(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光により画像を形成する画像表示装置に搭載され、前記光を走査する走査光学系に光を照射する光源ユニットであり、
それぞれ波長の異なる光を発する複数の発光部と、
複数の前記発光部のそれぞれに対応して設けられていて、前記発光部からの前記光を通過させる複数のカップリングレンズと、
複数の前記カップリングレンズのそれぞれに対応して設けられていて、複数の前記発光部が発する前記光の波長に対応して開口径が異なり前記カップリングレンズからの前記光を通過させる複数のアパーチャと、
を有し、
前記アパーチャは、通過する前記光の波長が長いものの前記開口径が大きく設定されている、
光源ユニット。
【請求項２】
前記アパーチャは、通過する前記光の波長が長いものの前記開口における垂直方向または水平方向のいずれか一方が大きく設定されている、
請求項１記載の光源ユニット。
【請求項３】
光により画像を形成する画像表示装置に搭載され、前記光を走査する走査光学系に光を照射する光源ユニットであり、
それぞれ波長の異なる光を発する複数の発光部と、
複数の前記発光部のそれぞれに対応して設けられていて、前記発光部からの前記光を通過させる複数のカップリングレンズと、
複数の前記カップリングレンズのそれぞれに対応して設けられていて、複数の前記発光部が発する前記光の波長に対応して開口径が異なり前記カップリングレンズからの前記光を通過させる複数のアパーチャと、
を有し、
複数の前記カップリングレンズは、それぞれ焦点距離が同一である、光源ユニット。
【請求項４】
前記カップリングレンズは、複数の前記発光部が発する前記光の波長に対応して前記光の収束状態を異ならせる、
請求項１乃至３のいずれかに記載の光源ユニット。
【請求項５】
前記複数のアパーチャからの前記光を合成する光路合成部と、
前記光路合成部からの光を集光させる集光レンズと、
を有する請求項１乃至４のいずれかに記載の光源ユニット。
【請求項６】
前記集光レンズは、前記発光部側のレンズ面が凸面である、
請求項５記載の光源ユニット。
【請求項７】
光を照射する光源ユニットと、
反射面を有し、前記反射面に入射した前記光の向きを変化させて被走査面素子に中間画像を形成させる走査光学系と、
前記中間画像を虚像として表示させる観察光学系と、
を有する、画像表示装置であり、
前記光源ユニットは、請求項１乃至６のいずれかに記載の光源ユニットである、画像表示装置。
【請求項８】
前記被走査面素子は、少なくとも主走査方向について湾曲している、
請求項７記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記画像表示装置は、車両に搭載される、
請求項７または８に記載の画像表示装置。
【請求項１０】
光を照射する光源ユニットと、
反射面を有し、前記反射面に入射した前記光の向きを変化させてスクリーン上に画像を形成させる走査光学系と、
を有する、画像表示装置であり、
前記光源ユニットは、請求項１乃至６のいずれかに記載の光源ユニットである、画像表示装置。
【請求項１１】
光を照射する光源ユニットと、
反射面を有し、前記反射面に入射した前記光の向きを変化させて被走査面素子に中間画像を形成させる走査光学系と、
前記中間画像を虚像として表示させる観察光学系と、
を有する、画像表示装置であり、
前記光源ユニットは、
それぞれ波長の異なる光を発する複数の発光部と、
複数の前記発光部のそれぞれに対応して設けられていて、前記発光部からの前記光を通過させる複数のカップリングレンズと、
複数の前記カップリングレンズのそれぞれに対応して設けられていて、複数の前記発光部が発する前記光の波長に対応して開口径が異なり前記カップリングレンズからの前記光を通過させる複数のアパーチャと、
を有し、
前記被走査面素子は、少なくとも主走査方向について湾曲している、
画像表示装置。
【請求項１２】
画像表示装置は、車両に搭載される、
請求項１１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、光源ユニットと画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や航空機、船舶などの移動体の操縦者（運転者）に対して情報を表示する画像表示装置として、生成した中間画像をウインドウスクリーンなどに投影して表示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１参照）。
【０００３】
ヘッドアップディスプレイの中間画像の投影方式としては、例えばパネル方式とレーザ走査方式とが知られている。パネル方式は、液晶デバイスやデジタルミラーデバイスなどのイメージングデバイスにより中間画像を投影する。レーザ走査方式は、レーザダイオードを備える光源ユニットから射出されたレーザビームを２次元走査デバイスで走査して中間画像を投影する。特に、レーザ走査方式では、発光部をイメージングデバイスにより部分的に遮光して画像を形成するパネル方式とは異なり、画素ごとに発光するか否かを特定することができるため、高コントラストの画像を形成することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザ走査方式のヘッドアップディスプレイでは、搭載される移動体の構造への影響を低減するために、光源ユニットの装置構成の小型化が求められている。
【０００５】
本発明は、装置構成を小型化することができる光源ユニット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】
本発明は、光により画像を形成する画像表示装置に搭載され、前記光を走査する走査光学系に光を照射する光源ユニットであり、それぞれ波長の異なる光を発する複数の発光部と、複数の前記発光部のそれぞれに対応して設けられていて、前記発光部からの前記光を通過させる複数のカップリングレンズと、複数の前記カップリングレンズのそれぞれに対応して設けられていて、複数の前記発光部が発する前記光の波長に対応して開口径が異なり前記カップリングレンズからの前記光を通過させる複数のアパーチャと、を有し、前記アパーチャは、通過する前記光の波長が長いものの前記開口径が大きく設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、装置構成を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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のハードウェア構成の例を示すブロック図である。
【図３】上記ヘッドアップディスプレイの機能構成の例を示す機能ブロック図である。
【図４】本発明に係る光源ユニットの実施形態を示す構成図である。
【図５】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６】上記ヘッドアップディスプレイの実施形態の例を示す光学配置図である。
【図７】本発明に係る光源ユニットの別の実施形態を示す構成図である。
【図８】上記ヘッドアップディスプレイの別の実施形態を示す光学配置図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る光源ユニットと画像表示装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１０】
●画像表示装置●
以下、本発明に係る画像表示装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、画像表示装置であるヘッドアップディスプレイ（以下「ＨＵＤ（Head Up Display）」という。）１は、光源ユニット１０と、走査光学系２０と、観察光学系３０と、を有する。
【００１１】
●ＨＵＤの全体構成
ＨＵＤ１は、自動車や航空機、船舶等の移動体に搭載される。以下、本実施形態では、ＨＵＤ１が移動体の一例である自動車に装備された場合について説明する。
【００１２】
ＨＵＤ１は、移動体の動作や制御に関する情報などを利用者３に対して虚像２として表示する。フロントウインドシールド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、すなわちコンバイナ３２としても機能する。
【００１３】
光源ユニット１０は、走査光学系２０と観察光学系３０とを経由して虚像２を形成する画像表示用ビームを出射する。光源ユニット１０は、本発明に係る光源ユニットの実施形態であり、詳細は後述する。
【００１４】
走査光学系２０は、光源ユニット１０から射出された画像表示用ビームに基づいて、走査光学系２０が自動車の動作に関連する情報を表示するための画像光を形成する。走査光学系２０において形成された画像光は、コンバイナ３２として機能するフロントウインドシールド５０に投射される。
【００１５】
走査光学系２０は、２次元偏向素子である光偏向器２１と、走査ミラー２２と、中間スクリーンである被走査面素子２３と、を有している。光偏向器２１は、光源ユニット１０から出射された画像表示用ビームを２次元偏向走査させて被走査面素子２３に「中間画像」を形成する画像形成素子である。光偏向器２１は、半導体プロセス等で作製された微小揺動ミラー素子を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）であって、例えば、微小な反射面（以下「微小ミラー」という）の集合体である。各微小ミラーは、互いに直交する２軸を用いて揺動するように構成されていて、微小揺動ミラー素子（ＤＭＤ：Digital Micro mirror Device, Texas Instruments社）と呼ばれる。
【００１６】
なお、光偏向器２１については、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てもよい。また、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。光偏向器２１の具体例の詳細については、後述する。
【００１７】
光偏向器２１において２次元的に偏向された走査用ビームは、走査ミラー２２に入射する。走査ミラー２２は、例えば、凹面鏡であって、被走査面素子２３で発生する走査線、すなわち走査軌跡の曲がりを補正するように設計されている。走査ミラー２２により反射された走査用ビームは、光偏向器２１による偏向に伴い平行移動しつつ被走査面素子２３に入射する。この走査用ビームによって、被走査面素子２３が２次元的に走査される。
【００１８】
なお、光偏向器２１に透過液晶型素子の光学素子を用いるときは、走査ミラー２２を経由することなく、透過液晶型素子において２次元的に偏向された走査用ビームが被走査面素子２３に入射する。
【００１９】
被走査面素子２３は、走査用ビームによって主走査方向と副走査方向に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２３における中間画像が形成される。なお、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２３においてモノクロ画像を形成してもよい。
【００２０】
なお、被走査面素子２３において各瞬間で表示されるのは「走査用ビームが、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、走査用ビームによる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。
【００２１】
被走査面素子２３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２３に入射した走査用ビームは出射面において拡散する。被走査面素子２３から出射される拡散画像光は、コンバイナ３２によって利用者３の目の近傍の広い領域に投射される。これによって、利用者３が頭を少々動かして視点を動かしても、虚像２を確実に視認できようになる。
【００２２】
なお、被走査面素子２３は、マイクロレンズアレイのような微細凸レンズ構造に限ることはなく、拡散板、透過スクリーン、反射スクリーンなどを用いてもよい。本実施形態では、被走査面素子２３はマイクロレンズアレイを例として説明しているので、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。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次元配列したものを用いてもよい。
【００２３】
観察光学系３０は、凹面ミラー３１とコンバイナ３２とを備える。フロントウインドシールド５０は、平面ではない場合に、投射された画像光によって表示される虚像２が歪む。凹面ミラー３１は、この歪みを補正するために走査光学系２０とコンバイナ３２との間に配置されている単一のミラーである。凹面ミラー３１により、中間画像の水平線が上または下に凸形状になる光学歪み要素が補正される。
【００２４】
本実施の形態において、コンバイナ３２には、自動車などの移動体のフロントウインドシールド５０を用いている。なお、フロントウインドシールド５０の代わりに、入射された光の一部を透過させて、少なくとも一部を反射させる別体の透過反射部材（部分反射鏡）をコンバイナ３２として用いてもよい。以下の説明において、観察光学系３０において画像光が投射される対象は、コンバイナ３２またはフロントウインドシールド５０のいずれかである。
【００２５】
コンバイナ３２に画像光が投射されると、利用者３の視界には、コンバイナ３２の物理的な位置よりも離れた位置、すなわち利用者３から離れる側に虚像２が現れる。虚像２には、例えば自動車の動作に関連する情報である、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表示される。
【００２６】
ＨＵＤ１において画像光を投射するコンバイナ３２としてフロントウインドシールド５０を利用するタイプをフロントウインドシールド投射型という。一方、ＨＵＤ１において、フロントウインドシールド５０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。ＨＵＤ１を自動車に装備する場合には、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５０とは別部材であるコンバイナ３２が視界に入ることによる煩わしさ等の観点から、フロントウインドシールド投射型の方がより好適である。
【００２７】
コンバイナ３２に投射される画像光である中間画像を生成する走査光学系２０は、自動車のダッシュボード内に埋め込まれていてもよい。なお、利用者３の視点は、単に基準となる視点位置、つまり基準アイポイントを示している。利用者３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。
【００２８】
なお、本発明に係る画像表示装置は、観察光学系３０を有しないで、光を照射する光源ユニット１０による画像を直接的にスクリーン上に形成するものであってもよい。
【００２９】
本実施形態の説明に用いる３次元直交座標系は、図１に示すように、利用者３の視野の左右方向をＸ軸方向とする。この場合、利用者３の右方向（紙面奥方向）が＋Ｘ方向であり、利用者３の左方向が−Ｘ方向（紙面手前方向）である。また利用者３の視野の上下方向をＹ軸方向とする。利用者３の上方向が＋Ｙ方向であり、利用者３の下方向が−Ｙ方向である。また利用者３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。本実施形態の説明に用いる３次元直交座標系は、換言すれば自動車の幅方向が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。
【００３０】
●ハードウェア構成
図２に示すように、ＨＵＤ１は、ハードウェア構成として、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）６００、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６０２を有する。また、ＨＵＤ１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）６０４、ＲＡＭ（Random Access Memory）６０６、Ｉ／Ｆ（Interface）６０８、バスライン６１０を有する。また、ＨＵＤ１は、ＬＤ（Laser Diode）ドライバ６１１１、ＭＥＭＳコントローラ６１５を有する。
【００３１】
ＦＰＧＡ６００は、ＬＤドライバ６１１１やＭＥＭＳコントローラ６１５を制御する。ＬＤドライバ６１１１は、ＦＰＧＡ６００による制御に基づいて、光源ユニット１０のレーザダイオード（ＬＤ）１１１を動作させる。ＭＥＭＳコントローラ６１５は、ＦＰＧＡ６００による制御に基づいて、光偏向器２１を動作させる。ＣＰＵ６０２は、ＨＵＤ１の各機能を制御する。ＲＯＭ６０４は、ＣＰＵ６０２がＨＵＤ１の各機能を制御するために実行する画像処理用プログラムを記憶している。ＲＡＭ６０６は、ＣＰＵ６０２のワークエリアとして使用される。Ｉ／Ｆ６０８は、外部コントローラ等と通信するためのインターフェイスである。Ｉ／Ｆ６０８は、例えば、ＣＡＮ(Controller Area Network)等の移動体の内部のネットワークにＨＵＤ１を接続させることができる。
【００３２】
●機能構成
図３に示すように、ＨＵＤ１は、機能構成として、車両情報入力部８００、外部情報入力部８０２、画像生成部８０４、画像表示部８０６という機能ブロックを有する。車両情報入力部８００には、ＣＡＮ等から速度、走行距離等の車両の情報が入力される。外部情報入力部８０２には、外部ネットワークから例えばＧＰＳ（Global Positioning System）からの位置情報などの車両外部の情報が入力される。画像生成部８０４は、車両情報入力部８００および外部情報入力部８０２から入力される情報に基づいて、画像を生成する制御を実行する。画像表示部８０６は、光源ユニット１０および走査光学系２０の動作を制御する制御部８０６０を備えている。制御部８０６０の制御により、ＨＵＤ１では、フロントウインドシールド５０に画像光が投射される。以上の機能ブロックの動作によって、ＨＵＤ１では、利用者３の視点において虚像２が視認できる状態になる。
【００３３】
●光源ユニット（１）●
ＨＵＤ１が備える光源ユニット１０について説明する。上述のように、光源ユニット１０は、本発明に係る光源ユニットの一実施の形態である。
【００３４】
図４に示すように、光源ユニット１０は、カラー画像である虚像２を形成するために用いられる画像表示用ビームを出射する。画像表示用ビームは、赤（以下「Ｒ」とも表示する。）、緑（以下「Ｇ」とも表示する。）、青（以下「Ｂ」とも表示する。）の３色のビームを１本に合成した光ビームである。
【００３５】
光源ユニット１０は、第１レーザ素子１１１Ｒ、第２レーザ素子１１１Ｇ、第３レーザ素子１１１Ｂを有している。また、光源ユニット１０は、第１カップリングレンズ１１２Ｒ、第２カップリングレンズ１１２Ｇ、第３カップリングレンズ１１２Ｂと、第１アパーチャ１１３Ｒ、第２アパーチャ１１３Ｇ、第３アパーチャ１１３Ｂとを有している。また、光源ユニット１０は、合成素子１１５Ｇ、合成素子１１５Ｒと、集光レンズ１１６とを有している。
【００３６】
●発光部の構成
光源ユニット１０は、互いに異なる波長（色）のレーザ光を出射する複数の半導体レーザ素子を有している。半導体レーザ素子は、発する波長ごとに、赤色光を出射する第１レーザ素子１１１Ｒと、緑色光を出射する第２レーザ素子１１１Ｇと、青色光を出射する第３レーザ素子１１１Ｂが設けられている。以下の説明において、第１レーザ素子１１１Ｒ、第２レーザ素子１１１Ｇ、第３レーザ素子１１１Ｂを発光部ともいう。
【００３７】
本実施の形態において、第１レーザ素子１１１Ｒが発する赤色光の波長λＲが６５０ｎｍ、第２レーザ素子１１１Ｇが発する緑色光の波長λＧが５１５ｎｍ、第３レーザ素子１１１Ｂが発する青色光の波長λＢが４５３ｎｍである。つまり、光源ユニット１０を構成する複数の発光部が発する光の波長は、λＲ＞λＧ＞λＢの関係である。
【００３８】
各レーザ素子には、端面発光レーザと呼ばれるレーザダイオード（ＬＤ）を用いることができる。また、端面発光レーザに代えて、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER））を用いることもできる。
【００３９】
●カップリングレンズの構成
光源ユニット１０は、各レーザ素子から出射されたレーザ光の発散性を抑止する第１カップリングレンズ１１２Ｒと、第２カップリングレンズ１１２Ｇと、第３カップリングレンズ１１２Ｂと、を有する。本実施の形態において、第１カップリングレンズ１１２Ｒ、第２カップリングレンズ１１２Ｇ、第３カップリングレンズ１１２Ｂは、焦点距離がいずれも８ｍｍのレンズを用いている。
【００４０】
集光レンズ１１６が無い状態における第１カップリングレンズ１１２Ｒ、第２カップリングレンズ１１２Ｇ、第３カップリングレンズ１１２Ｂによる収束状態は、発光部側からＲ、Ｇ、Ｂの順にビームウェスト位置が並ぶように調整されている。すなわち、第１カップリングレンズ１１２Ｒ、第２カップリングレンズ１１２Ｇ、第３カップリングレンズ１１２Ｂは、通過する光の波長が長いものほど収束度合いが強い。
【００４１】
各色の発光部から放射された各ビームのビームウェストは一致するのが望ましい。しかし、３色のビームを１本に合成した光ビームが通過する集光レンズ１１６は、波長が長いほど屈折率が下がってしまうため、ビームウェストが遠ざかってしまう。
【００４２】
そこで、第１カップリングレンズ１１２Ｒ、第２カップリングレンズ１１２Ｇ、第３カップリングレンズ１１２Ｂは、上述のようにあらかじめ波長の長いビームに対するカップリングレンズの収束度合いを強く設定している。このように設定することにより、光源ユニット１０では、集光レンズ１１６を備えた状態でビームウェストを一致させることができる。
【００４３】
●アパーチャの構成
光源ユニット１０は、光ビームを通過させる開口により各カップリングレンズからの各レーザ光の光束径を規制して整形する第１アパーチャ１１３Ｒと、第２アパーチャ１１３Ｇと、第３アパーチャ１１３Ｂとを有する。第１アパーチャ１１３Ｒ、第２アパーチャ１１３Ｇ、第３アパーチャ１１３Ｂは、楕円形状の開口を備え、それぞれ垂直方向と水平方向の開口径が下記の値である。
【００４４】
第１アパーチャ１１３Ｒ：１．８ｍｍ×３．５ｍｍ
第２アパーチャ１１３Ｇ：１．６ｍｍ×３．０ｍｍ
第３アパーチャ１１３Ｂ：１．５ｍｍ×２．６ｍｍ
【００４５】
すなわち、第１アパーチャ１１３Ｒ、第２アパーチャ１１３Ｇ、第３アパーチャ１１３Ｂは、通過する光の波長が長いものほど開口径が大きくなるように設定している。
【００４６】
各アパーチャには、光束の発散角等に応じて、円形、楕円形、長方形、正方形等の様々な形状のものを用いてもよい。
【００４７】
●合成素子の構成
光源ユニット１０は、第２アパーチャ１１３Ｇにより整形された緑色光と第３アパーチャ１１３Ｂにより整形された青色光のレーザ光束を合成する合成素子１１５Ｇを有する。また、光源ユニット１０は、合成素子１１５Ｇにより合成された光ビームと第１アパーチャ１１３Ｒにより整形された赤色光のレーザ光束を合成する合成素子１１５Ｒを有する。合成素子１１５Ｇと合成素子１１５Ｒは、プレート状或いはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じて光束を反射または透過して１つの光として画像表示用ビームに合成する光路合成部である。
【００４８】
第３レーザ素子１１１Ｂから出射された青色レーザ光は、第３カップリングレンズ１１２Ｂと第３アパーチャ１１３Ｂを介して合成素子１１５Ｇに入射する。合成素子１１５Ｇに入射した青色レーザ光は、合成素子１１５Ｇを通過して直進する。
【００４９】
第２レーザ素子１１１Ｇから出射された緑色レーザ光は、第２カップリングレンズ１１２Ｇと第２アパーチャ１１３Ｇを介して合成素子１１５Ｇに入射する。合成素子１１５Ｇに入射した緑色レーザ光は、合成素子１１５Ｇで反射されて青色レーザ光とともに合成素子１１５Ｒの方向へ導光される。
【００５０】
第１レーザ素子１１１Ｒから出射された赤色レーザ光は、第１カップリングレンズ１１２Ｒと第１アパーチャ１１３Ｒを介して合成素子１１５Ｒに入射する。合成素子１１５Ｒに入射した赤色レーザ光は、合成素子１１５Ｒにより青色レーザ光および緑色レーザ光と同方向に反射される。
【００５１】
合成素子１１５Ｒを通過した青色レーザ光および緑色レーザ光と、合成素子１１５Ｒで反射された赤色レーザ光は、合成素子１１５Ｒから集光レンズ１１６に向けて出射される。合成素子１１５Ｒから出射されるレーザ光は、赤色レーザ光と緑色レーザ光と青色レーザ光が１本のレーザ光の光ビームに合成されたものである。
【００５２】
合成素子１１５Ｒから出射されたレーザ光は、集光レンズ１１６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。
【００５３】
●集光レンズの構成
光源ユニット１０は、合成素子１１５Ｒにより合成された画像表示用ビームを、後述する光偏向器２１に向かって出射する集光レンズ１１６を有する。集光レンズ１１６は、例えば出射側に凹面を向けて発光部側に凸面を向けているメニスカスレンズである。つまり、集光レンズ１１６は、入射面と出射面の両面が発光部に向かって凸面である。
【００５４】
集光レンズ１１６は、このような構成を採用することにより、集光レンズ１１６を通過する光束径を小さくすることができる。このため、光源ユニット１０では、装置構成を小型化することができる。また、光源ユニット１０では、第１アパーチャ１１３Ｒ、第２アパーチャ１１３Ｇ、第３アパーチャ１１３Ｂの開口径を大きくできるため、光利用効率を向上させることができる。
【００５５】
画像表示用ビームを構成するＲ、Ｇ、Ｂの各色レーザ光束は、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。このレーザ光束の強度変調は、各色の半導体レーザ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から出射されたレーザ光束を変調する方式（外部変調方式）でも良い。
【００５６】
すなわち、各発光部は、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光を出射する。
【００５７】
光源ユニット１０では、中間スクリーンにおけるビームウェスト径が主走査方向で１３４μｍ、副走査方向で１５５μｍであり、６０ｐｐｄ以上の高解像なヘッドアップディスプレイに用いる光源ユニットとして十分な性能を有している。
【００５８】
なお、発光部として、上記のような半導体レーザ素子に代えてＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子を用いてもよい。
【００５９】
●光偏向器
図５に示すように、光偏向器２１は、半導体プロセスにて製造されるＭＥＭＳミラーである微小ミラー２１０を備えている。なお、図６において、光偏向器２１の長手方向の軸をｘ軸、短手方向の軸をｙ軸、ｘ軸とｙ軸に直行し光偏向器２１で反射された光の進行方向をｚ軸とする。図５におけるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は、図１において示したＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向とは異なる。
【００６０】
微小ミラー２１０は、その両側に複数の折り返し部を有して蛇行して形成された一対の蛇行状梁部１５２を有する。蛇行状梁部１５２は、一つおきに第１梁部１５２ａと第２梁部１５２ｂに分けられている。なお、蛇行状梁部１５２は、枠部材１５４に支持されている。
【００６１】
第１梁部１５２ａと第２梁部１５２ｂには蛇行した隣り合う梁部ごとに独立の圧電部材１５６が設けられている。圧電部材１５６は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）である。これらの圧電部材１５６の一つおきに異なる電圧が印加されることで、第１梁部１５２ａと第２梁部１５２ｂに反りを発生させる。この反りによって、隣り合う梁部が異なる方向に撓み、撓みが累積されることで微小ミラー２１０がｘ軸周りに大きな角度で回転する。
【００６２】
以上の構成からなる光偏向器２１を用いれば、ｘ軸を中心とした垂直方向への光走査を低い電圧で行うことができる。一方、ｙ軸を中心とした水平方向では、微小ミラー２１０に接続されたトーションバーなどを利用した共振による光走査が行われる。
【００６３】
●走査光学系と観察光学系
図６に示すとおり、ＨＵＤ１は、光源ユニット１０から出射された光を用いて虚像２を形成するための走査光学系と観察光学系として、光偏向器２１と、中間スクリーンである被走査面素子２３と、凹面ミラー３１と、コンバイナ３２とを有している。なお、図６は一部の光学素子の図示を省略している。
【００６４】
図６は、ＨＵＤ１を＋Ｙ方向から見た平面図である。車体進行方向（Ｚ方向）の寸法を短くしてＨＵＤ１を小型にするために、凹面ミラー３１は車体の左右方向（Ｘ方向）において大きく傾けられている。ここで、凹面ミラー３１のＸ方向における傾きをθ２、被走査面素子２３のＸ方向における傾きをθ３、コンバイナ３２のＸ方向における傾きをθ１とする。ＨＵＤ１において凹面ミラー３１は、θ２がθ１よりも大きく、かつ、θ３よりも大きくなる傾きをもって配置されている。すなわち、ＨＵＤ１は、θ２＞θ１，θ２＞θ３を満たすような光学配置になっている。
【００６５】
●数値実施例１
以上説明したＨＵＤ１の光源ユニット１０の各発光色に対応する構成要素について、面番号ごとの曲率半径Ｒと面間隔Ｄと屈折率Ｎの数値実施例を表１に示す。表１において、第１レーザ素子１１１ＲをＬＤ：Ｒ、第２レーザ素子１１１ＧをＬＤ：Ｇ、第３レーザ素子１１１ＢをＬＤ：Ｂとして示す。
【００６６】
表１
0006492966.tif 000002
【００６７】
表１によれば、本実施の形態に係るＨＵＤ１と光源ユニット１０が高い表示品質を得ながら装置構成を小型化できる。
【００６８】
なお、光源ユニット１０を搭載したＨＵＤ１では、集光レンズ１１６と被走査面素子２３との間にパワーを有する屈折光学素子を有しないのが望ましい。このように構成することで、ＨＵＤ１では、ビーム間の結像位置の関係が崩れない。
【００６９】
●実施の形態の効果
以上説明したように、光源ユニット１０を搭載したＨＵＤ１によれば、光の波長に対応してアパーチャの開口径が異なるため、ビームウェスト径を小径化でき、かつビーム間偏差を小さくできるため、高画質化しつつ装置構成を小型化することができる。
【００７０】
また、光源ユニット１０を搭載したＨＵＤ１によれば、カップリングレンズの収束状態が、発光部が発する光の波長に対応して異なるため、複数の発光部からの光ビームが進行方向についてビームウェストを持つ位置を合わせることができる。
【００７１】
また、光源ユニット１０を搭載したＨＵＤ１によれば、複数のカップリングレンズの焦点距離が同一であるため、カップリングレンズを共通化することができる。
【００７２】
また、光源ユニット１０を搭載したＨＵＤ１によれば、複数の発光部からの光を合成した後に光を集光させる集光レンズ１１６を有することで、光源ユニット１０の光学系の倍率を小さくすることができる。つまり、光源ユニット１０を搭載したＨＵＤ１によれば、感度を低減させることができ、製造しやすい光源ユニットとすることができる。さらに、光源ユニット１０を搭載したＨＵＤ１によれば、結像点におけるＮＡを大きくできるため、ビームウェスト径を小径化できる。
【００７３】
また、光源ユニット１０を搭載したＨＵＤ１によれば、レンズ面をともに光源側に凸面を向けたメニスカスレンズを集光レンズ１１６に用いることで、集光レンズ１１６の主点位置を結像点側にすることができ、光源光学系の倍率を下げることができる。つまり、光源ユニット１０を搭載したＨＵＤ１によれば、ビームウェスト径を小径化できる。
【００７４】
●光源ユニット（２）●
本発明に係る光源ユニットの別の実施形態について、先に説明した実施形態の光源ユニット１０との相違点を中心に説明する。
【００７５】
図７に示すように、光源ユニット１１は、第１レーザ素子１１１Ｒ、第２レーザ素子１１１Ｇ、第３レーザ素子１１１Ｂからの光ビームが合成された後の集光レンズ１１７が、出射側が平面で発光部側が凸面の凸レンズである。光源ユニット１１は、この点が先に説明した光源ユニット１０と相違する。
【００７６】
光源ユニット１１において、発光部から出射された光は、カップリングレンズにより実質的に平行な光束に変換された後に集光レンズ１１７により結像される。ここで、集光レンズ１１７が凸レンズであることで、光源ユニット１１では、集光レンズ１１７を用いない場合と比較して光源ユニット１１の光学系、すなわち光源光学系のＮＡを大きくすることができる。
【００７７】
光源ユニット１１では、中間スクリーンにおけるビームウェスト径は主走査方向１１３ｕｍ、副走査方向７６ｕｍであり、６０ｐｐｄ以上の高解像なヘッドアップディスプレイに用いる光源ユニットとして十分な性能を有している。
【００７８】
●実施形態の効果
以上説明したように、光源ユニット１１によれば、ビームウェスト径をさらに小径化できるため、光源ユニット１１を搭載するＨＵＤ１の解像度を高くすることができる。
【００７９】
また、光源ユニット１１によれば、光源光学系の倍率を低くすることができるため、製造誤差による影響（誤差感度）を低減できる。つまり、光源ユニット１１によれば、より安価に画像表示装置を提供することができる。
【００８０】
●数値実施例２
以上説明した光源ユニット１１の各発光色に対応する構成要素について、面番号ごとの曲率半径Ｒと面間隔Ｄと屈折率Ｎの数値実施例を表１に示す。表１において、第１レーザ素子１１１ＲをＬＤ：Ｒ、第２レーザ素子１１１ＧをＬＤ：Ｇ、第３レーザ素子１１１ＢをＬＤ：Ｂとして示す。
【００８１】
表２
0006492966.tif 000003
【００８２】
表２によれば、本実施の形態に係る光源ユニット１１が高い表示品質を得ながら装置構成を小型化できる。
【００８３】
●画像表示装置（２）●
本発明に係る画像表示装置の別の実施形態であるＨＵＤ１００について、先に説明した実施形態のＨＵＤ１との相違点を中心に説明する。
【００８４】
図８に示すように、本実施の形態に係るＨＵＤ１００は、中間スクリーンである被走査面素子２３を主走査方向について湾曲させている点が先に説明したＨＵＤ１と相違する。
【００８５】
光偏向器２１により偏向走査された光束で被走査面素子２３を直接的に走査する場合には、像高間で光偏向器２１から被走査面素子２３までの距離が異なるため、走査位置間のピントずれである像面湾曲が生じてしまう。像面湾曲は、ビーム径を太らせる要因となる。
【００８６】
そこで、ＨＵＤ１００では、被走査面素子２３を像面湾曲に対応して湾曲させている。被走査面素子２３の湾曲形状は、より望ましくは光偏向器２１の表面を中心とした円弧状にするとよい。
【００８７】
また、ＨＵＤ１００では、被走査面素子２３を光偏向器２１から４５ｍｍの位置に配置し、被走査面素子２３の主走査方向の曲率半径を４５ｍｍとして、光偏向器２１から被走査面素子２３までの距離と被走査面素子２３の曲率半径とを一致させる。
【００８８】
以上説明したように、ＨＵＤ１００によれば、被走査面素子２３における中間画像のビーム径偏差を低減できるため、高解像度化と表示品質の向上を達成した画像表示装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１          ：ＨＵＤ
２          ：虚像
３          ：利用者
１０        ：光源ユニット
１１        ：光源ユニット
２０        ：走査光学系
２１        ：光偏向器
２２        ：走査ミラー
２３        ：被走査面素子
３０        ：観察光学系
３１        ：凹面ミラー
３２        ：コンバイナ
５０        ：フロントウインドシールド
１００      ：ＨＵＤ
１０１      ：画像表示用ビーム
１０２      ：走査用ビーム
１１１Ｒ    ：第１レーザ素子
１１１Ｇ    ：第２レーザ素子
１１１Ｂ    ：第３レーザ素子
１１２Ｒ    ：第１カップリングレンズ
１１２Ｇ    ：第２カップリングレンズ
１１２Ｂ    ：第３カップリングレンズ
１１３Ｒ    ：第１アパーチャ
１１３Ｇ    ：第２アパーチャ
１１３Ｂ    ：第３アパーチャ
１１５Ｇ    ：合成素子
１１５Ｒ    ：合成素子
１１６      ：集光レンズ
１１７      ：集光レンズ
１５２      ：蛇行状梁部
１５２ａ    ：第１梁部
１５２ｂ    ：第２梁部
１５４      ：枠部材
１５６      ：圧電部材
２１０      ：微小ミラー
６００      ：ＦＰＧＡ
６０２      ：ＣＰＵ
６０４      ：ＲＯＭ
６０６      ：ＲＡＭ
６０８      ：Ｉ／Ｆ
６１０      ：バスライン
６１５      ：ＭＥＭＳコントローラ
８００      ：車両情報入力部
８０２      ：外部情報入力部
８０４      ：画像生成部
８０６      ：画像表示部
６１１１    ：ＬＤドライバ
８０６０    ：制御部
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９０】
【特許文献１】特許第４４７４７１１号公報
【図１】
0006492966.tif 000004
【図２】
0006492966.tif 000005
【図３】
0006492966.tif 000006
【図４】
0006492966.tif 000007
【図５】
0006492966.tif 000008
【図６】
0006492966.tif 000009
【図７】
0006492966.tif 000010
【図８】
0006492966.tif 000011