(57)【要約】【課題】機械的な可動機構を不要とし、再生位置を変化させて虚像を表示する表示装置を提供すること。【解決手段】光を供給する光源部１１と、光源部１１からの光の位相を変調することにより像を形成する位相変調部１２と、位相変調部１２による変調により形成された像を結像する結像光学系１４と、を有し、位相変調部１２は、位相変調パターンに応じた回折光を生じさせながら光の位相を変化させることにより位相変調部１２及び結像光学系１４の間に中間像１３を形成し、かつ中間像１３の位置を変化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を供給する光源部と、
前記光源部からの光の位相を変調することにより像を形成する位相変調部と、
前記位相変調部による変調により形成された像を結像する結像光学系と、を有し、
前記位相変調部は、位相変調パターンに応じた回折光を生じさせながら光の位相を変化させることにより前記位相変調部及び前記結像光学系の間に中間像を形成し、かつ前記中間像の位置を変化させることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記位相変調部は、液晶素子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３】
前記液晶素子は、電界制御複屈折モードの液晶素子であることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記光源部は、コヒーレント光を供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項５】
前記結像光学系からの光のうちの一部を透過させ、他の一部の光を反射させる部分透過ミラーを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項６】
前記位相変調部は、一次回折光を用いて像を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項７】
前記結像光学系は、前記位相変調部からのゼロ次回折光が入射する位置以外の位置に設けられることを特徴とする請求項６に記載の表示装置。
【請求項８】
前記位相変調部からの前記ゼロ次回折光と前記一次回折光とを分離させる光分離部を有することを特徴とする請求項７に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置、特に、虚像による表示を映し出す表示装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ユーザの視野に直接表示を映し出すヘッドアップディスプレイが提案されている。ヘッドアップディスプレイとしては、例えば、運転者の視野にメータ等の表示を映し出す車両用表示装置が知られている。運転者の視野に表示を映し出すことにより、運転中の視線移動を少なくすることが可能となる。また、運転者から遠い位置を焦点位置とする表示により、フロントガラスを通して目視される物と虚像との焦点距離の差を小さくでき、表示を見易くすることが可能となる。さらに、虚像の焦点距離を可変とすることにより、車両の進行によって像が移動して見えるような表示も可能となる。従来、虚像の焦点距離を変化させるための技術は、例えば、特許文献１に提案されている。特許文献１に提案される技術では、ＣＲＴ等の変調部、或いは投写光学系を構成するレンズの移動により虚像の焦点距離を変化させる。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−４３３９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に提案される技術の場合、光学要素の少なくとも１つを移動させるための可動機構が必須となる。構成の簡素化を図る上で、また高い信頼性及び高度な光学特性を得る観点から、機械的な可動機構を必要とせずに虚像の焦点距離を変化できる構成とすることが望ましい。本発明は、上述に鑑みてなされたものであり、機械的な可動機構を不要とし、再生位置を変化させて虚像を表示する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】
【０００５】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、光を供給する光源部と、光源部からの光の位相を変調することにより像を形成する位相変調部と、位相変調部による変調により形成された像を結像する結像光学系と、を有し、位相変調部は、位相変調パターンに応じた回折光を生じさせながら光の位相を変化させることにより位相変調部及び結像光学系の間に中間像を形成し、かつ中間像の位置を変化させることを特徴とする表示装置を提供することができる。
【０００６】
位相変調部は、光の位相を変調することで像を形成するとともに、中間像の位置を変化させる。位相変調部及び結像光学系の間に形成された中間像は、結像光学系を通して虚像として観察される。中間像の位置、大きさを変化させることにより、虚像の再生位置、大きさを変化させて表示することができる。位相変調部による光の位相変調を用いることで、機械的な可動機構を必要とせずに虚像の再生位置を変化させる構成とすることが可能となる。位相変調部を用いることで、中間像の位置及び大きさを容易に変更可能とし、虚像の再生位置及び大きさを自由に設定することができる。これにより、機械的な可動機構を不要とし、再生位置を変化させて虚像を表示する表示装置が得られる。
【０００７】
また、本発明の好ましい態様としては、位相変調部は、液晶素子を備えることが望ましい。液晶素子を用いることで、電圧印加の制御によって容易に光の位相変調パターンを変化させることができる。
【０００８】
また、本発明の好ましい態様としては、液晶素子は、電界制御複屈折モードの液晶素子であることが望ましい。これにより、位相変調部の高速応答を可能とし、かつ低い駆動電圧で十分な位相変調を行うことができる。
【０００９】
また、本発明の好ましい態様としては、光源部は、コヒーレント光を供給することが望ましい。コヒーレント光を用いることで、位相変調部において良好な回折特性を得ることができる。
【００１０】
また、本発明の好ましい態様としては、結像光学系からの光のうちの一部を透過させ、他の一部の光を反射させる部分透過ミラーを有することが望ましい。これにより、部分透過ミラーの向こう側の空間と虚像とを同時に観察可能な構成にできる。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様としては、一次回折光を用いて像を形成することが望ましい。一次回折光を用いて像を形成することで、一次回折光と比較してゼロ次回折光の光量が大きい場合に、像の一部のみが明るくなることを防ぐことが可能となる。これにより、良好な光量分布の像を得ることが可能となる。
【００１２】
また、本発明の好ましい態様としては、結像光学系は、位相変調部からのゼロ次回折光が入射する位置以外の位置に設けられることが望ましい。これにより、一次回折光を用いて像を形成することが可能となる。
【００１３】
また、本発明の好ましい態様としては、位相変調部からのゼロ次回折光と一次回折光とを分離させる光分離部を有することが望ましい。これにより、ゼロ次回折光を結像光学系からそらし、結像光学系の方向へ容易に一次回折光のみを進行させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例】
【００１５】
図１は、本発明の実施例に係る表示装置１０の概略構成を示す。光源部１１は、コヒーレント光であるレーザ光を供給する半導体レーザである。光源部１１は、半導体レーザからのレーザ光の波長を変換する波長変換素子、例えば、第二高調波発生（Second  Harmonic  Generation；ＳＨＧ）素子を用いる構成としても良い。光源部１１は、半導体レーザに代えて、半導体レーザ励起固体（Diode  Pumped  Solid  State；ＤＰＳＳ）レーザや、固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ等を用いても良い。
【００１６】
光源部１１からのレーザ光は、平行化された状態で位相変調部１２へ入射する。位相変調部１２は、画素に対応する複数の液晶素子（不図示）を備える透過型の液晶パネルである。位相変調部１２は、光源部１１からのレーザ光の位相を変調することにより像を形成する。位相変調部１２は、位相変調パターンに応じた回折光を生じさせる。コヒーレント光であるレーザ光を位相変調部１２へ入射させるため、位相変調部１２において良好な回折特性を得ることができる。
【００１７】
図２は、図１に示す位相変調部１２に設けられる液晶素子２０の断面構成を示す。液晶素子２０は、第１透明基板２１及び第２透明基板２４により液晶層３２を封止して構成されている。第１透明基板２１と液晶層３２との間には、第１透明電極２２が形成されている。第１透明電極２２は、例えば金属酸化物であるＩＴＯやＩＺＯにより構成することができる。第１透明電極２２と液晶層３２との間のうち一部領域に、遮光層２３が設けられている。この他、ラビング処理が施された不図示の配向膜が形成されている。
【００１８】
第２透明基板２４上の一部領域には、半導体層２５、半導体層２５の上に形成されたゲート絶縁膜２６、ゲート絶縁膜２６の上に形成されたゲート電極２７が設けられている。かかる部分は、半導体層２５の一部をソース及びドレインとする薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を構成する。第２透明基板２４及びＴＦＴの上には、酸化シリコン等からなる絶縁膜２８が形成されている。ＴＦＴの上には、絶縁膜２８を介して信号線２９が設けられている。信号線２９は、ＴＦＴのソースに接続されている。また、不図示の走査線は、ＴＦＴのゲートであるゲート電極２７に接続されている。
【００１９】
絶縁膜２８、信号線２９、及び走査線の上には、ＰＳＧ（Phosphosilicate  glass）膜３０が形成されている。ＰＳＧ膜３０のうちＴＦＴに対応する部分以外の部分の上には、第２透明電極３１が設けられる。第２透明電極３１は、第１透明電極２２と同様、ＩＴＯやＩＺＯにより構成することができる。ＴＦＴ及び第２透明電極３１は、画素ごとに形成される。この他、第２透明基板２４側にも、配向膜が形成される。第２透明基板２４側の配向膜のラビング方向は、第１透明基板２１側の配向膜のラビング方向に対して平行かつ逆向きとされる。これにより、液晶素子２０は、全体として均一な配向状態を得ることができる。
【００２０】
液晶素子２０は、第１透明基板２１、第１透明電極２２、液晶層３２及び第２透明電極３１を順次透過した光を第２透明基板２４から出射させる。液晶素子２０は、第１透明基板２１へ入射するレーザ光の偏光方向が、第１透明基板２１側における液晶分子の配向方向に一致するように配置されている。これにより、光源部１１（図１参照）からのレーザ光を効率良く液晶素子２０へ入射させることができる。
【００２１】
位相変調部１２は、例えば、アクティブマトリクス方式により駆動される。液晶素子２０としては、電界制御複屈折モードの液晶、例えばネマティック液晶を用いることができる。低分子で比較的高い複屈折率を備える液晶を用いることにより、位相変調部１２の高速応答を可能とし、かつ低い駆動電圧で十分な位相変調を行うことができる。なお、液晶素子２０は、電界制御複屈折モードの液晶であればネマティック液晶以外の他の液晶を用いても良い。
【００２２】
図１に戻って、位相変調部１２は、位相変調パターンに応じた回折光を生じさせながら光の位相を変化させることにより、中間像１３を形成する。中間像１３は、位相変調部１２及び結像光学系１４の間に形成される。位相変調部１２からの光は、結像光学系１４へ入射する。結像光学系１４は、位相変調部１２による変調により形成された像を結像する。結像光学系１４の焦点よりも結像光学系１４に近い位置に中間像１３を形成することで、結像光学系１４を通して中間像１３の虚像１６が再生される。結像光学系１４は、集光レンズを用いる構成とすることができる。
【００２３】
結像光学系１４からの光は、部分透過ミラー１５へ入射する。部分透過ミラー１５は、結像光学系１４からの光のうちの一部を透過させ、他の一部の光を反射させる。部分透過ミラー１５は、透明部材であるガラス等に誘電体多層膜をコーティングすることにより構成することができる。結像光学系１４からの光のうち部分透過ミラー１５で反射した光は、観察者の方向へ進行する。かかる構成により、観察者は、位相変調部１２によって形成される中間像１３の虚像１６を観察することができる。虚像１６による表示は、部分透過ミラー１５からの反射光線を部分透過ミラー１５の向こう側に延長した位置に提示される。
【００２４】
また、観察者側とは反対側から部分透過ミラー１５へ入射する光のうち部分透過ミラー１５を透過した光は、観察者の方向へ進行する。かかる構成により、観察者は、部分透過ミラー１５の向こう側の空間と虚像１６とを同時に観察することが可能となる。観察者の視野に表示を映し出すことにより、例えば観察者の視線移動を少なくすることが可能となる。また、観察者から遠い位置を虚像再生位置とする表示により、部分透過ミラー１５の向こう側にある物と虚像１６との距離を小さくでき、表示を見易くすることが可能となる。
【００２５】
位相変調部１２は、光の位相を変化させることにより、中間像１３の位置を変化させる。例えば、位相変調部１２は、異なる位置に中間像１３を形成させる位相変調パターンを、位相変調部１２を駆動するデバイスに予め設定することで、中間像１３の位置を変化させることができる。図中両矢印で示すように光の進行方向について中間像１３の位置を前後させることで、虚像１６の焦点距離を変化させて虚像１６を表示することができる。虚像１６の焦点距離を変化させることにより、観察者から見て奥行き方向についての虚像１６の再生位置を変化させることができる。また、中間像１３の大きさを変化させることで、虚像１６の大きさを変化させることができる。
【００２６】
本発明の表示装置１０は、位相変調部１２による光の位相変調を用いることで、機械的な可動機構を必要とせずに虚像１６の再生位置を変化させる構成とすることが可能となる。位相変調部１２を用いることで、中間像１３の位置及び大きさを容易に変更することが可能である。中間像１３の位置及び大きさを容易に変更可能とすることで、虚像１６の再生位置及び大きさを自由に設定することができる。これにより、機械的な可動機構を不要とし、再生位置を変化させて虚像１６を表示できるという効果を奏する。
【００２７】
本発明の表示装置１０は、例えば、車両のフロントガラスに経路誘導情報等を表示するナビゲーション装置や、赤外線カメラによって取り込まれた人影等を車両のフロントガラスに投写させるナイトビジョン等に適用する場合に有用である。なお、位相変調部１２は、光の進行方向について中間像１３の位置を変化させる場合に限られない。位相変調部１２は、光の進行方向に略直交する二次元方向について中間像１３の位置を変化させることとしても良い。この場合、二次元方向について虚像１６の再生位置を変化させることができる。表示装置１０は、部分透過ミラー１５を省略し、結像光学系１４からの光を直視する構成であっても良い。
【００２８】
図３は、本実施例の変形例１に係る表示装置４０の概略構成を示す。本変形例の表示装置４０は、位相変調部１２からの一次回折光を用いて中間像１３を形成することを特徴とする。位相変調部１２は、破線矢印で示すようにゼロ次回折光を直進させ、実線矢印で示すように一次回折光を斜めに進行させることにより、ゼロ次回折光と一次回折光とを分離させる。位相変調部１２は、斜めに進行させた一次回折光を用いて中間像１３を形成する。
【００２９】
結像光学系１４は、位相変調部１２からの一次回折光が入射する位置であって、位相変調部１２からのゼロ次回折光が入射する位置以外の位置に設けられている。位相変調部１２は、一次回折光について大きな回折角を得ることで、回折光のみを結像光学系１４へ入射させる構成にできる。位相変調部１２は、狭いピッチで液晶素子２０（図２参照）を配列することにより、一次回折光について大きな回折角を得ることができる。一次回折光を用いて中間像１３を形成することで、一次回折光と比較してゼロ次回折光の光量が大きい場合に、ゼロ次回折光と一次回折光が重なって、虚像１６の一部のみが明るくなることを防ぐことが可能となる。これにより、良好な光量分布の虚像１６を得ることが可能となる。
【００３０】
図４に示す表示装置５０は、位相変調部１２及び結像光学系１４の間に設けられたプリズム５１を有する。プリズム５１は、透明部材により形成された三角プリズムである。プリズム５１は、屈折作用により、位相変調部１２からのゼロ次回折光を斜め方向へ進行させ、位相変調部１２からの一次回折光を直進させる。プリズム５１は、位相変調部１２からのゼロ次回折光と一次回折光とを分離させる光分離部である。
【００３１】
表示装置５０は、プリズム５１を用いることにより、一次回折光を直進させる構成にできる。また、結像光学系１４の方向へ容易に一次回折光のみを進行させることが可能となる。プリズム５１は、三角プリズム以外のプリズムであっても良い。光分離部は、ゼロ次回折光と一次回折光とを分離させることが可能であれば良く、プリズム５１以外の光学素子を用いても良い。光分離部は、一次回折光を直進させる構成である他、一次回折光を斜めに進行させる構成であっても良い。光分離部は、特に、位相変調部１２において大きな回折角を得ることが困難である場合に有用である。
【００３２】
図５は、本実施例の変形例２に係る表示装置６０の概略構成を示す。本変形例の表示装置６０は、反射型の液晶パネルである位相変調部６１を備える。位相変調部６１は、光源部１１からのレーザ光を反射させることで、位相変調パターンに応じた回折光を生じさせる。レーザ光を反射させることで回折光を生じさせる位相変調部６１を用いる表示装置６０の場合も、再生位置を変化させて虚像１６を表示することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上のように、本発明に係る表示装置は、虚像による表示を映し出す表示装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例に係る表示装置の概略構成を示す図。
【図２】液晶素子の断面構成を示す図。
【図３】実施例の変形例１に係る表示装置の概略構成を示す図。
【図４】プリズムを有する表示装置の概略構成を示す図。
【図５】実施例の変形例２に係る表示装置の概略構成を示す図。
【符号の説明】
【００３５】
１０  表示装置、１１  光源部、１２  位相変調部、１３  中間像、１４  結像光学系、１５  部分透過ミラー、１６  虚像、２０  液晶素子、２１  第１透明基板、２２  第１透明電極、２３  遮光層、２４  第２透明基板、２５  半導体層、２６  ゲート絶縁膜、２７  ゲート電極、２８  絶縁膜、２９  信号線、３０  ＰＳＧ膜、３１  第２透明電極、３２  液晶層、４０  表示装置、５０  表示装置、５１  プリズム、６０  表示装置、６１  位相変調部
【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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