JP2021043345A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の利用効率が高い画像表示装置を提供する。【解決手段】レーザ光源１１と、レーザ光源１１から出射されるレーザ光を、電界が第１の方向に振動する第１直線偏光と、電界が第１の方向とは異なる第２の方向に振動する第２直線偏光に分離する偏光分離素子１３と、前記第２直線偏光の偏光方向を前記第１の方向に変換する偏光変換素子１４と、前記第１直線偏光の光を第１照射領域１６１に照射する第１光学系１５１と、偏光変換素子１４を通過した光を第２照射領域１６２に照射する第２光学系１５２と、第１照射領域１６１及び第２照射領域１６２に跨って配置された画像表示素子１６とを備える画像表示装置１０。【選択図】図１

Description

本発明は画像表示装置に関し、特に、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Head Mounted Display、「ヘルメットマウントディスプレイ」ともいう）やヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）等の、使用者の眼前に画像情報を表示する画像表示装置に関する。

回転翼機や航空機では、操縦者（使用者）が頭部に装着するヘルメットに設けられたバイザや、操縦者が眼前に装着するゴーグルや眼鏡等の被投影物に画像を投影することにより、操縦者の眼前に画像情報を表示するＨＭＤが用いられている。このようなＨＭＤとして、例えば、光源と、ヘルメットに固定された透過型液晶パネルから成る表示素子と、一端で光源から発した光を受光し他端から該光を該表示素子の背後に照射するように配置された光ファイバとを有するものが挙げられる（例えば特許文献１参照）。この構成によれば、光源から発した光を、光ファイバを通して表示素子の背後に照射し、表示素子を通過した光を被投影物に投影することにより画像情報を表示する。このように光ファイバを使用することにより、光源を、操縦者が装着するヘルメット等の装着物の外に設けることができ、画像表示装置の頭部装着部分の重量を軽減することができる。

上記光源には、一般にレーザ光源が用いられる。レーザ光源は、生成する光（レーザ光）の波長のずれが小さいという点と、光源から光ファイバに光を効率良く導入することができるという点で、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の他の光源よりも優れている。光ファイバには、1つの伝播モードの光のみが伝播するシングルモード光ファイバと、シングルモード光ファイバよりもコアの径が大きく複数の伝播モードの光が伝播するマルチモード光ファイバがあるが、ＨＭＤ等の画像表示装置では一般に、通過する光量を多くするためにマルチモード光ファイバが用いられる。

国際公開第WO2010/143537号

レーザ光源には、電界が一方向に振動する直線偏光のレーザ光を発振するものと、電界の振動方向が異なる様々な光が混合したランダム偏光を発振するものがある。前者の場合にはマルチモード光ファイバを通過する間に直線偏光がランダム偏光に変換されることから、前者と後者のいずれの場合にも、表示素子にはランダム偏光のレーザ光が入射する。透過型液晶パネル等の多くの表示素子では特定の一方向の電界成分しか通過しないことから、当該一方向から角度θだけずれた方向に振動する電界を有するレーザ光は本来の強度のcosθ分しか利用することができない。そのため、このような表示素子に前述のようにランダム偏光のレーザ光が入射すると、利用効率は1/2となってしまう。

なお、上記の例では操縦者が装着するヘルメット等の装着物に画像を投影するＨＭＤを例に説明したが、そのような装着物以外の、回転翼機や航空機の風防や自動車のフロントガラス等の被投影物に画像を投影することによって使用者の眼前に画像情報を表示するＨＵＤ等の画像表示装置にも、同様の問題が生じる。

本発明が解決しようとする課題は、レーザ光の利用効率が高い画像表示装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る画像表示装置は、
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されるレーザ光を、電界が第１の方向に振動する第１直線偏光と、電界が第１の方向とは異なる第２の方向に振動する第２直線偏光に分離する偏光分離素子と、
前記第２直線偏光の偏光方向を前記第１の方向に変換する偏光変換素子と、
前記第１直線偏光の光を第１の照射領域に照射する第１光学系と、
前記偏光変換素子を通過した光を第２の照射領域に照射する第２光学系と、
前記第１の照射領域及び前記第２の照射領域に跨って配置された画像表示素子と
を備える。

本発明に係る画像表示装置によれば、レーザ光源から出射されるレーザ光が偏光分離素子によって第１直線偏光と第２直線偏光の2つの光に分離され、それらのうち第２直線偏光が偏光変換素子によって第１直線偏光と同じ偏光方向に変換され、それら2つの光が同じ偏光方向を有する直線偏光となって画像表示素子に入射する。これにより、レーザ光の利用効率を高くすることができる。

なお、偏光分離素子に入射するレーザ光は、直線偏光のレーザ光を発振するレーザ光源から出射し、マルチモード光ファイバを通過することによってランダム偏光に変換されたものであってもよいし、ランダム偏光のレーザ光を発振するレーザ光源から出射したものであってもよい。第２の方向は、典型的には第１の方向に直交する方向であるが、第１の方向と異なっていればそれ以外の方向でもよい。第２の照射領域は、一部又は全部が第１の照射領域と重なっていてもよいし、第１の照射領域と重なっていなくてもよい。

本発明に係る画像表示装置の一実施形態を示す概略構成図。 本実施形態の画像表示装置つき、画像表示素子の透過型液晶パネルにおける第１照射領域及び第２照射領域を示す平面図。

図１及び図２を用いて、本発明に係る画像表示装置の実施形態を説明する。本実施形態の画像表示装置１０は、航空機や回転翼機等の移動体の操縦者（使用者）が装着するヘルメットのバイザに画像を表示するＨＭＤである。

(1) 本実施形態の画像表示装置の構成
図１に、本実施形態の画像表示装置１０の概略構成を示す。この画像表示装置１０は、レーザ光源１１と、光ファイバ１２と、偏光分離素子１３と、偏光変換素子１４と、第１光学系１５１と、第２光学系１５２と、画像表示素子１６と、ハーフミラー（被投影部）１７とを有している。

本実施形態では、レーザ光源１１には直線偏光のレーザ光を発振するものを用い、光ファイバ１２にはマルチモード光ファイバを用いている。レーザ光源１１と光ファイバ１２の一方の端部（「第１端部１２１」とする）の間には、レーザ光源１１から出射するレーザ光を第１端部１２１に導入する2枚のレンズ１１１、１１２が配置されている。光ファイバ１２に導入されたレーザ光の偏光は、マルチモード光ファイバ内を通過することにより、ランダム偏光になる。

マルチモード光ファイバ内を通過して他方の端部（「第２端部１２２」とする）から出射したレーザ光は、ビームの径が拡がるように進行する。このレーザ光の光路上にはコリメータレンズ１１３が配置されており、レーザ光はこのコリメータレンズ１１３を通過することにより、所定の径を有する平行光になる。

偏光分離素子１３は、コリメータレンズ１１３を通過した平行光が通過する位置に配置されている。本実施形態では、偏光分離素子１３には偏光ビームスプリッタを用いた。偏光ビームスプリッタは、入射光であるランダム偏光を、電界が所定の第１の方向に振動する第１直線偏光と、電界が第１の方向とは異なる第２の方向に振動する第２直線偏光に分離し、それら第１直線偏光の光を通過させ、第２直線偏光の光を入射光の進行方向に対して90°の方向に反射するものである。この偏光分離素子１３では、第１の方向と第２の方向は直交している。

偏光分離素子１３で反射された第２直線偏光の光路上には、入射光を-90°の方向に反射する、すなわち偏光分離素子１３において第２直線偏光が反射される方向と逆向きの90°の方向に反射するプリズム１３１が設けられている。これにより、プリズム１３１で反射された第２直線偏光の光は、偏光分離素子１３を通過した第１直線偏光の光とは位置がずれつつ同じ方向に進行する。

偏光変換素子１４は、プリズム１３１で反射された第２直線偏光の光路上に配置されており、入射した第２直線偏光の偏光方向を前記第１の方向に変換する光学素子である。本実施形態では、偏光変換素子１４は入射した直線偏光の偏光方向を90°異なる方向に変換する光学素子である1/2波長板を用いた。すなわち、第２直線偏光の光が偏光変換素子１４を通過すると、偏光方向が90°変化して第１直線偏光となる。

第１光学系１５１は、偏光分離素子１３を通過した第１直線偏光の光路上に配置されている凹レンズである。第２光学系１５２は、偏光変換素子１４を通過した第１直線偏光の光路上に配置されている凹レンズである。これら第１光学系１５１及び第２光学系１５２をそれぞれ通過した光の光路上に跨るように、画像表示素子１６が配置されている。

画像表示素子１６は長方形の画像表示領域を有する透過型液晶パネルから成り、第１光学系１５１及び第２光学系１５２をそれぞれ通過した第１直線偏光の光が入射する。画像表示素子１６の透過型液晶パネルのうち、第１光学系１５１を通過した光が入射する領域を第１照射領域１６１、第２光学系１５２を通過した光が入射する領域を第２照射領域１６２とする。第１照射領域１６１と第２照射領域１６２は、長方形の透過型液晶パネルの長手方向に並んでおり、互いに一部が重なっている（図２参照）。

画像表示素子１６には、画像を表示させるための画像信号を画像表示処理装置（図示せず）から受信するための信号線１６３が接続されている。

ハーフミラー１７は、画像表示素子１６の透過型液晶パネルを通過した光が投影されることにより、画像表示素子１６に表示された画像を虚像として使用者に画像を視認させるものである。本実施形態では、ハーフミラー１７は、使用者が装着するヘルメットに設けられた略透明なバイザである。画像表示素子１６とハーフミラー１７の間には、画像表示素子１６からの光をハーフミラー１７に導入する表示光学系１７１が設けられている。使用者は、ハーフミラー１７を通して通常の視野に見える像に、画像表示素子１６に表示された画像を虚像として重畳した像を視認する。ここで人（使用者）の視野が縦方向よりも横方向（水平方向）の方が広いことから、画像表示素子１６は、使用者がヘルメットを装着した状態において、透過型液晶パネルに表示されハーフミラー１７に投影される画像の長手方向（第１照射領域１６１と第２照射領域１６２が並ぶ方向）が使用者の視野の横方向となるように配置することが望ましい。

画像表示装置１０の各構成要素のうち、レーザ光源１１、並びにレンズ１１１及び１１２は筐体（図示せず）に収容され、移動体内に設置されている。コリメータレンズ１１３、偏光分離素子１３、プリズム１３１、偏光変換素子１４、第１光学系１５１、第２光学系１５２、画像表示素子１６、表示光学系１７１及びハーフミラー１７は、ヘルメットに固定されている。光ファイバ１２は、第１端部１２１付近が前記筐体に固定され、第２端部１２２付近がヘルメットに固定され、それら固定された部分の間にある中間部分は他の物に固定されていない。

(2) 本実施形態の画像表示装置の動作
本実施形態の画像表示装置１０の動作を説明する。画像表示装置１０を動作させる前に、使用者は、ヘルメットを頭部に装着する。使用者は、バイザ（ハーフミラー１７）を通して外部を視認する。

画像表示装置１０は、移動体が移動している時に使用する。画像表示素子１６には、画像表示処理装置から信号線１６３を通して送信される画像信号に基づいて透過型液晶パネルに画像を表示する。それと共に、レーザ光源１１は直線偏光のレーザ光を出射する。レーザ光は、レンズ１１１、１１２を通って第１端部１２１から光ファイバ１２に入射し、光ファイバ１２内を伝播する。光ファイバ１２がマルチモード光ファイバであることから、入射した直線偏光のレーザ光は光ファイバ１２内を伝播する間にランダム偏光に変換され、第２端部１２２から出射する。

第２端部１２２から出射したランダム偏光のレーザ光は、偏光分離素子１３に入射し、第１直線偏光と第２直線偏光に分離される。分離された第１直線偏光の光は偏光分離素子１３を通過し、画像表示素子１６の第１照射領域１６１に入射する。一方、第２直線偏光の光は偏光分離素子１３で90°方向に反射する。

偏光分離素子１３で反射された第２直線偏光の光は、プリズム１３１によって-90°の方向に反射され、偏光分離素子１３を通過した第１直線偏光の光に平行な方向に進行し、偏光変換素子１４に入射する。そして、偏光変換素子１４により、第２直線偏光は第１直線偏光に変換され、画像表示素子１６の第２照射領域１６２に入射する。画像表示素子１６に入射した第１直線偏光の光は透過型液晶パネルを透過し、ハーフミラー１７で反射する。これにより、画像表示素子１６に表示される画像を虚像として使用者に視認させる。

画像表示素子１６の透過型液晶パネルが特定の一方向の電界成分しか通過しないが、本実施形態の画像表示装置１０によれば、画像表示素子１６に入射するレーザ光を上記のように第１直線偏光に変換することにより、画像表示素子１６における光の利用効率を高くすることができる。

また、本実施形態の画像表示装置１０によれば、第１照射領域１６１と第２照射領域１６２が、長方形の画像表示領域、言い換えれば画像表示素子に表示される長方形の画像の長手方向に並んで配置されているため、画像表示領域に合わせた適切な領域をレーザ光で照射することができ、長方形の画像を効率よく表示することができる。

(3) 変形例
本発明は上記実施形態には限定されず、本発明の趣旨の範囲内で種々の変形が可能である。

上記実施形態では直線偏光のレーザ光を発光するレーザ光源１１から（マルチモード）光ファイバ１２を介して偏光分離素子１３にランダム偏光のレーザ光を導入したが、その代わりに、ランダム偏光のレーザ光を発光するレーザ光源から光ファイバを通過させること無く偏光分離素子１３にレーザ光を導入してもよい。

上記実施形態では偏光分離素子１３として偏光ビームスプリッタを用いたが、その代わりに反射型偏光子を用いてもよい。反射型偏光子は板状の光学素子であって、入射光に対して板面を45°の角度となるように配置することにより、偏光ビームスプリッタと同様に、電界が所定の第１の方向に振動する第１直線偏光の光を通過させ、電界が第１の方向に直交する第２の方向に振動する第２直線偏光の光を入射光に対して90°の方向に反射するものである。

上記実施形態では偏光分離素子１３で90°の方向に反射された第２直線偏光の光を-90°の方向に反射させるプリズム１３１を用いたが、プリズム１３１の代わりにミラーを用いてもよい。

上記実施形態では偏光変換素子１４として1/2波長板を用いたが、その代わりに、1/4波長板とミラーを組み合わせたものを用いてもよい。

ここまでに述べた偏光分離素子１３及びその変形例では、電界の方向が直交する第１直線偏光と第２直線偏光に分離するものを例として示したが、それには限定されず、第１の方向と第２の方向が直交以外の異なる方向に振動する第１直線偏光と第２直線偏光に分離するものであってもよい。

上記実施形態では第１光学系１５１及び第２光学系１５２として凹レンズを用いたが、第１照射領域１６１及び／又は第２照射領域１６２の形状に合わせて、第１光学系１５１及び／又は第２光学系１５２に凸レンズ、拡散板、ホログラム素子、マイクロレンズアレイ等を用いてもよい。

上記実施形態では第１照射領域１６１と第２照射領域１６２の一部が重なるように第１光学系１５１及び第２光学系１５２を配置したが、第１照射領域１６１と第２照射領域１６２は全体が重なっていてもよいし、互いに重なっていなくてもよい。

上記実施形態では使用者が装着するヘルメットに設けられたバイザをハーフミラー１７とするＨＭＤを例として説明したが、ゴーグル等のバイザ以外のものをハーフミラー１７として用いてもよい。また、ハーフミラー１７の代わりに不透明なミラーを用いたうえで、画像表示装置１０にさらに、使用者の通常の視野に相当する画像を撮影するカメラを設け、該カメラで撮影される画像と、画像表示処理装置から供給される画像信号に基づく画像を重畳した画像を画像表示素子１６に表示し、ミラーに投影することにより、この重畳した画像を虚像として使用者に視認させることも可能である。さらに、移動体内に設置した被投影部（ハーフミラー等）を用いるＨＵＤに本発明を適用してもよい。ＨＵＤの場合、画像表示素子は、使用者が被投影部を見る通常の状態（例えば、座席に着席した状態）で、被投影部に投影される画像の長手方向が使用者の視野の横方向となるように配置することが望ましい。

ここまでに述べた各変形例は、適宜組み合わせて用いることができる。

［態様］
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

第１の態様の画像表示装置は、
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されるレーザ光を、電界が第１の方向に振動する第１直線偏光と、電界が第１の方向とは異なる第２の方向に振動する第２直線偏光に分離する偏光分離素子と、
前記第２直線偏光の偏光方向を前記第１の方向に変換する偏光変換素子と、
前記第１直線偏光の光を第１の照射領域に照射する第１光学系と、
前記偏光変換素子を通過した光を第２の照射領域に照射する第２光学系と、
前記第１の照射領域及び前記第２の照射領域に跨って配置された画像表示素子と
を備える。

第１の態様の画像表示装置によれば、レーザ光源から出射されるレーザ光が偏光分離素子によって第１直線偏光と第２直線偏光の2つの光に分離され、それらのうち第２直線偏光が偏光変換素子によって第１直線偏光と同じ偏光方向に変換され、それら2つの光が同じ偏光方向を有する直線偏光となって画像表示素子に入射する。これにより、レーザ光の利用効率を高くすることができる。

第２の態様の画像表示装置は、第１の態様の画像表示装置において、さらに、前記レーザ光源から出射されるレーザ光が入射する位置に一端が配置され、前記偏光分離素子に対向する位置に他端が配置されたマルチモード光ファイバを備える。

第２の態様の画像表示装置によれば、マルチモード光ファイバを用いることによって、レーザ光源から出射して偏光分離素子に入射するレーザ光の光量を多くすることができる。それと共に、レーザ光の偏光がマルチモード光ファイバにおいてランダム偏光に変換されても、同じ偏光方向を有する直線偏光を画像表示素子に入射させることができるため、レーザ光の利用効率を高くすることができる。

なお、本発明に係る画像表示装置では、マルチモード光ファイバを用いることなく、レーザ光源から出射するレーザ光を偏光分離素子に照射してもよい。

第３の態様の画像表示装置は、第１又は第２の態様の画像表示装置において、前記第１の照射領域及び前記第２の照射領域が、前記画像表示素子に表示される画像の長手方向に並んで配置されている。

第３の態様の画像表示装置によれば、長方形の画像を効率よく表示することができる。

第４の態様の画像表示装置は、第３の態様の画像表示装置において、
さらに、前記画像表示素子に表示される画像を投影する被投影部を備え、
前記画像表示素子が、前記被投影部に投影される画像の前記長手方向が使用者の視野の横方向となるように配置されている。

第４の態様の画像表示装置によれば、人の視野は縦方向よりも横方向（水平方向）の方が広いことから、前記第１の照射領域及び前記第２の照射領域が並んだ方向である画像の長手方向を人の視野の横方向に合わせることにより、効率よく画像を表示することができる。

第４の態様の画像表示装置において、ＨＭＤのように使用者が装着する装着具に被投影部が設けられている場合には、画像表示素子は、被投影部に投影される画像の長手方向が使用者の視野の横方向となるように配置する。一方、ＨＵＤのように使用者とは独立して被投影部が設けられている場合には、画像表示素子は、使用者が被投影部を見る通常の状態（例えば、座席に着席した状態）で、被投影部に投影される画像の長手方向が使用者の視野の横方向となるように配置する。

１０…画像表示装置
１１…レーザ光源
１１１、１１２…レンズ
１１３…コリメータレンズ
１２…光ファイバ
１２１…第１端部
１２２…第２端部
１３…偏光分離素子
１３１…プリズム
１４…偏光変換素子
１５１…第１光学系
１５２…第２光学系
１６…画像表示素子
１６１…第１照射領域
１６２…第２照射領域
１６３…信号線
１７…ハーフミラー
１７１…表示光学系

Claims (4)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されるレーザ光を、電界が第１の方向に振動する第１直線偏光と、電界が第１の方向とは異なる第２の方向に振動する第２直線偏光に分離する偏光分離素子と、
   前記第２直線偏光の偏光方向を前記第１の方向に変換する偏光変換素子と、
   前記第１直線偏光の光を第１の照射領域に照射する第１光学系と、
   前記偏光変換素子を通過した光を第２の照射領域に照射する第２光学系と、
   前記第１の照射領域及び前記第２の照射領域に跨って配置された画像表示素子と
   を備える画像表示装置。
2. さらに、前記レーザ光源から出射されるレーザ光が入射する位置に一端が配置され、前記偏光分離素子に対向する位置に他端が配置されたマルチモード光ファイバを備える、請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１の照射領域及び前記第２の照射領域が、前記画像表示素子に表示される画像の長手方向に並んで配置されている、請求項１又は２に記載の画像表示装置。
4. さらに、前記画像表示素子に表示される画像を投影する被投影部を備え、
   前記画像表示素子が、前記被投影部に投影される画像の前記長手方向が使用者の視野の横方向となるように配置されている、
   請求項３に記載の画像表示装置。

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