(57)【要約】  所定の角度以上の入射角度で入射する光を全反射する壁面を内部に有する光学部材１３１と、前記壁面に対して前記所定の角度以上の入射角度で入射するように光を照射する光源部１１と、それぞれが外部からの制御信号により第１方向と第２方向にその向きを変更可能な反射面を有する複数の反射部を二次元的に配列してなる反射型表示素子１４であって、前記第１方向を向く反射面が前記内面で反射された光をその入射方向と異なる向きに反射するように配置された反射型表示素子１４とを有する画像形成部１０と、該画像形成部１０から出射する光を平行光に変換するコリメート光学系２０と、前記平行光を拡大するライトガイド３０とを備える表示装置１。
2019097695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 所定の角度以上の入射角度で入射する光を全反射する壁面を内部に有する光学部材と、
b) 前記壁面に対して前記所定の角度以上の入射角度で入射するように光を照射する光源部と、
c) それぞれが外部からの制御信号により第１方向と第２方向にその向きを変更可能な反射面を有する複数の反射部を二次元的に配列してなる反射型表示素子であって、前記第１方向を向く反射面が前記内面で反射された光をその入射方向と異なる向きに反射するように配置された反射型表示素子と
を有する画像形成部と、
d) 前記画像形成部から出射する光を平行光に変換するコリメート光学系と、
e) 前記平行光を拡大するライトガイドと
を備えることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記光源部が、互いに波長が異なる複数の光を順に繰り返し発するものである
ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記光学部材が三角柱状の第１プリズムであり、さらに、
f) 前記第１の方向を向く複数の反射面により反射され前記第１プリズムを通過した光が入射する位置に設けられ、前記第１プリズムの内部での光路長差を補償するように配置された第２プリズム
を備えることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項４】
前記第１プリズム及び前記第２プリズムが直角プリズムであり、互いの斜面が平行に対向配置されている
ことを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
【請求項５】
前記光源部が、前記光学部材に対して垂直に光を入射する
ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項６】
前記反射型表示素子が有する複数の反射面のうちの所定の反射面が前記第１方向を向いたときの反射光の主光線が前記光学部材に対して垂直に入射する
ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置
【請求項７】
a) 所定の角度以上の入射角度で入射する光を全反射する壁面を内部に有する光学部材と、
b) 前記壁面に対して前記所定の角度以上の入射角度で入射するように光を照射する光源部と、
c) それぞれが外部からの制御信号により第１方向と第２方向にその向きを変更可能な反射面を有する複数の反射部を二次元的に配列してなる反射型表示素子であって、前記第１方向を向く反射面が前記内面で反射された光をその入射方向と異なる向きに反射するように配置された反射型表示素子と
を有する画像形成部と
d) 眼前に配置した平面又は曲面形状の半透過面を含む虚像表示光学系と
を備えることを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光束（射出瞳）を拡大するライトガイドを備えたヘッドマウントディスプレイ（HMD: Head Mount Display）、ヘッドアップディスプレイ（HUD: Head-Up Display）等の虚像光学系を含む表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車では、スクリーンに表示した文字や画像を投影し、コンバイナを含む虚像光学系を介して運転者の眼前に虚像を形成するヘッドアップディスプレイが使用されている。また、航空機ではヘッドアップディスプレイに加え、同様の仕組みにより、操縦者が頭部に着用するヘルメットに設けられたコンバイナを含む虚像光学系により、文字や画像を投影して操縦者の眼前に虚像を形成するヘッドマウントディスプレイが使用されている。こうした表示装置は、コンパクトに装置を構成するために、光源及び表示素子を有する画像形成部とコリメータ光学系で形成した小さな光束（射出瞳）の表示をライトガイドに導入して拡大表示する方式が用いられている（例えば特許文献１〜４）。その表示素子としては、透過型液晶表示素子、反射型液晶表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス（DMD）などが用いられる。【０００３】
画像形成部、コリメータ光学系、及びライトガイドを組み合わせてなる表示装置について、従来用いられている構成の一例を図１に示す。この表示装置１００は、光源部１１１、偏光板１１２、偏光ビームスプリッター１１３、デジタルマイクロミラーデバイス１１４、1/4λ波長板１１５、及び前記光源部１１１と前記デジタルマイクロミラーデバイス１１４の動作を制御する制御部１１６を有する画像形成部１１０と、コリメート光学系１２０と、ライトガイド１３０とを備えている。デジタルマイクロミラーデバイス１１４は、それぞれが1画素に対応する、格子状に配置された多数のミラーと、該多数のミラーの反射面の角度を個別に変更する駆動部を備えた表示素子であり、制御部１１６による制御の下で該駆動部に所定の電圧を印加することにより各画素のON状態とOFF状態を切り替えることができる。【０００４】
着色画像を表示する表示装置では、光源部１１１は赤色、緑色、青色という3原色の光を発するLED光源を備えており、各LED光源から各色の無偏光のパルス光が順に繰り返し発せられる。光源部１１１から発せられた無偏光の光は偏光板１１２に導入され、所定の偏光の光（例えばS偏光の光）が取り出されて偏光ビームスプリッター１１３に入射する。偏光ビームスプリッター１１３は、その内部に前記所定の偏光の光（S偏光の光）を反射する反射面を有しており、該反射面によって前記所定の偏光の光（S偏光の光）が反射され、1/4λ波長板１１５を通ってデジタルマイクロミラーデバイス１１４に照射される。デジタルマイクロミラーデバイス１１４に照射された光のうち、ON状態のミラーの箇所の光のみが該ミラーで反射され、再び1/4λ波長板１１５を通って偏光ビームスプリッター１１３に入射する。偏光ビームスプリッター１１３とデジタルマイクロミラーデバイス１１４の間を往復した前記所定の偏光の光（S偏光の光）は、1/4λ波長板１１５を2度通過することで、偏光状態が（P偏光に）変換される。所定の画素のみで反射され（従って、画像が形成され）、偏光状態が（P偏光に）変換された光は再び偏光ビームスプリッター１１３に入射して前記反射面を通過し、コリメート光学系１２０で平行光に変換されてライトガイド１３０に導入される。ライトガイド１３０では、画像形成部１１０とコリメート光学系１２０で形成された画像の光束（射出瞳）が拡大される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１８４５６１号公報
【特許文献２】特許第５４４７７１４号公報
【特許文献３】特許第５２９９３９１号公報
【特許文献４】特許第５６９８２９７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】"SmartEyeglass Developer Edition",[online], ソニーモバイルコミュニケーションズ株式会社,[平成29年10月24日検索],インターネット<URL: https://developer.sonymobile.com/ja/smarteyeglass/>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ライトガイドを備えた虚像光学系を含む表示装置では、表示画像の視認性を高めるために高輝度化が求められる。特に、上述の表示装置では、画像形成部とコリメータ光学系で形成した画像の光束をライトガイドで拡大して表示するため、画像形成部において高輝度の画像を形成する必要がある。しかし、図１に示す従来の画像形成部では、各色のLED光源から発せられた無偏光の光のうち、S偏光（あるいはP偏光）の光しか使用されず、LED光源から発せられた光量の約半分が無駄になってしまうため、画像を高輝度化することが難しいという問題があった。【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、光源から発せられた光を有効に用いることができる、ライトガイドを備えた虚像光学系を含む表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明に係る表示装置は、
a) 所定の角度以上の入射角度で入射する光を全反射する壁面を内部に有する光学部材と、
b) 前記壁面に対して前記所定の角度以上の入射角度で入射するように光を照射する光源部と、
c) それぞれが外部からの制御信号により第１方向と第２方向にその向きを変更可能な反射面を有する複数の反射部を二次元的に配列してなる反射型表示素子であって、前記第１方向を向く反射面が前記壁面で反射された光をその入射方向と異なる向きに反射するように配置された反射型表示素子と
を有する画像形成部と、
d) 前記画像形成部から出射する光を平行光に変換するコリメート光学系と、
e) 前記平行光を拡大するライトガイドと
を備えることを特徴とする。【００１０】
前記光学部材には、例えばプリズムを用いることができ、その場合、前記壁面は該プリズムの内壁面とすることができる。
前記反射型表示素子は、例えばデジタルマイクロミラーデバイスである。前記二次元的な配列は、典型的には格子状の配列であるが、ハニカム状等の配列であってもよい。前記第１方向は、外部からの制御信号によって反射部がON状態とされたときの反射面の向きに相当し、前記第２方向は、反射部がOFF状態とされたときの反射面の向きに相当する。そして、第１方向を向く反射面により反射された光により画像が形成される。【００１１】
本発明に係る表示装置では、光源部から、光学部材内部の壁面に対して臨界角（前記所定の角度）以上の入射角度で入射するように光を照射する。該壁面で全反射した光は反射型表示素子に入射する。反射型表示素子を構成する複数の反射部がそれぞれ備える反射面のうち、第１方向を向く（ON状態に制御された）反射面は、該反射面への光の入射方向と異なる向きに（即ち、光源部に反射光が戻らないように）光を反射する。この反射光により画像が形成される。本発明に係る表示装置では、光源部からの光を光学部材内部の壁面で全反射させて反射型表示素子に入射させるため、光源から発せられた光を有効に用いて効率よく表示画像を高輝度化することができる。【００１２】
本発明に係る表示装置では、前記光源部が、互いに波長が異なる複数の光を順に繰り返し発するものとすることができる。該繰り返しの周波数を、人が識別可能な周波数よりも十分に大きくすることにより、形成した画像を複数の色の画像を合成してなる合成画像として視認させることができる。【００１３】
本発明に係る表示装置は、
前記光学部材が三角柱状の第１プリズムであり、さらに、
f) 前記第１の方向を向く複数の反射面により反射され前記第１プリズムを通過した光が入射する位置に設けられ、前記第１プリズムの内部での光路長差を補償するように配置された第２プリズム
を備えることが好ましい。【００１４】
上記の要件を満たす限りにおいて、前記第２プリズムは、前記第１プリズムと同一形状のものであってもよく、異なる形状のものであってもよい。また、第１プリズムと第２プリズムは、両者の一面が平行に配置されていてもよく、非平行に配置されていてもよい。【００１５】
この態様の表示装置は、例えば2個の同一形状の三角柱状のプリズム（三角プリズム）を、平面視して平行四辺形（直角プリズムの場合には長方形）となるように配置することにより構成することができる。これにより、第１の方向を向く反射面で反射され画像を形成する光が第１プリズム及び第２プリズムの内部を通過する距離（光路長）が均一になり、光学系の設計が容易になる。【００１６】
2個の三角柱状のプリズムを備えた上記態様の表示装置では、
前記第１プリズム及び前記第２プリズムが直角プリズムであり、互いの斜面が平行に対向配置されている
ことが好ましい。これにより、2個のプリズムを組み合わせた外形を直方体状にして表示装置を小型化することができる。【００１７】
さらに、本発明に係る表示装置では、
前記光源部が、前記光学部材に対して垂直に光を入射する
ことが好ましい。これにより、光源部と光学部材の間の距離を短くして表示装置を小型化することができる。【００１８】
さらに、本発明に係る表示装置では、
前記反射型表示素子が有する複数の反射面のうちの所定の反射面が前記第１方向を向いたときの反射光の主光線が前記光学部材に対して垂直に入射する
ことが好ましい。これにより、反射型表示素子と光学部材の間の距離を短くして表示装置を小型化することができる。【００１９】
前記所定の反射面とは、画像の形成に用いられる反射面のうち中心に位置する反射面（中心画素）である。例えば、反射型表示素子が有する複数の反射面の全てに光を照射して画像を形成する構成では、該所定の反射面は二次元的に配列された（反射部の）反射面のうち、その中心に位置する反射面となる。また、反射型表示素子が有する複数の反射面のうちの一部の反射面に光を照射して画像を形成する構成では、該一部の反射面の中心に位置する反射面となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る表示装置を用いることにより、光源から発せられた光を有効に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の表示装置の概略構成図。
【図２】本発明に係る表示装置の一実施例の概略構成図。
【図３】本発明に係る表示装置の別の実施例の概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係る本発明に係る表示装置の一実施例について、以下、図面を参照して説明する。
【００２３】
図２は、本実施例の表示装置の概略構成図である。この表示装置は、画像形成部１０、コリメート光学系２０、及びライトガイド３０を備えている。画像形成部１０は、光源部１１、同一形状の直角プリズムである第１プリズム１３１と第２プリズム１３２からなる光学部材１３、及びデジタルマイクロミラーデバイス１４を備えている。第１プリズム１３１と第２プリズム１３２は、互いの斜面がわずかに離間した状態に対向配置されており、それらを組み合わせた外形は直方体状に（従って、同一形状の面が全て互いに平行に位置した状態に）なっている。なお、本実施例では2個の直角プリズムを用いているが、同一形状または異形状の2個の三角プリズムを、上面視して四角形となるように組み合わせた光学部材を用いることもできる。
【００２４】
光源部１１は、赤色LED、緑色LED、及び青色LEDと拡散板を有している。制御部１６からの制御信号に従って、赤色LED、緑色LED、及び青色LEDから順に繰り返し発せられた光は拡散板で面状の光に広げられる。赤色LED、緑色LED、及び青色LEDはそれぞれ出射光の光量を調整可能であり、各色の光の光量を適宜に変更することにより形成する画像の配色を調整することができる。なお、本実施例では、LEDから発せられた各色の光を面状に拡げる構成を採っているが、LEDから発せられる各色の光を高速で二次元走査する光源部を用いることもできる。
【００２５】
デジタルマイクロミラーデバイス１４は、それぞれが1画素に対応する、格子状に配置された多数のミラーと、該多数のミラーの反射面の角度を個別に変更する駆動部を備えた表示素子である。制御部１６による制御の下で該駆動部に所定の電圧を印加することにより各画素のON状態とOFF状態を切り替えることができる。各ミラーはON状態においてその反射面が第１方向を、OFF状態において第２方向を向くように制御される。
【００２６】
本実施例の画像形成部１０では、3個のLEDから発せられる光が、人が発光の切り替わりを識別可能な周波数よりも十分に高い周波数で切り替えられ、デジタルマイクロミラーデバイス１４が有する各ミラーの反射面の角度もこれに追従して制御されるため、ライトガイド３０に表示する画像をこれら各色の画像を合成した合成画像として視認させることができる。
【００２７】
光源部１１から発せられた面状の光は、第１プリズム１３１に対して垂直に入射する。そして、第１プリズム１３１の内部から斜面に所定の角度で入射する。この所定の角度とは、第１プリズム１３１の媒質を通り斜面に到達した光が大気中に出射せず全反射される角度（臨界角）よりも大きい角度であることを意味し、その角度は第１プリズム１３１の媒質によって異なる。本実施例では、第１プリズム１３１の媒質がN-BK-7（屈折率1.52）であることから、その臨界角は41度であり、これよりも大きな入射角度となるように、光を斜面に対して照射する。第１プリズム１３１には、N-BK-7以外の材料（例えばガラス、樹脂等）からなるものを用いることもでき、第１プリズム１３１の内部において斜面に入射する角度は、使用する材料の屈折率に応じた角度に（即ち該斜面で全反射されるように）調整される。
【００２８】
第１プリズム１３１の内部で全反射された光は、第１プリズム１３１を出射しデジタルマイクロミラーデバイス１４に入射する。上述のとおり、デジタルマイクロミラーデバイス１４の各ミラーは反射面が第１方向を向くON状態、あるいは第２方向を向くOFF状態に制御されている。第１方向を向くON状態に制御されたミラーからの反射光（即ち画像を構成する光）は、第１プリズム１３１に入射する。一方、OFF状態に制御されたミラーからの反射光は、第１プリズム１３１に入射しない方向に向かう。
【００２９】
本実施例の画像形成部１０では、デジタルマイクロミラーデバイス１４は第１プリズム１３１の一側面に平行に配置されており、このように配置したときにデジタルマイクロミラーデバイス１４（内のON状態に制御されたミラー）の中心画素からの反射光の主光線が第１プリズム１３１に対して垂直に入射するような角度の斜面を持つ第１プリズム１３１が用いられる。なお、デジタルマイクロミラーデバイス１４（内のON状態に制御されたミラー）の中心画素からの反射光の主光線とは、画像の形成に使用するミラーのうち中心に位置するミラー（中心画素）からの反射光（光束）の中心を通る光線をいう。
【００３０】
本実施例の表示装置１では、このように、画像形成部１０において光源部１１から発せられる面状の光を第１プリズム１３１に対して垂直に入射させる構成を採っているため、光源部１１と第１プリズム１３１の間の距離を短くすることができる。また、デジタルマイクロミラーデバイス１４（内のON状態に制御されたミラー）の中心画素からの反射光の主光線を第１プリズム１３１に垂直に入射する構成を採っているため、デジタルマイクロミラーデバイス１４と第１プリズム１３１の間の距離を短くすることができる。このような構成を採ることにより画像形成部１０が小型化され、これにより表示装置１も小型化することができる。
【００３１】
デジタルマイクロミラーデバイス１４から第１プリズム１３１に入射した光は、そのまま第１プリズム１３１を通過し、続いて第２プリズム１３２に入射しこれも通過する。本実施例の画像形成部１０では、同一形状である第１プリズム１３１と第２プリズム１３２を、それらを組み合わせた外形が直方体状になるように配置しているため、デジタルマイクロミラーデバイス１４（内のON状態に制御されたミラー）からの反射光の光路長がミラーの位置に関わらず均一になり、光学系の設計が容易になる。
【００３２】
画像形成部１０で形成された画像（を形成する光）は、続いてコリメートレンズ等からなるコリメート光学系２０において平行光に変換され、ライトガイド３０に導入される。ライトガイド３０は光学ガラス（BK7等）からなる板状の光学部材であり、その内部の一方の側に反射面３０１が形成され、他方の側には複数の半透過面３０２が形成されている。ライトガイド３０の前記一方の側に導入された光は反射面３０１で反射され、ライトガイド３０の内部で全反射を繰り返しながら他方の側に向かい、複数の半透過面３０２で反射されてライトガイド３０の外部に出射する。これにより、画像形成部１０で形成された画像の光束（射出瞳）が拡大される。なお、本実施例では、反射面３０１及び複数の半透過面３０２を有するライトガイド３０を用いているが、他の構成を有するライトガイドを使用することもできる。例えば、反射面３０１に代えて透過及び／又は屈折によって画像の光束を入射させるものや、半透過面３０２に代えてホログラム面（例えば非特許文献１）を有するものを用いることができる。
【００３３】
本実施例の表示装置１では、光源部１１から発せられた面状の光を、臨界角以上の入射角度で第１プリズム１３１の内部の壁面に照射して全反射させ、デジタルマイクロミラーデバイス１４に入射する構成を採っている。そのため、偏光ビームスプリッターを用いる従来の表示装置のように光源部で発せられた光量が失われることがなくその光量を有効に用いて高輝度の画像を形成することができる。特に、本実施例の表示装置１のように、画像形成部１０で形成した画像の光束をライトガイド３０で拡大する場合には、光束（射出瞳）の拡大に伴って輝度が低下するため、光源部１１から発せられた光量を有効に利用できる本実施例の構成を好適に用いることができる。
【００３４】
上記実施例は本発明に係る表示装置に関する好ましい一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
上記実施例では、第１プリズム１３１及び第２プリズム１３２を組み合わせて光学部材１３を構成したが、第１プリズム１３１のみを用いても、上記実施例と同様に光源部１１から発せられた光量を有効に用いることができる。また、この場合は、デジタルマイクロミラーデバイス１４で反射した光を第１プリズム１３１に入射させず、直接コリメート光学系２０に入射するようにしても良い。あるいは、第１プリズムに代えて、その内部で光を全反射することが可能な適宜の形状のガラス板等を用いて構成することもできる。
【００３５】
さらに、上記実施例では、ライトガイド３０を用いた表示装置としたが、図３に示すような、コンバイナ５２を用いた表示装置にすることもできる。この表示装置１aでは、画像形成部１０で形成した画像を構成する光は、虚像表示光学系５１を通して曲面状または平面状であるコンバイナ５２上で反射され、使用者の眼に入射する。これにより、使用者は前方に表示された虚像を、コンバイナ５２を通して観測することができる。同様の構成で、ヘッドアップディスプレイを実現することもできる。
【００３６】
上記実施例では、赤色、緑色、青色の3原色をそれぞれ発するLEDを備えた光源部１１を用いる構成としたが、1色あるいは2色の画像を合成してなる合成画像やモノクロ画像を表示する装置についても上記同様に構成することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１、１a…表示装置
１０…画像形成部
１１…光源
１３…光学部材
１３１…第１プリズム
１３２…第２プリズム
１４…デジタルマイクロミラーデバイス
１６…制御部
２０…コリメート光学系
３０…ライトガイド
３０１…全反射面
３０２…半透過面
５１…虚像表示光学系
５２…コンバイナ
【図１】
2019097695.tif 000003
【図２】
2019097695.tif 000004
【図３】
2019097695.tif 000005
【国際調査報告】
2019097695.tif 000006
2019097695.tif 000007
2019097695.tif 000008
2019097695.tif 000009