることができるので、それぞれの位置で成立する虚像の歪みと収差を補正するのに最適な構造となる。
　図７には、映像源として複数の平面ディスプレイ（例えば、液晶表示パネル）４ｂ，４ｃ，４ｄを使用する例を示す。バックライト１００ｂ、１００ｃ、１００ｄから照射された光束は、液晶表示パネル４ｂ、４ｃ、４ｄに表示された映像情報を含んだ映像光束として虚像光学系５aに入射する。虚像光学系５aとそれぞれの虚像Ｖ３、Ｖ２、Ｖ１に対応した補正用光学素子の働きについては、上記図６で示した第二の実施形態と同様であり、ここではその説明を省略する。
　図８には、映像源として複数の平面ディスプレイ（例えば、液晶表示パネル）４ｂ、４ｃ、４ｄを使用する他の例を示す。ここでも、バックライト１００ｂ、１００ｃ、１００ｄから照射された光束は、液晶表示パネル４ｂ、４ｃ、４ｄに表示された映像情報を含んだ映像光束として接眼光学系５aに入射する。なお、本例では、図からも明らかなように、それぞれの平面ディスプレイを接眼光学系５aの入射瞳方向に傾けることで、より効率よく映像光を取り込むことを可能としている。なお、それぞれの虚像Ｖ３、Ｖ２、Ｖ１に対応した補正用光学素子の働きについては、上記図６で示した第二の実施形態と同様であり、ここではその説明を省略する。
　以上述べた複数の平面ディスプレイ（液晶表示パネル）を使用することで得られる特有の効果を、以下に纏める。
（１）複数の液晶表示パネルを映像源として使用することで合成の解像度を高くすることができる。その結果、虚像全体の情報量を大きくできるので、上記図３に示すように、フロントガラス６のほぼ全域にかけて虚像を成立させることが可能となる。なお、通常は、フロントガラス６の全面に虚像を成立させること無く、図の画像表示領域１（ａ）、または、画像表示領域１（ｃ）、または、画像表示領域１（ａ）と１（ｃ）の両方に虚像を成立させる。その結果、上記図４に示すように、走行中の自動車１０１の運転者が運転中に注視する前方の視界に重ねて、上記図１にも示した周辺監視装置からの映像情報や注意喚起の情報、さらには、ナビゲーションシステムからの情報などを表示でき、いわゆる、仮想現実が実現できる。さらに、右折しようとした場合においても、走行の安全上問題となる歩行者の情報を周辺監視装置で認識した後、撮影した映像情報に注意喚起の情報を重ねて表示することによれば、安全運転のための有効な補助となる。
　また、進行方向の左から走行中の自動車１０２に対しては、安全上問題となれば上記図３の画像表示領域２において注意喚起の映像を断続的に表示するなど、運転者の安全認識強化に役立てることができる。
（２）複数の平面ディスプレイ（液晶表示パネル）を、虚像光学系の物面範囲内の所望な位置に配置することで、得られる虚像成立位置と倍率を、適宜、制御できる。
（３）さらに、それぞれの液晶表示パネルの向きを前記接眼光学系５ａの入射瞳方向に傾けることで、映像光の利用効率が向上でき明るい虚像を得ることができる。同様に、液晶表示パネルの配置する位置において、成立するそれぞれの虚像の収差と歪み補正に有利なように液晶表示パネルを傾けることで、設計の自由度を向上できる。
　その結果、上記図６示した虚像光学系よりも設計の自由度が増加し、解像性能と収差補正や歪み補正の自由度を向上すると共に、運転者の視点から見た場合の虚像を所望の位置に成立させることが可能となる。上記の図７には、一例として、３個の液晶表示パネル４ｂ、４ｃ、４ｄを並列にした例を記載しているが、これに限られず、例えば図８に示すように、接眼光学系５aの光軸方向に対応させてそれぞれを傾けて配置させ、または、図９に示すように、マトリックス状に平面ディスプレイを配置してもよく、さらには、上述した補正光学素子を挿入しても良いことは言うまでもない。この時、それぞれのパネルを虚像光学系の光軸に対して傾けることで歪み補正や収差補正の自由度を向上させることも、同様に、有効である。
　＜その他の実施形態＞
　図１０は、本発明の他の実施形態である情報表示装置における映像光源として液晶表示パネル４ａとバックライト1００を含めた構造の全体の概略を示した断面図である。固体光源である白色ＬＥＤ４６からの出射光を、ライトファネル４４によって、その発散角を小さくし、かつ、出射光の強度分布を均一化する。その後、光学素子４３により略平行光とし、偏光変換用のＰＢＳ４５において、単一の偏波に揃える。その後、反射面４１で反射させ、液晶表示パネル４ａに入射させる。この時、液晶表示パネル４ａによって得られる映像光束がコントラスト性能の優れたものとなるように、液晶表示パネル４への光束入射角度を制御するための光学素子１７を設ける。
　これによれば、液晶表示素子４ａの光入射面と出射面には偏光板が設けられ、コントラスト性能の優れた映像光束を得ることができる。さらに、液晶表示パネル４ａの出射面にはλ／４板４６を設け、出射光を円偏光とすることも可能である。その結果、運転者は、偏光サングラスを装着していても、良好な虚像を監視することができる。
　以上述べたように映像光源として偏光を用いる液晶表示パネル４ａを用いて明るい虚像の映像を得ようとすると、例えば上述の第一の実施形態に係る虚像光学系５を構成する接眼光学系５a（レンズ部の斜視拡大図を図１７に示す）を構成する自由曲面ミラー５６とシリンダーミラー５５の基材はプラスチック成形ミラーまたはガラスプレートを加熱しコンプレッションすることで反射面の形状精度を確保し表面には反射膜を成膜する。この時、明るい虚像を得るためには反射膜の反射率を高くする必要がある。
　この時、得られる虚像の明るさと色度の一様性を確保するためには、(1)可視光領域（３８０ｎｍ～７８０ｎｍ）での分光反射率が高く、(2)一様な反射率特性である、ことが重要となる。図１２に一般的な金属の分光反射特性を示す。金属としては上記２つの用件を満足するものとして、銀が最も優れている。
　しかしながら耐久性（化合物化して反射率が大きく低下）と価格に課題が有ったため、改良が加えられ現在では耐久性に優れた銀合金の反射膜が実用化されている。
　銀または銀合金の反射膜のもう１つの優れた特性としては、図１１や図１２に示したように、この銀または銀合金を基材に成膜して得られた反射膜の反射率は入射角度依存性が小さく、P波とS波による波長依存性も小さい。このため本実施形態の映像光源として液晶表示パネルを用いて特定の偏波を使用する場合にはS偏光を使用する。この結果、S偏光の反射率が高いため明るく良好な虚像が得られる。
　一方、反射膜のコストを抑えるためには近年、反射膜としてアルミニウムを使用し、この表面に光の干渉効果により反射率を向上させる増反射膜を設けることが盛んに行なわれている。図１３はアルミニウム反射膜の表面に単層の増反射膜を成膜した場合の分光反射率を示す。図１２に示したアルミニウムの反射率に比べ垂直入射（入射角度が０度）の場合には単層の増反射膜を設けることも可視領域での反射率を５％程度向上できるが、同時に反射率の入射角度依存性と波長依存性および偏波依存性（S偏波とP偏波で反射率が異なり、S偏波の反射率が高い）を持つ。
　さらに反射率を高めるために増反射膜の膜数を５層とした場合の特性を図１４に示す。図１３に示した単層の増反射膜の特性に対して垂直入射ではさらに３％程度反射率が向上するが、この反射率を維持する波長領域が狭帯域と成ることと入射角依存性がさらに大きくなるため、所望の反射特性を得て表示画面全領域で均一な明るさと一色再現性を得るためにはミラーへの光線入射角度を制御しながら設計する必要がある。
　以上述べたように、ミラーに成膜する反射膜は波長依存性、角度依存性、偏波に対する依存性が少ない銀または銀合金の反射膜とすると良い。
　一方、コストを低減するためには、アルミニウムの反射膜に増反射膜を設け、反射率を高める必要がある。この時、図１３および図１４に示したように、反射率には入射角度依存性と波長依存性があるため、ミラーへの映像光線入射角度は６０度以下であれば実用上問題なく、４０度以下であれば得られる虚像の全画面領域において均一な明るさと色度が実現できる。
　一方、図１０に示すように液晶表示パネル４ａの出射面にλ／４板４６を設け、出射光を円偏光とすることで偏波依存性（S偏波とP偏波で反射率が異なり、S偏波の反射率が高い）を低減しても良い。
　さらに、虚像光学系５に最も近接した位置に、紫外線反射膜や紫外線反射膜と赤外線反射膜を合わせた光学部材４７を設けることによれば、外光（太陽光）が入射しても、液晶表示パネルおよび偏光板をその温度上昇やダメージから軽減できるので、情報表示装置の信頼性を損なうことがないという効果が得られる。
　＜その他＞
　以上、本発明の各実施形態の情報表示装置の主要な構成について詳述したが、さらに、以下には、それらを纏めて述べると共に、その他の構成についての詳細についても述べる。
　その内、まず、映像投写装置としては、ＴＦＴ方式のカラー液晶パネルやカラーフィルタを供えた単板ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｏｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）などの平面ディスプレイである。一方、映像源（中間像表示部）には、小型の液晶パネルやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）などの映像表示素子により映像信号に合わせて光の強度を変調し、この変調された光を投写手段によって中間像表示部に拡大投写する方法があり、その他に、光源光をＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）の微細ミラーでスキャンすることで前述の映像投写装置と同様の映像情報を得ることができる。このため、投写手段の最良像面やスキャンによって得られた映像面を中間像表示部の面形状と略一致させ、平面以外の、例えば、球面、非球面、自由曲面として、虚像光学系の設計自由度を大きくすることもできる。また、中間像表示部を複数設置して映像を分割表示しても良い（但し、図１および図５では、中間像表示部を１つとして表示）。
　また、虚像光学系は、従来技術において被投影部材とされていたフロントガラスの車両水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径の差も含めて最適設計を行い、フロントガラスと映像投写装置または中間像表示部の間には、フロントガラス側に凹面を向けた凹面ミラーを配置しており、これにより、映像投写装置または中間像表示部に拡大投写された映像を拡大し、フロントガラスにおいて反射する。この時、前述の凹面ミラーと映像投写装置または中間像表示部の間には、複数の光学素子が配置されており、他方、運転者の視点位置に対応して結像する前記映像の拡大像（虚像）を形成する映像光束は、映像投写装置または中間像表示部との間に配置された前記複数の光学素子を通過し、その際には、互いに分離した位置に配置された光学素子を通過する。そこで、それぞれの光束に対応して光学素子を分割して最適収差補正を行なうことで、運転者の複数の視点位置に対応した視認性の高い虚像を得ることが可能となる。
　また、上記図７にも示したように、小型の映像表示素子を複数台並べ映像投写装置を構成することで高解像度を安価に実現できる。さらに、上述した虚像光学系に対して複数の映像表示素子の配置場所を変えることで、運転者から見た場合の虚像の発生位置とその倍率とを制御することが可能となる。
　より具体的には本発明では、フロントガラス上部（車体垂直方向上部）に反射されて得られる虚像は、より遠方に結像する必要がある。このため、これに対応した映像が表示される映像投写装置および中間像表示部の上部から発散される映像光束を良好に結像させるために、前述の凹面ミラーと映像投写装置または中間像表示部の間に配置した複数の光学素子により、合成の焦点距離ｆ１を短くし、または、屈折率が１．０より大きい光学部材を挿入して光学距離Ｌ１を長くし、反対に、フロントガラス下部（車体垂直方向下部）に反射されて得られる虚像は、より近傍に結像させるため、合成焦点距離ｆ２を長くまたは光学距離Ｌ２を短く必要がある。言い換えると両者の関係は、ｆ１＜ｆ２となるように設定されると良い。本発明の目的を実現するためには、上述したように、映像投写装置および中間像表示部を幾つかに分割して必要な情報を表示しても良く、または、連続的な情報表示を行なうことも可能である。
　さらに、図１に示す本発明の一実施形態では、フロントガラス上部（車体垂直方向上部）に反射されて得られる虚像Ｖ３は、より遠方に結像する必要がある。このため、これに対応した映像が表示される映像投写装置または中間像表示部の上部から発散される映像光束を良好に結像させるために、前述の凹面ミラーと映像投写装置または中間像表示部の間に配置した複数の光学素子の合成焦点距離ｆ１は、短く、反対に、フロントガラス下部（車体垂直方向下部）に反射されて得られる虚像Ｖ１は、より近傍に結像する必要がある。このため、これに対応した映像が表示される映像投写装置または中間像表示部の下部から発散される映像光束を良好に結像させるため、前述の凹面ミラーと映像投写装置または中間像表示部の間に配置した複数の光学素子の合成焦点距離ｆ２は、相対的に長く設定されると良い。
　また、本発明の一実施形態では、フロントガラスの水平方向（地面に平行）曲率半径と垂直方向（フロントガラス水平方向に垂直な方向）の曲率半径が異なることで運転者が観視する虚像の画面歪みを補正するため虚像光学系に、光軸に対して軸対称性が異なる光学素子を配置することで、上述した歪みの補正を実現する。
　次に、本発明の一実施形態では、映像面をフラットパネルディスプレイとして構成する。具体的には、ＴＦＴ方式のカラー液晶パネルやカラーフィルタを供えた単板ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｏｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）などの平面ディスプレイである。表示画面サイズとしては、１インチから５インチ程度までが良く、映像光の有効利用を考慮すれば、３インチ程度までが好ましい。また、図７に示すように、小型の平面ディスプレイを複数用いて組み合わせることで所望の解像度を得ることも可能である。
　この場合、映像投写装置そのものが虚像光学系の映像源となるため、表示面が平面となるので、設計の自由度としては、虚像光学系の光軸に対して傾斜させるフロントガラスの傾斜を考慮して台形歪みの補正をするなどの自由度が存在する。さらに、複数の平面ディスプレイを用いた情報表示装置では、虚像光学系に対して小型の平面ディスプレイを配置する場所を変えることでも、同様に、上述した虚像の発生位置と倍率を制御できる。
　また、映像面と虚像光学系の間に運転者の視点位置に向かって映像光束が到達するように集光作用を有する光学素子を配置して、映像面からの出射光線が虚像光学系を通して運転者の眼に効率よく到達させる。また、ＴＦＴ方式のカラー液晶パネルやカラーフィルタを供えた単板ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｏｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）など、特定の偏光のみを用いる映像投写装置では、光源光を偏光変換して所望の偏波成分のみ取り出す光学素子を光源と映像投写装置の間に設けることで、光源光の有効活用が可能となる。さらに、光源光の発散角度を制御して、前述の映像投写装置からの出力光の内のコントラスト性能の高い角度成分のみを使用することにより、映像のコントラスト性能を高めることも可能となる。
　また、フロントガラスの反射面は、運転者の変更などによって運転者の視点位置が複数存在する場合には、フロントガラスの車体垂直方向の曲率半径および車体水平方向の曲率半径の中心位置と運転者の眼の位置とが異なり、そのため、虚像で得られる画像の歪がそれぞれに異なる。このため、例えば自動車の車内において運転者の視点位置を計測するため、カメラ等によって瞳の位置を測定し、予め虚像で発生する歪みを補正するように映像投写装置への表示画像を歪ませておくと良い。
　さらに、前述のフロントガラス反射面の形状と運転者の視点位置に起因して生じる表示する文字や図形の歪みは、文字や図形の縦横比を表示画像の位置によって変更することにより、運転者が観視する虚像の形状をより自然に（縦横比がより正しい比率に）表現することができる。
　以上の結果、本発明の一実施形態である情報表示装置によれば、運転者の複数の視点位置（異なる距離）に視認性の高い虚像を形成することができる。さらに、本発明の一実施形態である情報表示装置によれば、上述した特許文献１および特許文献２に示された技術に比較して、簡単な構成で実現でき、すなわち、装置構造の大型化や複雑化を可能な限り抑制できる。
　また、本発明の一実施形態である情報表示装置では、上記特許文献２に記載の技術に比べ、投写手段の焦点距離を個々の結像手段に合わせて高速で調整する必要が無く、安価で簡単な構成により、近距離（フロントガラスの下方に相当）や遠距離（フロントガラスの上方に相当）など、運転者の視線に適合する位置に、虚像を形成することができる。その結果、利用者にとっては使い勝手に優れた情報表示装置を提供することができる。
１…情報表示装置、１００…バックライト、２…液晶表示パネル、３…リレー光学系、４…中間像結像部（拡散板）、５ａ…接眼光学系（光学部品）、５…虚像光学系、６…被投影部材（フロントガラス）、７…虚像面、８…アイボックス、９…観察者の眼、１０…画像形成ユニット、１１…映像投写装置、１７…光学素子、２０…投写光学系、２１…光学素子、２２…光学素子、２３…光学素子、４１…反射面、４２…λ／２板、４３…光学素子、４４…ライトファネル、４５…ＰＢＳ、４６…固体光源、４７…紫外線および赤外線反射シート、４８…λ／４板、５１…光学素子（段差フィルタ）、５２…凸レンズ（第１光学素子）、５３…凹レンズ（第２光学素子）、５４…自由曲面レンズ、５５…シリンダーミラー（反射ミラー）、５６…自由曲面ミラー（反射ミラー、凹面ミラー）、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３…虚像。

Claims (16)

  1. 　乗り物のフロントガラスに虚像の映像情報を表示する情報表示装置であって、
    　前記映像情報を表示する液晶表示パネルと、
    　前記液晶表示パネルから出射された光を前記フロントガラスで反射させることで虚像を前記乗り物の前方に表示させる虚像光学系と、を備えており、
    　前記虚像光学系は、凹面ミラーと複数の光学素子を含んでおり、
    　前記凹面ミラーは、基材表面に可視光に対する分光反射率が高くて一様となる金属膜からなる反射面を有し、
    　前記複数の光学素子は、前記フロントガラスの上部から下部に向かって、運転者の視点位置に対応して複数の位置に前記複数の虚像を成立させるように、前記液晶表示パネルと前記凹面ミラーとの間において各虚像を成立させる映像光束が分離されるように配置された、情報表示装置。
  2. 　請求項１に記載の情報表示装置において、
    　前記虚像光学系は、正の屈折力を持つ第１光学素子と、負の屈折力を持つ第２光学素子と、を備えており、
    　前記第１光学素子と前記第２光学素子とが、前記液晶表示パネル側から前記凹面ミラーに向け、前記第１光学素子と前記第２光学素子の順に並べて独立して配置されている、情報表示装置。
  3. 　請求項１に記載の情報表示装置において、
    　前記虚像光学系は、運転者の視点位置に対応して複数の位置に成立する虚像を形成するため、前記液晶表示パネル上に複数の映像を分割して表示する、情報表示装置。
  4. 　請求項１に記載の情報表示装置において、
    　さらに、前記乗り物の運転者の瞳の位置を検出する手段を備えている、情報表示装置。
  5. 　請求項１に記載の情報表示装置において、
    　前記凹面ミラーは、プラスチック製の基板に成膜された銀または銀合金の反射膜を有する、情報表示装置。
  6. 　請求項１に記載の情報表示装置において、
    　前記凹面ミラーは、プラスチック製の基板に成膜されたアルミニウムの反射膜と、前記反射膜の空気側界面に増反射膜と、を有する、情報表示装置。
  7. 　請求項１に記載の情報表示装置において、
    　前記凹面ミラーは、ガラス製の基板に成膜された銀または銀合金の反射膜を有する、情報表示装置。
  8. 　請求項１に記載の情報表示装置において、
    　前記凹面ミラーは、ガラス製の基板に成膜されたアルミニウムの反射膜と、前記反射膜の空気側界面に成膜された増反射膜と、を有する、情報表示装置。
  9. 　請求項１に記載の情報表示装置において、
    　前記虚像光学系は、さらに、シリンダーミラーを含んでおり、
    　前記シリンダーミラーは、プラスチック製の基板に成膜された銀または銀合金の反射膜を有する、情報表示装置。
  10. 　請求項１に記載の情報表示装置において、
    　前記虚像光学系は、さらに、シリンダーミラーを含んでおり、
    　前記シリンダーミラーは、ガラス製の基板に成膜された銀または銀合金の反射膜を有する、情報表示装置。
  11. 　請求項１に記載の情報表示装置において、
    　前記虚像光学系は、さらに、シリンダーミラーを含んでおり、
    　前記シリンダーミラーは、プラスチック製の基板に成膜されたアルミニウムの反射膜と、前記反射膜の空気側界面に成膜された増反射膜と、を有する、情報表示装置。
  12. 　請求項１に記載の情報表示装置において、
    　前記虚像光学系は、さらに、シリンダーミラーを含んでおり、
    　前記シリンダーミラーは、ガラス製の基板に成膜されたアルミニウムの反射膜と、前記反射膜の空気側界面に成膜された増反射膜と、を有する、情報表示装置。
  13. 　請求項１に記載の情報表示装置において、
    　前記虚像光学系は、さらに、シリンダーミラーを含んでおり、
    　前記シリンダーミラーは、プラスチック製の基板に成膜されたアルミニウムの反射膜と、前記反射膜の空気側界面に成膜された増反射膜と、を有する、情報表示装置。
  14. 　請求項１に記載の情報表示装置において、
    　前記液晶表示パネルは、固体光源と、前記固体光源からの発散光の発散角を小さくする光学素子と、前記光学素子により発散角を小さくした発散光を偏光変換する光学部材と、所望の偏光方向の光を前記液晶表示パネルに入射する照明光源部と、からなる光源を備えている、情報表示装置。
  15. 　請求項１に記載の情報表示装置において、
    　前記液晶表示パネルの前記虚像光学系側に、λ／４板が設けられた、情報表示装置。
  16. 　請求項１に記載した情報表示装置において、
    　前記液晶表示パネルの前記虚像光学系側に、紫外線、または、赤外線、または、紫外線と赤外線とを反射する光学部材を備えている、情報表示装置。
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