(57)【要約】【課題】  外光による悪影響を適切に抑制する表示装置を提供する。【解決手段】  画像光を出射するスクリーン１５と、画像光を反射面３０Ｓで反射して像を結像させる自由曲面ミラー３０と、画像形成部１５および自由曲面ミラー３０を収納するとともに、結像光学系３０により反射された画像光を透過させる開口Ｈが形成された筐体９０と、を備えた表示装置１００であって、開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される反射面３０Ｓの投影面積が小さくなるように、反射面３０Ｓの傾きを変化させる表示装置１００である。【選択図】図１２
2020076941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光を出射する画像形成部と、
前記画像光を反射面で反射して像を結像させる結像光学系と、
前記画像形成部および前記結像光学系を収納するとともに、前記結像光学系により反射された前記画像光を透過させる透過領域が形成された筐体と、を備えた表示装置であって、
前記透過領域を介して前記筐体の外部に投影される前記反射面の投影面積が小さくなるように、前記反射面の傾きを変化させる表示装置。
【請求項２】
前記画像形成部と前記結像光学系の間の光路中に光学系をさらに備え、
前記反射面の前記投影面積が小さくなるように、前記反射面の傾きを変化させた場合、前記透過領域を介して前記筐体の外部から入射して前記反射面により反射される外光のうち、前記光学系に放射される面積が小さくなる請求項１記載の表示装置。
【請求項３】
前記光学系は、前記画像形成部から出射された前記画像光を前記結像光学系に向けて反射する反射光学系であり、
前記反射面の前記投影面積が小さくなるように、前記反射面の傾きを変化させた場合、前記透過領域を介して前記筐体の外部から入射して前記反射面により反射される外光を、前記反射光学系が反射する面積が小さくなる請求項２記載の表示装置。
【請求項４】
前記反射光学系は波長選択性素子を含む請求項２または３記載の表示装置。
【請求項５】
前記透過領域を介して前記筐体の外部から入射して前記反射面により反射される外光を遮光する遮光部を、前記画像光の光路を遮らない位置に備えた請求項１〜４の何れか記載の表示装置。
【請求項６】
前記画像形成部は前記画像光を発散して出射する請求項１〜５の何れか記載の表示装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか記載の表示装置と、
前記結像光学系により反射された前記画像光を反射する反射部材と、を備え、
前記結像光学系は、前記画像光を反射部材に向けて投射して虚像を結像させる表示システム。
【請求項８】
請求項７記載の表示システムを有し、
前記反射部材はフロントガラスである移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置、表示システムおよび移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両等の移動体において、少ない視線移動で運転者（観察者）に各種情報（車両情報、
警告情報、ナビゲーション情報等）を視認させるアプリケーションとして、ＨＵＤ（Ｈｅａｄ  Ｕｐ  Ｄｉｓｐｌａｙ）等の表示装置が利用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、太陽光がフロントウインドシールド２０を通り反射鏡５０の反射面５１に入射しても、反射面５１により液晶パネル１０の下方へ向け反射され、太陽光の液晶パネル１０への逆入射を阻止して太陽光の熱線による液晶パネル１０の損傷を防止する装置が記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、外光による悪影響を適切に抑制する表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１にかかる発明は、画像光を出射する画像形成部と、画像光を反射面で反射して像を結像させる結像光学系と、画像形成部および結像光学系を収納するとともに、結像光学系により反射された画像光を透過させる透過領域が形成された筐体と、を備えた表示装置であって、透過領域を介して筐体の外部に投影される反射面の投影面積が小さくなるように、反射面の傾きを変化させる表示装置である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、外光による悪影響を適切に抑制する表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る制御装置の機能構成の一例を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る光源装置の具体的構成の一例を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。
【図７】マイクロレンズアレイにおいて、入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。
【図８】光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。
【図９】２次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。
【図１０】表示装置へ入射する外光について説明するための図である。
【図１１】第１の実施形態に係る表示装置の構成例を示す図である。
【図１２】自由曲面ミラー３０の反射面３０Ｓの投影面積を説明する図である。
【図１３】画像形成ユニットへの外光の照射光の放射束と画像形成部の上昇温度との関係を示すグラフである。
【図１４】結像光学系が備えるミラーの回転角度と画像形成ユニットへの外光の照射光の放射束との関係を示すグラフである。
【図１５】外光の遮蔽率と画像形成部の上昇温度との関係を示すグラフである。
【図１６】第２の実施形態に係る表示装置の構成例を示す図である。
【図１７】第３の実施形態に係る表示装置の構成例を示す図である。
【図１８】自由曲面ミラー３０の反射面３０Ｓの投影面積と、折り返しミラー８０との関係を説明する図である。
【図１９】画像形成ユニット上の外光による照度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【０００９】
●第１の実施形態●
●システム構成
図１は、第１の実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。表示システム１は、表示装置１００から投射される投射光ＰＬを、透過反射部材に投射させることによって観察者３に表示画像を視認させる。表示画像は、観察者３の視界に虚像４５として重畳して表示する画像である。表示システム１は、例えば、車両、航空機もしくは船舶等の移動体、または操縦シミュレーションシステムもしくはホームシアターシステム等の非移動体に備えられる。本実施形態は、表示システム１が、移動体の一例である自動車に備えられた場合について説明する。なお、表示システム１の使用形態は、これに限られるものではない。
【００１０】
表示システム１は、例えば、フロントガラス５０を介して車両の操縦に必要なナビゲーション情報（例えば車両の速度、進路情報、目的地までの距離、現在地名称、車両前方における物体（対象物）の有無や位置、制限速度等の標識、渋滞情報等の情報等）を、観察者３（操縦者）に視認させる。この場合、フロントガラス５０は、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材として機能する。観察者３の視点位置からフロントガラス５０までの距離は、数十ｃｍ〜１ｍ程度である。
【００１１】
表示システム１は、表示装置１００およびフロントガラス５０を備える。表示装置１００は、例えば、移動体の一例である自動車に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）である。表示装置１００は、自動車のインテリアデザインに準拠して任意の位置に配置される。表示装置１００は、例えば、自動車のダッシュボード２００の下方に配置されてもよく、ダッシュボード内に埋め込まれていてもよい。
【００１２】
表示装置１００は、画像形成ユニット１０、自由曲面ミラー３０および筐体９０を備える。画像形成ユニット１０は、光源装置１１、ユニット筐体１２、光偏向装置１３、ミラー１４およびスクリーン１５を備える。
【００１３】
光源の一例としての光源装置１１は、光源から出射されたレーザ光を、装置外部へ照射するデバイスである。光源装置１１は、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のレーザ光を合成したレーザ光を照射してもよい。光源装置１１から出射されたレーザ光は、光偏向装置１３の反射面に導かれる。光源装置１１は、光源として、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を有する。なお、光源は、これに限られず、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を有してもよい。
【００１４】
光偏向部の一例としての光偏向装置１３は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）等を利用してレーザ光の進行方向を変化させるデバイスである。光偏向装置１３は、例えば、直交する２軸に対して揺動する単一の微小なＭＥＭＳミラー、または１軸に対して揺動もしくは回転する２つのＭＥＭＳミラーからなるミラー系等の走査手段を利用して構成される。光偏向装置１３から出射したレーザ光は、ミラー１４に対して走査される。なお、光偏向装置１３は、ＭＥＭＳミラーに限られず、ポリゴンミラー等を用いて構成されてもよい。
【００１５】
ミラー１４は、一例として凹面ミラーであり、光偏向装置１３から出射されてミラー１４の反射面を走査されるレーザ光を、スクリーン１５に向かって反射する。
【００１６】
画像形成部としてのスクリーン１５は、ミラー１４の反射面で反射されたレーザ光がスクリーン１５上に走査されることによって、スクリーン１５上に二次元画像（中間像）である画像光を形成する。そしてスクリーン１５は、走査されたレーザ光を所定の発散角で発散させる機能を有する発散部材である。スクリーン１５は、例えば、ＥＰＥ（Ｅｘｉｔ  Ｐｕｐｉｌ  Ｅｘｐａｎｄｅｒ）の形態として、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）または拡散板等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子によって構成される。なお、スクリーン１５は、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の光学素子によって構成されてもよい。
【００１７】
光源装置１１、光偏向装置１３、ミラー１４およびスクリーン１５はユニット筐体１２に保持され、画像形成ユニット１０の一部として機能する。なおスクリーン１５は、スクリーン１５によって発散された発散光を、画像形成ユニット１０の外部に出射できるように、ユニット筐体１２に全て覆われることなく、ユニット筐体１２にその一部を保持されている。なおユニット筐体１２は、一つの立体物であってもよいし、複数の部材を組み合わせた構造であってもよい。複数の部材を組み合わせた構造の一例として、光源装置１１、光偏向装置１３、ミラー１４とその間の光路全体を覆う大きさの立体物と、スクリーン１５を保持するホルダ等とを複数の部材として組み合わせて、ユニット筐体１２とすることができる。
【００１８】
スクリーン１５から出射された発散光であるレーザ光（光束）によって、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０に投射された虚像４５は、スクリーン１５上に形成された中間像から拡大されて表示される。自由曲面ミラー３０は、フロントガラス５０の湾曲形状による画像の傾き、歪、位置ずれ等を相殺するように設計および配置されている。自由曲面ミラー３０は、回転軸３０１を中心として回転可能である。回転軸３０１は、一例として自由曲面ミラー３０の重心を通り、図１紙面垂直方向に平行な直線を軸として回転させることで、図１紙面上下方向の虚像４５の表示位置を変更できる。これにより、自由曲面ミラー３０は、スクリーン１５から出射したレーザ光（光束）の反射方向を調整し、観察者３の目の位置に合わせて虚像４５の表示位置を変更させることができる。
【００１９】
結像光学系の一例としての自由曲面ミラー３０は、スクリーン１５から出射された発散光によって虚像を結像するために、発散光を反射して投射光ＰＬを投射する。したがって自由曲面ミラー３０は虚像４５の結像位置が所望の位置になるように、また一定の集光パワーを有するように、一例として既存の光学設計シミュレーションソフトを用いて、設計されている。表示装置１００は、虚像４５が観察者３の視点位置から例えば１ｍ以上かつ３０ｍ以下（好ましくは１０ｍ以下）の位置（観察者３から見て奥行位置）に表示されるように、自由曲面ミラー３０の集光パワーが設定される。
【００２０】
なお、結像光学系は、集光機能を有する集光素子を一つ以上含む光学系であればよい。集光機能を有する集光素子としては自由曲面ミラー３０のような自由曲面ミラーに限られず、凹面ミラー、曲面ミラー、フレネル反射素子等であってもよい。また、集光素子は、高反射率のアルミや銀などの金属薄膜を蒸着やスパッタリングなどで形成されている。これにより、集光素子に入射した光の投射光ＰＬとしての利用効率を最大限に上げることができ、輝度の高い虚像が得られる。
【００２１】
自由曲面ミラー３０で反射された投射光ＰＬは、筐体９０に設けられた開口から表示装置１００の外部に投射され、フロントガラス５０に入射される。図１に示されるように筐体９０のうち、開口周辺部９０１によって筐体９０には開口Ｈが設けられている。開口Ｈは、筐体９０の内部と外部の間で光を透過させる透過領域の一例であり、筐体９０の外周面のうち、開口Ｈを除く部分は、筐体９０の内部と外部の間で光を遮蔽する。開口周辺部９０１は、筐体９０のうち、開口Ｈの周囲部分である。開口周辺部９０１が設けられる位置、大きさによって開口Ｈの位置、大きさが定まる。そして筐体９０内に開口Ｈから外部の異物が進入することを防止するために、開口Ｈを塞ぐように防塵窓４０が設けられている。防塵窓４０は、特に投射光ＰＬを透過する材料で形成されることが好ましい。
【００２２】
反射部材の一例としてのフロントガラス５０は、レーザ光（光束）の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる機能（部分反射機能）を有する透過反射部材である。フロントガラス５０は、観察者３に前方の景色および虚像４５を視認させる半透過鏡として機能する。虚像４５は、例えば、車両情報（速度、走行距離等）、ナビゲーション情報（経路案内、交通情報等）、警告情報（衝突警報等）等を観察者３に視認させるための画像情報である。なお、透過反射部材は、フロントガラス５０とは別途設けられたフロントウインドシールド等であってもよい。
【００２３】
虚像４５は、フロントガラス５０の前方の景色と重畳するように表示されてもよい。また、フロントガラス５０は、平面でなく、湾曲している。そのため、虚像４５の結像位置は、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の曲面によって決定される。なお、フロントガラス５０は、部分反射機能を有する個別の透過反射部材としての半透過鏡（コンバイナ）を利用してもよい。
【００２４】
ここで筐体９０の開口周辺部９０１による開口Ｈは、少なくとも観察者３のアイリプス領域への虚像４５の投影に必要な画角分を確保できる大きさを備える。そして自由曲面ミラー３０は、フロントガラス５０で発生する光学歪を低減するように面形状が設計されている。自由曲面ミラー３０に入射した光線は、自由曲面ミラー３０の面形状に従って自由曲面ミラー３０によって反射される。反射された光束はその後、フロントガラス５０に入射し、少なくともアイリプス中心（基準アイポイント）を含む少なくともアイリプス領域内の一点の視点に到達する。フロントガラス５０に入射した光束は、フロントガラス５０の面形状に応じて反射される。
【００２５】
このような構成により、スクリーン１５から出射されたレーザ光（光束）は、自由曲面ミラー３０に向けて投射される。自由曲面ミラー３０によって集光された投射光は、筐体９０の開口を通過してフロントガラス５０に向けて投射され、フロントガラス５０によって反射される。観察者３は、フロントガラス５０で反射された光によって、スクリーン１５に形成された中間像が拡大された虚像４５を視認することができるようになる。
【００２６】
なお、表示装置１００の投射方式は、液晶パネル、ＤＭＤパネル（デジタルミラーデバイスパネル）または蛍光表示管（ＶＦＤ）等イメージングデバイスで中間像を形成する「パネル方式」と、光源装置１１から出射されたレーザ光を走査手段で走査して中間像を形成する「レーザ走査方式」がある。
【００２７】
第１の実施形態に係る表示装置１００は、後者の「レーザ走査方式」を採用する。「レーザ走査方式」は、各画素に対して発光または非発光を割り当てることができるため、一般に高コントラストの画像を形成することができる。なお、表示装置１００は、投射方式として「パネル方式」を用いてもよく、いずれの方式であっても実像が形成される面であるスクリーンの一部及び全体が樹脂部材である場合に本発明は特に好適である。
【００２８】
●ハードウエア構成
図２は、第１の実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。なお、図２に示すハードウエア構成は、各実施形態において同様の構成を備えていてもよく、必要に応じて構成要素が追加または削除されてもよい。
【００２９】
表示装置１００は、表示装置１００の動作を制御するための制御装置１７を有する。制御装置１７は、表示装置１００の内部に実装された基板またＩＣチップ等のコントローラである。制御装置１７は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）１００１、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）１００２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）１００３、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）１００４、Ｉ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１００５、バスライン１００６、ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０およびモータドライバ１０１２を含む。
【００３０】
ＦＰＧＡ１００１は、表示装置１００の設計者による設定変更が可能な集積回路である。ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０、およびモータドライバ１０１２は、ＦＰＧＡ１００１からの制御信号に応じて駆動信号を生成する。ＣＰＵ１００２は、表示装置１００全体を制御するための処理を行う集積回路である。ＲＯＭ１００３は、ＣＰＵ１００２を制御するプログラムを記憶する記憶装置である。ＲＡＭ１００４は、ＣＰＵ１００２のワークエリアとして機能する記憶装置である。Ｉ／Ｆ１００５は、外部装置と通信するためのインターフェースである。Ｉ／Ｆ１００５は、例えば自動車のＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）等に接続される。
【００３１】
ＬＤ１００７は、例えば、光源装置１１の一部を構成する半導体発光素子である。ＬＤドライバ１００８は、ＬＤ１００７を駆動する駆動信号を生成する回路である。ＭＥＭＳ１００９は、光偏向装置１３の一部を構成し、走査ミラーを変位させるデバイスである。ＭＥＭＳコントローラ１０１０は、ＭＥＭＳ１００９を駆動する駆動信号を生成する回路である。モータ１０１１は、自由曲面ミラー３０の回転軸３０１を回転させる電動機である。モータドライバ１０１２は、モータ１０１１を駆動する駆動信号を生成する回路である。
【００３２】
●機能構成
図３は、第１の実施形態に係る表示装置の機能構成の一例を示す図である。表示装置１００により実現される機能は、車両情報受信部１７１、外部情報受信部１７２、画像生成部１７３および画像表示部１７４を含む。
【００３３】
車両情報受信部１７１は、ＣＡＮ等から自動車の情報（速度、走行距離等の情報）を受信する機能である。車両情報受信部１７１は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。
【００３４】
外部情報受信部１７２は、外部ネットワークから自動車外部の情報（ＧＰＳからの位置情報、ナビゲーションシステムからの経路情報または交通情報等）を受信する機能である。外部情報受信部１７２は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。
【００３５】
画像生成部１７３は、車両情報受信部１７１および外部情報受信部１７２により入力された情報に基づいて、中間像および虚像４５を表示させるための画像情報を生成する機能である。画像生成部１７３は、図２に示したＣＰＵ１００２の処理、およびＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。
【００３６】
画像表示部１７４は、画像生成部１７３により生成された表示情報に基づいて、スクリーン１５に中間像を形成し、中間像を構成したレーザ光（光束）をフロントガラス５０に向けて投射して虚像４５を表示させる機能である。画像表示部１７４は、図２に示したＣＰＵ１００２、ＦＰＧＡ１００１、ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０およびモータドライバ１０１２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。
【００３７】
画像表示部１７４は、制御部１７５、中間像形成部１７６および投影部１７７を含む。制御部１７５は、中間像を形成するために、光源装置１１および光偏向装置１３の動作を制御する制御信号を生成する。また、制御部１７５は、虚像４５を所定の位置に表示させるために、自由曲面ミラー３０の動作を制御する制御信号を生成する。
【００３８】
中間像形成部１７６は、制御部１７５によって生成された制御信号に基づいて、スクリーン１５に中間像を形成する。投影部１７７は、観察者３に視認させる虚像４５を形成するために、中間像を構成したレーザ光を、透過反射部材（フロントガラス５０等）に投射させる。
【００３９】
●光源装置
図４は、第１の実施形態に係る光源装置の具体的構成に一例を示す図である。光源装置１１は、光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂ（以下、区別する必要のないときは、光源素子１１１とする。）、カップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ、アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂ、合成素子１１４，１１５，１１６、およびレンズ１１７を含む。
【００４０】
３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂは、例えば、それぞれ単数または複数の発光点を有するＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）である。光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂは、互いに異なる波長λＲ，λＧ，λＢ（例えばλＲ＝６４０ｎｍ，λＧ＝５３０ｎｍ，λＢ＝４４５ｎｍ）のレーザ光（光束）を放射する。
【００４１】
放射された各レーザ光（光束）は、それぞれカップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂによりカップリングされる。カップリングされた各レーザ（光束）は、それぞれアパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂにより整形される。アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂは、レーザ光（光束）の発散角等の所定の条件に応じた形状（例えば円形、楕円形、長方形、正方形等）を有する。
【００４２】
アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂにより整形された各レーザ光（光束）は、３つの合成素子１１４，１１５，１１６により合成される。合成素子１１４，１１５，１１６は、プレート状またはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じてレーザ光（光束）を反射または透過し、１つの光束に合成する。合成された光束は、レンズ１１７を通り、光偏向装置１３に導かれる。
【００４３】
●光偏向装置
図５は、第１の実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。光偏向装置１３は、半導体プロセスにより製造されるＭＥＭＳミラーであり、ミラー１３０、蛇行状梁部１３２、枠部材１３４、および圧電部材１３６を含む。光偏向装置１３は、走査部の一例である。
【００４４】
ミラー１３０は、光源装置１１から出射されたレーザ光をスクリーン１５側に反射する反射面を有する。光偏向装置１３は、ミラー１３０を挟んで一対の蛇行状梁部１３２を形成する。蛇行状梁部１３２は、複数の折り返し部を有する。折り返し部は、交互に配置される第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとから構成されている。蛇行状梁部１３２は、枠部材１３４に支持されている。圧電部材１３６は、隣接する第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとを接続するように配置されている。圧電部材１３６は、第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとに異なる電圧を印加し、梁部１３２ａ，１３２ｂのそれぞれに反りを発生させる。
【００４５】
これにより、隣接する梁部１３２ａ，１３２ｂは、異なる方向に撓む。ミラー１３０は、撓みが累積されることによって、左右方向の軸を中心として垂直方向に回転する。このような構成により、光偏向装置１３は、垂直方向への光走査が低電圧で可能となる。上下方向の軸を中心とした水平方向の光走査は、ミラー１３０に接続されたトーションバー等を利用した共振により行われる。
【００４６】
●スクリーン
図６は、第１の実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。スクリーン１５は、光源装置１１の一部を構成するＬＤ１００７から出射されたレーザ光を結像させる。また、スクリーン１５は、所定の発散角で発散させる発散部材である。図６に示すスクリーン１５は、六角形形状を有する複数のマイクロレンズ１５０が隙間なく配列されたマイクロレンズアレイ構造を有している。マイクロレンズ１５０の幅（対向する２辺間の距離）は、一例として５０μｍ〜３００μｍの範囲で最適化され、本実施形態では２００μｍ程度である。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の形状を六角形とすることにより、複数のマイクロレンズ１５０を高密度で配列することができる。
【００４７】
なお、マイクロレンズ１５０の形状は、六角形に限られるものではなく、例えば四角形、三角形等であってもよい。また、複数のマイクロレンズ１５０が規則正しく配列された構造を例示しているが、マイクロレンズ１５０の配列は、これに限られるものではなく、例えば、各マイクロレンズ１５０の中心を互いに偏心させ、不規則な配列としてもよい。このように偏心させた配列を採用する場合、各マイクロレンズ１５０は、互いに異なる形状となる。
【００４８】
また頂点の光軸方向の高さを変化させてもよい。配列方向の偏心や光軸方向のシフトをランダムに設定することで、隣接するマイクロレンズの境界を通過したレーザ光の干渉によって生じるスペックルや周期的な配列によるモアレなどを低減することができる。
【００４９】
スクリーン１５に到達したレーザ光は、マイクロレンズ１５０の中を走査され、走査中にレーザ光がオンオフされることにより複数ドットが打たれ、例えばオンオフ光の組み合わせによって階調表示が可能である。あるいは、レーザ光の強度自体を変調させて階調表示をおこなってもよい。
【００５０】
図７は、マイクロレンズアレイにおいて、入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。図７（ａ）において、スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０が整列して配置された光学板１５１によって構成される。光学板１５１上に入射光１５２を走査される場合、入射光１５２は、マイクロレンズ１５０により発散され、発散光１５３となる。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の構造により、入射光１５２を所望の発散角１５４で発散させることができる。マイクロレンズ１５０の周期１５５は、入射光１５２の径１５６ａよりも大きくなるように設計される。これにより、スクリーン１５は、レンズ間での干渉が起こさずに、スペックル（スペックルノイズ）を生じさせない。
【００５１】
図７（ｂ）は、入射光１５２の径１５６ｂが、マイクロレンズ１５０の周期１５５の２倍大きい場合の発散光の光路を示す。入射光１５２は、二つのマイクロレンズ１５０ａ、１５０ｂに入射し、それぞれ発散光１５７、１５８を生じさせる。このとき、領域１５９において、二つの発散光が存在するため、光の干渉を生じうる。この干渉光が観察者の目に入った場合、スペックルとして視認される。
【００５２】
以上を考慮して、スペックルを低減するため、マイクロレンズ１５０の周期１５５は、入射光の径１５６よりも大きく設計される。なお、図７は、凸面レンズの形態で説明したが、凹面レンズの形態においても同様の効果があるものとする。
【００５３】
以上図６、図７を用いて説明したように画像形成部の一例であるスクリーン１５は、走査されたレーザ光を一定の角度で発散させる機能を有しており、この機能により観察者３がアイボックスの範囲で画像が認識できる、つまり観察者３が運転席に着座した状態である程度の目の位置が変わっても視認される範囲を持つことができる。
【００５４】
したがってマイクロレンズ１５０を搭載したスクリーン１５はマイクロレンズ１５０の形状については、光を適切に発散させるための一定の精度が求められる。さらに量産性に富むものが好ましい。そのためスクリーン１５は、一例として樹脂材料の成型加工により形成される。マイクロレンズ１５０に求められる光学的物性を満たす樹脂の具体例としては、メタアクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリカーボネート、環状ポリオレフィン樹脂などが挙げられるがこれらに限られない。
【００５５】
図８は、光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。光源装置１１の各光源素子は、ＦＰＧＡ１００１によって発光強度や点灯タイミング、光波形が制御される。光源装置１１の各光源素子は、ＬＤドライバ１００８によって駆動され、レーザ光を出射する。各光源素子から出射され光路合成されたレーザ光は、図８に示すように、光偏向装置１３のミラー１３０によってα軸周り、β軸周りに二次元的に偏向され、ミラー１３０を介して走査光としてスクリーン１５に照射される。すなわち、スクリーン１５は、光偏向装置１３による主走査および副走査によって二次元走査される。
【００５６】
走査範囲は、光偏向装置１３によって走査しうる全範囲である。走査光は、スクリーン１５の走査範囲を、２〜４万Ｈｚ程度の速い周波数で主走査方向（Ｘ軸方向）に振動走査（往復走査）しつつ、数十Ｈｚ程度の遅い周波数で副走査方向（Ｙ軸方向）に片道走査する。すなわち、光偏向装置１３は、スクリーン１５に対してラスタースキャンを行う。この場合、表示装置１００は、走査位置（走査光の位置）に応じて各光源素子の発光制御を行うことで、画素ごとの描画または虚像の表示を行うことができる。
【００５７】
一画面を描画する時間、すなわち１フレーム分の走査時間（二次元走査の１周期）は、上記のように副走査周期が数十Ｈｚであることから、数十ｍｓｅｃとなる。例えば、主走査周期を２００００Ｈｚ、副走査周期を５０Ｈｚとした場合、１フレーム分の走査時間は、２０ｍｓｅｃとなる。
【００５８】
図９は、二次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。スクリーン１５は、図９に示すように、中間像が描画される（画像データに応じて変調された光が照射される）画像領域１５Ｒ１（有効走査領域）と、非画像領域１５Ｒ２を含む。非画像領域１５Ｒ２は、画像領域１５Ｒ１を取り囲むフレーム状の領域である。画像領域１５Ｒ１の中心がＣと示されている。
【００５９】
走査範囲は、スクリーン１５における画像領域１５Ｒ１と非画像領域１５Ｒ２の一部（画像領域１５Ｒ１の外縁近傍の部分）を併せた範囲とする。図９において、走査範囲における走査線の軌跡は、ジグザグ線によって示される。図９において、走査線の本数は、説明の便宜上、実際よりも少ない本数を示している。
【００６０】
さらに、スクリーン１５は、走査範囲における画像領域１５Ｒ１の周辺領域（非画像領域１５Ｒ２の一部）に、受光素子を含む同期検知領域１５Ｒ３を含む。図９において、同期検知領域１５Ｒ３は、画像領域１５Ｒ１の−Ｘ側かつ＋Ｙ側の隅部に設定される。一例としてユニット筐体１２の、同期検知領域１５Ｒ３に入射する走査光を検知する位置に配置された光検出器１２１によって検知された信号がＦＰＧＡ１００１に出力される。ＦＰＧＡ１００１は、信号を受信したタイミングによって光偏向装置１３の動作を検出し、その結果、走査開始タイミングや走査終了タイミングを決定できる。
【００６１】
スクリーン１５は、上述のように、マイクロレンズアレイ等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子で構成されているがこれに限られない。つまり装置レイアウトに応じて、例えば、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の素子とすることもできる。また、スクリーン１５は、光拡散効果を持たない平板または曲板であってもよい。
【００６２】
図９に示される例においては、スクリーン１５の中心と、中間像が描画される（画像データに応じて変調された光が照射される）画像領域１５Ｒ１（有効走査領域）の中心Ｃとが略一致する。この場合、画像領域１５Ｒ１の中心Ｃはスクリーン１５の中心とほぼ一致するということもできる。
【００６３】
スクリーン１５、画像領域１５Ｒ１の形状は図９に示されるものに限られない。例えば図９においてはスクリーン１５と画像領域１５Ｒ１とは略相似で、かつ互いの中心がほぼ一致しているがこれに限られず、略相似であっても互いの中心がずれて、つまり一致していなくてもよい。さらに、スクリーン１５と画像領域１５Ｒ１とは相似でなくてもよい。つまり例えばスクリーン１５が平面の長方形であるときに、画像領域１５Ｒ１は平面の長方形である必要はなく、曲面であったり、スクリーン１５の長方形とは異なる矩形や多角形であったりしてもよい。
【００６４】
なお画像領域１５Ｒ１の形状は、一例として図１で示したユニット筐体１２のスクリーン１５を保持する部分の形状で定めることが可能である。つまり、ユニット筐体１２またはユニット筐体１２の一部であるスクリーン１５の保持部によって、非画像領域１５Ｒ２を覆うようにスクリーン１５が保持されれば、保持されている部分は光がユニット筐体１２で遮られて自由曲面ミラー３０に照射されないため、画像領域１５Ｒ１の中間像の発散光のみ自由曲面ミラー３０に照射される。このように画像領域１５Ｒ１の形状を規定することにより、所望の形状の虚像４５が形成される。
【００６５】
図１０は、表示装置１００に入射する外光について説明する図である。
【００６６】
表示装置１００は自動車などの移動体に搭載されるため、外光にさらされた状態で使用される場合が多い。また表示装置１００は、移動体において観察者３の視界である外部の景色と重畳された虚像４５を表示するため、観察者３が外部の景色を見る位置、自動車であればフロントガラス５０の近くに配置される場合が多い。
【００６７】
したがって、図１０に示されるように、フロントガラス５０を通過した太陽光ＳＬは、防塵窓４０を通過して表示装置１００に入射する。そして、表示装置１００外部から入射する光である外光のうち自由曲面ミラー３０に入射した平行光束Ｌは、自由曲面ミラー３０によって集光され、図１で説明した投射光ＰＬと同じ光路を逆向きに進んで、１点鎖線で示されるようにスクリーン１５に到達する。
【００６８】
前述したように輝度の高い虚像４５を得るために、スクリーン１５で発散され自由曲面ミラー３０を経由して表示装置１００から投射される投射光ＰＬは、強度が高いことが望まれる。そのため、反射型の集光素子である自由曲面ミラー３０には、特に投射光ＰＬに含まれる可視光について高反射率を有するアルミや銀などの金属薄膜が蒸着やスパッタリングなどで形成されている。
【００６９】
また例えばスクリーン１５と自由曲面ミラー３０の間の光路上にさらに折り返しミラー等を備えている場合なども、その折り返しミラーも少なくとも可視光について高反射率になるように形成されている。その結果、自由曲面ミラー３０や折り返しミラー等は、投射光ＰＬには含まれない波長分布を持つ太陽光などの外光（３００ｎｍの紫外光域から８００ｎｍを超え２５００ｎｍに至る近赤外光域）についても、高い反射率を持つ場合がある。
【００７０】
つまり表示装置１００の投射光ＰＬの光路上の光学系はなるべく光を減衰しないように設計されている。したがってその光路を逆に進み自由曲面ミラー３０を経由した外光の光束Ｌは、途中の光学部材による減衰が少ないため太陽光などの強い外光の強度を有している。その結果表示装置１００内部において外光による放射熱による悪影響が発生する可能性がある。特にスクリーン１５に到達する光束は、自由曲面ミラー３０の集光機能により、自由曲面ミラー３０に入射した光束Ｌの幅よりも狭くなっている。つまりスクリーン１５には、高い放射照度の光が照射されるためスクリーン１５に高い放射熱が発生する。その結果、スクリーン１５の耐熱性によってはスクリーン１５の機能に悪影響が生じ、最終的に表示装置１００の表示画像に不具合が生じる可能性もある。以下、このような表示装置１００内部に入射した外光による不具合を抑制するため構成を説明する。
【００７１】
図１１は、第１の実施形態に係る表示装置１００の構成例である。
【００７２】
図１１は、外光ＳＬが画像形成ユニット１０に照射されている状態を示している。自由曲面ミラー３０が異なる二つの位置Ｐａ、位置Ｐｂにある場合それぞれについて、画像形成ユニット１０に照射される外光が示される。より具体的には、図１１において自由曲面ミラー３０が位置Ｐａにあるときに画像形成ユニット１０に照射される外光の到達範囲がＡ１ａ、自由曲面ミラー３０が位置Ｐｂにあるときの到達範囲がＡ１ｂである。
【００７３】
まず位置Ｐａについて説明すると、位置Ｐａは、表示装置１００が虚像４５を形成する時に自由曲面ミラー３０が配置される位置である。自由曲面ミラー３０が位置Ｐａにあるとき、太陽光ＳＬの光束Ｌ１ａが自由曲面ミラー３０に入射する。そして入射した光束Ｌ１ａは、自由曲面ミラー３０によって集光され、図１１に１点鎖線で示されるようにスクリーン１５の到達範囲Ａ１ａに照射される。
【００７４】
第一の状態は虚像４５を形成する状態であるため、第一の状態においてはスクリーン１５と自由曲面ミラー３０は、スクリーン１５から発散された光が効率よく自由曲面ミラー３０に入射する位置に互いが配置されているため、その光路を逆に進む外光の照射範囲も、画像領域１５Ｒ１が照射範囲となる。したがって到達範囲Ａ１ａは画像領域１５Ｒ１と略一致する。図９の例の場合、自由曲面ミラー３０からの画像形成ユニット１０への外光の照射範囲の中心は、スクリーン１５の中心、そして画像領域１５Ｒ１の中心Ｃと略一致する。
【００７５】
なお第一の状態において自由曲面ミラー３０は、ある程度の回転可能角度−３°〜＋３°を有している。図１で説明したように観察者３の目の位置に合わせて虚像４５の表示位置を変更させるためである。したがって第一の状態において、外光の照射範囲と画像領域１５Ｒ１とは、そのずれが、第一の状態の回転可能角度の範囲内の回転によるずれの範囲内であれば略一致しているという。
【００７６】
次に位置Ｐｂについて説明する。表示装置１００は、車のエンジンを切るなど、虚像４５を使用しない状態になると、位置Ｐａの自由曲面ミラー３０を、第一の状態での回転可能角度を超えた角度回転させて、位置を位置Ｐａよりも、より傾斜した状態である位置Ｐｂに変更する。制御の一例としては、自由曲面ミラー３０が位置Ｐａのとき、つまり第一の状態のときに制御部１７５が車両情報受信部１７１から自動車の原動機を停止させる操作を受信すると、制御部１７５は自由曲面ミラー３０を位置Ｐｂに移動するよう制御する制御信号を生成する。
【００７７】
このように虚像４５を形成しないときの表示装置１００の状態を第二の状態という。第二の状態において外光の照射範囲は画像領域１５Ｒ１からずれている、つまり一致していない。したがって到達範囲Ａ１ｂは画像領域１５Ｒ１からずれている、つまり一致していない。図９の例の場合、自由曲面ミラー３０からの画像形成ユニット１０への外光の照射範囲の中心は、スクリーン１５の中心、そして画像領域１５Ｒ１の中心Ｃとずれている、つまり一致していない。
【００７８】
そして図１１に示されるように自由曲面ミラー３０に入射する外光は、光束Ｌ１ａのうち、光束Ｌ１ｂが筐体９０の開口周辺部９０１によって遮光される。したがって自由曲面ミラー３０から投射画像とは逆向きに伝播して画像形成ユニット１０に照射される照射光は、破線と図１１中破線の上側に位置する２点鎖線との間の、到範囲Ａ１ｂへ到達する光束である。
【００７９】
以上説明したように表示装置１００は結像光学系として、少なくとも一つのミラーである自由曲面ミラー３０を備え、第一の状態と第二の状態とで自由曲面ミラーの傾きが異なり、外光の自由曲面ミラー３０の反射面３０Ｓに放射される光束は、前記第一の状態の方がＬ１ａであるのに対し、第二の状態はＬ１ａから開口周辺部９０１で遮られるＬ１ｂ分少ないため、前記第一の状態の方が前記第二の状態よりも大きい。したがって第一の状態よりも第二の状態の方が表示装置１００に入射する外光の光束が少なく、表示装置１００内部の部材、例えば画像形成ユニット１０やスクリーン１５への外光の放射熱による悪影響が少ない。
【００８０】
ここで、自由曲面ミラー３０の反射面３０Ｓに放射される外光の光束が変化することは、開口Ｈを介して筐体９０の外部から見たときの自由曲面ミラー３０の反射面３０Ｓの面積が変化すること、すなわち、開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される自由曲面ミラー３０の反射面３０Ｓの投影面積が変化することに対応する。
【００８１】
よって、表示装置１００は、筐体９０の開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される反射面３０Ｓの投影面積が小さくなるように、反射面３０Ｓの傾きを変化させることにより、反射面３０Ｓに放射されて筐体９０内部に反射される外光の光束を小さくすることができる。これにより、筐体９０内部における外光の放射熱による悪影響を少なくできる。
【００８２】
図１２は、自由曲面ミラー３０の反射面３０Ｓの投影面積を説明する図である。
【００８３】
反射面３０Ｓの投影面積は、自由曲面ミラー３０のうちの反射面３０Ｓのみを平行な光で照らした場合にできる反射面３０Ｓのみの影の面積であり、通常は、反射面３０Ｓの正面方向に平行な光で照らした場合に最大となる。
【００８４】
ここで、開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される反射面３０Ｓの投影面積の最大値、すなわち、開口Ｈを介して筐体９０の外部から見たときの自由曲面ミラー３０の反射面３０Ｓの面積の最大値は、開口Ｈの面積、および開口Ｈと反射面３０Ｓの相対角度によって変化する。
【００８５】
図１２に示すように、自由曲面ミラー３０が位置Ｐａに位置する場合には、開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される反射面３０Ｓの投影面積の最大値は、Ｌｐａであり、自由曲面ミラー３０が位置Ｐｂに位置する場合には、開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される反射面３０Ｓの投影面積の最大値は、Ｌｐｂである。
【００８６】
そして、自由曲面ミラー３０が位置Ｐｂに位置する場合の、開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される反射面３０Ｓの投影面積の最大値Ｌｐｂは、自由曲面ミラー３０が位置Ｐａに位置する場合の、開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される反射面３０Ｓの投影面積の最大値Ｌｐａよりも小さくなっている。
【００８７】
ここで、開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される自由曲面ミラー３０の反射面３０Ｓの投影面積の最大値は、自由曲面ミラー３０の反射面３０Ｓに放射される外光の光束の最大値に対応するから、自由曲面ミラー３０が位置Ｐｂに位置する場合の、反射面３０Ｓに放射される外光の光束の最大値は、自由曲面ミラー３０が位置Ｐａに位置する場合の、反射面３０Ｓに放射される外光の光束の最大値よりも小さくなる。
【００８８】
なお、本実施形態では第二の状態においてＬ１ｂ分の光束が開口部９１０を含んだ筐体９０によって遮光され表示装置１００に入射しない場合を説明したが、開口部９１０がもっと大きい場合は自由曲面ミラー３０が位置Ｐｂにあっても光束Ｌ１ａがすべて入射される場合もある。その場合でも第二の状態で虚像が形成されない光路に変更された結果、画像形成ユニット１０への外光到達範囲Ａ１ａの中心が、スクリーン１５の画像領域１５Ｒ１の中心Ｃからずれるため、スクリーン１５に照射される外光は減少する。その分スクリーン１５が照射された外光による熱で機能低下したり損傷したりする可能性は低減される。このように図１１で説明した第二の状態における結像光学系の位置によって、外光による画像形成ユニット１０への照射光を所望の量に調整できる。
【００８９】
ここで、外光による画像形成ユニット１０への照射光の程度について検討する。図１１で説明したように、外光の照射範囲が画像領域１５Ｒ１の中心を避けた結果、画像形成ユニット１０のスクリーン１５の周囲部分で外光の集光が起こる。すると例えば画像領域１５Ｒ１の中心を避けた外光が長時間画像形成ユニット１０に照射し続けられた場合などは画像形成ユニット１０の温度が大きく上昇し、伝播した熱によってスクリーン１５に悪影響が及ぶ可能性は依然としてある。そこで第二の状態では表示装置１００に外光が入射されない角度まで自由曲面ミラー３０を回転させることにより表示装置１００に入射する外光を完全に外光が遮光することが考えられる。
【００９０】
しかしその場合、自由曲面ミラー３０を回転させるために大きなスペースが必要となり表示装置１００が大型化する。また第二の状態から第一の状態へと戻すために自由曲面ミラー３０回転の為に長い時間が必要となり、一度第二の状態になったあと再び表示装置１００が虚像４５を表示するまでのユーザの待ち時間が増加する。つまり虚像４５を形成しない時に外光を完全に遮光することでは、悪影響を適切に抑制できるとは言えない。
【００９１】
したがって、表示装置１００内部に入射する外光によるスクリーン１５の温度上昇を、スクリーン１５に悪影響が出ない範囲に抑制できることが望ましい。その温度上昇の範囲を検討するために、まず表示装置１００においてスクリーン１５に外光の放射熱による温度上昇が発生した際に、スクリーン１５への悪影響が大きくなる要因について述べる。
【００９２】
外光の放射熱によるスクリーン１５への悪影響が大きくなる要因の一例としては、表示装置１００の設置場所の温度である。スクリーン１５の温度は、表示装置１００の設置場所の温度、つまり自動車であれば車内温度やダッシュボート２００等の温度と同程度の温度から、上昇が起こる。車内に運転者がいる場合は、表示装置１００が設置されている車内温度は室温程度である。したがってスクリーン１５の温度は、車内温度に対してスクリーン１５へ到達する外光による温度上昇が加わってもそれほど高い温度には達しないため問題とはならない。しかし、運転者がいない状態で自動車が停止、放置される場合、車内温度自体が高くなるため、外光による温度上昇がさほど大きくなくてもスクリーン１５が高温となる可能性がある。
【００９３】
なお、表示装置１００の設置場所が高温になる具体的条件として、外光の放射強度が例えばＩＥＣ  ６０９０４−３規格に定められる赤道直下での太陽光ＡＭ１．０の放射照度である１１００Ｗ／ｍ２のとき、ダッシュボード２００の温度は約９０℃になることがわかっている。
【００９４】
外光の放射熱によるスクリーン１５への悪影響が大きくなる要因の他の例としては、スクリーン１５に用いられる材質である。スクリーン１５が高温となった場合、スクリーン１５の材質によってスクリーン１５に生じる影響の大きさは異なる。前述のようにスクリーン１５の材質が発散部材としての光学的特性を満たす樹脂の場合、樹脂材料はガラス材料等と比較して熱伝導率が低く、外光により上昇した温度をすばやく周囲に拡散することができない。また耐熱性自体も光学ガラスの軟化点の７００℃台から１４００℃ほどあるのに対し、樹脂材料はガラスと比べて１２０℃〜数百℃と低い。そのため、材質によってはスクリーン１５に適用した樹脂部材を損傷へと導く温度に達する場合がある。
【００９５】
またスクリーン１５の樹脂材料表面には反射防止膜等表面加工が施されていることがある。樹脂材料と表面加工材料との熱膨張係数の違いから高温状態が長く続くと１２０〜１５０°程度でクラックが入るなどの不具合が生じることもある。
【００９６】
以上説明したように、表示装置１００の設置場所が高温に達する、そしてスクリーン１５の材質に樹脂が用いられるという要因が重なると、スクリーン１５に対する悪影響が発生しやすくなる。このような要因が重なった状態、つまり前述のようにダッシュボード２００の温度９０℃を基準としたときの樹脂材料を用いたスクリーン１５の耐熱性を考慮すると、許容できるスクリーン１５の上昇温度△Ｔは３０℃であり、さらに安全性を考慮すると許容できる上昇温度△Ｔは１５℃程度となる。本発明者らは、表示装置１００において、これらの許容できるスクリーン１５の上昇温度を実現するための条件を、以下に示すように検討した。
【００９７】
図１３は、画像形成ユニットへの外光の照射光の放射束と画像形成部の上昇温度との関係を示すグラフである。横軸に画像形成ユニット１０に照射される外光の放射束（Ｗ）、縦軸にスクリーン１５の上昇温度（℃）が示されている。
【００９８】
図１３の関係を得るために本発明者らは、外光の放射照度を、前述の太陽光の１１００Ｗ／ｍ２としたときの画像形成ユニット１０に照射される外光の放射束を、自由曲面ミラー３０への外光の照射面積、外光がスクリーン１５へ到達するまでに経由する各光学系の光透過率及び反射率から導いた。
【００９９】
なお、自由曲面ミラー３０への外光照射面積は表示装置１００に対する外光の角度によって変化するが、この場合は見かけ上の自由曲面ミラー３０の面積が最も大きくなる角度とする。「見かけ上」とは光源、外光の場合は太陽から自由曲面ミラー３０を見た場合をいう。
【０１００】
そして、放射束毎にスクリーン１５の上昇温度を測定やシミュレーションを行い求めた。その結果、画像形成ユニット１０への照射光の放射束とその時のスクリーン１５の上昇温度△Ｔについて、図１３の関係が得られた。すなわち、放射束に対するスクリーン１５の上昇温度△Ｔは、照射範囲や集光倍率等によらず図１３のような比例関係にあるという知見を得た。
【０１０１】
図１３に示されるように上昇温度△Ｔが３０℃のとき、画像形成ユニット１０への放射束は２．７Ｗである。したがって放射束が２．７Ｗ未満であればスクリーン１５は機能低下や損傷することなく動作する。また図１３において△Ｔが１５℃の時は、放射束は１．５Ｗであり、放射束が１．５Ｗ未満であればさらに安全性が高まる。
【０１０２】
図１１で説明したように、第二の状態における結像光学系の位置によって、外光による画像形成ユニットへの照射光の量、一例として放射束は設定可能である。この所定値を、放射照度１１００Ｗ／ｍ２の外光が照射された場合において、２．７Ｗ未満、より好ましくは１．５Ｗ未満とするように第二の状態における結像光学系の位置を設定することで、外光による悪影響を適切に抑制できる。
【０１０３】
ここで、画像形成ユニット１０に照射される照射光の放射束の測定方法の一例を述べる。画像形成ユニット１０に照射される照射光の放射束を、上述したように自由曲面ミラー３０への外光の照射面積、外光がスクリーン１５へ到達するまでに経由する各光学系の光透過率及び反射率等を用いない場合、以下の測定方法で測定可能である。
【０１０４】
まず、セリック社製  太陽電池セル評価用光源ソーラシミュレータＸＩＭ−３Ｂ３００ＫＰを用い、自由曲面ミラー３０の見かけ上の面積が最も大きくなる角度から放射照度Ｂ（Ｗ／ｍ２）で表示装置１００に照射し、開口周辺部９０１から光を入射させる。本測定においてはフロントガラス５０を介さずに表示装置１００へ上記ソーラシミュレータからの光を入射させている。そして、サトテック社製  日射計ソーラーパワーメーターＳＰＭ−ＳＤのセンサプローブを、画像形成ユニット１０の光が照射される部分に固定し、その位置における放射照度Ｂ´（Ｗ／ｍ２）を測定する。
【０１０５】
次に画像形成ユニット１０上の照射面積Ａ（ｍ２）を求める。照射面積Ａ（ｍ２）は画像形成ユニット１０上の上述のソーラシミュレータの光が照射された面積を測定する。面積の測定は、画像形成ユニット１０上で光が照射されている部分の大きさを、物差し等の測定器で直接測る、または照射部分のカメラによる撮影画像から大きさを計算する等すればよい。
【０１０６】
照射範囲が例えば画像形成ユニット１０のスクリーン１５の画像領域１５Ｒ１である場合は、画像領域１５Ｒ１の面積を測定する。第二の状態では、スクリーン１５上の照射部分と、画像形成ユニット１０上のスクリーン１５以外の照射部分を合わせた面積を測定すればよい。
【０１０７】
そして測定した値から、以下の計算式によって、放射照度１１００Ｗ／ｍ２の光が照射された場合の画像形成ユニット１０への放射束を求めることができる。
【０１０８】
Φ＝１１００×Ａ×（Ｂ´／Ｂ））    （式）
Φ：画像形成ユニットへの照射光の放射束（Ｗ）
Ａ：画像形成ユニットへの照射光の照射面積（ｍ２）
Ｂ：表示装置への照射光の放射照度（Ｗ／ｍ２）
Ｂ´：画像形成ユニットへの照射光の照射位置の放射照度（Ｗ／ｍ２）
【０１０９】
なお、このとき放射照度Ｂ´（Ｗ／ｍ２）／放射照度Ｂ（Ｗ／ｍ２）は表示装置１００における、開口周辺部９０１からの入射光が画像形成ユニット１０に到達するまでの減衰率である。画像形成ユニット１０の形状等により、画像形成ユニット１０への外光の照射位置によって減衰率が大きく異なる場合などは、それぞれの位置において上式で放射束を求め、それらを足し合わせることで画像形成ユニット１０全体への放射束としてもよい。
【０１１０】
次に図１４は結像光学系が備えるミラーの回転角度と画像形成ユニットへの外光の照射光の放射束との関係を示すグラフである。横軸は自由曲面ミラー３０の回転角度、縦軸は画像形成ユニット１０に照射される放射束を示す。なお、図１４においてミラー回転角度はグラフ横軸のミラー回転角度は、マイナス方向が、図１１において自由曲面ミラー３０が立つ方向、言い換えるとＹ軸に対して平行に近づく方向の回転をいう。
【０１１１】
自由曲面ミラー３０の回転に応じて、自由曲面ミラー３０の見かけ上の面積が最も大きくなる時の外光の角度は変化する。その場合表示装置１００の開口周辺部９０１は固定されているため、表示装置１００に入射する外光はず図１１で説明したように開口周辺部９０１により遮蔽される。つまり自由曲面ミラー３０への外光の照射面積が小さくなり、その結果スクリーン１５へ到達する放射束も減少する。
【０１１２】
発明者らの検討の結果、画像形成ユニット１０に照射される外光の放射束とスクリーン１５の上昇温度△Ｔには図１４の相関関係があることが実験により求められた。したがって図１４を参照し、画像形成ユニット１０に照射される放射束が２．７Ｗ未満となる角度まで自由曲面ミラー３０を回転させれば、スクリーン１５は適切に機能できる。
【０１１３】
前述したようにスクリーン１５に求められる光学的物性を満たす樹脂の具体例としては、メタアクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリカーボネート、環状ポリオレフィン樹脂などが挙げられ、その耐熱温度は１２０℃〜１５０℃程度である。一方、スクリーン１５周辺のユニット筐体１２はポリブチレンテレフタレートやポリプロピレンカーボネートなどの樹脂部材で構成されていることが一般的であり、その耐熱温度は２４０℃程度とスクリーン１５に用いられる樹脂に比べて高い。
【０１１４】
したがって、自由曲面ミラー３０を回転させてスクリーン１５を避けることにより外光がユニット筐体１２のスクリーン１５周辺部分に照射されたとしても、スクリーン１５に損傷を起こさない程度の放射束であれば損傷の可能性は低い。
【０１１５】
このように自由曲面ミラー３０を回転させることで開口周辺部９０１による入射光の遮蔽が生じ、放射束が減少する。さらに、自由曲面ミラー３０を回転させることにより外光の照射範囲が画像領域１５Ｒ１からずれる、つまり一致しないことによっても、スクリーン１５への熱の影響が低減される。
【０１１６】
なお自由曲面ミラー３０の回転可能角度の具体例としては、第一の状態での回転可能角度が−３°〜３°で６°以内であるのに対し、第二の状態での回転可能角度は−１０°〜３°で１３°以内である。このように第一の状態より第二の状態の方が、回転可能角度の範囲が大きく設定されることにより、外光による表示装置１００内部への影響をコントロールできる。
【０１１７】
また第一の状態における回転可能角度を、第二の状態のときと同じく−１０°〜３°とすると、虚像４５の形成位置が大きく動き、ユーザは虚像４５の形成位置をより大きい範囲で調整する必要がある。前述のように第一の状態における回転可能角度を第二の状態より可動範囲を小さくすることで、ユーザの利便性を上げることができる。
【０１１８】
図１５は、外光の遮蔽率とスクリーン１５の上昇温度との関係を示すグラフである。発明者らの検討の結果、開口周辺部９０１により遮蔽され、自由曲面ミラー３０への外光の照射面積が減少した割合を遮蔽率としたとき、遮蔽率とスクリーン１５の上昇温度とに、図１５で示される関係があることが実験によって求められた。
【０１１９】
ここで自由曲面ミラー３０の動作と遮蔽率との関係について述べる。自由曲面ミラー３０の回転に応じて、自由曲面ミラー３０の見かけ上の面積が最も大きくなる時の太陽光角度は変化する。その場合、太陽光の照度は変化がなく、また開口周辺部９０１の形状、つまり開口Ｈの大きさは固定のため、開口周辺部９０１による外光の遮光が生じ、遮光された分自由曲面ミラー３０への外光照射面積は小さくなる。その結果画像形成ユニット１０に到達する照射光が減少し、図１５で示されるように自由曲面ミラーが回転し遮光率が大きくなると上昇温度△Ｔは小さくなる。
【０１２０】
開口周辺部９０１による筐体９０内部へ入射される外光の遮蔽が無く、自由曲面ミラー３０の全面に外光が照射される場合を遮蔽率０％のとき、画像形成ユニット１０への到達する照射光の放射束は５Ｗとなり、スクリーン１５の上昇温度△Ｔは図１５に示されるように５０℃近くになる。
【０１２１】
それに対し図１５に示されるように，遮蔽率が２５％以上であれば上昇温度△Ｔは３０℃を下回り、スクリーン１５は機能低下や損傷することなく機能し、遮蔽率が６０％以上であれば上昇温度△Ｔは１５℃を下回り、さらに安全性が高まる。
【０１２２】
図１６は、第２の実施形態に係る表示装置の構成例である。
【０１２３】
第２の実施形態の構成や作用は、第１の実施形態と図１〜１０、図１２〜１５は共通であるため、共通部分についての説明は省略する。第２の実施形態では、図１６に示すように、図１１の構成に遮光部の一例としての遮光板７０を設けている。
【０１２４】
遮光板７０は、外光が画像形成ユニット１０に照射される光路上で画像形成ユニット１０の前に設けられている。また遮光板７０は、少なくとも表示装置１００が第一の状態にある時にスクリーン１５への光路を遮らない位置に設置される。
【０１２５】
このように画像形成ユニット１０との間に遮光板７０を設けて、画像形成ユニット１０に照射される外光を遮蔽したため、画像形成ユニット１０への外光の放射束を２．７Ｗ未満等、低減することができる。
【０１２６】
図１７は、第３の実施形態に係る表示装置の構成例である。
【０１２７】
第３の実施形態の構成や作用は、第１の実施形態と図１〜１０、図１２〜１５までは共通であるため、共通部分についての説明は省略する。図１１の構成に、自由曲面ミラー３０とスクリーン１５の間の光路上にさらに光学系および反射光学系の一例として折り返しミラー８０を設けている。
【０１２８】
まず、第一の状態について説明する。第一の状態は表示装置１００が虚像４５を形成する状態であり、自由曲面ミラー３０は位置Ｐａにある。このとき、自由曲面ミラー３０に入射する外光ＳＬの光束をＬ２ａと示している。
【０１２９】
光束Ｌ２ａは１点鎖線で示されるように自由曲面ミラー３０で反射され、折り返しミラー８０に入射する。折り返しミラー８０に入射した光束は１点鎖線で示されるように画像形成ユニット１０への照射光はスクリーン１５に入射する。画像形成ユニット１０への外光到達範囲Ａ１ａの中心は画像領域１５Ｒ１の中心Ｃと略一致している。
【０１３０】
なお第一の状態において自由曲面ミラー３０は、ある程度の回転可能角度、図１で説明した例であれば−３°〜＋３°を有している。したがって第一の状態において、外光の照射範囲と画像領域１５Ｒ１の中心Ｃとは、そのずれが、第一の状態の回転可能角度の範囲内の回転によるずれの範囲内であれば、略一致しているということができる。
【０１３１】
次に、第二の状態について説明する。第二の状態は表示装置１００が虚像４５を形成しない状態であり、自由曲面ミラー３０は位置Ｐａから回転して移動した位置Ｐｂにある。このときまず、第１の実施形態と同様、開口周辺部９０１により外光が遮光される。図１７において遮光される光束はＬｂ２として示され、光束Ｌ２ｂは画像領域１５Ｒ１に照射されない。その結果、外光の光束Ｌ２ａのうち、自由曲面ミラー３０に入射して反射されるのは図１７中、２点鎖線の間で示される光束である。
【０１３２】
また折り返しミラー８０は、第一の状態において自由曲面ミラー３０からの光をスクリーン１５の画像領域１５Ｒ１に入射させる位置に設けられている。したがって第一の状態から自由曲面ミラー３０の位置が変更された状態である第二の状態では、折り返しミラー８０への自由曲面ミラー３０からの光束の入射角度が変わる。したがって第一の状態とは異なり、自由曲面ミラー３０から反射された光束のうち、一部は折り返しミラー８０へ入射しない。図１７中、２点鎖線の間の光束のうち、折り返しミラー８０に入射して反射され画像形成ユニット１０に向かう照射光は、破線と破線に対して図１７中で上側に位置する２点鎖線との間の光束である。一方、破線と破線に対して図１７中で下側に位置する２点鎖線との間の光束は折り返しミラー８０へ入射しない。つまり外光のうちＬ２ｃ分は、折り返しミラー８０へ入射しないため、画像領域１５Ｒ１に照射されない。
【０１３３】
ここで、自由曲面ミラー３０の反射面３０Ｓに放射される外光の光束が変化することは、開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される自由曲面ミラー３０の反射面３０Ｓの投影面積が変化することに対応する。
【０１３４】
すなわち、表示装置１００は、筐体９０の開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される反射面３０Ｓの投影面積が小さくなるように、反射面３０Ｓの傾きを変化させた場合、開口Ｈを介して筐体９０の外部から入射して反射面３０Ｓにより反射される外光のうち、折り返しミラー８０に放射される面積を小さくことができる。
【０１３５】
これにより、折り返しミラー８０に反射される外光の放射熱による画像形成ユニット１０およびスクリーン１５への悪影響を少なくできる。
【０１３６】
なお、折り返しミラー８０に代えて透過型の光学系を備えた場合でも、同様に、透過型の光学系に放射される面積を小さくすることにより、透過型の光学系を透過する外光の放射熱による画像形成ユニット１０およびスクリーン１５への悪影響を少なくできる。
【０１３７】
図１８は、自由曲面ミラー３０の反射面３０Ｓの投影面積と、折り返しミラー８０との関係を説明する図である。
【０１３８】
図１２で説明したように、自由曲面ミラー３０が位置Ｐｂに位置する場合の、開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される反射面３０Ｓの投影面積の最大値Ｌｐｂは、自由曲面ミラー３０が位置Ｐａに位置する場合の、開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される反射面３０Ｓの投影面積の最大値Ｌｐａよりも小さくなっている。また、開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される反射面３０Ｓの投影面積の最大値は、反射面３０Ｓに放射される外光の光束の最大値に対応する。
【０１３９】
そして、自由曲面ミラー３０が位置Ｐａに位置する場合の、反射面３０Ｓに放射されて反射面３０Ｓで反射される外光の光束の最大値Ｌｐａは、ほぼ全てが折り返しミラー８０で反射される。
【０１４０】
一方、自由曲面ミラー３０が位置Ｐｂに位置する場合の、反射面３０Ｓに放射されて反射面３０Ｓで反射される外光の光束の最大値Ｌｐｂは、折り返しミラー８０で反射される光束Ｌｐｂ１と、折り返しミラー８０で反射されない光束Ｌｐｂ２に分けられる。
【０１４１】
ここで、Ｌｐａ＞Ｌｐｂ＞Ｌｐｂ１であるから、表示装置１００は、筐体９０の開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される反射面３０Ｓの投影面積が小さくなるように、反射面３０Ｓの傾きを変化させた場合、開口Ｈを介して筐体９０の外部から入射して反射面３０Ｓにより反射される外光のうち、折り返しミラー８０に放射される面積を小さくことができる。
【０１４２】
そして第二の状態において外光の画像形成ユニット１０への照射範囲は画像領域１５Ｒ１からずれている、つまり一致していない。したがって到達範囲Ａ２ｂは画像領域１５Ｒ１からずれている、つまり一致していない。図９の例の場合、自由曲面ミラー３０からの画像形成ユニット１０への外光の照射範囲の中心は、スクリーン１５の中心、画像領域１５Ｒ１の中心Ｃとずれている、つまり一致していない。このように第３の実施形態も自由曲面ミラー３０を回転させることで外光が特にスクリーン１５に集光されるのを避けることができる。
【０１４３】
そして自由曲面ミラー３０とスクリーン１５との間の光路上に、反射光学系である折り返しミラー８０を介する構成では、自由曲面ミラー３０が第一の状態から回転することにより、折り返しミラー８０によって画像形成ユニット１０への光路から遮蔽される外光Ｌ２ｃが生じる。つまり折り返しミラー８０を経由して画像形成ユニット１０へ照射される光束は、第一の状態の方が第二の状態よりも大きく、その結果、画像形成ユニットへの放射束を例えば２．７Ｗ未満等に低減することができる。
【０１４４】
また折り返しミラー８０は、反射する光の波長を選択する波長選択性素子を含んでもよい。すなわち、折り返しミラーが投射光ＰＬに含まれる可視光を反射しやすいが、太陽光に含まれる可視光以外の光は反射しにくい波長選択性を有することにより、投射光の輝度は高くし、一方で太陽光などの外光は画像形成ユニット１０に到達しにくい構成とすることができる。
【０１４５】
なお本実施形態では、外光の光束Ｌ２ｂおよびＬ２ｃが画像形成ユニット１０への光路上から遮蔽されているが、開口周辺部９０１による遮蔽がなくても折り返しミラー８０による遮蔽だけでも画像形成ユニット１０への放射束を低減することは可能である。レイアウトと光学設計を適宜設定することにより、画像形成ユニット１０への外光による放射束を所望の放射束に制御可能である。また、第２の実施形態で述べた遮光板７０は、本実施形態にも適用可能である。
【０１４６】
図１９は、画像形成部近傍の外光による照度分布を示す。より具体的には第３の実施形態のように自由曲面ミラー３０とスクリーン１５の間に折り返しミラー８０を設けた場合のスクリーン１５近傍の外光による照度分布である。
【０１４７】
図１９（ａ）（ｂ）において、より白い部分がより照度が高い部分であることが示されている。破線枠は、スクリーン１５の画像領域１５Ｒ１の概形を示し、×印は画像領域１５Ｒ１の中心Ｃである。図１９（ａ）は、第一の状態のときを示している。そして図１９（ｂ）は、第二の状態のとき、一例として０°位置を基準位置とした時に１０°回転させた位置のときを示している。
【０１４８】
図１９（ａ）では照度が高い、つまり外光が照射された範囲の中心がほぼ画像領域１５Ｒ１の中心Ｃと略一致している。一方図１９（ｂ）では照度が高い、つまり外光が照射された範囲の中心は図１９（ａ）と比べて画像領域１５Ｒ１の中心Ｃとは、紙面下側にずれている。このように自由曲面ミラー３０を第一の状態を基準位置として、基準位置から回転させることで、外光の照度分布がスクリーン１５の画像領域１５Ｒ１の中心から外れていることが確認できる。
【０１４９】
このとき、図１９（ａ）と比較して図１９（ｂ）では、開口周辺部９０１によって自由曲面ミラー３０へ入射する前に遮蔽された外光と、折り返しミラー８０の反射面に入射しなかった外光の分、特に画像領域１５Ｒ１へ到達する放射束は大きく低減している。
【０１５０】
以上説明したように、本発明の一実施形態に係る表示装置１００は、画像光を出射するスクリーン（画像形成部の一例）１５と、画像光を反射面３０Ｓで反射して像を結像させる自由曲面ミラー（結像光学系の一例）３０と、画像形成部１５および自由曲面ミラー３０を収納するとともに、自由曲面ミラー３０により反射された画像光を透過させる開口Ｈ（透過領域の一例）が形成された筐体９０と、を備え、開口Ｈを介して筐体９０の外部に投影される反射面３０Ｓの投影面積が小さくなるように、反射面３０Ｓの傾きを変化させる。これにより、筐体９０内部における外光の放射熱による悪影響を少なくできる。
【０１５１】
表示装置１００は、スクリーン１５と自由曲面ミラー３０の間の光路中に折り返しミラー８０（光学系、反射光学系の一例）をさらに備え、反射面３０Ｓの投影面積が小さくなるように、反射面３０Ｓの傾きを変化させた場合、開口Ｈを介して筐体９０の外部から入射して反射面３０Ｓにより反射される外光のうち、折り返しミラー８０に放射される面積が小さくなる。
【０１５２】
これにより、折り返しミラー８０に反射される外光の放射熱によるスクリーン１５への悪影響を少なくできる。折り返しミラー８０に代えて透過型の光学系を備えた場合でも、同様である。
【０１５３】
折り返しミラー８０が可視光を反射しやすいが、可視光以外の光は反射しにくい波長選択性素子を含むことにより、投射光の輝度は高くし、一方で太陽光をスクリーン１５に到達しにくくできる。
【０１５４】
表示装置１００は、開口Ｈを介して筐体の外部から入射して反射面３０Ｓにより反射される外光を遮光する遮光板７０を、画像光の光路を遮らない位置に備える。これにより、太陽光をスクリーン１５に到達しにくくできる。
【０１５５】
以上、実施形態に係る画像形成装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
【符号の説明】
【０１５６】
１    表示システム
１００    表示装置
１０    画像形成ユニット
１１    光源装置（光源の一例）
１２    ユニット筐体
１３    光偏向装置（光偏向部の一例）
１４    ミラー
１５    スクリーン（画像形成部の一例）
１５Ｒ１    画像領域
３０    自由曲面ミラー（結像光学系の一例）
３０Ｓ    反射面
３０１    回転軸
４０    防塵窓
４５    虚像
５０    フロントガラス（反射部材の一例）
７０    遮光板（遮光部の一例）
８０    折り返しミラー（光学系、反射光学系の一例）
９０    筐体
９０１  開口周辺部
Ｈ    開口（透過領域の一例）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１５７】
【特許文献１】特開２００１−９７０７３
【図１】
2020076941.tif 000003
【図２】
2020076941.tif 000004
【図３】
2020076941.tif 000005
【図４】
2020076941.tif 000006
【図５】
2020076941.tif 000007
【図６】
2020076941.tif 000008
【図７】
2020076941.tif 000009
【図８】
2020076941.tif 000010
【図９】
2020076941.tif 000011
【図１０】
2020076941.tif 000012
【図１１】
2020076941.tif 000013
【図１２】
2020076941.tif 000014
【図１３】
2020076941.tif 000015
【図１４】
2020076941.tif 000016
【図１５】
2020076941.tif 000017
【図１６】
2020076941.tif 000018
【図１７】
2020076941.tif 000019
【図１８】
2020076941.tif 000020
【図１９】
2020076941.tif 000021