JPWO2013005278A1 - 表示装置 - Google Patents

Abstract

表示装置は、表示すべき画像を形成する画像形成素子と、画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる光学素子と、を備え、画像形成素子の中心から光学素子の中心へと進む光の進行方向に対する画像形成素子の角度である第１角度が、光学素子によって表示される虚像の歪みが小さくなるように、当該光の進行方向に対する光学素子の角度である第２角度に応じて設定されている。

Description

本発明は、虚像として画像を視認させる表示装置に関する。

従来から、ユーザの目の位置（アイポイント）から虚像として画像を視認させるヘッドアップディスプレイなどの表示装置が知られている。例えば、特許文献１には、画像表示装置から観察者に至る光の経路に、画像を拡大するための凹面鏡を２枚設け、画像表示装置の画像を２回反射させて虚像を形成することで、虚像の拡大率や虚像の形状歪などを改善することを図った技術が提案されている。また、例えば特許文献２には、映像表示素子の表示面と投影光学系の投影面がＹ−Ｚ断面内で偏心し、投影面はＸ−Ｚ断面で投影光学系側に弦を向けた円弧状の曲面で構成され、像歪みを補正する少なくとも一つの回転非対称な補正光学面を有する投影光学系が提案されている。

その他にも、本発明に関連する技術が、例えば特許文献３乃至５に提案されている。

特開平８−２９７２３号公報 特開２０１０−１６４９４４号公報 特許第３９１２２３４号公報 特許第３８５５４６１号公報 特開平６−２７０７１６号公報

ところで、上記したようなヘッドアップディスプレイでは、例えば大きな画角を得るために曲率半径の小さな凹面ミラーをチルトして使用すると、虚像に歪みが生じる傾向にある。また、左右の眼で観察した虚像に、形状の異なる歪みが生じる傾向にある。この場合には、ユーザに疲労を与えてしまう可能性がある。上記の特許文献１に記載された反射面を２面使用する構成では、虚像の歪みを軽減することができるが、この構成ではヘッドアップディスプレイ全体が大きくなり、車室内への取り付けに不利となる場合がある。また、特許文献２のように非球面や自由曲面の光学素子を用いると、虚像の歪を微小にする事が可能であるが安価な製造が難しい事が知られている。

本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、簡便な構成にて虚像の歪みを適切に抑制することが可能な表示装置を提供することを課題とする。

請求項１に記載の発明では、表示装置は、表示すべき画像を形成する画像形成素子と、前記画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる光学素子と、を備え、前記画像形成素子の中心から前記光学素子の中心へと進む光の進行方向に対する前記画像形成素子の角度である第１角度が、前記光学素子によって表示される前記虚像の歪みが小さくなるように、前記光の進行方向に対する前記光学素子の角度である第２角度に応じて設定されている。

請求項１８に記載の発明では、表示装置は、表示すべき画像を形成する画像形成素子と、前記画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる光学素子と、前記画像形成素子の中心から前記光学素子の中心へと進む光の進行方向に対する前記光学素子の角度を変化させる第１角度変更手段と、前記光の進行方向に対する前記光学素子の角度の変化に起因する前記虚像の歪みを小さくするように、前記光の進行方向に対する前記画像形成素子の角度を変化させる第２角度変更手段と、を備える。

第１実施例に係る表示装置の全体構成を示す。 レーザプロジェクタの構成を示す。 ＥＰＥ及びコンバイナのチルト角を説明するための図を示す。 ＥＰＥ及びコンバイナのチルト角を規定する軸を、より具体的に説明するための図を示す。 シミュレーションにおいてＥＰＥに形成される画像を示す。 アイボックスセンターでのシミュレーション条件を説明するための図を示す。 第１実施例における、アイボックスセンターでのシミュレーション結果例を示す。 両眼でのシミュレーション条件を説明するための図を示す。 第１実施例における、両眼でのシミュレーション結果例を示す。 第１実施例により虚像の歪みを抑制できる理由を説明するための図を示す。 コンバイナの曲率半径ごとに、ＥＰＥのチルト角度と虚像の歪み量の関係を示す。 ＥＰＥのチルト角がコンバイナのチルト角と等しい場合のシミュレーション結果例を示す。 レーザプロジェクタとＥＰＥとの配置状態の具体例を示す。 ＥＰＥ上に形成される像の歪みを補正する方法を説明するための図を示す。 第３実施例に係る表示装置の全体構成を示す。 第３実施例における、アイボックスセンターでのシミュレーション結果例を示す。 第３実施例における、両眼でのシミュレーション結果例を示す。 変形例１に係る表示装置の全体構成を示す。 変形例２に係る表示装置の全体構成を示す。 変形例３に係る表示装置の全体構成を示す。 変形例４に係るフィールドレンズを用いた場合の、シミュレーション結果例を示す。

本発明の１つの観点では、表示装置は、表示すべき画像を形成する画像形成素子と、前記画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる光学素子と、を備え、前記画像形成素子の中心から前記光学素子の中心へと進む光の進行方向に対する前記画像形成素子の角度である第１角度が、前記光学素子によって表示される前記虚像の歪みが小さくなるように、前記光の進行方向に対する前記光学素子の角度である第２角度に応じて設定されている。

上記の表示装置は、虚像として画像を視認させる装置である。画像形成素子は、表示すべき画像を形成し、光学素子は、画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる。「第１角度」は、画像形成素子の中心から光学素子の中心へと進む光の進行方向に対する画像形成素子の角度と定義され、「第２角度」は、画像形成素子の中心から光学素子の中心へと進む光の進行方向に対する光学素子の角度と定義される。この場合、画像形成素子の第１角度は、光学素子によって表示される虚像の歪みが小さくなるように、光学素子の第２角度に応じて設定される。つまり、虚像の歪みが小さくなるように、光学素子の第２角度に応じて、画像形成素子を第１角度だけ傾けて配置する。上記の表示装置によれば、虚像の歪みを適切に抑制することができる。

上記の表示装置の一態様では、前記光の進行方向に対する前記光学素子の角度の変化に起因する前記虚像の歪みを小さくするように、前記光の進行方向に対する前記画像形成素子の角度を変化させる角度変更手段を更に備える。これにより、光学素子のチルト角が変化された場合に、画像形成素子のチルト角を適切に変化させることで、光学素子のチルト角の変化によって生じる虚像の歪みを適切に抑制することができる。

好適には、上記の表示装置は、前記光学素子の角度を変化させる手段を更に備える。

上記の表示装置において好適には、前記第１角度は、前記第２角度よりも大きな角度となるように設定される。これにより、虚像の歪みを効果的に抑制することができる。

上記の表示装置において更に好適には、前記第１角度は、前記第２角度の略２倍の角度となるように設定される。これにより、虚像の歪みをより効果的に抑制することができる。具体的には、虚像の台形歪みや画像形成素子上に形成された画像と虚像とのアスペクト比の違い、両眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いを適切に抑制することができる。また、両眼で観察される虚像の形状の違いを抑制することにより、画像処理によって虚像の歪を補正する事が容易になる。

好適な例では、前記光学素子は、前記画像形成素子から出射された光の進行方向に向かって凹形状を有しており、前記画像形成素子は、平面形状である。

上記の表示装置において好適には、前記角度変更手段は、前記虚像の台形歪み及び／又は前記画像形成素子上に形成された画像と前記虚像とのアスペクト比の違いを小さくするように、前記光の進行方向に対する前記画像形成素子の角度を変化させることができる。

また、上記の表示装置において好適には、前記角度変更手段は、前記画像形成素子と前記光学素子との相対的な角度関係を所定の条件に維持したまま、前記光の進行方向に対する前記画像形成素子の角度を変化させる。より好ましくは、前記角度変更手段は、前記光の進行方向に対する前記画像形成素子の角度を、前記光の進行方向に対する前記光学素子の角度の略２倍に変化させる。

上記の表示装置の他の一態様では、前記画像形成素子と前記光学素子との間に、虚像歪補正素子が配置されている。この場合、好適には、前記虚像歪補正素子は、前記光学素子が曲率を有することに起因する、前記虚像の弓なりの歪みを補正する。このような虚像歪補正素子を用いることで、虚像の弓なりの歪みを適切に補正することができる。

上記の表示装置の他の一態様では、前記画像形成素子は、光源から照射された光の射出瞳を拡大する射出瞳拡大素子である。例えば、射出瞳拡大素子は、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である。

上記の表示装置の他の一態様では、前記光源から照射された光によって前記画像形成素子上に形成される像の歪みを補正する補正手段を更に備える。好適には、前記補正手段は、前記光源より照射された光の前記画像形成素子に対する角度に起因する、前記像の歪みを補正する。これにより、例えば光源より照射された光が画像形成素子に垂直に入射しないことに起因する像の歪みを、適切に補正することができる。

上記の表示装置の他の一態様では、前記画像形成素子として、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイを用いることができる。

好適な例では、前記第１角度は、前記画像形成素子の中心から前記光学素子の中心へと進む光の進行方向に直行し、且つ前記画像形成素子の中心を通る軸に対して、前記画像形成素子がなす角度であり、前記第２角度は、前記画像形成素子の中心から前記光学素子の中心へと進む光の進行方向に直行し、且つ前記光学素子の中心を通る軸に対して、前記光学素子がなす角度である。

本発明の他の観点では、表示装置は、表示すべき画像を形成する画像形成素子と、前記画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる光学素子と、前記画像形成素子の中心から前記光学素子の中心へと進む光の進行方向に対する前記光学素子の角度を変化させる第１角度変更手段と、前記光の進行方向に対する前記光学素子の角度の変化に起因する前記虚像の歪みを小さくするように、前記光の進行方向に対する前記画像形成素子の角度を変化させる第２角度変更手段と、を備える。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。

［第１実施例］
まず、本発明の第１実施例について説明する。

（装置構成）
図１は、第１実施例に係る表示装置１００の全体構成を概略的に示したブロック図である。ここでは、表示装置１００の各構成要素の概要について説明する。

図１に示すように、第１実施例に係る表示装置１００は、主に、レーザプロジェクタ１と、射出瞳拡大素子（以下、適宜「ＥＰＥ（Exit-Pupil Expander）」と表記する）１１と、フィールドレンズ１２と、コンバイナ１３と、を有する。表示装置１００は、画像をユーザの目の位置（アイポイント）から虚像として視認させる装置である。表示装置１００は、例えばヘッドアップディスプレイとして利用される。

レーザプロジェクタ１は、赤色、緑色、青色のレーザ光源や、レーザ光源から出射されたレーザ光を走査するスキャン機構（走査機構）や、これらを制御する制御部などを有する。レーザプロジェクタ１から照射された光は、ＥＰＥ１１に入射する。なお、レーザプロジェクタ１の詳細は後述する。

ＥＰＥ１１は、レーザプロジェクタ１から照射された光の射出瞳を拡大し、ユーザに提示する画像の中間像を形成する。例えば、ＥＰＥ１１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である。ＥＰＥ１１から出射された光は、フィールドレンズ１２に入射する。なお、ＥＰＥ１１は、本発明における「画像形成素子」の一例に相当する。なお、ＥＰＥ１１には、中間像として歪みの無い画像が形成される。

フィールドレンズ１２は、ＥＰＥ１１の射出側に配置されたレンズである。フィールドレンズ１２は、ＥＰＥ１１からの光が入射する面（つまり入射面）が平面形状に構成されていると共に、ＥＰＥ１１からの光が入射する面と反対側の面（つまり出射面）が球面の凸面形状に構成されている。フィールドレンズ１２は、平面形状の面がＥＰＥ１１の面と平行になるように、ＥＰＥ１１と離間して配置されている。また、フィールドレンズ１２は、その中心とＥＰＥ１１の中心とを結んだ軸が、ＥＰＥ１１の鉛直方向に延びる軸と平行になるように配置されている。フィールドレンズ１２から出射された光は、コンバイナ１３に入射する。なお、フィールドレンズ１２は、本発明における「虚像歪補正素子」の一例に相当する。

コンバイナ１３は、フィールドレンズ１２からの光を反射することで、入射光に対応する像を拡大した虚像として表示させるハーフミラーである。具体的には、コンバイナ１３は、フィールドレンズ１２からの光が入射する面（つまり入射面）が球面の凹面形状に構成されている。このようにコンバイナ１３によって反射された光により、ユーザは、コンバイナ１３から所定距離離れたアイポイントから虚像を観察する。なお、コンバイナ１３は、本発明における「光学素子」の一例に相当する。

なお、例えば、ＥＰＥ１１及びフィールドレンズ１２は、レーザプロジェクタ１と一体に構成される。つまり、表示装置１００では、レーザプロジェクタ１とＥＰＥ１１及びフィールドレンズ１２とが別体にて構成されているわけではなく、レーザプロジェクタ１とＥＰＥ１１及びフィールドレンズ１２とが一体の装置として構成されている。

次に、図２を参照して、レーザプロジェクタ１の構成について説明する。図２に示すように、レーザプロジェクタ１は、画像信号入力部２と、ビデオＡＳＩＣ３と、フレームメモリ４と、ＲＯＭ５と、ＲＡＭ６と、レーザドライバＡＳＩＣ７と、ＭＥＭＳ制御部８と、レーザ光源ユニット９と、ＭＥＭＳミラー１０とを備える。

画像信号入力部２は、外部から入力される画像信号を受信してビデオＡＳＩＣ３に出力する。ビデオＡＳＩＣ３は、画像信号入力部２から入力される画像信号及びＭＥＭＳミラー１０から入力される走査位置情報Ｓｃに基づいてレーザドライバＡＳＩＣ７やＭＥＭＳ制御部８を制御するブロックであり、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）として構成されている。

ビデオＡＳＩＣ３は、同期／画像分離部３１と、ビットデータ変換部３２と、発光パターン変換部３３と、タイミングコントローラ３４と、を備える。同期／画像分離部３１は、画像信号入力部２から入力された画像信号から、画像表示部であるＥＰＥ１１に表示される画像データと同期信号とを分離し、画像データをフレームメモリ４へ書き込む。ビットデータ変換部３２は、フレームメモリ４に書き込まれた画像データを読み出してビットデータに変換する。発光パターン変換部３３は、ビットデータ変換部３２で変換されたビットデータを、各レーザの発光パターンを表す信号に変換する。タイミングコントローラ３４は、同期／画像分離部３１、ビットデータ変換部３２の動作タイミングを制御する。また、タイミングコントローラ３４は、後述するＭＥＭＳ制御部８の動作タイミングも制御する。

フレームメモリ４には、同期／画像分離部３１により分離された画像データが書き込まれる。ＲＯＭ５は、ビデオＡＳＩＣ３が動作するための制御プログラムやデータなどを記憶している。ＲＡＭ６には、ビデオＡＳＩＣ３が動作する際のワークメモリとして、各種データが逐次読み書きされる。

レーザドライバＡＳＩＣ７は、後述するレーザ光源ユニット９に設けられるレーザダイオードを駆動する信号を生成するブロックであり、ＡＳＩＣとして構成されている。レーザドライバＡＳＩＣ７は、赤色レーザ駆動回路７１と、青色レーザ駆動回路７２と、緑色レーザ駆動回路７３と、を備える。赤色レーザ駆動回路７１は、発光パターン変換部３３が出力する信号に基づき、赤色レーザＬＤ１を駆動する。青色レーザ駆動回路７２は、発光パターン変換部３３が出力する信号に基づき、青色レーザＬＤ２を駆動する。緑色レーザ駆動回路７３は、発光パターン変換部３３が出力する信号に基づき、緑色レーザＬＤ３を駆動する。

ＭＥＭＳ制御部８は、タイミングコントローラ３４が出力する信号に基づきＭＥＭＳミラー１０を制御する。ＭＥＭＳ制御部８は、サーボ回路８１と、ドライバ回路８２と、を備える。サーボ回路８１は、タイミングコントローラからの信号に基づき、ＭＥＭＳミラー１０の動作を制御する。ドライバ回路８２は、サーボ回路８１が出力するＭＥＭＳミラー１０の制御信号を所定レベルに増幅して出力する。

レーザ光源ユニット９は、レーザドライバＡＳＩＣ７から出力される駆動信号に基づいて、レーザ光をＭＥＭＳミラー１０へ出射する。走査手段としてのＭＥＭＳミラー１０は、レーザ光源ユニット９から出射されたレーザ光をＥＰＥ１１に向けて反射する。こうすることで、ＭＥＭＳミラー１０は、ＥＰＥ１１上に表示すべき画像を形成する。また、ＭＥＭＳミラー１０は、画像信号入力部２に入力された画像を表示するためにＭＥＭＳ制御部８の制御によりＥＰＥ１１上を走査（スキャン）するように移動し、その際の走査位置情報（例えばミラーの角度などの情報）をビデオＡＳＩＣ３へ出力する。

次に、レーザ光源ユニット９の詳細な構成を説明する。レーザ光源ユニット９は、ケース９１と、波長選択性素子９２と、コリメータレンズ９３と、赤色レーザＬＤ１と、青色レーザＬＤ２と、緑色レーザＬＤ３と、モニタ用受光素子（以下、単に「受光素子」と呼ぶ。）５０と、を備える。以下では、赤色レーザＬＤ１、青色レーザＬＤ２及び緑色レーザＬＤ３を区別しない場合には、単に「レーザＬＤ」と表記する。

ケース９１は、樹脂などにより略箱状に形成される。ケース９１には、緑色レーザＬＤ３を取り付けるために、ケース９１内へ貫通する孔が設けられているとともに断面が凹状のＣＡＮ取付部９１ａと、ＣＡＮ取付部９１ａと直交する面に設けられ、ケース９１内へ貫通する孔が設けられているとともに断面が凹状のコリメータ取付部９１ｂと、が形成されている。

合成素子としての波長選択性素子９２は、例えばトリクロイックプリズムにより構成され、反射面９２ａと反射面９２ｂが設けられている。反射面９２ａは、赤色レーザＬＤ１から出射されたレーザ光をコリメータレンズ９３へ向かって透過させ、青色レーザＬＤ２から出射されたレーザ光をコリメータレンズ９３へ向かって反射させる。反射面９２ｂは、赤色レーザＬＤ１および青色レーザＬＤ２から出射されたレーザ光の大部分をコリメータレンズ９３へ向かって透過させ、その一部を受光素子５０へ向かって反射させる。また、反射面９２ｂは、緑色レーザＬＤ３から出射されたレーザ光の大部分をコリメータレンズ９３へ向かって反射させ、その一部を受光素子５０へ向かって透過させる。こうして、各レーザからの出射光が重ね合わされて、コリメータレンズ９３および受光素子５０に入射される。なお、波長選択性素子９２は、ケース９１内のコリメータ取付部９１ｂの近傍に設けられている。コリメータレンズ９３は、波長選択性素子９２から入射したレーザ光を平行光にしてＭＥＭＳミラー１０へ出射する。コリメータレンズ９３は、ケース９１のコリメータ取付部９１ｂに、ＵＶ系接着剤などで固定される。即ち、合成素子の後段にコリメータレンズ９３が設けられている。

レーザ光源としての赤色レーザＬＤ１は、赤色のレーザ光を出射する。赤色レーザＬＤ１は、半導体レーザ光源がチップ状態のまま、又は、チップがサブマウントなどに載置された状態で、ケース９１内の波長選択性素子９２及びコリメータレンズ９３と同軸となる位置に固定されている。レーザ光源としての青色レーザＬＤ２は、青色のレーザ光を出射する。青色レーザＬＤ２は、半導体レーザ光源がチップ状態のまま、又は、チップがサブマウントなどに載置された状態で、出射したレーザ光が反射面９２ａによってコリメータレンズ９３へ向かって反射できる位置に固定されている。この赤色レーザＬＤ１と青色レーザＬＤ２の位置は入れ替わってもよい。レーザ光源としての緑色レーザＬＤ３は、ＣＡＮパッケージに取り付けられた状態又はフレームパッケージに取り付けられた状態であり、緑色のレーザ光を出射する。緑色レーザＬＤ３は、ＣＡＮパッケージ内に緑色のレーザ光を発生する半導体レーザ光源チップＢが取り付けられており、ケース９１のＣＡＮ取付部９１ａに固定されている。受光素子５０は、各レーザ光源から出射されたレーザ光の一部を受光する。受光素子５０は、フォトディテクタなどの光電変換素子であり、入射したレーザ光の光量に応じた電気信号である検出信号ＳｄをレーザドライバＡＳＩＣ７へ供給する。

（ＥＰＥ及びコンバイナのチルト角）
次に、図３を参照して、ＥＰＥ１１のチルト角β及びコンバイナ１３のチルト角αについて説明する。なお、チルト角βは本発明における「第１角度」に相当し、チルト角αは本発明における「第２角度」に相当する。

図３（ａ）に示すように、ＥＰＥ１１の中心Ｃ１とコンバイナ１３の中心Ｃ２とを結んだ線に対応する軸ａを定義する。そして、軸ａと軸ａに垂直に交差する軸ｄに直行すると共にＥＰＥ１１の中心Ｃ１を通る軸ｂに対して（図３（ｂ）参照）、ＥＰＥ１１が傾いている角度を、ＥＰＥ１１のチルト角βとして定義する。同様に、軸ａと軸ａに交差し軸ｄに平行な軸ｅに直行すると共にコンバイナ１３の中心Ｃ２を通る軸ｃに対して（図３（ｂ）参照）、コンバイナ１３が傾いている角度を、コンバイナ１３のチルト角αとして定義する。また、チルト角α、βは、それぞれの軸ｃ、ｂに対して反時計回りの方向を「正」と定義する。なお、上記したようにフィールドレンズ１２は平面形状の面がＥＰＥ１１の面と平行になるように配置されているため、フィールドレンズ１２も、ＥＰＥ１１と同様に、軸ａに直行する軸に対してチルト角βで傾いている。

ここで、図４を参照して、上記した軸ａについて補足する。図４に示すように、フィールドレンズ１２が無い光学系において、ＥＰＥ１１における「中心Ｃ１」は、ＥＰＥ１１上に形成される画像の中心と定義され、コンバイナ１３における「中心Ｃ２」は、アイポイントから虚像の中心Ｃ３を見つめる視線方向と、コンバイナ１３の反射面との交点と定義される。そして、軸ａは、このような中心Ｃ１と中心Ｃ２とを結んだ線と定義される。なお、フィールドレンズ１２を用いる場合でも、軸ａの定義は中心Ｃ１と中心Ｃ２とを結んだ線であることに変わりはない。

本実施例では、コンバイナ１３によって表示される虚像の歪みを抑制するといった観点より（例えば左右の眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いを抑制するといった観点より）、ＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角αに基づいて設定する。具体的には、ＥＰＥ１１のチルト角βを、コンバイナ１３のチルト角αの略２倍（β≒２α）に設定する。言い換えると、軸ｃに対してコンバイナ１３が傾いている角度の略２倍の角度だけ、軸ｂに対してＥＰＥ１１を傾けて設置する。

（シミュレーション結果）
次に、ＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角αの略２倍に設定した場合のシミュレーション結果について説明する。

以下では、下記のようなパラメータを用いてシミュレーションを行った場合について例示する。なお、「Ｙ１」及び「Ｙ２」については図３（ａ）を参照されたい。
・コンバイナ１３のチルト角α：１２度
・ＥＰＥ１１とフィールドレンズ１２の平面との間隔：２ｍｍ
・ＥＰＥ１１の中心Ｃ１とコンバイナ１３の中心Ｃ２との間隔Ｙ１：１７０ｍｍ
・コンバイナ１３の中心Ｃ２とアイポイントとの間隔Ｙ２：５００ｍｍ
・ＥＰＥ１１上に形成された中間像のサイズ：水平方向の長さ７５ｍｍ×垂直方向の長さ２５ｍｍ（なお、中間像の形状は、図５に示すように、歪みの無い正方形が並べられた格子像である）
・コンバイナ１３の凹面の曲率半径：４００ｍｍ
・フィールドレンズ１２の凸面の曲率半径：１５０ｍｍ
・フィールドレンズ１２の中心厚み：８ｍｍ
・フィールドレンズ１２の屈折率：１．５２６
まず、図６及び図７を参照して、アイボックスセンターでのシミュレーション結果について説明する。ここでは、図６に示すように、アイボックスセンターから「Ｙ３＝１５００ｍｍ」だけ前方の位置に虚像が形成される場合について例示する。ここで、アイボックスセンターとは両眼のほぼ中央であり、虚像をほぼ真正面から観測できる理想的な観測点を指す。

図７は、アイボックスセンターでのシミュレーション結果の一例を示している。図７（ａ）〜（ｃ）では、シミュレーションより得られた虚像を実線で示しており、虚像サイズや形状の比較を行うための参照スクリーンの形状を一点鎖線の枠で示している。ここで参照スクリーンのサイズは「水平方向の長さ４５０（ｍｍ）×垂直方向の長さ１５０（ｍｍ）」である。

図７（ａ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを「０度」に設定した場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角α（＝１２度）の略２倍に設定しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。また、図７（ａ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図７（ａ）より、虚像に歪みが生じていることがわかる。具体的には、虚像の台形歪みや、虚像の弓なりの歪みなどが生じていることがわかる。

図７（ｂ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを「２４度」に設定した場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角α（＝１２度）の２倍に設定した場合のシミュレーション結果例を示している。また、図７（ｂ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図７（ｂ）より、図７（ａ）と比較すると、虚像の台形歪みが適切に除去されていることがわかる。

図７（ｃ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを「２４度」に設定した場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角α（＝１２度）の２倍に設定した場合のシミュレーション結果例を示している。また、図７（ｃ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置した場合のシミュレーション結果例を示している。図７（ｃ）より、図７（ｂ）と比較すると、虚像の弓なりの歪みが適切に除去されていることがわかる。

次に、図８及び図９を参照して、両眼でのシミュレーション結果について説明する。ここでは、図８に示すように、両眼の間隔Ｗが「７０ｍｍ」であり、左眼と右眼との間の中心に位置する点から「Ｙ４＝１５００ｍｍ」だけ前方の位置に虚像が形成される場合について例示する。

図９は、両眼でのシミュレーション結果の一例を示している。図９（ａ）〜（ｃ）では、シミュレーションより得られた虚像を実線及び破線で示しており、参照スクリーンの形状を一点鎖線の枠で示している。具体的には、左眼で観察される虚像を実線で示しており、右眼で観察される虚像を破線で示している。

図９（ａ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを「０度」に設定した場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角α（＝１２度）の略２倍に設定しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。また、図９（ａ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図９（ａ）より、台形歪みや弓なりの歪みなどの虚像の歪みが生じていることがわかる。また、左眼で観察される虚像の歪みの形状と、右眼で観察される虚像の歪みの形状とが、異なることがわかる。

図９（ｂ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを「２４度」に設定した場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角α（＝１２度）の２倍に設定した場合のシミュレーション結果例を示している。また、図９（ｂ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図９（ｂ）より、図９（ａ）と比較すると、虚像の台形歪みが適切に除去されていることがわかる。また、両眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いが適切に抑制されていることがわかる。

図９（ｃ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを「２４度」に設定した場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角α（＝１２度）の２倍に設定した場合のシミュレーション結果例を示している。また、図９（ｃ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置した場合のシミュレーション結果例を示している。図９（ｃ）より、図９（ｂ）と比較すると、虚像の弓なりの歪みが適切に除去されていることがわかる。また、図９（ｂ）に示したような両眼での虚像の形状の違いが抑制された状態が、適切に維持されていることがわかる。

以上のことから、第１実施例によれば、ＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角αの略２倍に設定することで、虚像の歪みを適切に抑制することができる。具体的には、虚像の台形歪みや、両眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いを適切に抑制することができる。また、第１実施例によれば、ＥＰＥ１１の射出側にフィールドレンズ１２を挿入することで、虚像の弓なりの歪みを適切に抑制することができる。

ここで、図１０を参照して、ＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角αの略２倍に設定することで虚像の歪みを抑制することができる理由について考察する。

図１０（ａ）は、ＥＰＥ１１及びコンバイナ１３の側面図を示す。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）中の矢印Ａ１で示す方向から観察した、ＥＰＥ１１及びコンバイナ１３の上面図を示す。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを「０度」に設定した場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角αの略２倍に設定しなかった場合の状態を示している。この場合、図１０（ｂ）に示すように、ＥＰＥ１１の上部より射出された光線１が到達するコンバイナ１３の面の位置は符号１３ａで示すような位置となり、ＥＰＥ１１の下部より射出された光線２が到達するコンバイナ１３の面の位置は符号１３ｂで示すような位置となる。これより、光線２がコンバイナ１３の面に到達するまでの距離が、光線１がコンバイナ１３の面に到達するまでの距離よりも長いことがわかる。このような距離の差により、コンバイナ１３の面に当たる水平方向の光線高さが大きくなることで、下に広がった虚像歪みが生じるものと推測される。

図１０（ｃ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角αの略２倍に設定した場合の、ＥＰＥ１１及びコンバイナ１３の側面図を示す。この場合には、ＥＰＥ１１の上部より射出された光線１がコンバイナ１３の面に到達するまでの距離と、ＥＰＥ１１の下部より射出された光線２がコンバイナ１３の面に到達するまでの距離とが、概ね等しくなる。そのため、上記したような虚像の歪みが軽減されるものと考えられる。

なお、ＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角αの２倍に設定することに限定はされない。上記したように、ＥＰＥ１１の種々の箇所から射出された光線がコンバイナ１３の面に到達するまでの距離が概ね等しくなれば、虚像の歪みを軽減することができるので、１つの例では、ＥＰＥ１１の種々の箇所から射出された光線がコンバイナ１３の面に到達するまでの距離が概ね等しくなるように、コンバイナ１３のチルト角αに応じてＥＰＥ１１のチルト角βを設定することができる。例えば、ＥＰＥ１１のチルト角βを、コンバイナ１３のチルト角αよりも少なくとも大きな角度に設定することができる。但し、上記したようなシミュレーション結果より、ＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角αの２倍に設定することが好適であると言える。しかしながら、ＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角αの２倍に厳密に設定しなくても良く、ＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角αの２倍付近の角度に設定しても良い。ＥＰＥ１１のチルト角βがコンバイナ１３のチルト角αの２倍付近の角度であれば、ＥＰＥ１１の種々の箇所から射出された光線がコンバイナ１３の面に到達するまでの距離が概ね等しくなるものと想定されるからである。

上記ではコンバイナ１３の曲率半径が４００ｍｍである場合の結果を示したが、以下では、ＥＰＥ１１の最適なチルト角βが、コンバイナ１３の曲率半径に依らないことを説明する。

ここでは、コンバイナ１３の曲率半径が４００ｍｍである場合の結果と、コンバイナ１３の曲率半径が５００ｍｍである場合の結果とを比較する。シミュレーションは、下記のようなパラメータを用いて行ったものとする。なお、コンバイナ１３の曲率半径が４００ｍｍである場合を適宜「Ｒ４００」と表記し、コンバイナ１３の曲率半径が５００ｍｍである場合を適宜「Ｒ５００」と表記する。
・ＥＰＥ１１上の中間像サイズ：水平方向の長さ７５ｍｍ×垂直方向の長さ２５ｍｍ
・目から虚像までの距離：１５００ｍｍ
・コンバイナ１３のチルト角α：１２度
・Ｒ４００のコンバイナ１３の曲率半径：４００ｍｍ
・Ｒ４００のコンバイナ１３とＥＰＥ１１との間隔：１７０ｍｍ
・Ｒ４００のコンバイナ１３に用いた参照スクリーンサイズ：水平方向の長さ４５０ｍｍ×垂直方向の長さ１５０ｍｍ
・Ｒ５００のコンバイナ１３の曲率半径：５００ｍｍ
・Ｒ５００のコンバイナ１３とＥＰＥ１１との間隔：２００ｍｍ
・Ｒ５００のコンバイナ１３に用いた参照スクリーンサイズ：水平方向の長さ３６０ｍｍ×垂直方向の長さ１２０ｍｍ
図１１は、Ｒ４００及びＲ５００のシミュレーション結果の一例を示す。ここでは、フィールドレンズ１２を用いなかった場合の結果を示す。図１１（ａ）は、ＥＰＥ１１のチルト角を種々の値に設定した場合の、Ｒ４００及びＲ５００での虚像の歪量を示している。「虚像の歪量」は、図１１（ｂ）及び（ｃ）中の一点鎖線Ｘ１で示すような枠の縦線に対する、図１１（ｂ）及び（ｃ）中の実線矢印Ｘ２で示すような虚像端部の縦線の角度の絶対値にて定義される。図１１（ｂ）は、Ｒ４００を用いた場合の、ＥＰＥ１１のチルト角βを０度に設定した際のアイボックスセンターで観察される虚像歪みを示し、図１１（ｃ）は、Ｒ４００を用いた場合の、ＥＰＥ１１のチルト角βを３２度に設定した際のアイボックスセンターで観察される虚像歪みを示している。

図１１（ａ）より、コンバイナ１３の曲率半径が４００ｍｍでも５００ｍｍでも、虚像の歪量が最も小さくなるＥＰＥ１１のチルト角度βが２４度（コンバイナ１３のチルト角αの２倍）であることがわかる。つまり、コンバイナ１３の曲率半径が４００ｍｍでも５００ｍｍでも、ＥＰＥ１１のチルト角度βに関する最適な設定値が変わらないと言える。

また、図１１（ａ）より、ＥＰＥ１１のチルト角度βが２４度（β＝２α）であるときに虚像の歪量が最も小さくなるが、チルト角度βが２４度でなくても、チルト角度βが２４度付近の角度であれば、虚像の歪量が小さいことがわかる。この結果より、ＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角αの２倍に設定しなくても、ＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角αの２倍付近の角度に設定すれば、虚像の歪みを軽減できるといった本実施例による効果が得られることが実証された。

他方で、図１１（ａ）より、ＥＰＥ１１のチルト角度βが２４度よりも小さいと下に広がった台形形状の虚像歪みが生じ、ＥＰＥ１１のチルト角度βが２４度よりも大きいと上に広がった台形形状の虚像歪みが生じることがわかる。また、図１１（ｂ）及び（ｃ）より、ＥＰＥ１１のチルト角度βが２４度から大きく異なる値になった場合、アスペクト比の理想状態とのずれも大きくなってしまうことがわかる。

図１２は、ＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナのチルト角αと同程度にした場合でも、虚像の歪みが低減されることを説明するための図である。図１２（ａ）は、Ｒ４００のシミュレーション結果の一例を示し、図１２（ｂ）は、Ｒ５００のシミュレーション結果の一例を示している。具体的には、図１２（ａ）は、Ｒ４００を用いた場合の、ＥＰＥ１１のチルト角βを１２度に設定した際のアイボックスセンターで観察される虚像歪みを示し、図１２（ｂ）は、Ｒ５００を用いた場合の、ＥＰＥ１１のチルト角βを１２度に設定した際のアイボックスセンターで観察される虚像歪みを示している。なお、シミュレーションのパラメータは、図１１に示したシミュレーションと同様のものを用いたものとする。

図１２（ａ）及び（ｂ）より、ＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナのチルト角αと同程度にした場合でも、虚像の歪みがある程度低減できていることがわかる。この状態からＥＰＥ１１のチルト角βを更に大きくしていくと、虚像の歪みが更に低減するものと推測される。

［第２実施例］
次に、本発明の第２実施例について説明する。第２実施例では、レーザプロジェクタ１から照射される光によってＥＰＥ１１上に形成される像の歪みを補正する点で、第１実施例と異なる。具体的には、第２実施例では、レーザプロジェクタ１より照射された光がＥＰＥ１１に垂直に入射しないような配置状態である場合に、レーザプロジェクタ１より照射された光がＥＰＥ１１に垂直に入射しないことにより生じ得る、ＥＰＥ１１上に形成される像の歪みを補正する。

なお、以下では、上記した第１実施例と同様の構成については、適宜説明を省略する。また、ここで特に説明しない構成については、第１実施例と同様であるものとする。例えば、ＥＰＥ１１のチルト角βをコンバイナ１３のチルト角αの略２倍に設定するといった構成は、第２実施例にも適用される。

図１３は、レーザプロジェクタ１とＥＰＥ１１との配置状態の具体例を示す。図１３（ａ）は、レーザプロジェクタ１からの光がＥＰＥ１１に垂直に入射するような配置状態を示している。この配置状態では、画像中心を描画するための光が、レーザプロジェクタ１からＥＰＥ１１に対して垂直に投射される。図１３（ｂ）は、レーザプロジェクタ１からの光がＥＰＥ１１に垂直に入射しないような配置状態を示している。この配置状態では、画像中心を描画するための光が、所定の入射角度（≠０度）にて、レーザプロジェクタ１からＥＰＥ１１に対して斜めに投射される。

図１３（ｂ）に示した配置状態を適用した場合には、ＥＰＥ１１上に形成される像（実像を意味する。以下同様とする。）に台形歪みが発生する場合がある。第２実施例では、このような台形歪みを補正するための処理を行う。なお、図１３（ａ）に示した配置状態を適用した場合には、基本的には、ＥＰＥ１１上に形成される像に台形歪みは発生しない。しかしながら、図１３（ａ）の配置状態では、表示装置１００を車室内の上部に設置した場合に、ヘッドクリアランスを確保しにくくなる。よって、表示装置１００を車室内の上部に設置する場合のヘッドクリアランスを確保するといった観点では、図１３（ａ）の配置状態よりも図１３（ｂ）の配置状態のほうが有利であると言える。

図１４は、ＥＰＥ１１上に形成される像の台形歪みを補正する方法を説明するための図である。図１４（ａ）は、図１３（ｂ）に示した配置状態を適用した場合に生じ得る、ＥＰＥ１１上に形成される像の台形歪みの具体例を示している。第２実施例では、このような台形歪みをキャンセルするような画像を、レーザプロジェクタ１によってＥＰＥ１１上に描画させる処理を行う。具体的には、図１４（ｂ）に示すような上辺から下辺にかけて長さが徐々に変化するような画像を、入力された画像の縦の幅を圧縮して描画することで、ＥＰＥ１１上には図５に示すような歪の無い格子像が形成される。

１つの例では、レーザプロジェクタ１内のレーザドライバＡＳＩＣ７（図２参照）が、レーザ光源ユニット９内のレーザＬＤの発光周期を変える制御（つまりレーザＬＤを発光させるタイミングを変える制御）を行うことで、ＥＰＥ１１上に形成される像のどの横のラインでも画素の数が変わらないように、図１４（ｂ）に示すような画像をレーザプロジェクタ１で描画する。この例では、レーザドライバＡＳＩＣ７は、ＥＰＥ１１上に形成される画像の上部から下部にかけて、レーザＬＤの発光周期が徐々に短くなるように制御を行う（言い換えると、ＥＰＥ１１上に形成される画像の下部から上部にかけて、レーザＬＤの発光周期が徐々に長くなるように制御を行う）。同時に、ＭＥＭＳ制御部８は、入力された画像に対して描画する横のラインの間隔を狭める、言い換えると線密度を上げるようにＭＥＭＳミラー１０を制御する。他の例では、レーザプロジェクタ１内のビデオＡＳＩＣ３（図２参照）が、画像信号入力部２から入力された画像に対して画像処理を行うことで、図１４（ｂ）に示すような画像をＥＰＥ１１上に描画させる。この例では、ビデオＡＳＩＣ３は、画像信号入力部２から入力された元画像を、図１４（ｂ）に示すような画像に変形する画像処理を行う。このように、レーザプロジェクタ１内のレーザドライバＡＳＩＣ７やビデオＡＳＩＣ３は、本発明における「補正手段」の一例に相当する。

以上説明した第２実施例によれば、レーザプロジェクタ１より照射された光がＥＰＥ１１に垂直に入射しないことに起因する、ＥＰＥ１１上に形成される像の歪みを適切に補正することができる。そのため、表示装置１００を車室内に設置する場合に、ＥＰＥ１１上に形成される像の歪みといった不具合の発生を抑制しつつ、ヘッドクリアランスが確保されるような適切な配置を採用することが可能となる。

［第３実施例］
次に、本発明の第３実施例について説明する。第３実施例では、コンバイナ１３のチルト角αが変化された場合に、変化後のチルト角αに応じてＥＰＥ１１のチルト角βを自動で変化させる点で、上記した第１及び第２実施例と異なる。具体的には、第３実施例では、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との相対的な角度関係を所定の条件に維持したまま、ＥＰＥ１１のチルト角βを変化させる制御を行う。詳しくは、「β≒２α」といった条件が満たされるように、コンバイナ１３のチルト角αの変化に応じて、ＥＰＥ１１のチルト角βを変化させる制御を行う。

ここで、表示装置を車室内に設置して利用する場合、ユーザとしての運転者のアイポイントは、運転者の座高やシートポジションなどによって変わるため、運転者はコンバイナ１３のチルト角αを調整する傾向にある。したがって、第３実施例では、運転者がコンバイナ１３のチルト角αを変化させることを想定して、チルト角αが変化された場合に、それに伴ってＥＰＥ１１のチルト角βを自動で変化させることとした。

図１５は、第３実施例に係る表示装置１０１の全体構成を概略的に示したブロック図である。なお、第１実施例に係る表示装置１００（図１及び図３参照）と同様の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

第３実施例に係る表示装置１０１は、レーザプロジェクタ１の代わりにレーザプロジェクタ１ａを有すると共に、角度センサ１５及びアクチュエータ１６を有する点で、第１実施例に係る表示装置１００と異なる。角度センサ１５は、コンバイナ１３のチルト角αを検出する。アクチュエータ１６は、ＥＰＥ１１のチルト角βを変化させる制御を行う。レーザプロジェクタ１ａは、レーザプロジェクタ１と同様の構成要素（図２参照）を有すると共に、アクチュエータ１６を制御する制御部１ａａを有する。

レーザプロジェクタ１内の制御部１ａａは、角度センサ１５が検出したチルト角αに対応する検出信号Ｓ１５を取得し、検出信号Ｓ１５に基づいて、ＥＰＥ１１のチルト角βを変化させるための制御信号Ｓ１６をアクチュエータ１６に供給する。具体的には、制御部１ａａは、ＥＰＥ１１のチルト角βを、コンバイナ１３のチルト角αの略２倍に設定する制御を行う。つまり、制御部１ａａは、コンバイナ１３のチルト角αが変化された場合に、変化後のチルト角αの略２倍の角度に、ＥＰＥ１１のチルト角βを変化させる制御を行う。なお、制御部１ａａ及びアクチュエータ１６は、本発明における「角度変更手段」の一例に相当する。

次に、図１６及び図１７を参照して、上記のようにコンバイナ１３のチルト角αに応じてＥＰＥ１１のチルト角βを変化させた場合のシミュレーション結果について説明する。なお、シミュレーションは、コンバイナのチルト角αを除いて第一実施例の図７、図９と同じパラメータを使用して行ったものとする。図１６及び図１７では、初期状態において、コンバイナ１３のチルト角αが第１実施例と同様に「１２度」に設定されており、この状態から「１６度」にチルト角αが変化された場合について例示する。また、ＥＰＥ１１のチルト角βは、初期状態において、第１実施例と同様に「２４度」に設定されているものとする（つまり初期状態においては「β＝２α」に設定されているものとする）。その他のパラメータは、第１実施例と同様の値であるものとする。

図１６は、アイボックスセンターでのシミュレーション結果の一例を示している。図１６（ａ）〜（ｄ）では、シミュレーションより得られた虚像を実線で示しており、参照スクリーンの形状を一点鎖線の枠で示している。

図１６（ａ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを、コンバイナ１３における変化後のチルト角α（＝１６度）の略２倍に変化させなかった場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βを「２４度」に維持した場合のシミュレーション結果例を示している。また、図１６（ａ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図１６（ａ）より、虚像の歪みが生じていることがわかる。具体的には、図７（ｂ）に示した、コンバイナ１３のチルト角αを変化させる前の初期状態での結果と比較すると、新たな虚像の歪みが生じていることがわかる。

図１６（ｂ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを、コンバイナ１３における変化後のチルト角α（＝１６度）の略２倍に変化させなかった場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βを「２４度」に維持した場合のシミュレーション結果例を示している。また、図１６（ｂ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置した場合のシミュレーション結果例を示している。図１６（ｂ）より、図１６（ａ）と比較すると、虚像の弓なりの歪みが抑制されているが、図７（ｃ）に示した、コンバイナ１３のチルト角αを変化させる前の初期状態での結果と比較すると、新たな虚像の歪みが生じていることがわかる。

図１６（ｃ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを、コンバイナ１３における変化後のチルト角α（＝１６度）の略２倍に変化させた場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βを「３２度」に変化させた場合のシミュレーション結果例を示している。また、図１６（ｃ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図１６（ｃ）より、図１６（ａ）と比較すると、虚像の歪みが適切に軽減されていることがわかる。

図１６（ｄ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを、コンバイナ１３における変化後のチルト角α（＝１６度）の略２倍に変化させた場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βを「３２度」に変化させた場合のシミュレーション結果例を示している。また、図１６（ｄ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置した場合のシミュレーション結果例を示している。図１６（ｄ）より、図１６（ｂ）と比較すると、虚像の歪みが適切に除去されていることがわかる。また、図１６（ｃ）と比較すると、虚像の弓なりの歪みが適切に除去されていることがわかる。

図１７は、両眼でのシミュレーション結果の一例を示している。図１７（ａ）〜（ｄ）では、シミュレーションより得られた虚像を実線及び破線で示しており、参照スクリーンの形状を一点鎖線の枠で示している。具体的には、左眼で観察される虚像を実線で示しており、右眼で観察される虚像を破線で示している。

図１７（ａ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを、コンバイナ１３における変化後のチルト角α（＝１６度）の略２倍に変化させなかった場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βを「２４度」に維持した場合のシミュレーション結果例を示している。また、図１７（ａ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図１７（ａ）より、虚像の歪みが生じていることがわかる。具体的には、図９（ｂ）に示した、コンバイナ１３のチルト角αを変化させる前の初期状態での結果と比較すると、新たな虚像の歪みが生じていると共に、両眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いが大きくなっていることがわかる。

図１７（ｂ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを、コンバイナ１３における変化後のチルト角α（＝１６度）の略２倍に変化させなかった場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βを「２４度」に維持した場合のシミュレーション結果例を示している。また、図１７（ｂ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置した場合のシミュレーション結果例を示している。図１７（ｂ）より、図１７（ａ）と比較すると、虚像の弓なりの歪みが抑制されているが、図９（ｃ）に示した、コンバイナ１３のチルト角αを変化させる前の初期状態での結果と比較すると、新たな虚像の歪みが生じていると共に、両眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いが大きくなっていることがわかる。

図１７（ｃ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを、コンバイナ１３における変化後のチルト角α（＝１６度）の略２倍に変化させた場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βを「３２度」に変化させた場合のシミュレーション結果例を示している。また、図１７（ｃ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置しなかった場合のシミュレーション結果例を示している。図１７（ｃ）より、図１７（ａ）と比較すると、虚像の歪みが適切に軽減されていると共に、両眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いが適切に軽減されていることがわかる。

図１７（ｄ）は、ＥＰＥ１１のチルト角βを、コンバイナ１３における変化後のチルト角α（＝１６度）の略２倍に変化させた場合、つまりＥＰＥ１１のチルト角βを「３２度」に変化させた場合のシミュレーション結果例を示している。また、図１７（ｄ）は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にフィールドレンズ１２を設置した場合のシミュレーション結果例を示している。図１７（ｄ）より、図１７（ｂ）と比較すると、虚像の歪みが適切に軽減されていると共に、両眼のそれぞれで観察される虚像の形状の違いが適切に軽減されていることがわかる。また、図１７（ｃ）と比較すると、虚像の弓なりの歪みが適切に除去されていることがわかる。

以上説明した第３実施例によれば、コンバイナ１３のチルト角αが変化された場合に、ＥＰＥ１１のチルト角βを適切に変化させることで（具体的には変化後のチルト角αの略２倍にＥＰＥ１１のチルト角βを変化させることで）、コンバイナ１３のチルト角αの変化によって生じる虚像の歪みを適切に抑制することができる。

なお、上記の第１実施例で述べた理由より、ＥＰＥ１１のチルト角βを変化後のチルト角αの２倍に厳密に変化させなくても良い。つまり、ＥＰＥ１１のチルト角βを、コンバイナ１３における変化後のチルト角αの２倍付近の角度に変化させても良い。

また、第３実施例は、上記した第２実施例と組み合わせて実施することができる。つまり、コンバイナ１３のチルト角αが変化された場合に、変化後のチルト角αの略２倍にＥＰＥ１１のチルト角βを変化させる制御を行うと共に、レーザプロジェクタ１から照射される光によってＥＰＥ１１上に形成される像の歪みを補正する処理を行うことができる。

［変形例］
次に、上記した実施例の変形例について説明する。なお、以下で提示する変形例は、上記した第１乃至第３実施例に適宜組み合わせて実施することができると共に、それぞれを適宜組み合わせて実施することができる。

（変形例１）
上記した実施例では、ユーザが虚像を見上げるように構成された表示装置１００、１０１を示したが、変形例１は、ユーザが虚像を見下ろすように構成された表示装置に関する。

図１８は、変形例１に係る表示装置１０２の全体構成を概略的に示したブロック図である。なお、第１実施例に係る表示装置１００（図１及び図３参照）と同様の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

図１８に示すように、変形例１に係る表示装置１０２は、ユーザが見下ろすことで虚像を観察可能に構成されている点で、第１実施例に係る表示装置１００などと異なる。具体的には、第１実施例に係る表示装置１００では、ユーザが見上げることで虚像が観察できるように、ＥＰＥ１１及びコンバイナ１３を、それぞれ軸ｂ、ｃに対して反時計回りの方向にチルト角β、αで傾けていたが、変形例１に係る表示装置１０２では、ユーザが見下ろすことで虚像が観察できるように、ＥＰＥ１１及びコンバイナ１３を、それぞれ軸ｂ、ｃに対して時計回りの方向にチルト角β、αで傾ける。このような変形例１に係る構成でも、第１実施例などと同様に、ＥＰＥ１１のチルト角βがコンバイナ１３のチルト角αの略２倍に設定される（変形例１では、軸ｂ、ｃに対して時計回りの方向を「正」と定義する）。

（変形例２）
変形例２は、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間にミラーが設けられている点で、上記した実施例と異なる。

図１９は、変形例２に係る表示装置１０３の全体構成を概略的に示したブロック図である。なお、第１実施例に係る表示装置１００（図１及び図３参照）と同様の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

図１９に示すように、変形例２に係る表示装置１０３では、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間に平面ミラー１９が設けられている。具体的には、平面ミラー１９は、フィールドレンズ１２とコンバイナ１３との間に配置されている。平面ミラー１９は、フィールドレンズ１２からの光を反射してコンバイナ１３に入射させる。例えば、平面ミラー１９は、ＥＰＥ１１の中心を通過した光が４５度の入射角にて入射し、当該光を４５度の反射角で反射することでコンバイナ１３の中心に入射させる。このような平面ミラー１９は、例えば表示装置１０３の全長を短くさせるといった観点より設けられる。

ここで、ＥＰＥ１１の中心Ｃ１から平面ミラー１９に入射する光の進行方向に対応する軸を「ａ１」と定義し、平面ミラー１９からコンバイナ１３の中心Ｃ２に入射する光の進行方向に対応する軸を「ａ２」と定義する。軸ａ１及び軸ａ２は、上記したＥＰＥ１１の中心Ｃ１とコンバイナ１３の中心Ｃ２とを結んだ軸ａ（図３参照）を折り曲げた軸に相当する。この場合、軸ａ１に直行すると共にＥＰＥ１１の中心Ｃ１を通る軸ｂ１に対して、ＥＰＥ１１が傾いている角度を、ＥＰＥ１１のチルト角βとして定義する。同様に、軸ａ２に直行すると共にコンバイナ１３の中心Ｃ２を通る軸ｃ１に対して、コンバイナ１３が傾いている角度を、コンバイナ１３のチルト角αとして定義する。また、ＥＰＥ１１のチルト角βについては、軸ｂ１に対して反時計回りの方向を「正」と定義し、コンバイナ１３のチルト角αについては、軸ｃ１に対して時計回りの方向を「正」と定義する。

このようにチルト角α、βを定義した場合、虚像の歪みを適切に抑制することができるチルト角α、βは、第１実施例などと同様に「β≒２α」となる。よって、変形例２でも、ＥＰＥ１１のチルト角βがコンバイナ１３のチルト角αの略２倍に設定される。

なお、上記では、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間に１つのミラー（平面ミラー１９）のみを設ける構成を示したが、ＥＰＥ１１とコンバイナ１３との間に２つ以上のミラーを設けても良い。この場合にも、ＥＰＥ１１のチルト角βがコンバイナ１３のチルト角αの略２倍に設定される（但し、ミラーを設ける態様などによって、ＥＰＥ１１及びコンバイナ１３をチルトさせる方向（時計回り又は反時計回り）が変わってくる）。

（変形例３）
変形例３は、レーザプロジェクタ１及びＥＰＥ１１の代わりに、液晶ディスプレイを用いる点で、上記した実施例と異なる。

図２０は、変形例３に係る表示装置１０４の全体構成を概略的に示したブロック図である。なお、第１実施例に係る表示装置１００（図１及び図３参照）と同様の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

図２０に示すように、変形例３に係る表示装置１０４は、レーザプロジェクタ１及びＥＰＥ１１の代わりに、液晶ディスプレイ２００を有する点で、第１実施例に係る表示装置１００などと異なる。液晶ディスプレイ２００は、本発明の「画像形成素子」の一例に相当する。液晶ディスプレイ２００も、上記した第１実施例などと同様に、コンバイナ１３のチルト角αの略２倍のチルト角βにて配置される。

なお、レーザプロジェクタ１及びＥＰＥ１１の代わりに、液晶ディスプレイ２００を用いることに限定はされない。他の例では、レーザプロジェクタ１及びＥＰＥ１１の代わりに、有機ＥＬディスプレイを用いることができる。この場合、有機ＥＬディスプレイは、本発明の「画像形成素子」の一例に相当する。

（変形例４）
変形例４は、ＥＰＥ１１の射出側に配置されたフィールドレンズの構成が、上記した実施例と異なる。具体的には、変形例４に係るフィールドレンズは、ＥＰＥ１１からの光が入射する面（つまり入射面）が凸面形状に構成されていると共に、ＥＰＥ１１からの光が入射する面と反対側の面（つまり出射面）が凸面形状に構成されている。即ち、変形例４に係るフィールドレンズは、両凸球面の形状を有している。また、変形例４に係るフィールドレンズは、その中心とＥＰＥ１１の中心とを結んだ軸が、ＥＰＥ１１の鉛直方向に延びる軸と平行になるように配置されている。フィールドレンズから出射された光は、コンバイナ１３に入射する。なお、変形例４に係るフィールドレンズも、本発明における「虚像歪補正素子」の一例に相当する。

図２１は、変形例４に係るフィールドレンズを用いた場合のシミュレーション結果の一例を示す。なお、シミュレーションは、下記のようなパラメータを用いて行ったものとする。
・ＥＰＥ１１とフィールドレンズ入射面との間隔：２ｍｍ（ＥＰＥ１１とフィールドレンズの中心は一致するものとする）
・ＥＰＥ１１の中心Ｃ１とコンバイナ１３の中心Ｃ２との間隔Ｙ１：１７０ｍｍ
・コンバイナ１３の中心Ｃ２とアイポイントとの間隔Ｙ２：５００ｍｍ
・コンバイナ１３の曲率半径：４００ｍｍ（コンバイナ１３の形状は球面）
・コンバイナ１３のチルトα：１２度
・ＥＰＥ１１のチルトβ：２４度
・ＥＰＥ１１上の中間像サイズ：水平方向の長さ７５ｍｍ×垂直方向の長さ２５ｍｍ
・フィールドレンズの入射側の曲率半径：８００ｍｍ
・フィールドレンズの射出側の曲率半径：１７０ｍｍ
・フィールドレンズの中心厚み：８ｍｍ
・フィールドレンズの屈折率：１．５２６
図２１（ａ）は、変形例４に係るフィールドレンズを用いた場合のアイボックスセンターでのシミュレーション結果の一例を示し、図２１（ｂ）は、変形例４に係るフィールドレンズを用いた場合の両眼でのシミュレーション結果の一例を示している。図２１（ａ）及び（ｂ）より、両凸球面に構成されたフィールドレンズを用いた場合にも、虚像の歪み（弓なりの歪みなど）を適切に抑制できていることがわかる。

（変形例５）
上記した実施例では、本発明をレーザプロジェクタ１に適用する例を示したが、本発明は、レーザプロジェクタ１以外にも、液晶プロジェクタなどの種々のプロジェクタに適用することができる。

（変形例６）
上記した実施例では、球面形状に構成されたフィールドレンズ１２及びコンバイナ１３に本発明を適用する例を示したが、本発明は、非球面形状に構成されたフィールドレンズ及び／又はコンバイナにも適用することができる。また、上記した実施例では、平面形状に構成されたＥＰＥ１１に本発明を適用する例を示したが、ＥＰＥ１１を平面形状に構成することに限定はされない。

以上に述べたように、実施例は、上述した実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能である。

本発明は、ヘッドアップディスプレイなどの、虚像として画像を視認させる表示装置に利用することができる。

１ レーザプロジェクタ
１１ 射出瞳拡大素子（ＥＰＥ）
１２ フィールドレンズ
１３ コンバイナ
１５ 角度センサ
１６ アクチュエータ
１９ 平面ミラー
１００ 表示装置

請求項１に記載の発明では、表示装置は、表示すべき画像を形成する画像形成素子と、前記画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる光学素子と、を備え、前記光学素子は、前記画像形成素子から出射された光の進行方向に向かって凹形状を有しており、前記画像形成素子の中心から前記光学素子の中心へと進む光の進行方向に垂直な軸に対する前記画像形成素子の面の角度である第１角度が、前記光の進行方向に垂直な軸に対する前記光学素子の面の角度である第２角度より大きな角度となるよう設定され、前記画像形成素子は、光源から照射された光の射出瞳拡大素子である。

Claims (18)

1. 表示すべき画像を形成する画像形成素子と、
   前記画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる光学素子と、を備え、
   前記画像形成素子の中心から前記光学素子の中心へと進む光の進行方向に対する前記画像形成素子の角度である第１角度が、前記光学素子によって表示される前記虚像の歪みが小さくなるように、前記光の進行方向に対する前記光学素子の角度である第２角度に応じて設定されていることを特徴とする表示装置。
2. 前記光の進行方向に対する前記光学素子の角度の変化に起因する前記虚像の歪みを小さくするように、前記光の進行方向に対する前記画像形成素子の角度を変化させる角度変更手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記光学素子の角度を変化させる手段を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
4. 前記第１角度は、前記第２角度よりも大きな角度となるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表示装置。
5. 前記第１角度は、前記第２角度の略２倍の角度となるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の表示装置。
6. 前記光学素子は、前記画像形成素子から出射された光の進行方向に向かって凹形状を有しており、
   前記画像形成素子は、平面形状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の表示装置。
7. 前記角度変更手段は、前記虚像の台形歪み及び／又は前記画像形成素子上に形成された画像と前記虚像とのアスペクト比の違いを小さくするように、前記光の進行方向に対する前記画像形成素子の角度を変化させることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
8. 前記角度変更手段は、前記画像形成素子と前記光学素子との相対的な角度関係を所定の条件に維持したまま、前記光の進行方向に対する前記画像形成素子の角度を変化させることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
9. 前記角度変更手段は、前記光の進行方向に対する前記画像形成素子の角度を、前記光の進行方向に対する前記光学素子の角度の略２倍に変化させることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
10. 前記画像形成素子と前記光学素子との間に、虚像歪補正素子が配置されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の表示装置。
11. 前記虚像歪補正素子は、前記光学素子が曲率を有することに起因する、前記虚像の弓なりの歪みを補正することを特徴とする請求項１０に記載の表示装置。
12. 前記画像形成素子は、光源から照射された光の射出瞳を拡大する射出瞳拡大素子であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の表示装置。
13. 前記光源から照射された光によって前記画像形成素子上に形成される像の歪みを補正する補正手段を更に備えることを特徴とする請求項１２に記載の表示装置。
14. 前記補正手段は、前記光源より照射された光の前記画像形成素子に対する角度に起因する、前記像の歪みを補正することを特徴とする請求項１３に記載の表示装置。
15. 前記画像形成素子は、液晶ディスプレイであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の表示装置。
16. 前記画像形成素子は、有機ＥＬディスプレイであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の表示装置。
17. 前記第１角度は、前記画像形成素子の中心から前記光学素子の中心へと進む光の進行方向に直行し、且つ前記画像形成素子の中心を通る軸に対して、前記画像形成素子がなす角度であり、
    前記第２角度は、前記画像形成素子の中心から前記光学素子の中心へと進む光の進行方向に直行し、且つ前記光学素子の中心を通る軸に対して、前記光学素子がなす角度であることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の表示装置。
18. 表示すべき画像を形成する画像形成素子と、
    前記画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる光学素子と、
    前記画像形成素子の中心から前記光学素子の中心へと進む光の進行方向に対する前記光学素子の角度を変化させる第１角度変更手段と、
    前記光の進行方向に対する前記光学素子の角度の変化に起因する前記虚像の歪みを小さくするように、前記光の進行方向に対する前記画像形成素子の角度を変化させる第２角度変更手段と、を備えることを特徴とする表示装置。

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