JP2015087421A - 透過型スクリーン及びそれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】視認性を高めた透過型スクリーンを提供する。
【解決手段】透過型スクリーン３６２は、平坦面３６８ａ、３６８ｂと、平坦面３６８ａ、３６８ｂに対向し、入射する光を拡散して透過させる光拡散面３６７ａ、３６７ｂと、をそれぞれ有する二枚の光拡散板３６３ａ、３６３ｂを備える。二枚の光拡散板３６３ａ、３６３ｂは、それぞれの光拡散面３６７ａ、３６７ｂを対向して積層され、それぞれの光拡散面３６７ａ、３６７ｂは、当該光拡散面３６７ａ、３６７ｂに入射する光を略同一の配光分布で拡散させる。光拡散板３６３ａ、３６３ｂは、主面を有するベース部材３６６ａ、３６６ｂと、前記主面上に複数設けられる光拡散部材３６９ａ、３６９ｂと、を含み、光拡散面３６７ａ、３６７ｂは、前記光拡散部材３６９ａ、３６９ｂが設けられた前記主面により構成されてもよい。
【選択図】図７

Description

本発明は、透過型スクリーン及びそれを用いた画像表示装置に関する。

ヘッドアップディスプレイと呼ばれる車両用表示装置が知られている。ヘッドアップディスプレイは、車外から入る光を透過すると共に、車内に配置された光学ユニットから投射された画像を車両のウィンドシールドなどに反射させることにより、車外の風景に重畳して情報を表示する表示装置である。ヘッドアップディスプレイは、車外の景色を視認している運転者が視線や焦点をほとんど変化させることなく光学ユニットから投射された画像の情報を認識することができるため、車両用の表示装置として近年注目を集めている。

光学ユニットから投射される画像表示光は、透過型のスクリーンにいったん結像され、スクリーンに結像された画像がユーザに提示される。このような透過型スクリーンとして、光拡散板を二枚積層させた構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−９８６０１号公報

ユーザは、透過型スクリーンを介して画像を認識するため、視認性の高い透過型スクリーンであることが望ましい。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、視認性を高めた透過型スクリーンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の透過型スクリーンは、平坦面と、平坦面に対向し、入射する光を拡散して透過させる光拡散面と、をそれぞれ有する二枚の光拡散板を備える。二枚の光拡散板は、それぞれの光拡散面を対向して積層され、それぞれの光拡散面は、当該光拡散面に入射する光を略同一の配光分布で拡散させる。

本発明の別の態様は、画像表示装置である。この装置は、画像表示光を投射する画像投射部と、画像投射部から投射された画像表示光に基づく実像を結像させる中間像形成部と、中間像形成部を透過した画像表示光を虚像提示面に向けて反射させる投射鏡と、を備える。中間像形成部は、平坦面と、平坦面に対向し、入射する光を拡散して透過させる光拡散面と、を有する光拡散板を二枚備える。二枚の光拡散板は、それぞれの光拡散面を対向して積層され、それぞれの光拡散面は、当該光拡散面に入射する光を略同一の配光分布で拡散させる。

本発明の透過型スクリーンによれば、投射される画像の視認性を高めることができる。

本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイの設置態様を模式的に示す図である。 光学ユニットの内部構成を示す図である。 画像投射部の内部構成を模式的に示す図である。 ウィンドシールドに投射される画像表示光の光路を示す図である。 異なる高さの視点に対して虚像を提示する場合の画像表示光の光路を示す図である。 中間像形成部により配光される画像表示光を示す図である。 拡散スクリーンの構成を示す図である。 光拡散板に入射する光の角度と透過する光の角度の関係を示す図である。 光拡散板に入射する光の角度と光拡散板から出射される主光線のずれ角との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施の形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

実施の形態に係る画像表示装置として、車両のダッシュボード内に設置して使用されるヘッドアップディスプレイ１０を例に挙げて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０の設置態様を模式的に示す図である。ヘッドアップディスプレイ１０は、光学ユニット１００と制御装置５０とを含む。図１は、車両の進行方向（図１における左方向）を基準として左側のダッシュボード内に光学ユニット１００を配置して使用する場合を示す図であり、以下の実施の形態は、左ハンドル車における運転者向けにヘッドアップディスプレイ１０が配置されている例を示している。なお、右ハンドル車用とするためには、車両の進行方向を基準として光学ユニット１００の内部構成を左右反転させればよい。以下図１を参照して、ヘッドアップディスプレイ１０の概要を説明する。

制御装置５０は図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）を備え、光学ユニット１００に表示させるための画像信号を生成する。制御装置５０はまた、図示しない外部入力インタフェースを備えており、ナビゲーション装置やメディア再生装置などの外部装置から出力された画像信号が入力され、その入力された信号に対して所定の処理を行った後、光学ユニット１００に出力することもできる。

光学ユニット１００は、制御装置５０が生成した画像信号をもとに、ウィンドシールド６１０に虚像４５０として表示させる画像表示光を生成する。このため光学ユニット１００は、筐体１１０の内部に画像投射部２１０、中間鏡３５０、中間像形成部３６０、および投射鏡４００を備える。

画像投射部２１０には、光源、画像表示素子、及び各種光学レンズなどが収納される。画像投射部２１０は制御装置５０が出力した画像信号をもとに画像表示光を生成して投射する。なお、本実施の形態では画像表示素子として反射型液晶表示パネルであるＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）を用いる場合を例示するが、画像表示素子としてＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いてもよい。その場合、適用する表示素子に応じた光学系及び駆動回路で構成するものとする。

画像投射部２１０が投射した画像表示光は中間鏡３５０で反射される。中間鏡３５０で反射された画像表示光は、中間像形成部３６０に結像される。中間像形成部３６０で結像した実像に係る画像表示光は、中間像形成部３６０を透過し、投射鏡４００に投射される。

投射鏡４００は凹面鏡であり、中間像形成部３６０を透過した画像表示光は投射鏡４００によって拡大されてウィンドシールド６１０に投射される。ウィンドシールド６１０に投射された画像表示光は、ウィンドシールド６１０によってユーザに向かう光路へ変更される。運転者であるユーザＥは、ウィンドシールド６１０で反射さた画像表示光を虚像４５０として、ウィンドシールド６１０よりも視線方向の前方に認識する。

図２は、本発明の実施の形態に係る光学ユニット１００の内部構成を示す図である。以下、図２を参照して、光学ユニット１００の内部構成を説明する。

上述したように、光学ユニット１００は、筐体１１０の内側に画像投射部２１０、中間鏡３５０、中間像形成部３６０、および投射鏡４００を備える。詳細は後述するが、画像投射部２１０は、赤色、緑色、または青色の光をそれぞれ発生する３種類の異なる光源を備える。光源はＬＥＤ（Light Emitting Diode）や半導体レーザー光源を用いて実現できるが、本実施の形態では、光源としてＬＥＤを用いる場合について説明する。

光源は使用時に熱を発生する。このため、光学ユニット１００は、光源を冷却するためのヒートシンクを備える。光源は３種類あるため、それらの光源を冷やすために、光学ユニット１００の筐体１１０の外側に、赤色の光源と接続するヒートシンク１２０ａ、緑色の光源と接続するヒートシンク１２０ｂ（図示せず）、および青色の光源と接続するヒートシンク１２０ｃを備える。

筐体１１０はアルミ製のダイキャストである。ここで、青色の光源および緑色の光源をそれぞれ冷却するためのヒートシンク１２０ｂおよびヒートシンク１２０ｃはともに、筐体１１０と一体に構成されている。これに対し、赤色の光源を冷やすためのヒートシンク１２０ａは、ヒートシンク１２０ｂおよびヒートシンク１２０ｃから空間的に離れた場所に設置されるとともに、筐体１１０とは分離して外付けされている。このため、赤色の光源が発生する熱は、ヒートパイプ２５を介してヒートシンク１２０ａまで運ばれる。

次に、図３および図４を参照してヘッドアップディスプレイ１０の光学系について説明する。図３は、画像投射部２１０の内部構成を画像表示光の光路とともに模式的に示す図である。図４は、中間鏡３５０、中間像形成部３６０および投射鏡４００を介してウィンドシールド６１０に投射される画像表示光の光路を示す図である。

まず、図３を参照して画像投射部２１０の内部構成を説明する。画像投射部２１０は、照明部２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ（以下総称して照明部２３０ともいう）、ダイクロイッククロスプリズム２４４、反射鏡２３６、フィールドレンズ２３７、偏光ビームスプリッタ２３８、位相差板２３９、検光子２４１、及び投射レンズ群２４２を備える。なお、図３では第１照明部２３０ａ、第３照明部２３０ｃの内部構成の記載を省略し、第２照明部２３０ｂの内部構成のみを示すが、それぞれの照明部２３０は、同様の構成を有する。

照明部２３０は、光源２３１、コリメートレンズ２３２、ＵＶ−ＩＲ（UltraViolet-Infrared Ray）カットフィルタ２３３、偏光子２３４、フライアイレンズ２３５を備える。光源２３１は赤色、緑色、青色のいずれかの色の光を発する発光ダイオードからなる。第１照明部２３０ａは、光源として赤色の光を発する発光ダイオードを有する。第２照明部２３０ｂは、光源２３１として緑色の光を発する発光ダイオードを有する。第３照明部２３０ｃは、光源として青色の光を発する発光ダイオードを有する。

光源２３１は、光源取付部２４３に取り付けられる。光源取付部２４３は、図示しないヒートシンクと熱的に結合され、光源２３１の発光に伴い発生する熱を放熱する。光源２３１が発光した光は、コリメートレンズ２３２によって平行光に変えられる。ＵＶ−ＩＲカットフィルタ２３３は、コリメートレンズ２３２を通過した平行光から紫外光及び赤外光を吸収し除去する。偏光子２３４は、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ２３３を通過した光を乱れのないＰ偏光へと変える。そしてフライアイレンズ２３５が、偏光子２３４を通過した光の明るさを均一に整える。

それぞれの照明部２３０のフライアイレンズ２３５を透過した光は、ダイクロイッククロスプリズム２４４に異なる向きから入射される。ダイクロイッククロスプリズム２４４に入射した赤色、緑色、青色の光は、三色が合成された白色光となって反射鏡２３６へ向かう。反射鏡２３６は、ダイクロイッククロスプリズム２４４により合成された白色光の光路を９０度変更する。反射鏡２３６で反射された光は、フィールドレンズ２３７によって集光される。フィールドレンズ２３７が集光した光は、Ｐ偏光を透過する偏光ビームスプリッタ２３８及び位相差板２３９を介して、画像表示素子２４０に照射される。

画像表示素子２４０は、画素毎に赤色、緑色、及び青色のカラーフィルタを備えている。画像表示素子２４０に照射された光は、各画素に対応する色となり、画像表示素子２４０の備える液晶組成物によって変調が施され、Ｓ偏光の画像表示光となって偏光ビームスプリッタ２３８に向けて出射される。出射されたＳ偏光の光は偏光ビームスプリッタ２３８で反射され、光路を変えて検光子２４１を通過した後に投射レンズ群２４２へ入射される。投射レンズ群２４２を透過した画像表示光は、画像投射部２１０を出て中間鏡３５０に入射する。

次に、図４を参照して中間鏡３５０から中間像形成部３６０および投射鏡４００を介してウィンドシールド６１０に投射される画像表示光の光路について説明する。画像投射部２１０の投射レンズ群２４２から出射された画像表示光の光路は、中間鏡３５０によって投射鏡４００に向かう光路へ変更される。その途中で、中間鏡３５０で反射された画像表示光に基づく実像が中間像形成部３６０で結像する。

中間像形成部３６０は、拡散スクリーン３６２と、凹レンズ３６４を有する。拡散スクリーン３６２は、中間像形成部３６０を透過する画像表示光に基づく実像を結像させるとともに、投射鏡４００へと向かう画像表示光の配光角ψを制御する。凹レンズ３６４は、投射鏡４００へと向かう画像表示光の主光線の方向を制御し、中間像形成部３６０を透過する前後の画像表示光がなす角度θを調整する。

中間像形成部３６０を透過した画像表示光は、投射鏡４００により反射されウィンドシールド６１０に投射される。ウィンドシールド６１０に投射された画像表示光は、ウィンドシールド６１０によってユーザに向かう光路へ変更される。これにより、ユーザは上述したように、ウィンドシールド６１０を介して画像表示光に基づく虚像を前方に視認することができる。したがって、ウィンドシールド６１０は、虚像提示面としての機能を有することとなる。

以上の構成とすることで、ユーザは、制御装置５０から出力された画像信号に基づく虚像を、ウィンドシールド６１０を介して現実の風景に重畳して視認することができる。

つづいて、図５および図６を参照しながら、本実施の形態に係る中間像形成部３６０の機能について詳述する。図５は、異なる高さの視点Ｅ１、Ｅ２に対して虚像４５０を提示する場合の画像表示光の光路を示す図である。図６は、中間像形成部３６０により配光される画像表示光を示す図であり、図５の中間像形成部３６０と投射鏡４００の間の光路を拡大して示したものである。

図５に示すように、運転者であるユーザの視点Ｅ１、Ｅ２は、運転者の身長や、着座位置により上下方向に変わる。ユーザの視点が変わるような場合においても、虚像４５０の上端部４５１から下端部４５２までの全体を視認できることが好ましい。また、車両前方を見る視線方向Ｃ１、Ｃ２の真正面に虚像４５０を提示するのではなく、上下方向に少しずらした位置に虚像４５０を提示すると、必要なときに視線方向を少しずらして虚像４５０を参照することができるのでユーザにとって使いやすい。

そこで、本実施の形態では、中間像形成部３６０として拡散スクリーン３６２と凹レンズ３６４を組み合わせることにより、中間像形成部３６０を透過した画像表示光の主光線の向きと配光角を制御し、虚像４５０の視認性を高める。特に、凹レンズ３６４を上下方向に偏心して設けることにより、虚像４５０の提示位置を上下方向にずらして、見やすい位置に虚像４５０を提示することができる。なお、本実施の形態では、虚像４５０を視線方向Ｃ１、Ｃ２に対して下方に提示する場合の構成を示すが、凹レンズ３６４の偏心の態様を変えることにより、虚像４５０を異なる位置に提示することとしてもよい。

まず、図５を参照して視点Ｅ１、Ｅ２の違いによる画像表示光の経路の相違について詳述する。第１視点Ｅ１は、虚像４５０の全体を視認することのできる上限位置であり、第２視点Ｅ２は虚像４５０の全体を視認できる下限位置である。よって、第１視点Ｅ１から第２視点Ｅ２の間の範囲であれば、ユーザは虚像４５０の全体を視認することができる。

図５において、実線で示す光Ａ１、Ａ２は、虚像４５０の上端部４５１をユーザに提示するための光線を示しており、中間像形成部３６０に結像される実像３７０の上端部３７１から出射される光が投射鏡４００およびウィンドシールド６１０に反射してユーザの視点Ｅ１、Ｅ２に到達する。第１視点Ｅ１に向かう光Ａ１は、投射鏡４００の第１反射位置４０１で反射され、第２視点Ｅ２に向かうＡ２は、投射鏡４００の第２反射位置４０２で反射される。なお、本実施の形態で示す光学系においては、投射鏡４００とウィンドシールド６１０とで画像表示光を反射する構成としているため、中間像形成部３６０には上下反転した実像が結像される。

一方、破線で示す光Ｂ１、Ｂ２は、虚像４５０の下端部４５２をユーザに提示するための光線を示しており、中間像形成部３６０に結像される実像３７０の下端部３７２から出射される光が投射鏡４００およびウィンドシールド６１０に反射して視点Ｅ１、Ｅ２に達する。第１視点Ｅ１に向かう光Ｂ１は、投射鏡４００の第３反射位置４０３で反射され、第２視点Ｅ２に向かう光Ｂ２は、投射鏡４００の第４反射位置４０４で反射される。

つづいて図６を参照して、中間像形成部３６０により上下方向に配光される画像表示光について詳述する。図６は、図５の中間像形成部３６０と投射鏡４００の間の光路を拡大して示したものである。実像３７０の上端部３７１として結像する光Ａは、拡散スクリーン３６２に直交する方向（ｚ方向）を基準に、凹レンズ３６４に入射して角度θ_１だけ上方向（ｙ方向）に方向を変えて透過する。その後、拡散スクリーン３６２に実像として結像するとともに拡散されて、配光角ψ_１を有する画像表示光として投射鏡４００に向かう。その結果、中間像形成部３６０に入射する光Ａは、主光線Ａ０を中心にして、第１反射位置４０１に向かう光Ａ１と、第２反射位置４０２に向かう光Ａ２の間で配光する画像表示光となる。

同様に、実像３７０の下端部３７２として結像する光Ｂは、凹レンズ３６４に入射して角度θ_２だけ上方向（ｙ方向）に方向を変えて透過する。その後、拡散スクリーン３６２に実像として結像するとともに拡散されて、配光角ψ_２を有する画像表示光として投射鏡４００に向かう。その結果、中間像形成部３６０に入射する光Ｂは、主光線Ｂ０を中心にして、第３反射位置４０３に向かう光Ｂ１と、第４反射位置４０４に向かう光Ｂ２の間で配光する画像表示光となる。

ここで、本実施の形態の凹レンズ３６４は、ｚ方向を基準として上下方向（図４における上下方向）に偏心して設けられる。より詳細には、凹レンズ３６４の光軸の位置は、拡散スクリーン３６２の中心位置よりも下方に位置される。そのため、凹レンズ３６４の光軸に近い上端部３７１から出射される主光線Ａ０の角度θ_１よりも、凹レンズ３６４の光軸から遠い下端部３７２から出射される主光線Ｂ０の角度θ_２の方が大きくなる。また、本実施の形態の凹レンズ３６４は、凹レンズ３６４の光軸が凹曲面に含まれないように構成されるため、主光線Ａ_０およびＢ_０は、いずれも上方向（ｙ方向）に傾いて出射される。

つづいて図７を参照しながら、本実施の形態における拡散スクリーン３６２について詳述する。図７は、拡散スクリーン３６２の構成を示す図である。透過型スクリーンである拡散スクリーン３６２は、二枚の光拡散板３６３ａ、３６３ｂを備える。二枚の光拡散板３６３ａ、３６３ｂは、拡散ビーズ３６９ａ、３６９ｂが設けられる光拡散面３６７ａ、３６７ｂが互いに対向する向きで積層される。拡散スクリーン３６２は、光拡散面３６７ａ、３６７ｂを対向して配置させることにより、拡散スクリーン３６２へ入射する光の入射角θ_ｉｎと、拡散スクリーン３６２から出射される拡散光の主光線の出射角θ_ｏｕｔとの差を小さくする。これにより、拡散スクリーン３６２は、拡散光の主光線の出射角θ_ｏｕｔを適切に調整して、ユーザにとって視認性の高い画像を提示する。

拡散スクリーン３６２は、第１光拡散板３６３ａと第２光拡散板３６３ｂを備える。第１光拡散板３６３ａは、第１ベース部材３６６ａと、複数の第１拡散ビーズ３６９ａとを有する。第１ベース部材３６６ａは、互いに対向する第１光拡散面３６７ａと第１平坦面３６８ａとを有する。同様に、第２光拡散板３６３ｂは、第２ベース部材３６６ｂと、複数の第２拡散ビーズ３６９ｂとを有し、第２ベース部材３６６ｂは、互いに対向する第２光拡散面３６７ｂと第２平坦面３６８ｂとを有する。

第１ベース部材３６６ａ及び第２ベース部材３６６ｂ（以下、総称してベース部材３６６ともいう）は、透明な樹脂材料などで構成される平板である。なお、ベース部材３６６として柔軟性を有する透明フィルムを用いてもよい。第１拡散ビーズ３６９ａ及び第２拡散ビーズ３６９ｂ（以下、総称して拡散ビーズ３６９ともいう）は、光学用の高透明ビーズであり、その直径は略１０マイクロメートル以下である。拡散ビーズ３６９は、第１光拡散面３６７ａ及び第２光拡散面３６７ｂ（以下、総称して光拡散面３６７ともいう）の上に、１０〜１５マイクロメートル厚で塗布される。

本実施の形態では、第１光拡散板３６３ａ及び第２光拡散板３６３ｂとして、光を拡散させる性能が同じ光拡散板３６３を用いる。したがって、互いに対向して設けられる第１光拡散板３６３ａと第２光拡散板３６３ｂは、同一の配光分布で光を拡散させる。ここで、配光分布が同一であるとは、特定の強度分布を有する光を入射させた場合に、透過光の強度分布がほぼ同一となる光学特性を有することをいう。

つづいて図８及び図９を参照しながら、拡散スクリーン３６２を構成する光拡散板３６３の光学特性について説明する。図８は、光拡散板３６３に入射する光の入射角θ_ｉｎと透過する光の出射角θ_ｏｕｔ１、θ_ｏｕｔ２の関係を示す図である。図８（ａ）は、ビーズ面である光拡散面３６７に光を入射させる場合を示し、図８（ｂ）は、ビーズ面ではない平坦面３６８に光を入射させる場合を示す。ビーズ面である光拡散面３６７から光を入射させる場合には、入射角θ_ｉｎに対してΔθ_１だけ角度が大きくなった出射角θ_ｏｕｔ１に主光線の角度が変化する。一方、ビーズ面ではない平坦面３６８から光を入射させる場合には、入射角θ_ｉｎに対してΔθだけ角度が小さくなった出射角θ_ｏｕｔ２に主光線の角度が変化する。球面を構成する拡散ビーズ３６９に入射して角度が変化する場合と、拡散ビーズ３６９から出射して角度が変化する場合とで、角度の変化の仕方が異なるためである。

図９は、光拡散板３６３に入射する光の角度と光拡散板３６３から出射される主光線とのずれ角の関係を示すグラフである。（ａ）で示す直線は、ビーズ面である光拡散面３６７に光を入射させる場合のずれ角Δθ_１を示し、図８（ａ）のように光を入射させる場合に対応する。一方、（ｂ）で示す直線は、ビーズ面ではない平坦面３６８から光を入射させる場合のずれ角Δθ_２を示し、図８（ｂ）のように光を入射させる場合に対応する。なお、図９において、ずれ角Δθの正負は、入射角θ_ｉｎよりも出射角θ_ｏｕｔが大きくなる場合を正の値とし、入射角θ_ｉｎよりも出射角θ_ｏｕｔが小さくなる場合を負の値としており、θ_ｏｕｔ＝θ_ｉｎ＋Δθの関係を満たす。

図９に示されるように、光拡散面３６７に入射させる（ａ）の場合と平坦面３６８に入射させる（ｂ）の場合のいずれにおいても、入射角θ_ｉｎが大きくなるにつれてずれ角Δθの値が大きくなることがわかる。また、光拡散面３６７に入射させる（ａ）の場合と、平坦面３６８に入射させるの（ｂ）場合とで、ずれ角Δθの正負が異なるものの、入射角θ_ｉｎに対するずれ角Δθの大きさがほぼ同じとなることがわかる。

図９に示す光学的特性から、仮に拡散スクリーンとして光拡散板３６３を一枚だけ用いることとすると、拡散スクリーンに斜めに光が入射する場合、出射光の主光線の角度が変化することとなる。そうすると、凹レンズ３６４により主光線の方向を適切に制御したとしても、単独で用いた光拡散板３６３により主光線の方向が変化することとなり、ユーザに提示する画像表示光の視認性が低下するおそれがある。

一方、本実施の形態における拡散スクリーン３６２は、同一の配光分布を有する第１光拡散板３６３ａと第２光拡散板３６３ｂを、互いの光拡散面３６７ａ、３６７ｂが対向するように組み合わせている。このため、第１光拡散板３６３ａと第２光拡散板３６３ｂのそれぞれにおいて入射角と出射角の間にずれ角が生じたとしても、第１光拡散板３６３ａにより生じるずれ角を、第２光拡散板３６３ｂにより生じるずれ角によって補正することができる。図７に示すように、第１光拡散板３６３ａの第１平坦面３６８ａに入射する光は、ずれ角Δθだけ小さな出射角となって第１光拡散面３６７ａから出射し、そのまま第２光拡散板３６３ｂの第２光拡散面３６７ｂに入射する光は、ずれ角Δθだけ大きな出射角となって第２平坦面３６８ｂから出射されるためである。

以下、本実施の形態における中間像形成部３６０により奏する効果について述べる。

本実施の形態における中間像形成部３６０は、主光線Ａ０、Ｂ０に対して所定の配光角ψ_１、ψ_２を有した画像表示光となるよう主光線の配光角を制御する拡散スクリーン３６２を有する。このため、視点位置が移動する場合であっても所定範囲内であれば一定の明るさの虚像を提示することができる。また、拡散スクリーン３６２として、配光角ψ_１、ψ_２が投射鏡４００の第１反射位置４０１から第２反射位置４０２の範囲内、または第３反射位置４０３から第４反射位置４０４の範囲内となる特性のものを選択することにより、画像表示光を高効率に利用することができる。この反射位置の範囲よりも配光角が狭くなってしまうと、明るい虚像４５０を提示できる視点の範囲が狭くなってしまう一方で、この反射位置の範囲よりも配光角が広くなってしまうと、投射鏡４００で反射されない画像表示光の割合が増えて、ユーザに提示される虚像４５０が暗くなってしまうためである。このように、配光角ψ_１、ψ_２を適切に制御することにより、明るい虚像４５０を高効率でユーザに提示することができ、虚像４５０の視認性を高めることができる。

また、中間像形成部３６０は、中間像形成部３６０を透過した主光線Ａ０、Ｂ０の方向を制御する凹レンズ３６４を有する。中間像形成部３６０として凹レンズ３６４を設けることにより、中間像形成部３６０と投射鏡４００の間の距離Ｄを短くしなければならない場合であっても、ユーザに提示する虚像４５０をより大きくすることができる。したがって、凹レンズ３６４を設けることにより、光学ユニット１００の大きさを小型化しつつ、より大きな虚像４５０を提示することができ、虚像４５０の視認性を高めることができる。

また、中間像形成部３６０は、凹レンズ３６４が上下方向に偏心して設けられる。これにより、虚像４５０をユーザの視線方向に対して真正面ではなく、上下方向に少しずらした位置に提示することができる。虚像４５０の上端部４５１を提示するための光と、虚像４５０の下端部４５２を提示するための光との間に角度差をつけることができるためである。虚像４５０を上下方向にずらすことによって、ユーザにとって見やすい位置に虚像４５０を提示することができ、虚像４５０の視認性を高めることができる。また、上下方向に偏心させた凹レンズを用いることにより、光学ユニット１００をより小型化することができる。

また、中間像形成部３６０は、拡散スクリーン３６２として、ビーズ面である光拡散面３６７ａ、３６７ｂを対向して積層させた二つの光拡散板３６３ａ、３６３ｂを用いる。これにより、ユーザに角度差をつけた画像表示光を提示するために拡散スクリーン３６２に斜めに光を入射させる場合であっても、拡散スクリーン３６２の透過前後における主光線の方向の変化を小さくすることができる。よって、凹レンズ３６４によって生じさせた角度差を維持した画像表示光をユーザに提示することができ、虚像４５０の視認性を高めることができる。

また、拡散スクリーン３６２は、二つの光拡散板３６３ａ、３６３ｂの光拡散面３６７ａ、３６７ｂが対向するようにして積層される。拡散スクリーン３６２の構成として、平坦面３６８ａ、３６８ｂを対向するように積層した構成も考えられるが、この場合には画像表示光が結像する第１光拡散面３６７ａと第２光拡散面３６７ｂとの間の距離が大きくなる。その結果、第１光拡散面３６７ａと第２光拡散面３６７ｂのそれぞれに画像表示光が結像して拡散スクリーン３６２に二重の像が生じることとなり、ユーザの視認性が低下してしまう。本実施の形態では、第１光拡散面３６７ａと第２光拡散面３６７ｂを近接して配置させることで、二重像の発生を防ぎ、虚像４５０の視認性を高めることができる。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。

上述の実施の形態においては、中間像形成部３６０として凹レンズ３６４を拡散スクリーン３６２の手前に配置する場合、つまり、凹レンズ３６４を透過した画像表示光が拡散スクリーン３６２に入射する構成となる場合を示した。さらなる変形例として、拡散スクリーン３６２と凹レンズ３６４を逆に配置することとしてもよい。この場合、中間鏡３５０から投射鏡４００の間は、中間鏡３５０、拡散スクリーン３６２、凹レンズ３６４、投射鏡４００の順に光学素子が配列されることとなる。中間像形成部３６０の向きを逆にしたとしても、拡散スクリーン３６２により画像表示光の配光角を制御するとともに、凹レンズ３６４により主光線の向きを制御して、視認性の高い虚像４５０を提示することができる。

上述の実施の形態においては、中間像形成部３６０として凹レンズ３６４を用いることにより画像表示光の主光線の方向を制御することとした。変形例においては、凹レンズ３６４を設けず、中間像形成部３６０が拡散スクリーン３６２のみを備える構成としてもよい。この変形例においては、画像投射部２１０が備える投射レンズ群２４２により、画像表示光の主光線の方向が調整される。この場合においても、拡散スクリーン３６２の透過前後における主光線の方向の変化を抑えることができるため、投射レンズ群２４２により決まる主光線の方向の維持した画像表示光を提示することができる。これにより、視認性の高い虚像４５０を提示することができる。

上述の実施の形態においては、拡散スクリーン３６２を構成する光拡散板３６３として、複数の拡散ビーズ３６９を設けたビーズ面を有するものを用いたが、変形例においては拡散ビーズを用いない光拡散板を用いることとしてもよい。例えば、光拡散面にマイクロレンズアレイを形成した光拡散板を用いるとともに、二枚の光拡散板のマイクロレンズアレイを対向して積層させる。この場合においても、光拡散面を対向して設けることにより透過前後の主光線の方向の変化を低減させるとともに、二重像の発生を防ぐことができるため、虚像４５０の視認性を高めることができる。また、さらなる変形例として、光拡散面に粗面加工を施すことにより光拡散性を持たせたベース部材を光拡散板として用いておよい。

上述の実施の形態では、ヘッドアップディスプレイ向けの中間像形成部３６０に用いる拡散スクリーン３６２について説明したが、変形例として、リアプロジェクションテレビにおけるスクリーンとして上述の拡散スクリーン３６２を用いてもよい。拡散スクリーン３６２の透過前後で主光線の方向の変化を少なくすることができるため、視認性の高い画像を提供することができる。

１０…ヘッドアップディスプレイ、２１０…画像投射部、３６０…中間像形成部、３６２…拡散スクリーン、３６３…光拡散板、３６３ａ…第１光拡散板、３６３ｂ…第２光拡散板、３６６…ベース部材、３６６ａ…第１ベース部材、３６６ｂ…第２ベース部材、３６７…光拡散面、３６７ａ…第１光拡散面、３６７ｂ…第２光拡散面、３６８…平坦面、３６８ａ…第１平坦面、３６８ｂ…第２平坦面、３６９…拡散ビーズ、３６９ａ…第１拡散ビーズ、３６９ｂ…第２拡散ビーズ、３７０…実像、４００…投射鏡、４５０…虚像。

Claims (3)

1. 平坦面と、前記平坦面に対向し、入射する光を拡散して透過させる光拡散面と、をそれぞれ有する二枚の光拡散板を備え、
   前記二枚の光拡散板は、それぞれの前記光拡散面を対向して積層され、
   それぞれの前記光拡散面は、当該光拡散面に入射する光を略同一の配光分布で拡散させることを特徴とする透過型スクリーン。
2. 前記光拡散板は、主面を有するベース部材と、前記主面上に複数設けられる光拡散部材と、を含み、
   前記光拡散面は、前記光拡散部材が設けられた前記主面により構成されることを特徴とする請求項１に記載の透過型スクリーン。
3. 画像表示光を投射する画像投射部と、
   前記画像投射部から投射された画像表示光に基づく実像を結像させる中間像形成部と、
   前記中間像形成部を透過した画像表示光を虚像提示面に向けて反射させる投射鏡と、
   を備え、
   前記中間像形成部は、平坦面と、前記平坦面に対向し、入射する光を拡散して透過させる光拡散面と、を有する光拡散板を二枚備え、
   二枚の前記光拡散板は、それぞれの前記光拡散面を対向して積層され、
   それぞれの前記光拡散面は、当該光拡散面に入射する光を略同一の配光分布で拡散させることを特徴とする画像表示装置。

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