JP2018077413A - 画像表示装置およびスクリーン - Google Patents

Abstract

【課題】スクリーンを容易に構成でき、且つ、画像全体の明るさを均一に近づけることが可能な画像表示装置、および当該画像表示装置に用いるスクリーンを提供する。【解決手段】画像表示装置２０は、レーザ光を出射する光源と、レーザ光が走査されることにより画像が描画されるスクリーン１０８と、光源から出射されたレーザ光をスクリーン１０８に対し走査させる走査部と、スクリーン１０８を透過したレーザ光により、スクリーン１０８に描画された画像の虚像を生成する光学系と、を備える。スクリーン１０８は、画像が描画される描画領域Ｄ１０のうち、走査方向（Ｘ軸方向）中央の所定範囲Ｗ０において、発散角が一定で、且つ、所定範囲Ｗ０を除いた両側の範囲Ｗ１において、発散角が、端に向かって徐々に大きくなるよう構成されている。【選択図】図６

Description

本発明は、スクリーン上の画像を表示する画像表示装置、および当該画像表示装置に用いるスクリーンに関する。

近年、ヘッドアップディスプレイと称される画像表示装置の開発が進められ、乗用車等の移動体に搭載されている。たとえば、乗用車に搭載されるヘッドアップディスプレイでは、映像信号により変調された光がウインドシールド（フロントガラス）に投射され、その反射光が運転者の目に入射する。これにより、運転者は、ウインドシールド前方に、画像の虚像を見ることができる。たとえば、車速や外気温等が、虚像として表示される。

上記ヘッドアップディスプレイでは、光源として、レーザ光源が用いられ得る。この場合、レーザ光は、映像信号に応じて変調されつつ、スクリーンを走査する。その後、レーザ光は、スクリーンで拡散され、運転者の目付近のアイボックスへと導かれる。これにより、運転者は、多少頭を動かしても、良好かつ安定的に画像（虚像）を見ることができる。アイボックスは、たとえば、横長の矩形形状である。

以下の特許文献１には、複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイによってスクリーンが構成された画像表示装置が記載されている。ここでは、比較的重要な情報が表示される画像の内側部分を、輝度が高い状態で、観察者に明確に視認させるために、マイクロレンズアレイの中心から離れるほど、マイクロレンズの曲率半径が小さく設定されている。

国際公開第２０１３／１５３６５５号

上記のように、レーザ光がスクリーンを走査する構成では、スクリーンの中央から端に向かうに従ってレーザ光の走査速度が低下する。このため、スクリーン上の画像は、中央よりも走査方向の端の領域が明るくなる。このように画像の明るさが不均一であると、画像を見た観察者に違和感を与えかねない。観察者が視認する画像は、なるべく全体の明るさが均一であることが好ましい。

かかる課題に鑑み、本発明は、スクリーンを容易に構成でき、且つ、画像全体の明るさを均一に近づけることが可能な画像表示装置、および当該画像表示装置に用いるスクリーンを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、画像表示装置に関する。本態様に係る画像表示装置は、レーザ光を出射する光源と、前記レーザ光が走査されることにより画像が描画されるスクリーンと、前記光源から出射された前記レーザ光を前記スクリーンに対し走査させる走査部と、前記スクリーンを透過した前記レーザ光により、前記スクリーンに描画された画像の虚像を生成する光学系と、を備える。ここで、前記スクリーンは、画像が描画される描画領域のうち、走査方向中央の所定範囲において、発散角が一定で、且つ、前記所定範囲を除いた両側の範囲において、発散角が、端に向かって徐々に大きくなるよう構成されている。

本態様に係る画像表示装置によれば、画像が描画される描画領域のうち、走査方向中央の所定範囲を除いた両側の範囲において、発散角が、端に向かって徐々に大きくなるよう、スクリーンが構成されているため、アイボックス内における両側部分の光の光量が、端に向かうほど、中央部分に比べて弱められる。このため、アイボックス内における画像全体の明るさを均一に近づけることができる。また、スクリーンは、走査方向中央の所定範囲において発散角が一定であるため、走査方向全範囲において発散角を精緻に調整する必要がない。よって、スクリーンを容易に構成することができる。

本発明の第２の態様は、レーザ光が走査されることにより画像が描画されるスクリーンに関する。本態様に係るスクリーンは、画像が描画される描画領域のうち、走査方向中央の所定範囲において、発散角が一定で、且つ、前記所定範囲を除いた両側の範囲において、発散角が、端に向かって徐々に大きくなるよう構成されている。

本態様に係るスクリーンを画像表示装置に用いることにより、上記第１の態様と同様の効果が奏され得る。

以上のとおり、本発明によれば、スクリーンを容易に構成でき、且つ、画像全体の明るさを均一に近づけることが可能な画像表示装置、および当該画像表示装置に用いるスクリーンを提供することができる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

図１（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係る画像表示装置の使用形態を模式的に示す図、図１（ｃ）は、実施の形態に係る画像表示装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、実施の形態に係る画像表示装置の照射光生成部および照射光生成部に用いる回路の構成を示す図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施の形態に係るスクリーンをレーザ光の入射側および出射側から見た状態を模式的に示す図である。 図４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、実施の形態に係る非レンズ領域の構成例を示す図である。 図５（ａ）は、実施の形態に係るスクリーンの構成を模式的に示す斜視図、図５（ｂ）は、スクリーンに対するレーザ光の走査方法を模式的に示す図である。 図６（ａ）は、実施の形態に係るスクリーンの領域設定方法を示す図、図６（ｂ）は、実施の形態に係るスクリーンの発散角の設定方法を示す図である。 図７（ａ）は、比較例に係るアイボックス内の光量分布を示すグラフ、図７（ｂ）は、実施の形態に係るアイボックス内の光量分布を示すグラフである。 図８（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、実施の形態に係るスクリーンの位置調整方法を示す図である。 図９（ａ）は、変更例１に係るスクリーンをレーザ光の入射側から見た状態を模式的に示す図、図９（ｂ）は、変更例に係るスクリーンの一部拡大図である。 図１０は、変更例２に係る画像表示装置の照射光生成部および照射光生成部に用いる回路の構成を示す図である。 図１１（ａ）は、変更例２に係るスクリーンの移動工程の一例を示す図、図１１（ｂ）は、変更例２に係る画像表示装置においてスクリーンを移動させることにより表示される画像の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。便宜上、各図には、適宜、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。

図１（ａ）、（ｂ）は、画像表示装置２０の使用形態を模式的に示す図である。図１（ａ）は、乗用車１の側方から乗用車１の内部を透視した模式図、図１（ｂ）は、乗用車１の内部から走行方向前方を見た図である。

本実施の形態は、車載用のヘッドアップディスプレイに本発明を適用したものである。図１（ａ）に示すように、画像表示装置２０は、乗用車１のダッシュボード１１の内部に設置される。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、画像表示装置２０は、映像信号により変調されたレーザ光を、ウインドシールド１２下側の運転席寄りの投射領域１３に投射する。レーザ光は、投射領域１３で反射され、運転者２の目の位置周辺の横長の領域（アイボックス領域）に照射される。これにより、運転者２の前方の視界に、虚像として所定の画像３０が表示される。運転者２は、ウインドシールド１２の前方の景色上に、虚像である画像３０を重ね合わせて見ることができる。すなわち、画像表示装置２０は、虚像である画像３０をウインドシールド１２の投射領域１３の前方の空間に結像させる。

図１（ｃ）は、画像表示装置２０の構成を模式的に示す図である。

画像表示装置２０は、照射光生成部２１と、ミラー２２とを備える。照射光生成部２１は、映像信号により変調されたレーザ光を出射する。ミラー２２は曲面状の反射面を有し、照射光生成部２１から出射されたレーザ光をウインドシールド１２に向けて反射する。ウインドシールド１２で反射されたレーザ光は、運転者２の目２ａに照射される。照射光生成部２１の光学系とミラー２２は、ウインドシールド１２の前方に虚像による画像３０が所定の大きさで表示されるように設計されている。

図２は、画像表示装置２０の照射光生成部２１の構成および照射光生成部２１に用いる回路の構成を示す図である。

照射光生成部２１は、光源１０１と、コリメータレンズ１０２ａ〜１０２ｃと、ミラー１０３と、ダイクロイックミラー１０４、１０５と、走査部１０６と、補正レンズ１０７と、スクリーン１０８とを備える。

光源１０１は、３つのレーザ光源１０１ａ〜１０１ｃを備える。レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃは、それぞれ、赤色波長帯、緑色波長帯および青色波長帯のレーザ光を出射する。本実施の形態では、画像３０としてカラー画像を表示するために、光源１０１が３つのレーザ光源１０１ａ〜１０１ｃを備えている。画像３０として単色の画像を表示する場合、光源１０１は、画像の色に対応する１つのレーザ光源のみを備えていてもよい。レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃは、たとえば、半導体レーザからなっている。

レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃから出射されたレーザ光は、それぞれ、コリメータレンズ１０２ａ〜１０２ｃによって平行光に変換される。このとき、レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃから出射されたレーザ光は、それぞれ、図示しないアパーチャによって、円形のビーム形状に整形される。なお、コリメータレンズ１０２ａ〜１０２ｃに代えて、レーザ光を円形のビーム形状に整形し且つ平行光化する整形レンズを用いてもよい。この場合、アパーチャは省略され得る。

その後、レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃから出射された各色のレーザ光は、ミラー１０３と２つのダイクロイックミラー１０４、１０５によって光軸が整合される。ミラー１０３は、コリメータレンズ１０２ａを透過した赤色レーザ光を略全反射する。ダイクロイックミラー１０４は、コリメータレンズ１０２ｂを透過した緑色レーザ光を反射し、ミラー１０３で反射された赤色レーザ光を透過する。ダイクロイックミラー１０５は、コリメータレンズ１０２ｃを透過した青レーザ光を反射し、ダイクロイックミラー１０４を経由した赤色レーザ光および緑色レーザ光を透過する。ミラー１０３と２つのダイクロイックミラー１０４、１０５は、レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃから出射された各色のレーザ光の光軸を整合させるように配置されている。

走査部１０６は、ダイクロイックミラー１０５を経由した各色のレーザ光を反射する。走査部１０６は、たとえば、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）ミラーからなっており、ダイクロイックミラー１０５を経由した各色のレーザ光が入射されるミラー１０６ａを、駆動信号に応じて、Ｙ軸に平行な軸とＸ軸に平行な軸の周りに回転させる構成を備える。このようにミラー１０６ａを回転することにより、レーザ光の反射方向が、Ｘ−Ｚ平面の面内方向およびＹ−Ｚ平面の面内方向において変化する。これにより、後述のように、各色のレーザ光によってスクリーン１０８が走査される。

なお、ここでは、走査部１０６が、２軸駆動方式のＭＥＭＳミラーにより構成されたが、走査部１０６は、他の構成であってもよい。たとえば、Ｙ軸に平行な軸の周りに回転駆動されるミラーと、Ｘ軸に平行な軸の周りに回転駆動されるミラーとを組み合わせて走査部１０６が構成されてもよい。

補正レンズ１０７は、走査部１０６によるレーザ光の振り角に拘わらず、各色のレーザ光をＺ軸正方向に向かわせるように設計されている。

スクリーン１０８は、レーザ光が走査されることにより画像が形成され、入射したレーザ光を運転者２の目２ａの位置周辺の領域（アイボックス領域）に拡散させる作用を有する。スクリーン１０８は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の透明な樹脂からなっている。スクリーン１０８の構成は、追って、図３（ａ）ないし図６（ｂ）を参照して説明する。

画像処理回路２０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理ユニットやメモリを備え、入力された映像信号を処理してレーザ駆動回路２０２およびミラー駆動回路２０３を制御する。レーザ駆動回路２０２は、画像処理回路２０１からの制御信号に応じて、レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃの出射強度を変化させる。ミラー駆動回路２０３は、画像処理回路２０１からの制御信号に応じて、走査部１０６のミラー１０６ａを駆動する。画像表示動作時における画像処理回路２０１における制御については、追って、図５（ｂ）を参照して説明する。

図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、スクリーン１０８をレーザ光の入射側および出射側から見た状態を模式的に示す図である。図３（ａ）の上側に、スクリーン１０８のＸ軸正側かつＹ軸正側の角付近をＹ軸正側から見た拡大図が模式的に示されている。また、図３（ｂ）の右側に、スクリーン１０８のＸ軸負側かつＹ軸正側の角付近をＸ軸負側から見た拡大図が模式的に示されている。

図３（ａ）に示すように、スクリーン１０８のレーザ光入射側の面（Ｚ軸負側の面）には、レーザ光をＸ軸方向に発散させるための複数の第１のレンズ部１０８ａが、Ｘ軸方向に並ぶように形成されている。Ｙ軸方向に見たときの第１のレンズ部１０８ａの形状は略円弧形状である。第１のレンズ部１０８ａのＸ軸方向の幅は、たとえば、５０μｍである。

図３（ｂ）に示すように、スクリーン１０８のレーザ光出射側の面（Ｚ軸正側の面）には、レーザ光をＹ軸方向に発散させるための複数の第２のレンズ部１０８ｂが、Ｙ軸方向に並ぶように形成されている。Ｘ軸方向に見たときの第２のレンズ部１０８ｂの形状は略円弧形状である。第２のレンズ部１０８ｂのＹ軸方向の幅は、たとえば、７０μｍである。

第１のレンズ部１０８ａの曲率半径Ｒｘと第２のレンズ部１０８ｂの曲率半径Ｒｙは、互いに異なっている。ここで、曲率半径Ｒｘは曲率半径Ｒｙよりも小さく設定される。従って、第１のレンズ部１０８ａの曲率は、第２のレンズ部１０８ｂの曲率よりも大きくなっている。このように第１のレンズ部１０８ａおよび第２のレンズ部１０８ｂの曲率を設定することにより、スクリーン１０８を透過するレーザ光を、効率良く、運転者２の目２ａの位置周辺の横長の領域（アイボックス領域）に導くことができる。第１のレンズ部１０８ａおよび第２のレンズ部１０８ｂの曲率は、アイボックス領域の形状に応じて決定される。

図３（ａ）に示すＤ１０は、スクリーン１０８の描画領域である。すなわち、スクリーン１０８は、描画領域Ｄ１０においてレーザ光により走査され、画像が形成される。描画領域Ｄ１０よりも上側および下側の位置に、それぞれ、入射した光を発散させることなく通過させる所定サイズの非レンズ領域１０８ｃ、１０８ｄが形成されている。非レンズ領域１０８ｃ、１０８ｄのサイズは、互いに等しく設定される。非レンズ領域１０８ｃ、１０８ｄのＸ軸方向の幅は、たとえば、５０〜１００μｍであり、Ｙ軸方向の幅は、たとえば、１００〜２００μｍである。

非レンズ領域１０８ｃ、１０８ｄは、それぞれ、スクリーン１０８のＸ軸方向の幅の中間位置に配置されている。非レンズ領域１０８ｃ、１０８ｄの配置位置は、スクリーン１０８のＸ軸方向の幅の中間位置に限らず、他の位置であってもよい。また、非レンズ領域１０８ｃ、１０８ｄの数は、１つずつでなくともよく、たとえば、非レンズ領域１０８ｃ、１０８ｄの組が描画領域Ｄ１０を挟んで２つ以上配置されてもよい。

図４（ａ）〜（ｃ）は、非レンズ領域１０８ｃの構成例を示す図である。

図４（ａ）の構成例では、第１のレンズ部１０８ａおよび第２のレンズ部１０８ｂを省略することにより、非レンズ領域１０８ｃが構成されている。すなわち、スクリーン１０８のレーザ光入射側（Ｚ軸負側）の面およびレーザ光出射側（Ｚ軸正側）の面は、非レンズ領域１０８ｃにおいて、Ｘ−Ｙ平面に平行な平面となっている。

図４（ｂ）の構成例では、スクリーン１０８のレーザ光入射側（Ｚ軸負側）の面からレーザ光出射側（Ｚ軸正側）の面へと貫通する孔を形成することにより、非レンズ領域１０８ｃが構成されている。また、図４（ｃ）の構成例では、スクリーン１０８のＹ軸正側の端縁からＹ軸負方向に凹んだ矩形の凹部を形成することにより、非レンズ領域１０８ｃが構成されている。

非レンズ領域１０８ｃの構成は、図４（ａ）〜（ｃ）の構成に限らず、入射した光を発散させることなく通過させる構成であれば、他の構成であってもよい。たとえば、Ｚ軸方向に見たときの非レンズ領域１０８ｃの形状は、正方形に限られるものではなく、円形などの他の形状であってもよい。

なお、図４（ａ）〜（ｃ）には、Ｙ軸正側に配置される非レンズ領域１０８ｃの構成例を示したが、Ｙ軸負側に配置される非レンズ領域１０８ｄも、図４（ａ）〜（ｃ）と同様に形成され得る。

図５（ａ）は、スクリーン１０８の構成を模式的に示す斜視図である。図５（ｂ）は、スクリーン１０８に対するレーザ光の走査方法を模式的に示す図である。

上記構成を有するスクリーン１０８の入射面（Ｚ軸負側の面）が、各色のレーザ光が重ねられたビームＢ１によって、Ｘ軸正方向に走査される。スクリーン１０８の入射面に対して、予め、ビームＢ１が通る走査ラインＬ１〜Ｌｎが、Ｙ軸方向に一定間隔で設定されている。走査ラインＬ１〜Ｌｎの開始位置と終了位置は、Ｘ軸方向において一致している。したがって、走査ラインＬ１〜Ｌｎを囲む領域は長方形である。ビームＢ１の径は、たとえば、５０μｍ程度に設定される。

映像信号により各色のレーザ光が変調されたビームＢ１により走査ラインＬ１〜Ｌｎが高周波で走査されることにより、画像が構成される。こうして構成される画像が、スクリーン１０８と、ミラー２２およびウインドシールド１２（図１（ｃ）参照）を介して、運転者２の目２ａの位置周辺の領域（アイボックス）に投射される。これにより、運転者２は、ウインドシールド１２の前方の空間に、虚像として画像３０を視認する。

ところで、上記のように、ＭＥＭＳを用いた走査部１０６によりレーザ光がスクリーン１０８を走査する構成では、スクリーン１０８の中央からＸ軸方向の両端に向かうに従ってレーザ光の走査速度が低下する。このため、スクリーン１０８上の画像は、中央よりも走査方向の両端の領域が明るくなる。このように画像の明るさが不均一であると、画像を見た観察者に違和感を与えかねない。観察者が視認する画像は、なるべく全体の明るさが均一であることが好ましい。

そこで、本実施の形態では、画像が描画される描画領域Ｄ１０のうち、走査方向（Ｘ軸方向）中央の所定範囲において、Ｘ軸方向の発散角が一定で、且つ、当該所定範囲を除いた両側の範囲において、Ｘ軸方向の発散角が、Ｘ軸方向の端に向かって徐々に大きくなるよう、スクリーン１０８が構成されている。

図６（ａ）は、スクリーン１０８の領域設定方法を示す図、図６（ｂ）は、スクリーン１０８の発散角の設定方法を示す図である。図６（ｂ）のグラフにおいて、横軸は、スクリーン１０８のＸ軸方向の位置、縦軸は、Ｘ軸方向の発散角（度）である。横軸は、スクリーン１０８（描画領域Ｄ１０）のＸ軸方向の幅の中間位置が０に設定されている。

図６（ｂ）に示すように、スクリーン１０８は、描画領域Ｄ１０のうち、走査方向（Ｘ軸方向）中央の所定範囲Ｗ０において、Ｘ軸方向の発散角が一定に設定されている。所定範囲Ｗ０は、描画領域Ｄ１０のＸ軸方向の中間位置からＸ軸正負方向にそれぞれ幅Δｗの範囲である。所定範囲Ｗ０は、走査方向（Ｘ軸方向）における描画領域Ｄ１０の全範囲の４０％以上５０％以下の範囲に設定される。

また、スクリーン１０８は、所定範囲Ｗ０を除いた両側の範囲Ｗ１において、Ｘ軸方向の発散角が、Ｘ軸正負の端に向かって徐々に大きくなるように設定されている。より詳細には、両側の範囲Ｗ１に含まれる第１のレンズ部１０８ａの曲率を変化させることにより、Ｘ軸方向の発散角が、両側の範囲Ｗ１の端に向かって徐々に大きくなるよう構成されている。

図６（ｂ）に示す発散角の分布が得られるように、両側の範囲Ｗ１において、第１のレンズ部１０８ａの曲率が、端に向かって段階的に変化している。具体的には、両側の範囲Ｗ１において、第１のレンズ部１０８ａの曲率半径Ｒｘが、端に向かって段階的に小さくなっている。これにより、両側の範囲Ｗ１において、Ｘ軸方向の発散角が、２０度程度から５０度程度まで段階的に変化している。

なお、両側の範囲Ｗ１において、第１のレンズ部１０８ａの曲率は、Ｘ軸方向に隣り合う複数の第１のレンズ部１０８ａを１つのグループとした場合に、グループ内では同一で、隣り合うグループ間において段階的に変化するように設定される。この他、隣り合う第１のレンズ部１０８ａ間で曲率が異なっていてもよい。

所定範囲Ｗ０における第１のレンズ部１０８ａの曲率半径Ｒｘは、Ｘ軸方向の発散角が２０度程度になるように設定されている。所定範囲Ｗ０における第１のレンズ部１０８ａの曲率半径Ｒｘは、たとえば、５０μｍである。所定範囲Ｗ０における第１のレンズ部１０８ａの曲率半径Ｒｘと第２のレンズ部１０８ｂの曲率半径Ｒｙは、たとえば、Ｒｘ：Ｒｙ＝１：２に設定される。

図７（ａ）は、比較例に係るアイボックス内の光量分布を示すグラフ、図７（ｂ）は、実施の形態に係るアイボックス内の光量分布を示すグラフである。

比較例では、第１のレンズ部１０８ａの発散角が、描画領域Ｄ１０の全ての範囲において一定に設定されている。比較例では、全ての第１のレンズ部１０８ａの発散角が、図６（ｂ）の所定範囲Ｗ０と同様、２０度程度に設定されている。比較例において、第１のレンズ部１０８ａの曲率半径Ｒｘは、描画領域Ｄ１０の全ての範囲において一定である。

図７（ａ）、（ｂ）には、それぞれ、比較例に係るスクリーン１０８と、実施の形態に係るスクリーン１０８とを用いた場合のアイボックス内の光量分布（シミュレーション結果）が示されている。実施の形態に係るスクリーン１０８は、図６（ｂ）に示すように発散角が調整されている。

図７（ａ）、（ｂ）のグラフにおいて、横軸は、アイボックスの横方向の位置、縦軸は、単位時間当たりの光量である。横軸は、アイボックスの横方向の中間位置が０に設定されている。なお、アイボックスの横方向は、スクリーン１０８のＸ軸方向に対応する。縦軸は、Ｘ軸方向におけるアイボックスの横方向の中間位置における光量を１として規格化されている。図７（ｂ）には、便宜上、図６（ｂ）に示す所定範囲Ｗ０および両側の範囲Ｗ１に対応する範囲が、それぞれ、Ｗ０およびＷ１として示されている。

図７（ａ）に示すように、比較例では、アイボックス内における光量がアイボックスの両端に向かうに伴い大きくなっている。これは、走査部１０６によるレーザ光の走査速度が、描画領域Ｄ１０のＸ軸方向の両端に向かうに伴い遅くなるためである。比較例では、このように、アイボックス内における光量がアイボックスの両端に向かうに伴い大きくなるため、観察者が視認する画像の明るさが不均一となる。

図７（ｂ）に示すように、実施の形態では、上記のように、走査方向（Ｘ軸方向）中央の所定範囲Ｗ０を除いた両側の範囲Ｗ１において、Ｘ軸方向の発散角が、端に向かって徐々に大きくなるよう、スクリーン１０８が構成されている。このため、アイボックス内における両側部分の光の光量が、端に向かうほど、中央部分に比べて弱められる。これにより、アイボックス内における画像全体の明るさが均一に近づけられている。その結果、実施の形態では、観察者が視認する画像の明るさが、アイボックス内の全領域において略均一となる。

なお、図７（ａ）、（ｂ）に付記した破線は、光量が、アイボックスの横方向の中間位置の光量の１．２倍となるレベルを示している。光量が１．２倍程度である範囲においては、画像の輝度ムラが小さいため、人の目により明るさの変化が視認されにくい。よって、この範囲においては、特に、アイボックス内の光量を調節せずとも、観察者に違和感を与えることなく画像を表示できる。

所定範囲Ｗ０は、アイボックス内において、光量が、アイボックスの横方向の中間位置の光量の１．２倍以下となる範囲に対応している。具体的には、所定範囲Ｗ０は、スクリーン１０８を走査するレーザ光の強度が一定である場合に、単位時間当たりにスクリーン１０８を透過するレーザ光の光量が、走査方向（Ｘ軸方向）における描画領域Ｄ１０の中間位置の１．２倍以下となる範囲に設定される。所定範囲Ｗ０は、この条件を満たすように設定されることが好ましい。

なお、所定範囲Ｗ０を、走査方向（Ｘ軸方向）における描画領域Ｄ１０の全範囲の４０％以上５０％以下の範囲に設定した場合、所定範囲Ｗ０は、上述の条件を略満たし得る。したがって、所定範囲Ｗ０を、走査方向（Ｘ軸方向）における描画領域Ｄ１０の全範囲の４０％以上５０％以下の範囲に設定することにより、観察者は、所定範囲Ｗ０において形成された画像を、輝度ムラによる違和感を持つことなく視認できる。

図８（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、スクリーン１０８の位置調整の方法を示す図である。この位置調整は、画像表示装置２０の製造工程において、所定の位置調製装置を用いて行われる。

図８（ａ）〜（ｃ）には、それぞれ、左側にスクリーン１０８の状態が示され、右側に位置調整装置における撮像素子３０１の状態が示されている。位置調整装置は、Ｘ−Ｙ平面に平行な方向におけるスクリーン１０８の位置調整を行うための機構部と、スクリーン１０８から出射された光を受光するための撮像素子３０１とを備えている。

位置調整工程において、図２に示す画像処理回路２０１は、Ｙ軸方向に延びる直線画像Ｒ１０がスクリーン１０８上に描画されるように、レーザ駆動回路２０２とミラー駆動回路２０３を制御する。直線画像Ｒ１０のＹ軸方向の長さは、描画領域Ｄ１０のＹ軸方向の長さよりも長く設定され、たとえば、スクリーン１０８のＹ軸方向の長さと略同じに設定される。直線画像Ｒ１０のＸ軸方向の幅は、非レンズ領域１０８ｃ、１０８ｄのＸ軸方向の幅と略同じに設定される。

図８（ａ）は、スクリーン１０８が、Ｘ−Ｙ平面に平行な平面上の正規の位置に位置付けられた状態を示している。この場合、直線画像Ｒ１０の上端部および下端部は、それぞれ、非レンズ領域１０８ｃ、１０８ｄに位置づけられ、発散されることなく非レンズ領域１０８ｃ、１０８ｄを通過する。これにより、撮像素子３０１には、直線画像Ｒ１０の上端部および下端部に基づく光線部分Ｒ２１、Ｒ２２が投影される。直線画像Ｒ１０の上端部および下端部以外の中央部分は、描画領域Ｄ１０に配置された第１のレンズ部１０８ａ（図３（ａ）参照）によって、Ｘ軸方向に拡散される。これにより、撮像素子３０１には、直線画像Ｒ１０の中央部分に基づく拡散光Ｒ２３が投影される。

この場合、位置調整装置は、撮像素子３０１上に、光線部分Ｒ２１、Ｒ２２が同じ量だけ投影されていることを検出することにより、スクリーン１０８が、Ｘ−Ｙ平面に平行な平面上の正規の位置に位置付けられていると判定する。

図８（ｂ）は、スクリーン１０８が、Ｘ−Ｙ平面に平行な平面上において、正規の位置から反時計方向に回転した位置にある状態を示している。この場合、直線画像Ｒ１０の上端のみが非レンズ領域１０８ｃに位置づけられている。このため、撮像素子３０１上には、直線画像Ｒ１０の上端部に基づく光線部分Ｒ２１は投影されるが、直線画像Ｒ１０の下端部に基づく光線部分Ｒ２２は投影されない。位置調整装置は、光線部分Ｒ２１、Ｒ２２のうち光線部分Ｒ２１のみが撮像素子３０１上に投影されていることに基づき、スクリーン１０８を、上側の非レンズ領域１０８ｃを中心に、図８（ｂ）に矢印で示すように時計方向に回転させる。これにより、図８（ｃ）に示すように、直線画像Ｒ１０の下端部が非レンズ領域１０８ｄに位置づけられ、下端部に基づく光線部分Ｒ２２が撮像素子３０１に投影される。

この場合、位置調整装置は、撮像素子３０１上において、光線部分Ｒ２１の方が、光線部分Ｒ２２よりも多く投影されているため、光線部分Ｒ２１、Ｒ２２が互いに同じ量だけ投影されるように、スクリーン１０８を、図８（ｃ）に矢印で示すようにＹ軸正方向に移動させる。これにより、スクリーン１０８に対して直線画像Ｒ１０が図８（ａ）のように位置付けられる。位置調整装置は、撮像素子３０１上において、光線部分Ｒ２１、Ｒ２２が互いに同じ投影量となることにより、Ｘ−Ｙ平面に平行な平面上の正規の位置に位置付けられていると判定する。こうして、位置調整が行われた後、スクリーン１０８が、接着剤等の固着手段によって、画像表示装置２０内に固定される。

なお、図８（ｂ）の例では、直線画像Ｒ１０の上端部が非レンズ領域１０８ｃに位置付けられたが、直線画像Ｒ１０の上端部および下端部の両方が、それぞれ、非レンズ領域１０８ｃ、１０８ｄに位置付けられない場合も起こり得る。この場合、位置調整装置は、撮像素子３０１の撮像画像を参照しつつ、所定の調整ステップによりスクリーン１０８をＸ−Ｙ平面に平行な方向に回転および移動させて、図８（ａ）に示すように、直線画像Ｒ１０の上端部および下端部が、それぞれ、非レンズ領域１０８ｃ、１０８ｄに等しく位置づけられるように、スクリーン１０８に対する位置調整を実行する。

＜実施形態の効果＞
以上、本実施の形態によれば、以下の効果が奏される。

画像が描画される描画領域Ｄ１０のうち、走査方向（Ｘ軸方向）中央の所定範囲Ｗ０を除いた両側の範囲Ｗ１において、Ｘ軸方向の発散角が、端に向かって徐々に大きくなるよう、スクリーン１０８が構成されているため、アイボックス内における両側部分の光の光量が、端に向かうほど、中央部分に比べて弱められる。このため、アイボックス内における画像全体の明るさを均一に近づけることができる。また、スクリーン１０８は、走査方向（Ｘ軸方向）中央の所定範囲Ｗ０において発散角が一定であるため、走査方向全範囲において発散角を精緻に調整する必要がない。よって、スクリーン１０８を容易に構成することができる。

また、所定範囲Ｗ０は、走査方向（Ｘ軸方向）における描画領域Ｄ１０の全範囲の４０％以上５０％以下の範囲に設定される。あるいは、所定範囲Ｗ０は、スクリーン１０８を走査するレーザ光の強度が一定である場合に、単位時間当たりにスクリーン１０８を透過するレーザ光の光量が、走査方向（Ｘ軸方向）における描画領域Ｄ１０の中間位置の１．２倍以下となる範囲に設定される。このように所定範囲Ｗ０を設定することにより、特に、所定範囲Ｗ０においてＸ軸方向の発散角を調整せずとも、観察者に輝度ムラによる違和感なく、画像を視認させることができる。

また、本実施の形態では、スクリーン１０８の入射面と出射面に、それぞれ、第１のレンズ部１０８ａと第２のレンズ部１０８ｂとが配置されているため、入射面側の第１のレンズ部１０８ａに対してのみ、発散角の調整を施せばよい。よって、スクリーン１０８に対する発散角の調整を容易に行い得る。

さらに、本実施の形態では、描画領域Ｄ１０よりも上側および下側の位置に、それぞれ、入射した光を発散させることなく通過させる所定サイズの非レンズ領域１０８ｃ、１０８ｄが配置されている。これにより、図８（ａ）〜（ｃ）を参照して説明したとおり、簡便な作業により、スクリーン１０８をＸ−Ｙ平面に平行な平面上の所定の位置に位置付けることができる。

＜変更例１＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、また、本発明の適用例も、上記実施の形態の他に、種々の変更が可能である。

たとえば、上記実施の形態では、スクリーン１０８の入射面と出射面に、それぞれ、第１のレンズ部１０８ａと第２のレンズ部１０８ｂとを配置したが、スクリーン１０８の入射面と出射面の何れか一方に、レーザ光をＸ軸方向およびＹ軸方向に発散させるためのレンズ群を配置する構成であってもよい。

図９（ａ）は、スクリーン１０８の入射面に、レーザ光を走査方向（Ｘ軸方向）および走査方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）に発散させるための複数のレンズ部１０８ｅ（マイクロレンズアレイ）を配置した構成例を示す図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）の一部の領域をＺ軸正側から見た拡大図である。

図９（ａ）、（ｂ）に示すように、スクリーン１０８の入射面には、平面視において矩形のレンズ部１０８ｅが、Ｘ軸に平行な横方向とＹ軸に平行な縦方向に所定数ずつ並ぶように形成されている。各レンズ部１０８ｅの横方向の幅Ｗｘは互いに同一であり、また、各レンズ部１０８ｅの縦方向の幅Ｗｙも互いに同一である。幅Ｗｘ、Ｗｙは、数５０μｍ程度である。図９（ｂ）の例では、幅Ｗｘと幅Ｗｙが互いに同一の寸法に設定されているが、幅Ｗｘと幅Ｗｙの寸法が異なっていてもよい。

各レンズ部１０８ｅは、Ｘ軸方向の曲率半径ＲｘとＹ軸方向の曲率半径Ｒｙが互いに異なっている。ここで、曲率半径Ｒｘは曲率半径Ｒｙよりも小さく設定される。従って、レンズ部１０８ｅは、Ｘ軸方向の曲率がＹ軸方向の曲率よりも大きくなっている。このようにレンズ部１０８ｅの曲率を設定することにより、各レンズ部１０８ｅを透過するレーザ光を、効率良く、運転者２の目２ａの位置周辺の横長の領域（アイボックス領域）に導くことができる。レンズ部１０８ｅの曲率は、アイボックス領域の形状に応じて決定される。

この変更例では、図６（ａ）に示す所定範囲Ｗ０において、各レンズ部１０８ｅの曲率半径Ｒｘが一定であり、且つ、両側の範囲Ｗ１において、各レンズ部１０８ｅの曲率半径ＲｘがＸ軸正負の両端に向かうに伴い小さくなるように設定される。これにより、図６（ｂ）に示すＸ軸方向の発散角の分布が実現される。なお、各レンズ部１０８ｅの曲率半径Ｒｙは、全てのレンズ部１０８ｅにおいて同一である。所定範囲Ｗ０における曲率半径Ｒｘと、曲率半径Ｒｙとの関係は、たとえば、Ｒｘ：Ｒｙ＝１：２に設定される。

このように、レンズ部１０８ｅの曲率半径Ｒｘ、Ｒｙを設定することにより、本変更例においても、図７（ｂ）に示す光量分布を実現できる。これにより、アイボックス内における画像全体の明るさを均一に近づけることができる。

なお、本変更例においても、描画領域Ｄ１０よりも上側および下側の位置に、非レンズ領域１０８ｃ、１０８ｄが設けられている。これにより、図８（ａ）〜（ｃ）を参照して説明した簡便な作業により、スクリーン１０８を、Ｘ−Ｙ平面の所定の位置に位置付けることができる。

＜変更例２＞
上記実施の形態では、スクリーン１０８の位置が固定であったが、画像の表示動作において、スクリーン１０８がＺ軸方向に移動されてもよい。

図１０は、変更例２に係る画像表示装置２０の照射光生成部２１および照射光生成部２１に用いる回路の構成を示す図である。

図１０に示すように、本変更例では、図２の構成に比べて、駆動部１０９と、スクリーン駆動回路２０４が追加されている。駆動部１０９は、スクリーン１０８をレーザ光の進行方向に平行な方向（Ｚ軸方向）に往復移動させる。駆動部１０９は、たとえば、コイルと磁石を用いたアクチュエータにより構成される。たとえば、スクリーン１０８を保持するホルダが、板バネを介して、レーザ光の進行方向に平行な方向（Ｚ軸方向）に移動可能に、ベースに支持される。コイルは、ホルダ側に設置され、磁石はベース側に設置される。スクリーン駆動回路２０４は、画像処理回路２０１からの制御信号に応じて、スクリーン１０８を駆動する。

図１１（ａ）は、変更例２に係るスクリーン１０８の移動工程の一例を示す図であり、図１１（ｂ）は、変更例２に係る画像表示装置２０においてスクリーン１０８を移動させることにより表示される画像の一例を示す図である。

図１１（ａ）に示すように、スクリーン１０８は、時刻ｔ０〜ｔ４を１サイクルとして移動が繰り返される。時刻ｔ０〜ｔ１の間に、スクリーン１０８は、初期位置Ｐｓ０から最遠位置Ｐｓ１へと移動され、時刻ｔ１〜ｔ４の間に、スクリーン１０８は、最遠位置Ｐｓ１から初期位置Ｐｓ０へと戻される。スクリーン１０８の移動周期、すなわち、時刻ｔ０〜ｔ４の時間は、たとえば、１／６０秒である。

時刻ｔ０〜ｔ１は、図１１（ｂ）において、奥行き方向に広がる奥行き画像Ｍ１を表示するための期間であり、時刻ｔ１〜ｔ４は、図１１（ｂ）において、鉛直方向に広がる鉛直画像Ｍ２を表示するための期間である。図１１（ｂ）の例において、奥行き画像Ｍ１は、ナビゲーション機能により乗用車１が道路Ｒ１を曲がるべき方向を運転者２に示唆するための矢印であり、鉛直画像Ｍ２は、歩行者Ｈ１が居ることを運転者２に注意喚起するためのマーキングである。たとえば、奥行き画像Ｍ１と鉛直画像Ｍ２は、互いに異なる色で表示される。

時刻ｔ０〜ｔ１において、スクリーン１０８は、初期位置Ｐｓ０から最遠位置Ｐｓ１まで線形に移動される。スクリーン１０８が移動すると、これに伴い、ウインドシールド１２前方の虚像が結像する位置が奥行き方向に移動する。したがって、奥行き画像Ｍ１の奥行き方向の各位置にスクリーン１０８が在るときに、奥行き画像Ｍ１に対応する走査ライン上の、奥行き画像Ｍ１に対応するタイミングにおいて、レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃを発光させることにより、ウインドシールド１２の投射領域１３の前方に、図１１（ｂ）に示すような奥行き画像Ｍ１を虚像として表示させることができる。

一方、鉛直画像Ｍ２は、奥行き方向には変化せず、鉛直方向のみに広がっているため、スクリーン１０８を、鉛直画像Ｍ２に対応する位置に固定して、虚像の生成を行う必要がある。図１１（ａ）の停止位置Ｐｓ２は、鉛直画像Ｍ２の奥行き位置に対応するスクリーン１０８の位置である。スクリーン１０８は、最遠位置Ｐｓ１から初期位置Ｐｓ０に戻る間に、停止位置Ｐｓ２において、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の間、停止される。この間に、鉛直画像Ｍ２に対応する走査ライン上の、鉛直画像Ｍ２に対応するタイミングにおいて、レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃを発光させることにより、ウインドシールド１２の投射領域１３の前方に、図１１（ｂ）に示すような鉛直画像Ｍ２を虚像として表示させることができる。

以上の制御は、図１０に示す画像処理回路２０１によって行われる。この制御により、時刻ｔ０〜時刻ｔ４の間に、奥行き画像Ｍ１と鉛直画像Ｍ２が虚像として表示される。上記の制御では、奥行き画像Ｍ１の表示タイミングと鉛直画像Ｍ２の表示タイミングにずれが生じるが、このずれは極めて短時間であるため、運転者２は、奥行き画像Ｍ１と鉛直画像Ｍ２を重ねた画像を認識する。こうして、運転者２は、投射領域１３の前方に、映像信号に基づく画像（奥行き画像Ｍ１、鉛直画像Ｍ２）を、道路Ｒ１および歩行者Ｈ１を含む風景に重ねて見ることができる。

なお、図１１（ｂ）では、鉛直画像Ｍ２が１つであったため、図１１（ａ）の工程において、スクリーン１０８の停止位置Ｐｓ２が１つに設定されたが、鉛直画像Ｍ２が複数あれば、それに応じて、図１１（ａ）の工程において、停止位置が複数設定される。ただし、図１１（ａ）の工程において、時刻ｔ０〜ｔ４の時間は一定であり、時刻ｔ４は不変であるため、停止位置の数の増減に応じて、停止位置前後のスクリーン１０８の移動速度（図１１（ａ）の波形の傾き）が変更されることになる。

＜その他の変更例＞
上記実施の形態では、本発明を乗用車１に搭載されるヘッドアップディスプレイに適用した例を示したが、本発明は、車載用に限らず、他の種類の画像表示装置にも適用可能である。

また、画像表示装置２０および照射光生成部２１の構成は、図１（ｃ）および図２、図１０に記載された構成に限られるものではなく、適宜、変更可能である。また、第１のレンズ部１０８ａや第２のレンズ部１０８ｂ、レンズ部１０８ｅは、スクリーン１０８に一体形成されてもよく、あるいは、これらレンズ部を有する透明なシートをスクリーン１０８の基材に貼りつける構成であってもよい。

本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

２０ … 画像表示装置
２２ … ミラー（光学系）
１０１ … 光源
１０６ … 走査部
１０８ … スクリーン
１０８ａ … 第１のレンズ部
１０８ｂ … 第２のレンズ部
１０８ｃ、１０８ｄ … 非レンズ領域
１０８ｅ … レンズ部
Ｗ０ … 所定範囲
Ｗ１ … 両側の範囲

Claims (12)

1. レーザ光を出射する光源と、
   前記レーザ光が走査されることにより画像が描画されるスクリーンと、
   前記光源から出射された前記レーザ光を前記スクリーンに対し走査させる走査部と、
   前記スクリーンを透過した前記レーザ光により、前記スクリーンに描画された画像の虚像を生成する光学系と、を備え、
   前記スクリーンは、画像が描画される描画領域のうち、走査方向中央の所定範囲において、発散角が一定で、且つ、前記所定範囲を除いた両側の範囲において、発散角が、端に向かって徐々に大きくなるよう構成されている、
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置において、
   前記所定範囲は、前記走査方向における前記描画領域の全範囲の４０％以上５０％以下の範囲に設定されている、
   ことを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１に記載の画像表示装置において、
   前記所定範囲は、前記スクリーンを走査する前記レーザ光の強度が一定である場合に、単位時間当たりに前記スクリーンを透過する前記レーザ光の光量が、前記走査方向における前記描画領域の中間位置の１．２倍以下となる範囲に設定されている、
   ことを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の画像表示装置において、
   前記スクリーンは、前記レーザ光の入射側および出射側のうち、一方に、前記レーザ光を前記走査方向のみに発散させる複数の第１のレンズ部を備え、他方に、前記レーザ光を前記走査方向に垂直な方向のみに発散させる複数の第２のレンズ部を備え、
   前記両側の範囲に含まれる前記複数の第１のレンズ部の曲率を変化させることにより、前記発散角が、前記両側の範囲の端に向かって徐々に大きくなるよう構成されている、
   ことを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の画像表示装置において、
   前記スクリーンは、前記レーザ光の入射側および出射側のうち、一方に、前記レーザ光を前記走査方向および前記走査方向に垂直な方向の両方にそれぞれ発散させる複数のレンズ部を備え、
   前記両側の範囲に含まれる前記複数のレンズ部に対し、前記走査方向における曲率を変化させることにより、前記発散角が、前記両側の範囲の端に向かって徐々に大きくなるよう構成されている、
   ことを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項４または５に記載の画像表示装置において、
   前記スクリーンは、前記描画領域よりも上側および下側の位置に、それぞれ、入射した光を発散させることなく通過させる所定サイズの非レンズ領域を備える、
   ことを特徴とする画像表示装置。
7. レーザ光が走査されることにより画像が描画されるスクリーンであって、
   画像が描画される描画領域のうち、走査方向中央の所定範囲において、発散角が一定で、且つ、前記所定範囲を除いた両側の範囲において、発散角が、端に向かって徐々に大きくなるよう構成されている、
   ことを特徴とするスクリーン。
8. 請求項７に記載のスクリーンにおいて、
   前記所定範囲は、前記走査方向における前記描画領域の全範囲の４０％以上５０％以下の範囲に設定されている、
   ことを特徴とするスクリーン。
9. 請求項７に記載のスクリーンにおいて、
   前記所定範囲は、前記スクリーンを走査する前記レーザ光の強度が一定である場合に、単位時間当たりに前記スクリーンを透過する前記レーザ光の光量が、前記走査方向における前記描画領域の中間位置の１．２倍以下となる範囲に設定されている、
   ことを特徴とするスクリーン。
10. 請求項７ないし９の何れか一項に記載のスクリーンにおいて、
    前記レーザ光の入射側および出射側のうち、一方に、前記レーザ光を前記走査方向のみに発散させる複数の第１のレンズ部を備え、他方に、前記レーザ光を前記走査方向に垂直な方向のみに発散させる複数の第２のレンズ部を備え、
    前記両側の範囲に含まれる前記複数の第１のレンズ部の曲率を変化させることにより、前記発散角が、前記両側の範囲の端に向かって徐々に大きくなるよう構成されている、
    ことを特徴とするスクリーン。
11. 請求項７ないし９の何れか一項に記載のスクリーンにおいて、
    前記レーザ光の入射側および出射側のうち、一方に、前記レーザ光を前記走査方向および前記走査方向に垂直な方向の両方にそれぞれ発散させる複数のレンズ部を備え、
    前記両側の範囲に含まれる前記複数のレンズ部に対し、前記走査方向における曲率を変化させることにより、前記発散角が、前記両側の範囲の端に向かって徐々に大きくなるよう構成されている、
    ことを特徴とするスクリーン。
12. 請求項１０または１１に記載のスクリーンにおいて、
    前記スクリーンは、前記描画領域よりも上側および下側の位置に、それぞれ、入射した光を発散させることなく通過させる所定サイズの非レンズ領域を備える、
    ことを特徴とするスクリーン。

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