(57)【要約】【課題】偏向手段の透過率が偏向手段の位置により変わらず均一で、かつ、出力画面の明るさの面内分布が一様な、薄型でコンパクトな透過型表示装置を提供する。【解決手段】本発明の透過型表示装置は、画像を表示する表示手段と、前記表示手段からの表示光の一部をユーザの方向に偏向させるとともに、表示光以外の光を透過させる偏向手段とを備え、前記偏向手段の一部領域である領域Ａと、領域Ａとは異なる領域である領域Ｂにおいて、前記領域Ａでの透過率Ａと前記領域Ｂでの透過率Ｂとの透過率の差異が減少するように、前記領域Ａでの偏向率Ａと前記領域Ｂでの偏向率Ｂとの偏向率の差異を設ける。【選択図】図１
2011203508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する表示手段と、
前記表示手段からの表示光の一部をユーザの方向に偏向させるとともに、表示光以外の光を透過させる偏向手段とを備え、
前記偏向手段の一部領域である領域Ａと、領域Ａとは異なる領域である領域Ｂにおいて、
前記領域Ａでの透過率Ａと前記領域Ｂでの透過率Ｂとの透過率の差異が減少するように、
前記領域Ａでの偏向率Ａと前記領域Ｂでの偏向率Ｂとの偏向率の差異を設ける
ことを特徴とする透過型表示装置。
【請求項２】
前記偏向手段が前記領域Ａで偏向した偏向光Ａと、
前記偏向手段が前記領域Ｂで偏向した偏向光Ｂとの光量の差異が減少するように、
前記表示手段から前記領域Ａへの表示光Ａと、
前記表示手段から前記領域Ｂへの表示光Ｂとの光量を変化させる
ことを特徴とする請求項１記載の透過型表示装置。
【請求項３】
前記表示手段はレーザ光源を用いて前記表示光を出射し、
前記偏向手段は回折素子の回折によって前記表示光を偏向し、
前記偏向手段は表示光の波長に応じて異なる偏向率で偏向する
ことを特徴とする請求項２記載の透過型表示装置。
【請求項４】
前記表示手段から前記領域Ａまでの距離が前記領域Ｂまでの距離より長い場合に、
前記偏向率Ａは前記偏向率Ｂより少ない
ことを特徴とする請求項３記載の透過型表示装置。
【請求項５】
前記表示手段から前記領域Ａまでの距離が前記領域Ｂまでの距離より長い場合に、
前記表示光Ａの光量は前記表示光Ｂの光量より多くする
ことを特徴とする請求項４記載の透過型表示装置。
【請求項６】
前記表示手段は前記レーザ光源からのレーザ光を走査する走査手段を有し、
前記偏向手段は前記走査手段で走査されたレーザ光を偏向する
ことを特徴とする請求項５記載の透過型表示装置。
【請求項７】
前記透過型表示装置はユーザの頭部に装着され、
前記表示手段の一部はユーザの側頭部に配置され、
前記偏向手段はユーザの眼前に配置される
ことを特徴とする請求項１から６記載の透過型表示装置。
【請求項８】
ユーザの眼前に配置された前記偏向手段で、
ユーザの鼻側の領域の偏向率Ａ１は耳側の領域の偏向率Ｂ１より少なく、
前記鼻側の領域に入射する表示光Ａ１の光量は前記耳側の領域に入射する表示光Ｂ１の光量より多い
ことを特徴とする請求項７記載の透過型表示装置。
【請求項９】
前記表示手段の一部は自動車のインストゥールパネルに近接して設置され、
前記偏向手段は自動車のフロントガラスに近接あるいは前記インストゥールパネル上に設置される
ことを特徴とする請求項１から６記載の透過型表示装置。
【請求項１０】
自動車のフロントガラスに近接あるいはインストゥールパネル上に配置された前記偏向手段で、
上方の領域の偏向率Ａ１は下方の領域の偏向率Ｂ１より少なく、
前記上方の領域に入射する表示光Ａ１の光量は前記下方の領域に入射する表示光Ｂ１の光量より多い
ことを特徴とする請求項９記載の透過型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）やＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）など、透過型の表示部から見える外界の景色に映像を重ねて表示することができる透過型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドマウントディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」と記す）などに用いる画像表示装置は、個人用携帯ディスプレイ端末のうちのひとつの画像表示装置であり、そのウェアラブル性の観点から眼鏡形態などによる構造が一般的に適用されている。そして、このような画像表示装置は、ディスプレイにおいて表示される出力画像だけではなくディスプレイの透明な表示面を介して外部の景色などを見ることができる透過型表示装置として構成されている。
【０００３】
ところで、ウェアラブル性のよい透過型表示装置を実現するためには、軽量化のために透明な表示部でかつ光を人の眼に偏向する偏向手段を薄型に形成する必要があり、一般的には偏向手段にホログラム素子を用いたものが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。偏向手段を薄型に形成することにより、小型軽量の透過型表示装置を得ることができるとしている。
【０００４】
また、眼鏡形態の透過型表示装置において、ハーフミラーまたは凹面鏡を用いることなく、レンズ部分にリップマンブラッグ体積ホログラムシートを偏向手段として設けてコンパクトで安価な透過型表示装置を実現することができるとしている（特許文献３、４参照）。偏向手段に透過性のよいホログラムシートを用いることにより、出力画像の虚像と外部の景色などの背景透過像とを融合して見ることができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−６４７８２号公報
【特許文献２】特開平１１−６４７８１号公報
【特許文献３】特開平１０−３０１０５５号公報
【特許文献４】特開２００６−２０９１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記で説明した従来の技術においては、ホログラム素子などの回折光学素子を使用して斜めからレーザ光を走査するなどしているので、ホログラム素子が形成された偏向手段の位置によってレーザ光の入射角や反射角が異なるため、反射される反射率（回折効率）が異なり、出力画像の画面の明るさが偏向手段の位置により異なり、一様でないという課題があった。すなわち、画面の左右の位置により明るさが異なり、出力画像の画面の明るさが画面内で均一にならない課題があった。
【０００７】
そこで、画面の明るさを均一にする目的で、偏向手段の反射率を均一にしようとすると、透過率が均一でなくなる課題があった。その結果、透過型表示装置の偏向手段を外部から見るとその一部の透過率が低いために、部分的にサングラスのように見えてしまうという課題が生じていた。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、偏向手段の透過率が偏向手段の位置により変わらず均一で、かつ、出力画面の明るさが一定な、薄型でコンパクトな透過型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】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の透過型表示装置は、画像を表示する表示手段と、前記表示手段からの表示光の一部をユーザの方向に偏向させるとともに、表示光以外の光を透過させる偏向手段とを備え、前記偏向手段の一部領域である領域Ａと、領域Ａとは異なる領域である領域Ｂにおいて、前記領域Ａでの透過率Ａと前記領域Ｂでの透過率Ｂとの透過率の差異が減少するように、前記領域Ａでの偏向率Ａと前記領域Ｂでの偏向率Ｂとの偏向率の差異を設けることを特徴とする。
【００１０】
このような構成とすることにより、偏向手段の透過率の面内分布を一様とでき、一部分の透過率が異なることを避けられる効果がある。
【００１１】
また、本発明の透過型表示装置は、前記偏向手段が前記領域Ａで偏向した偏向光Ａと、前記偏向手段が前記領域Ｂで偏向した偏向光Ｂとの光量の差異が減少するように、前記表示手段から前記領域Ａへの表示光Ａと、前記表示手段から前記領域Ｂへの表示光Ｂとの光量を変化させることを特徴とする。
【００１２】
このような構成とすることにより、偏向手段の偏向効率（反射率や回折効率）が均一でない場合でも、表示画面の明るさを均一とできる効果がある。
【００１３】
また、本発明の透過型表示装置は、前記表示手段はレーザ光源を用いて前記表示光を出射し、前記偏向手段は回折素子の回折によって前記表示光を偏向し、前記偏向手段は表示光の波長に応じて異なる偏向率で偏向することを特徴とする。
【００１４】
このような構成とすることにより、偏向手段はレーザ光源が発する限られた波長の光を回折によって偏向する。例えば、赤緑青の３色のレーザ光源と、ホログラフィックミラーによる回折格子の偏向手段によって、偏向手段をより薄い形状にできたり、よりメガネ形状に近づけられる効果、より軽量にできる効果、レーザ光源によって光源部をより小型軽量にできる効果、より省電力にできる効果、表示画像の色再現範囲が広く高輝度とできる効果がある。
【００１５】
また、本発明の透過型表示装置は、前記表示手段から前記領域Ａまでの距離が前記領域Ｂまでの距離より遠い場合に、前記偏向率Ａは前記偏向率Ｂより少ないことを特徴とする。
【００１６】
このような構成とすることにより、ホログラフィックミラー等の回折型の偏向手段の領域Ａと領域Ｂとの透過率を近づけ、偏向手段での透過率を均一とできる効果がある。
【００１７】
また、本発明の透過型表示装置は、前記表示手段から前記領域Ａまでの距離が前記領域Ｂまでの距離より長い場合に、前記表示光Ａの光量は前記表示光Ｂの光量より多くすることを特徴とする。
【００１８】
このような構成とすることにより、ホログラフィックミラー等の回折型の偏向手段を介して見える画面の明るさを均一とできる効果がある。
【００１９】
また、本発明の透過型表示装置は、前記表示手段は前記レーザ光源からのレーザ光を走査する走査手段を有し、前記偏向手段は前記走査手段で走査されたレーザ光を偏向することを特徴とする。
【００２０】
このような構成とすることにより、レーザ光の明るさを時間的に変化させることで、偏向手段の領域によって異なる強さの光とできるため、偏向手段の偏向率が不均一でも表示画面の明るさを均一とできる効果がある。また、レーザ走査により、液晶などの空間変調素子が不要となるため、小型軽量化、低コスト化できる効果がある。またレーザ光の明るさを適切に変化することで、省電力とできる効果もある。
【００２１】
また、本発明の透過型表示装置は、前記透過型表示装置はユーザの頭部に装着され、前記表示手段の一部はユーザの側頭部に配置され、前記偏向手段はユーザの眼前に配置されることを特徴とする。
【００２２】
このような構成とすることにより、ＨＭＤ等の頭部装着可能な透過型表示装置とできる効果がある。
【００２３】
また、本発明の透過型表示装置は、ユーザの眼前に配置された前記偏向手段で、ユーザの鼻側の領域の偏向率Ａ１は耳側の領域の偏向率Ｂ１より少なく、前記鼻側の領域に入射する表示光Ａ１の光量は前記耳側の領域に入射する表示光Ｂ１の光量より多いことを特徴とする。
【００２４】
このような構成とすることにより、ＨＭＤ等の頭部装着可能な透過型表示装置で、メガネ形状に近づけられる効果がある。
【００２５】
また、本発明の透過型表示装置は、前記表示手段の一部は自動車のインストゥールパネルに近接して設置され、前記偏向手段は自動車のフロントガラスに近接あるいは前記インストゥールパネル上に設置されることを特徴とする。
【００２６】
このような構成とすることにより、ＨＵＤ等の車載透過表示装置とできる効果がある。
【００２７】
また、本発明の透過型表示装置は、自動車のフロントガラスに近接あるいはインストゥールパネル上に配置された前記偏向手段で、上方の領域の偏向率Ａ１は下方の領域の偏向率Ｂ１より少なく、前記上方の領域に入射する表示光Ａ１の光量は前記下方の領域に入射する表示光Ｂ１の光量より多いことを特徴とする。
【００２８】
このような構成とすることにより、ＨＵＤ等の車載透過表示装置で、フロントガラス付近に配置できる効果がある。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の透過型表示装置によれば、透過率の面内分布が均一で、かつ表示画面の明るさ分布も均一な、透過型表示装置を実現できることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１における透過型表示装置の構成図
【図２】従来の、偏向手段での透過率と偏向率の関係図
【図３】本発明の実施の形態１における偏向手段での透過率と偏向率の関係図
【図４】本発明の実施の形態１における偏向手段での波長幅と入射角と出射角の関係図
【図５】本発明の実施の形態１における偏向手段での偏向位置と反射率と透過率の関係図
【図６】本発明の実施の形態１における透過型表示装置の主要部を拡大した平面図
【図７】本発明の実施の形態２における透過型表示装置の構成図
【図８】本発明の実施の形態３における透過型表示装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするためにそれぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、形状等についても模式的に示している。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１にかかる透過型表示装置１０の概略構成を示す図で、（ａ）は正面斜め上から見た斜視図、（ｂ）は上面図を示している。
【００３３】
図１に示すように本実施の形態１の透過型表示装置１０は、レーザ光１１を出射するレーザ光源１２と、このレーザ光１１を走査する走査部１３と、この走査部１３により走査された走査光１４を人の眼１８に向かう方向に偏向する偏向手段１５と、を備えている。本実施の形態では、画像を表示する表示手段を、レーザ光源１２と走査部１３で実現している。そして、透過型表示装置１０の偏向手段１５の一部領域である領域Ａ（図１の１５ｄ）と、領域Ａとは異なる領域である領域Ｂ（図１の１５ｅ）において、前記領域Ａでの透過率Ａと前記領域Ｂでの透過率Ｂとの透過率の差異が減少するように、前記領域Ａでの偏向率Ａと前記領域Ｂでの偏向率Ｂとの偏向率の差異を設けている。
【００３４】
図２（ａ）は、本発明を適用しない場合の、偏向手段の前記領域Ａでの透過率と偏向率の関係を示し、図２（ｂ）は前記領域Ｂでの関係を示している。
【００３５】
図３（ａ）は、本発明を適用した場合の、領域Ａでの透過率と偏向率の関係を示し、図３（ｂ）は領域Ｂでの関係を示している。
【００３６】
表示画面の輝度分布を均一にする目的で、偏向手段での位置によらず偏向率を一定である偏向手段とした場合、走査手段からの入射角や、眼への出射角（反射角）が、偏向手段での位置によって異なるために、偏向する光の波長幅（図２のΔλＡ、ΔλＢ）が異なり、その結果、偏向手段の透過率（図２のＴＡ１やＴＡ２で示した面積に相当）が位置によって異なることとなる。そこで本発明では、図３（ａ）に示したように、領域Ａでの偏向率を領域Ｂより下げることで、領域Ａでの透過率ＴＡ２と領域Ｂでの透過率ＴＢ１を等しくしている。
【００３７】
図４は、偏向手段へ走査手段からの入射角と、偏向手段から眼への出射角と、偏向（回折）する光の波長幅の関係を示している。全体傾向として、入射角が大きいほど波長幅が広がる傾向があるので、偏向手段の形状が平面に近い場合は、偏向手段の領域が走査手段から遠いほど入射角が増すため、波長幅が広がる傾向がある。よって、走査手段が側頭部にあり、偏向手段が眼前にある、めがね形状のＨＭＤの場合は、ユーザの鼻側の領域で偏向される波長幅は、耳側より広いため、透過率は鼻側の方が低くなる。そこで、鼻側の偏向率Ａ１を耳側の領域の偏向率Ｂ１より少なくすることで、透過率を一定とできる。
【００３８】
また、透過型表示装置１０は偏向手段１５を一方の表面１６ａに形成した一対のシースルー板１６と、このシースルー板１６を少なくとも支持するフレーム１７とをさらに備えた構成としている。
【００３９】
このような構成とすることにより、出力画面の明るさが一定で、外部から見たときに部分的にサングラスのように見えない透過性の高い薄型でコンパクトな透過型表示装置１０を実現することができる。
【００４０】
次に透過型表示装置１０の具体的な動作について説明する。
【００４１】
図１（ａ）および（ｂ）に示す透過型表示装置１０において、レーザ光源１２からレーザ光１１が出射される。ここでレーザ光源１２は、例えば少なくとも赤色レーザ光（以下、「Ｒ光」という）を出射する赤色レーザ光源（以下、「Ｒ光源」という）と、緑色レーザ光（以下、「Ｇ光」という）を出射する緑色レーザ光源（以下、「Ｇ光源」という）および青色レーザ光（以下、「Ｂ光」という）を出射する青色レーザ光源（以下、「Ｂ光源」という）からなるＲＧＢ光源を含んで構成されている。例えばレーザ光源１２は、波長６４０ｎｍおよび波長４４５ｎｍのＲ光およびＢ光を出射するＲ光源およびＢ光源は高出力半導体レーザを用い、Ｇ光源には波長５３５ｎｍのＧ光を出射する半導体レーザ励起の高出力ＳＨＧレーザを用いている。このような波長純度の高いレーザ光１１を使用しているので色再現範囲が広く高輝度で低消費電力の透過型表示装置を実現することができる。
【００４２】
このレーザ光１１は、例えば対物レンズなどを含む波面形状変更部１１ａにより、人の眼１８の網膜１８ａに画像出力が最適に投影されるように波面形状が変更される。そののちにレーザ光１１は、走査部１３に入射し、矢印１３ａに示す方向に走査されて走査光１４として偏向手段１５に向かって出射されている。なお、走査部１３は、例えばガルバノミラーやＭＥＭＳミラーが用いられており、これらのガルバノミラーやＭＥＭＳミラーを含んだ光学系として構成してもよい。
【００４３】
このような構成とすることにより、さらにコンパクトな透過型表示装置１０を実現することができる。
【００４４】
走査光１４が入射する偏向手段１５は薄型化するために、例えばシースルー板１６上に隣接してグレーティングやホログラムなどを形成した、あるいはグレーティングやホログラムなどを含んで形成した回折光学素子１５ｃを配置している。この回折光学素子１５ｃはシート状にしてシースルー板１６に貼り付けてもよい。また、例えばＰＭＭＡやポリオレフィン系の樹脂材料を用いてシースルー板１６や回折光学素子１５ｃを形成してもよく、これらの樹脂材料を用いてシースルー板１６と回折光学素子１５ｃとを一体成型により形成したものをフレーム１７に嵌め込んで用いてもよい。また本明細書では、偏向手段に入射する偏向前の光の強度に対する、偏向手段から出射する偏向後の光の強度を、偏向効率と記し、偏向率、反射率、回折効率も同様の意味で用いる。
【００４５】
このような構成とすることにより、さらに薄型で量産性に優れた低コストの透過型表示装置１０を実現することができる。なお、回折光学素子１５ｃの構造を最適化することにより、走査光１４であるレーザ光１１を効率よく利用できるので低消費電力の透過型表示装置１０を実現することができる。
【００４６】
走査光１４が上述の偏向手段１５に入射し、その一部は図１（ａ）および（ｂ）に示すようにシースルー板１６を透過して透過光１４ａとして外部に出てゆく。この偏向手段１５における透過光１４ａの透過率を位置１５ａが偏向手段１５の中央である場合や人の耳や鼻に近いところである耳側の位置１５ｄや鼻側の位置１５ｅである場合にかかわらず一定として形成しているので、透過型表示装置１０は外部から見たときに部分的にサングラスのように見えず透明となっている。透過率を一定とするために、偏向手段の偏向率を一定とせず、偏向手段の位置１５ａに応じて異なるように例えばホログラムを形成する。位置に応じて偏向率を変えるには、ホログラム形成時の二光束干渉において、ホログラムに照射するレーザ光の強度を位置に応じて変えることで実現できる。例えば、レーザを走査して二光束干渉させる場合は、走査光の強度を位置に応じて変えることで実現できる。
【００４７】
一方、走査光１４が偏向手段１５に入射し、その一部は図１（ａ）および（ｂ）に示すようにシースルー板１６の偏向手段１５に形成された回折光学素子１５ｃにより反射光１４ｂとして人の眼１８に向かうように反射されている。このことにより、反射光１４ｂは人の眼１８に入ったのちにその網膜１８ａに焦点を結び、その結果としてレーザ光１１により描かれた出力画面の画像を視認することができる。
【００４８】
図５は本実施の形態１の透過型表示装置１０に形成された偏向手段１５の位置に対する回折光学素子１５ｃの透過率Ｔ１および反射率Ｒ１（回折効率）の変化を示す図である。
【００４９】
偏向手段１５において回折光学素子１５ｃは、図１（ａ）および（ｂ）に示すように人の耳に近いところである耳側１５ｆから人の鼻に近いところである鼻側１５ｇまで連続して形成されている。そして、偏向手段１５の回折光学素子１５ｃの回折効率は、図５に示すように耳側１５ｆよりも鼻側１５ｇにおいて少なくなっている構成とし、透過率は一定となる構成としている。
【００５０】
ここで、偏向手段に入射する走査手段からの光である走査光の強度が一定の場合、偏向手段での回折効率が領域によって異なるため、反射光（回折光）の強度も異なることとなり、その結果、表示画面の輝度分布が一様でなくなる。そこで、本発明では、偏向手段での領域によって異なる回折効率に応じて、偏向手段への入射光の強度を前補正しておくことで、偏向手段から眼への反射光（回折光）の強度を一様にし、表示画面の輝度分布を一様にする。偏向手段での回折効率が低い領域へは、高い領域と比較して、より強い光を当てるよう、入射光の光量を調整する。例えば、偏向手段の領域Ａの反射率が、領域Ｂの半分だった場合には、領域Ａに対して領域Ｂに当てる光量の２倍の光量を入射させることで、領域Ａでの反射光と領域Ｂでの反射光の光量を一定にする。入射光の光量を調整するには、レーザ光源から出射するレーザ光の強度を調整してもよいし、レーザ光源から偏向手段までの間で光量を減少させる調整をしてもよい。
【００５１】
図６は本発明の実施の形態１にかかる透過型表示装置１０の主要部を拡大した平面図である。図６に示すように本実施の形態１の透過型表示装置１０は、レーザ光源１２および走査部１３を制御する制御部１９をさらに備え、偏向手段で偏向されて眼に向かう光量が一定の中心値となるように制御部１９によりレーザ光源１２を制御してレーザ光１１の光量を制御している。
【００５２】
図６に示すようにレーザ光源１２から出射されたレーザ光１１は走査部１３により偏向手段１５に走査されて、偏向手段１５に形成された回折光学素子１５ｃによりその一部が透過光１４ａとして透過され、また一部は反射光１４ｂとして反射（回折）されている。このように人の耳１８ｂに眼鏡のように掛けられて動作している透過型表示装置１０において、レーザ光源１２、波面形状変更部１１ａ、走査部１３および偏向手段１５などはフレーム１７に埋め込まれた配線（図示せず）やシースルー板の表面に形成された回路配線などを介して電気的に制御されている。
【００５３】
さらに、フレーム１７やシースルー板１６の周辺部などに受光素子１９ａ、１９ｂを配置することにより、透過光１４ａの光量を検出することで加えて透過率や反射率を算出してもよい。また、これらの受光素子１９ａ、１９ｂの間や近傍および上方や下方にさらに多数の受光素子（図示せず）を配置してもよい。このような構成とすることにより、偏向手段１５の位置に対する透過率および反射率（回折効率）の変化を的確に把握して制御部１９によりレーザ光源１２を制御してレーザ光１１の光量を制御することができる。このことにより、出力画面の明るさが一定で、透過率が一様な、薄型でコンパクトな透過型表示装置１０を実現することができる。
【００５４】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２にかかる透過型表示装置２０の概略構成を示す模式図である。
【００５５】
図７に示すように本実施の形態２の透過型表示装置２０は、レーザ光１１を出射するレーザ光源１２と、このレーザ光１１を走査する走査部１３と、この走査部１３により走査された走査光１４を人の眼１８に向かう方向に偏向する偏向手段１５と、を備えている。そして、透過型表示装置２０は、実施の形態１で示した透過型表示装置１０と同様に偏向手段１５の透過率を偏向手段１５が形成されている位置１５ａにかかわらず一定の中心値をもつ所定の透過率範囲としている。
【００５６】
このような構成とすることにより、透過率の面内分布が一様で、薄型でコンパクトな透過型表示装置２０を実現することができる。
【００５７】
次に本実施の形態２の透過型表示装置２０の主な光学的な動作について具体的に説明する。本実施の形態２の透過型表示装置２０は実施の形態１とは異なり、人の眼１８に到達したレーザ光１１の戻り光を検出して精度よく走査部１３および波面形状変更部１１ａを制御できる構成としている。
【００５８】
すなわち、透過型表示装置２０はレーザ光１１を検出する検出部２１をさらに備え、制御部１９は検出部２１からの検出信号を元にレーザ光源１２および走査部１３を制御している。このような構成とすることにより、レーザ光１１を効率よく利用してさらに出力画面の明るさが一定で安定な、低消費電力の透過型表示装置２０を実現することができる。
【００５９】
また、図７に示すようにレーザ光源１２は、少なくともＲ光源１２Ｒ、Ｇ光源１２ＧおよびＢ光源１２ＢからなるＲＧＢ光源を含んでいる構成としている。ここで、Ｒ光源１２ＲおよびＢ光源１２Ｂには、波長６４０ｎｍおよび波長４４５ｎｍのレーザ光１１を出射する半導体レーザを用い、Ｇ光源１２Ｇには、波長５３５ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザ励起のＳＨＧレーザを用いている。
【００６０】
このような構成とすることにより、さらに色再現範囲が広く高輝度で低消費電力の透過型表示装置２０を実現することができる。
【００６１】
図７に示すようにＲ光源１２Ｒ、Ｇ光源１２ＧおよびＢ光源１２Ｂから出射されたレーザ光１１は、コリメータレンズ２１ａによりそれぞれ平行光線に変換されてダイクロイックプリズム２１ｂに入射したのちにレーザ光１１として１つにまとめられてダイクロイックプリズム２１ｂから出射する。そして、レーザ光１１は光路長調整部２２に入射して、制御部１９に含まれるビーム形状調節部１９ｃにより制御されるサーボ用ミラー１９ｄの位置を矢印の方向に移動させることにより偏向手段１５までの光路長が調整される。そののちにレーザ光１１は走査部１３に導かれ、偏向手段１５の画面領域に走査光１４として所定のスポットサイズで走査される。そして、走査光１４は偏向手段１５に形成された回折光学素子１５ｃにより偏向されて観察者の眼１８に映像として投影されることになる。なお、ここで走査部１３には、ＭＥＭＳミラーを用いて走査光１４を精度よく回折光学素子１５ｃの面上に２次元的に走査している構成としてもよい。
【００６２】
また、走査光１４のビーム形状が所定の形状よりずれて、走査光１４が反射光１４ｂとして観察者の眼１８に偏向されるときには走査光１４の焦点位置が眼１８の中でデフォーカス量ΔＺだけずれることが生じる。このΔＺは、図７に示すレーザ光源１２付近に配置された光検出部２１の受光素子２３ａの受光面上のスポットサイズ２３ｃ、２３ｄの大きさに反映されて後述のように検出することができる。すなわち、走査光１４の一部は反射光１４ｂとして観察者の眼１８の網膜に到達し、そこで反射されて往路を逆に戻る。すなわち、レーザ光１１が出射された光路を逆進してダイクロイックプリズム２１ｂに入射したのち、光検出部２１の受光素子２３ａの受光面上にスポットサイズ２３ｃ、２３ｄを投影する。そして、この光検出部２１は、この眼１８からの反射光２３ｂのスポットサイズ２３ｃ、２３ｄから検出した信号により出力信号を発生する。この出力信号を元にビーム形状調節部１９ｃは光路長調整部２２のサーボ用ミラー１９ｄを矢印の方向に移動させることにより走査光１４のビーム形状を変化させる。その結果、ビーム形状調節部１９ｃは眼１８の網膜上のスポットサイズを規定値以下、例えば２０μｍ以下に制御している。このように、必要に応じて他の情報が制御部１９を介して相互に処理を行うことができるので、ビーム形状調節部１９ｃは走査光１４のビーム形状を変化させて制御することにより、常に最適な映像を観察者の眼１８の網膜に投影している。なお、光路長調整部２２は、２つのサーボ用ミラー１９ｄの間に導光用のプリズム２２ａおよび２つの対物レンズ２２ｂを配置してレーザ光１１および反射光２３ｂの光路およびビーム形状を制御している。
【００６３】
このような構成とすることにより、高速で、かつ高精度の光学調整をすることができるので、高速で高精細の動画像を表示する透過型表示装置２０を実現することができる。また、反射光２３ｂを利用しているので、光学調整が精度よく確実にすることができ、外乱やビームの一部が遮蔽されるなどの影響に対して光学特性などを安定化することができるので観察者に正確で鮮明な画像を認識させることができる。
【００６４】
図７に示すように反射光２３ｂは走査光１４とは逆進してダイクロイックプリズム２１ｂに入射したのちに光検出部２１に向けて出射される。そして、反射光２３ｂは対物レンズ２４ｂにより絞られアパーチャ２４ｃを通過して光検出用の回折格子２４ｄにより相補的なレンズ作用を与えられて２つの回折光２４ｆ、２４ｇに分離されて検出される。このときに、回折格子２４ｄから光検出部２１上の２つの受光素子２３ａまでの光学的な距離は等距離となるように配置されている。したがって、回折光２４ｆ、２４ｇの受光素子２３ａ上のスポットサイズ２３ｃ、２３ｄは、走査光１４が観察者の眼１８の網膜に焦点を結ぶときには等しくなるように制御部１９およびビーム形状調節部１９ｃにより予め調整されている。
【００６５】
上述したような光学系の構成を実施の形態１に示した透過型表示装置１０の、例えばフレーム１７の内部および上部に構成することができる。したがって本実施の形態２においても、このような光学系を内蔵した出力画面の明るさが一定で、透過率の面内分布が一様で、薄型でコンパクトな透過型表示装置２０を実現することができる。
【００６６】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３にかかる透過型表示装置２０の概略構成を示す模式図である。図１において、１０１はＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）が搭載されている自動車の車体である。１０２はダッシュボード（インストゥールパネル）内部に格納されたＨＵＤ光学ユニットであり、内部に表示素子１０３、ミラー１０４を含む。表示素子１０３は、例えば液晶素子および光源からなり、ドライバーの眼１８に表示すべき情報を表示する。表示素子１０３で表示される表示光は、ミラー１０４に向かって投影される。ミラー１０４は表示素子１０３からの表示光を、フロントガラス１０７に備え付けられた偏向手段１５に向けて反射する。ミラー１０４によって反射された表示光は、ＨＵＤ光学ユニット１０２の開口部１０５を通過して、フロントガラス１０７の表面に形成された偏向手段１５に投影される。偏向手段１５は、ＨＵＤ光学ユニット１０２からの表示光をドライバーの眼１８に向けて偏向する。ドライバーは、偏向手段１５によって偏向された表示光をみることで、運転に関する情報を視認することが可能になる。また、偏向手段１５は、ＨＵＤ光学ユニット１０２からの表示光を偏向すると同時に、フロントガラスの外部（外界）からの光を透過する性能を持つ。このコンバイナの性能によって、ドライバーは、表示素子１０３が表示する情報と一緒に、フロントガラス外の外界の光景を見ることができる。このようにＨＵＤでは、ドライバーが外界から視線を逸らさずに表示素子からの情報を見ることができるため、ドライバーは視線の移動量が減少し、運転時の安全性が向上するとされている。また偏向手段にはホログラムコンバイナを用いてもよい。ホログラムコンバイナは高い波長選択性をもち、例えば表示素子で用いられている波長のみを反射し、それ以外の波長の光を透過させることで、表示素子からの光を高い輝度で反射させ、外界からの光を高い透過率で透過することが可能になる。
【００６７】
このように、前記表示手段の一部は自動車のインストゥールパネルに近接して設置され、前記偏向手段は自動車のフロントガラスに近接あるいは前記インストゥールパネル上に設置された場合、前記偏向手段で上方の領域の偏向率Ａ１は下方の領域の偏向率Ｂ１より少なく、前記上方の領域に入射する表示光Ａ１の光量は前記下方の領域に入射する表示光Ｂ１の光量より多い構成・動作とすることで、実施の形態１や２と同様に、偏向手段の透過率が偏向手段の位置により変わらず一様で、かつ、出力画面の明るさの面内分布が一様な、薄型でコンパクトな透過型表示装置を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の透過型表示装置は、出力画面の明るさが一定で、透過率の面内分布も一様な、薄型でコンパクトな低消費電力のシースルーディスプレイとすることができるので、美観もよく携帯性にも優れた透過型表示装置として有用である。また、表示装置、表示システム、表示方法、表示プログラム、などの用途にも応用できる。
【符号の説明】
【００６９】
１０，２０    透過型表示装置
１１    レーザ光
１１ａ    波面形状変更部
１２    レーザ光源
１２Ｒ    赤色レーザ光源（Ｒ光源）
１２Ｇ    緑色レーザ光源（Ｇ光源）
１２Ｂ    青色レーザ光源（Ｂ光源）
１３    走査部
１３ａ    矢印
１４    走査光
１４ａ    透過光
１４ｂ，２３ｂ    反射光（回折光）
１５    偏向手段
１５ａ，１５ｄ，１５ｅ    位置
１５ｂ    画面領域
１５ｃ    回折光学素子
１５ｆ    耳側
１５ｇ    鼻側
１６    シースルー板
１６ａ    一方の表面
１７    フレーム
１８    眼
１８ａ    網膜
１９    制御部
１９ａ，１９ｂ，２３ａ    受光素子
１９ｃ    ビーム形状調節部
１９ｄ    サーボ用ミラー
２１    検出部
２１ａ    コリメータレンズ
２１ｂ    ダイクロイックプリズム
２２    光路長調整部
２３ｃ，２３ｄ    スポットサイズ
２２ａ    プリズム
２２ｂ，２４ｂ    対物レンズ
２４ｃ    アパーチャ
２４ｄ    回折格子
２４ｆ，２４ｇ    回折光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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