JP2016031401A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ドライバーの視点範囲が動いた場合でも視点移動に伴う表示像の輝度変化量を抑制することができる表示装置を提供する。【解決手段】光源モジュール６００Ｒ、６００Ｇ、６００Ｂと、光源モジュール６００Ｒ、６００Ｇ、６００Ｂから出射された光を変調する空間光変調素子１０３と、空間光変調素子１０３によって変調された映像光を投写する投写光学系４００と、投写光学系４００により投写された映像光の投写範囲内に拡散面１０８を有すると共に、投写光学系４００により投写された映像光の結像範囲内に拡散面１０８が位置するように配置される拡散素子１０５と、映像光が拡散素子１０５の拡散面１０８で拡散することにより拡散素子１０５上に結像する映像から虚像を生成する虚像光学系とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置に関し、特に車等のフロントガラス越しに虚像を表示する表示装置に関するものである。

近年、フロントガラスや専用のコンバイナからなる反射部材を介してドライバーの視野範囲に虚像を表示する表示装置であるヘッドアップディスプレイが搭載された車両への需要が高まっている。
ヘッドアップディスプレイの構造は、光源を含む照明光学系と液晶パネルとを備える液晶表示器から発せられる表示光を車両のフロントガラスや専用のコンバイナからなる反射部材を介してドライバーの視野範囲に虚像を表示する形態が一般的であり、従来のヘッドアップディスプレイ装置として例えば特許文献１に開示されるものがある。
係るヘッドアップディスプレイ装置は、照明光学系として、発光素子が発した照明光と、照明光を均一化する手段として、レンズアレイと、レンズアレイによって均一化された像を集光するコンデンサレンズと、集光された照明光を拡散する１次像面と拡散光を透過することで変調する液晶パネルと、液晶パネルにより変調された光をドライバーの視野範囲に導き拡大された虚像を映し出す虚像光学系を備えるものである。

特開２０１２−２０３１７６号公報

虚像表示装置の用途として用いられる車載用のヘッドアップディスプレイの場合、意匠性を重視した自由曲面であるフロントガラスの一部、（右ハンドルであれば、右側の一部）を使用した光学系が必要となる。

また、虚像光学系が、ドライバーの視点位置で虚像を結像するために、１次像面を射出する光線が、１次像面に対し上下方向に非対称でかつ傾斜している必要がある。

また、ドライバーの視点位置が動いた場合でも、ある程度の視野範囲で輝度変化が少ない虚像を提供するための光学系が必要となる。
特許文献１に見られるような、液晶パネルを用いた方式では、集光レンズにて光線角度を制御しフロントガラスに合わせた光線角度に制御し、拡散板に光線を透過させ、光線を拡散し、拡散した光線を透過型液晶パネルに入射させて映像を作り出し、その後、虚像光学系にてドライバーの視野に虚像を映し出す手法を採用している。
しかしながら透過型液晶パネルには、垂直入射でなく角度を持った光線が入射するとコントラストが低下する課題があるため、上述のような集光レンズによって傾斜した光線や、さらに拡散板にて拡散させた角度を持った光線を透過型液晶パネルに入射させると、ドライバーの視点範囲内においてもコントラストが低下する課題があった。

そこで本開示は、ドライバーの視点位置が動いた場合でも視点移動に伴う表示像の輝度変化量を抑制することが可能な表示装置を提供することを目的とする。

本開示の表示装置は、
光源と、光源から出射された光を変調する空間光変調素子と、空間光変調素子によって変調された映像光を投写する投写光学系と、投写光学系により投写された映像光の投写範囲内に拡散面を有すると共に、投写光学系により投写された映像光の結像範囲内に拡散面が位置するように配置される拡散素子と、映像光が拡散素子の拡散面で拡散することにより拡散素子上に結像する映像から虚像を生成する虚像光学系とを備えることを特徴とする。

本開示によれば、ドライバーの視点位置が動いた場合でも視点移動に伴う虚像の輝度変化量を抑制することに有効である。

第１実施形態における表示装置の全体構成図 第１実施形態における表示装置の要部拡大図 第１実施形態における表示装置の光学特性図 第１実施形態における表示装置の要部拡大図 第１実施形態における表示装置の光学特性図 第１実施形態における表示装置の要部拡大図 第１実施形態における表示装置の光学特性図 第１実施形態における拡散素子の拡大図 第２実施形態における表示装置の要部拡大図 第２実施形態における表示装置の光学特性図 第２実施形態における表示装置の要部拡大図 第２実施形態における表示装置の光学特性図 第２実施形態における表示装置の要部拡大図 第２実施形態における表示装置の光学特性図 第３実施形態における表示装置の全体構成図 第４実施形態における拡散素子の拡大図 第５実施形態における表示装置の全体構成図 第６実施形態における拡散素子の拡大図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
以下、図面を参照しながら、各実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の表示装置としてのヘッドアップディスプレイの構成図であり、図２はその拡大図である。

６００Ｇは緑色のＬＥＤ光源と冷却装置を備えた緑光源モジュールであり、緑色のＬＥＤ光源の主波長は約５２５ｎｍで、発光面は１ｍｍ×１ｍｍの正方形である。

６００Ｇから射出された緑色光は、コリメートレンズ６０１Ｇにより平行光化されて緑色光を透過し、青色光を反射するダイクロイックミラー６０２に入射する。

６００Ｂは青色のＬＥＤ光源と冷却装置を備えた青光源モジュールであり、青色のＬＥＤ光源の主波長は約４５５ｎｍで、発光面は１ｍｍ×１ｍｍの正方形である。

６００Ｂから射出された青色光は、コリメートレンズ６０１Ｂにより平行光化されてダイクロイックミラー６０２に入射する。

ダイクロイックミラー６０２によって、緑色光が透過され、青色光が反射されることにより、緑色光と青色光とが同一光路に合成される。そして、緑色光と青色光の合成光が、赤色光を反射し緑色光と青色光を透過するダイクロイックミラー６０３に入射する。

６００Ｒは赤色のＬＥＤ光源と冷却装置を備えた赤光源モジュールであり、赤色のＬＥＤ光源の主波長は約６２５ｎｍで、発光面は１ｍｍ×１ｍｍの正方形である。

６００Ｒから射出された赤色光は、コリメートレンズ６０１Ｒにより平行光化されてダイクロイックミラー６０３に入射する。

ダイクロイックミラー６０３によって、緑色光と青色光が透過され、赤色光が反射されることにより、緑色光、青色光、赤色光の３色が合成され同一光路を通る白色光線となる。

合成された白色光線は、レンズアレイ５０３によって分割され、リレーレンズ５０２によって集光されたのち、反射ミラー５０１により搭載用途に好適な光路に反射され、プリズム５００にて反射後、空間光変調素子であるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）１０３上に重畳される。

本実施形態におけるＤＭＤ１０３のアスペクト比は１６:９であるが、作成したい虚像８００Ｃ、８００Ｔ、８００Ｂのアスペクト比が２：１であるため、照明光をＤＭＤ上に２：１のアスペクト比にて照明する。

この時、ＤＭＤの左右のサイズに合わせ、上端と、下端にスペースができる形で照明する。

ＤＭＤ１０３上に重畳された投写映像光はＤＭＤ１０３により反射されプリズム５００を透過し、投写レンズ４００に入射する。

投写レンズ４００に入射した投写映像光は投写レンズ４００の射出瞳４０１に略一致する位置に集光し、その後、拡散特性を有する拡散素子１０５の拡散面１０８上に、投写映像光の上限主光線１０６Ｔ，中心主光線１０６Ｃ、下限主光線１０６Ｂ等から構成される映像を結像する。

ここで、投写レンズ４００の射出瞳４０１に略一致する位置とは、投写レンズ４００の射出瞳４０１に完全に一致するか、設置上の誤差により僅かに位置がずれている場合を含んでいる。

また、投写光学系の主光線とは、投写レンズ４００の射出瞳４０１から出射する光のことであり、投写レンズ４００から投写映像光の上限主光線１０６Ｔ，中心主光線１０６Ｃ、下限主光線１０６Ｂを拡散素子１０５上に投写する経路を投写光学系と定義する。

拡散素子１０５の拡散面１０８は、拡散素子１０５上に結像される映像の投写範囲よりも広い範囲に渡って形成されている。また、投写レンズ４００のピントが合う結像範囲内に拡散素子１０５の拡散面１０８が位置している。

投写映像光の上限主光線１０６Ｔ，中心主光線１０６Ｃ、下限主光線１０６Ｂは、輝度１００％の投写映像光である。

図８に示すように拡散素子１０５は、一側面側が拡散面１０８で他側面側が平面１０９で構成されている。拡散素子１０５は、一側面側の拡散面１０８側が投写レンズ４００側になるように配置されている。

投写レンズ４００から出射された光が直接、拡散素子１０５の拡散面１０８側に入射する構成としているため、拡散素子１０５の透過率を高くすることができ、拡散素子１０５を透過することによる輝度低下を抑制させることに有効である。

また、従来の方式と異なり、拡散素子がＤＭＤより光源側に存在しない為、ＤＭＤにとって変調に適した角度の光線を入射させることが出来る。

拡散素子１０５の拡散面１０８で拡散することにより拡散素子１０５上に結像した映像光は、拡散を継続させながら拡散素子１０５を透過し、自由曲面形状の反射ミラー３００に入射する。

反射ミラー３００に入射した映像光は、反射ミラー３００によって反射され、車両のフロントガラス２００によってドライバー視点中心９００Ｃに向かってフレネル反射される。

ドライバー視点中心９００Ｃに届いた光線は、フロントガラス２００よりも遠方の位置８００Ｔ〜８００Ｂ間にあたかも像が存在するかのような虚像を形成する為、ヘッドアップディスプレイ装置として使用することが可能である。

ここで、拡散素子１０５上に結像した映像から虚像上限８００Ｔ、虚像中心８００Ｃ、虚像下限８００Ｂを形成する経路を虚像光学系と定義する。

ドライバー視点中心９００Ｃに向かってフレネル反射された光は、拡散素子１０５の拡散面１０８により図１及び図２の点線で示す拡散上限位置９００Ｔから一点鎖線で示す拡散下限位置９００Ｂまでの範囲内で拡散させている。

そのため、ドライバーの視点が拡散上限位置９００Ｔから拡散下限位置９００Ｂまでの範囲内で移動した場合でも、ドライバーの視点に入る虚像の輝度変化を抑制させることができるようになっている。

次にヘッドアップディスプレイ装置を実際に設置する際の手順を説明する。
車両のフロントガラス２００とドライバー視点中心９００Ｃとの距離や高さ関係、フロントガラス２００から表示させたい虚像８００Ｃまでの距離や表示させたい虚像８００Ｂから虚像８００Ｔまでの虚像の大きさとの関係から反射ミラー３００の形状と角度は決定される。

拡散素子１０５上に結像した映像から反射ミラー３００により反射されて虚像８００Ｔ，８００Ｃ，８００Ｂを生成する虚像光学系の主光線は、拡散素子１０５上から投写光学系の方向に仮想線を引くと交差する集光点Ｓにたどり着く。

つまり、虚像光学系の主光線とは、集光点Ｓから出射した光のことである。

この集光点Ｓに略一致する位置に投写レンズ４００の射出瞳４０１が位置するように投写レンズ４００を設置すると共に、射出瞳４０１に投写映像が集光するようにＤＭＤ１０３及びプリズム５００を配置する。

ここで、集光点Ｓに略一致する位置とは、集光点Ｓに完全に一致するか、設置上の誤差により僅かに位置がずれている場合を含んでいる。

最後に、ＤＭＤ１０３及びプリズム５００の配置位置に基づいて、赤光源モジュール６００Ｒ，緑光源モジュール６００Ｇ、青光源モジュール６００Ｂを配置する。

虚像光学系の集光点Ｓに略一致する位置に射出瞳４０１が位置するような関係で投写レンズ４００が配置されることが虚像の面内均一性を向上する場合が多いため好ましい関係である。

この時、ＤＭＤ１０３の光軸１０１と、投写レンズ４００の光軸１０２とは同軸上にはなくずれている。

この位置関係において、ドライバーの視点位置とドライバーの視点に入る虚像の輝度変化について、図２及び図３に基づいて説明する。

ドライバーの視点位置が中心位置９００Ｃにある場合は、ドライバーの視点に入る虚像が虚像中心８００Ｃ，虚像上限８００Ｔ、虚像下限８００Ｂのどの虚像であっても、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度は略０°となる。

投写光学系の主光線上の輝度を１００％とした時の、投写光学系の主光線の輝度に対する虚像光学系の虚像の輝度との輝度比は、拡散素子１０５を使用することにより図３の拡散特性曲線で示すように、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度に応じて変化する。

投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度は略０°であるため、虚像中心８００Ｃ、虚像上限８００Ｔ及び虚像下限８００Ｂは共に輝度１００％の虚像となる。

ドライバーの視点位置が、図４に示すように拡散上限位置９００Ｔにある場合、ドライバーの視点に入る虚像が虚像上限８００Ｔであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＺ１で示すように４．１°ずれる。

ドライバーの視点に入る虚像が虚像中心８００Ｃであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＹ１で示すように３．５°ずれる。

ドライバーの視点に入る虚像が虚像下限８００Ｂであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＸ１で示すように２．５°ずれる。

投写光学系の主光線上の輝度を１００％とした時の、投写光学系の主光線の輝度に対する虚像光学系の虚像の輝度との輝度比は、拡散素子１０５を使用することにより図５の拡散特性曲線で示すように、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度に応じて変化する。

図５の拡散特性曲線により、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度のＸ１，Ｙ１，Ｚ１の各角度から各虚像の輝度変化を見ると９０％から９７％まで変化する。

ドライバーの視点位置が、図６に示すように拡散下限位置９００Ｂにある場合、ドライバーの視点に入る虚像が虚像上限８００Ｔであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＺ２で示すように３．２°ずれる。

ドライバーの視点に入る虚像が虚像中心８００Ｃであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＹ２で示すように３．５°ずれる。

ドライバーの視点に入る虚像が虚像下限８００Ｂであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＸ２で示すように４．１°ずれる。

投写光学系の主光線上の輝度を１００％とした時の、投写光学系の主光線の輝度に対する虚像光学系の虚像の輝度との輝度比は、拡散素子１０５を使用することにより図７の拡散特性曲線で示すように、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度に応じて変化する。

図７の拡散特性曲線により、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度のＸ２，Ｙ２，Ｚ２の各角度から各虚像の輝度変化を見ると９０％から９５％まで変化する。

このように、虚像光学系の集光点Ｓに略一致する位置に投写レンズ４００の射出瞳４０１を位置させると共に、拡散素子１０５上に投写光学系の映像を結像させることにより、ドライバーの視点位置が拡散下限位置９００Ｂから拡散上限位置９００Ｔまで変化しても、虚像の輝度を９０％から１００％の高輝度の虚像にすることができる。

従って、虚像の輝度を最大虚像輝度の９０％以内の範囲内にすることができるため、虚像の輝度変化の抑制に有効である。

尚、本実施の形態では、上限主光線１０６Ｔ，中心主光線１０６Ｃ、下限主光線１０６Ｂは、共に輝度１００％の投写映像光であったが、投写レンズの性能により上限主光線１０６Ｔ及び下限主光線１０６Ｂの輝度が１００％未満になってしまう場合がある。

このような投写レンズを使用した時、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がずれた場合に、投写レンズの性能によって虚像中心と虚像下限及び虚像上限との輝度差が、拡散素子１０５を使用したのにも係らず大きくなってしまう。

この大きな輝度差は、主に投写レンズの性能により発生しているものであり、投写レンズの性能に起因する輝度差は考慮しないものとする。
（第２実施形態）
図９乃至図１４は、第２実施形態を示している。

第１実施形態では、虚像光学系の集光点Ｓに略一致する位置に投写レンズ４００の射出瞳４０１が位置するように投写レンズ４００を配置した。

第２実施形態では、ダッシュボード等の障害物９９９により、虚像光学系の集光点Ｓに略一致する位置に投写レンズ４００の射出瞳４０１が位置するように投写レンズ４００が配置できない場合を示している。

尚、拡散素子１０５の特性は第１実施形態と同じである。

図９に示すように、車内にダッシュボード等の障害物９９９がある場合、虚像光学系の集光点Ｓに略一致する位置に投写レンズ４００の射出瞳４０１が位置するように投写レンズ４００が配置できない。

そのため、投写レンズ４００は、矢印Ｍで示すように障害物９９９を避ける位置に配置しなければならず、虚像光学系の集光点Ｓの近傍に、投写レンズ４００の射出瞳４０１が位置するように投写レンズ４００を配置している。

虚像光学系の集光点Ｓの近傍に、投写レンズ４００の射出瞳４０１が位置するとは、拡散素子１０５を取り除いた状態でドライバー視点中心９００Ｃに点光源を置き、点光源から出射した光がフロントガラス２００及び反射ミラー３００で反射して投写レンズ４００に入射する位置関係である。

第２実施形態においては、投写光学系の主光線に対して虚像光学系の主光線は１５°の範囲内でずれている。

ドライバーの視点位置が、図９に示すように中心位置９１０Ｃにある場合、ドライバーの視点に入る虚像が虚像上限８１０Ｔであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＺ１１で示すように９．４°ずれる。

ドライバーの視点に入る虚像が虚像中心８１０Ｃであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＹ１１で示すように１０．１°ずれる。

ドライバーの視点に入る虚像が虚像下限８１０Ｂであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＸ１１で示すように１０．９°ずれる。

投写光学系の主光線上の輝度を１００％とした時の、投写光学系の主光線の輝度に対する虚像光学系の虚像の輝度との輝度比は、拡散素子１０５を使用することにより図１０の拡散特性曲線で示すように、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度に応じて変化する。

図１０の拡散特性曲線により、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度のＸ１１、Ｙ１１，Ｚ１１の各角度から各虚像の輝度変化を見ると４３％から５７％まで変化する。

ドライバーの視点位置が、図１１に示すように拡散上限位置９１０Ｔにある場合、ドライバーの視点に入る虚像が虚像上限８１０Ｔであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＺ１２で示すように７．０°ずれる。

ドライバーの視点に入る虚像が虚像中心８１０Ｃであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＹ１２で示すように７．４°ずれる。

ドライバーの視点に入る虚像が虚像下限８１０Ｂであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＸ１２で示すように８．２°ずれる。

投写光学系の主光線上の輝度を１００％とした時の、投写光学系の主光線の輝度に対する虚像光学系の虚像の輝度との輝度比は、拡散素子１０５を使用することにより図１２の拡散特性曲線で示すように、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度に応じて変化する。

図１２の拡散特性曲線により、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度のＸ１２，Ｙ１２，Ｚ１２の各角度から各虚像の輝度変化を見ると６７％から７４％まで変化する。

ドライバーの視点位置が、図１３に示すように拡散下限位置９１０Ｂにある場合、ドライバーの視点に入る虚像が虚像上限８１０Ｔであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＺ１３で示すように１０．１°ずれる。

ドライバーの視点に入る虚像が虚像中心８１０Ｃであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＹ１３で示すように１０．８°ずれる。

ドライバーの視点に入る虚像が虚像下限８１０Ｂであれば、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度がＸ１３で示すように１２．５°ずれる。

投写光学系の主光線上の輝度を１００％とした時の、投写光学系の主光線の輝度に対する虚像光学系の虚像の輝度との輝度比は、拡散素子１０５を使用することにより図１４の拡散特性曲線で示すように、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度に応じて変化する。

図１４の拡散特性曲線により、投写光学系の主光線に対する虚像光学系の主光線とのなす角度のＸ１３、Ｙ１３、Ｚ１３の各角度から各虚像の輝度変化を見ると３８％から４９％まで変化する。

即ち、虚像の最高輝度は７４％、最低輝度は３８％となり、虚像の輝度変化は最高輝度の５０％以内になっている。

このように、障害物９９９により虚像光学系の集光点Ｓに略一致する位置に投写レンズ４００の射出瞳４０１を位置させることができない場合でも、虚像の輝度変化を虚像の最高輝度の５０％以内にすることができる。

即ち、投写光学系の主光線と虚像光学系の主光線とのなす角度が１５°以内であれば、拡散素子１０５に画像を結像させることにより、ドライバーの視点位置が変化しても虚像の輝度変化を抑制することに有効である。

尚、人は輝度の変化を暗い所では僅かな変化でも変化したと認識できるが、明るい所では大きな変化がなければ変化があったと認識できないため、虚像の輝度の計測はより条件が厳しくなる暗い環境の屋内で行った。

屋内の暗い環境においても虚像の輝度の変化が５０％以内であれば、虚像の輝度変化を違和感なく認識できることが実験により判っている。
（第３実施形態）
第３実施形態における表示装置の構成図を図１５に示す。
本実施の形態における一部の構成要素は第１実施形態及び第２実施形態と同一であり、以下では重複する箇所については説明を省略する。

第１実施形態では、投写映像光１０６の集光点Ｓに略一致する位置に投写レンズ４００の射出瞳４０１が位置していたが、投写レンズ４００の光軸と、ＤＭＤ１０３の光軸とは同軸上にはなかった。

また、第２実施形態では、投写レンズ４００の光軸と、ＤＭＤ１０３の光軸とは同軸上にあったが、投写映像光１０６の集光点Ｓに略一致する位置に投写レンズ４００の射出瞳４０１が位置してなかった。

本実施形態においては、投写レンズ４００から投写された映像光の光路を変える光路変更部材としてのチルトレンズ１３７を拡散素子１０５と投写レンズ４００間に配置した。
投写レンズ４００から上下方向に均等に投写された映像光は、チルトレンズ１３７により上方に光路を変えることができる。

従って、ＤＭＤ１０３の光軸と、投写レンズ４００の光軸を同軸上に置くと共に、虚像光学系の集光点Ｓに略一致する位置に投写レンズ４００の射出瞳４０１を配置することが可能になる。

また、チルトレンズ１３７は正のパワーを有するため、投写レンズ４００から出射された映像光を集光させることができ、拡散素子１０５と投写レンズ４００との間隔を狭くすることができる。従って、装置の小型化に有効である。

投写レンズ４００に入射した映像光は投写レンズ４００の射出瞳４０１に集光し、その後、チルトレンズ１３７を透過後、拡散特性を有する拡散素子１０５の拡散面に結像する。拡散素子１０５の特性は、第１実施形態及び第２実施形態と同じである。

従来の方式と異なり、拡散素子１０５がＤＭＤ１０３より光源側に存在しない為、ＤＭＤ１０３にとって変調に好適な角度の光線のみを入射させることが出来る。

拡散素子１０５上で拡散することにより結像した映像光は、拡散しながら拡散面を透過し、自由曲面形状の反射ミラー３００に入射する。

反射ミラー３００に入射した映像光は、反射ミラー３００によって反射され、車両のフロントガラス２００によってドライバー視点中心９２０Ｃに向かってフレネル反射される。

ドライバー視点中心９２０Ｃに届いた光線は、フロントガラス２００より遠方の位置８２０Ｃ、８２０Ｂ、８２０Ｔにあたかも像が存在するかのような虚像を形成する為、ヘッドアップディスプレイ装置として使用することが可能である。

ドライバー視点中心９２０Ｃに向かってフレネル反射された光は、拡散素子１０５の拡散面により図１５の点線で示す拡散上限位置９２０Ｔから一点鎖線で示す拡散下限位置９２０Ｂまでの範囲内で拡散させている。

そのため、ドライバーの視点が拡散上限位置９２０Ｔから拡散下限位置９２０Ｂまでの範囲内で移動した場合でも、第１実施形態と同様にドライバーの視点に入る虚像を高輝度化できると共に、虚像の輝度変化を抑制させることができる。

即ち、本実施形態のような構成を採用することにより、ＤＭＤ１０３にとって最適な照明光を入射させることができ、さらに拡散素子１０５上の映像を含む虚像光学系にとって最適な光線角度で光線を入射させることが可能となるため、輝度変化の少ない均一性の高い虚像を提供することが可能となる。

また、チルトレンズ１３７により虚像光学系の集光点Ｓを、拡散素子１０５に近づけることができるため、装置の小型化を図ることができると共に、投写レンズ４００の設置自由度を向上させることができる。
(第４実施形態)
図１６は、第４実施形態における拡散素子１１５の拡大図を示している。第１実施形態乃至第３実施形態では拡散素子１０５を、拡散面１０８側が投写レンズ４００側になるように配置した。

第４実施形態では、逆に、拡散面１０８側が、反射ミラー３００が配置されている虚像光学系側になるように拡散素子１１５を配置している。

この構成では、フロントガラス２００側から拡散素子１１５に入射する外光を拡散面１０８により反射させることができるため、拡散素子１１５上に結像する映像の輝度ムラを抑制させることができる。
（第５実施形態）
第５実施形態における表示装置の構成図を図１７に示す。本実施形態における一部の構成要素は第１及乃至第４実施形態と同一であり、以下では重複する箇所については説明を省略する。

緑光源モジュール６００Ｇ、青光源モジュール６００Ｂ、赤光源モジュール６００Ｒ、青反射ダイクロイックミラー６０２、赤反射ダイクロイックミラー６０３、コリメートレンズ６０１Ｇ、６０１Ｂ、６０１Ｒ、レンズアレイ５０３、リレーレンズ５０２全反射ミラー５０１、プリズム５００は第１及乃至第４実施形態と同一である。

レンズアレイ５０３によって分割された光は、リレーレンズ５０２によって集光されたのち、反射ミラー５０１により搭載用途に好適な光路に反射され、プリズム５００にて反射後、空間光変調素子であるＤＭＤ１０３上に重畳される。

本実施形態におけるＤＭＤ１０３のアスペクト比は１６:９であるが、作成したい虚像８３０Ｃのアスペクト比が２：１であるため、照明光をＤＭＤ１０３上に、２：１のアスペクトにて照明する。

この時、ＤＭＤ１０３の左右のサイズに合わせ、上端と、下端にスペースができる形で照明する。

ＤＭＤ１０３上に重畳された光はＤＭＤ１０３により反射されプリズム５００を透過し、投写レンズ４００に入射する。

この時、ＤＭＤ１０３の光軸１０１と、投写レンズ４００の光軸１０２とは同軸上にはなくずれている。投写レンズ４００に入射した光線の主光線は投写レンズ４００の射出瞳４０１に略一致する位置に集光し、その後、拡散特性を有する拡散素子１２５の拡散面１２８上に映像を結像する。

拡散素子１２５は、投写レンズ４００側に負のパワーを有する光学部材としての凹面部１２７と反射ミラー３００側に拡散面１２８とを備えている。拡散面１２８にはフロスト加工等により拡散処理が施されている。

従来の方式と異なり、拡散素子が空間光変調素子より光源側に存在しない為、空間光変調素子にとって変調に好適な角度の光線のみを入射させることが出来る。

拡散面１２８上で拡散することにより拡散素子１２５上に結像した映像光は、拡散を継続させながら拡散素子１２５を透過し、自由曲面形状の反射ミラー３００に入射する。

反射ミラー３００に入射した映像光は、反射ミラー３００によって反射され、車両のフロントガラス２００によってドライバー視点位置９３０Ｃに向かってフレネル反射される。

ドライバー視点位置９３０Ｃに届いた光線は、フロントガラス２００より遠方の位置８３０Ｃにあたかも像が存在するかのような虚像を形成する為、ヘッドアップディスプレイ装置として使用することが可能である。

ドライバー視点中心９３０Ｃに向かってフレネル反射された光は、拡散素子１２５の拡散面１２８により図１７の点線で示す拡散上限位置９３０Ｔから一点鎖線で示す拡散下限位置９３０Ｂの範囲内で拡散させている。

そのため、ドライバーの視点が拡散上限位置９３０Ｔから拡散下限位置９３０Ｂの範囲内で移動した場合でも、ドライバーの視点に入る虚像を高輝度化できると共に、虚像の輝度変化を抑制させることができる。

即ち、本実施の形態のような構成を採用することにより、空間光変調素子にとって最も好適な照明光を入射させることができ、さらに拡散面１２８上の映像を含む虚像光学系にとって最適な光線角度で光線を入射させることが可能となるため、輝度変化の少ない均一性の高い虚像を提供することが可能となる。

従って、ドライバーの視点範囲が動いた場合でも視点移動に伴う表示像の輝度変化量を抑制することができる。

また、拡散素子１２５の凹面部１２７の特性により映像を結像する拡散面１２８から投写レンズ４００の射出瞳４０１までの間隔を広くすることができるため、投写レンズ４００の設置位置の自由度を向上させることができる。

尚、負のパワーを有する光学部材としての凹面部１２７は、拡散面１２８と一体形成することにより拡散素子１２５を構成したが、拡散面１２８を有する拡散素子１２５とは別体に、負のパワーを有する光学部材としての凹面部１２７を単独に、拡散素子１２５よりも投写レンズ４００側に配置してもよい。
（第６実施形態）
図１８は第６実施形態を示している。

拡散素子を１枚にて所望の大きさの拡散角度を得られない場合、複数枚の拡散素子を重ねて使用することで、より大きな拡散角度を得ることが出来る。

特に、樹脂製の拡散素子は成形性が良く大きな拡散角度を得やすいが耐熱・耐光性に弱く、ガラス製の拡散素子は、樹脂製と比べ、耐熱・耐光性は強いが、拡散角度が小さくなりやすい。

その課題を解決するために、複数のガラス製の拡散素子を複数枚用いることが、拡散角度と、耐熱・耐光性の課題を解決するために有効な手段である。

本実施形態では、２枚の拡散素子が拡散面同士が互いに向かい合って重なるように投写光学系側に拡散素子１１５を虚像光学系側に拡散素子１０５を配置した構成にしている。

この構成により、簡単な構成により拡散角度を大きくすることができるため、ドライバーの視点範囲が動いた場合でも視点移動に伴う虚像の輝度変化を更に抑制することに有効である。
（他の実施形態）
本実施形態では、拡散特性を有する光学素子として拡散素子を使用したが、これに限定されるものではなく、光を拡散させる機能を有するマイクロレンズアレイ、プリズムシート等の光学素子を用いても良い。

また、本実施形態では、光源としてＬＥＤ光源を使用したが、これに限定されるものではなく、キセノンランプ、高圧水銀ランプ等の光源ランプやレーザ光源を用いても良い。

また、本実施形態では、透過型の拡散素子を使用したが、これに限定されるものではなく、反射型の拡散素子を用いても良い。

本開示は、虚像を表示する表示装置に適用可能である。具体的にはヘッドアップディスプレイが搭載された車両の表示装置に適用できる。

６００Ｒ 赤光源モジュール（光源）
６００Ｇ 緑光源モジュール（光源）
６００Ｂ 青光源モジュール（光源）
１０３ ＤＭＤ（空間光変調素子）
４００ 投写レンズ（投写光学系）
１０５、１１５、１２５ 拡散素子
１０８、１２８ 拡散面

Claims (10)

1. 光源と、
   該光源から出射された光を変調する空間光変調素子と、
   該空間光変調素子によって変調された映像光を投写する投写光学系と、
   該投写光学系により投写された映像光の投写範囲内に拡散面を有すると共に、前記投写光学系により投写された映像光の結像範囲内に拡散面が位置するように配置される拡散素子と、
   前記映像光が前記拡散素子の前記拡散面で拡散することにより前記拡散素子上に結像する映像から虚像を生成する虚像光学系と、
   を備える表示装置。
2. 前記空間光変調素子の光軸は、前記投写光学系の光軸とずれていると共に、前記虚像光学系の集光点に略一致する位置に、前記投写光学系の射出瞳が位置する請求項１記載の表示装置。
3. 前記拡散素子は、前記投写光学系の主光線と前記虚像光学系の主光線とのなす角度が１５°以下では、前記虚像の輝度が、最大虚像輝度の５０％以内となる拡散特性を有する請求項１記載の表示装置。
4. 前記空間光変調素子の光軸は、前記投写光学系の光軸と同軸上になると共に、前記虚像光学系の集光点に略一致する位置に、前記投写光学系の射出瞳が位置するように、
   前記投写光学系と前記拡散素子との間に、前記投写光学系により投写された映像光の光路を変える光路変更部材を配置した請求項１記載の表示装置。
5. 前記光路変更部材は、正のパワーを有する請求項４記載の表示装置。
6. 前記投写光学系と前記拡散素子との間に、負のパワーを有する光学部材を配置した請求項１または請求項２に記載の表示装置。
7. 前記拡散素子は、一側面側に拡散面が形成され、前記一側面側が前記投写光学系側に向けて配置されている請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の表示装置。
8. 前記拡散素子は、一側面側に拡散面が形成され、前記一側面側が前記虚像光学系側に向けて配置されている請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の表示装置。
9. 前記拡散素子は、一側面側に拡散面が形成され、前記拡散面同士が互いに向かい合って２枚重ねて配置されている請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の表示装置。
10. 前記光源は、空間分割或いは時分割により３原色の光を出射する請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の表示装置。