JP2018004817A - 画像表示装置およびヘッドアップディスプレイシステム - Google Patents

Abstract

【課題】投影される画像が台形形状である場合に、台形形状に起因した照度分布の不均衡を解消可能な画像表示装置を提供する。【解決手段】光源１１と、画像形成素子３０と、照明光学系１０と、光軸を共有する複数のレンズからなる屈折光学系２１を有し、画像形成素子３０で形成される画像を被投射面に投射する投射光学系２０と、を備え、画像形成素子３０の画像形成面を含む平面の垂線に対し、屈折光学系２１の光軸が１度以上の傾斜を有し、被投射面に投影される画像が台形形状であり、照明光学系１０は、集光光学系としてコンデンサーレンズ１３及びフィールドレンズ１５を光源１１側からこの順に有し、集光光学系の焦点１６は、画像形成素子３０の画像形成面よりもフィールドレンズ１５側にシフトした位置であり、焦点１６のシフト量は、被投射面に投影されるときに台形形状の長辺となる側が小さく、短辺となる側が大きい画像表示装置。【選択図】図１０

Description

本発明は、画像表示装置およびヘッドアップディスプレイシステムに関する。

一般的にプロジェクタと称されている画像表示装置は、画像形成素子の違いによって、ＣＲＴプロジェクタ、液晶プロジェクタ、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）プロジェクタなどの呼び方で知られている。ＤＭＤは、２次元的に配置された複数の微小ミラーを有し、個々の微小ミラーの傾斜角度を変化させて反射光をオン・オフする反射型の画像形成素子である。

プロジェクタはオフィスや教室内での情報共有や、映画等の映像の鑑賞に用いられてきたが、近年、あらゆる場所で広告や案内を電子媒体で表示するデジタルサイネージや、自動車内に配置した小型スクリーンに画像を投影し、その画像を凹面ミラーとフロントガラスを介して運転手に観察させるヘッドアップディスプレイシステム等にも使用されている。

デジタルサイネージに用いられるプロジェクタでは、斜め投射を行った場合に光軸に対して被投射面（スクリーン）が傾斜していると、被投射面に投影された画像が台形形状となり、ピントが上下でアンバランスになるという課題がある。画像の下端側にピントを合わせると、画像の上端側のピントが合わなくなるため、画像の中心にピントを合わせることにより、ピントのアンバランスを低減する方法が選択される。

自動車用ヘッドアップディスプレイ用のプロジェクタでは、小型スクリーンに投影される画像は台形形状であることが好ましい場合がある。投影される画像は、例えば、スピードメータや道路標識などであり、画像のピントのアンバランスは最小限であることが求められる。

画像のピントのアンバランスを解消する方法としては、シャインプルーフの条件を満たすように光学系を調整する方法が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
特許文献１では、像面（画像形成素子）を被写体面（被投射面）の傾斜に合わせて傾けることにより、被投射面全域でピントを合わせることができることが開示されている（特許文献１の図３参照）。なお、画像形成素子を傾ける量は、レンズ系の倍率に比例する。

一方、従来のプロジェクタの照明光学系の設計においては、画像形成素子を一様に照明することが求められ、これを実現するための技術が提案されている（例えば、特許文献３及び４参照）。
特許文献３には、ライトトンネルを用いて画像形成素子（ＤＭＤ）を照明する光学系が開示されており、ライトトンネルの出口の実像をＤＭＤ上に形成するための照明光学系の構成が示されている（特許文献３の図１及び図２参照）。ライトトンネル内における光源光の光量分布が均一であれば出口の光量分布も均一であるため、ピントを合わせて結像される限り、ＤＭＤ上は一様に照明される。
特許文献４には、フライアイレンズ（レンズアレイ）を使った構成が開示されている（特許文献４の図９及び図１０参照）。光源からの光をフライアイレンズにて一度複数の光線束に分割し、画像形成素子上で再度１つの光線束にすることにより、照度の一様化を図る方式である。この態様においても、フライアイレンズと画像形成素子の間のレンズは画像形成素子の画像形成面全体にピントが合うように設計され、画像形成素子は一様に照明される。

光ミキシング素子として、特許文献３のライトトンネルと特許文献４のフライアイレンズとでは光量を一様にする方式は異なるが、いずれも光ミキシング素子と画像形成素子の間にレンズあるいはミラーからなる集光光学系を有し、該集光光学系は、特許文献３では、ライトトンネルの実像を画像形成素子上に形成する機能を有し、特許文献４では、画像形成素子面上に焦点を設定する機能を有している。

光源の光を照明光学系でＤＭＤ上の焦点に導き、ＤＭＤを照明した場合の照度分布としては、特許文献５の図８を参照することができる。この等高線図で示された照度分布を有する画像をスクリーンに投影した場合、ＤＭＤ上の照度分布が再現されることとなる。

上述のように、従来のプロジェクタにおいて、画像形成素子上の照度分布を均一とすることにより、均一な照度分布を有する画像を被投射面に投射する技術が提案されている。
しかしながら、投射光学系の光軸に対して被投射面を傾斜させて配置し、意図的に投影される画像を台形形状とする場合（例えば、デジタルサイネージや、自動車用ヘッドアップディスプレイシステムにおける投影）においては、画像形成素子上の照度が均一であると、逆に投影された画像の照度分布が不均衡になるという課題がある。
照度とは光量を面積で割った値であるため、台形形状の画像の短辺側の照度は高く、長辺側の照度は低くなり、観察者には短辺側は明るく、長辺側は暗いアンバランスな画像として視認されることとなる。

そこで本発明は、投影される画像が台形形状である場合に、台形形状に起因した照度分布の不均衡を解消可能な画像表示装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明に係る画像表示装置は、光源と、複数のマイクロミラーが配置された画像形成素子と、前記光源から出射される光を前記画像形成素子に導光する照明光学系と、光軸を共有する複数のレンズからなる屈折光学系を有し、前記画像形成素子で形成される画像を被投射面に投射する投射光学系と、を備え、前記画像形成素子の画像形成面を含む平面の垂線に対し、前記屈折光学系の光軸が１度以上の傾斜を有し、前記被投射面に投影される画像が台形形状であり、前記照明光学系は、集光光学系としてコンデンサーレンズ及びフィールドレンズを前記光源側からこの順に有し、前記集光光学系の焦点は、前記画像形成素子の画像形成面よりも前記フィールドレンズ側にシフトした位置であり、前記焦点の前記フィールドレンズ側へのシフト量は、前記被投射面に投影されるときに台形形状の長辺となる側が小さく、短辺となる側が大きいことを特徴とする画像表示装置である。

本発明によれば、投影される画像が台形形状である場合に、台形形状に起因した照度分布の不均衡を解消可能な画像表示装置を提供することができる。

画像表示装置の一実施態様である反射型の画像形成素子（ＤＭＤ）を備えたプロジェクタの一般的な構成を示す説明図である。 画像をスクリーンに投影する様子を模式的に示す説明図である。 画像をスクリーンに投影する様子を模式的に示す説明図である。 デジタルサイネージの概要を示す説明図である。 自動車のヘッドアップディスプレイシステムの概略構成図である。 ヘッドアップディスプレイシステムを構成する画像表示装置の概略構成図である。 短い投射距離の画像表示装置により投影される画像の深度の説明図である。 台形形状の画像が投影される場合における照度分布の不均衡を説明する図である。 第一の実施形態の画像表示装置による画像の投影を説明する図である。 第一の実施形態の画像表示装置の構成を示す模式図である。 第二の実施形態の画像表示装置による画像の投影を説明する図である。 第三の実施形態の画像表示装置の構成を示す模式図である。 鏡胴の遮光手段による遮光の一例を説明する図である。 鏡胴の遮光手段による遮光の一例を説明する図である。 鏡胴の遮光手段による遮光の一例を説明する図である。 折り返しミラーが備える間接部材の一例を示す説明図である。

以下、本発明に係る画像表示装置およびヘッドアップディスプレイシステムについて、図面を参照して説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

まず、画像表示装置の一実施態様である反射型の画像形成素子を備えたプロジェクタの従来の一般的な構成について図１に基づき説明する。
図１は、プロジェクタ内部の光学エンジンであり、光源１１のランプ１１ａからの光で画像形成素子（以下、「ＤＭＤ」ともいう）３０を照明し、画像形成素子３０の拡大像を投射光学系で被投射面（以下、「スクリーン」ともいう）に投影するものである。

具体的には、ランプ１１ａからの光をリフレクタ１１ｂで平行ビームとし、光ミキシング素子であるフライアイレンズ１２に入射させる。入射した光は、フライアイレンズ（レンズアレイ）１２によって複数の光線束に分割された後、ＤＭＤ照明用レンズ６１やミラー６２、曲面ミラー６３によってＤＭＤ３０上の画像形成面で再度一つの光線束として収束される。
光量ムラを持った光源光を複数の光線束に分割した後、再度一つの光線束とすることにより、ＤＭＤ３０の照度分布は光量ムラの無い均一な状態となる。ＤＭＤ３０が均一な照度分布であることにより、その拡大像としてスクリーンに投影された画像の照度分布も均一なものとなる。

ＤＭＤ３０は多数の微小ミラーからなるデバイスであり、各ミラーの角度を＋１２°〜−１２°まで変更可能である。例えば、ミラーの角度が−１２°のときは照明光の反射光が投射レンズ内に入るように、＋１２°のときは照明光の反射光が投射レンズに入らないように設定し、ＤＭＤ３０の各ミラーの角度を制御することで、スクリーン４０上にデジタル画像を形成することができる。

図１に示す従来の一般的な画像表示装置の例では、投射光学系は、４枚のレンズからなる屈折光学系２１を備える。屈折光学系２１は、各レンズの光軸を共有する共軸光学系である。また、屈折光学系２１の光軸Ｌは、画像形成素子であるＤＭＤ３０の画像形成面を含む平面に垂直である。すなわち、ＤＭＤ３０で反射した光線と、屈折光学系の光軸Ｌは同一直線上にある。
なお、後述する本発明の画像表示装置では、画像形成素子の画像形成面を含む平面の垂線と屈折光学系の光軸Ｌとは同一直線上になく、光軸は画像形成面を含む平面の垂線に対して１度以上の傾斜を有している。画像形成素子と屈折光学系との間に光路を折り曲げる部材が配置されている場合も同様である。

図２（Ａ）は、図１のプロジェクタのＤＭＤ３０と屈折光学系２１のみを抽出し、スクリーン４０に画像５０が投影される様子を模式的に示したものである。画像５０がプロジェクタを設置している台の高さよりも下方に投影されると、光が遮光されてしまうことがあるため、従来の一般的なプロジェクタは、ＤＭＤ３０が屈折光学系２１の光軸Ｌと交わらない位置に配置され（光軸ＬとＤＭＤ３０の画像形成面を含む平面３０ａで交わるように配置され）、画像５０が光軸Ｌよりも上方に投影されるように設計されている。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のスクリーン４０を正面から観察したときに、ＤＭＤ３０で形成された画像５０がどのような形状でスクリーンに投影されたか示すものである。ＤＭＤ３０の画像形成面及びスクリーン４０ともに光軸Ｌに対して垂直であるため、当然ながらスクリーン４０にはＤＭＤ３０の相似形状の長方形の画像５０が投影される。

図３（Ａ）は、図１のプロジェクタを用いて斜め投射を行った状態を模式的に示した図である。光軸Ｌに対してスクリーン４０が傾斜しているため、スクリーン４０に投影される画像５０は図３（Ｂ）に示すように台形形状となり、さらに画像５０内でピントのアンバランスが発生する。
図３（Ａ）では、画像の下端５０ａにピントが合うようにＤＭＤ３０と屈折光学系２１を配置しているが、画像全体のピントは光軸Ｌに垂直な平面上（図中、符号５１で示す点線）にあるので、画像の上端５０ｂのピントは合わない状態となる。
このようなピントのアンバランスは、短い投射距離が求められるデジタルサイネージ用のプロジェクタや、表示画像が正確に視認可能であることが求められる自動車のヘッドアップディスプレイシステム用のプロジェクタでは顕著な課題となる。以下、これらの概要を説明する。

図４は、デジタルサイネージの概要を示す図である。
図４（Ａ）は、案内板４３に設けられたスクリーン４０に画像５０を投影し、歩行者５などがこれを認識する状態を模式的に示している。スクリーンに投影される画像５０は台形形状であるが、図４（Ｂ）の実線で示す台形形状の画像全体を表示させても、点線で示す台形形状の画像の一部の矩形形状のみを表示させてもよい。
デジタルサイネージは、任意の被投射面に画像を投影することができるため、スクリーンとほぼ同じ大きさを要するリアプロジェクションテレビやリアプロジェクションプロジェクタと異なり、小型のプロジェクタを用いることができ、搬送面においても利便性に優れている。

デジタルサイネージ用途のプロジェクタには短い投射距離が求められている。しかしながら、図７に示すように、投射距離が短ければ短いほど、ピントのアンバランスが拡大するという課題がある。
図７は、短い投射距離のプロジェクタにより投影される画像５０のピント範囲（深度とよばれる）について説明するものである。画像下端５０ｂでは、光線がスクリーン４０に垂直入射することから、一定品質（ピントが合って見える範囲）の画像は、図中「◆」と「◆」の間の距離そのものである。これに対し、画像上端５０ａでは、スクリーン４０に対して光線が斜めに入ることから、スクリーン垂直方向の深度は「◇」と「◇」に入射角度の余弦を掛けた値となり、図中の矢印４０ｂで示すように、下端の矢印４０ｂに対して大幅に短くなる。この画像上端５０ａと画像下端５０ｂとの深度差は、投射距離（図中屈折光学系２１とスクリーン４０との距離）を短くすればするほど拡大する。したがって、このようなプロジェクタをデジタルサイネージ用途で使用すると、図３（Ａ）に示したピントのアンバランスはより悪化する。

図５は、自動車のヘッドアップディスプレイシステムの概略構成図である。
図５に示すように、ヘッドアップディスプレイシステムは、車内に画像表示装置（小型プロジェクタ）１が配置され、小型スクリーン４１に投影された像を、凹面鏡２などの観察光学系を介してフロントガラス３に投影することで、運転者４に、運転者４を基準としてフロントガラス３よりも前方に虚像として認識させる方式である。
小型プロジェクタ１の概略構成を図６に示す。小型プロジェクタ１は、図１に示した一般的なプロジェクタと同じように、光源や画像形成素子３０、投射光学系２０を備えている。小型プロジェクタ１は、例えば、車体内の小型筐体に収めるため、あるいはフロントガラス３の自由曲面形状によって発生する台形形状と逆の台形形状の画像を形成するために、小型スクリーン４１に台形映像を投影することが好ましいが、いずれの場合も、画像のピントのアンバランスは最小限であることが求められる。

台形形状の画像におけるピントのアンバランスを解消するためには、シャインプルーフの条件を満たすように光学系を調整すればよく、図４（Ａ）や図６に示したプロジェクタのＤＭＤ３０を、投射光学系２０を構成する屈折光学系２１の光軸Ｌに対して傾けて配置することで、図３（Ａ）で説明したようなピントのアンバランスは解消することができる。

図８（Ａ）のように屈折光学系２１の光軸Ｌに対してスクリーン４０を傾けて配置し、図８（Ｃ）のような台形形状の画像が投影される場合において、図８（Ｂ）に示すようにＤＭＤ上の照度Ｓ１が均一であれば台形形状の画像内のどの位置でも光量は等しいが、照度というのは光量を面積で割った値であるから、図８（Ｃ）に示すように面積の小さい短辺５０ｂ側の照度Ｓ３が高く、面積が大きい長辺５０ａ側の照度Ｓ２が低くなる。
このように、台形形状の画像において照度分布の不均衡を解消する必要があるが、以下に説明する本発明の構成により解消することができる。

〔第一の実施形態〕
本実施形態の画像表示装置による画像の投影を図９に模式的に示す。また本実施形態の画像表示装置を、図１０に示す。

本実施形態の画像表示装置は、図９（Ａ）に示すように、屈折光学系２１によって画像形成素子であるＤＭＤ３０の拡大画像を被投射面であるスクリーン４０に投影する。図９（Ｂ）に示すように、スクリーン４０に投影された画像５０は台形形状である。
画像５０のピントのアンバランスを解消するために、ＤＭＤ３０の画像形成面を含む平面の垂線が光軸Ｌに対して傾斜するように配置されている。

ＤＭＤ３０の傾斜角（画像形成面を含む平面の垂線の光軸Ｌに対する傾斜角）は、下記式１（シャインプルーフ条件式）に基づき、スクリーン４０の傾斜角（光軸Ｌに対するスクリーン４０の法線の傾斜角）と、屈折光学系２１の横倍率の値を用いて計算することができる。
Ｔａｎ（スクリーンの傾斜角）＝（横倍率）×Ｔａｎ（ＤＭＤの傾斜角）・・・式１
光軸Ｌに対するスクリーン法線４０ｃの傾きが３０度、屈折光学系２１の横倍率が３０倍の場合、得られる値は１．１°である。すなわち、ＤＭＤ３０の傾斜角（画像形成面を含む平面の垂線の光軸Ｌに対する傾斜角）を１．１°とすることで、ピントのアンバランスが解消される。
なお、図９（Ａ）及び図１０では、ＤＭＤ３０の傾斜を誇張して示している。

図１０に示すように、本実施形態の画像表示装置は、光源１１と、複数のマイクロミラーが配置された画像形成素子３０と、光源１１から出射される光を画像形成素子３０に導光する照明光学系１０と、画像形成素子３０で形成される画像を被投射面に投射する光軸Ｌを共有する複数のレンズからなる屈折光学系２１を有する投射光学系２０と、を備える。
画像形成素子３０の画像形成面を含む平面の垂線に対し、屈折光学系２１の光軸が１度以上の傾斜を有し、被投射面に投影される画像が台形形状である。
照明光学系１０において、光源１１からの光は、光ミキシング素子であるフライアイレンズ１２に入射する。入射した光は、フライアイレンズ（レンズアレイ）１２によって複数の光線束に分割された後、集光光学系を経てＤＭＤ３０上の画像形成面で再度一つの光線束として収束される。
照明光学系１０は、集光光学系としてコンデンサーレンズ１３及びフィールドレンズ１５を有しており、光源１１側からこの順に配置している。集光光学系の焦点（この集光光学系に平行光を入射した際に光線が集まる点）は、画像形成素子３０の画像形成面よりもフィールドレンズ１５側にシフトした位置である。焦点１６のフィールドレンズ１５側へのシフト量は、被投射面に投影されるときに台形形状の長辺となる側が小さく、短辺となる側が大きい。
投射光学系２０は、屈折光学系２１の他に全反射プリズムや折り曲げミラー等を備えていてもよい。

図１０に示す本実施形態のように、投射光学系２０が画像形成素子３０と屈折光学系２１との間に全反射プリズム２２を有する態様においては、画像形成素子３０の画像形成面を含む平面の垂線に対し、全反射プリズム２２で９０度曲げられて画像形成素子３０に入射する屈折光学系２１の光軸Ｌが１度以上傾斜を有する。

本実施形態の画像表示装置では、集光光学系の焦点１６がＤＭＤ３０の屈折光学系２１に近い側の辺近辺に設定されている。これにより、ＤＭＤ３０の屈折光学系２１に近い側の辺では集光光学系のピントが合い、遠い側の辺ではピンボケ状態になり、近い側の辺の照度が高く、遠い側の辺の照度が低くなる。
このように、投影された台形形状の画像の照度不均衡を解消することができる。

また、照明光学系のコンデンサーレンズ１３及びフィールドレンズ１５は、正の屈折力を有するレンズであることが好ましい。これにより、焦点１６における像面湾曲を最大にできるので、ＤＭＤ３０上で台形形状の画像の短辺側でのピンボケを誘発し、照度を低下させ、スクリーン４０上に投影される画像の照度分布の不均衡を中和することができる。
さらに、折り返しミラー１４や全反射プリズム２２に屈折力を持たせないようにすることで、焦点１６における像面湾曲がＤＭＤ３０の画像形成面よりも光源側にピントが合う方向に設定され、ＤＭＤ３０の屈折光学系から遠い側の面ではよりいっそうピンボケが進み、光の集光度合いが低いことによる照度低下を発生させることができる。

ここで、図９（Ａ）に示す画像表示装置による画像の投影の態様において、スクリーン４０に対する距離をより短縮し、屈折光学系２１の横倍率が２０倍に低下した場合について説明する。
この場合、ピントのアンバランスを解消するためのＤＭＤ３０の傾斜角（画像形成面を含む平面の垂線の光軸Ｌに対する傾斜角）を上述した式１（シャインプルーフ条件式）に基づき基づき計算すると、光軸Ｌに対するスクリーン法線４０ｃの傾きが３０度、屈折光学系２１の横倍率が２０倍の場合、得られる値は１．７°である。すなわち、ＤＭＤ３０の傾斜角（画像形成面を含む平面の垂線の光軸Ｌに対する傾斜角）を１．７°とすることで、ピントのアンバランスが解消される。
よって、屈折光学系２１の倍率を変更して投影する場合、ＤＭＤ３０の傾斜角も変更する必要が生じることとなる。傾斜角の変更に伴って、照明光学系の焦点１６とＤＭＤ３０の画像形成面との位置関係も変化する。ＤＭＤ３０の傾斜を支える支点は光軸Ｌに最も近接している点であるため、ＤＭＤ３０の傾斜を変化させた場合に最も大きく移動する点が、最も照度が高くなるように照明される点であるため、照度分布も顕著に変化することとなる。

そこで、本実施形態の画像表示装置は、集光光学系として、ＤＭＤ３０の傾斜に応じて、ＤＭＤ３０に入射する光線の角度を変更可能な折り返しミラー１４を備えている。折り返しミラー１４の傾斜を変化させることで、照明光学系の焦点１６を図１０の上下方向に移動させることができ、ＤＭＤ３０上に所望の照度分布が得られるように調整することができる。
折り返しミラー１４の傾斜角度は、例えば、これを支持する構造体によってではなく、別途間接部材を配置し、該間接部材の構成を変更することで調整することが好ましい。

図１６（Ａ）に、折り返しミラー１４が保持部材１４ａにより保持された状態を模式的に示す。保持部材１４ａは傾斜角度の変更に関与するものではなく、傾斜角度は図１６（Ｂ）に示す間接部材１４ｂによって変更される。
間接部材１４ｂは、折り返しミラー１４の反射面と、保持部材１４ａとの間に挟み込むように配置される薄板状の部材である。間接部材１４ｂの厚みを適宜調節することにより（例えば、厚みの異なる複数の間接部材１４ｂから適宜選択することにより）、折り返しミラー１４が所望の傾斜角度となるように調整することができる。

〔第二の実施形態〕
本実施形態の画像表示装置による画像の投影を図１１に模式的に示す。
本実施形態の画像表示装置は図１１に示すように、屈折光学系２１からの光を折り曲げて被投射面であるスクリーン４０へ導く折り曲げミラー１７をさらに備えている。
折り曲げミラー１７における反射率は、スクリーン４０に投影される台形形状の画像の短辺に至る主たる光線の反射率が、長辺に至る主たる光線の反射率よりも小さい。
ここで、スクリーン４０に投影される台形形状の画像５０の短辺に至る主たる光線及び長辺に至る主たる光線とは、鏡胴の開口絞りの開口中心を通過した光線を意味する。

鏡胴の開口絞りとは、屈折光学系２１の複数のレンズを収容し保持する鏡胴に設けられる遮光手段のひとつであり、屈折光学系２１の光軸Ｌの明るさを規定するものである。開口絞りの中心を通過した光線とは、開口絞りを極限まで小さな開口径にしたときに通過可能な光線を意味する。

折り曲げミラー１７としては、例えば、アルミ鏡面に光線の入射角度ごとに反射率が異なる増反射コーティングが設定されたものが好ましい。一般的に、ミラーへの光線入射角度が大きくなるほど反射率が下がるが、本実施形態の画像表示装置が備える折り曲げミラー１７は、これとは逆にミラーへの光線入射角度が大きいほど反射率が高く、逆に光線入射角度が小さいほど反射率が低いように設定されていてもよい。
折り曲げミラー１７において、短辺に向かう光線の反射率を、長辺に向かう光線の反射率よりも小さくすることで、台形形状の画像の照度分布の不均衡を解消することができる。
なお、折り曲げミラー１７は、リアプロジェクションテレビのようなスクリーンサイズに近い大型ミラーではなく、屈折光学系２１の近傍に配置される小型ミラーである。

〔第三の実施形態〕
本実施形態の画像表示装置は、自動車用のヘッドアップディスプレイシステムを構成する小型プロジェクタ（虚像観察装置）である。
本発明のヘッドアップディスプレイシステムは、上述の本発明の画像表示装置と、画像表示装置の画像形成素子３０に形成される画像に基づく虚像を形成する観察結像光学系と、を備える。前記観察光学系は、透過反射部材（フロントガラス）に向けて画像を拡大投射する凹面鏡を有する。

ヘッドアップディスプレイシステムの概略構成を図５に示す。上述したように、図５に示すヘッドアップディスプレイシステムは、車内に画像表示装置（小型プロジェクタ）１が配置され、小型スクリーン４１に投影された台形形状の画像を、凹面鏡２などの観察光学系を介してフロントガラス３に投影することで、運転者４に、運転者４を基準としてフロントガラス３よりも前方に虚像として認識させるものである。

小型プロジェクタ１の概略構成を図６に、光学系の構成を図１２に示す。
小型プロジェクタ１は、光源（図１２参照）、画像形成素子３０、投射光学系２０、小型スクリーン４１を備えている。小型スクリーン４１には台形映像が投影される。
自動車内に配置される画像表示装置の光源１１としては、寿命の長いレーザやＬＥＤが好ましい。
図１２に示すように、本実施形態の光源は、赤（１１Ｒ）、緑（１１Ｇ）、青（１１Ｂ）の３色のＬＥＤを備え、出射された発散性の光をカップリングレンズ１８により平行ビームに変換し、ダイクロイックミラー１９により合成する構成となっている。平行ビームをフライアイレンズ１２にて複数光線束に分離した後、集光光学系によってＤＭＤ３０上に一つの光線束として収束させる構成は、上述の第一及び第二の実施形態と同様である。

自動車内には装置を配置できる空間が限られているため、省スペース化が求められる。本実施形態の画像表示装置では、ＤＭＤ３０を、屈折光学系２１と略平行方向に画像形成面が配置されるように配置している。このような配置とした場合、全反射プリズム２２の斜面での反射は、ＤＭＤ３０から出射されて屈折光学系２１に入射されるまでの光路において行われる。このため、屈折光学系２１の光軸Ｌは全反射プリズム２２内で９０度曲げられてからＤＭＤ３０に入射する。このような場合でも、光軸Ｌを基準として台形形状の画像の短辺及び長辺の位置関係を特定することができる。
光軸Ｌは、ＤＭＤ３０の中心を通り、スクリーン４０の中心も通る。

次に、屈折光学系２１の内部における遮光について説明する。
屈折光学系２１は複数のレンズを収容し保持する鏡胴２５を備える。
鏡胴２５は、ＤＭＤ３０から屈折光学系２１に入射する光線のうち、被投射面４０に投影されない光線を遮光する遮光手段を有する。
遮光手段は、屈折光学系２１の光軸Ｌの明るさを規定する開口絞り２４と、ＤＭＤ３０の画像形成面を含む平面の垂線と光軸Ｌが交差する点を除く領域から出射された光線の少なくとも一部を遮光する周辺光遮光絞り２３である。

ＤＭＤ３０から出射された光は、全反射プリズム２２の斜面で反射された後に屈折光学系２１に入射する。屈折光学系２１の内部で各レンズを光線が透過する領域（光軸から、光軸と直交する方向への距離）は、開口絞り２４と、周辺光線遮光絞り２３によって制限される。入射した光に対し、屈折光学系２１の内部で、台形形状の画像の短辺側に向かう光線を一部遮光し、短辺側の光量を下げることにより、照度分布の不均衡を解消することができる。

周辺光遮光絞り２３は、少なくとも開口絞り２４とＤＭＤ３０の間に配置され、開口絞り２４とＤＭＤ３０の間に配置された周辺遮光絞り２３により遮光される光線の光量は、開口絞り２４とスクリーン４０の間に配置された他の周辺遮光絞り２３により遮光される光線の光量よりも多いことが好ましい。

図１３、図１４及び図１５に基づき、開口絞り２４とＤＭＤ３０の間に配置された周辺遮光絞り２３による遮光について説明する。なお、いずれの図も全反射プリズム２２を省略している。

図１３に示す光線束（図中３本の光線として示す）は、屈折光学系２１の光軸Ｌを延長してＤＭＤ３０と交わる点から出射された光線束である。開口絞り２４によってその太さが制限される。この開口絞り２４によって制限される光線太さが、屈折光学系２１の明るさを決める基本量であり、「開口数」や、「Ｆ値」などと呼ばれる。
図１４に示す光線束（図中４本の光線として示す）は、ＤＭＤ３０上の光軸Ｌから外れた点から屈折光学系２１に入射する光線束である。この光線束の一部は、開口絞り２４に到達する前に周辺光線遮光絞り２３によって遮光されてしまっている。このため、開口絞り２４の開口径全域を光線束が通過することがなく、スクリーンに到達する光量は図１３に比べて少なくなる。

屈折光学系２１内部の周辺光線遮光絞り２３の機能を活用し、図１４のように台形形状の画像の短辺側の光線束を開口絞り２４とＤＭＤ３０の間で積極的に遮光することにより、照度の不均衡を解消することができる。

さらに、図１５に示すように、ＤＭＤ３０から屈折光学系２１に入射する光線を、屈折光学系２１の光軸Ｌに対してスクリーン４０に投影される台形形状の画像の長辺側へ傾斜させることにより、上述の遮光効果がより向上する。
図１５中、台形形状の画像の長辺側に向かう光線に「▲」、短辺側に向かう光線に「●」の記号を付している。図からも明らかなように、短辺側に向かう光線が周辺光線絞り２３により遮光される量が多くなるため、台形形状の画像の照度分布の不均衡が解消される。

図１２〜図１５の屈折光学系２１において、開口絞り２４とスクリーン４０の間に周辺光線遮光絞り２３を配置すると、逆に台形形状の画像の短辺側の光線を遮光してしまう。よって、開口絞り２４とスクリーン４０の間に配置する絞りは、フレア除去用途など、最小限の開口径のものであることが好ましい。
上述のような構成とすることで、例えば、屈折光学系２１を装置から取り外した場合に、ＤＭＤ３０から出射された光線束は、スクリーン４０上で台形形状の画像の長辺側に偏って向かうこととなる。また、光量をスクリーン面積で割った照度ではなく、単純にＤＭＤ３０の一画素から出射される光量を比較した場合には、台形形状の画像の短辺側に向かう光線束の光量よりも、長辺側に向かう光線束の光量の方が多くなる。

このように、本実施形態の画像表示装置は、第一の実施形態と同様に、集光光学系の焦点１６をＤＭＤ３０の中心よりも台形形状の画像の長辺側に対応する点に近い位置に設定し、コンデンサーレンズ１３やフィールドレンズ１５を正屈折力のレンズとすることにより、ＤＭＤ３０上で台形形状の画像の長辺側に対応する点の照度を、短辺側に対応する点の照度よりも高めることができる。さらに、折返しミラー１４の角度によって、ＤＭＤ３０で反射された光線束が屈折光学系２１に向かう角度（全反射プリズム２２で反射された後に向かう角度）を、光軸Ｌに対して台形形状の画像の長辺側に傾くように設定することができ、その傾斜と屈折光学系２１内部の周辺光線遮光絞り３４の効果によって、台形形状の画像の短辺側と長辺側に向かう光量に偏りを持たせることができる。その結果、投影される画像の台形形状に起因した照度分布の不均衡を解消することができる。

１０ 照明光学系
１１ 光源
１２ フライアイレンズ
１３ コンデンサーレンズ
１４ 折り返しミラー
１５ フィールドレンズ
１６ 焦点
１７ 折り曲げミラー
２０ 投射光学系
２１ 屈折光学系
２２ 全反射プリズム
２３ 周辺光線遮光絞り
２４ 開口絞り
２５ 鏡胴
３０ 画像形成素子（ＤＭＤ）
４０ 被投射面（スクリーン）
５０ 画像
Ｌ 光軸

特開２００７−１６３５４７号公報 特開２００３−１６１９０９号公報 特許第３６４０３９１号公報 特許第４１５９８４０号公報 特開２０１３−０５７９３５号公報

Claims (10)

1. 光源と、
   複数のマイクロミラーが配置された画像形成素子と、
   前記光源から出射される光を前記画像形成素子に導光する照明光学系と、
   光軸を共有する複数のレンズからなる屈折光学系を有し、前記画像形成素子で形成される画像を被投射面に投射する投射光学系と、を備え、
   前記画像形成素子の画像形成面を含む平面の垂線に対し、前記屈折光学系の光軸が１度以上の傾斜を有し、前記被投射面に投影される画像が台形形状であり、
   前記照明光学系は、集光光学系としてコンデンサーレンズ及びフィールドレンズを前記光源側からこの順に有し、前記集光光学系の焦点は、前記画像形成素子の画像形成面よりも前記フィールドレンズ側にシフトした位置であり、前記焦点の前記フィールドレンズ側へのシフト量は、前記被投射面に投影されるときに台形形状の長辺となる側が小さく、短辺となる側が大きいことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記投射光学系は、前記画像形成素子と前記屈折光学系との間に全反射プリズムを有し、
   前記画像形成素子の画像形成面を含む平面の垂線に対し、前記全反射プリズム及び前記画像形成素子の間の前記屈折光学系の光軸が１度以上の傾斜を有することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記集光光学系は、前記画像形成素子の傾斜に応じて、前記画像形成素子に入射する光線の角度を変更可能な折り返しミラーを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
4. 前記屈折光学系は複数のレンズを収容し保持する鏡胴を備え、
   前記鏡胴は、前記画像形成素子から前記屈折光学系に入射する光線のうち、前記被投射面に投影されない光線を遮光する遮光手段を有し、
   前記遮光手段は、前記屈折光学系の光軸の明るさを規定する開口絞りと、前記画像形成素子の画像形成面を含む平面の垂線と光軸が交差する点を除く領域から出射された光線の少なくとも一部を遮光する周辺光遮光絞りであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の画像表示装置。
5. 前記周辺光遮光絞りは、少なくとも前記開口絞りと前記画像形成素子の間に配置され、
   前記開口絞りと前記画像形成素子の間に配置された前記周辺遮光絞りにより遮光される光線の光量は、前記開口絞りと前記被投射面の間に配置された他の周辺遮光絞りにより遮光される光線の光量よりも多いことを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
6. 前記画像形成素子から前記屈折光学系に入射する光線は、前記屈折光学系の光軸に対し、前記被投射面に投影される台形形状の画像の長辺側へ傾斜していることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の画像表示装置。
7. 前記屈折光学系からの光を折り曲げて前記被投射面へ導く折り曲げミラーをさらに備え、
   前記折り曲げミラーにおける反射率は、前記被投射面に投影される台形形状の画像の短辺に至る主たる光線の反射率が、長辺に至る主たる光線の反射率よりも小さいことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の画像表示装置。
8. 前記被投射面に投影される台形形状の画像の短辺に至る主たる光線及び前記長辺に至る主たる光線は、前記鏡胴の開口絞りの開口中心を通過した光線であることを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。
9. 前記照明光学系の前記コンデンサーレンズ及び前記フィールドレンズは、正の屈折力を有するレンズであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の画像表示装置。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の画像表示装置と、前記画像表示装置の画像形成素子に形成される画像に基づく虚像を形成する観察結像光学系とを備え、
    前記観察光学系は、透過反射部材に向けて画像を拡大投射する凹面鏡を有することを特徴とするヘッドアップディスプレイシステム。