JP2015232693A - 画像表示装置及び画像表示システム - Google Patents

Abstract

【課題】画像端部付近の輝度を落とすことなく、大画面化と小型化の両立を実現した図ることができる画像表示装置を提供する。【解決手段】所定の画像情報に基づいて光源から出射した画像光の光束を発散させる光発散部材２１０と、前記光源から出射される画像光を光走査手段２０８により主走査方向と副走査方向とに走査して前記光発散部材上に中間像Ｇ’を形成する走査光学系と、光透過性を有する被投射部材に向けて前記光発散部材からの画像光を投射し、該被投射部材で反射させて特定の視点範囲内に導く投射光学系とを有する画像表示装置において、前記走査光学系は、前記中間像Ｇ’の主走査方向端部位置に対応する端部光束における前記光発散部材の出射後の中心光線Ｌ１，Ｌ２が、主走査方向における前記視点範囲Ｓの中心点から所定距離内の中心領域に向かうように、構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの画像光を二次元走査して画像表示する画像表示装置及び画像表示システムに関するものである。

従来、画像情報に基づく画像光を光走査手段により主走査方向及び副走査方向へ二次元的に走査して光発散部材上に中間像を形成し、その中間像を車両のフロントガラス等の被投射部材に向けて拡大投射して、ユーザーの視野に重ねて画像（虚像）を表示するヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置等の画像表示装置が知られている。

特許文献１には、高輝度化や大画面化を犠牲にすることなく小型化を実現するため、凹面ミラーと凸面ミラーとを備えた投射光学系を用いる画像表示装置が開示されている。特許文献１では、この画像表示装置を用いることで、中間像の発散角を制御するのが容易となり、光量ロスの少ない高効率な投射光学系を実現でき、また、高効率な光学系を実現できる結果、大型の光源を使うことなく高輝度画像が得られることから小型化を実現できるとしている。

しかしながら、前記特許文献１に開示の画像表示装置では、投射光学系に凹面ミラーと凸面ミラーという複数の光反射部材を設ける。そのため、投射光学系の大型化が避けられず、画像表示装置全体としても小型化が不十分である。

画像表示装置を小型化する上では、投射光学系に含まれる光反射部材を減らし、投射光学系の光反射部材を１つだけにした上で、光発散部材から光反射部材までの光路長を短くし、投射光学系を小型化するのが有効である。しかしながら、光発散部材から光反射部材までの光路長を短くすると、光発散部材から出射した光束の光反射部材への入射角が大きくなる。主走査方向端部に近い光束ほど当該入射角が大きいものとなることから、主走査方向端部付近の画像部分に対応する光束の当該入射角は特に大きいものとなる。そのため、以下に説明するように、主走査方向端部付近の画像部分の輝度が落ちて、主走査方向端部付近の画像部分が相対的に暗くなる画質劣化が引き起こされるという課題が判明した。

光発散部材から発散出射される画素ごとの各光束は、光反射部材の反射面で反射した後、予め決められた視点範囲内に導かれることで、その視点範囲内から各光束による画素が視認され、画像全体が視認されることになる。逆に、各光束における視点範囲内に導かれない光束部分は、その視点範囲から視認されることはないので、画像表示に寄与しない無駄な光束である。そのため、視点範囲内に導かれない光束部分の比率が高い光束については、当該光束に対応する画素の輝度が相対的に低いものとなる。

視点範囲内に導かれない光束部分の比率は、中間像上の一点（あるいは一画素）に対応する光反射部材の反射面上での光束径が大きい光束ほど高くなり、この光束径は、光反射部材への入射角が大きい光束ほど大きなものとなる。したがって、光発散部材から光反射部材までの光路長を短くすることで当該入射角が大きくなる主走査方向端部付近の画素に対応する光束については、当該比率が高く、その画素の輝度が相対的に低くなる。その結果、主走査方向端部付近の画像部分が相対的に暗くなる。

主走査方向端部付近の画像部分が相対的に暗くなるのを抑制する方法としては、光発散部材上に形成される中間像を大型化する方法（投射光学系の低倍率化）が考えられる。ただし、この方法では、光発散部材から光反射部材までの光路長が長くなり、また光発散部材の大型化も必要となるので、画像表示装置の大型化が避けられない。

以上の課題は、投射光学系の光反射部材が１つだけの場合に限らず、光発散部材から光反射部材までの光路長を短くして投射光学系を小型化する場合には同様に生じ得るものである。

上述した課題を解決するため、本発明は、所定の画像情報に基づいて画像光を出射する光源と、画像光の光束を発散させる光発散部材と、前記光源から出射される画像光を光走査手段により主走査方向と該主走査方向に直交する副走査方向とに走査して前記光発散部材上に中間像を形成する走査光学系と、光透過性を有する被投射部材に向けて前記光発散部材からの画像光を投射し、該被投射部材で反射させて特定の視点範囲内に導く投射光学系とを有し、前記視点範囲内において観察者に画像を視認可能とする画像表示装置において、前記走査光学系は、前記中間像の主走査方向端部位置に対応する端部光束における前記光発散部材の出射後の中心光線が、主走査方向における前記視点範囲の中心点から所定距離内の中心領域に向かうように、構成されていることを特徴とする。
ここで、「中心光線」とは、前記光発散部材上の一点（あるいは一画素）と、その一点から射出される光束の空間的光強度分布の中心部とを結ぶ光線を意味する。

本発明によれば、画像端部付近の輝度を比較的落とすことなく、大画面化と小型化の両立を実現できるという優れた効果が奏される。

実施形態における自動車用ＨＵＤ装置における光走査装置によって走査される走査光がマイクロレンズアレイによって拡散して出射されて投射ミラーに入射する様子を、副走査方向から見たときの説明図である。 同自動車用ＨＵＤ装置を搭載した自動車の構成を模式的に表した模式図である。 同自動車用ＨＵＤ装置の内部構成を模式的に表した模式図である。 同自動車用ＨＵＤ装置によって表示される画像例を示す説明図である。 同自動車用ＨＵＤ装置の光走査装置を構成するＭＥＭＳミラーを示す正面図である。 同自動車用ＨＵＤ装置におけるマイクロレンズアレイから射出される投射光によって表示される虚像が３つの視点によって視認される様子を、副走査方向から見たときの説明図である。 同マイクロレンズアレイから射出される投射光の発散角（実線）と視点範囲に到達する投射光の発散角（点線）とを示す説明図である。

以下、本発明を、画像表示装置である自動車用ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置に適用した一実施形態について説明する。なお、自動車用のＨＵＤを例にとって説明するが、これに限らず、映画鑑賞用の画像表示装置など、幅広い分野における画像表示装置として適用することができる。特に、本発明に係る画像表示装置は、当該画像表示装置から投射される画像光を反射させて観察者に画像を視認可能とする光透過性をもった被投射部材を備える装置（航空機や船舶等の移動体あるいは移動しない非移動体など）と組み合わせて、画像表示システムを構成することができる。本実施形態は、本発明に係る画像表示装置である自動車用ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置を、移動体である自動車３０１と組み合わせた自動車の画像表示システムを例に挙げて説明する。

図２は、本実施形態における自動車用ＨＵＤ装置を搭載した自動車の構成を模式的に表した模式図である。
図３は、本実施形態における自動車用ＨＵＤ装置の内部構成を模式的に表した模式図である。
本実施形態における自動車用ＨＵＤ装置２００は、例えば、自動車３０１のダッシュボード内に設置される。ダッシュボード内の自動車用ＨＵＤ装置２００から発せられる画像光である投射光Ｌが被投射部材としてのフロントガラス３０２で反射され、ユーザーである運転者３００に向かう。これにより、画像の観察者としての運転者３００は、例えば、図４に示すようなナビゲーション画像を虚像として視認することができる。なお、フロントガラス３０２の内壁面にコンバイナを設置し、コンバイナによって反射する投射光Ｌによってユーザーに虚像を視認させるようにしてもよい。

図４に示すナビゲーション画像には、第１表示領域２２０Ａに、自動車３０１の速度（図示の例では「６０ｋｍ／ｈ」という画像）が表示されている。また、第２表示領域２２０Ｂには、カーナビゲーション装置によるナビゲーション画像が表示されている。図示の例では、次の曲がり角で曲がる方向を示す右折指示画像と、次の曲がり角までの距離を示す「あと４６ｍ」という画像が、ナビゲーション画像として表示されている。また、第３表示領域２２０Ｃには、カーナビゲーション装置による地図画像（自車両周囲の地図画像）が表示されている。

自動車用ＨＵＤ装置２００は、赤色、緑色、青色のレーザー光源２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂと、各レーザー光源に対して設けられるコリメータレンズ２０２，２０３，２０４と、２つのダイクロイックミラー２０５，２０６と、光量調整部２０７と、光走査手段としての光走査装置２０８と、自由曲面ミラー２０９と、光発散部材としてのマイクロレンズアレイ２１０と、光反射部材としての投射ミラー２１１とから構成されている。本実施形態における光源ユニット１００は、レーザー光源２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂ、コリメータレンズ２０２，２０３，２０４、ダイクロイックミラー２０５，２０６が、光学ハウジングによってユニット化されている。

本実施形態の自動車用ＨＵＤ装置２００は、マイクロレンズアレイ２１０上に結像される中間像を自動車３０１のフロントガラス３０２に投射することで、その中間像の拡大画像を運転者３００に虚像として視認させる。レーザー光源２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂから発せられる各色レーザー光は、それぞれ、コリメータレンズ２０２，２０３，２０４で略平行光とされ、２つのダイクロイックミラー２０５，２０６により合成される。合成されたレーザー光は、光量調整部２０７で光量が調整された後、光走査装置２０８のミラーによって二次元走査される。光走査装置２０８で二次元走査された走査光Ｌ’は、自由曲面ミラー２０９で反射されて歪みを補正された後、マイクロレンズアレイ２１０に集光され、中間像を描画する。

本実施形態では、中間像の画素（中間像の一点）ごとの光束を個別に発散させて出射する光発散部材として、マイクロレンズアレイ２１０を用いているが、他の光発散部材を用いてもよい。

光走査装置２０８は、公知のアクチュエータ駆動システムでミラーを主走査方向及び副走査方向に傾斜動作させ、ミラーに入射するレーザー光を二次元走査（ラスタスキャン）する。図５は、光走査装置２０８の一例であるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー１５０を示す正面図である。ＭＥＭＳミラー１５０は、半導体プロセスにて製造されるものであり、ミラー１５１を備えている。ミラー１５１は、反射面を有し、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、一つおきに第一梁部１５２ａと第二梁部１５２ｂとに分けられており、枠部材１５４に支持されている。

蛇行状梁部１５２の各梁部１５２ａ，１５２ｂには、蛇行した隣り合う梁部ごとにチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の独立の圧電部材１５６が設けられている。これらの圧電部材１５６の一つおきに異なる電圧を印加して、各梁部１５２ａ，１５２ｂにそれぞれ反りを発生させることにより、隣り合う梁部が異なる方向にたわみ、それが累積されて、ミラー１５１が垂直方向に大きな角度で回転することになる。このような構成により、図面縦軸を中心とした垂直方向への光走査が、低電圧で可能となる。一方、図面横軸を中心とした水平方向では、ミラー１５１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。ミラー１５１の駆動制御は、レーザー光源２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂの発光タイミングに同期して行われる。

光走査装置２０８は、本実施形態の構成に限らず、例えば、互いに直交する２つの軸回りをそれぞれ揺動あるいは回動する２つのミラーからなるミラー系で構成してもよい。

本実施形態における主走査方向は、中間像の長手方向に沿った方向であり、副走査方向は、中間像の短手方向に沿った方向である。本実施形態における中間像の形状は、横長形状であるため、主走査方向は画像横方向であり、副走査方向は画像縦方向である。

フロントガラス３０２は、通常、曲面であり、また、投射光Ｌの入射方向に対して特定方向に傾斜した面となることから、投射光Ｌがフロントガラス３０２を反射して描画される虚像は、中間像に対して光学的に歪んだ形状となる。また、光路上に存在する各種光学素子の特性によっても光学的な歪みが生じる。このような光学的な歪みのうち、中間像の水平線（画像横方向に伸びる直線）が上または下に凸となる形状となる光学的な歪みについては、本実施形態では自由曲面ミラー２０９の反射面形状を調整することで補正している。また、投射光Ｌがフロントガラス３０２を反射して描画される虚像の全体が回転し、虚像の横方向が水平方向に対して傾斜した状態となる光学的な歪みについては、中間像の横方向が水平方向に対して予め傾斜するように中間像を形成するように、光走査装置２０８の走査方向等を調整するなどして補正することができる。また、画像全体が平行四辺形状に変形するような光学的な歪みについては、画像処理によって補正することができる。

本実施形態における自動車用ＨＵＤ装置２００によって表示される虚像Ｇは、中間像Ｇ’の各画素から射出される光束が運転者の目に入射することで、運転者３００に視認されることになる。ここで、自動車の運転席に座る運転者３００が変われば視点の位置（運転者３００の目の位置）は変わる。また、同じ運転者３００であっても座る姿勢の違い等によって、視点の位置（運転者３００の目の位置）が変わる。このように視点の位置が多少変わっても、自動車用ＨＵＤ装置２００によって表示される虚像Ｇが運転者３００に適切に視認できることが、自動車用ＨＵＤ装置２００には求められる。

図６は、マイクロレンズアレイ２１０から射出される投射光Ｌによって表示される虚像Ｇ（中間像Ｇ’の拡大画像）が３つの視点３００ａ，３００ｂ，３００ｃによって視認される様子を、副走査方向から見たときの説明図である。
図６に示す３つの視点３００ａ，３００ｂ，３００ｃは、主走査方向において、予め決められた視点範囲Ｓの中央に位置する視点３００ａと、視点範囲Ｓの両端に位置する視点３００ｂ，３００ｃである。また、図６における一点鎖線は、マイクロレンズアレイ２１０上の中間像Ｇ’の主走査方向中央点（中央画素）から射出される光束を示すものである。

本実施形態は、これらの３つの視点３００ａ，３００ｂ，３００ｃのいずれにおいても虚像Ｇが視認できるように、マイクロレンズアレイ２１０によって中間像Ｇ’の各画素から射出される光束を発散させている。ただし、このときの発散角が大きすぎると、中間像Ｇ’の主走査方向中央点（中央画素）から射出される全光束に対し、各視点３００ａ，３００ｂ，３００ｃに入射する光束が少なくなる。したがって、中間像Ｇ’の主走査方向中央点（中央画素）から射出される全光束が視点範囲Ｓ内で視点範囲Ｓの全域に分散するのが理想的である。この場合、中間像Ｇ’の主走査方向中央点（中央画素）から射出される全光束を視点範囲Ｓ内の各視点に入射させることができ、視点範囲Ｓ内の各視点から視認される画像の表示に無駄なく寄与することができる。

図１は、光走査装置２０８によって走査される走査光Ｌ’がマイクロレンズアレイ２１０によって拡散して出射されて投射ミラー２１１に入射する様子を、副走査方向から見たときの説明図である。
図１において、一点鎖線で示す走査光Ｌ１’，Ｌ２’は、マイクロレンズアレイ２１０上の中間像Ｇ’の主走査方向各端部位置（端部画素）から射出される端部光束を示すものである。また、マイクロレンズアレイ２１０から射出される投射光の一点鎖線Ｌ１，Ｌ２は、マイクロレンズアレイ２１０から発散射出される端部光束の中心光線を示し、投射光の二点鎖線は、マイクロレンズアレイ２１０から発散射出される端部光束の発散範囲を示している。また、図１中符号Ｓ１’，Ｓ２’で示す範囲は、投射ミラー２１１で反射した端部光束のうち視点範囲Ｓに入射することになる範囲を示すものである。

マイクロレンズアレイ２１０から射出される光束の発散角は、マイクロレンズアレイ２１０に入射してくる走査光Ｌ’の入射角によって変動するため、中間像Ｇ’の画素位置によって異なるものとなる。より詳しくは、マイクロレンズアレイ２１０に入射してくる走査光Ｌ’の入射角が大きいほど、マイクロレンズアレイ２１０から射出される光束の発散角が大きいものとなる。そのため、入射角が大きい主走査方向端部付近の中間像部分から射出される光束については、主走査方向中央付近の中間像部分から射出される光束に対して、発散角が大きく、視点範囲Ｓ内に入射する光束が少ない。加えて、入射角が大きい主走査方向端部付近の中間像部分から射出される光束は、投射ミラー２１１やフロントガラス３０２の反射面に入射する入射角が大きいことも、視点範囲Ｓに入射する光束が少ない要因である。

このように主走査方向端部付近の中間像部分から射出される光束は、主走査方向中央付近の中間像部分から射出される光束よりも、視点範囲Ｓに入射する光束が少ないことから、主走査方向端部付近の虚像部分が相対的に暗くなる。

特に、本実施形態では、投射光学系に含まれる光反射部材が投射ミラー２１１の１つだけにした上で、マイクロレンズアレイ２１０の出射面から投射ミラー２１１の反射面までの光路長を短くし、投射光学系を小型化している。より具体的には、図１に示すように、マイクロレンズアレイ２１０から出射して視点範囲Ｓへ入射することになる中間像Ｇ’の光束が投射ミラー２１１の反射面に入射する範囲の主走査方向長さＱが、マイクロレンズアレイ２１０の出射面と投射ミラー２１１の反射面との間の光路長Ｐよりも長くなるように構成されている。

このような構成においては、主走査方向端部付近の中間像部分から射出される光束の投射ミラー２１１への入射角が比較的大きくなる。中間像Ｇ’から射出される光束の投射ミラー２１１上での光束径が大きいと、投射ミラー２１１で反射して視点範囲Ｓへ入射することになる光束が少なくなる。この光束径は、投射ミラー２１１への入射角が大きいほど大きなものとなる。よって、投射光学系の小型化のために主走査方向端部付近の中間像部分から射出される光束の投射ミラー２１１への入射角が大きい本実施形態の構成では、特に、主走査方向端部付近の虚像部分が相対的に暗くなりやすい。

そこで、本実施形態においては、中間像Ｇ’の主走査方向端部位置（端部画素）に対応する端部光束におけるマイクロレンズアレイ２１０の出射後の中心光線Ｌ１，Ｌ２が、主走査方向における視点範囲Ｓの中心点から所定距離内の中心領域に向かうように、走査光学系が構成されている。この中心領域の範囲は、例えば、人間の両目の間隔を基準にして、視点範囲Ｓの中心点から７５ｍｍ以下の距離内とする。この範囲とすれば、マイクロレンズアレイ２１０から射出される端部光束の発散角を適宜調整することにより、自動車用ＨＵＤ装置２００に要求される視点範囲Ｓ内から、虚像Ｇにおける主走査方向端部位置の画像部分を十分な輝度で視認することができる。

端部光束の中心光線Ｌ１，Ｌ２を向かわせる視点範囲Ｓ内の中心領域において、視点範囲Ｓの中心点からの距離は、要求される画質等に応じて適宜設定される。マイクロレンズアレイ２１０から出射される中間像Ｇ’の各画素の光束のうち、端部画素の光束が、最もその中心光線を視点範囲Ｓ内の中心領域に向かわせるのに不利である。そのため、本実施形態のように端部光束の中心光線Ｌ１，Ｌ２が視点範囲Ｓ内の中心領域に向かう構成であれば、他の画素の光束の中心光線も当該中心領域に向かわせることができる。その結果、発散角を適宜調整することによって、視点範囲Ｓの全域にわたり、全画素について高い輝度を実現することができる。

本実施形態では、中間像Ｇ’の形成方法として、レーザー光を二次元走査して中間像を形成するレーザー光走査方式を採用している。レーザー光は高い指向性を示すことから、光学系の光学素子の配置や特性を調整して、端部光束の中心光線Ｌ１，Ｌ２が視点範囲Ｓ内の中心領域に向かうようにすることが容易である。なお、本実施形態において、走査光学系は、光源から出射される画像光を光走査装置２０８によりマイクロレンズアレイ２１０上に中間像を形成するまでの光学系であり、投射光学系は、マイクロレンズアレイ２１０から出射した画像光を投射する光学系である。

また、本実施形態においては、中間像Ｇ’の主走査方向端部位置に対応する端部光束の５０％以上が視点範囲Ｓ内に導かれるように、走査光学系が構成されている。これにより、マイクロレンズアレイ２１０から出射される端部光束を、視点範囲Ｓ内から視認される画像の表示に効率よく寄与させることができる。その結果、自動車用ＨＵＤ装置２００に要求される視点範囲Ｓ内から、虚像Ｇにおける主走査方向端部位置の画像部分を十分な輝度で視認することができる。

具体的には、本実施形態では、図７に示すように、マイクロレンズアレイ２１０から射出される端部光束の発散角（中心光線上の光量（最大光量）に対して半値を示す２地点をマイクロレンズアレイ２１０上の出射地点から見たときの角度幅）が４０°に設定されている。そして、本実施形態では、マイクロレンズアレイ２１０から射出される端部光束の３０°の角度幅（中心光線から主走査方向へ等距離にある２地点をマイクロレンズアレイ２１０上の出射地点から見たときの角度幅）分が、視点範囲Ｓ内に入射するように構成されている。このとき、４０°の立体角は０．３８ｓｒであり、３０°の立体角は０．２２ｓｒであることから、マイクロレンズアレイ２１０から射出される端部光束（全光束）のうち視点範囲Ｓ内に入射することになる光束の比率は、約５７％（０．２２／０．３８×１００）となる。

図７中実線で示したマイクロレンズアレイ２１０から射出される端部光束の発散角（これはマイクロレンズアレイ２１０の形状特性で決まる。）と、図７中点線で示した視点に到達する光束の発散角（これは投射光学系の設計で決まる。）との差が小さい。そのため、本実施形態によれば、光利用効率を約５７％まで上げられ、光利用効率の低下を抑えることができる。

本実施形態では、上述したとおりレーザー光走査方式を採用している。マイクロレンズアレイ２１０に入射させる画像光として指向性の高いレーザー光を用いるレーザー光走査方式によれば、マイクロレンズアレイ２１０から射出させる投射光Ｌの発散角を３０°という比較的狭い範囲に設定することが容易である。

なお、中間像Ｇ’の形成方法としては、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）や蛍光表示管（ＶＦＤ）を利用した方式なども存在する。しかしながら、ＬＣＤやＶＦＤは、光源が平面状に並び、各光源の発散中心方向がすべて平面法線方向に向いていることに加え、一般に発散角が６０°以上と広い。そのため、中間像Ｇ’の主走査方向端部位置に対応する端部光束の５０％以上を視点範囲Ｓ内に導くような構成とすることは極めて困難である。

マイクロレンズアレイ２１０から出射される中間像Ｇ’の各画素の光束のうち、端部画素の光束が、最も視点範囲Ｓ内へ向かわせるのが不利である。本実施形態のように端部光束の５０％以上が視点範囲Ｓ内に導かれる構成であれば、他の画素についてはより多くの光束を視点範囲Ｓ内に導くことができる。よって、視点範囲Ｓの全域にわたり、全画素について高い輝度を実現することができる。

また、本実施形態において、中間像Ｇ’の端部光束におけるマイクロレンズアレイ２１０の出射後の中心光線Ｌ１，Ｌ２が視点範囲Ｓの中心領域に向かうように、あるいは、中間像Ｇ’の端部光束の５０％以上が視点範囲Ｓ内に導かれるように、走査光学系を構成する際には、以下のような基準で走査光学系を設計したり調整したりするとよい。すなわち、図１に示すように、端部光束の走査光Ｌ１’，Ｌ２’のマイクロレンズアレイ２１０への入射角θ１’，θ２’が、マイクロレンズアレイ２１０から射出される端部光束の投射光の中心光線Ｌ１，Ｌ２の出射角θ１，θ２とほぼ一致するように、走査光学系を設計したり調整したりする。走査光学系をこのように設計したり調整したりすれば、中間像Ｇ’の端部光束におけるマイクロレンズアレイ２１０の出射後の中心光線Ｌ１，Ｌ２を視点範囲Ｓの中心領域に向わせることができ、また、中間像Ｇ’の端部光束の５０％以上を視点範囲Ｓ内へ導くことができる。

端部光束の走査光Ｌ１’，Ｌ２’のマイクロレンズアレイ２１０への入射角θ１’，θ２’は、光走査装置２０８での反射角度と、自由曲面ミラー２０９の反射面の立体的形状、自由曲面ミラー２０９の位置などを設定することで、変更することができる。

ここで、走査光学系において、自由曲面ミラー２０９は、必ずしも必須の部品ではなく、走査光学系の構成を簡素化して小型化を実現する上ではむしろ不要な部品である。よって、自由曲面ミラー２０９を除外した構成や、自由曲面ミラー２０９の代わりに平面ミラーを採用した構成なども考えられる。

しかしながら、光走査装置２０８からマイクロレンズアレイ２１０までの限られた光路長において、光走査装置２０８の限られた走査角範囲に対し、マイクロレンズアレイ２１０上での主走査方向幅を長くする上では、略凸面形状の反射面をもつ自由曲面ミラー２０９は有効である。このような自由曲面ミラー２０９が無い場合、中間像Ｇ’の主走査方向長さが小さくなり、同じ画面幅（虚像Ｇの主走査方向長さ）を得るためには、投射光学系に、より高い倍率が求められることになる。この場合、投射光学系におけるマイクロレンズアレイ２１０と投射ミラー２１１との距離を近付けるとともに、マイクロレンズアレイ２１０の発散角を大きくすることが必要になる。そうすると、マイクロレンズアレイ２１０に対する走査光Ｌ’の入射角は小さいが、マイクロレンズアレイ２１０からの投射光Ｌの出射角を大きくせざるを得ず、走査光学系の構成変更では、端部光束の走査光Ｌ１’，Ｌ２’のマイクロレンズアレイ２１０への入射角θ１’，θ２’とマイクロレンズアレイ２１０から射出される端部光束の投射光の中心光線Ｌ１，Ｌ２の出射角θ１，θ２とをほぼ一致させることは極めて困難である。このことから、本実施形態においては、略凸面形状の反射面をもつ自由曲面ミラー２０９を走査光学系に設けている。

また、本実施形態では、端部光束を含む中間像Ｇ’の各画素の光束について、走査光Ｌ１’，Ｌ２’のマイクロレンズアレイ２１０への入射角θ１’，θ２’とマイクロレンズアレイ２１０から射出される投射光の中心光線Ｌ１，Ｌ２の出射角θ１，θ２とがほぼ一致するように、自由曲面ミラー２０９の反射面における三次元形状を設計している。具体的には、自由曲面ミラー２０９の反射面は、単純な球面ではなく、回転対称非球面あるいは自由曲面形状となっている。例えば、２次元多項式面で表される自由曲面形状を用いれば、中間像Ｇ’の各画素の光束について入射角θ１’，θ２’と出射角θ１，θ２とをほぼ一致させるとともに、走査光Ｌ’の結像特性も良好にすることができる。

また、本実施形態における走査光学系では、曲面ミラーが、凸面ミラーである自由曲面ミラー２０９の１つだけであるが、走査光学系に複数の曲面ミラーを用いてもよい。これにより、小型化・結像特性・光線角度をいずれもさらに良好に達成することが容易となる。例えば、１つの曲面ミラーにマイクロレンズアレイ２１０上に中間像Ｇ’を結像させる作用を持たせ、他の曲面ミラーによってマイクロレンズアレイ２１０への入射角θ１’，θ２’を調整するといったことが可能である。ただし、結像特性と入射角調整を曲面ミラーごとに完全に分離して実施することは小型化のためには不利であることから、自由度の高い自由曲面形状をもった単一のミラー（自由曲面ミラー２０９）を用い、走査光学系全体での最適化を実施することが好ましい。

以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
（態様Ａ）
所定の画像情報に基づいて画像光を出射するレーザー光源２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂ等の光源と、画像光の光束を発散させるマイクロレンズアレイ２１０等の光発散部材と、前記光源から出射される画像光を光走査装置２０８等の光走査手段により主走査方向と該主走査方向に直交する副走査方向とに走査して前記光発散部材上に中間像Ｇ’を形成する走査光学系と、光透過性を有するフロントガラス３０２等の被投射部材に向けて前記光発散部材からの画像光を投射し、該被投射部材で反射させて特定の視点範囲Ｓ内に導く投射光学系とを有し、前記視点範囲内において運転者３００等の観察者に画像を視認可能とする自動車用ＨＵＤ装置２００等の画像表示装置において、前記走査光学系は、前記中間像Ｇ’の主走査方向端部位置に対応する端部光束における前記光発散部材の出射後の中心光線Ｌ１，Ｌ２が、主走査方向における前記視点範囲Ｓの中心点から所定距離内の中心領域に向かうように、構成されていることを特徴とする。
本態様では、中間像の走査方向端部位置に対応する端部光束における光発散部材の出射後の中心光線Ｌ１，Ｌ２が、走査方向における視点範囲Ｓの中心点から所定距離内の中心領域に向かう。光発散部材から発散出射される光束は、その中心光線に近いほど大きいことから、本態様によれば、より大きい光束部分が優先的に視点範囲Ｓ内に導かれ、視点範囲Ｓから外れる光束部分は相対的に小さい光束部分となる。その結果、画像の走査方向端部付近の輝度が相対的に落ちるのを抑制することができる。
しかも、本態様においては、走査光学系における光学部材の構成やレイアウト等を調整して、光発散部材の出射後における端部光束の中心光線が視点範囲Ｓの中心領域に向かうようにするので、光発散部材の大型化せずに済む。

（態様Ｂ）
所定の画像情報に基づいて画像光を出射するレーザー光源２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂ等の光源と、画像光の光束を発散させるマイクロレンズアレイ２１０等の光発散部材と、前記光源から出射される画像光を光走査装置２０８等の光走査手段により主走査方向と該主走査方向に直交する副走査方向とに走査して前記光発散部材上に中間像Ｇ’を形成する走査光学系と、光透過性を有するフロントガラス３０２等の被投射部材に向けて前記光発散部材からの画像光を投射し、該被投射部材で反射させて特定の視点範囲Ｓ内に導く投射光学系とを有し、前記視点範囲内において運転者３００等の観察者に画像を視認可能とする自動車用ＨＵＤ装置２００等の画像表示装置において、前記走査光学系は、前記中間像Ｇ’の主走査方向端部位置に対応する端部光束の５０％以上が前記視点範囲Ｓ内に導かれるように、構成されていることを特徴とする。
本態様においては、中間像の走査方向端部位置に対応する端部光束の５０％以上が視点範囲Ｓ内に導かれるので、視点範囲Ｓから外れる光束部分の比率が少なく、画像の走査方向端部付近の輝度が相対的に落ちるのを抑制することができる。

（態様Ｃ）
前記態様Ａ又はＢにおいて、前記投射光学系に含まれる光反射部材は投射ミラー２１１の１つだけであり、前記光発散部材から出射して前記視点範囲内に導かれる投射光Ｌ等の画像光が前記光反射部材の反射面に入射する範囲の主走査方向長さＱは、該光発散部材の出射面と前記光反射部材の反射面との間の光路長Ｐよりも長いことを特徴とする。
これによれば、投射光学系において高い倍率を得ることができるので画面の大型化を実現できるとともに、光発散部材の出射面と光反射部材の反射面との間の光路長Ｐを短くできるので小型化も実現できる。

（態様Ｄ）
前記態様Ａ〜Ｃのいずれかの態様において、主走査方向及び副走査方向の少なくとも一方の方向における前記中間像Ｇの端部位置に対応する端部光束のうち前記光発散部材の出射後の半値幅範囲内の端部光束部分が、前記光反射部材の反射面内に入射することを特徴とする。
これによれば、光発散部材から出射される実質的にすべての光束を光反射部材で反射して視点範囲内に導くことができるので、画像表示に寄与しない無駄な光束がなくなる結果、より高い輝度の画像表示が可能となる。

（態様Ｅ）
前記態様Ａ〜Ｄのいずれかの態様において、前記走査光学系は、前記光走査手段により走査された走査光Ｌ’等の画像光を反射させる自由曲面ミラー２０９等の凸面ミラーを有することを特徴とする。
これによれば、光走査手段から光発散部材までの限られた光路長において、光走査手段の限られた走査角範囲に対し、光発散部材上での走査幅を長くとることができる。これにより、投射光学系に要求される倍率を低く抑えることができる。よって、端部光束の画像光の光発散部材への入射角θ１’，θ２’と光発散部材から射出される端部光束の画像光の中心光線Ｌ１，Ｌ２の出射角θ１，θ２とをほぼ一致させることが容易となる。その結果、端部光束における光発散部材出射後の中心光線Ｌ１，Ｌ２が視点範囲Ｓの中心領域に向かうように、あるいは、端部光束の５０％以上が視点範囲Ｓ内に導かれるように、走査光学系を構成するのが容易となる。

（態様Ｆ）
前記態様Ｅにおいて、前記凸面ミラーの反射面は、前記中間像Ｇ’の主走査方向各位置に対応する光束における前記光発散部材の出射後の中心光線を前記視点範囲Ｓにおける前記中心領域に向かわせる三次元形状を有することを特徴とする。
これによれば、走査光学系を構成する凸面ミラーの反射面の三次元形状を設計あるいは調整することにより、中間像Ｇ’の主走査方向各位置に対応する光束における光発散部材の出射後の中心光線を視点範囲Ｓにおける中心領域に向かわせることができる。よって、画像全体について高輝度な画像表示を実現できる。

（態様Ｇ）
前記態様Ｅ又はＦにおいて、前記凸面ミラーの反射面は、前記中間像の主走査方向端部位置に対応する端部光束の５０％以上を前記視点範囲内へ導く三次元形状を有することを特徴とする。
これによれば、走査光学系を構成する凸面ミラーの反射面の三次元形状を設計あるいは調整することにより、中間像Ｇ’の主走査方向端部位置に対応する端部光束の５０％以上を視点範囲Ｓ内へ導くことができる。よって、画像全体について高輝度な画像表示を実現できる。

（態様Ｈ）
画像表示システムであって、前記態様Ａ〜Ｇのいずれかの態様に係る自動車用ＨＵＤ装置２００等の画像表示装置と、フロントガラス３０２等の被投射部材を備えた移動体である自動車３０１等の装置とを有し、前記画像表示装置から投射された画像光を前記被投射部材が反射することによって運転者３００等の観察者に画像を視認可能とすることを特徴とする。
これによれば、画像端部付近の輝度を比較的落とすことなく、大画面化と小型化の両立を実現した画像表示システムを得ることができる。

１００ 光源ユニット
２００ 自動車用ＨＵＤ装置
２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂ レーザー光源
２０８ 光走査装置
２０９ 自由曲面ミラー
２１０ マイクロレンズアレイ
２１１ 投射ミラー
３００ 運転者
３００ａ，３００ｂ，３００ｃ 視点
３０１ 自動車
３０２ フロントガラス

特開２０１３−６１５５４号公報

Claims (8)

1. 所定の画像情報に基づいて画像光を出射する光源と、
   画像光の光束を発散させる光発散部材と、
   前記光源から出射される画像光を光走査手段により主走査方向と該主走査方向に直交する副走査方向とに走査して前記光発散部材上に中間像を形成する走査光学系と、
   光透過性を有する被投射部材に向けて前記光発散部材からの画像光を投射し、該被投射部材で反射させて特定の視点範囲内に導く投射光学系とを有し、
   前記視点範囲内において観察者に画像を視認可能とする画像表示装置において、
   前記走査光学系は、前記中間像の主走査方向端部位置に対応する端部光束における前記光発散部材の出射後の中心光線が、主走査方向における前記視点範囲の中心点から所定距離内の中心領域に向かうように、構成されていることを特徴とする画像表示装置。
2. 所定の画像情報に基づいて画像光を出射する光源と、
   画像光の光束を発散させる光発散部材と、
   前記光源から出射される画像光を光走査手段により主走査方向と該主走査方向に直交する副走査方向とに走査して前記光発散部材上に中間像を形成する走査光学系と、
   光透過性を有する被投射部材に向けて前記光発散部材からの画像光を投射し、該被投射部材で反射させて特定の視点範囲内に導く投射光学系とを有し、
   前記視点範囲内において観察者に画像を視認可能とする画像表示装置において、
   前記走査光学系は、前記中間像の主走査方向端部位置に対応する端部光束の５０％以上が前記視点範囲内に導かれるように、構成されていることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１又は２に記載の画像表示装置において、
   前記投射光学系に含まれる光反射部材は１つだけであり、
   前記光発散部材から出射して前記視点範囲内に導かれる画像光が前記光反射部材の反射面に入射する範囲の主走査方向長さは、該光発散部材の出射面と前記光反射部材の反射面との間の光路長よりも長いことを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像表示装置において、
   主走査方向及び副走査方向の少なくとも一方の方向における前記中間像の端部位置に対応する端部光束のうち前記光発散部材の出射後の半値幅範囲内の端部光束部分が、前記光反射部材の反射面内に入射することを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像表示装置において、
   前記走査光学系は、前記光走査手段により走査された画像光を反射させる凸面ミラーを有することを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項５に記載の画像表示装置において、
   前記凸面ミラーの反射面は、前記中間像の主走査方向各位置に対応する光束における前記光発散部材の出射後の中心光線を前記視点範囲における前記中心領域に向かわせる三次元形状を有することを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項５又は６に記載の画像表示装置において、
   前記凸面ミラーの反射面は、前記中間像の主走査方向端部位置に対応する端部光束の５０％以上を前記視点範囲内へ導く三次元形状を有することを特徴とする画像表示装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の画像表示装置と、
   前記被投射部材を備えた装置とを有し、
   前記画像表示装置から投射された画像光を前記被投射部材が反射することによって観察者に画像を視認可能とすることを特徴とする画像表示システム。

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