JP2019200224A - 光学素子、表示システムおよび移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】観察者の視点移動時の輝度のばらつきを抑制することができる。【解決手段】表示システム１Ａは、光を発散させるスクリーン１５と、光源装置１１から射出された光を主走査方向および主走査方向に直交する副走査方向に走査してスクリーン１５上に中間像を形成する光偏向装置１３と、スクリーン１５から発散された発散光を反射させるフロントガラス５０と、スクリーン１５から発散された発散光をフロントガラス５０に向けて投射して虚像４５を結像させる自由曲面ミラー３０とを備える。そして、スクリーン１５は、（式１）の条件を満たす。【選択図】図１１

Description

本発明は、光学素子、表示システムおよび移動体に関する。

車両等の移動体において、少ない視線移動で運転者（観察者）に各種情報（車両情報、警告情報、ナビゲーション情報等）を視認させるアプリケーションとして、ＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）等の表示装置が利用されている。

例えば、特許文献１は、光源から射出された画像光を光走査手段によって主走査方向および副走査方向へ二次元走査して光発散部上に中間像を形成し、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することによって、観察者の視野に重ねて虚像を表示させる表示装置を開示している。

本発明は、観察者の視点移動時の輝度のばらつきを抑制する光学素子、表示システムおよび移動体を提供することを目的とする。

本発明に係る表示システムは、光を発散させる光学素子と、前記光学素子から発散された発散光を投射して像を結像させる結像光学系と、を備え、前記結像された像を観察者に視認させる表示システムであって、前記光学素子は、下記（式１）の条件を満たすように配置されている。

ｔａｎθ≧（Ｔ × Ｂ）／（Ｓ × Ｏ）・・・（式１）
（上記（式１）中、θは前記光学素子の発散角を表し、Ｔは前記結像光学系から前記結像された像までの距離を表し、Ｂは前記結像された像を視認可能な領域であるアイボックスの範囲を表し、Ｓは前記結像された像の観察者の視点から当該結像された像までの距離を表し、Ｏは前記光学素子から前記結像光学系までの距離を表す。ただし、各距離は、基準アイポイントから観察した場合の前記光により形成される画像中心を通過する光路長である。）

本発明によれば、観察者の視点移動時の輝度のばらつきを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る表示装置の機能構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る光源装置の具体的構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。 マイクロレンズアレイにおいて、入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。 光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。 ２次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る表示システムにおける光路長の概略を示した図である。 本発明の実施形態に係る表示システムにおける各構成要素の相対的な位置関係の一例を概略的に説明するための図である。 本発明の実施形態に係るスクリーン１５において発散される発散光の発散角と強度の関係を説明する図である。 本発明の実施形態に係るスクリーン１５において発散される発散光の発散角と光利用効率の関係を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るアイボックスの方向と発散角の方向の関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

●本発明の実施形態●
●システム構成
図１は、本発明の実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。図１に示す表示システム１Ａは、観察者３が視認する画像（虚像４５）の端部における輝度の低下および観察者の視点移動時の輝度の低下を抑制しつつ、良好な輝度分布を有する画像を観察者３に視認させることができるシステムである。

表示システム１Ａは、表示装置１０から投射される投射光を、透過反射部材に投射させることによって観察者３に表示画像を視認させる。表示画像は、観察者３の視界に虚像４５として重畳して表示する画像である。表示システム１Ａは、例えば、車両、航空機もしくは船舶等の移動体、または操縦シミュレーションシステムもしくはホームシアターシステム等の非移動体に備えられる。本実施形態は、表示システム１Ａが、移動体の一例である自動車に備えられた場合について説明する。なお、表示システム１Ａの使用形態は、これに限られるものではない。

表示システム１Ａは、例えば、フロントガラス５０を介して車両の操縦に必要なナビゲーション情報（例えば車両の速度、進路情報、目的地までの距離、現在地名称、車両前方における物体（対象物）の有無や位置、制限速度等の標識、渋滞情報等の情報等）を、観察者３（操縦者）に視認させる。この場合、フロントガラス５０は、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材として機能する。観察者３の視点位置からフロントガラス５０までの距離は、数十ｃｍ〜１ｍ程度である。

表示システム１Ａは、表示装置１０、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０を備える。表示装置１０は、例えば、移動体の一例である自動車に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）である。表示装置１０は、自動車のインテリアデザインに準拠して任意の位置に配置される。表示装置１０は、例えば、自動車のダッシュボードの下方に配置されてもよく、ダッシュボード内に埋め込まれていてもよい。

表示装置１０は、光源装置１１、光偏向装置１３、スクリーン１５を備える。光源装置１１は、光源から出射されたレーザ光を、装置外部へ照射するデバイスである。光源装置１１は、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のレーザ光を合成したレーザ光を照射してもよい。光源装置１１から射出されたレーザ光は、光偏向装置１３の反射面に導かれる。光源装置１１は、光源として、ＬＤ（Laser Diode）等の半導体発光素子を有する。なお、光源は、これに限られず、ＬＥＤ（light emitting diode）等の半導体発光素子を有してもよい。

光偏向部としての光偏向装置１３は、光源装置１１から射出された光を主走査方向および主走査方向に直交する副走査方向に走査して、光学素子としてのスクリーン１５上に中間像を形成するものであり、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等を利用してレーザ光の進行方向を変化させるデバイスである。光偏向装置１３は、例えば、直交する２軸に対して揺動する単一の微小なＭＥＭＳミラー、または１軸に対して揺動もしくは回転する２つのＭＥＭＳミラーからなるミラー系等の走査手段を利用して構成される。光偏向装置１３から射出したレーザ光は、スクリーン１５に走査される。なお、光偏向装置１３は、ＭＥＭＳミラーに限られず、ポリゴンミラー等を用いて構成されてもよい。

スクリーン１５は、光を発散させる光学素子としてのレーザ光を所定の発散角で発散させる機能を有する発散部材である。スクリーン１５は、例えば、ＥＰＥ（Exit Pupil Expander）の形態として、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）または拡散板等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子によって構成される。なお、スクリーン１５は、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の光学素子によって構成されてもよい。スクリーン１５は、光偏向装置１３から射出されたレーザ光がスクリーン１５上に走査されることによって、スクリーン１５上に二次元像である中間像４０を形成する。

ここで、表示装置１０の投射方式は、液晶パネル、ＤＭＤパネル（デジタルミラーデバイスパネル）または蛍光表示管（ＶＦＤ）等イメージングデバイスで中間像４０を形成する「パネル方式」と、光源装置１１から射出されたレーザ光を走査手段で走査して中間像４０を形成する「レーザ走査方式」がある。

本発明の実施形態に係る表示装置１０は、後者の「レーザ走査方式」を採用する。「レーザ走査方式」は、各画素に対して発光または非発光を割り当てることができるため、一般に高コントラストの画像を形成することができる。なお、表示装置１０は、投射方式として「パネル方式」を用いてもよい。

スクリーン１５から射出されたレーザ光（光束）によって、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０に投射された虚像４５は、中間像４０から拡大されて表示される。自由曲面ミラー３０は、フロントガラス５０の湾曲形状による画像の傾き、歪、位置ずれ等を相殺するように設計および配置されている。自由曲面ミラー３０は、所定の回転軸を中心として回転可能に設置されてもよい。これにより、自由曲面ミラー３０は、スクリーン１５から射出したレーザ光（光束）の反射方向を調整し、虚像４５の表示位置を変化させることができる。

ここでは、自由曲面ミラー３０は、虚像４５の結像位置が所望の位置になるように、一定の集光パワーを有するように既存の光学設計シミュレーションソフトを用いて設計されている。表示装置１０は、虚像４５が観察者３の視点位置から例えば１ｍ以上かつ３０ｍ以下（好ましくは１０ｍ以下）の位置（奥行位置）に表示されるように、自由曲面ミラー３０の集光パワーが設定される。なお、自由曲面ミラー３０は、凹面ミラーや曲面ミラーであってもよい。自由曲面ミラー３０は、光学素子から発散された発散光を投射して像を結像させる結像光学系の一例である。

フロントガラス５０は、レーザ光（光束）の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる機能（部分反射機能）を有する透過反射部材である。フロントガラス５０は、観察者３に前方の景色および虚像４５を視認させる半透過鏡として機能する。虚像４５は、例えば、車両情報（速度、走行距離等）、ナビゲーション情報（経路案内、交通情報等）、警告情報（衝突警報等）等を観察者３に視認させるための画像情報である。なお、透過反射部材は、フロントガラス５０とは別途設けられたフロントウインドシールド等であってもよい。フロントガラス５０は、反射部材の一例である。

虚像４５は、フロントガラス５０の前方の景色と重畳するように表示されてもよい。また、フロントガラス５０は、平面でなく、湾曲している。そのため、虚像４５の結像位置は、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の曲面によって決定される。なお、フロントガラス５０は、部分反射機能を有する個別の透過反射部材としての半透過鏡（コンバイナ）を利用してもよい。

このような構成により、スクリーン１５から射出されたレーザ光（光束）は、自由曲面ミラー３０に向けて投射され、フロントガラス５０によって反射される。観察者３は、フロントガラス５０で反射された光によって、スクリーン１５に形成された中間像４０が拡大された虚像４５を視認することができるようになる。

●ハードウエア構成
図２は、本発明の実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。なお、図２に示すハードウエア構成は、各実施形態において同様の構成を備えていてもよく、必要に応じて構成要素が追加または削除されてもよい。

表示装置１０は、表示装置１０の動作を制御するための制御装置１７を有する。制御装置１７は、表示装置１０の内部に実装された基板またＩＣチップ等のコントローラである。制御装置１７は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）１００１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１００２、ＲＯＭ（Read Only Memory）１００３、ＲＡＭ（Random Access Memory）１００４、Ｉ／Ｆ（Interface）１００５、バスライン１００６、ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０およびモータドライバ１０１２を含む。

ＦＰＧＡ１００１は、表示装置１０の設計者による設定変更が可能な集積回路である。ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０、およびモータドライバ１０１２は、ＦＰＧＡ１００１からの制御信号に応じて駆動信号を生成する。ＣＰＵ１００２は、表示装置１０全体を制御するための処理を行う集積回路である。ＲＯＭ１００３は、ＣＰＵ１００２を制御するプログラムを記憶する記憶装置である。ＲＡＭ１００４は、ＣＰＵ１００２のワークエリアとして機能する記憶装置である。Ｉ／Ｆ１００５は、外部装置と通信するためのインターフェースである。Ｉ／Ｆ１００５は、例えば自動車のＣＡＮ（Controller Area Network）等に接続される。

ＬＤ１００７は、例えば、光源装置１１の一部を構成する半導体発光素子である。ＬＤドライバ１００８は、ＬＤ１００７を駆動する駆動信号を生成する回路である。ＭＥＭＳ１００９は、光偏向装置１３の一部を構成し、走査ミラーを変位させるデバイスである。ＭＥＭＳコントローラ１０１０は、ＭＥＭＳ１００９を駆動する駆動信号を生成する回路である。モータ１０１１は、自由曲面ミラー３０の回転軸を回転させる電動機である。モータドライバ１０１２は、モータ１０１１を駆動する駆動信号を生成する回路である。

●機能構成
図３は、本発明の実施形態に係る表示装置の機能構成の一例を示す図である。表示装置１０により実現される機能は、車両情報受信部１７１、外部情報受信部１７２、画像生成部１７３および画像表示部１７４を含む。

車両情報受信部１７１は、ＣＡＮ等から自動車の情報（速度、走行距離等の情報）を受信する機能である。車両情報受信部１７１は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

外部情報受信部１７２は、外部ネットワークから自動車外部の情報（ＧＰＳからの位置情報、ナビゲーションシステムからの経路情報または交通情報等）を受信する機能である。外部情報受信部１７２は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像生成部１７３は、車両情報受信部１７１および外部情報受信部１７２により入力された情報に基づいて、中間像４０および虚像４５を表示させるための画像情報を生成する機能である。画像生成部１７３は、図２に示したＣＰＵ１００２の処理、およびＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像表示部１７４は、画像生成部１７３により生成された表示情報に基づいて、スクリーン１５に中間像４０を形成し、中間像４０を構成したレーザ光（光束）をフロントガラス５０に向けて投射して虚像４５を表示させる機能である。画像表示部１７４は、図２に示したＣＰＵ１００２、ＦＰＧＡ１００１、ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０およびモータドライバ１０１２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像表示部１７４は、制御部１７５、中間像形成部１７６および投影部１７７を含む。制御部１７５は、中間像４０を形成するために、光源装置１１および光偏向装置１３の動作を制御する制御信号を生成する。また、制御部１７５は、虚像４５を所定の位置に表示させるために、自由曲面ミラー３０の動作を制御する制御信号を生成する。

中間像形成部１７６は、制御部１７５によって生成された制御信号に基づいて、スクリーン１５に中間像４０を形成する。投影部１７７は、観察者３に視認させる虚像４５を形成するために、中間像４０を構成したレーザ光を、透過反射部材（フロントガラス５０等）に投射させる。

●光源装置
図４は、本発明の実施形態に係る光源装置の具体的構成に一例を示す図である。光源装置１１は、光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂ（以下、区別する必要のないときは、光源素子１１１とする。）、カップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ、アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂ、合成素子１１４，１１５，１１６、およびレンズ１１７を含む。

３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂは、例えば、それぞれ単数または複数の発光点を有するＬＤ（Laser Diode）である。光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂは、互いに異なる波長λＲ，λＧ，λＢ（例えばλＲ＝６４０ｎｍ，λＧ＝５３０ｎｍ，λＢ＝４４５ｎｍ）のレーザ光（光束）を放射する。

放射された各レーザ光（光束）は、それぞれカップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂによりカップリングされる。カップリングされた各レーザ（光束）は、それぞれアパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂにより整形される。アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂは、レーザ光（光束）の発散角等の所定の条件に応じた形状（例えば円形、楕円形、長方形、正方形等）を有する。

アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂにより整形された各レーザ光（光束）は、３つの合成素子１１４，１１５，１１６により合成される。合成素子１１４，１１５，１１６は、プレート状またはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じてレーザ光（光束）を反射または透過し、１つの光束に合成する。合成された光束は、レンズ１１７を通り、光偏向装置１３に導かれる。

●光偏向装置
図５は、本発明の実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。光偏向装置１３は、半導体プロセスにより製造されるＭＥＭＳミラーであり、ミラー１３０、蛇行状梁部１３２、枠部材１３４、および圧電部材１３６を含む。光偏向装置１３は、走査部の一例である。

ミラー１３０は、光源装置１１から射出されたレーザ光をスクリーン１５側に反射する反射面を有する。光偏向装置１３は、ミラー１３０を挟んで一対の蛇行状梁部１３２を形成する。蛇行状梁部１３２は、複数の折り返し部を有する。折り返し部は、交互に配置される第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとから構成されている。蛇行状梁部１３２は、枠部材１３４に支持されている。圧電部材１３６は、隣接する第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとを接続するように配置されている。圧電部材１３６は、第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとに異なる電圧を印加し、梁部１３２ａ，１３２ｂのそれぞれに反りを発生させる。

これにより、隣接する梁部１３２ａ，１３２ｂは、異なる方向に撓む。ミラー１３０は、撓みが累積されることによって、左右方向の軸を中心として垂直方向に回転する。このような構成により、光偏向装置１３は、垂直方向への光走査が低電圧で可能となる。上下方向の軸を中心とした水平方向の光走査は、ミラー１３０に接続されたトーションバー等を利用した共振により行われる。

●スクリーン
図６は、本発明の実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。スクリーン１５は、光源装置１１の一部を構成するＬＤ１００７から射出されたレーザ光を結像させる。また、スクリーン１５は、所定の発散角で発散させる発散部材である。図６に示すスクリーン１５は、六角形形状を有する複数のマイクロレンズ１５０が隙間なく配列されたマイクロレンズアレイ構造を有している。マイクロレンズ１５０の幅（対向する２辺間の距離）は、２００μｍ程度である。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の形状を六角形とすることにより、複数のマイクロレンズ１５０を高密度で配列することができる。

なお、マイクロレンズ１５０の形状は、六角形に限られるものではなく、例えば四角形、三角形等であってもよい。また、複数のマイクロレンズ１５０が規則正しく配列された構造を例示しているが、マイクロレンズ１５０の配列は、これに限られるものではなく、例えば、各マイクロレンズ１５０の中心を互いに偏心させ、不規則な配列としてもよい。このように偏心させた配列を採用する場合、各マイクロレンズ１５０は、互いに異なる形状となる。

図７は、マイクロレンズアレイにおいて、入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。図７（ａ）において、スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０が整列して配置された光学板１５１によって構成される。光学板１５１上に入射光１５２を走査される場合、入射光１５２は、マイクロレンズ１５０により発散され、発散光１５３となる。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の構造により、入射光１５２を所望の発散角１５４で発散させることができる。この発散角１５４は、マイクロレンズ１５０の曲率と対応関係がある。マイクロレンズ１５０の周期１５５は、入射光１５２の径１５６ａよりも大きくなるように設計される。これにより、スクリーン１５は、レンズ間での干渉が起こさずに、スペックル（スペックルノイズ）を生じさせない。

図７（ｂ）は、入射光１５２の径１５６ｂが、マイクロレンズ１５０の周期１５５の２倍大きい場合の発散光の光路を示す。入射光１５２は、二つのマイクロレンズ１５０ａ、１５０ｂに入射し、それぞれ発散光１５７、１５８を生じさせる。このとき、領域１５９において、二つの発散光が存在するため、光の干渉を生じうる。この干渉光が観察者の目に入った場合、スペックルとして視認される。

以上を考慮して、スペックルを低減するため、マイクロレンズ１５０の周期１５５は、入射光の径１５６よりも大きく設計される。なお、図７は、凸面レンズの形態で説明したが、凹面レンズの形態においても同様の効果があるものとする。

図８は、光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。光源装置１１の各光源素子は、ＦＰＧＡ１００１によって発光強度や点灯タイミング、光波形が制御される。光源装置１１の各光源素子は、ＬＤドライバ１００８によって駆動され、レーザ光を射出する。各光源素子から射出され光路合成されたレーザ光は、図８に示すように、光偏向装置１３のミラー１３０によってα軸周り、β軸周りに二次元的に偏向され、ミラー１３０を介して走査光としてスクリーン１５に照射される。すなわち、スクリーン１５は、光偏向装置１３による主走査および副走査によって二次元走査される。

走査範囲は、光偏向装置１３によって走査しうる全範囲である。走査光は、スクリーン１５の走査範囲を、２〜４万Ｈｚ程度の速い周波数で主走査方向（Ｘ軸方向）に振動走査（往復走査）しつつ、数十Ｈｚ程度の遅い周波数で副走査方向（Ｙ軸方向）に片道走査する。すなわち、光偏向装置１３は、スクリーン１５に対してラスタースキャンを行う。この場合、表示装置１０は、走査位置（走査光の位置）に応じて各光源素子の発光制御を行うことで、画素ごとの描画または虚像の表示を行うことができる。

一画面を描画する時間、すなわち１フレーム分の走査時間（二次元走査の１周期）は、
上記のように副走査周期が数十Ｈｚであることから、数十ｍｓｅｃとなる。例えば、主走査周期を２００００Ｈｚ、副走査周期を５０Ｈｚとした場合、１フレーム分の走査時間は、２０ｍｓｅｃとなる。

図９は、二次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。スクリーン１５は、図９に示すように、中間像４０が描画される（画像データに応じて変調された光が照射される）画像領域６１（有効走査領域）と、画像領域６１を取り囲むフレーム領域６２を含む。

走査範囲は、スクリーン１５における画像領域６１とフレーム領域６２の一部（画像領域６１の外縁近傍の部分）を併せた範囲とする。図９において、走査範囲における走査線の軌跡は、ジグザグ線によって示される。図９において、走査線の本数は、便宜上、実際よりも少なくしている。

スクリーン１５は、上述のように、マイクロレンズアレイ等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子で構成されている。画像領域６１は、矩形または平面である必要はなく、多角形または曲面であってもよい。また、スクリーン１５は、光拡散効果を持たない平板または曲板であってもよい。さらに、画像領域６１は、装置レイアウトに応じて、例えば、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の素子とすることもできる。

スクリーン１５は、走査範囲における画像領域６１の周辺領域（フレーム領域６２の一部）に、受光素子を含む同期検知系６０が備える。図９において、同期検知系６０は、画像領域６１の−Ｘ側かつ＋Ｙ側の隅部に配置される。同期検知系６０は、光偏向装置１３の動作を検出して、走査開始タイミングや走査終了タイミングを決定するための同期信号をＦＰＧＡ１００１に出力する。

●詳細
続いて、図１０乃至図１２を用いて、本発明の実施形態に係る表示システム１Ａの光学設計について説明する。

図１０は、本発明の実施形態に係る表示システムにおける光路長の概略を示した図である。ここで、各光路長は、表示システム１Ａの各構成要素におけるアイリプス中心（基準アイポイント）から観察した際の画像中心が通過する光路を用いて測定される。画像中心は、それぞれの構成要素における幾何学中心に一致しているものとする。なお、アイリプス中心（基準アイポイント）は、観察者３の基準となる視点位置であり、結像された像を視認可能な領域となるアイボックスの中心である。

なお、観察者３（例えば自動車を運転する運転者）は、フロントガラス５０によって反射された光の光路上のアイボックス（観察者３の目の近傍の領域）から虚像４５を視認する。ここで、アイボックスは、観察者３が視点の位置を調整して虚像４５を視認可能な範囲を意味する。具体的には、アイボックスは、自動車の運転者アイレンジ（ＪＩＳ Ｄ００２１）と同等かそれ以下である。アイボックスは、運転者が虚像４５を視認可能な領域として、座席に着座した運転者のアイポイントが存在可能な空間領域であるアイリプスに基づいて設定される。

表示システム１Ａにおいて、観察者３の基準アイポイントから虚像４５の画像中心までの光路長は、光路長Ｓとして定義される。

光偏向装置１３からスクリーン１５に形成される中間像４０の画像中心までの光路長は、光路長Ｍとして定義される。また、スクリーン１５に形成される中間像４０の画像中心から、中間像４０から発散された光束が自由曲面ミラー３０を通過する領域の中心位置までの光路長は、光路長Ｏとして定義される。

図１１は、本発明の実施形態に係る表示システムにおける各構成要素の相対的な位置関係の一例を概略的に説明するための図である。図１１は、便宜上、各構成要素がＸＺ平面上に平行に配置されているものとして説明するが、実際には、各構成要素の配置は、図１０に示すように、必ずしもＸＹ平面に平行ではない。

さらに、中間像４０から発散された光束が自由曲面ミラー３０を通過する領域の中心位置から虚像４５の画像中心までの光路長は、光路長Ｔとして定義される。

スクリーン１５は、上述のように、マイクロレンズアレイ等の光発散部材を備えており、本実施形態では、マイクロレンズアレイそのものである。スクリーン１５に走査された光束は、スクリーン１５を通過することによって、発散角θで発散される。スクリーン１５から射出される光束は、自由曲面ミラー３０へ入射する。自由曲面ミラー３０に対する光束の通過幅は、Ｑｏである。

自由曲面ミラー３０は、図１０に示したフロントガラス５０で発生する光学歪を低減するように面形状が設計されている。自由曲面ミラー３０を通過した光束は、その後フロントガラス５０に入射し、観察者３の基準アイポイントを含む少なくともアイリプス領域内の一点の視点に到達する。フロントガラス５０に入射した光束は、フロントガラス５０の面形状に応じて反射される。

Ｂは結像された像を視認可能な領域であるアイボックスの範囲を表し、観察者３は、自由曲面ミラー３０により結像された虚像をアイボックスの範囲Ｂ内で視認可能である。図１１において、θｔは虚像とアイボックスの範囲Ｂを結ぶ線がなす角度を表し、Ｑｔは虚像とアイボックスの範囲Ｂを結ぶ線が自由曲面ミラー３０と交差する領域を表す。

表示システム１Ａは、領域Ｑｏ≧領域Ｑｔとなるように構成されることが好ましい。仮に領域Ｑｏ＜領域ＱＴの場合、領域Ｑｏの端部では光量不足になり、アイボックスの範囲Ｂの端部の視点から虚像を観ると輝度不足となる。これに対して、領域Ｑｏ≧領域Ｑｔの場合は、領域Ｑｏの端部でも光量が確保され、アイボックスの範囲Ｂの端部の視点から虚像を観ても輝度が確保される。

ここで、図１１において、Ｑｏは（式２）で規定され、Ｑｔは（式３）で規定され、Ｂは（式４）で規定される。

Ｑｏ＝Ｏ × ｔａｎθ・・・（式２）
Ｑｔ ＝Ｔ × ｔａｎθｔ・・・（式３）
Ｂ＝Ｓ × ｔａｎθｔ・・・（式４）

（式２）〜（式４）に基づき、Ｑｏ≧Ｑｔの関係式を変形させると、下記（式１）に示す条件が導かれる。すなわち、表示システム１Ａは、下記（式１）に示す条件を満たすことにより、観察者の視点移動時の輝度のばらつきを抑制することができる。具体的には、観察者３が、アイボックスの範囲Ｂの端部の視点から虚像を観ても輝度を確保することができる。

ｔａｎθ≧（Ｔ × Ｂ）／（Ｓ × Ｏ）・・・（式１）

図１２は、本発明の実施形態に係るスクリーン１５において発散される発散光の発散角と強度の関係を説明する図である。図１２の横軸は、スクリーン１５に入射される光束を基準としたときのスクリーン１５における発散光の発散角Δθである。図１２に示すように、発散角Δθに対する規格化強度は、レーザ光特有のガウシアン分布の強度プロファイルを持つ。ここで、発散角Δθは、スクリーン１５に入射される光の入射角と、入射された光がスクリーン１５によって発散されて観察者３の視点に到達する発散光の発散角中心との角度差である。

図１２における実線は、ｔａｎθ≧ＴＢ／ＳＯを満たす本発明の実施例であり、破線はｔａｎθ≧ＴＢ／ＳＯを満たさない（ｔａｎθ＜ＴＢ／ＳＯとなる）比較例である。実施例は、発散角が大きくなるに従って、比較例に比べてなだらかに規格化強度が低下していることがわかる。したがって、本発明の実施例では、観察者３が、発散角が大きい部分、すなわちアイボックスの範囲Ｂの端部の視点から虚像を観ても輝度が確保することができる。よって、本発明の実施例では、観察者の視点移動時の輝度のばらつきを抑制することができる。

図１３は、本発明の実施形態に係るスクリーン１５において発散される発散光の発散角と光利用効率の関係を説明する図である。横軸は、スクリーン１５に入射される光束を基準としたときのスクリーン１５における発散光の発散角Δθに基づくｔａｎθの値であり、縦軸は発散光全体の光利用効率である。本実施形態では、発散光全体の光利用効率は５０％以上が好ましく、これに対応してｔａｎθは０．９以下が好ましい。

ここで、図７において説明したように、発散角Δθはマイクロレンズ１５０の曲率と対応関係がある。具体的には、マイクロレンズ１５０の曲率は、発散角Δθ以外に、画角、解像度、屈折率、スクリーン１５のサイズにより決定される。マイクロレンズ１５０から結像光学系までの距離を表すＯが１５０ｍｍ〜５００ｍｍとなるようにマイクロレンズ１５０が配置される場合は、マイクロレンズの曲率は３１μｍ〜５５４μｍであることが好ましく、主走査方向については８４μｍ〜１２６μｍであることがより好ましい。この場合、解像度は５０ｐｐｄ〜１５０ｐｐｄであることが好ましい。これにより、表示システム１Ａは、０．９≧ｔａｎθ≧ＴＢ／ＳＯの条件を容易に満たすことができる。

図１４は、本発明の実施形態に係るアイボックスの方向と発散角の方向の関係を示す図である。結像された像を視認可能な領域であるアイボックスの範囲Ｂは、主走査方向（Ｘ軸方向）におけるアイボックスの範囲をＢｘ、副走査方向（Ｙ軸方向）におけるアイボックスの範囲をＢｙとして、観察者３の目の前に仮想される矩形を成している。また、スクリーン１５における発散光の発散角θは、主走査方向（Ｘ軸方向）における発散角を表すθＸと、副走査方向（Ｙ軸方向）における発散角を表すθＹを含む。

本実施形態において、主走査方向（Ｘ軸方向）におけるアイボックスの範囲を表すＢｘは、副走査方向（Ｙ軸方向）におけるアイボックスの範囲を表すＢｙよりも大きく、主走査方向（Ｘ軸方向）におけるスクリーン１５の発散角を表すθＸは、副走査方向（Ｙ軸方向）におけるスクリーン１５の発散角を表すθＹよりも大きい。ＸＹＺ軸は、車両実装上のレイアウトを考慮して変更することが可能である。

以上説明した本発明の実施形態に係る表示システム１Ａは、光を発散させる光学素子としてスクリーン１５を備えた「レーザ走査方式」の表示システムであったが、光を発散させる光学素子として液晶パネルを備えた「パネル方式」の表示システムに本発明を適用しても良い。

また、各光学系のレイアウトの関係におけるΔθと他のパラメータの値の許容範囲を考慮した場合、光偏向装置１３と中間像４０までの光路長Ｍは、８０ｍｍ〜１２０ｍｍの付近であることが好ましい。表示装置１０は、このＭの値を用いて、他のパラメータを算出することによって、最適な光学設計を行うことが可能になる。

さらに、表示システム１Ａは、投射光学系が自由曲面ミラー３０のみで構成されているが、これには限定されない。光学素子を複数用いた場合、表示システム１Ａは、一素子に合成した場合の系を換算して、（式１）の条件を満たせばよい。

なお、本発明の一実施形態に係る光学素子、表示システムおよび移動体について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、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る。

１Ａ 表示システム
１０ 表示装置
１１ 光源装置（光源の一例）
１３ 光偏向装置（光偏向部の一例）
１５ スクリーン（光学素子の一例）
３０ 自由曲面ミラー（結像光学系の一例）
５０ フロントガラス（反射部材の一例）

特開２０１５−２３２６９３号公報

Claims (9)

1. 光を発散させる光学素子と、前記光学素子から発散された発散光を投射して像を結像させる結像光学系と、を備え、前記結像された像を観察者に視認させる表示システムであって、下記（式１）の条件を満たすことを特徴とする表示システム。
   ｔａｎθ≧（Ｔ × Ｂ）／（Ｓ × Ｏ）・・・（式１）
   （上記（式１）中、θは前記光学素子の発散角を表し、Ｔは前記結像光学系から前記結像された像までの距離を表し、Ｂは前記結像された像を視認可能な領域であるアイボックスの範囲を表し、Ｓは前記結像された像の観察者の視点から当該結像された像までの距離を表し、Ｏは前記光学素子から前記結像光学系までの距離を表す。ただし、各距離は、基準アイポイントから観察した場合の前記光により形成される画像中心を通過する光路長である。）
2. 前記ｔａｎθは０．９以下であることを特徴とする請求項１記載の表示システム。
3. 光源から射出された光を主走査方向および前記主走査方向に直交する副走査方向に走査して前記光学素子上に中間像を形成する光偏向部と、を備えた請求項１または２記載の表示システム。
4. 前記主走査方向における前記アイボックスの範囲を表すＢＸは、前記副走査方向における前記アイボックスの範囲を表すＢＹよりも大きく、前記前記主走査方向における前記光学素子の発散角を表すθＸは、前記副走査方向における前記光学素子の発散角をθＹよりも大きいことを特徴とする請求項３記載の表示システム。
5. 前記光学素子は、マイクロレンズをアレイ状に配列させたマイクロレンズアレイである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の表示システム。
6. 前記マイクロレンズアレイは、前記光学素子から前記結像光学系までの距離を表す前記Ｏが１５０ｍｍ〜５００ｍｍとなるように配置されており、前記マイクロレンズの曲率は、３１μｍ〜５５４μｍである請求項５記載の表示システム。
7. 前記光学素子から発散された発散光を反射させる反射部材を備え、前記結像光学系は、前記光学素子から発散された発散光を前記反射部材に向けて投射して虚像を結像させることを特徴とする請求項１〜６の何れか記載の表示システム。
8. 請求項７記載の表示システムを備えた移動体であって、
   前記反射部材として、前記発散光を反射させるフロントガラスを備えた移動体。
9. 光を発散させる光学素子と、前記光学素子から発散された発散光を投射して像を結像させる結像光学系と、を備え、前記結像された像を観察者に視認させる表示システムに用いられる光学素子であって、下記（式１）の条件を満たすことを特徴とする光学素子。
   ｔａｎθ≧（Ｔ × Ｂ）／（Ｓ × Ｏ）・・・（式１）
   （上記（式１）中、θは前記光学素子の発散角を表し、Ｔは前記結像光学系から前記結像された像までの距離を表し、Ｂは前記結像された像を視認可能な領域であるアイボックスの範囲を表し、Ｓは前記結像された像の観察者の視点から当該結像された像までの距離を表し、Ｏは前記光学素子から前記結像光学系までの距離を表す。ただし、各距離は、基準アイポイントから観察した場合の前記光により形成される画像中心を通過する光路長である。）