JP6024452B2

JP6024452B2 - 画像表示装置

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Publication number: JP6024452B2
Application number: JP2012288603A
Authority: JP
Inventors: 和敬網干
Original assignee: JVCKenwood Corp
Current assignee: JVCKenwood Corp
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: JP2014130269A

Description

本発明は、車両用表示装置に関する。

様々な種類が存在する画像表示装置の中で、いわゆるヘッドアップディスプレイと呼ばれる装置が、近年注目を集めている。このヘッドアップディスプレイには、風景などの実像と、速度表示画像などの入力された画像データに係る虚像とを、併せて観察者に認識させるために、コンバイナと呼ばれる光学素子を備えるものがある。このコンバイナは、外部から入る光を透過すると共に、ヘッドアップディスプレイが備える光学ユニットから投射された画像表示光などに係る画像を反射することで、コンバイナの観察者に対して、外部の風景に重畳して、各種情報を示す画像を表示することができる。このような画像表示装置は、例えばテーマパーク等の娯楽施設で用いられたり、自動車や航空機の操縦者に操作に関する情報を提示するために用いられたりする。

特開２０１０−２５６８６７号公報

上述の画像表装置を、例えば自動車や航空機等の操作に関する情報を提示するために用いる場合、提示される画像（虚像）を観察者が視認可能な範囲である視野範囲や、提示される画像（虚像）の明るさを一定以上確保することが求められる。したがって、画像表示装置を大型化することで、視野範囲や明るさを確保することが有効となるとも言えるだろう。一方で、自動車や航空機等の操縦席付近では、ヘッドアップディスプレイを設置するためのスペースが限られている。そのためヘッドアップディスプレイを大型することで視野範囲や明るさを確保しようとすることには限界がある。さらに、画像表示装置を大型化することはコストアップにつながり、また重量の増加が設置場所の制限をさらにきつくすることが予想される。

本発明は、上述の事情に鑑みてされたものであり、装置のサイズアップを抑制しつつ視野範囲や明るさを向上させる画像表示技術を提供することを目的とする。

本発明のある態様は、画像表示装置である。この装置は、画像信号をもとに画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子が表示する画像の画像表示光を投射する投射部と、前記投射部が投射した画像表示光に基づく実像が結像する中間像スクリーンと、前記中間像スクリーンに結像した実像を虚像として提示するコンバイナとを備える。ここで前記投射部は、前記投射部の瞳位置と、画像表示光を前記中間像スクリーンに結像させる投射レンズ群との間に、画像表示光の光路を分離する光分離部を備える。

本発明の車両用表示装置によれば、装置のサイズアップを抑制しつつ視野範囲や明るさを向上させる画像表示技術を提供することができる。

実施の形態に係る表示装置の側面図である。実施の形態に係る中間像スクリーンの断面構成と、中間像スクリーンに入射する画像表示光とその反射光との関係を模式的に示す図である。図３（ａ）−（ｂ）は、中間像スクリーンの拡散角と、中間像スクリーンで反射された光の反射強度との関係を示す図である。中間像スクリーンで反射された画像表示光が凹面鏡によってユーザの視野範囲を形成する様子を示す図である。画像表示素子から出射した画像表示光が、中間像スクリーンに結像して反射される様子を簡略化して示す図である。画像表示素子から出射した画像表示光が、中間像スクリーンに結像して反射される様子を簡略化して示す別の図である。広がり角度βの画像表示光が、拡散角αの中間像スクリーンに入射して散乱したときの画像表示光の拡散角を模式的に示す図である。広がり角度βの画像表示光が光分離部によって分離され、拡散角αの中間像スクリーンに入射して散乱したときの画像表示光の拡散角を模式的に示す図である。広がり角度βの画像表示光が、拡散角αの中間像スクリーンに入射して散乱したときの視野角範囲および虚像の明るさを示す図である。図１０（ａ）−（ｂ）は、画像生成部が傾いて設置されている場合の、画像信号と虚像との関係を説明するさらに別の図である。本発明の実施の形態の変形例に係る表示装置の側面図である。実施の形態に係る光分離部の構成の一例を模式的に示す図である。実施の形態に係る光分離部の構成の別の例を模式的に示す図である。実施の形態に係る光分離部の構成のさらに別の例を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。以下で説明する実施の形態に係る表示装置は車載用のものを前提とするが、実施の形態に係る表示装置は車載用に限られず、航空機やゲーム機、娯楽施設等においても利用することができる。

［画像表示装置の概要］
本実施形態に係る画像表示装置として、自動車等のダッシュボードに設置して使用するヘッドアップディスプレイを例に挙げ、図１を参照してその概要について説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る画像表示装置５００の側面図である。画像表示装置５００は光学システムを格納し、光学システムが投射する画像表示光７０を透過させるカバーガラス４１を備える筐体４０と、画像表示光７０に係る画像をユーザ４３に虚像４５０として提示するハーフミラーであるコンバイナ４００を備える。

筐体４０が格納する光学システムは、光源２３１、フィールドレンズ２３７、偏向ビームスプリッタ２３８、画像表示素子２４０、投射部３００、反射鏡２３６、中間像スクリーン３６０、および凹面鏡２５２を備える。

光源２３１は、例えば白色、又は青色、緑色、及び赤色の三色の光を発する発光ダイオードからなる。光源２３１が発光した光は、図示しないコリメートレンズによって平行光に変えられる。フィールドレンズ２３７は平行光を集光し、偏向ビームスプリッタ２３８に入射する。入射した光は、偏向ビームスプリッタ２３８の内部に形成された偏光分離膜で反射され、Ｓ偏光の直線偏光となって画像表示素子２４０に照射される。

画像表示素子２４０は、画素毎に赤色、緑色、及び青色のカラーフィルタを備えている。画像表示素子２４０に照射された光は、各画素に対応する色となり、画像表示素子２４０の備える液晶組成物によって偏光方向が９０°回転する変調が施され、Ｐ偏光の画像表示光７０となって偏向ビームスプリッタ２３８に向けて出射される。出射されたＰ偏光の光は偏向ビームスプリッタ２３８を透過し、投射部３００に入射する。

画像表示素子２４０は、例えば自動車内に設けられた車速センサをはじめとした各種計器類からの運転情報、自動車内に別途設けられたナビゲーション装置からの経路案内をはじめとした各種ナビゲーション情報、あるいは所定の無線回線を介して受信された道路混雑情報などに基づいて生成された各種の画像に係る画像信号に基づいて駆動されることにより、画像表示光７０を出射する。

詳細は後述するが、投射部３００は、変倍光学系となる投射レンズ群２４２等の光学素子を備え、画像表示素子２４０が表示する画像の画像表示光７０を投射する。光路方向を変更する光路転換用の反射鏡２３６は、投射部３００が投射した画像表示光７０の光路の方向を中間像スクリーン３６０の方への向かう方向に変更する。中間像スクリーン３６０は、投射部３００が投射した画像表示光７０に基づく実像を結像する。なお、以下説明する実施の形態に係る中間像スクリーン３６０は、スクリーンの一方の面に入射した画像表示光をスクリーンの他方の面付近で反射し、再び入射した面から出射する、いわゆる「反射型」のスクリーンであることを前提とするが、画像表示光７０が反射されずに透過される、いわゆる「透過型」のスクリーンであってもよい。

中間像スクリーン３６０において結像されて反射された画像表示光７０は、凹面鏡２５２で拡大されるとともに、再び反射されてカバーガラス４１を透過する。カバーガラス４１を透過した画像表示光７０はコンバイナ４００に到達する。そして、ユーザ４３はコンバイナ４００を見ることで、虚像４５０を視認することができる。本実施の形態では、コンバイナ４００は、自動車のウィンドシールドに沿って設置されている。ここでユーザ４３の視線が多少移動した場合でも、ユーザ４３が虚像４５０を視認できることが望ましい。すなわち、運転中のユーザ４３の視線が動くと想定される範囲において、虚像４５０が十分な明るさを持って視認可能であることが好ましい。そこで、画像表示装置５００は、ユーザ４３に対して、十分な視野範囲を有する虚像４５０を提示可能となっている。以下、画像表示装置５００の視野範囲について説明する。

［画像表示装置の視野範囲］
画像表示装置５００のような画像表示装置において、提示される虚像４５０の視野範囲および明るさを規定する主な要因は次の二つである。第１の要因は、視野範囲は中間像スクリーン３６０に入射する画像表示光７０のＦ値である。第２の要因は、中間像スクリーン３６０の拡散角である。

図２は、実施の形態に係る中間像スクリーン３６０の断面構成と、中間像スクリーン３６０に入射する画像表示光７０とその反射光との関係を模式的に示す図である。図２に示すように、実施の形態に係る中間像スクリーン３６０では、フィルムベース３７３上に、例えば銀幕が蒸着された反射膜３７２が形成される。中間像スクリーン３６０ではさらに、反射膜３７２上に入射した光に対して反射指向性を有して拡散させる拡散材３６４の層が積層されている。拡散材３６４の層は光透過性を有しており、入射した画像表示光７０は下方の反射膜３７２に入射し、反射膜３７２で反射される。拡散材３６４は、例えば、パール素材、微細な粒子を並べたもの、あるいは表面に微細な凹凸加工を施されたポリマなどから構成される。

中間像スクリーン３６０に入射する画像表示光７０は、主光線７１を中心に角度±βの広がりを有する光線である。画像表示光７０は拡散材３６４の層で拡散された後に反射膜３７２で反射し、再度拡散材３６４の層で拡散されて出射する。ここで中間像スクリーン３６０の拡散角をαとすると、中間像スクリーン３６０で反射した画像表示光７０は、主光線７１を中心に±(α＋β）の広がりを有することとなる。なお、中間像スクリーン３６０の拡散角をαは、拡散材３６４の種類や大きさ、配置のさせ方、層の厚みを変えることで適宜設定可能である。

ここで画像表示光７０の入射光の広がり角である角度βは、画像表示光７０のＦ値によって定まる。画像表示光７０のＦ値が一定の場合、角度βも一定となる。そのため虚像４５０の視野範囲は拡散材３６４の層の拡散角αにのみ依存する。このとき、拡散角αを小さくすると、虚像４５０が明るくなり、視野範囲が狭くなる。一方、拡散角αを大きくすると、虚像４５０が暗くなり、視野範囲が広くなる。

図３（ａ）−（ｂ）は、中間像スクリーン３６０の拡散角θと、中間像スクリーン３６０で反射された画像表示光７０の反射強度ｅとの関係を示す図である。図３（ａ）は、主光線の周りに広がりを持たない画像表示光７０が中間像スクリーン３６０に垂直に入射したときの、反射強度ｅと反射角αとの関係を示す図である。一般に、中間像スクリーン３６０の反射指向性は、反射光の半値角を用いて評価することができ、上述した反射角±αは、反射光の半値角に対応する。反射角±αは、中間像スクリーン３６０に垂直入射した光が反射したときに最大反射強度ｅとなる角度を０度とし、反射強度が最大反射強度ｅに対して半分の値ｅ／２に低下するときの角度のことであり、入射した光を中心としてプラス側とマイナス側とに現れる。この半値角度が、運転者であるユーザ４３が虚像４５０視認する際の視野範囲を規定する。

図３（ｂ）は、中間像スクリーン３６０の拡散角θに対する中間像スクリーン３６０で反射され光の反射強度ｅの概形を示す図である。図３（ｂ）に示すように、画像表示光７０の反射強度eは、中間像スクリーン３６０の拡散角度θに対して、ガウス分布のように分布する特性を有している。このように、中間像スクリーン３６０に入射する光が広がりを持たない場合、すなわち上述した角度β＝０の場合であっても、中間像スクリーン３６０が、その入射した光を拡散することで、視野範囲を広げることができる。

図４は、中間像スクリーン３６０で反射された画像表示光７０が凹面鏡２５２によってユーザ４３の視野範囲を形成する様子を示す模式図である。図４は、中間像スクリーン３６０の拡散角αが大きければ、視野範囲７４が大きくなることを示している。なお、画像表示装置５００が想定する視野範囲は、運転者であるユーザ４３の眼の動く範囲等を考慮して実験により特定することができる。ここでは、例えば直径１００ｍｍの円とする。

図５は、画像表示素子２４０から出射した画像表示光７０が、中間像スクリーン３６０に結像して反射される様子を簡略化して示す図である。画像表示素子２４０の任意の１点から射出する１次の画像表示光７０の主光線７１は、画像表示素子２４０の面に対し垂直であり、かつ主光線７１同士は平行であるテレセントリック光である。また１次の画像表示光７０は、主光線に対し角度γの広がりを有している。

１次の画像表示光７０は、第１投射レンズ群２４２ａにおいて瞳８２を形成し、第２投射レンズ群２４２ｂを透過した後に中間像スクリーン３６０に結像する。このとき、第２投射レンズ群２４２ｂを透過した画像表示光７０は、主光線７１に対して角度βの広がりを有する光線となる。ここで主光線７１に対しする広がり角度βは、瞳８２における画像表示光７０の絞りを変えることで変更することができる。より具体的には、画像表示光７０を絞ることで画像表示光７０のＦ値を大きくすると、広がり角度βは小さくなる。反対に、画像表示光７０のＦ値を大きく小さくすると、広がり角度βは大きくなる。

図２に示すように、ユーザ４３が虚像４５０を視認可能な視野範囲は画像表示光７０の広がり角度βにも依存しており、その範囲は角度±(α+β）となる。ユーザ４３への視野範囲を一定とすると、角度βを大きくすることで中間像スクリーン３６０の拡散角αを小さくすることができる。拡散角αを小さくすることは虚像４５０を明るくすることにつながる。以上の関係性から、虚像４５０の明るさを明るくし、視野範囲を広げる方法として、中間像スクリーン３６０へ入射させる画像表示光７０のＦ値を小さくして、広がり角度βを大きくすることが有効となることがわかる。

しかしながら、画像表示光７０のＦ値を小さくすると、中間像スクリーン３６０へ入射する光路が広がる。この光路を確保するためには、画像表示素子２４０およびその前後に配置された光学部品であるフィールドレンズ２３７、投射レンズ群２４２等の口径を大きくする必要があり、結果として画像表示装置５００のサイズアップ、コストアップ等の要因となる。

［投射部における光の分離］
この問題を解決するために、本願の発明者は、中間像スクリーン３６０の拡散角αと画像表示光７０の広がり角度βとを変更せずに、ユーザ４３が虚像４５０を視認可能な視野範囲を広げる原理について認識するに至った。以下のその原理について説明する。

図６は、画像表示素子２４０から出射した画像表示光７０が、中間像スクリーン３６０に結像して反射される様子を簡略化して示す別の図であり、中間像スクリーン３６０の拡散角αと画像表示光７０の広がり角度βとを変更せずに、ユーザ４３が虚像４５０を視認可能な視野範囲を広げる原理を説明するための図である。

図６に示すように、画像表示素子２４０の任意の１点から射出する１次の画像表示光７０の主光線７１は、画像表示素子２４０の面に対し垂直であり、かつ主光線７１同士は平行であるテレセントリック光である。また１次の画像表示光７０は、主光線に対し角度γの広がりを有している。図５に示す場合と同様に、１次の画像表示光７０は、第１投射レンズ群２４２ａにおいて瞳８２を形成する。

ここで、瞳８２の位置と、画像表示光７０を中間像スクリーンに結像させる第２投射レンズ群２４２ｂとの間に、画像表示光７０の光路を分離する光学部品である光分離部９５を設置する。図６は、光分離部９５は、投射部３００の瞳８２の位置に備えられている場合を示している。光分離部９５によって分離された画像表示光７０は、光分離部９５の設置面内においてシフトした分布を形成する。このため、光分離部９５によって分離されない場合と比較して、分布の外形は大きくなる。この分布が大きくなることで、中間像スクリーン３６０に結像する光線の角度分布は、光分離部９５の設置面内における画像表示光７０の分布のシフト量に応じて大きくなる。なお、光分離部９５の具体的な構成は後述する。

図７は、広がり角度βの画像表示光７０が、拡散角αの中間像スクリーン３６０に入射して散乱したときの画像表示光７０の拡散角を模式的に示す図である。図３（ｂ）に示す場合と同様に、画像表示光７０の反射強度eは、中間像スクリーン３６０の拡散角度θに対して、ガウス分布のように分布する特性を示す。一方で、図３（ｂ）に示す場合と異なり、反射強度が最大反射強度ｅに対して半分の値ｅ／２に低下する半値角は、±（α＋β）となる。

図８は、広がり角度βの画像表示光７０が光分離部９５によって分離され、拡散角αの中間像スクリーン３６０に入射して散乱したときの画像表示光７０の拡散角を模式的に示す図である。光分離部９５の作用により、画像表示光７０は、元の光と、その光から角度δ分だけシフトした光とのふたつの光に分離される。中間像スクリーン３６０において、ふたつの光それぞれが拡散された後に合成されてひとつの光となる。

この結果、中間像スクリーン３６０において拡散した光の角度は−(α＋β)から＋（α＋β＋δ）となる。図７に示す光分離部９５が画像表示光７０を分離しない場合と比較すると、画像表示光７０の反射強度の最大値は半分のｅ／２となるものの、角度δだけ拡散角が広がり、かつ反射強度が最大となる角度範囲が平坦に広がる。これは拡散光のうち、半値角以上の光強度が全体の拡散光の光強度に占める割合が少なくなっていることを示している。

この原理を利用することにより、以下に説明するように、中間像スクリーン３６０の拡散角αと画像表示光７０の広がり角度βとを変更せずにユーザ４３が虚像４５０を視認可能な視野範囲を広げることができる。

図９は、広がり角度βの画像表示光７０が、拡散角αの中間像スクリーン３６０に入射して散乱したときの視野角範囲および虚像の明るさを示す図である。この場合、図９に示すように、視野角範囲は±（α＋β）となる。図９において、ｅ_１はユーザ４３が虚像４５０を視認するために最低限必要な画像表示光７０の反射強度を示す。また図９において、斜線で示す領域ｌは、中間像スクリーン３６０で反射された画像表示光７０の拡散光のうち、反射強度がｅ_１に満たない領域、すなわち不要光領域を表す。

図１０は、広がり角度β’の画像表示光７０が光分離部９５によって分離され、拡散角α’の中間像スクリーン３６０に入射して散乱したときの視野角範囲および虚像の明るさを示す図である。この場合、図１０に示すように、視野範囲は±(α’＋β’＋δ／２)となる。いま、図１０に示す視野範囲が図９に示す視野範囲と同等であるならば、α’＋β’＋δ／２＝α＋βとなる。δ＞０なので、結果として、
α’＋β’＜α＋β ・・・（１）
を得る。

図９に示す例と図１０に示す例とにおいて、同じ中間像スクリーン３６０を用いる場合、すなわち式（１）においてα’＝αとなる場合、式（１）から、
β’＜β ・・・（２）
が得られる。

式（２）は、中間像スクリーン３６０に入射させる画像表示光７０の広がり角度の大きさを、βよりも小さな値であるβ’としてもβの場合と同様の視野範囲を実現できることを示している。これにより、画像表示光７０の広がり角度をβとする場合と比較して、画像表示装置５００を構成する各光学部品を小さくすることができ、コストダウンが可能となる。また広がり角度が小さいため、画像表示光７０の反射強度が上がり、虚像４５０が明るくなる。さらに、画像表示光７０を分離した後に合成することによって視野範囲の虚像４５０の明るさがよりフラットとなるため、視野範囲での明るさの差が少なくなり、ユーザの視認性が向上する。

その上さらに、中間像スクリーン３６０で反射された画像表示光７０の拡散光のうち、反射強度がｅ_１に満たない不要光領域ｌの割合が小さくなる。これは、図９に示す不要光領域ｌと比較して、図１０に示す不要光領域ｌの方が小さな領域であることに対応する。この結果、光の利用効率が上がり、より明るい虚像４５０を提示することが可能となる。

［画像表示装置の機能構成］
図１１は、実施の形態に係る画像表示装置５００の機能構成を模式的に示す図である。上述したように、実施の形態に係る画像表示装置５００の機能は、例えば上述したヘッドアップディスプレイを用いて実現できる。画像表示装置５００は、画像表示素子２４０、投射部３００、中間像スクリーン３６０、およびコンバイナ４００を備える。なお、図１１は、実施の形態に係る画像表示装置５００において、画像表示光７０を分離するために必要な機能構成のみを図示しており、例えば反射鏡２３６や凹面鏡２５２等、画像表示光７０を分離する際に便宜的に用いている構成は省略している。

画像表示素子２４０は、画像信号をもとに画像を表示する。投射部３００は、画像表示素子２４０が表示する画像の画像表示光７０を分離して中間像スクリーン３６０に投射する。このため投射部３００は、第１投射レンズ群２４２ａ、光分離部９５、および第２投射レンズ群２４２ｂを備える。上述したように、光分離部９５は、第１投射レンズ群２４２ａが形成する瞳位置と第２投射レンズ群２４２ｂとの間、好ましくは瞳位置に設置され、画像表示光７０を分離し、光路をシフトさせる機能を持つ光学部品である。光分離部９５が分離した画像表示光７０は中間像スクリーン３６０で結像するとともに合成され、コンバイナ４００に到達する。コンバイナ４００は、中間像スクリーン３６０に結像した実像を虚像４５０としてユーザ４３に提示する。

［光分離部の具体的構成］
以下、実施の形態に係る光分離部９５の具体的な構成を説明する。

図１２は、実施の形態に係る光分離部９５の構成の一例を模式的に示す図である。図１２に示す光分離部９５は、光分離部９５に入射した画像表示光７０をＳ偏光とＰ偏光とに分離するとともに、分離したＳ偏光とＰ偏光とが異なる光路を通るように構成されている。

より具体的には、図１２に示す光分離部９５は、１／４波長板２３９と結晶素子２６０とを備える。１／４波長板２３９は、画像表示素子２４０が投射した画像表示光７０である直線偏光を円偏光に変換する。結晶素子２６０は、１／４波長板２３９が変換した円偏光をＳ偏光とＰ偏光とに変換する。結晶素子２６０は、変換したＳ偏光とＰ偏光とが異なる光路となる複屈折性を持っている。結晶素子２６０は、例えば既知の水晶板を用いて実現できる。

図１２に示す例では、画像表示素子２４０が投射した画像表示光７０はＰ偏光であり、図１２中において符号２７０で示されている。１／４波長板２３９は、遅相軸方向がλ／４面内方向に存在し、Ｐ偏光方向と４５°をなす方向である。このため、１／４波長板２３９に入射したＰ偏光は円偏光に変換される。円偏光は、図１２中において符号２７２で示されている。

１／４波長板２３９を透過した円偏光は、結晶素子２６０である水晶板に入射する。水晶板のＣ軸は厚み方向に対し４５°方向となるように構成されており、水晶板に入射した円偏光は常光であるＳ偏光と異常光であるＰ偏光に分離される。水晶板のＣ軸は、図１２中において符号２７３で示されている。異常光であるＰ偏光は水晶板の厚みに応じた光路差が生じるため、Ｓ偏光に対しシフトした光線となる。この結晶素子２６０の作用により、結晶素子２６０においてＳ偏光の瞳分布とＰ偏光の分布が形成され、Ｓ偏光の分布に対しＰ偏光の瞳分布はシフトしたものとなる。この結果、画像表示光７０はＰ偏光である画像表示光７０ａと、Ｓ偏光である画像表示光７０ｂとに分離される。

図１３は、実施の形態に係る光分離部９５の構成の別の例を模式的に示す図である。図１３に示す光分離部９５も、図１２に示す光分離部９５と同様に、光分離部９５に入射した画像表示光７０をＳ偏光とＰ偏光とに分離するとともに、分離したＳ偏光とＰ偏光とが異なる光路を通るように構成されている。しかしながら、図１３に示す光分離部９５は、図１２に示す光分離部９５とは異なる構成である。

より具体的には、図１２に示す光分離部９５は、１／４波長板２３９と偏光ビームスプリッタアレイ２７４とを備える。１／４波長板２３９は、画像表示素子２４０が投射した画像表示光７０である直線偏光を円偏光に変換する。偏光ビームスプリッタアレイ２７４は、１／４波長板２３９が変換した円偏光のうち、Ｐ偏光成分を透過させるとともにＳ偏光成分を反射する偏光分離膜２７５を複数備える。

図１３に示す例では、画像表示素子２４０が投射した画像表示光７０はＰ偏光であり、図１２中において符号２７０で示されている。１／４波長板２３９は、遅相軸方向がλ／４面内方向に存在し、Ｐ偏光方向と４５°をなす方向である。このため、１／４波長板２３９に入射したＰ偏光は円偏光に変換される。円偏光は、図１２中において符号２７２で示されている。

１／４波長板２３９を透過した円偏光は、偏光ビームスプリッタアレイ２７４に入射する。偏光ビームスプリッタアレイ２７４は、ガラス内に複数の偏光分離膜２７５を、入射光に対して４５°の方向に配置したものである。偏光分離膜２７５は、膜面に対しＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する特性を有する。このため、偏光ビームスプリッタアレイ２７４に入射した円偏光は偏光分離膜でＳ偏光とＰ偏光に分離される。Ｐ偏光は偏光分離膜を透過し、Ｓ偏光は１つ目の偏光分離膜を反射し、９０°光路を変換された後、隣接する偏光分離膜に入射し、２つ目の偏光分離膜でＳ偏光として反射する。反射したＳ偏光はＰ偏光と平行方向となり、Ｓ偏光の分布はＰ偏光の分布に対しシフトすることとなる。この結果、画像表示光７０はＰ偏光である画像表示光７０ａと、Ｓ偏光である画像表示光７０ｂとに分離される。

図１４は、実施の形態に係る光分離部９５の構成のさらに別の例を模式的に示す図である。図１４に示す光分離部９５は、光分離部９５に入射した画像表示光７０をふたつの異なる円偏光に分離するとともに、分離したふたつの異なる円偏がそれぞれ異なる光路を通るように構成されている。

より具体的には、図１４に示す光分離部９５は、第１偏光回折光学素子１２１ａ、１／２波長板１２２、および第２偏光回折光学素子１２１ｂを備える。第１偏光回折光学素子１２１ａと第２偏光回折光学素子１２１ｂとは同一の光学特性を持つ液晶ポリマである。１／２波長板１２２は、第１偏光回折光学素子１２１ａと第２偏光回折光学素子１２１ｂとの間に設置され、画像表示素子２４０が投射した画像表示光７０は、第１偏光回折光学素子１２１ａ、１／２波長板１２２、第２偏光回折光学素子１２１ｂの順に透過する。

第１偏光回折光学素子１２１ａは、入射する直線偏光である画像表示光７０を、入射方向に対して互いに対称な回折角を持つ右回りの円偏光と左回りの円偏光に分離する。図１４においては、右回りの円偏光を符号２７２ａ、左回りの円偏光を符号２７２ｂで示している。

１／２波長板１２２は、第１偏光回折光学素子１２１ａから出射された右回りの円偏光を左回りの円偏光に変換するとともに、第１偏光回折光学素子１２１ａから出射された左回りの円偏光を右回りの円偏光に変換する。第２偏光回折光学素子１２１ｂは、１／２波長板１２２から出射された右回りの円偏光を回折して左回りの円偏光に変換するとともに、１／２波長板１２２から出射された左回りの円偏光を回折して右回りの円偏光に変換する。

第１偏光回折光学素子１２１ａおよび第２偏光回折光学素子１２１ｂ（以下、特に区別の必要がない限り、「偏光回折光学素子１２１」と総称する。）は、画像表示光７０の入射面内にて液晶ポリマのダイレクタ方向を周期的に変化するように配置されている。このため、偏光回折光学素子１２１に入射した画像表示光７０は回折を起こす。ここで、偏光回折光学素子１２１中の液晶ポリマの周期や屈折率差を変えることによって、偏光回折光学素子１２１に入射した画像表示光７０の回折角を制御することができる。

偏光回折光学素子１２１に直線偏光が入射した場合、右回りの円偏光と左回りの円偏光に分離され、進行方向は回折角±θに応じた方向となる。また、偏光回折光学素子に左回りの円偏光が入射した場合、右回りの円偏光に変換され、回折角−θに応じた１方向にのみに進行する。同様に、偏光回折光学素子に右回りの円偏光が入射した場合、左回りの円偏光に変換され、回折角＋θに応じた１方向にのみに進行する。

図１４に示す例では、画像表示素子２４０が投射した画像表示光７０はＰ偏光である。第１偏光回折光学素子１２１ａに入射した画像表示光７０であるＰ偏光は、第１偏光回折光学素子１２１ａの作用によって右回りの円偏光と左回りの円偏光に分離され、それぞれの進行方向は回折角に応じた方向となる。第１偏光回折光学素子１２１ａから出射した右回りの円偏光と左回りの円偏光とともに、１／２波長板１２２に入射する。

１／２波長板１２２は、入射した右回りの円偏光を左回りの円偏光に、左回りの円偏光を右回りの円偏光にそれぞれ変換する。第２偏光回折光学素子１２１ｂは、１／２波長板１２２から出射した光のうち、左回りの円偏光を右回りの円偏光に変換する。このとき変換され右回りの円偏光の進行方向は、第１偏光回折光学素子１２１ａに入射したＰ偏光と同方向となる。また、第２偏光回折光学素子１２１ｂは、１／２波長板１２２から出射した光のうち、右回りの円偏光を左回りの円偏光に変換する。変換された左回りの円偏光の進行方向は、第１偏光回折光学素子１２１ａに入射したＰ偏光と同方向となる。以上の作用により、画像表示光７０は左回りの円偏光である画像表示光７０ａと、右回りの円偏光である画像表示光７０ｂとに分離される。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る画像表示装置５００によれば、装置のサイズアップを抑制しつつ視野範囲や明るさを向上させる画像表示技術を提供することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例およびそれらの任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

［第１の変形例］
上記の説明では、図１２、図１３、および図１４を参照して光分離部９５の構成を説明したが、画像表示光７０の光路を分離する光分離部９５の構成はこれらに限られない。この他にも、ガラス板等の光学部材とモータとを用いても光分離部９５を実現できる。

より具体的には、第１の変形例に係る光分離部９５は、画像表示光７０を透過する板状の光学部材（図示せず）と、当該光学部材を駆動するモータ（図示せず）とを備える。画像表示光７０が板状の光学部材に対して斜めに入射すると、屈折によって画像表示光７０の光路が変化する。ここで、画像表示光７０は、板状の光学部材に対する入射角によって異なる光路となる。

そこでモータを用いて板状の光学部材を所定の角速度で回転することにより、板状の光学部材を透過する画像表示光７０の光路を周期的かつ連続的に変化させることができる。そこで、観察者に識別できないような早さで虚像４５０が変化するように板状の光学部材を回転させる角速度を設定することにより、画像表示光７０の光路を見かけ上分離することができる。所定の角速度は、人間の目の残像等を考慮して実験により定めればよいが、例えば毎秒３０回転である。

［第２の変形例］
上記の説明では、実施の形態に係る画像表示装置５００として自動車等のダッシュボード内に設置して使用するダッシュボード型ヘッドアップディスプレイを例に主に説明した。画像表示装置５００は、ダッシュボード内に設置して使用されるヘッドアップディスプレイに限られず、ダッシュボード上に据え置いて用いるヘッドアップディスプレイや、ルームミラーに取り付けられて使用されるヘッドアップディスプレイとしても実現できる。また、ヘッドアップディスプレイに限らず、例えばヘッドマウントディスプレイなど、コンバイナを用いてユーザに虚像を提示する装置であれば、どのような装置であってもよい。

［第３の変形例］
上記の説明では、凹面鏡２５２を用いて中間像スクリーン３６０が結像した実像を拡大する場合について説明した。中間像スクリーン３６０が結像した実像を拡大する手段は凹面鏡２５２に限られない。例えば凹面鏡２５２を用いる代わりに、コンバイナ４００に所定の曲率を設けて凹面形状にしてもよい。これにより、筐体４０内に格納する光学システムを小型化しうる点で有利である。

７０画像表示光、８２瞳、９５光分離部、１２１偏光回折光学素子、１２２１／２波長板、２３９１／４波長板、２４０画像表示素子、２４２投射レンズ群、２６０結晶素子、２７４偏光ビームスプリッタアレイ、２７５偏光分離膜、３００投射部、３６０中間像スクリーン、４００コンバイナ、４５０虚像、５００画像表示装置。

Claims

画像信号をもとに画像を表示する画像表示素子と、
前記画像表示素子が表示する画像の画像表示光を投射する投射部と、
前記投射部が投射した画像表示光に基づく実像が結像する中間像スクリーンと、
前記中間像スクリーンに結像した実像を虚像として提示するコンバイナとを備え、
前記投射部は、前記投射部の瞳位置と、画像表示光を前記中間像スクリーンに結像させる投射レンズ群との間に、画像表示光の光路を分離する光分離部を備えることを特徴とする画像表示装置。
前記光分離部は、前記投射部の瞳位置に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
前記光分離部は、画像表示光をＳ偏光とＰ偏光とに分離するとともに、分離したＳ偏光とＰ偏光とが異なる光路を通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。
前記光分離部は、画像表示光をふたつの異なる円偏光に分離するとともに、分離したふたつの異なる円偏光がそれぞれ異なる光路を通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。