JP2009251194A - 表示装置、ヘッドアップディスプレイ及びそれを用いた移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】投影領域を適切に制御し高表示品位の画像を呈示できる新規な光学系を有する表示装置、ヘッドアップディスプレイ及び移動体を提供する。
【解決手段】画像情報を有する光束を出射する画像形成部と、前記画像形成部から出射した前記光束を観視者の頭部に向けて投影する投影部と、を備え、前記投影部は、前記観視者の位置における前記光束の投影領域を制御する開口絞りを有し、前記開口絞りの位置と前記観視者の位置とは結像関係にあることを特徴とする表示装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置、ヘッドアップディスプレイ及びそれを用いた移動体に関する。

車載用の表示装置として、車両速度や進行方向指示等の運行情報をフロントガラスに投影して観視可能とし、外界情報と運行情報とを同時に視認可能とするヘッドアップディスプレイＨＵＤ（Head-Up Display）がある。
表示の視認性の向上のために、表示輝度を向上させることは重要であるが、単純に表示輝度を高めると消費電力の増大を招き、実用的でない場合がある。そこで、例えば、表示を視認できる空間領域を制限し、輝度を向上させることが考えられる。ＨＵＤにおいても、昼間の明るい周囲環境に比べて表示輝度が低いことに対して、表示領域（観視可能領域）を眼の部分のみ、特に片眼に限定して表示を行い、輝度を上げ、または、消費電力を削減する、あるいは光源を長寿命化する方策が考えられる。

また、通常のＨＵＤは両眼で表示像を観察するが、両眼視認における２重像を防止して視認性を向上するために、片眼で表示像を視認する単眼ＨＵＤが提案されている。また、奥行き知覚を増強する目的で片眼のみに表示像を呈示する技術も考えられている。

このように、表示領域（観視可能領域）を狭めた表示装置においては、表示装置からの出射光の投影領域を制御する新規な光学系が必要となる。

なお、特許文献１では、ＨＵＤに関する光学的な構成が開示されているが、上記のような表示領域（観視可能領域）の制御に関しては考慮されておらず、表示装置からの出射光の投影領域を制御し高品位の画像を提供する光学系に関する技術は知られていなかった。
特許第３１４６２８６号公報

本発明は、投影領域を適切に制御し高表示品位の画像を呈示できる新規な光学系を有する表示装置、ヘッドアップディスプレイ及び移動体を提供する。

本発明の一態様によれば、画像情報を有する光束を出射する画像形成部と、前記画像形成部から出射した前記光束を観視者の頭部に向けて投影する投影部と、を備え、前記投影部は、前記観視者の位置における前記光束の投影領域を制御する開口絞りを有し、前記開口絞りの位置と前記観視者の位置とは結像関係にあることを特徴とする表示装置が提供される。

本発明の別の一態様によれば、上記の表示装置と、前記表示装置から出射される前記光束が投影される反射層が設けられた透明板と、を備えたことを特徴とするヘッドアップディスプレイが提供される。

本発明の別の一態様によれば、上記の表示装置と、前記表示装置から出射される前記光束が投影される反射層が設けられた窓部と、を備えたことを特徴とする移動体が提供される。

本発明によれば、投影領域を適切に制御し高表示品位の画像を呈示できる新規な光学系を有する表示装置、ヘッドアップディスプレイ及び移動体が提供される。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る表示装置の構成と使用状態を例示する模式図である。
図１、図２に表したように、本発明の第１の実施形態の表示装置１０は、画像形成部１１０と、投影部２１０と、を備える。
表示装置１０では、画像形成部１１０には、光源１２０と画像形成装置１３０が用いられている。

光源１２０には、例えば、光発生装置１２１とテーパーライトガイド１２２を用いることはできる。ただし、テーパーライトガイド１２２は必要に応じて設ければ良い。光発生装置１２１には、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いることができる。ただし、本発明はこれに限らず、光発生装置１２１には、ランプや各種のレーザ等の光を発生する各種の光源を用いることができる。

画像形成装置１３０には、例えば、周期的に配列した複数の画素、例えばマトリクス状に配列した複数の画素を有する画像形成装置を用いることができ、例えば、液晶表示装置を用いることができる。ただし、本発明はこれに限らず、ＤＭＤデバイス等の各種の画像情報を含む光束を形成する表示装置を用いることができる。
また、画像形成装置１３０として、有機ＥＬ表示装置等の自己発光性の表示装置を用いる場合は、光源１２０は省略できる。
以下では、画像形成部１１０として、光発生装置１２１にＬＥＤを用いた光源１２０を用い、画像形成装置１３０としてマトリクス状に配列した複数の画素を有する液晶表示装置を用いた場合として説明する。

一方、投影部２１０には、第１レンズ１４０、開口絞り１５０、第２レンズ１６０及び凹面鏡１８０を用いることができる。すなわち、この例では、投射光学系１７０として、凹面鏡１８０が用いられている。ただし、本発明はこれに限らず、後述するように、これら第１レンズ１４０、開口絞り１５０、第２レンズ１６０及び凹面鏡１８０に関して種々の変形が可能である。

図２に表したように、表示装置１０においては、第１のレンズ１４０は、開口絞り１５０と観視者３００との間の光路上に設けられ、焦点距離ｆ_１を有する。

そして、開口絞り１５０は、第１レンズ１４０の前側（画像形成部１１０側）の焦点距離ｆ_１の位置に配置されている。

また、第２レンズ１６０は、開口絞り１５０と画像形成部１１０との間の光路上に設けられ、焦点距離ｆ_２を有する。
そして、表示装置１０においては、開口絞り１５０は、第２レンズ１６０の後側の焦点距離ｆ_２の位置に配置されている。ただし、本発明はこれには限定されず、開口絞り１５０と第２レンズ１６０との距離を焦点距離ｆ_２から変えても良い。

また、表示装置１０においては、画像形成部１１０は、第２レンズ１６０の前側（画像形成部１１０側）の焦点距離ｆ_２の位置に配置されている。ただし、本発明はこれには限定されず、画像形成部１１０と第２レンズ１６０との距離を焦点距離ｆ_２から変えても良い。

なお、上記において、第１レンズ１４０及び第２レンズ１６０は、それぞれ複数のレンズ群で構成されても良く、この場合は、それぞれの複数のレンズ群をそれぞれ１つのレンズに置き換えた場合の光学的な主点を、第１レンズ１４０及び第２レンズ１６０の主点とすれば良い。
また、画像形成部１１０の位置とは、画像形成部１１０の光学的な位置を指し、例えば、第２のレンズ１６０側（開口絞り１５０側）で開口絞り１５０に一番近い画像形成装置１３０とすることができる。そして、画像形成装置１３０として、例えば、液晶表示装置を用いた場合、その液晶表示装置の液晶層の位置とすることができる。
また、開口絞り１５０の位置とは、開口絞り１５０の光学的な位置を指し、開口絞り１５０が例えば遮光層を有する透明板である場合は、その遮光層の位置とすることができる。

図２に表したように、このような光学的構成を有する本実施形態に係る表示装置１０においては、画像形成部１１０から出射した画像情報を含む光束１１２は、開口絞り１５０によって光束１１２の形状とサイズが制御され、凹面鏡１８０で反射した後、例えば、透明板３１０に向けて投影される。透明板３１０は、例えば、車両のフロントガラス（ウインドシールド）である。そして、光束１１２は、透明板３１０に設けられた反射層１６７で反射し、観視者３００の頭部３０５に向けて投射される。なお、この反射層１６７は必要に応じて設ければ良く、省略しても良い。

そして、観視者３００は、例えば、その車両の操縦者である。観視者３００は、投影された光束１１２を観視し、透明板３１０の観視者３００と逆側、すなわち車外側の延長上に形成される虚像３１１を画像情報として観視する。これにより、観視者３００は、車外の外界情報と、虚像３１１とを同時に観視することができる。このように、本実施形態に係る表示装置１０は、例えば、ＨＵＤとして用いることができる。

なお、本実施形態に係る表示装置は、ＨＵＤだけでなく、例えば、各種の窓や商品陳列ケース等、透明板３１０を通した画像と、透明板３１０に投影した画像情報を同時に観視する全ての表示装置として使用することができる。そして、ＨＵＤに応用した場合は、例えば観視者（操縦者）の頭部に向けた制御された投影領域の高品位表示を実現できる。そして、例えば、観視者（操縦者）の片眼に表示を呈示する制御された投影領域の高品位表示を実現できる。さらに、ＨＵＤ以外の用途としても、例えば、複数の人が居る中で特定の人のみに、または特定の人の眼のみに映像を呈示できる表示が実現できる。

このように、表示装置１０は、画像形成部１１０から出射した光束１１２を適切に遮光する開口絞りを有しているので、観視者の位置における光束の投影領域を制御することができる。すなわち、開口絞り１５０は、観視者の位置における光束の投影領域を制御する。

すなわち、本実施形態に係る表示装置１０においては、観視者３００の位置において光束１１２の投影領域１１４は、開口絞り１５０の開口のサイズ（形状と大きさ）に応じて制御することができ、任意の形状と大きさの投影領域１１４を形成することができる。

そして、投影部２１０は、開口絞り１５０を観視者の位置に結像する。すなわち、開口絞り１５０の位置と観視者３００の位置とは、結像関係にある。これにより、観視者３００は、高品位の画像を観視できる。

図２に表したように、表示装置１０においては、画像形成部１１０は、第２レンズ１６０の前側（画像形成部１１０側）の焦点距離ｆ_２の位置に配置されており、この時、開口絞り１５０の空間では光束が平行となる。開口絞り１５０を通過した光束１１２のうち最外側の光線と、光束の中心線とがなす角度をθ_１とすると、２ａ＝ｆ_１×θ_１となる。

そして、凹面鏡１８０（投射光学系１７０）の曲率半径をＲとすると、凹面鏡１８０の焦点距離ｆ_ｐは、ｆ_ｐ＝Ｒ／２となる。
そして、凹面鏡１８０の後側の、観視者３００の位置（観視位置）における、投影領域の幅２ｂは、２ｂ＝２ａ×ｆ_ｐ／ｆ_１で表される。

すなわち、観視者３００の位置における光束の投影領域の幅２ａは、開口絞り１５０の開口幅２ａを制御することによって任意に制御することができる。

このように、光束１１２の投影領域１１４を所望の大きさと形状に制御することができ、例えば、観視者３００の眼の部分のみ、特に片眼３０２に限定して表示を行い、輝度を高め、昼間の明るい周囲環境においても、高表示品位の画像を提供でき、また、高信頼性、長寿命、低消費電力の表示装置を実現できる。また、投影領域を適切に制御することが可能となるので、例えば、片眼３０２のみに高表示品位の画像を提供することが実用化でき、両眼視認における２重像を防止し、また、奥行き知覚を増強する画像を実用的に提供できる。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る表示装置の光学特性を例示する模式図である。 図３に表したように、上記の第１レンズ１４０及び凹面鏡１８０の光学特性は、焦点距離ｆ_ｋを有する１つのレンズ、すなわち、単レンズ（単光学素子）１４２として記述することができる。同図において、主光線１１５は、物体面（開口絞り１５８）のエッジから出て、単レンズ１４２の中央を通る光線である。そして、周辺光線１１６は、物体面（開口絞り１５０）の中心から出て、単レンズ１４２を通過する光線のうち、単レンズ１４２の光軸から最も外側を通過する光線である。そして、本実施形態に係る表示装置１０においては、開口絞り１５０の位置１５８と、観視者３００の位置３０８とが結像関係にある。すなわち、例えば、周辺光線１１６は、観視者３００の観視位置３０８において、実質上（レンズの収差を無視すると）１点に重なる（結像する）。

そして、単レンズ１４２（の主点１４５）と開口絞り１５０の位置１５８との距離をｄ_１とし、単レンズ１４２（の主点１４５）と観視者３００の位置３０８との距離をｄ_２とすると、以下の数式１の関係が成立する。

（１／ｄ_１）＋（１／ｄ_２）＝１／ｆ_ｋ （数式１）

そして、開口絞り１５０の位置１５８における物体面の大きさｙ_１と、観視者３００の位置３０８における像の大きさｙ_２との比ｙ_２／ｙ_１は、ｄ_２／ｄ_１となる。すなわち、図３に例示した投影部の光学系において、拡大倍率ｙ_２／ｙ_１は、ｄ_２／ｄ_１となる。

すなわち、投影部２１０は、開口絞り１５０と観視者３００との間の光路上に設けられたＮ個（Ｎは１以上の整数）の要素光学素子を有し、Ｎ個の要素光学素子を光学的に統合して得られる主点１４５と開口絞り１５０との距離ｄ_１と、主点１４５と観視者３００の位置３０８との距離ｄ_２と、要素光学素子を光学的に統合して得られる焦点距離ｆ_ｋと、が、（１／ｄ_１）＋（１／ｄ_２）＝（１／ｆ_ｋ）の関係を満たす。

なお、図２に表したように、表示装置１０においては、開口絞り１５０は、第２レンズ１６０の後側の焦点距離ｆ_２の位置に配置されている。この場合、画像形成部１１０の画像形成装置１３０の位置がずれた場合でも、観視位置での像の大きさが変化しないため、観視者３００の位置における結像特性が変化し難く、より安定した性能を有する表示装置が得られる。ただし、既に述べたように、本発明はこれには限定されず、開口絞り１５０と第２レンズ１６０との距離を焦点距離ｆ_２から変えても良い。

なお、表示装置１０においては、画像形成部１１０は、第２レンズ１６０の前側（画像形成部１１０側）の焦点距離ｆ_２の位置に配置されている。すなわち、テレセントリックな光学系とされている。この時、開口絞り１５０を通過する光束１１２のうち最外側の光線と、画像形成装置１３０から出射して第２レンズ１６０に届くまでの光線とがなす角度をθ_２とする。この時、開口絞り１５０の開口部の幅を２ａとすると、２ａ＝ｆ_２×θ_２となる。そして、第２レンズ１６０を出射した光束１１２は平行光となる。これにより、開口絞り１５０の設置位置の精度を拡大できる。すなわち、光束１１２の進行方向に平行な軸上において、開口絞り１５０の位置がずれても開口絞り１５０の光束絞り特性が変化しないため、観視者３００の位置における結像特性が変化し難く、より安定した性能を有する表示装置が得られる。ただし、既に述べたように、本発明はこれには限定されず、画像形成部１１０と第２レンズ１６０との距離を焦点距離ｆ_２から変えても良い。

（比較例）
図４は、比較例の表示装置の構成を例示する模式図である。
図４（ａ）に表したように、第１の比較例の表示装置９１では、図１に例示した本実施形態に係る表示装置１０における画像形成装置１３０（この例では液晶表示装置）の代わりに固定パターンの画像情報を有する例えばスライドシート１２５が設けられている。スライドシート１２５は、例えば、写真のポジフィルムである。これ以外の構成に関しては、表示装置１０と同様とすることができるので説明を省略する。

そして、スライドシート１２５は、第１レンズ１４０の後側の焦点距離ｆ_１の位置に設置されている。なお、スライドシート１２５は、例えば、表示装置１０と同じように、第２レンズ１６０の前側の焦点距離ｆ_２の位置に設置しても良い。

このような構成の表示装置９１においても、表示装置１０と同様に、観視者３００の位置における投影領域１１４の形状と大きさを、開口絞り１５０の開口の形状と大きさによって制御することができる。しかしながら、この場合は、スライドシート１２５を用いているので、１つのスライドシート１２５で投影できるのは固定画像であり、実用的ではない。なお、表示装置１０と同じように、スライドシート１２５を第２レンズ１６０の前側の焦点距離ｆ_２の位置に設置した場合も、同様に、観視者３００の位置における投影領域１１４の形状と大きさを、開口絞り１５０の開口の形状と大きさによって制御することができるが、同様に、投影できるのは固定画像であり、実用的ではない。

一方、図４（ｂ）に例示したように、第２の比較例の表示装置９２では、図４（ａ）に例示した表示装置９１のスライドシート１２５の位置に画像形成装置１３０（この場合は液晶表示装置）を配置したものである。すなわち、図１に例示した表示装置１０における画像形成装置１３０を、第１レンズ１４０の後側の焦点距離ｆ_１の位置に、すなわち、開口絞り１５０より後側（観視者３００側）に、移動したものである。これ以外の構成に関しては、表示装置１０と同様とすることができるので説明を省略する。

このような構成の表示装置９２では、画像形成装置１３０として、マトリクス状に配列した画素を有する液晶表示装を用いているので、図４（ｂ）に例示したように、画像形成装置１３０を出射した光は、実質的に直進する透過光１３１の他に、種々の角度で出射する回折光１３２を含むこととなる。そして、この回折光１３２は、凹面鏡１８０によって反射され、観視者３００に到る。このため、観視者３００の位置においては、回折光１３２の投影光も含んだ投影領域となってしまい、投影領域を所望の形状と大きさに制御することができない。

これに対し、図１、図２に例示した本実施形態に係る表示装置１０では、画像形成装置１３０が、開口絞り１５０より前側（光源１２０側）にあるので、画像形成装置１３０として、例えばマトリクス状に画素が配列した液晶表示装置を用い、回折光１３２が発生したとしても、その回折光１３２を開口絞り１５０で遮光できる。これにより、開口絞り１５０の開口部で規定される光束１１２が、観視者３００に入射できる。

すなわち、第２の比較例の表示装置９２では、光源１２０と画像形成装置１３０とが分離され、その間に投影部２１０の開口絞り１５０が配置されていたのに対し、本実施形態に係る表示装置１０では、光源１２０と画像形成装置１３０とが隣接して、画像形成部１１０となり、その画像形成部１１０から出射した光束を開口絞り１５０を有する投影部２１０に入射させることで、画像形成装置１３０で発生する障害となる光（回折光１３２）を適切に遮光し、観視者３００に投影しないようにすることができる。

このように、本実施形態に係る表示装置１０では、画像形成装置１３０（画像形成部１１０）を開口絞り１５０より前側（開口絞り１５０の観視者３００と逆側）に設置する。これにより、投影領域を適切に制御し高表示品位の画像を呈示できる新規な光学系を有する表示装置が提供できる。

なお、図４（ａ）に例示した比較例の表示装置９１では、画像を形成する部分として、配列した画素を有さないスライドシート１２５を用いたので、上記の回折光１３２が発生しないため、表示装置９２のように、スライドシート１２５を開口絞り１５０より後ろ（観視者３００側）に配置しても、投影領域１１４には悪影響を与えなかった。しかしながら、任意の画像を形成するために、周期的に配置された画素を有する画像形成装置１３０を用いる場合には、本実施形態のように、画像形成装置１３０は、開口絞り１５０より前側（光源１２０側）に設置し、これによって回折光１３２等などの不要の光を開口絞り１５０で遮光することで、投影領域１１４を適切に制御することができる。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る表示装置に用いられる開口絞りの構成を例示する模式図である。
これらの図は、光束１１２の進行方向に平行な方向から見たときの開口絞り１５０の形状を例示している。
図５（ａ）に表したように、本実施形態に係る表示装置１０の開口絞り１５０には、例えば、円形の開口部１５１を有する遮光板１５２を用いることができる。この場合、開口部１５１の幅２ａは、開口部１５１の円の直径となる。

図５（ｂ）に表したように、開口絞り１５０には、例えば、垂直方向に長軸を有する楕円形の開口部１５１が設けられた遮光板１５２を用いることができる。この場合、観視者３００の位置における光束１１２の投影領域１１４の形状も（光学系の歪み等を無視すると）楕円形となる。例えば、本実施形態に係る表示装置１０を車両用のＨＵＤとして用いる場合、観視者３００（操縦者）の頭部３０５が水平方向に大きく移動することは少なく、例えば、操縦者の身長の違いや座席の位置や背もたれの角度によって、頭部３０５が垂直方向の異なった位置に設定される場合は頻繁に生じると考えられる。この時、図５（ｂ）に例示したように、垂直方向に長軸を有する楕円形の開口部１５１によって、垂直方向では広い角度から表示を観視でき、水平方向では限られた角度で観視を可能とする、より実用的なＨＵＤ用の表示装置を提供することができる。

また、図５（ｃ）に表したように、開口絞り１５０には、例えば、長方形状の遮光板１５２を２枚用い、それらを離間して設置し、垂直方向に開口したスリット状の開口部１５１を設ける構造も使用できる。この場合は、開口部１５１の幅２ａは、遮光板１５２どうしの間の間隙の幅となる。そして、この場合も、垂直方向では広い角度から表示を観視でき、水平方向では限られた角度で観視を可能とする、より実用的なＨＵＤ用の表示装置を提供することができる。そして、遮光板１５２どうしの間隙の幅を簡単に変えることができ、これにより、光束１１２の投影領域１１４の水平方向の幅の変更が容易となり、より便利な表示装置が提供できる。

また、図５（ｄ）に表したように、開口絞り１５０には、例えば、可動式の複数の遮光板１５２が互いにその一部を重なり合わせて円周状に配列した構造のものを用いることができる。これにより、開口部１５１のサイズを任意に変更でき、これにより、光束１１２の投影領域１１４の幅を変えることができ、より便利な表示装置が提供できる。

また、図５（ｅ）に表したように、開口絞り１５０には、例えば、円形の開口部１５１を有する遮光板１５２であって、開口部１５１の近傍では透過率が高く、開口部１５１から遠ざかるにつれて透過率が低下する遮光板１５２を用いることができる。このように、開口部の近傍で中間調の透過率を有する遮光板１５２を用いることで、観視者３００の位置における光束１１２の投影領域１１４の外縁部において、中心部よりも輝度は低いものの画像を観視できるようになる。例えば、表示装置１０において、観視者３００が片眼３０２で画像を観視する場合、投影領域１１４の範囲から少しでも外れると画像が全く観視できなくなると使いにくいことがある。この時、図５（ｅ）に例示したように、開口部１５１の近傍で中間調の透過率を有する開口絞り１５０を用いることで、光束１１２の投影領域の外縁部で、中心部よりも輝度は低いものの画像が観視でき、使いやすい表示装置を提供できる。

同様に、図５（ｆ）に表したように、開口絞り１５０には、開口部１５１側の近傍では透過率が高く、開口部１５１から遠ざかるにつれて透過率が低下する、すなわち、開口部１５１の近傍で中間調の透過率を有する長方形状の遮光板１５２を２枚用いることもできる。これにより、観視者３００の位置における光束１１２の投影領域１１４の外縁部において、中心部よりも輝度は低いものの画像が観視できるようになり、また、開口部１５１の幅も簡単に任意の大きさに変えることができる。これにより、より便利な表示装置が提供できる。

図６は、本発明の第１の実施形態に係る変形例の表示装置の構成を例示する模式図である。
図６に表したように、第１の実施形態の変形例の表示装置１１では、図１、図２に例示した本実施形態に係る表示装置１０における凹面鏡１８０の代わりに、フレネルミラー１８４を用いたものである。
このような構成の表示装置１１も、投影領域を適切に制御し高表示品位の画像を呈示できる新規な光学系を有する表示装置及びそれを用いた移動体を提供する。

図７は、本発明の第１の実施形態に係る別の変形例の表示装置の構成を例示する模式図である。
なお、同図では、中心の光線のみを例示している。
図７（ａ）に表したように、第１の実施形態の別の変形例の表示装置１２では、図１、図２に例示した本実施形態に係る表示装置１０における凹面鏡１８０の代わりに、投射光学系１７０として、平面鏡１８１と非球面フレネルレンズ１８２とを用いたものである。これ以外の構成に関しては、表示装置１０と同様とすることができるので説明を省略する。
そして、表示装置１１の例では、非球面フレネルレンズ１８２が、平面鏡１８１と観視者３００との間の光軸上に設けられている例である。
このような構成の表示装置１２も、投影領域を適切に制御し高表示品位の画像を呈示できる新規な光学系を有する表示装置を提供できる。

また、図７（ｂ）に表したように、第１の実施形態の別の変形例の表示装置１３では、図１、図２に例示した本実施形態に係る表示装置１０における凹面鏡１８０の代わりに、投射光学系１７０として、平面鏡１８１と非球面フレネルレンズ１８２とを用い、非球面フレネルレンズ１８２が、平面鏡１８１と開口絞り１５０との間の光軸上に設けられている。
このような構成の表示装置１３も、投影領域を適切に制御し高表示品位の画像を呈示できる新規な光学系を有する表示装置を提供する。
なお、図７（ａ）、（ｂ）に例示した表示装置１２、１３において、非球面フレネルレンズ１８２を用いず、第１レンズ１４０及び平面鏡１８１のみを設けても良い。この場合も、投影領域を適切に制御し高表示品位の画像を呈示できる。

このように、第１レンズ１４０と観視者３００側との間の光軸上には、各種の投射光学系１７０を設置することができる。例えば、凸レンズ（平凸レンズ、両凸レンズ）、フレネルレンズ、各種の凸レンズと凹レンズを複数枚組み合わせた構成、凹面鏡、フレネルミラーの他、平面鏡と各種の凸レンズ、平面鏡と各種のフレネルレンズの組み合わせ等の投射光学系１７０を、第１レンズ１４０と観視者３００との間の光軸上に設置することができる。

このとき、開口絞り１５０の位置１５８と観視者３００の位置３０８とが、結像関係にある。すなわち、投射光学系１７０が複数の光学素子からなり、その複数の光学系と第１レンズとを統合して単レンズ（単光学素子）１４２とした時の焦点距離をｆ_ｋとしたとき、数式１の関係が満足される。

そして、本実施形態に係る表示装置においては、開口絞り１５０の位置１５８と観視者３００の位置３０８とが結像関係にあるので、観視者３００の観視位置における、投影領域の幅２ｂは、２ｂ＝２ａ×ｆ_ｐ／ｆ_１で表され、観視者３００の位置３０８における光束の投影領域の幅２ｂは、開口絞り１５０の開口幅２ａを制御することによって任意に制御することができる。

また、上記の表示装置１０、１１、１２、１３において第２レンズ１６０は、複数のレンズで構成されても良い。この時、この複数のレンズを統合した時の後側の焦点距離に開口絞り１５０を設置し、前側の焦点距離に画像形成部１１０を設置することができる。これにより、観視者３００の位置における結像特性が変化し難い、安定した性能を有する表示装置が得られる。

（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図８に表したように、第２の実施形態の表示装置２０では、図１、図２に例示した表示装置１０における第１レンズ１４０と凹面鏡１８０の組み合わせの光学系の代わりに、焦点距離ｆ_ｋを有する凹面鏡１８３を用いたものである。これ以外の構成に関しては、表示装置１０と同様とすることができるので説明を省略する。

そして、開口絞り１５０の位置１５８と、観視者３００の位置３０８とは、結像関係にある。すなわち、数式１を満足する。
このような構成の表示装置２０は、光学部品の数が少なく簡単な構造であるという特徴を有し、投影領域を適切に制御し高表示品位の画像を呈示できる新規な光学系を有する表示装置を提供できる。
なお、本実施形態に係る表示装置２０において、凹面鏡１８３の代わりに、図６に例示したフレネルミラー１８４を用いても良い。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る変形例の表示装置の構成を例示する模式図である。
図９に表したように、第２の実施形態の変形例の表示装置２１では、図８に例示した表示装置２０における凹面鏡１８３の代わりに、焦点距離ｆ_ｋを有するレンズ１４３を用い、そして、画像形成部１１０と投影部２１０の光軸を、透明板３１０の反射層１６７に光束を直接入射させるように変形させたものである。これ以外の構成に関しては、表示装置２０と同様とすることができるので説明を省略する。

そして、開口絞り１５０の位置１５８と、観視者３００の位置３０８とは、結像関係にある。すなわち、数式１を満足する。
このような構成の表示装置２１は、光学部品の数が少なく簡単な構造であるという特徴を有し、投影領域を適切に制御し高表示品位の画像を呈示できる新規な光学系を有する表示装置を提供できる。
なお、レンズ１４３には、例えば、凸レンズ（平凸レンズ、両凸レンズ）、フレネルレンズ等を用いることができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施形態のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）は、本発明の実施形態に係る表示装置を用いたものである。
図１０は、本発明の第３の実施形態に係るヘッドアップディスプレイの構成を例示する模式図である。
図１０に表したように、本発明の第３の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）５０においては、本発明の実施形態の表示装置１０を備えている。即ち、表示装置１０の画像形成部１１０（光源１２０及び画像形成装置１３０）と、投影部２１０（例えば第１レンズ１４０、開口絞り１５０、第２レンズ１６０、凹面鏡１８０）を備え、これらは、操縦者７００（観視者３００）から見て、車両７３０のダッシュボード７２０の奥に設けられる。
そして、画像形成部１１０から出射された、映像を含む光束１１２は、投影部２１０の開口絞り１５０によって、適正な形状に整形され、例えば、凹面鏡１８０を経て出射する。
そして、自動車（車両）７３０の窓部７３１（フロントガラス、ウインドシールド）、すなわち、透明板３１０の一部に、光束１１２を反射する反射層１６７（ハーフミラー７１１）が設けられている。反射層１６７が、ＨＵＤのコンバイナーとして機能し、操縦者７００は映像を含む投影像７６２（虚像３１１）を観視する。

そして、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ５０では、画像形成装置１３０を開口絞り１５０よりも光源１２０側に設けているので、画像形成装置１３０で発生する回折光１３２等などの不要の光を開口絞り１５０で遮光することができ、投影領域１１４を適切に制御することができる。

このように、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイによって、投影領域を適切に制御し、高表示品位の画像を呈示できる新規な光学系を有するヘッドアップディスプレイが提供できる。

図１１は、本発明の実施形態に係る表示装置及びヘッドアップディスプレイの応用例を説明するための模式図である。
図１１に表したように、本発明の実施形態に係る表示装置及びヘッドアップディスプレイは、自動車等の車両の他、列車、飛行機、ヘリコプター、船舶等、各種の移動体７５０に応用できる。

すなわち、本実施形態に係る移動体７５０では、移動体７５０の窓部７３１（ウインドシールド、フロントガラス）の一部に、光束１１２を反射する（図示しない）反射層１６７（ハーフミラー７１１）が設けられている。そして、表示装置の画像形成装置１３０で発生する回折光１３２等などの不要の光を開口絞り１５０で遮光することができ、投影領域１１４を適切に制御した高品位の画像を観視でき、より安全で快適な操縦を可能とする。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、表示装置、ヘッドアップディスプレイ及びそれを用いた移動体を構成する各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した表示装置、ヘッドアップディスプレイ及びそれを用いた移動体を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての表示装置、ヘッドアップディスプレイ及びそれを用いた移動体も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明の第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る表示装置の構成と使用状態を例示する模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る表示装置の光学特性を例示する模式図である。 比較例の表示装置の構成を例示する模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る表示装置に用いられる開口絞りの構成を例示する模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る変形例の表示装置の構成を例示する模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る別の変形例の表示装置の構成を例示する模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る変形例の表示装置の構成を例示する模式図である。 本発明の第３の実施形態に係るヘッドアップディスプレイの構成を例示する模式図である。 本発明の実施形態に係る表示装置及びヘッドアップディスプレイの応用例を説明するための模式図である。

符号の説明

１０、１１、１２、１３、２０、２１、９１、９２ 表示装置
５０ ヘッドアップディスプレイ
１１０ 画像形成部
１１２ 光束
１１４ 投影領域
１１５ 主光線
１１６ 周辺光線
１２０ 光源
１２１ 光発生装置
１２２ テーパーライトガイド
１２５ スライドシート
１３０ 画像形成装置
１３１ 透過光
１３２ 回折光
１４０ 第１レンズ
１４２ 単レンズ（単光学素子）
１４３ レンズ
１５０ 開口絞り
１５１ 開口部
１５２ 遮光板
１５８ 開口絞りの位置
１６０ 第２レンズ
１６７ 反射層
１７０ 投射光学系
１８０、１８３ 凹面鏡
１８１ 平面鏡
１８２ 非球面フレネルレンズ
１８４ フレネルミラー
２１０ 投影部
３００ 観視者
３０２ 片眼
３０５ 頭部
３０８ 観視の位置（観視位置）
３１０ 透明板
３１１ 虚像
７００ 操縦者
７１１ ハーフミラー
７２０ ダッシュボード
７３０ 車両（自動車）
７３１ 窓部（フロントガラス）
７５０ 移動体
７６２ 投影像

Claims (16)

1. 画像情報を有する光束を出射する画像形成部と、
   前記画像形成部から出射した前記光束を観視者の頭部に向けて投影する投影部と、
   を備え、
   前記投影部は、前記観視者の位置における前記光束の投影領域を制御する開口絞りを有し、前記開口絞りの位置と前記観視者の位置とは結像関係にあることを特徴とする表示装置。
2. 前記投影部は、
   前記開口絞りと前記観視者との間の光路上に設けられたＮ個（Ｎは１以上の整数）の要素光学素子を有し、
   前記Ｎ個の要素光学素子を光学的に統合して得られる主点と前記開口絞りとの距離ｄ_１と、前記主点と前記観視者の前記位置との距離ｄ_２と、前記Ｎ個の要素光学素子を光学的に統合して得られる焦点距離ｆ_ｋと、が、（１／ｄ_１）＋（１／ｄ_２）＝（１／ｆ_ｋ）の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の表示装置。
3. 前記要素光学素子は、レンズ、フレネルレンズ、凹面鏡及びフレネルミラーの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項２記載の表示装置。
4. 前記投影部は、
   前記開口絞りと前記観視者との間の光路上に設けられ、焦点距離ｆ_ｐを有する投射光学系と、
   前記投射光学系と前記開口絞りとの間に設けられ、焦点距離ｆ_１を有する第１レンズと、
   をさらに有し、
   前記開口絞りは、前記第１レンズの前側の焦点距離ｆ_１の位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の表示装置。
5. 前記開口絞りの開口部の幅２ａと、前記観視者の前記位置における前記光束の前記投影領域の幅２ｂとが、２ｂ＝２ａ×ｆ_ｐ／ｆ_１の関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載の表示装置。
6. 前記投射光学系は、凹面鏡及びフレネルミラーの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項４または５に記載の表示装置。
7. 前記投射光学系は、平面鏡と正のパワーを有するレンズとを含むことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１つに記載の表示装置。
8. 前記投影部は、
   前記開口絞りと前記画像形成部との間の光路上に設けられ、焦点距離ｆ_２を有する第２レンズをさらに有し、
   前記開口絞りは、前記第２レンズの後側の焦点距離ｆ_２の位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の表示装置。
9. 前記投影部は、
   前記開口絞りと前記画像形成部との間の光路上に設けられ、焦点距離ｆ_２を有する第２レンズをさらに有し、
   前記画像形成部は、前記第２レンズの前側の焦点距離ｆ_２の位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の表示装置。
10. 前記観視者の前記位置における前記光束の前記投影領域の水平方向の幅２ｂは、１００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の表示装置。
11. 前記光束は、前記視認者の片眼に入射されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つ記載の表示装置。
12. 前記画像形成部は、周期的に配列した複数の画素を有する画像形成装置を含むことを特徴とする１〜１１のいずれか１つに記載の表示装置。
13. 前記画像形成装置は、液晶層を含むことを特徴とする請求項１２記載の表示装置。
14. 前記画像形成装置は、有機ＥＬ層を含むことを特徴とする請求項１２記載の表示装置。
15. 請求項１〜１４のいずれか１つに記載の表示装置と、
    前記表示装置から出射される前記光束が投影される反射層が設けられた透明板と、
    を備えたことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
16. 請求項１〜１４のいずれか１つに記載の表示装置と、
    前記表示装置から出射される前記光束が投影される反射層が設けられた窓部と、
    を備えたことを特徴とする移動体。

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