JP5075595B2 - 表示装置及びそれを用いた移動体 - Google Patents
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Description
一方、例えば、車両のフロントガラスに各種の運行情報を表示し、外側の背景視野の画像情報と同時に運行情報を視認する、いわゆるヘッドアップディスプレイ(HUD: Head-Up Display)において、スペックルの低減のために、レーザ光の光路中に挿入した拡散板を振動させる技術が提案されている(特許文献1)。しかしながら、この方法は、拡散板を振動させるため、構造が複雑であり、また、スペックルを完全には除去できなかった。さらに、拡散板は、レーザ光の発散角を制御できないために、運行情報の表示を視認できる空間領域をある一定の広さに制御する(例えば、片目だけで見えるように制御する)ことによって、HUDの視認性を高めることには、この拡散板を用いる方法は応用できない。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図1(a)に表したように、本発明の第1の実施形態の表示装置10は、干渉性を有する光束112を生成する光源110を有している。光源110には、各種の固体レーザ、ガスレーザの他、半導体レーザ、レーザダイオード(LD: Laser Diode)等を用いることができ、光源110で生成されたレーザ光(光束112)は干渉性を有する。光束112は、光源110から出射された後、第1のミラー120、投影レンズ130、光学板140を通り、第2のミラー150、拡大光学系160を経て、所定の発散角で出射する。
そして、所定の発散角を持った光束112は、表示装置10から出射し、投影板310に投影され、視認者510に届く。投影板310は、ミラーや半透過の透明板等で構成でき、例えば、透明体で、表面で一部が光を反射する構造とすることができる。そして、視認者510は、投影板310の背面に形成された虚像350を視認できる。
なお、光源110は、光束112を細く絞る(図示しない)光学系を含むことができる。
図1(b)に例示したように、光学板140は、例えば、光束112が入射する第1の主面141が平面状で、その反対の面である、第2の主面142には、例えば、微小レンズ145が設けられている。そして、複数の微小レンズ145が、ピッチpの間隔で規則性を持って配列している。この微小レンズ145の光学特性によって、入射した光束112の発散角を所定の範囲に制御することができる。光学板140は、図1(b)に例示したように、微小レンズが規則性を持って2次元的に配置されたフライアイ構造とすることができる。
なお、後述するように、光学板140としては、微小レンズ(シリンドリカルレンズ)が複数配列したレンチキュラー板を、微小レンズの延在方向が略直交するように、微小レンズが互いに対向するように配置した構造等、各種の構成を用いることができる。
このように、図1に例示した表示装置10では、スペックルの発生が無く、表示均一性の高い、発散角が制御された表示が実現できる。
以下、第1の比較例の表示装置について説明する。
図2は、第1の比較例の表示装置の構成を例示する模式図である。
図2に表したように、第1の比較例の表示装置においては、光束812の径φは、光学板840の微小レンズ845のピッチpより大きい。図2の例では、光束112の径φが、ピッチpの約3倍となっている。図2に表したように、光束812は、光学板840を出射した後、3つの光束812a、812b、812cとなり、それが、視認者の目のレンズ410を経て、視認者の網膜420に到達する。そのとき、3つの光束812a、812b、812cは干渉性があるため、干渉し、これがスペックルとなって見える。このように、光束812の径φが微小レンズ845のピッチpより大きいと、微小レンズ845によって複数の光束が生成され、スペックルが発生してしまう。
図3は、本発明の実施形態に係る表示装置と比較例の表示装置についての実験に用いた光学系を示す模式図である。
図3に表したように、実験に用いた光学系において、He−Neレーザ光源352から出射した光束(レーザビーム)112は、ビーム拡大光学系356、NDフィルタ358、第1のレンズ360、光学板140、第2のレンズ364、第3のミラー366、第4のミラー368を経て、CCD(Charge Coupled Device)素子370に到達する。He−Neレーザ光源352の出射位置から第1のレンズ360までの距離は210mm、第1のレンズ360から光学板140までの距離は245mm、光学板140から第2のレンズ364までの距離は250mmとした。そして、第2のレンズ364からCCD素子370までの距離を、結像する330mmを中心に±25mmの範囲で変えた。また、第1のレンズ360、第2のレンズ364の焦点距離は、それぞれ100mmと150mmとした。そして、光学板140としては、焦点距離が100mmの微小レンズ(シリンドリカルレンズ)を1.5mmのピッチpで配置したレンチキュラー板とした。そして、光束112の径φを、微小レンズのピッチpより小さい1.0mm、または、微小レンズのピッチpより大きい4.5mmに調整した。この光束112の径φの調整は、ビーム拡大光学系356によって行った。
図4(a)、(b)は、光束112の径φが、微小レンズのピッチpより小さい1.0mmの場合と、微小レンズのピッチpより大きい4.5mmの場合を、それぞれ例示している。そして、これらの図は、第2のレンズ364からCCD素子370までの距離が305mmの場合を例示している。すなわち、第2のレンズ364からCCD素子370までの距離が、結像する距離330mmより25mm短い場合を例示している。
図4(b)に表したように、光束112の径φがピッチpより大きい4.5mmの場合、横方向の縞模様372が見えている。この縞模様372は、レーザの光束が干渉していることを表す。すなわち、スペックルが発生している。
これに対して、図4(a)に表したように、光束112の径φがピッチpより小さい1.0mmの場合、縞模様は見えない。すなわち、レーザの光束は干渉せず、スペックルの発生を防止できる。
図5は、本発明の実施形態に係る表示装置と比較例の表示装置についてのシミュレーション結果を例示する模式図である。
図4(a)、(b)に結果を例示した実験では光学板140として微小レンズが複数配列した1次元のレンズの構成であったが、図5(a)、(b)に例示するシミュレーションにおいては、光学板140を、微小レンズが2次元に配列したフライアイレンズの場合とした。なお、このフライアイレンズのピッチpは、図4(a)、(b)の実験と同様に1.5mmとした。
図5(b)に表したように、光束112の径φがピッチpより大きい4.5mmの場合、輝点374が多数観察されている。この輝点374は、レーザの光束の干渉に対応する。すなわち、光束112の径φがピッチpより大きい4.5mmの場合、スペックルが発生する。
これに対して、図5(a)に表したように、光束112の径φがピッチpより小さい1.0mmの場合、輝点374は実質的に見られない。すなわち、光束112の径φがピッチpより小さい1.0mmの場合は、レーザの光束は干渉せず、スペックルが発生しない。
このように、光束112の径φをピッチpより小さく設定すれば、スペックルの発生を防止できることがシミュレーションによっても確認できた。
図6は、本発明の実施形態に係る表示装置と比較例の表示装置についての目視観察実験に用いた光学系を示す模式図である。
図6に表したように、表示装置の表示を目視で観察する実験においては、He−Neレーザ光源352から出射した光束(レーザビーム)112は、ビーム拡大光学系356、NDフィルタ358、光学板140、第5のミラー376を経て、視認者の目378に到達する。He−Neレーザ光源352の出射位置からNDフィルタ358までの距離は210mm、NDフィルタから光学板140までの距離は245mm、光学板140から視認者の目378までの距離は2000mmとした。そして、光学板140としては、図3に例示した光学板140と同様に、焦点距離が100mmの半円柱状レンズを1.5mmのピッチpで配置したレンチキュラー板とした。そして、光束112の径φを、微小レンズ(シリンドリカルレンズ)のピッチより小さい1.0mm、または、微小レンズのピッチより大きい4.5mmに調整した。この光束112の径の調整は、ビーム拡大光学系356によって行った。
図7は、本発明の実施形態に係る表示装置と比較例の表示装置を視認する際の目の状態を説明する模式図である。
図7(a)、(b)、(c)は、光束112の径φが微小レンズのピッチ1.5mmより小さい1.0mmの場合において、それぞれ、光学板140より近くを見た場合、光学板140を見た場合、光学板140より遠くを見た場合の、視認者の目の状態を例示している。一方、図7(d)、(e)、(f)は、光束112の径φが微小レンズのピッチ1.5mmより大きい4.5mmの場合において、それぞれ、光学板140より近くを見た場合、光学板140を見た場合、光学板140より遠くを見た場合の、視認者の目の状態を例示している
図7(d)に表したように、光束112の径φが微小レンズのピッチ1.5mmより大きい4.5mm(光束112の径φが微小レンズのピッチpの3倍)の場合、光学板140に入射した光束112は、光束112a〜112cの3つの光束に分離される。そして、光学板140より近くを見た場合(光学板140より近くに目378の焦点を合わせた場合)、視認者の目378のレンズ(水晶体)410によって、光束112a〜112cは、目378の網膜420より近くで集められる。そして、網膜420の位置では、光束112a〜112cは、互いに離れ、光束112a〜112cは互いに干渉しない。
そして、図7(e)に表したように、光学板140を見た場合(光学板140に焦点を合わせた場合)、レンズ(水晶体)410によって、光束112a〜112cは、網膜420の上で互いの光束の境界を接して集まり、この場合も光束112a〜112cは互いに干渉しない。
これに対し、図7(f)に表したように、光学板140より遠くを見た場合(光学板140より遠くに焦点を合わせた場合)、レンズ(水晶体)410によって、光束112a〜112cは、網膜420より遠くに集められ、この場合は、光束112a〜112cは網膜420の位置で互いに重なり合うため、互いに干渉する。これがスペックルの発生となる。
図8は、微小レンズのピッチpと光束の径φと、干渉現象と、の関係のシミュレーション解析結果を例示する模式図である。
図8(a)は、本シミュレーションで用いた光学系を例示する模式図である。
図8(a)に表したように、光学板140と、凸レンズ388が配置され、光学板140と凸レンズ388との距離は200mmとした。そして、光学板140は、微小レンズ(シリンドリカルレンズ)が平行に並んだレンチキュラー板とし、微小レンズのピッチpは0.5mm、曲率半径Rは13mmとした。そして、凸レンズ388の焦点距離は100mmと設定した。この光学系において、波長1μmの光束112が、光学板140に入射し、凸レンズ388を経て、像形成位置390に到達する。凸レンズ388と像形成位置390との距離は、凸レンズの結像位置200mmより50mm短い150mmとした。この光学系において、光束112の径φを変えて、波動シミュレーションを行った。
図8(d)に表したように、光束112の径が、光学板140のピッチ0.5mmより大きい3.0mmの時、光学板140の微小レンズに対応した横方向の縞模様が観察されている。これは、光束112が複数の微小レンズ(シリンドリカルレンズ)にまたがって光学板140に入射され、複数の光束を生じ、これらが互いに干渉するためである。この場合、スペックルが発生する。
一方、図8(b)に表したように、光束112の径が、光学板140のピッチ0.5mmより小さい0.25mmの時、縞模様は発生していない。これは、光束112が1つの微小レンズの中に収まっているため干渉が発生しないためである。従って、スペックルが発生しない。
また、図8(c)に表したように、光束112の径が、光学板140のピッチ0.5mmと同じ時、縞模様が若干発生している。これは、光束112の径φが、光学板140のピッチ0.5mmと同じ時、光束112の周辺の光が1つの微小レンズの中に収まらず、はみ出しているためである。これは、光束112の径φは、光束112の最大強度の1/e2の所の大きさとされており、光束112の径φより外の領域にも若干の光束が存在し、これが、図8(c)の若干の縞模様として発生したものである。この場合は、弱いスペックルが発生する。ただし、この弱いスペックルは、視認した時にあまり目立たないので、実用上は、問題が無い。
図9(a)に表したように、光学板140として、シリンドリカルレンズ144が複数配列した2枚のレンチキュラー板146を、シリンドリカルレンズ144の延在方向が略直交するように、シリンドリカルレンズ144が対向するように配置したものを用いることができる。また、図9(b)に表したように、平板の上にドーム状の微小レンズ145が、直線状に配列したマイクロレンズアレイを用いることもできる。また、図9(c)に表したように、平板の上にドーム状の微小レンズ145が、六方稠密に配列したマイクロレンズアレイを用いることができる。さらに、図9(d)に表したように、平板に略円形状に屈折率分布を持たせた、グレーテッドインデクス型マイクロレンズ147を配置したマイクロレンズアレイでも良い。このようなこれらの光学板において、シリンドリカルレンズ144やドーム状の微小レンズ145の形状や用いる材料の屈折率、グレーテッドインデクス型マイクロレンズ147の屈折率分布を制御することにより、光束の発散角を制御できる。なお、上記の他、例えば、三角柱状の山と溝が複数平行に配列したプリズムシートや、各種のルーバーシート、切頭三角錐状の導波管を複数配列させたもの等各種のものを光学板140に用いることができる。
なお、光学板140への光束112の入射は、光学板140の第1の主面(平坦面)からでも、第2の主面(微小レンズが設けられた面)からでも良い。さらには、光学板140の両方の主面に微小レンズを形成しても良い。
また、第2のミラー150は、光束112の投影位置を変更する際に、図示しない第2のミラー駆動部によって設置角度を変えることによって、投影位置を変更できる。例えば、視認者510の目の移動に追従させて投影位置を変更したい際に使用できる。この際、図示しないカメラによって、視認者の頭部を撮像し、撮像データを画像処理することによって、視認者の頭部や目を認識して、それに合わせて投影位置を自動制御するようにすることができる。ただし、第2のミラー150を、これら駆動部や撮像カメラなどにより自動的に制御する機構は、必ずしも必要ではなく、必要に応じて設ければ良い。
また、これら第1のミラーの駆動部や第2のミラーの駆動部の動作を制御部108によって制御することができる。
次に、第2の実施の形態について説明する。
図10は、本発明の第2の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
第2の実施形態に係る表示装置は、図1に例示した第1の実施形態の表示装置において、光束112を走査(スキャン)する構成としたものである。図10は、第2の実施形態における、光学板140と光束112の相対位置の関係を例示する模式図である。
次に本発明の第3の実施形態の表示装置について説明する。第3の実施形態の表示装置は、微小レンズの境界領域に遮光層を設けたものである。
図11は、本発明の第3の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図11に表したように、第3の実施形態に係る表示装置は、図1に例示した第1の実施形態の表示装置において、微小レンズ145の境界部に遮光層148を設けたものであり、それ以外の構成は、第1の実施形態と同様である。既に説明したように、光束112のスキャンを行う場合、光束112が微小レンズ145の境界に掛かると、光束112は所望の方向には進行せず、干渉が発生してしまう。これを防止するために、光束112が、微小レンズ145の境界部に実質的に照射されないよう、微小レンズ145の境界部に遮光層148が設けられている。これにより、光束112が微小レンズ145の境界部に入射・出射した際に発生するスペックルが解消できる。これにより、光束112の径φが微小レンズのピッチpより多少大きくなっても、あるいは、光束112の走査の制御と微小レンズ145の位置とが多少ずれても、スペックルの発生を実質的に解消できる。これにより、表示装置10の各種構成要素の設計マージンが拡大し、安定した性能を安価に実現できる。
なお、遮光層148には、例えば、カーボンや各種の無機顔料、各種の有機顔料を樹脂に混合した遮光性樹脂を用いることができ、周知のフォトリソグラフィ技術によって所定形状の遮光層148を微小レンズ145の境界部に形成することができる。この時、樹脂として例えば感光性アクリル樹脂などの感光性樹脂を用いると、工程省略ができ、有利である。また、インクジェット法などによって遮光層148を設けることができる。
また、遮光層148の形状や大きさは、光束112の径φと微小レンズ145の相対関係により、微小レンズ145の境界部に入射した光束112を実質的に遮蔽できるように適切に設計される。なお、図11では、光学板140の微小レンズ145が設けられている第2の主面142に遮光層148を設けた例を示したが、遮光層148は、それと反対側の第1の主面141側の微小レンズ145の境界部に相当する領域に設けても良い。
次に本発明の第4の実施形態の表示装置について説明する。第4の実施形態の表示装置は、3色の光源を用いることによりカラー表示を可能としたものである
図12は、本発明の第4の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図12に表したように、第4の実施形態に係る表示装置20は、図1に例示した第1の実施形態の表示装置において、光源110として、3色の光源、すなわち、赤色LD110r、緑色LD110g、青色LD110bを用いたものである。赤色LD110r、緑色LD110g、青色LD110bで発生した光は、それぞれ、赤色用ミラー114r、緑色用ミラー114g、青色用ミラー114bを経て、偏光ビームスプリッタ116、1/4波長板117を経てMEMS( Micro-electro-mechanical System)スキャナ118に到る。MEMSスキャナ118により、画像信号に基づいた各色の光が変調され、MEMSスキャナ118から出射され、1/4波長板117、偏光ビームスプリッタ116を経て、投影レンズ130に入射し、それ以降は、図1に示した表示装置10と同様の光学系を経て視認者510に到達する。これにより、視認者510は、カラーの表示を得ることができる。
なお、本実施形態において、光束112が微小レンズ145の境界部に実質的に照射されないよう、光学板140に遮光層148を設けても良い。また、光学板140の微小レンズ145の境界部に遮光層148を設け、連続的に発生した光束112を用いても良い。
なお、本実施形態の場合は、MEMSスキャナ118が走査部となっている。
次に本発明の第5の実施形態の表示装置について説明する。第5の実施形態の表示装置は、背面投射型の表示装置の例である。
図13は、本発明の第5の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図13に表したように、第5の実施形態に係る表示装置30においては、図12に例示した表示装置20に加え、投影板312を有している。投影板312は、例えば、拡散性のある光学シートからなり、背面から入射した光束112によって、像351を形成する。その像351を視認者510は視認できる。すなわち、本実施形態の表示装置30は、投影板312を備えた背面投射方式の表示装置である。本実施形態の表示装置30においては、低電力で高輝度のレーザ光源を用いた場合でも、光束112の径φが微小レンズ145のピッチpより小さく設定されているので、スペックルの発生が無く、表示均一性の高い表示が実現できる。なお、図13は、光源として3色のLDを用いた例を示したが、それに限らず、1つの光源や2色の光源、4色以上の光源を用いても良い。さらに、光束112は、パルス的に発生し、そのパルスと同期をとって走査(スキャン)することにより、微小レンズ145の境界に光束112が入射しないようにできる。さらに、微小レンズ145の境界部に遮光層を設けても良い。
なお、図1及び図12において、投影板310は、例えば、車両のウインドシールド(フロントガラス)などとすることができ、これにより、車両のフロントガラスの外側の背景視野の画像情報と同時に、フロントガラスに各種の運行情報を表示し、運行情報を視認することができる。
図14に表したように、本発明の第6の実施形態の、例えば、自動車、列車、船舶、ヘリコプター、飛行機など各種の移動体の、例えば窓には、光束112を投影することによって虚像を形成できる投影板310が設けられている。この投影板に、本発明の実施形態の表示装置により、光束を投影し、投影板310で虚像を形成することにより、窓の外側の背景視野の画像情報と同時に、スペックルの発生が無く、表示均一性の高い、発散角が制御された表示を提供できる。これにより、安全で効率の高い移動体の運行が可能となる。なお、投影板310は、移動体の、例えば窓となる、平板形状や曲線形状のガラスや各種樹脂板等で形成することができ、適切な反射性能と透過性能とを有するように設計され得る。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
108 制御部
110 光源
110r 赤色LD
110g 緑色LD
110b 青色LD
112、112a、112b、112c、112d1、112d2、112e1、112d2、112f1、112f2、112g、112h、812、812a、812b、812c 光束
113 走査方向
114r 赤色用ミラー
114g 緑色用ミラー
114b 青色用ミラー
116 偏光ビームスプリッタ
117 1/4波長板
118 MEMSスキャナ
120 第1のミラー
130 投影レンズ
140、840 光学板
141 第1の主面
142 第2の主面
144 シリンドリカルレンズ(微小レンズ)
145、845 微小レンズ
146 レンチキュラー板
147 グレーテッドインデクス型マイクロレンズ
148 遮光層
150 第2のミラー
160 拡大光学系
310、312 投影板
350 虚像
351 像
352 レーザ光源
356 ビーム拡大光学系
358 NDフィルタ
360 第1のレンズ
364 第2のレンズ
366 第3のミラー
368 第4のミラー
370 CCD素子
372 縞模様
374 輝点
376 第5のミラー
378 目
388 凸レンズ
390 像形成位置
410 レンズ
420 網膜
510 視認者
Claims (5)
- 干渉性を有する光束を生成する光源と、
前記光束の径よりも大きい周期で配置された複数の微小レンズを有し、前記光束の発散角を制御する光学板と、
前記光束を前記光学板の面内に走査する走査部と、
を備え、
前記光源は、前記光束が前記微小レンズの境界部に実質的に照射されないように、前記光束を間欠的に生成することを特徴とする表示装置。 - 前記光学板は、前記微小レンズの境界部に設けられた遮光層をさらに有することを特徴とする請求項1記載の表示装置。
- 前記光学板は、レンズの延在方向が互いに直交し、前記レンズが互いに対向するように配置された2枚のレンチキュラー板を有することを特徴とする請求項1または2に記載の表示装置。
- 前記光束は、視認者の片目のみに入射されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の表示装置。
- 請求項1〜4のいずれか1つに記載の表示装置と、
前記表示装置から出射された前記光束が投影される投影板と、
を備えたことを特徴とする移動体。
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