(57)【要約】【課題】観察者に視認させる画像端部の輝度の低下を抑制することができる。【解決手段】表示システム１Ａは、光源装置１１から射出された光を主走査方向および主走査方向に直交する副走査方向に走査してスクリーン１５上に中間像４０を形成する光偏向装置１３と、光を発散させるスクリーン１５と、スクリーン１５から発散された発散光を反射させるフロントガラス５０と、スクリーン１５から発散された発散光をスクリ−ン１５に向けて投射して虚像４５を結像させる自由曲面ミラー３０とを備える。そして、スクリーン１５は、（式１）の条件を満たすように配置される。【選択図】図１２
2019158991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発散させる光学素子を備え、
前記光学素子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所定の虚像を形成する表示装置であって、
前記光学素子は、下記（式１）の条件を満たすように配置されている表示装置。
【数１】
2019158991.tif 000013
（上記（式１）中、Ｓは前記虚像の観察者の視点から当該虚像までの距離を表し、Ｅは前記虚像の観察者の視点から前記発散光によって前記虚像を結像させる結像光学系までの距離を表し、Ｍは前記光学素子を二次元走査して前記光学素子上に中間像を形成させる光偏向部から前記中間像までの距離を表し、Ｏは前記中間像から前記結像光学系までの距離を表し、Ｔは前記結像光学系から前記虚像までの距離を表す。ただし、各距離は、基準アイポイントから観察した場合の前記光により形成される画像中心を通過する光路長である。）
【請求項２】
請求項１に記載の表示装置であって、更に、
光源から射出された光を主走査方向および前記主走査方向に直交する副走査方向に走査して前記光学素子上に前記中間像を形成する光偏向部と、を備え、
前記中間像の前記主走査方向または前記副走査方向の端部に入射される光の入射角と、前記端部に入射された光が前記光学素子によって発散されて観察者の視点に到達する発散光の発散角中心との角度差が、１０°以下である、請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記光偏向部と前記中間像の前記主走査方向または前記副走査方向の両端とを結んで構成される形状と、前記光偏向部と前記中間像の前記主走査方向または前記副走査方向の両端から発散され、前記結像光学系に入射される光の両端とを結んで構成される形状とが、相似関係となる、請求項２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記光学素子を二次元走査して前記光学素子上に中間像を形成させる光偏向部から前記中間像までの光路長は、８０ｍｍ〜１２０ｍｍである、請求項２または請求項３に記載の表示装置。
【請求項５】
前記光学素子は、マイクロレンズをアレイ状に配列させたマイクロレンズアレイである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項６】
前記光学素子は、液晶パネルである、請求項１に記載の表示装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の表示装置と、
前記光学素子から発散された発散光を反射させる反射部材と、
前記光学素子から発散された発散光を前記反射部材に向けて投射して前記虚像を結像させる結像光学系と、
を備える表示システム。
【請求項８】
請求項７に記載の表示システムを備え、
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（ヘッドアップディスプレイ）等の表示装置が利用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１は、光源から射出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を開示している。
【０００４】
また、表示装置を小型化する方法として、光発散部から自由曲面ミラー等の反射部材までの光路長を短くする方法が知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、光発散部（例えば、光学素子）から反射部材までの光路長を短くした場合、光発散部から射出された光束の反射部材への入射角が大きくなる。そのため、主走査方向端部に近い光束ほど入射角が大きくなることから、主走査方向端部付近の輝度が低下して主走査方向端部付近が相対的に暗くなるため、観察者が視認する虚像の画質が劣化してしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る表示装置は、光を発散させる光学素子を備え、前記光学素子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所定の虚像を形成する表示装置であって、前記光学素子は、下記（式１）の条件を満たすように配置されている。
【数１】
2019158991.tif 000003
（上記（式１）中、Ｓは前記虚像の観察者の視点から当該虚像までの距離を表し、Ｅは前記虚像の観察者の視点から前記発散光によって前記虚像を結像させる結像光学系までの距離を表し、Ｍは前記光学素子を二次元走査して前記光学素子上に中間像を形成させる光偏向部から前記中間像までの距離を表し、Ｏは前記中間像から前記結像光学系までの距離を表し、Ｔは前記結像光学系から前記虚像までの距離を表す。ただし、各距離は、基準アイポイントから観察した場合の前記光により形成される画像中心を通過する光路長である。）
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、観察者に視認させる画像端部の輝度の低下および観察者の視点移動時の輝度の低下を抑制することができる。
【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１５において発散される発散光の発散角と強度の関係を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システムにおける光路長の概略を示した図である。
【図１２】第１の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１３】光偏向装置から中間像までの光路長と他のパラメータとの関係を説明するための図である。
【図１４】第２の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１５】第３の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。
【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】
●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。図１に示す表示システム１Ａは、観察者３が視認する画像（虚像４５）の端部における輝度の低下および観察者の視点移動時の輝度の低下を抑制しつつ、良好な輝度分布を有する画像を観察者３に視認させることができるシステムである。
【００１１】
表示システム１Ａ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１Ａ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１Ａ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１Ａの使用形態は、これに限られるものではない。
【００１２】
表示システム１Ａ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。
【００１３】
表示システム１Ａ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。
【００１４】
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から射出されたレーザ光は、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。
【００１５】
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から射出したレーザ光は、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。
【００１６】
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から射出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。
【００１７】
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から射出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。
【００１８】
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。
【００１９】
スクリーン１５から射出されたレーザ光（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から射出したレーザ光（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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
このような構成により、スクリーン１５から射出されたレーザ光（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。
【００２４】
●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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
●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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
●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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
●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。
【００４０】
ミラー１３０は、光源装置１１から射出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。
【００４１】
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。
【００４２】
●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から射出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、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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、レーザ光を射出する。各光源素子から射出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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
●詳細
続いて、図１０乃至図１４を用いて、第１の実施形態に係る表示システム１Ａの光学設計について説明する。まず、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。
【００５５】
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Δθに対する規格化強度は、レーザ光特有のガウシアン分布の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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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１Ａ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。
【００５９】
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。
【００６０】
表示システム１Ａにおいて、観察者３の基準アイポイントから虚像４５の画像中心までの光路長は、光路長Ｓとして定義される。
【００６１】
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は、光路長Ｍとして定義される。また、スクリーン１５に形成される中間像４０の画像中心から、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は、光路長Ｏとして定義される。
【００６２】
図１２は、第１の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１２は、便宜上、各構成要素がＸＺ平面上に平行に配置されているものとして説明するが、実際には、各構成要素の配置は、図１１に示すように、必ずしもＸＹ平面に平行ではない。
【００６３】
観察者３の基準アイポイントから、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は、光路長Ｅとして定義される。さらに、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から虚像４５の画像中心までの光路長は、光路長Ｔとして定義される。
【００６４】
光源装置１１によって合成された光束は、光偏向装置１３の点ａ１に入射し、光偏向装置１３によってスクリーン１５上に二次元走査される。スクリーン１５は、Ｘ軸方向（主走査方向）の幅Ｒの中間像４０を形成する。
【００６５】
＋Ｘ方向端部の中間像４０を形成する場合、光源装置１１から射出された光束が光偏向装置１３によって＋Ｘ方向に偏向され、中間像４０の一部は、点ｂ１に描画される。また、−Ｘ方向端部の中間像４０を形成する場合、光源装置１１から射出された光束が光偏向装置１３によって−Ｘ方向に偏向され、中間像４０の一部は、点ｃ１に描画される。なお、スクリーン１５上に描画される像は、制御装置１７の画像生成部１７３によって設定される。
【００６６】
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、本実施形態では、マイクロレンズアレイそのものである。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から射出される光線は、発散光の中心光線を示す。スクリーン１５から射出される光束は、自由曲面ミラー３０へ入射する。自由曲面ミラー３０に対する光束の通過幅は、Ｑである。
【００６７】
この場合、＋Ｘ方向端部の像を形成する場合、発散光の中心光線は、自由曲面ミラー３０の点ｄ１に入射する。−Ｘ方向端部の像を形成する場合、発散光の中心光線は、自由曲面ミラー３０の点ｅ１に入射する。すなわち、光偏向装置１３に光源装置１１から射出された光束が光偏向装置１３に入射する位置である点ａ１は、点ｂ１および点ｄ１のＸＺ平面に投影した延長線と、点ｃ１および点ｅ１のＸＺ平面に投影した延長線との交点とみなすことができる。この場合、図１１および図１２に示す光路長Ｍは、点ａ１から中間像４０までの光路長と言い換えることができる。
【００６８】
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を通過した光束は、その後フロントガラス５０に入射し、観察者３の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。
【００６９】
表示システム１Ａは、観察者３の視認するアイリプス領域に効率よく光束を発散させて画像端部の輝度を向上させるため、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（θ２−θ１）は、小さいことが好ましい。すなわち、表示システム１Ａは、図１２において、点ａ１,ｂ１,ｃ１によって構成される三角形と、点ａ１,ｄ１,ｅ１によって構成される三角形とが相似関係となるように、構成されるのが好ましい。
【００７０】
まず、図１２において、点ａ１,ｂ１,ｃ１によって構成される三角形と、点ａ１,ｄ１,ｅ１によって構成される三角形とが相似関係であると仮定した場合、（式２）の関係が成り立つ。
【００７１】
【数２】
2019158991.tif 000004
【００７２】
ここで、観察者３から虚像４５に対する画角αとした場合、自由曲面ミラー３０上の光束の通過幅Ｑおよび虚像４５のＸ軸方向の幅Ｐは、（式３）および（式４）のように表すことができる。ここで、フロントガラス５０の曲率は、極めて小さいことからスクリーン１５から観察者３に至るまでの光路における光学的パワーを有する素子を、自由曲面ミラー３０のみと近似している。
【００７３】
【数３】
2019158991.tif 000005
【００７４】
また、光学系の倍率の関係式より、Ｐ／Ｒ＝Ｔ／Ｏの関係が成り立つため、中間像４０の幅Ｒは、上記（式４）を変形させた下記（式５）のように近似することができる。
【００７５】
【数４】
2019158991.tif 000006
【００７６】
以上の関係式より、上記（式２）は、以下（式６）のように変形される。
【００７７】
【数５】
2019158991.tif 000007
【００７８】
したがって、表示システム１Ａは、点ａ１,ｂ１,ｃ１によって構成される三角形と、点ａ１,ｄ１,ｅ１によって構成される三角形との相似関係が成り立つ（式６）の相似関係式を満たすように、光路長が設定されている。
【００７９】
さらに、観察者３の視認するアイリプス領域（アイボックス）に効率よく光束を発散させるため、スクリーン１５上での発散光の強度は、略半値以上であることが好ましい。そのため、図１０（ａ）に示した、スクリーン１５上での発散光の強度は、０．５以上に設定する必要がある。すなわち、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の許容値は、Δθ≦±１０°となる。
【００８０】
ここで、発散角Δθ≦＋１０°の範囲における、発明者ら表示装置１０の光学設計のシミュレーション（範囲計算）結果を説明する。発明者らは、上記（式６）に示す各光路長のパラメータを割り当て、発散角Δθの許容値（Δθ≦±１０°）に対応する条件を算出した。表１と表２に示すように、発散角Δθ＝１０°およびΔθ＝−１０°において、光路長Ｍ（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）を可変値にし、その他のパラメータを固定値にした。
【００８１】
【表１】
2019158991.tif 000008
【００８２】
【表２】
2019158991.tif 000009
【００８３】
表１および表２に示すパラメータを（式６）の相似関係式に当てはめた場合、以下（式１）のような条件が導くことができる。
【００８４】
【数６】
2019158991.tif 000010
【００８５】
表示システム１Ａは、上記（式１）の条件を満たすように、各光学系のレイアウトが最適化されることによって、観察者３が視認する画像（虚像４５）の端部における輝度の低下および観察者３の視点移動時の輝度の低下を抑制しつつ、良好な輝度分布を有する画像を観察者３に視認させることができる。
【００８６】
図１３は、光偏向装置１３と中間像４０までの光路長と他のパラメータとの関係を説明するための図である。ここで、ｆは、（式１）または（式６）の左辺「Ｓ×Ｏ×（Ｍ＋Ｏ）／（Ｔ×Ｅ×Ｍ）」の値である。また、Δθは、上述のように、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（θ２−θ１）である。
【００８７】
図１３は、ｆが１に近づくにつれて、またはΔθ＝０に近づくにつれて、上述の三角形（点ａ１,ｂ１,ｃ１によって構成される三角形と点ａ１,ｄ１,ｅ１によって構成される三角形）が相似関係に成り立つ。
【００８８】
図１３に示すように、光偏向装置１３から中間像４０までの光路長Ｍが大きくなるにつれてθ１が大きくなるので、発散角Δθは、大きくなる。一方で、光偏向装置１３から中間像４０までの光路長Ｍが大きくなるにつれて、ｆは、小さくなる。ここで、Δθとｆがそれぞれ最適化されるＭの値は、図１３に示すグラフのΔθとｆの交点であるので、略１０５ｍｍとなる。
【００８９】
また、上記（式１）の条件と同様に、各光学系のレイアウトの関係におけるΔθとｆの値の許容範囲を考慮した場合、光偏向装置１３と中間像４０までの光路長Ｍは、８０ｍｍ〜１２０ｍｍの付近であることが好ましい。表示装置１０は、このＭの値を用いて、他のパラメータを算出することによって、最適な光学設計を行うことが可能になる。
【００９０】
なお、ＸＹＺ軸は、車両実装上のレイアウトを考慮して変更することが可能である。また、上記説明において、Ｘ軸方向についてのみ記載しているが、Ｙ軸方向においても同様に（式１）の条件を用いることができる。
【００９１】
また、表示システム１Ａは、投射光学系が自由曲面ミラー３０のみで構成されているが、これには限定されない。光学素子を複数用いた場合、表示システム１Ａは、一素子に合成した場合の系を換算して、（式１）の条件を満たせばよい。
【００９２】
●第１の実施形態の効果
以上説明したように、第１の実施形態に係る表示システム１Ａは、光源装置１１（光源の一例）から射出された光を主走査方向および主走査方向に直交する副走査方向に走査してスクリーン１５（光学素子の一例）上に中間像４０を形成する光偏向装置１３（光偏向部の一例）と、光を発散させるスクリーン１５と、スクリーン１５から発散された発散光を反射させるフロントガラス５０（反射部材の一例）と、スクリーン１５から発散された発散光をスクリーン１５に向けて投射して虚像４５を結像させる自由曲面ミラー３０（結像光学系の一例）を備える。そして、スクリーン１５は、下記（式１）の条件を満たすように配置される。
【００９３】
【数７】
2019158991.tif 000011
【００９４】
上記（式１）中、Ｓは虚像４５の観察者３の視点から虚像４５までの距離を表し、Ｅは虚像４５の観察者３の視点から発散光によって虚像４５を結像させる自由曲面ミラー３０までの距離を表し、Ｍは光偏向装置１３から中間像４０までの距離を表し、Ｏは中間像４０から自由曲面ミラー３０までの距離を表し、Ｔは自由曲面ミラー３０から虚像４５までの距離を表す。ただし、距離は、基準アイポイントから観察した場合の光により形成される画像中心を通過する光路長である。
【００９５】
そのため、表示システム１Ａは、システムの仕様値である光路長を輝度分布の観点から最適化することができるので、観察者３が視認する虚像４５の端部における輝度の低下および観察者３の視点移動時の輝度の低下を抑制しつつ、良好な輝度分布を有する画像を観察者３に視認させることができる。
【００９６】
●第２の実施形態●
次に、第２の実施形態に係る表示システムついて説明する。なお、上記実施形態と同一構成および同一機能は、同一の符号を付して、その説明を省略する。第２の実施形態に係る表示システム１Ｂは、第１の実施形態で説明した「レーザ走査方式」ではなく、「パネル方式」の投射方式を採用したシステムである。表示システム１Ｂは、発散部材として、スクリーン１５に変えて、液晶パネル１４を備える。
【００９７】
図１４は、第２の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。なお、各光路長は、第１の実施形態で定義した内容と同様である。
【００９８】
ここで、「パネル方式」の投射方式を採用した表示システム１Ｂは、例えば、液晶パネル１４等のイメージングデバイスで中間像４０を形成する。すなわち、第２の実施形態に係る表示装置は、光偏向装置１３を備えていない。液晶パネル１４は、図１４に示すように、＋Ｘ方向端部を点ｂ２、−Ｘ方向の端部を点ｃ２とする中間像４０を形成する。
【００９９】
液晶パネル１４から射出される光線は、自由曲面ミラー３０へ入射する。このとき、中間像４０の＋Ｘ方向端部（点ｂ２）の像を形成する光線は、自由曲面ミラー３０の点ｄ２に入射する。また、中間像４０の−Ｘ方向端部（点ｃ２）の像を形成する光線は、自由曲面ミラー３０の点ｅ２に入射する。図１４に示す液晶パネル１４から射出される光線は、発散光の中心光線を示している。
【０１００】
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の面形状に従い反射される。自由曲面ミラー３０によって反射された光束Ｌ１およびＬ２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）を含むアイリプス領域内の一点の視点に到達する。
【０１０１】
中間像４０の端部（点ｂ２および点ｃ２）からアイリプス領域の少なくとも一部へ発散する光路において、点ｂ２および点ｃ２から射出された光束にそれぞれ対応する自由曲面ミラー３０上の点は、点ｄ２および点ｅ２である。点ｂ２および点ｄ２のＸＺ平面に投影した延長線と、点ｃ２および点ｅ２のＸＺ平面に投影した延長線とが交わる点は、ａ２となる。そのため、第２の実施形態の表示装置における光路長Ｍは、第１の実施形態と同様に、点ｂ２および点ｄ２のＸＺ平面に投影した延長線と点ｃ２および点ｅ２のＸＺ平面に投影した延長線との交点である点ａ２から、中間像４０までの光路長となる。
【０１０２】
この場合、第１の実施形態と同様に、（式１）の条件を満たすことで、点ａ２,ｂ２,ｃ２によって構成される形状と、点ａ２,ｄ２,ｅ２によって構成される形状との相似関係が成り立つ。観察者３に視認させる画像端部の画像光束は、（式１）の条件を満たすように光学設計することによって、効率よくアイリプス領域へ発散される。そのため、表示システム１Ｂは、画像端部の輝度の低下を抑制することができる。
【０１０３】
なお、図１４に示すＸＹＺ軸は、車両実装上のレイアウトを考慮し変更することができる。また、図１４は、ＸＺ平面についてのみ説明したが、Ｙ軸方向においても同様の関係式を用いてシステム設計を行うことができる。さらに、図１４は、反射部材が自由曲面ミラー３０のみで構成されている例を説明したが、これに限定されない。例えば、反射部材として光学素子を複数用いた場合、一つの素子に合成した系を換算して、本実施形態の関係式を満たすよう、システム設計を行えばよい。
【０１０４】
●第２の実施形態の効果
以上説明したように、第２の実施形態に係る表示システム１Ｂは、スクリーン１５として液晶パネル１４を用いた「パネル方式」の投射方式を採用したシステムである。表示システム１Ｂは、「パネル方式」においても、（式１）の条件を満たすことによってシステムの仕様値である光路長を輝度分布の観点から最適化することができる。そのため、表示システム１Ｂ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および観察者３の視点移動時の輝度の低下を抑制しつつ、良好な輝度分布を有する画像を観察者３に視認させることができる。
【０１０５】
●第３の実施形態●
次に、第３の実施形態に係る表示システムついて説明する。なお、上記実施形態と同一構成および同一機能は、同一の符号を付して、その説明を省略する。第３の実施形態に係る表示システム１Ｃは、第１の実施形態で説明した「レーザ走査方式」において、光偏向装置１３とスクリーン１５の光路中に凹面ミラー１６を備える。
【０１０６】
図１５は、第３の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。なお、各光路長は、第１の実施形態で定義した内容と同様である。
【０１０７】
光源装置１１によって合成された光束は、光偏向装置１３の点ａ1に入射し、光偏向装置１３によって走査される。走査された光束は凹面ミラー１６へ入射し、走査角度が変換されスクリーン１５上に二次元走査される。スクリーン１５は、Ｘ軸方向（主走査方向）の幅Ｒの中間像４０を形成する。
【０１０８】
光偏向装置１３から射出された光束は、凹面ミラー１６へ入射する。このとき、中間像４０の＋Ｘ方向端部（点ｂ３）の像を形成する光線は、自由曲面ミラー３０の点ｄ３に入射する。また、中間像４０の−Ｘ方向端部（点ｃ３）の像を形成する光線は、自由曲面ミラー３０の点ｅ３に入射する。図１５に示すスクリーン１５から射出される光線は、発散光の中心光線を示している。
【０１０９】
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の面形状に従い反射される。自由曲面ミラー３０によって反射された光束Ｌ１およびＬ２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）を含むアイリプス領域内の一点の視点に到達する。
【０１１０】
光偏向装置１３からθ３の角度で＋Ｘ方向に射出された光束は、凹面ミラー１６上の点ｆ３へ入射する。そして、凹面ミラー１６上の点ｆ３に入射した光束は、走査角度がθ１へ変換反射されてスクリーン１５上の点ｂ３に入射する。また、光偏向装置１３からθ３の角度で−Ｘ方向に射出された光束は、凹面ミラー１６上の点ｇ３へ入射する。そして、凹面ミラー１６の点ｇ３に入射した光束は、走査角度がθ１へ変換反射されてスクリーン１５上の点ｃ３に入射する。このとき、点ｆ３および点ｂ３のＸＺ平面に投影した延長線と、点ｇ３および点ｃ３のＸＺ平面に投影した延長線とが交わる点は、点ａ３となる。そのため、第３の実施形態に係る表示装置における光路長Ｍは、第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、点ｂ３および点ｄ３のＸＺ平面に投影した延長線と、点ｃ３および点ｅ３のＸＺ平面に投影した延長線との交点である点ａ３から、中間像４０までの光路長となる。
【０１１１】
この場合、第１の実施形態と同様に、（式１）の条件を満たすことで、点ａ３,ｂ３,ｃ３によって構成される形状と、点ａ３,ｄ３,ｅ３によって構成される形状との相似関係が成り立つ。観察者３に視認させる画像端部の画像光束は、（式１）の条件を満たすように光学設計することによって、効率よくアイリプス領域へ発散される。そのため、表示システム１Ｃは、画像端部の輝度の低下及び観察者の視点移動時の輝度の低下を抑制することができる。
【０１１２】
なお、図１５に示すＸＹＺ軸は、車両実装上のレイアウトを考慮し変更することができる。また、図１５は、ＸＺ平面についてのみ説明したが、Ｙ軸方向においても同様の関係式を用いてシステム設計を行うことができる。さらに、図１５は、光偏向装置１３とスクリーン１５の間に凹面ミラー１６が構成されている例について説明したが、これに限定されない。例えば、凹面ミラー１６は、自由曲面を有する形状としてもよく、反射部材ではなくレンズのような透過部材として構成してもよい。また、表示システム１Ｃは、走査角度を変換する機能としてスクリーン１５と同一素子として設けることも可能である。
【０１１３】
●第３の実施形態の効果
以上説明したように、第３の実施形態に係る表示システム１Ｃは、光偏向装置１３とスクリーン１５の光路中に凹面ミラー１６を備えたシステムである。表示システム１Ｃは、（式１）の条件を満たすことによって、システムの仕様値である光路長を輝度分布の観点から最適化することができる。そのため、表示システム１Ｃ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及び観察者の視点移動時の輝度の低下を抑制しつつ、良好な輝度分布を有する画像を観察者３に視認させることができる。
【０１１４】
●まとめ●
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は、光を発散させるスクリーン１５（光学素子の一例）を備え、スクリーン１５によって発散された発散光によって、観察者３に視認させる所定の虚像４５を形成する。そして、スクリーン１５は、下記（式１）の条件を満たすように配置される。
【０１１５】
【数８】
2019158991.tif 000012
【０１１６】
上記（式１）中、Ｓは虚像４５の観察者３の視点から虚像４５までの距離を表し、Ｅは虚像４５の観察者３の視点から発散光によって虚像４５を結像させる自由曲面ミラー３０（結像光学系の一例）までの距離を表し、Ｍはスクリーン１５を二次元走査してスクリーン１５上に中間像４０を形成させる光偏向装置１３（光偏向部の一例）から中間像４０までの距離を表し、Ｏは中間像４０から自由曲面ミラー３０までの距離を表し、Ｔは自由曲面ミラー３０から虚像４５までの距離を表す。ただし、距離は、基準アイポイントから観察した場合の光により形成される画像中心を通過する光路長である。）
【０１１７】
これによって、表示装置１０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および観察者３の視点移動時の輝度の低下を抑制しつつ、良好な輝度分布を有する画像を観察者３に視認させることができる。
【０１１８】
また、本発明の一実施形態に係る表示装置において、光源装置１１（光源の一例）から射出された光を主走査方向および主走査方向に直交する副走査方向に走査してスクリーン１５（光学素子の一例）上に中間像４０を形成する光偏向装置１３（光偏向部の一例）と、を備える。そして、中間像４０の主走査方向または副走査方向の端部に入射される光の入射角と、端部に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は、１０°以下である。そのため、表示装置１０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および観察者３の視点移動時の輝度の低下を抑制しつつ、良好な輝度分布を有する画像を観察者３に視認させることができる。
【０１１９】
さらに、本発明の一実施形態に係る表示装置において、光偏向装置１３（光偏向部の一例）と中間像４０の主走査方向または副走査方向の両端とを結んで構成される形状と、光偏向装置１３と中間像４０の主走査方向または副走査方向の両端から発散され、自由曲面ミラー３０（結像光学系の一例）に入射される光の両端とを結んで構成される形状とが、相似関係となる。そのため、表示装置１０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および観察者３の視点移動時の輝度の低下を抑制しつつ、良好な輝度分布を有する画像を観察者３に視認させることができる。
【０１２０】
また、本発明の一実施形態に係る表示装置において、スクリーン１５（光学素子の一例）を二次元走査してスクリーン１５上に中間像４０を形成させる光偏向装置１３（光偏向部の一例）から中間像４０までの光路長は、８０ｍｍ〜１２０ｍｍである。そのため、表示装置１０は、表示装置１０の大型化を抑制しつつ、最適な光学設計を行うことが可能になる。
【０１２１】
さらに、本発明の一実施形態に係る表示装置において、光を発散させる液晶パネル１４（光学素子の一例）を有する。そのため、表示装置１０は、「パネル方式」においても、（式１）の条件を満たすことによって、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画像を観察者３に視認させることができる。
【０１２２】
また、本発明の一実施形態に係る表示システムにおいて、スクリーン１５（光学素子の一例）から発散された発散光を反射させるフロントガラス５０（反射部材の一例）と、スクリーン１５から発散された発散光をスクリ−ン１５に向けて投射して虚像４５を結像させる自由曲面ミラー３０（結像光学系の一例）を備える。そのため、表示システム１Ａ、１Ｂは、システムの仕様値である光路長を輝度分布の観点から最適化することができるので、観察者３が視認する虚像４５の端部における輝度の低下および観察者３の視点移動時の輝度の低下を抑制しつつ、良好な輝度分布を有する画像を観察者３に視認させることができる。
【０１２３】
なお、本発明の一実施形態に係る表示装置、表示システムおよび移動体について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到することができる範囲内で変更することができる。
【符号の説明】
【０１２４】
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）
１４    液晶パネル
１５    スクリーン（光学素子の一例）
１６    凹面ミラー
３０    自由曲面ミラー（結像光学系の一例）
５０    フロントガラス（反射部材の一例）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１２５】
【特許文献１】特開２０１３−６１５５４号公報
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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