(57)【要約】【課題】  虚像の歪みの補正も十分に図りつつ、小型化も図ることができる画像表示装置を提供する。【解決手段】  光源装置と、光源装置から出射された光を走査して中間画像を形成する画像形成素子を備える走査光学系と、中間画像に基づく虚像を形成する虚像光学系と、を有し、虚像光学系は、中間画像を透過反射部材に向けて拡大投射する拡大凹面鏡を有していて、拡大凹面鏡の反射面の中心の法線は、画像形成素子における中間画像の画像形成面の中心における法線に対して傾斜している、画像表示装置による【選択図】図１
2019211780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源装置と、
前記光源装置から出射された光を走査して中間画像を形成する画像形成素子を備える走査光学系と、
前記中間画像に基づく虚像を形成する虚像光学系と、を有し、
前記虚像光学系は、前記中間画像を透過反射部材に向けて拡大投射する拡大凹面鏡を有していて、
前記拡大凹面鏡の反射面の中心の法線は、前記画像形成素子における中間画像の画像形成面の中心における法線に対して傾斜している、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
上記拡大凹面鏡の長手方向の端部と、上記画像形成素子の長手方向の端部は互いに対向するように配置されていて、
一方の端部の間の長さは、他方の端部の間の長さよりも長い、
請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
上記拡大凹面鏡は、上記画像形成素子の長手方向の中心を通る線を軸として、当該画像形成素子に対して回転した状態で配置されている、
請求項１記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記拡大凹面鏡の回転方向は、前記透過反射部材の傾斜方向と同一方向である、
請求項３記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記拡大凹面鏡は、非回転対称の形状を有する凹面形状である、
請求項１乃至４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記画像形成素子の横方向の長さをＷ、
前記虚像の横方向の長さをＷ’、
前記透過反射部材から前記虚像までの距離をＳ’としたとき、
前記画像形成素子から前記拡大凹面鏡までの距離を示すＳは、以下の条件を満たす、
請求項１乃至５のいずれかに記載の画像表示装置。
（条件）  Ｓ＜ＷＳ’／Ｗ’
【請求項７】
前記光源は、レーザーまたはＬＥＤである、
請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記画像形成素子は、前記光源から出射される光を光走査手段により主走査方向と副走査方向に走査する走査光学系に含まれる、
請求項１乃至７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記画像形成素子は、液晶デバイスまたはＤＭＤにより形成される、
請求項１乃至８のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記物体は、移動体であり、
前記透過反射部材は、前記移動体のフロントウインドシールドであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車や航空機、船舶などの移動体に装備され、当該移動体の動作に関する情報を利用者が視認しやすいように表示するヘッドアップディスプレイと呼ばれる画像表示装置が知られている。ヘッドアップディスプレイは、コンバイナと呼ばれる光学素子に情報を表示するための画像光を投射して、この画像光を利用者の網膜に結像させて、虚像として視認できるようにするものである。コンバイナは、自動車のフロントウインドシールドを併用してもよいし、別体の透過反射部材を用いるようにしてもよい。
【０００３】
ヘッドアップディスプレイは、移動体の利用者（操縦者）の前方に配置されることが多い。例えば、移動体が自動車であれば、ヘッドアップディスプレイはダッシュボードに収納される。したがって、ヘッドアップディスプレイは、小型である方が望ましい。一方、情報の視認性を高める観点からは、虚像が大きくなる構造が望ましい。
【０００４】
ヘッドアップディスプレイにおいて虚像を大きくするには、虚像をコンバイナに投射する光学素子を大きくすればよい。しかし、光学部材を大きくすることはヘッドアップディスプレイの小型化には向かない。このように、ヘッドアップディスプレイの小型化を図ることと、ヘッドアップディスプレイによる虚像を拡大することには、相反する課題が存在する。
【０００５】
そこで、ヘッドアップディスプレイの小型化を図るために、一部の光学素子を小型にして、かつ、虚像の視認性も向上させることを目的とするヘッドアップディスプレイが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のヘッドアップディスプレイは、凹面鏡の部分的な形状を変更することで小型化を図りつつ、虚像の歪みを補正できるようにしている。凹面鏡の形状は虚像の歪み補正に大きく影響する。したがって、部分的であっても凹面鏡の形状を変更することは、虚像の歪み補正の観点から望ましくない。ヘッドアップディスプレイの小型化を図るために凹面鏡を小型にしたり、形状の一部を変更したりすると虚像の歪み補正を十分に図れなくなる可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、虚像の歪みの補正も十分に図りつつ、小型化も図ることができる画像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】
【０００８】
本発明は、画像表示装置に関するものであって、光源装置と、前記光源装置から出射された光を走査して中間画像を形成する画像形成素子を備える走査光学系と、前記中間画像に基づく虚像を形成する虚像光学系と、を有し、前記虚像光学系は、前記中間画像を透過反射部材に向けて拡大投射する拡大凹面鏡を有していて、前記拡大凹面鏡の反射面の中心の法線は、前記画像形成素子における中間画像の画像形成面の中心における法線に対して傾斜している、ことを最も主な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、虚像の歪みの補正も十分に図りつつ、小型化も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る画像表示装置の実施形態であるヘッドアップディスプレイの例を示す構成図である。
【図２】上記ヘッドアップディスプレイが備える光源部の例を示す構成図である。
【図３】上記ヘッドアップディスプレイが備える走査光学系の例を示す構成図である。
【図４】上記ヘッドアップディスプレイが備える虚像光学系の一部の配置例を示す図であって、（ａ）従来の配置例、（ｂ）本発明の配置例、である。
【図５】上記ヘッドアップディスプレイの光学性能のシミュレーション結果を示すグラフであって、（ａ）従来の配置例による歪曲性能図、（ｂ）本発明の配置例による歪曲性能図、である。
【図６】上記ヘッドアップディスプレイの別の光学性能のシミュレーション結果を示すグラフであって、（ａ）従来の配置例によるＭＴＦ性能図、（ｂ）本発明の配置例によるＭＴＦ性能図、である。
【図７】上記ヘッドアップディスプレイを−Ｙ方向から見た一部拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
●ヘッドアップディスプレイ●
以下、本発明に係る画像表示装置の実施形態であるヘッドアップディスプレイ（以下「ＨＵＤ」とする。）について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、ＨＵＤ１０００は、光源部１００と、走査光学系２００と、虚像光学系３００と、を有してなる。
【００１２】
ＨＵＤ１０００は、物体である自動車や航空機、船舶等の移動体に装備され、これらの動作に関する情報を利用者１１にとって視認しやすいように虚像を表示するものである。本実施形態では、ＨＵＤ１０００を自動車に装備した場合を例に用いて説明する。ＨＵＤ１０００の基本的な動作は以下の通りである。まず、光源部１００から出射された光によって、走査光学系２００において自動車の動作に関連する情報を表示するための画像光が形成される。この画像光が虚像光学系３００において拡大投射されて、拡大虚像１２として利用者１１が視認できるようになる。
【００１３】
本実施形態に係る虚像光学系３００は、移動体（自動車）のフロントウインドシールド１０（いわゆるフロントガラス）をコンバイナ３０２として用いている。なお、フロントウインドシールド１０の代わりに、別体の透過反射部材をコンバイナ３０２として用いてもよい。以下の説明において、虚像光学系３００が画像光を投射する対象を表記するときには、「コンバイナ３０２」または「フロントウインドシールド１０」のいずれかを用いることとする。
【００１４】
移動体が自動車である場合、フロントウインドシールド１０は、利用者１１の視野の上下方向において傾斜した状態になっており、上辺側が利用者１１側に近く、下辺側が利用者１１から遠い。また、フロントウインドシールド１０は、利用者１１の視野の左右方向において湾曲している。自動車が右ハンドル仕様の場合、フロントウインドシールド１０の左右方向の湾曲は、左側から右側に向かうにつれて利用者１１側に近くなるような湾曲である。
【００１５】
コンバイナ３０２に画像光が投射されると、当該自動車の利用者１１には、コンバイナ３０２の物理的な位置よりも離れた位置（利用者１１から離れる側）に、虚像が見えるようになる。この虚像として表示される自動車の動作に関連する情報には、自動車の速度や走行距離、行き先表示等のナビゲーション情報等が含まれる。
【００１６】
画像光を投射するコンバイナ３０２としてフロントウインドシールド１０を利用するタイプをフロントガラス投射型という。一方、フロントウインドシールド１０とは別体の透過反射部材を配置するタイプをコンバイナ投射型という。ＨＵＤ１０００を自動車に装備する場合、車内インテリアのデザイン性や、フロントウインドシールド１０とは別部材であるコンバイナ３０２が視界に入ることによる煩わしさ等の観点から、フロントガラス投射型の方がより好適である。
【００１７】
フロントガラス投射型の場合、一般に、自動車のダッシュボード内に中間画像（画像光）を生成する光学系が埋め込まれている。なお、利用者１１の視点は、単に基準となる視点位置（基準アイポイント）を示している。利用者１１の視点範囲は、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。
【００１８】
ここで、本実施形態の説明に用いる３次元直交座標系について図１を用いて説明する。図１に示すように、利用者１１の視野の左右方向をＸ軸方向とする。この場合、利用者１１の右方向（紙面奥方向）が＋Ｘ方向であり、利用者１１の左方向が−Ｘ方向（紙面手前方向）である。また利用者１１の視野の上下方向をＹ軸方向とする。利用者１１の上方向が＋Ｙ方向であり、利用者１１の下方向が−Ｙ方向である。また利用者１１の視野の奥行き方向、すなわち、自動車の進行方向をＺ軸方向とする。前方向が−Ｚ方向であり、後ろ方向が＋Ｚ方向である。以上をまとめて言い換えると、自動車の幅方向がＸ軸方向、自動車の高さ方向がＹ軸方向、自動車の長さ方向がＺ軸方向である。
【００１９】
ＨＵＤ１０００の全体構成について説明する。図１に示すように、虚像光学系３００を構成する拡大凹面鏡３０１からコンバイナ３０２へ入射される画像光における入射領域の中心を、入射領域中心３０３とする。図１に示すように入射領域中心３０３における接平面は、Ｘ軸方向から見て、利用者１１の視点と拡大虚像１２の中心（虚像中心３０５）とを結ぶ第１仮想軸３０４に対して傾斜している。また当該接平面をＹ軸方向から見ると第１仮想軸３０４に対して傾斜している。なお、第１仮想軸３０４は、入射領域中心３０３を通過する軸である。
【００２０】
また、拡大凹面鏡３０１の反射面の中心を、反射面中心３０７とする。反射面中心３０７は、拡大凹面鏡３０１の有効反射領域の中心であり、走査光学系２００から虚像光学系３００へ入射される光束の中心である。
【００２１】
走査光学系２００において形成される中間画像の中心（後述する被走査面の中心）と反射面中心３０７とを結ぶ第２仮想軸３０６を想定すると、図１に示すように、第２仮想軸３０６は、Ｘ軸方向から見て、第１仮想軸３０４に対して傾斜している。また、第２仮想軸３０６をＹ軸方向から見ると第１仮想軸３０４に対して傾斜している。なお、「被走査面の中心」とは、後述する被走査面素子２０３の有効走査領域の中心を意味する。
【００２２】
自動車の高さ方向（Ｙ軸方向）に関して、中間画像の中心（被走査面素子２０３の中心）は、反射面中心３０７よりも上方に位置し、かつ入射領域中心３０３よりも下方に位置している。また、自動車の長さ方向（Ｚ軸方向）に関して、反射面中心３０７は、入射領域中心３０３よりも前方に位置している。
【００２３】
●光源部
次にＨＵＤ１０００の各構成について説明する。光源部１００は、光源装置であって、カラー画像である拡大虚像１２を形成するために用いられる画像表示用ビーム１０１を出射する。画像表示用ビーム１０１は、赤（以下「Ｒ」と表示する。）、緑（以下「Ｇ」と表示する。）、青（以下「Ｂ」と表示する。）の３色のビームを１本に合成した光ビームである。
【００２４】
光源部１００は、各色のレーザー光を出射する半導体レーザー素子である、第１レーザー素子１１０と、第２レーザー素子１２０と、第３レーザー素子１３０と、を有する。また、光源部１００は、各レーザー素子から出射されたレーザー光の発散性を抑止する第１カップリングレンズ１１１と、第２カップリングレンズ１２１と、第３カップリングレンズ１３１と、を有する。また、光源部１００は、各カップリングレンズからの各レーザー光の光束径を規制して整形する第１アパーチュア１１２と、第２アパーチュア１２２と、第３アパーチュア１３２と、を有する。また、光源部１００は、整形された各色のレーザー光束を合成して画像表示用ビーム１０１を出射するビーム合成プリズム１４０と、レンズ１５０と、を有する。
【００２５】
第１レーザー素子１１０は、赤色の画像を形成するレーザー光を出射するレーザー素子である。第２レーザー素子１２０は、緑色の画像を形成するレーザー光を出射するレーザー素子である。第３レーザー素子１３０は、青色の画像を形成するレーザー光を出射するレーザー素子である。各レーザー素子には、端面発光レーザーと呼ばれるレーザーダイオード（ＬＤ）を用いることができる。また、端面発光レーザーに代えて、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を用いることもできる。
【００２６】
ビーム合成プリズム１４０は、赤色のレーザー光を透過させて緑色のレーザー光を反射する第１ダイクロイック膜１４１と、赤色と緑色のレーザー光を透過させて青色のレーザー光を反射する第２ダイクロイック膜１４２と、を有する。
【００２７】
第１レーザー素子１１０から出射された赤色レーザー光は、第１カップリングレンズ１１１と第１アパーチュア１１２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した赤色レーザー光は、第１ダイクロイック膜１４１を通過して直進する。
【００２８】
第２レーザー素子１２０から出射された緑色レーザー光は、第２カップリングレンズ１２１と第２アパーチュア１２２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した緑色レーザー光は、第１ダイクロイック膜１４１で反射されて赤色レーザー光と同方向（第２ダイクロイック膜１４２の方向）へ導光される。
【００２９】
第３レーザー素子１３０から出射された青色レーザー光は、第３カップリングレンズ１３１と第３アパーチュア１３２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した青色レーザー光は、第２ダイクロイック膜１４２において赤色レーザー光及び緑色レーザー光と同方向に反射される。
【００３０】
以上のように、第２ダイクロイック膜１４２を通過した赤色レーザー光及び緑色レーザー光と、第２ダイクロイック膜１４２で反射された青色レーザー光がビーム合成プリズム１４０から出射される。したがって、ビーム合成プリズム１４０から出射されるレーザー光は、赤色レーザー光と緑色レーザー光と青色レーザー光が１本のレーザー光束として合成されたものである。この合成されたレーザー光は、レンズ１５０によって所定の光束径の「平行ビーム」に変換される。この「平行ビーム」が、画像表示用ビーム１０１である。
【００３１】
画像表示用ビーム１０１を構成するＲ、Ｇ、Ｂの各色レーザー光束は、表示対象である「２次元のカラー画像」に係る画像信号に応じて、または、当該画像情報を示す画像データに応じて強度変調されている。このレーザー光束の強度変調は、各色の半導体レーザーを直接変調する方式（直接変調方式）でも良いし、各色の半導体レーザーから出射されたレーザー光束を変調する方式（外部変調方式）でも良い。
【００３２】
すなわち、各半導体レーザー素子は、それぞれを駆動する駆動手段によって、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分の画像信号により発光強度を変調された各色のレーザー光を出射する。
【００３３】
なお、光源として、上記のような半導体レーザー素子に代えてＬＥＤ素子を用いてもよい。
【００３４】
●走査光学系
次に、走査光学系２００について詳細に説明する。図３に示すように、走査光学系２００は、２次元偏向素子２０１と、ミラー２０２と、被走査面素子２０３と、を有してなる。２次元偏向素子２０１は、光源部１００から出射された画像表示用ビーム１０１を２次元的に偏向する画像形成素子である。２次元偏向素子２０１は、互いに直交する２軸を用いて揺動するように構成された微小なミラーの集合体であって、半導体プロセス等で微小揺動ミラー素子として作製されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）である。なお、２次元偏向素子２０１は、上記の例に限られるものではなく、１軸に２個の微小ミラーを配置して、この１軸の周りに２個の微小ミラーが互いに直交する方向に揺動するように構成したものなどでもよい。
【００３５】
なお、２次元偏向素子２０１は、後述する「中間画像」を形成することができるものであれば微小揺動ミラー素子（ＤＭＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ，Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社））に限るものではない。例えば、２次元偏向素子２０１として、透過型液晶パネルを含む透過液晶型素子や、反射型液晶パネルを含む液晶デバイスである反射液晶型素子などを用いてもよい。
【００３６】
画像表示用ビーム１０１は、２次元偏向素子２０１において２次元的に偏向されてミラー２０２に入射する。ミラー２０２は、凹面鏡である。画像表示用ビーム１０１は、ミラー２０２において被走査面素子２０３に向けて反射される。ミラー２０２は、被走査面素子２０３上で発生する走査線（走査軌跡）の曲がりを補正するように設計されている。ミラー２０２により反射された画像表示用ビーム１０１は、２次元偏向素子２０１による偏向に伴い平行移動しつつ被走査面素子２０３に入射する。この画像表示用ビーム１０１によって、被走査面素子２０３が２次元的に走査される。
【００３７】
なお、２次元偏向素子２０１に透過液晶型素子の光学素子を用いるときは、ミラー２０２を経由することなく、透過液晶型において２次元的に偏向された画像表示用ビーム１０１は被走査面素子２０３に入射される。
【００３８】
被走査面素子２０３は、画像表示用ビーム１０１によって主走査方向と副走査方向の２次元的に走査される。より具体的には、例えば、主走査方向は高速で走査され、かつ副走査方向は低速で走査されるラスタースキャンが行われる。この２次元走査によって、被走査面素子２０３において、中間画像が形成される。ここで形成される中間画像は、「カラーの２次元画像」である。本実施形態では、カラー画像を前提として説明しているが、被走査面素子２０３においてモノクロ画像を形成してもよい。
【００３９】
なお、被走査面素子２０３において各瞬間に表示されるのは「画像表示用ビーム１０１が、その瞬間に照射している画素のみ」である。したがって、上記の「カラーの２次元画像」は、画像表示用ビーム１０１による２次元的な走査による「各瞬間に表示される画素の集合」として形成される。
【００４０】
被走査面素子２０３は、微細な凸レンズを用いて構成されている。この「微細凸レンズ構造」によって、被走査面素子２０３に入射した画像表示用ビーム１０１は拡散し、虚像  光学系３００に向けて出射される。被走査面素子２０３において拡散された画像光は、コンバイナ３０２によって利用者１１の目の近傍の広い領域を照射する。これによって、利用者１１が頭を少々動かしても（視点を動かしても）、拡大虚像１２を確実に視認できようになる。
【００４１】
なお、被走査面素子２０３は、微細凸レンズ構造（マイクロレンズアレイ）に限ることはなく、拡散板、透過スクリーン、反射スクリーンなどを用いても良い。本実施形態では、マイクロレンズアレイである被走査面素子２０３は、複数のマイクロレンズが２次元配列されているものを前提としているが、これに代えて、複数のマイクロレンズを１次元配列したもの、又は３次元配列したものと用いてもよい。
【００４２】
●虚像光学系
次に、虚像光学系３００の詳細な構成について説明する。図１において示すように、虚像光学系３００は、拡大凹面鏡３０１と、コンバイナ３０２と、を有してなる。コンバイナ３０２については、既に説明をした通りである。拡大凹面鏡３０１には、被走査面素子２０３において形成された「カラーの２次元画像」が画像情報の画素単位の光（各画素に対応する光）である画素光として入射される。拡大凹面鏡３０１は、入射された画像光をコンバイナ３０２に向けて反射する。
【００４３】
コンバイナ３０２であるフロントウインドシールド１０は、投射された中間画像の水平線が、上または下に凸形状となる。この光学歪み要素を補正するように、拡大凹面鏡３０１は設計され配置されている。
【００４４】
次に、虚像光学系３００の詳細な構成について説明する。説明を容易にするために、図４に示すように、ＨＵＤ１０００を＋Ｙ方向から−Ｙ方向に向かって見た場合の被走査面素子２０３の中央部からの光（第１画像光２１）と、被走査面素子２０３の端部からの光（第２画像光２２、第３画像光２３）を想定する。
【００４５】
図４（ａ）は、従来の光学配置例であって、本実施形態に係る拡大凹面鏡３０１の特徴を明確に説明するための光学配置図である。図４（ｂ）は、本実施形態に係る拡大凹面鏡３０１の被走査面素子２０３に対する光学配置図である。
【００４６】
図４において、被走査面素子２０３の中央部からの第１画像光２１は、拡大凹面鏡３０１の反射面にある仮想点（反射面中心３０７）に入射する。図４（ａ）に示すように、拡大凹面鏡３０１をＸ−Ｚ平面上で被走査面素子２０３に対して回転させずに配置すれば、第２画像光２２と第３画像光２３の長さは同等である。本実施形態に係る拡大凹面鏡３０１は、ＨＵＤ１０００の小型化を図るために、図４（ｂ）に示すように、拡大凹面鏡３０１をＸ−Ｚ平面上で被走査面素子２０３に対して回転させ、第２画像光２２と第３画像光２３の長さを異ならせる。この場合、拡大凹面鏡３０１の回転は、図４（ａ）において示すＡ点の位置においたＹ軸方向と並行の軸を回転軸としたものである。
【００４７】
ここで、拡大虚像１２を利用者１１からみたときの横方向（Ｘ方向）と、拡大凹面鏡３０１の横方向、および被走査面素子２０３の横方向は、同じ方向である。同様に、拡大虚像１２を利用者１１からみたときの縦方向（Ｙ方向）と、拡大凹面鏡３０１の縦方向、および被走査面素子２０３の縦方向は、同じ方向である。
【００４８】
したがって、拡大凹面鏡３０１は、拡大凹面鏡３０１の横方向の端部と、これに対向する被走査面素子２０３の横方向の端部との距離が一方の端部と他方の端部で異なるように配置されている。言い換えると、拡大凹面鏡３０１は、Ｙ軸方向と並行の軸を回転中心とした場合、回転した状態で配置されている。
【００４９】
また、中間画像の横方向（Ｘ方向）と、拡大虚像１２の横方向、および拡大凹面鏡３０１の横方向は同じ方向である。縦方向も同様である。したがって、拡大凹面鏡３０１は、中間画像の横方向の一の端部に対向する端部が被走査面素子２０３の横方向の端部に近く、中間画像の他の端部に対向する端部が被走査面素子２０３の横方向の端部から遠くなるように配置されている。
【００５０】
また、被走査面素子２０３における中間画像形成面の中心における法線と、拡大凹面鏡３０１の反射面中心３０７における法線とは、Ｘ−Ｚ平面において交差する関係になっている。
【００５１】
以上のような拡大凹面鏡３０１の配置状態、すなわち、拡大凹面鏡３０１をＸ−Ｚ平面において被走査面素子２０３に対して回転させた配置状態であって、第２画像光２２と第３画像光２３の長さを異なる状態は、拡大虚像１２の歪みが大きくなる。すなわち、ＨＵＤ１０００の光学性能が低くなる。そこで、本実施形態に係る拡大凹面鏡３０１は、その反射面形状を非回転対称の形状にしている。すなわち、拡大凹面鏡３０１の反射面を自由曲面によって形成している。これによって、拡大虚像１２の収差補正を図ることができ、光学性能を向上させることができる。
【００５２】
●虚像光学系の実施例
次に、虚像光学系３００と拡大凹面鏡３０１の実施例について説明する。表１は、本実施例に係る虚像光学系３００の仕様を表すものである。
【表１】
2019211780.tif 000003
【００５３】
すでに説明したとおり、拡大凹面鏡３０１は、非回転対称形状であって反射面が自由曲面で形成されている鏡である。この拡大凹面鏡３０１の形状は、以下の多項式（式１）によって規定される。式１の各変数に表２に示される数値を代入することで、拡大凹面鏡３０１の形状を求めることができる。
（式１）
2019211780.tif 000004
ここで，
2019211780.tif 000005
2019211780.tif 000006
【００５４】
【表２】
2019211780.tif 000007
【００５５】
次に、本実施例に係るＨＵＤ１０００の各光学素子の位置及び姿勢（角度）について説明する。表３は、本実施例における、拡大虚像１２の画像中心をＸＹＺ直交座標系の座標原点とした場合の各光学素子の位置および姿勢（角度）を示す。
【表３】
2019211780.tif 000008
【００５６】
上記のとおり、本実施例に係る虚像光学系は、以下の条件を満たす。すなわち、被走査面素子２０３の横方向の長さをＷ、拡大虚像１２の横方向の長さをＷ’、コンバイナ３０２から拡大虚像１２までの距離をＳ’、被走査面素子２０３から拡大凹面鏡３０１までの距離をＳとしたとき、以下の式１を満たす、
（式１）  Ｓ＜ＷＳ’／Ｗ’
【００５７】
次に、本実施例における光学性能について計算機を用いたシミュレーション結果を用いて、ＨＵＤ１０００の特徴について説明する。図５に示すシミュレーション結果は、拡大虚像１２からの逆光線追跡によって得られる被走査面素子２０３の歪曲性能を示している。なお、図５（ａ）は、図４（ａ）において示したように、被走査面素子２０３に対して拡大凹面鏡３０１を回転させていない配置状態に基づくシミュレーション結果である。また、図５（ｂ）は図４（ｂ）において示したように、被走査面素子２０３に対して拡大凹面鏡３０１を回転させた配置状態に基づくシミュレーション結果である。すなわち、本実施形態における歪曲性能は、図５（ｂ）のグラフにおいて示されている。
【００５８】
図５において点線で表された格子は、歪曲のない理想の状態を例示したものである。また、同様に実線で表された格子は、それぞれの歪曲性能のシミュレーション結果を示している。図５（ａ）と図５（ｂ）を比較すると明らかなとおり、拡大凹面鏡３０１を被走査面素子２０３に対して回転させた状態にすると、特に端部の歪曲性能が劣る。しかし、長手方向の中央付近を比較すると、実用上問題にならない程度の範囲における性能差である。これは、拡大凹面鏡３０１が非回転対称形状であって、反射面が自由曲面によって形成されているからである。すなわち、ＨＵＤ１０００は、拡大凹面鏡３０１を被走査面素子２０３に対してＸ−Ｚ平面において回転させた状態で配置しても、光学性能の低下は問題にならない程度で収まる。
【００５９】
次に、本実施例における別の光学性能について、上記と同様に計算機を用いたシミュレーション結果を用いて説明する。図６に示すシミュレーション結果は、拡大虚像１２からの逆光線追跡によって得られた被走査面素子２０３に係るＭＴＦ性能を表している。ＭＴＦ性能は、被走査面素子２０３の各角と、各角の中間点、及び被走査面素子２０３の中央点のそれぞれにおける縦方向と横方向の解像度を表すものである。したがって、本来であれば、ＭＴＦ性能を示すには、１８本のグラフを表すことになる。しかし、全ての線をグラフに表すと煩雑かつ不明瞭になり、本実施形態の特徴がわかりづらくなる。そこで、図６に示すように、被走査面素子２０３における対角線上に配置される３点の縦方向におけるＭＴＦ性能のみを表している。
【００６０】
図６の実線は、拡大凹面鏡３０１から被走査面素子２０３をみたときの被走査面素子２０３上の「左下」からの画像光におけるＭＴＦ性能を表している。また、長い破線では、拡大凹面鏡３０１から被走査面素子２０３をみたときの被走査面素子２０３上の「中央」からの画像光におけるＭＴＦ性能を表している。短い破線は、拡大凹面鏡３０１から被走査面素子２０３をみたときの被走査面素子２０３上の「右上」からの画像光におけるＭＴＦ性能を表している。
【００６１】
上記の各画像光と、拡大凹面鏡３０１及び被走査面素子２０３の関係について、説明する。図６（ａ）は、図４（ａ）に示したように、被走査面素子２０３に対して拡大凹面鏡３０１を回転させていないときのＭＴＦ性能を表している。図６（ｂ）は、図４（ｂ）に示したように被走査面素子２０３に対して拡大凹面鏡３０１を回転させたときのＭＴＦ性能を表している。
【００６２】
図６（ａ）と図６（ｂ）を比較すると明らかなとおり、被走査面素子２０３の中央から出射された画像光に係るＭＴＦ性能（長い破線）は、被走査面素子２０３に対して拡大凹面鏡３０１を回転させた場合でも、回転させない場合との差は殆どない。これは、拡大凹面鏡３０１の形状が非回転対称形状であって、反射面が自由曲面によって形成されていることによる効果である。以上のとおり、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、被走査面素子２０３に対して拡大凹面鏡３０１を回転させて配置しても、ＭＴＦ性能は劣らない。
【００６３】
次に、上記の拡大凹面鏡３０１を有するＨＵＤ１０００を、右ハンドルの自動車に装置したときの例について図７を用いて説明する。図７において、実線が従来のヘッドアップディスプレイの装備状態の例を表している。また、破線がＨＵＤ１０００の装備状態の例を表している。
【００６４】
図７に示すとおり、ＨＵＤ１０００は、コンバイナ３０２であるフロントウインドシールド１０の曲面に沿うように拡大凹面鏡３０１が配置されている。したがって、従来よりも、自動車前方にＨＵＤ１０００を配置しても、フロントウインドシールド１０と干渉しないように配置することができる。
【００６５】
また、図７に示すようにＨＵＤ１０００は、横方向（Ｘ方向）の長さは従来とほぼ同等であるが、自動車の前後方向（Ｚ軸方向）における最短部の長さが８７ｍｍほど短縮される。これは、拡大凹面鏡３０１をＸ−Ｚにおいて回転させた状態で配置することの効果である。したがって、ＨＵＤ１０００は、自動車の前後方向において、最短部を大幅に小型化できている。
【００６６】
すでに述べたように拡大凹面鏡３０１を被走査面素子２０３に対して回転させても、光学性能（歪曲とＭＴＦ性能）に関しては、大きく劣る点はない。これは、拡大凹面鏡３０１を非回転対称形状にすることで、拡大虚像１２に生じる歪みを補正しているからである。以上のとおり、本実施例に係るＨＵＤ１０００によれば、小型化を図り、かつ、光学性能は従来のものと同等のものを提供することができる。
【００６７】
以上のとおり、本実施形態に係るＨＵＤ１０００は、反射鏡である拡大凹面鏡３０１の反射面の法線が、画像形成部である被走査面素子２０３の画像形成面の法線に対して傾斜している。すなわち、拡大凹面鏡３０１を被走査面素子２０３に対して回転した状態で配置されている。このように拡大凹面鏡３０１を配置することで、低コストかつ簡易な構成の小型画像表示装置を得ることができる。
【００６８】
また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００は、拡大凹面鏡３０１が被走査面素子２０３に対して回転した状態で配置されている。すなわち、拡大凹面鏡３０１の長手方向の両端と、これに対向する被走査面素子２０３の長手方向のそれぞれの両端との間の長さは異なる。このように拡大凹面鏡３０１を配置することで、低コストかつ簡易な構成の小型画像表示装置を得ることができる。
【００６９】
また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、拡大凹面鏡３０１をフロントウインドシールド１０の傾斜方向に回転させる。すなわち、拡大凹面鏡３０１の回転方向は、フロントウインドシールド１０の傾斜方向と同一方向である。これによって、様々な車種に合わせた画像表示装置の小型化を図ることができる。
【００７０】
また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、拡大凹面鏡３０１が非回転対称の形状を有する凹面形状である。これによって、拡大虚像１２の歪みや解像性能を補正することができ、良好な画質の拡大虚像１２を視認できるようになる。
【００７１】
また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、Ｓ＜ＷＳ´／Ｗ´を満足する。これによって良好な画質の虚像を視認できるようになる。なお、「Ｗ」は、画像形成部である被走査面素子２０３の長手方向（横方向）の長さである。「Ｓ」は、被走査面素子２０３から拡大凹面鏡３０１までの距離である。「Ｗ´」は、ＨＵＤ１０００によって得られる拡大虚像１２の横方向（長手方向）の長さである。「Ｓ´」は、コンバイナ３０２であるフロントウインドシールド１０から拡大虚像１２までの距離である。
【００７２】
また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、光源にレーザー光源もしくはＬＥＤ光源を使用することで、小型かつ、長寿命、かつ色再現性の良い画像表示装置を得ることができる。
【００７３】
また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、被走査面素子２０３を含む走査光学系２００によって中間画像を形成するので、実視界とのかぶりのない高コントラストの拡大虚像１２を表示する画像表示装置を得ることができる。
【００７４】
また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、中間画像を形成する走査光学系２００を２次元偏向素子２０１であるＤＭＤを用いて構成することで、高解像度の拡大虚像１２を表示できる画像表示装置を得ることができる。
【００７５】
また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、自動車、航空機などの移動体において、運転者が少ない視線移動で警報・情報を認知できる画像表示装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１０      フロントウインドシールド
１１      利用者
１２      拡大虚像
１００    光源部
２００    走査光学系
２０３    被走査面素子
３００    虚像光学系
３０１    拡大凹面鏡
３０２    コンバイナ
１０００  ＨＵＤ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７７】
【特許文献１】特開２００４−１０１８２９号公報
【図１】
2019211780.tif 000009
【図２】
2019211780.tif 000010
【図３】
2019211780.tif 000011
【図４】
2019211780.tif 000012
【図５】
2019211780.tif 000013
【図６】
2019211780.tif 000014
【図７】
2019211780.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月23日(2019.7.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間画像を形成する画像形成素子と、
前記中間画像に基づく虚像を形成する虚像光学系と、を有し、
前記虚像光学系は、前記中間画像を透過反射部材に向けて拡大投射する拡大凹面鏡を有していて、
前記拡大凹面鏡の反射面の中心の法線は、前記画像形成素子における中間画像の画像形成面の中心における法線に対して傾斜している、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
上記拡大凹面鏡の長手方向の端部と、上記画像形成素子の長手方向の端部は互いに対向するように配置されていて、
一方の端部の間の長さは、他方の端部の間の長さよりも長い、
請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
上記拡大凹面鏡は、上記画像形成素子の長手方向の中心を通る線を軸として、当該画像形成素子に対して回転した状態で配置されている、
請求項１記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記拡大凹面鏡の回転方向は、前記透過反射部材の傾斜方向と同一方向である、
請求項３記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記拡大凹面鏡は、非回転対称の形状を有する凹面形状である、
請求項１乃至４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記画像形成素子の横方向の長さをＷ、
前記虚像の横方向の長さをＷ’、
前記透過反射部材から前記虚像までの距離をＳ’としたとき、
前記画像形成素子から前記拡大凹面鏡までの距離を示すＳは、
Ｓ＜ＷＳ’／Ｗ’
の条件を満たす請求項１乃至５のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記画像形成素子は、液晶デバイスまたはＤＭＤにより形成される、
請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記物体は、移動体であり、
前記透過反射部材は、前記移動体のフロントウインドシールドであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の画像表示装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明は、画像表示装置に関するものであって、中間画像を形成する画像形成素子と、前記中間画像に基づく虚像を形成する虚像光学系と、を有し、前記虚像光学系は、前記中間画像を透過反射部材に向けて拡大投射する拡大凹面鏡を有していて、前記拡大凹面鏡の反射面の中心の法線は、前記画像形成素子における中間画像の画像形成面の中心における法線に対して傾斜していることを最も主な特徴とする。