(57)【要約】【課題】  適切な輝度を有する虚像を表示する表示装置を提供する。【解決手段】  光を照射する光源と、入射される照射された光を主走査方向および副走査方向に偏向する光偏向部と、入射される偏向された偏向光を発散させる発散光学系と、を有し、発散光学系によって発散された発散光によって観察者に視認させる虚像を形成する表示装置であって、光偏向部と前記発散光学系との間の光路上に、入射される偏向光を屈折させる屈折光学系を有し、屈折光学系の主走査方向の屈折力と副走査方向の屈折力が異なる表示装置である。【選択図】図１３
2020071475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射する光源と、
入射される前記光を主走査方向および副走査方向に偏向する光偏向部と、
入射される前記偏向された光である偏向光を発散させる発散光学系と、
を有し、
前記発散光学系によって発散された発散光によって観察者に視認させる虚像を形成する表示装置であって、
前記光偏向部と前記発散光学系との間の光路上に、前記発散光学系に入射される前記偏向光を屈折させる屈折光学系を有し、
前記屈折光学系の前記主走査方向の屈折力と前記副走査方向の屈折力が異なる表示装置。
【請求項２】
前記屈折力は、前記発散光学系へ入射する前記偏向光のうち、前記虚像の画像端に該当する前記偏向光と、入射した前記偏向光が前記発散光学系によって発散されて前記観察者の視点に到達する前記発散光とのなす角度を小さくする屈折力であり、
前記主走査方向の前記屈折力が前記副走査方向の前記屈折力より大きい請求項１の表示装置。
【請求項３】
前記屈折光学系は反射ミラーを含む請求項１または２いずれか一項の表示装置。
【請求項４】
前記屈折光学系は透過レンズを含む請求項１または２いずれか一項の表示装置。
【請求項５】
前記屈折光学系と前記発散光学系は、同一の光学素子を有する請求項１ないし４いずれか一項の表示装置。
【請求項６】
前記屈折光学系の屈折光学面と前記発散光学系の発散光学面は同一の光学面である請求項５の表示装置。
【請求項７】
以下に示す（式１）および（式２）を満たす請求項１ないし６いずれか１項の表示装置。
【数１】
2020071475.tif 000005
【数２】
2020071475.tif 000006
（Ｓｏは前記光源と、前記光源と前記光偏向部の間に配置されたレンズ間の距離、ｆ１は前記レンズの焦点距離、ｆ２は前記屈折光学系の焦点距離、ｄは前記レンズと前記屈折光学系の距離とする。）
【請求項８】
請求項１ないし７いずれか一項の表示装置と、
前記発散光学系によって発散された発散光によって前記虚像を結像させる結像光学系を有し、
前記結像光学系から出射された光を反射させる反射部材と、
を有する表示システム。
【請求項９】
請求項８に記載の表示システムを有し、
前記反射部材は前記発散光を反射させる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、光源から出射された画像光を光走査手段によって主走査方向および副走査方向へ二次元走査して光発散部上に中間像を形成し、中間像を車両のフロントガラス等の被投射部材に向けて拡大投射することによって、観察者の視野に重ねて虚像を表示させる表示装置が記載されている。
【０００４】
また特許文献２には、干渉性を有する光束を生成する光源と、前記光束の径よりも大きい周期で配置された複数の微小レンズを有し、前記光束の発散角を制御する光学板と、を備えたことを特徴とする表示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】
【０００５】
本発明は、適切な輝度を有する虚像を表示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】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１にかかる発明は、光を照射する光源と、入射される前記照射された光を主走査方向および副走査方向に偏向する光偏向部と、入射される前記偏向された偏向光を発散させる発散光学系と、を有し、前記発散光学系によって発散された発散光によって観察者に視認させる虚像を形成する表示装置であって、前記光偏向部と前記発散光学系との間の光路上に、入射される前記偏向光を屈折させる屈折光学系を有し、前記屈折光学系の前記主走査方向の屈折力と前記副走査方向の屈折力が異なる表示装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、適切な輝度を有する虚像を表示する表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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の実施形態に係る表示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】スクリーンで発散される光束の強度分布を示す図である。
【図１１】第１の実施形態に係る表示システムにおける光路長の概略を示した図である。
【図１２】比較例に係る表示システムにおける各構成要素の相対的な位置関係の一例を概略的に説明するための図である。
【図１３】本実施形態に係る表示システムにおける各構成要素の相対的な位置関係の一例を概略的に説明するための図である。
【図１４】表示システムのシステム構成の第一の変形例を示す図である。
【図１５】表示システムのシステム構成の第二の変形例を示す図である。
【図１６】本実施形態に係る屈折光学系を構成する光学素子の第一の例である。
【図１７】本実施形態に係る屈折光学系を構成する光学素子の第二の例である。
【図１８】本実施形態に係る屈折光学系を構成する光学素子の第三の例である。
【図１９】本実施形態に係る屈折光学系を構成する光学素子の第四の例である。
【図２０】屈折光学系を構成する光学素子により発生する非点隔差を説明するため図である。
【図２１】屈折光学系の焦点位置と光偏向部へ入射する光ビームのビーム径の関係を説明するため図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
●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１０から投射される投射光を、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。
【００１１】
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。
【００１２】
表示システム１は、表示装置１０、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０を備える。表示装置１０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１０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１０は、例えば、自動車のダッシュボード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。
【００１３】
表示装置１０は、光源装置１１、光偏向装置１３、スクリーン１５を備える。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、スクリーン１５に走査される。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】
スクリーン１５は、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。スクリーン１５は、光偏向装置１３から出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上に二次元像である中間像４０を形成する。
【００１６】
ここで、表示装置１０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４０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４０を形成する「レーザ走査方式」がある。
【００１７】
第１の実施形態に係る表示装置１０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１０は、投射方式として「パネル方式」を用いてもよい。
【００１８】
スクリーン１５から出射されたレーザ光（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、中間像４０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、所定の回転軸を中心として回転可能に設置されてもよい。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、虚像４５の表示位置を変化させることができる。
【００１９】
ここでは、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、一定の集光パワーを有するように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１０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（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。なお、自由曲面ミラー３０は、凹面ミラーや曲面ミラーであってもよい。自由曲面ミラー３０は、結像光学系の一例である。
【００２０】
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。フロントガラス５０は、反射部材の一例である。
【００２１】
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。
【００２２】
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、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４０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。
【００２３】
●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。
【００２４】
表示装置１０は、表示装置１０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１０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。
【００２５】
ＦＰＧＡ１００１は、表示装置１０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１０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。
【００２６】
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。
【００２７】
●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１０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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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４０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。
【００３１】
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４０を形成し、中間像４０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。
【００３２】
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４０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。
【００３３】
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４０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４０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。
【００３４】
●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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
●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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
●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。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、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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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１０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。
【００４８】
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。
【００４９】
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４０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６１（有効走査領域）と、画像領域６１を取り囲むフレーム領域６２を含む。
【００５０】
走査範囲は、スクリーン１５における画像領域６１とフレーム領域６２の一部（画像領域６１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、便宜上、実際よりも少なくしている。
【００５１】
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。画像領域６１は、矩形または平面である必要はなく、多角形または曲面であってもよい。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。さらに、画像領域６１は、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。
【００５２】
スクリーン１５は、走査範囲における画像領域６１の周辺領域（フレーム領域６２の一部）に、受光素子を含む同期検知系６０が備える。図９において、同期検知系６０は、画像領域６１の−Ｘ側かつ＋Ｙ側の隅部に配置される。同期検知系６０は、光偏向装置１３の動作を検出して、走査開始タイミングや走査終了タイミングを決定するための同期信号をＦＰＧＡ１００１に出力する。
【００５３】
●詳細
続いて、第１の実施形態に係る表示システム１の光学設計について説明する。図１０を用いてスクリーン１５において発散される発散光の発散角と強度の関係について説明する。
【００５４】
図１０（ａ）は、スクリーンで発散される光束の強度分布を示す図である。図１０（ａ）の横軸は、スクリーン１５に入射される光束を基準としたときのスクリーン１５における発散光の発散角Δθである。図１０（ａ）に示すように、発散角△θが大きくなるに従って強度が低下する強度プロファイルを持つ。ここで、発散角Δθは、スクリーン１５に入射される光の入射角と、入射された光がスクリーン１５によって発散されて観察者３の視点に到達する発散光の発散角中心との角度差である。
【００５５】
また、図１０（ｂ）に示すように、スクリーン１５に形成される中間像４０の両端に入射される光束に対する発散角Δθが大きくなるにつれて、発散光の強度は低下する。中間像４０の両端の発散光の強度が低下した場合、虚像４５の端部付近の輝度は、低下する。結果として、観察者３が視認する虚像４５の面内劣化が生じてしまう。
【００５６】
本実施形態は、観察者３が視認する虚像４５の端部における輝度の低下を抑制しつつ、良好な輝度分布を有する虚像４５を観察者３に視認させるために、表示装置１０の最適な光学設計を提案するものである。
【００５７】
図１１は、第１の実施形態に係る表示システムにおける光路長の概略を示した図である。ここで、各光路長は、表示システム１の各構成要素におけるアイリプス中心（基準アイポイント）から観察した際の画像中心が通過する光路を用いて測定される。画像中心は、それぞれの構成要素における幾何学中心に略一致しているものとする。なお、アイリプス中心（基準アイポイント）は、観察者３の基準となる視点位置であり、アイボックスの中心である。
【００５８】
なお、観察者３（例えば自動車を運転する運転者）は、フロントガラス５０によって反射された光の光路上のアイボックス（観察者３の目の近傍の領域）から虚像４５を視認する。ここで、アイボックスは、観察者３が視点の位置の調整をすることなく虚像４５を視認可能な範囲を意味する。具体的には、アイボックスは、自動車の運転者アイレンジ（ＪＩＳ  Ｄ００２１）と同等かそれ以下である。アイボックスは、運転者が虚像４５を視認可能な領域として、座席に着座した運転者のアイポイントが存在可能な空間領域であるアイリプスに基づいて設定される。
【００５９】
表示システム１において、光偏向装置１３からスクリーン１５に形成される中間像４０の画像中心までの光路長Ｔａ、中間像４０から発散された光束が自由曲面ミラー３０を通過する領域の中心位置までの光路長をＴｂ、自由曲面ミラー３０中心と虚像４５の中心までの光路長をＴｃとして定義される。
【００６０】
光源装置１１によって出射された光束は、光偏向装置１３に入射し、スクリーン１５上に二次元走査される。これにより、スクリーン１５上に、図１１で示した中間像４０が形成される。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発散部材を備えており、スクリーン１５に走査された光束は、スクリーン１５を通過することによって、所定の発散角で発散される。図１２において、スクリーン１５から出射される光線は、発散光の中心光線を示す。スクリーン１５から出射される光束は、自由曲面ミラー３０へ入射する。
【００６１】
自由曲面ミラー３０は、図１１で示したフロントガラス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、自由曲面ミラーの面形状に従い、自由曲面ミラー３０によって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。
【００６２】
図１２は、表示システム１における各構成要素の間の光路を概略的に説明するための図である。図１２には、図１１で定義した光路長Ｔａ、光路長Ｔｂが示され、さらに、自由曲面ミラー３０中心と虚像４５の中心までの光路長がＴｃとして示されている。図１２（ａ）は、光偏向装置１３による副走査方向（Ｙ方向）に垂直で主走査方向（Ｘ方向）に平行な断面を示している。つまり図１２（ａ）の紙面左右方向が主走査方向である。図１２（ｂ）は、主走査方向（Ｘ方向）に垂直で副走査方向（Ｙ方向）に平行な断面を示している。つまり図１２（ｂ）の紙面左右方向が副走査方向である。
【００６３】
そして図１２の説明において、中間像４０を形成するための光偏向装置１３による偏向光の光束のうち、画像端に該当する偏向光を直線Ｌｉ＋と直線Ｌｉ−とする。そして図１２（ａ）の直線Ｌｉｘ＋、直線Ｌｉｘ−は、画像の主走査方向両端それぞれに該当するスクリーン１５への入射光、図１２（ｂ）の直線Ｌｉｙ＋、直線Ｌｉｙ−は、画像の副走査方向両端それぞれに該当するスクリーン１５への入射光を示す。
【００６４】
さらに図１２の説明において、スクリーン１５と虚像４５の画像端とを結ぶ直線Ｌｏ＋、直線Ｌｏ−は、中間像４０の画像端の光線がアイリプス中心（基準アイポイント）に向かう光路である。そして図１２（ａ）の直線Ｌｏｘ＋、直線Ｌｏｘ−は、画像の主走査方向両端それぞれに該当するスクリーン１５からの光路を示し、図１２（ｂ）の直線Ｌｏｙ＋、直線Ｌｏｙ−は画像の副走査方向両端それぞれに該当するスクリーン１５からの光路を示す。
【００６５】
図１０において説明したように、スクリーン１５に形成される中間像４０の両端に入射される光束に対する発散角Δθが大きくなるにつれて、発散光の強度は低下する。中間像４０の両端の発散光の強度が低下した場合、虚像４５の端部付近の輝度は、低下する。したがって観察者３の視認するアイリプス領域に虚像の輝度ムラがなく視認するためには、スクリーン１５に形成される中間像４０の両端に入射される光束に対する発散角Δθは、アイボックス内に光線を到達させられる範囲で、できるだけ小さいことが望ましい。また、虚像４５の画像端部の輝度低下を抑制するために、図１２に示す直線Ｌｉ＋と直線Ｌｏ＋とがなす角度差Δθ＋、直線Ｌｉ−と直線Ｌｏ−とがなす角度差Δθ−は、小さいことが好ましい。
【００６６】
アイボックスの、主走査方向の幅の方が副走査方向の幅に比べて広い場合、主走査方向におけるアイボックス端部から見た虚像４５の輝度は、副走査方向におけるアイボックス端部から見た虚像４５の輝度よりも小さくなる。特に、虚像４５の主走査方向の画像端部は、虚像４５の副走査方向の画像端部より輝度低下が大きくなる。
【００６７】
ここで、虚像４５の幅が一定でアイボックスの幅が大きくなることは、アイボックスの単位長さあたりの虚像４５の幅が小さくなることなので、仮想的に、アイボックスの幅が一定で虚像４５の幅が小さくなる（直線Ｌｏ＋と直線Ｌｏ−のなす角度が小さくなる）と、置き換えることができる。
【００６８】
すなわち、アイボックスの、主走査方向の幅の方が副走査方向の幅に比べて広い場合、主走査方向の角度差△θｘ＋、△θｘ−の方が、副走査方向の角度差△θｙ＋、△θｙ−よりもそれぞれ大きくなる。例えば、Ｔａ＝１００、Ｔｂ＝３００、Ｔｃ＝３１００、アイボックスから虚像４５までの距離（虚像距離）Ｔｄ＝３６００、主走査方向のアイボックスの幅Ｅｘ＝１３０、副走査方向のアイボックスの幅Ｅｙ＝４０のとき、△θｘ＋は１１．２°であるのに対し、△θｙ＋は４．１°である。この結果、虚像４５の主走査方向の画像端部の方が副走査方向の画像端部より輝度低下が大きくなる。
【００６９】
図１３（ａ）（ｂ）は、図１２（ａ）（ｂ）に示した各構成要件に加え、光を屈折させる屈折力を持つ屈折光学系８０をさらに配置した光学系である。屈折光学系８０は、図１３に示されるように、偏向装置１３とスクリーン１５との間の光路上に配置される。つまり屈折光学系８０は、偏向装置１３から出射される偏向光を屈折させ、屈折された偏向光がスクリーン１５に入射する。屈折光学系８０は、主走査方向と副走査方向とで異なる屈折力を有する光学系である。したがって、スクリーン１５に入射する偏向光の入射角度を変えて虚像４５の画像端部の輝度低下を抑制できる。
【００７０】
本実施形態では，主走査方向と副走査方向とで異なる屈折力を有する例として、主走査方向には屈折力を有し、副走査方向には屈折力を有していない場合を説明する。図１３（ａ）に示されるように、屈折光学系８０を配置することで、屈折光学系８０を通過後の主走査方向のＬｉｘ＋、Ｌｉｘ−で示される画像端光に、画像中心に向かって屈折させる屈折力（以降正の屈折力と呼ぶことがある）を与える。このとき図１３（ａ）においては、スクリーン１５に入射する画像端に該当する偏向光はＬｊｘ＋、Ｌｊｘ−と示される。したがって図１３においては，スクリーン１５に入射する画像端に該当する偏向光と、中間像４０の画像端の光線がスクリーン１５により発散されアイリプス中心に向かう光、つまり画像端に該当する偏向光との角度は、直線Ｌｊｘ＋、直線Ｌｏｘ＋と、直線Ｌｊｘ−、直線Ｌｏｘ−のなす角度差Δθｘ＋´、Δθｘ−´となる。その結果、Δθｘ＋´、Δθｘ−´は、それぞれ図１２（ａ）のΔθｘ＋、Δθｘ−より小さくなる。一方、屈折光学系８０は副走査方向には屈折力を有していないため△θｙ＋、θｙ−は図１２（ｂ）、図１３（ｂ）いずれにおいても変わらない。
【００７１】
一例として、図１３（ａ）において光偏向装置１３と屈折光学系８０の光路長をＴｏ、屈折光学系８０が曲率半径Ｒｘだけ湾曲したシリンダ状のミラーであった場合、Ｒｘ＝−２００、Ｔｏ＝４０、Ｔａ＝１００、Ｔｂ＝３００、Ｔｃ＝３１００、Ｔｄ＝３６００、Ｅｘ＝１３０、Ｅｙ＝４０のとき△θｘ´＝６．５°となり、図１２（ａ）の角度差△θｘ＝１１．２°とくらべて狭くできる。したがってシリンダミラー等の屈折光学系８０を配置することで、アイボックス領域に効率よく光束を発散させて、虚像４５の画像端部、特に主走査の画像端部の輝度を向上させる効果を確認できる。
【００７２】
一方、屈折光学系８０は副走査方向には屈折力を有していないため図１３（ｂ）に示されるように、Ｌｉ＋、Ｌｉ−の走査線は図１２（ｂ）と同じである。つまり△θｙ＋、θｙ−は図１２（ｂ）、図１３（ｂ）いずれにおいても４．１°である。
【００７３】
このように、屈折光学系８０はスクリーン１５へ入射する偏向光のうち、虚像の画像端に該当する偏向光である画像端に該当する偏向光と、入射した画像端に該当する偏向光がスクリーン１５によって発散されて観察者の視点に到達する発散光である画像端に該当する偏向光とのなす角度を小さくする屈折力を有しており、主走査方向の屈折力が副走査方向の屈折力より大きいため、屈折光学系８０を、光偏向部部１３とスクリーン１５との間に設けることで、主走査と副走査の当該角度の大きさを近づけ、その結果、虚像４５面内の輝度偏差を少なくすることができる。
【００７４】
なお以上の説明では屈折力が正の場合について述べたが、表示システム１のレイアウトや各光学系の性質状、屈折力が負、つまり発散光学系に入射する画像端部に該当する光線を画像中心と反対方向に屈折させることにより発散光学系への入射光の入射角、出射光の出射角の角度差が小さくなる場合もある。その場合は負の方向の屈折力の大きさを比較して主走査方向の屈折力を副走査方向の屈折力より大きくすればよい。
【００７５】
図１４は、屈折光学系８０として、主走査方向に正の屈折力を持つ反射ミラーを用いた場合の表示システム１Ａの例を示す。この場合図１６に示されるように、光偏向装置１３を出射し偏向された偏向光は、屈折光学系８０で反射され、反射光がスクリーン１５に入射する。このように屈折光学系８０として反射ミラーを採用することで、色収差がないため、波長の異なる光源が複数含まれていても色ずれの発生しない、品質のよい画像を提供することが可能となる。
【００７６】
図１５は、屈折光学系８０として、主走査方向に正の屈折力を持つレンズを用いた場合の表示システム１Ｂの例を示す。この場合図１６に示されるように、光偏向装置１３を出射し偏向された偏向光は、屈折光学系８０を透過し、透過光がスクリーン１５に入射する。このように屈折光学系８０として透過レンズを採用することで、光線を折り返す必要がなく、表示装置を車両等に搭載した場合、表示システム１や車両全体を考慮し、レイアウト上有利になる場合がある。
【００７７】
図１６は、屈折光学系を構成する光学素子の第一の例である。図１６に、主走査方向に正の屈折力を持つミラーの形状例を示す。屈折光学系８０として反射ミラーを採用することで、色収差がないため、波長の異なる光源が複数含まれていても色ずれの発生しない、品質のよい画像を提供することが可能となる
【００７８】
図１７は、屈折光学系を構成する光学素子の第二の例である。図１７に、主走査方向に正の屈折力を持つレンズの形状例を示す。屈折光学系８０として透過レンズを採用することで、光線を折り返す必要がなく、車両レイアウト上有利になる場合がある。
【００７９】
図１８は、屈折光学系を構成する光学素子の第三の例である。図１８に示す反射ミラーは、同じ反射面に、屈折光学系８０としての反射面と発散光学系としてのスクリーン１５の発散面を有する。つまり屈折光学系８０の屈折光学面と発散光学系としてのスクリーン１５の発散光学面は同一の光学面である。例えば、反射ミラー面上にマイクロミラーアレイが並べられた構成である。このような構成のため、同一の光学素子で入射した光束を所定の発散角で発散させつつ、△θを好適に狭くすることができるため、装置の部品点数を減らすことが出来る。
【００８０】
図１９は、屈折光学系を構成する光学素子の第四の例である。図１９に示す透過レンズは、屈折光学面と発散光学面とを有する。例えば図１９に示すように、入射面側に屈折光学系８０として機能する屈折面、出射面側に発散光学系として機能するマイクロレンズアレイが並べられて発散面が設けられた構成である。このような構成のため、△θを好適に狭くしつつ、入射した光束を所定の拡散角で拡散する機能を同一の光学素子で完結させることができる。図１９の構成に限られず、入射面側にマイクロレンズアレイを設け、出射面側に屈折面が配置されている構成や、入射面に、屈折光学系８０としての入射面と発散光学系としてのスクリーン１５の発散面を有する場合や、出射面に、屈折光学系８０としての出射面と発散光学系としてのスクリーン１５の発散面を有する場合であっても同様の効果が得られる。
【００８１】
図２０は、屈折光学系８０により発生する非点隔差の概念図である。図２０は、屈折光学系８０が主走査方向にのみ正の屈折力を有している場合を示している。図２０（ａ）は、主走査方向の断面図、図２０（ｂ）は副走査方向の断面図である。図２０（ａ）に示されるように副走査方向の焦点距離は屈折光学系８０を含む光学素子の焦点距離ｆであるのに対し、図２０（ｂ）に示される主走査方向の焦点位置ｆｉは、被走査面であるスクリーン１５に対してδＦずれてしまう。このとき焦点位置ずれ量δＦは、スネルの法則を用いて以下のように求められる。
【００８２】
【数１】
2020071475.tif 000003
【００８３】
なお、Ｓｏは光源素子１１１のレーザー発光点と、光源素子１１１と光偏向装置１３の間に配置されレンズ１１２間の距離、ｆ１はレンズ１１２の焦点距離、ｆ２は屈折光学系８０の焦点距離、ｄはレンズ１１２と屈折光学系８０の距離である。
【００８４】
図２１は、レンズ１１２の焦点距離が８ｍｍ、アパーチャ１１３の直径が１．２ｍｍの場合のビーム径の位置依存性である。
【００８５】
ここで、ビーム径とは、強度が中心軸上の強度の１３．５％に低下する周縁部の径のことをいう。そして焦点位置はスクリーン１５上を０としている。図２１のグラフに示されるように、焦点位置から±２０ｍｍよりもずれた位置において、ビーム径が急峻に太くなる傾向が確認できる。よって、スペックルを低減するため、図７に示したマイクロレンズアレイの周期１５５に対して入射光束の径１５６ａを十分に細くするには、シリンダミラー等である屈折光学系８０の焦点位置ずれδＦを±２０ｍｍ以下になるように設計すればよい。
【００８６】
つまり、（式１）より、一例としてシリンダミラーである屈折光学系８０の焦点距離・面間隔等を（式２）の関係式に収まるように設定することにより、輝度低下・スペックルノイズ悪化を抑えつつ、表示装置を小型化することが可能となる。
【００８７】
【数２】
2020071475.tif 000004
【００８８】
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】
【００８９】
１Ａ、１Ｂ    表示システム
１０    表示装置
１１    光源装置（光源の一例）
１３    光偏向装置（光偏向部の一例）
１５    スクリーン（発散光学系の一例）
３０    自由曲面ミラー（結像光学系の一例）
４５    虚像
５０    フロントガラス（反射部材の一例）
８０    屈折光学系
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９０】
【特許文献１】特開２０１３−６１５５４
【特許文献２】特開２００９−１２８６５９
【図１】
2020071475.tif 000007
【図２】
2020071475.tif 000008
【図３】
2020071475.tif 000009
【図４】
2020071475.tif 000010
【図５】
2020071475.tif 000011
【図６】
2020071475.tif 000012
【図７】
2020071475.tif 000013
【図８】
2020071475.tif 000014
【図９】
2020071475.tif 000015
【図１０】
2020071475.tif 000016
【図１１】
2020071475.tif 000017
【図１２】
2020071475.tif 000018
【図１３】
2020071475.tif 000019
【図１４】
2020071475.tif 000020
【図１５】
2020071475.tif 000021
【図１６】
2020071475.tif 000022
【図１７】
2020071475.tif 000023
【図１８】
2020071475.tif 000024
【図１９】
2020071475.tif 000025
【図２０】
2020071475.tif 000026
【図２１】
2020071475.tif 000027