JP2019215567A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 虚像の視認性（品質）を維持しつつ小型化を図ることができ、さらにコストも低減できる画像表示装置を提供する。【解決手段】 光源部を有する光源装置と、光源部からの光により中間画像が形成される画像形成部を備える走査光学系と、中間画像を反射鏡と湾曲する透過反射部材により導光する虚像光学系と、を有し、走査光学系は、光源部からの光を画像形成部における主走査方向と副走査方向に走査する光走査手段を有していて、画像形成部は、反射鏡に凸面を向けるよう湾曲している透過部材である、画像表示装置による。【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置に関するものである。

自動車や航空機、船舶などの移動体（物体）に搭載されるヘッドアップディスプレイと呼ばれる画像表示装置が知られている。ヘッドアップディスプレイは、移動体の動作に関わる種々の情報を利用者に視認しやすく表示する画像表示装置である。ヘッドアップディスプレイは、コンバイナと呼ばれる光学素子を有し、上記の情報を表示するための画像光をコンバイナに投射して表示する。コンバイナに投射された画像光によって、上記の情報に関わる表示は利用者にとってはコンバイナの物理的な位置よりも遠く（利用者にとっての奥行き側）に虚像として視認できる状態になる。自動車などのフロントウインドシールドをコンバイナとして用いてもよいし、別体の透過反射部材をコンバイナとして用いてもよい。

ヘッドアップディスプレイにおいて、表示される情報の視認性を向上させるには、虚像の歪みを低減させる必要がある。そこで、虚像の元になる中間画像を形成する画像形成部における歪みを補正するために画像形成部の前段に自由曲面レンズを配置するヘッドアップディスプレイが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

ヘッドアップディスプレイは、移動体の利用者（操縦者）の前方に配置されるものである。移動体が自動車であればヘッドアップディスプレイはダッシュボードに収納される。したがって、ヘッドアップディスプレイに対しては、さらなる小型化の要求を満足しつつ、情報の視認性も向上させることが望まれている。

特許文献１の例のように、中間画像を生成する画像形成部を含む光学系に中間画像の歪みや解像度を補正する補正用の光学素子を配置すると、小型化への要求に反する。また、補正用の光学素子を必要とするのでコストアップにつながる。

本発明は、虚像の視認性（品質）を維持しつつ小型化を図ることができ、さらにコストも低減できる画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、光源部を有する光源装置と、前記光源部からの光により中間画像が形成される画像形成部を備える走査光学系と、前記中間画像を反射鏡と湾曲する透過反射部材により導光する虚像光学系と、を有する画像表示装置であって、前記走査光学系は、前記光源部からの光を前記画像形成部における主走査方向と副走査方向に走査する光走査手段を有していて、前記画像形成部は、前記反射鏡に凸面を向けるよう湾曲している透過部材である、ことを最も主な特徴とする。

本発明によれば、虚像の視認性（品質）を維持しつつ小型化を図ることができ、さらにコストも低減できる。

本発明に係る画像表示装置の実施形態であるヘッドアップディスプレイの例を示す構成図である。 上記ヘッドアップディスプレイが備える光源装置の例を示す構成図である。 上記ヘッドアップディスプレイが備える走査光学系の例を示す（ａ）側面図、（ｂ）平面図である。 上記走査光学系の第１実施例に係る主走査断面方向の光路図であって、（ａ）画像形成部が平面の場合、（ｂ）画像形成部が湾曲形状である場合、を示す光路図である。 上記第１実施例に係る走査光学系が備える被走査面素子の位置とビームスポット径との相関の例であって、（ａ）画像形成部が平面の場合、（ｂ）画像形成部が湾曲形状である場合、の相関を示すグラフである。 上記第１実施例に係る被走査面素子を移動させた場合のビームスポット径と光の到達位置との相関の例であって、（ａ）画像形成部が平面の場合の主走査方向、（ｂ）画像形成部が平面の場合の副走査方向、（ｃ）画像形成部が湾曲形状である場合の主走査方向、（ｄ）画像形成部が湾曲形状である場合の副走査方向、の相関を示すグラフである。 上記第１実施例に係る被走査面素子上の光の到達位置を示す図であって、（ａ）画像形成部が平面の場合、（ｂ）画像形成部が湾曲形状である場合、を示す図である。 上記走査光学系の第２実施例に係る主走査断面方向の光路図であって、（ａ）画像形成部が平面の場合、（ｂ）画像形成部が湾曲形状である場合、を示す光路図である。 上記第２実施例に係る走査光学系が備える被走査面素子の位置とビームスポット径との相関の例であって、（ａ）画像形成部が平面の場合、（ｂ）画像形成部が湾曲形状である場合、の相関を示すグラフである。 上記第２実施例に係る被走査面素子を移動させた場合のビームスポット径と光の到達位置との相関の例であって、（ａ）画像形成部が平面の場合の主走査方向、（ｂ）画像形成部が平面の場合の副走査方向、（ｃ）画像形成部が湾曲形状である場合の主走査方向、（ｄ）画像形成部が湾曲形状である場合の副走査方向、の相関を示すグラフである。 上記第２実施例に係る被走査面素子上の光の到達位置を示す図であって、（ａ）画像形成部が平面の場合、（ｂ）画像形成部が湾曲形状である場合、を示す図である。 上記走査光学系が備える画像形成部の斜視図である。

●ヘッドアップディスプレイ●
以下、本発明に係る画像表示装置の実施形態であるヘッドアップディスプレイ（以下「ＨＵＤ」とする。）について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、ＨＵＤ１０００は、光源装置１００と、第１光学系である走査光学系２００と、第２光学系である虚像光学系３００と、を有してなる。

ＨＵＤ１０００は、物体(自動車や航空機、船舶等の移動体)に搭載され、当該物体の動作や制御に関する情報を視認しやすく表示する画像表示装置である。以下、ＨＵＤ１０００を自動車に装備した場合の例を用いて説明する。

ＨＵＤ１０００は、走査光学系２００において表示対象の情報を含む中間画像を形成する。この中間画像が虚像光学系３００において拡大投射され、利用者１１において拡大虚像１２として視認できる状態になる。走査光学系２００における中間画像の形成には、光源装置１００から出射された光が用いられる。

本実施形態に係る虚像光学系３００は、自動車のフロントウインドシールド１０（いわゆるフロントガラス）をコンバイナ３０２として用いている。なお、フロントウインドシールド１０の代わりに、別体の透過反射部材をコンバイナ３０２として用いてもよい。以下の説明において、虚像光学系３００における中間画像の投射対象は、「コンバイナ３０２」または「フロントウインドシールド１０」のいずれかを用いる。

自動車のフロントウインドシールド１０は、利用者１１の視野における上下方向に傾斜している。したがって、フロントウインドシールド１０は、その上辺側が利用者１１側に近く、下辺側が利用者１１から遠い。また、フロントウインドシールド１０は、利用者１１の視野における左右方向に湾曲している。当該自動車が右ハンドル仕様の場合、フロントウインドシールド１０は利用者１１の視野の左側から中間部分に向けて利用者１１から遠ざかるようになっていて、中間部分から右側に向かうにつれて利用者１１に近くなるように湾曲している。

走査光学系２００において形成された中間画像がコンバイナ３０２に投射されると、利用者１１にとってはコンバイナ３０２の物理的な位置よりも離れた位置に拡大虚像１２として見えるようになる。この拡大虚像１２に、当該自動車の動作状態等に情報（移動速度、移動距離、行き先表示等のナビゲーション情報）が、表示される。

中間画像が投射されるコンバイナ３０２としてフロントウインドシールド１０を利用するタイプのＨＵＤ１０００をフロントガラス投射型という。一方、フロントウインドシールド１０とは別体の透過反射部材を用いるタイプをコンバイナ投射型という。いずれのタイプであっても表示可能な情報に差異は生じない。自動車内部の居室空間におけるデザイン性の観点や、利用者１１の視界にフロントウインドシールド１０とは別体の物（コンバイナ３０２）が入る煩わしさ等の観点から、フロントガラス投射型の方がより好適である。

フロントガラス投射型の場合、一般に、車両のダッシュボード内に中間画像を生成する光学系（走査光学系２００）が埋め込まれる。なお、利用者１１の視点は、単に基準となる視点位置（基準アイポイント）を示している。利用者１１の視点範囲は、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。

ここで、本実施形態の説明に用いる３次元直交座標系について図１を用いて説明する。図１において、利用者１１から拡大虚像１２に向かう方向、すなわち、利用者１１の視野の方向がＨＵＤ１０００を搭載した自動車の進行方向前方になる。

図１に示すように、利用者１１の視野方向をＺ軸方向とし、前方向を−Ｚ方向、後ろ方向を＋Ｚ方向とする。また、利用者１１の視野の左右方向をＸ軸方向とする。この場合、利用者１１における右手方向（紙面奥方向）を＋Ｘ方向とし、左手方向を−Ｘ方向（紙面手前方向）とする。また利用者１１の視野の上下方向をＹ軸方向とする。利用者１１における上方向を＋Ｙ方向とし、下方向を−Ｙ方向とする。言い換えると、自動車の幅方向をＸ軸方向、高さ方向をＹ軸方向、長さ方向をＺ軸方向とする。

ここで、ＨＵＤ１０００の全体構成について説明する。図１に示すように、虚像光学系３００を構成する拡大凹面鏡３０１からコンバイナ３０２へ入射される中間画像（画像光）の入射領域の中心を「入射領域中心３０３」とする。入射領域中心３０３の接平面は、Ｘ軸方向から見て、利用者１１の視点と拡大虚像１２の中心（虚像中心３０５）とを結ぶ第１仮想軸３０４に対して傾斜している。また入射領域中心３０３における接平面をＹ軸方向から見ると第１仮想軸３０４に対して傾斜している。なお、第１仮想軸３０４は、入射領域中心３０３を通過する軸である。

また、拡大凹面鏡３０１の反射面の中心を、反射面中心３０７とする。反射面中心３０７は、拡大凹面鏡３０１の有効反射領域の中心であり、走査光学系２００から虚像光学系３００へ入射される光束の中心である。

走査光学系２００において形成される中間画像の中心（後述する被走査面素子２０２の中心）と反射面中心３０７とを結ぶ第２仮想軸３０６を想定すると、図１に示すように、第２仮想軸３０６は、Ｘ軸方向から見て、第１仮想軸３０４に対して傾斜している。また、第２仮想軸３０６をＹ軸方向から見ると第１仮想軸３０４に対して傾斜している。なお、「被走査面の中心」とは、後述する被走査面素子２０２の有効走査領域の中心を意味する。

●虚像光学系
まず、虚像光学系３００の詳細な構成について説明する。図１において示すように、虚像光学系３００は、拡大凹面鏡３０１と、コンバイナ３０２と、を有してなる。コンバイナ３０２については、既に説明をしたとおりである。拡大凹面鏡３０１には、後述する被走査面素子２０２において形成された「カラーの２次元画像」が画像情報の画素単位の光（各画素に対応する光）が中間画像として届く。拡大凹面鏡３０１は、この中間画像をコンバイナ３０２に向けて反射する。

●光源装置
次にＨＵＤ１０００の各構成について説明する。図２に示すように光源装置１００は、カラー画像である拡大虚像１２を形成するために用いられる画像表示用ビーム１０１を出射する。画像表示用ビーム１０１は、赤（以下「Ｒ」と表示する。）、緑（以下「Ｇ」と表示する。）、青（以下「Ｂ」と表示する。）の３色のビームを１本に合成した光ビームである。

光源装置１００は、赤色のレーザー光を出射する第１光源１１０と、緑色のレーザー光を出射する第２光源１２０と、青色のレーザー光を出射する第３光源１３０と、を独立的に有する。第１光源１１０と第２光源１２０と第３光源１３０は、半導体レーザー素子でああって、端面発光レーザーと呼ばれるレーザーダイオード（ＬＤ）や、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を用いることもできる。なお、上記の各光源には半導体レーザー素子に代えてＬＥＤ素子を用いてもよい。

また、光源装置１００は、各光源から出射された光の発散性を抑止する第１コリメータレンズ１１１と、第２コリメータレンズ１２１と、第３コリメータレンズ１３１と、を有する。

また、光源装置１００は、各コリメータレンズを通過した光それぞれに対応し、各光の光束径を規制して整形する第１アパーチャ１１２と、第２アパーチャ１２２と、第３アパーチャ１３２と、を有する。また、光源装置１００は、整形された各色の光束を合成して画像表示用ビーム１０１を出射するビーム合成プリズム１４０と、集光レンズ１５０と、を有する。

ビーム合成プリズム１４０は、赤色の光を透過させて緑色の光を反射する第１ダイクロイック膜１４１と、赤色と緑色の光を透過させて青色の光を反射する第２ダイクロイック膜１４２と、を有する。

第１光源１１０から出射された赤色光は、第１コリメータレンズ１１１と第１アパーチャ１１２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した赤色光は、第１ダイクロイック膜１４１を通過して直進する。

第２光源１２０から出射された緑色光は、第２コリメータレンズ１２１と第２アパーチャ１２２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した緑色光は、第１ダイクロイック膜１４１で反射されて赤色光と同方向（第２ダイクロイック膜１４２の方向）に導光される。

第３光源１３０から出射された青色光は、第３コリメータレンズ１３１と第３アパーチャ１３２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した青色光は、第２ダイクロイック膜１４２で赤色光及び緑色光と同方向に反射される。

以上のように、第２ダイクロイック膜１４２を通過した赤色光及び緑色光と、第２ダイクロイック膜１４２で反射した青色光は、ビーム合成プリズム１４０から同じ方向に出射される。ビーム合成プリズム１４０から出射されたレーザー光は、赤色光と緑色光と青色光が１本の光束として合成されたレーザー光束である。このレーザー光束は、集光レンズ１５０によって画像表示用ビーム１０１に変換される。

集光レンズ１５０は、後述する光走査手段である２次元偏向素子２０１（図３参照）に収束光である画像表示用ビーム１０１を導光する光学素子であって、波長５８７．５６ｎｍ（基準波長）による焦点距離ｆは、１５０ｍｍよりも長いものが好適である。

画像表示用ビーム１０１を構成するＲ、Ｇ、Ｂの各色レーザー光束は、表示対象である「２次元のカラー画像」に係る信号やデータに応じて、強度変調されている。このレーザー光束の強度変調は、各色の半導体レーザーを直接変調する方式（直接変調方式）でも良いし、各色の半導体レーザーから出射されたレーザー光束を変調する方式（外部変調方式）でも良い。

すなわち、各光源は、それぞれを駆動する駆動手段によって、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分の画像信号により発光強度を変調された各色のレーザー光を出射する。

●走査光学系
次に、走査光学系２００について詳細に説明する。まず、走査光学系２００が備える被走査面素子２０２について説明する。図１２は、被走査面素子２０２は画像表示用ビーム１０１の入射方向の斜め上から被走査面素子２０２を見た斜視図である。図１２に示すように被走査面素子２０２は、Ｘ方向が長手方向、Ｙ方向が短手方向であって、長手方向に湾曲したシリンダ形状を有している。被走査面素子２０２の湾曲部分の頂部に相当する凸部分は、−Ｚ方向に向いている。なお、被走査面素子２０２は、短手方向においても湾曲していてもよい。短手方向にも湾曲する場合、その凸面は−Ｚ方向に向いている。

上記の被走査面素子２０２を備える走査光学系２００は、図３に示すように、走査光学系２００は、光走査手段である２次元偏向素子２０１と、画像形成部である被走査面素子２０２と、を有してなる。

図３（ａ）は、走査光学系２００をＸＺ平面において−Ｙ方向から＋Ｙ方向を見た様子を示す光学配置図である。すなわち、図３（ａ）は、走査光学系２００を下側から見た平面図である。

図３（ｂ）は、走査光学系２００をＹＺ平面において−Ｘ方向から＋Ｘ方向を見た様子を示す光学配置図である。すなわち、図３（ｂ）は、走査光学系２００を左方向から見た側面図
である。

図３（ａ）に示すように、被走査面素子２０２は少なくともＸＺ平面において、拡大凹面鏡３０１側に凸面を向けて湾曲している。Ｘ方向は、すでに説明したとおり、被走査面素子２０２の長手方向である。この長手方向は、拡大虚像１２の長手方向と同一方向になる。

また、被走査面素子２０２は、図３（ｂ）に示すようにＹＺ平面において、拡大凹面鏡３０１側に凸面を向けて湾曲していてもよい。Ｙ方向は、すでに説明したとおり、被走査面素子２０２の短手方向である。この短手方向は、拡大虚像１２の短手方向と同一方向になる。

なお、被走査面素子２０２は、２次元偏向素子２０１の光走査によって拡大凹面鏡３０１側に中間画像を現す透過部材である。

図３に示すように、走査光学系２００は、２次元偏向素子２０１と被走査面素子２０２の間に、画像表示用ビーム１０１に対して集光作用や発散作用を与える集光素子を含まない。これによってＨＵＤ１０００は、ロバスト性を向上させながら、コストを低減することができる。

光走査手段である２次元偏向素子２０１は、光源装置１００から出射された画像表示用ビーム１０１を２次元的に偏向する素子である。２次元偏向素子２０１は、互いに直交する２軸を用いて揺動するように構成された微小なミラーの集合体であって、半導体プロセス等で微小揺動ミラー素子として作製されたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）である。なお、２次元偏向素子２０１として用いるＭＥＭＳの構造は、上記の例に限られるものではなく、１軸に２個の微小ミラーを配置して、この１軸の周りに２個の微小ミラーが互いに直交する方向に揺動するように構成したものなどでもよい。

画像表示用ビーム１０１は、２次元偏向素子２０１による偏向動作に対応して被走査面素子２０２に入射する。この画像表示用ビーム１０１によって、被走査面素子２０２は主走査方向と副走査方向において２次元的に走査される。より具体的には、例えば、主走査方向は高速で走査され、かつ副走査方向は低速で走査されるラスタースキャンが行われる。この被走査面素子２０２における２次元走査によって、中間画像が形成される。ここで形成される中間画像は、「カラーの２次元画像」である。本実施形態では、カラー画像を前提として説明しているが、被走査面素子２０２においてモノクロ画像を形成してもよい。

なお、被走査面素子２０２において各瞬間に表示されるのは「画像表示用ビーム１０１が、その瞬間に照射している画素のみ」である。したがって、上記の「カラーの２次元画像」は、画像表示用ビーム１０１によって２次元的に走査されたことによる「各瞬間に表示される画素の集合」として形成される。

被走査面素子２０２は、微細な凸レンズを用いて構成されている。画像表示用ビーム１０１により被走査面素子２０２に形成された中間画像は、上記の微細凸レンズ構造によって拡大されて虚像光学系３００側に現れる。この拡大された中間画像は、拡大凹面鏡３０１によって反射されてコンバイナ３０２に投射される。コンバイナ３０２は投射された画像を利用者１１側に反射する。この画像が利用者１１の網膜に結像されて拡大虚像１２として視認される。以上の構成によって、利用者１１が頭を少々動かしても（視点を動かしても）、拡大虚像１２を確実に視認できようになる。

なお、被走査面素子２０２は、微細凸レンズ構造（マイクロレンズアレイ）に限ることはなく、拡散板や透過スクリーン、または反射スクリーンなどを用いても良い。本実施形態では、マイクロレンズアレイである被走査面素子２０２は、複数のマイクロレンズが２次元配列されているものを前提としているが、これに代えて、複数のマイクロレンズを１次元配列したもの、又は３次元配列したものを用いてもよい。

次に、走査光学系２００の実施例について説明する。以下に示す表１は、実施例１に係るＨＵＤ１０００の仕様と画像形成部である被走査面素子２０２の寸法の例を示す。

以下の表２は、光走査手段である２次元偏向素子２０１（ＭＥＭＳ）の仕様の例を示す。なお、振り角とは、２次元偏向素子２０１が備える微小ミラーの傾斜角度のことをいう。

以下の表３は、光源装置１００と走査光学系２００に含まれる光学素子に関するデータの例を示す。表３中の「面番号」は、光源装置１００が備える第１光源１１０、第２光源１２０、第３光源１３０の発光点を「第０面」とし、被走査面素子２０２への光の入射側を第９面としている。第１面から第８面は、上記の各光源部から出射された光に対して収束や発散などの光学的作用を与える面を示している。

表３中に示す第５面は、第１アパーチャ１１２と第２アパーチャ１２２と第３アパーチャ１３２のそれぞれのアパーチャ面に対応する。これらアパーチャ面の主走査方向と副走査方向のサイズによって規定されるアパーチャの開口面積は、各アパーチャによってそれぞれ異なる大きさを持っている。

赤色光源に対応する第１アパーチャ１１２のアパーチャ面は、主走査方向のサイズが２．０８ｍｍ、副走査方向のサイズが３．０４ｍｍである。これに対し、緑色光源に対応する第２アパーチャ１２２と、青色光源に対応する第３アパーチャ１３２のアパーチャ面の主走査方向のサイズはともに２．０ｍｍ、副走査方向のサイズはともに２．４ｍｍである。すなわち、赤色光源である第１光源部に対応する第１アパーチャ１１２の開口面積は、第２アパーチャ１２２、第３アパーチャ１３２のいずれの開口面積よりも大きい。これによって、赤色光源からの光の取り込み効率を高くすることができる。

また表３に示すように、被走査面素子２０２のＹ曲率半径Ｒｙ（１．００Ｅ＋１８）と、Ｘ曲率半径Ｒｘ（４４．８）の関係は、｜Ｒｘ｜＜｜Ｒｙ｜である。なお、被走査面素子２０２におけるＹ曲率半径Ｒｙとは、被走査面素子２０２の短手方向（Ｙ方向）の中心における曲率半径をいう。また、被走査面素子２０２におけるＸ曲率半径Ｒｘとは、被走査面素子２０２の長手方向（Ｘ方向）の中心における曲率半径をいう。

また、被走査面素子２０２の短手方向の中心における曲率半径（Ｙ曲率半径Ｒｙ）は、１．００Ｅ＋１８であるから実質的に平面である。一方、被走査面素子２０２の長手方向の中心における曲率半径（Ｘ曲率半径Ｒｘ）は、４４．８である。したがって、被走査面素子２０２は長手方向において湾曲形状を有するシリンダ形状を有している。

また表３に示すように、集光レンズ１５０は、光走査手段である２次元偏向素子２０１に収束光を導光する光学素子であって、波長５８７．５６ｎｍの光に対する焦点距離fは１５０ｍｍよりも大きい。これによって、被走査面素子２０２上のビームスポット径を小さくし、解像度の高い中間画像を形成できる。

次に、実施例１の走査光学系２００を備えるＨＵＤ１０００の光学性能について説明する。図４は、被走査面素子２０２における主走査断面方向の光路図の例を示している。以下、実施例１の説明において図４（ａ）に示すように被走査面素子２０２の形状を仮に平面にした場合を比較例として用いながら、ＨＵＤ１０００の光学性能について説明する。以下の光学性能に係る諸元は、計算機シミュレーションにより算出したものである。

図４（ａ）は、比較例であって被走査面素子２０２を長手方向において仮に平面にした場合の光路図である。図４（ｂ）は、すでに説明したとおり、主走査方向における曲面形状を有する被走査面素子２０２の光路図である。

次に、実施例１における被走査面素子２０２上の画像表示用ビーム１０１の到達位置とビームスポット径の大きさの相関について図５を用いて説明する。図５のグラフの横軸は、以下に表４における「番号」に対応する主走査方向と副走査方向の角度に２次元偏向素子２０１の微小ミラーの角度を設定したときの被走査面素子２０２上に光の到達位置を示している。なお、表４の角度は、走査光学系２００の光軸に対する微小ミラーの角度を示している。また、図５のグラフの縦軸はビームスポット径の大きさを示している。

図５（ａ）のグラフは、被走査面素子２０２を平面にした場合の比較例であって、図５（ｂ）のグラフが被走査面素子２０２の場合である。図５のグラフを比較して明らかなとおり、被走査面素子２０２が長手方向における曲面形状になっていると、被走査面素子２０２が平面の場合に比べて、被走査面素子２０２上における各位置でのビームスポット径の大きさのばらつきが小さくなる。

次に、図６を用いて、被走査面素子２０２を法線方向（Ｚ軸方向、すなわち前後方向）に移動させた場合に生ずる、画像表示用ビーム１０１の各到達位置でのビームスポット径の変化について説明する。図６のグラフにおける横軸は、表３に示された諸元によって規定される被走査面素子２０２の位置を原点とした場合の移動量を示している。また、縦軸は被走査面素子２０２上に形成されるビームスポット径の大きさを示している。

図６（ａ）は、比較例として、平面である被走査面素子２０２をＺ軸方向に移動させたときの画像表示用ビーム１０１の到達位置と主走査方向のビームスポット径の大きさの相関を示している。図６（ｂ）は、同様に比較例として、平面である被走査面素子２０２をＺ軸方向に移動させたときの画像表示用ビーム１０１の到達位置と副走査方向のビームスポット径の大きさの相関を示している。図６（ｃ）は、長手方向において湾曲している被走査面素子２０２をＺ軸方向に移動させたときの画像表示用ビーム１０１の到達位置と主走査方向のビームスポット径の大きさの相関を示している。図６（ｄ）は、長手方向において湾曲している被走査面素子２０２をＺ軸方向に移動させたときの画像表示用ビーム１０１の到達位置と副走査方向のビームスポット径の大きさの相関を示している。

図６中に示されている実線とグラフ縦軸との交点の値は、実施例１におけるビームスポット径の目標値である。実施例１に係る被走査面素子２０２であればビームスポット径は、主走査方向におけるビームスポット径の目標値は１０３μｍであって、副走査方向におけるビームスポット径の目標値は８９μｍである。

また、図６中に示している縦軸と平行の２つの破線とグラフ横軸との交点の値である原点からの移動量の差分は、ビームスポット径の目標値を満足するために許容される被走査面素子２０２の前後方向の許容移動量を示している。図６に示すように、被走査面素子２０２が平面であると、許容移動量は１０.８ｍｍ程度である。一方、本実施例に係る被走査面素子２０２であれば、許容移動量は１３ｍｍ程度である。

したがって、被走査面素子２０２が主走査方向（長手方向）において湾曲する曲面形状であれば、主走査方向のビームスポット径を満足できる大きさにするための被走査面素子２０２の前後方向の許容移動量を大きくすることができる。

同様に、被走査面素子２０２の副走査方向における許容移動量を比較すると、被走査面素子２０２が平面であれば７.２ｍｍ程度であるが、被走査面素子２０２が主走査方向において曲面形状でれば、許容移動量は８．５ｍｍ程度である。すなわち、本実施例に係る被走査面素子２０２であれば、副走査方向の許容移動量も大きくすることができる。

以上のとおり、本実施例に係る被走査面素子２０２であれば、主走査方向において曲面形状をなしていることで、走査光学系２００を組立てる際に、被走査面素子２０２の位置ずれの許容値を大きくすることができる。この結果として、ロバスト性が高くなる。

次に、被走査面素子２０２における光の到達点（画像表示用ビーム１０１の到達点）について、上記に倣って比較しながら説明する。図７は、表４における各微小ミラーの角度の組み合わせにおける被走査面素子２０２上での光の到達点の様子を示したものである。すなわち、図７は被走査面素子２０２上における画像形成の形を示している。

図７（ａ）は、被走査面素子２０２の形状を平面にした場合の例である。図７（ｂ）は、被走査面素子２０２が長手方向において湾曲している場合の例である。被走査面素子２０２の形状が、長手方向（主走査方向に）において湾曲する曲面形状であれば、平面の場合よりも画像（中間画像）の歪みを小さくできることがわかる。したがって、走査光学系２００の後段に配置される虚像光学系３００によって表示される拡大虚像１２における画像の歪みも小さくできるので、画質の良い拡大虚像１２を表示することができる。

次に、走査光学系２００の別の実施例について説明する。以下に示す表５は、実施例２に係るＨＵＤ１０００の仕様と画像形成部である被走査面素子２０２の寸法の例を示す。

以下の表６は、光走査手段である２次元偏向素子２０１（ＭＥＭＳ）の仕様の例を示す。なお、振り角とは、２次元偏向素子２０１が備える微小ミラーの傾斜角度のことをいう。

以下の表７は、光源装置１００と走査光学系２００に含まれる光学素子に関するデータの別の例を示す。表７中の「面番号」は、光源装置１００が備える第１光源１１０，第２光源１２０、第３光源１３０の発光点を「第０面」として、被走査面素子２０２への光の入射面を第９面としている。第１面から第８面は、上記の各光源部から出射された光に対して収束や発散などの光学的作用を与える面を示している。

表７中に示す第５面は、第１アパーチャ１１２と第２アパーチャ１２２と第３アパーチャ１３２のそれぞれのアパーチャ面に対応する。これらアパーチャ面の主走査方向と副走査方向のサイズによって規定されるアパーチャの開口面積は、各アパーチャによってそれぞれ異なる大きさを持っている。

赤色光源に対応する第１アパーチャ１１２のアパーチャ面は、主走査方向のサイズが２．０８ｍｍ、副走査方向のサイズが３．０４ｍｍである。これに対し、緑色光源に対応する第２アパーチャ１２２と、青色光源に対応する第３アパーチャ１３２のアパーチャ面の主走査方向のサイズはともに２．０ｍｍ、副走査方向のサイズはともに２．４ｍｍである。すなわち、赤色光源である第１光源部に対応する第１アパーチャ１１２の開口面積は、第２アパーチャ１２２、第３アパーチャ１３２のいずれの開口面積よりも大きい。これによって、赤色光源からの光の取り込み効率を高くすることができる。

また表７に示すように、被走査面素子２０２のＹ曲率半径Ｒｙ（１．００Ｅ＋１８）と、Ｘ曲率半径Ｒｘ（５８．８２１）の関係は、｜Ｒｘ｜＜｜Ｒｙ｜である。被走査面素子２０２におけるＹ曲率半径Ｒｙとは、被走査面素子２０２の短手方向（Ｙ方向）の中心における曲率半径をいう。また、被走査面素子２０２におけるＸ曲率半径Ｒｘとは、被走査面素子２０２の長手方向（Ｘ方向）の中心における曲率半径をいう。

また、被走査面素子２０２の短手方向の中心における曲率半径（Ｙ曲率半径Ｒｙ）は、１．００Ｅ＋１８であるから実質的に平面である。一方、被走査面素子２０２の長手方向の中心における曲率半径（Ｘ曲率半径Ｒｘ）は、５８．８２１ある。したがって、被走査面素子２０２は、拡大虚像１２の長手方向において湾曲形状を有するシリンダ形状である。

また表７に示すように、集光レンズ１５０は、光走査手段である２次元偏向素子２０１に収束光を導光する光学素子であって、波長５８７．５６ｎｍの光に対する焦点距離fが１５０ｍｍよりも大きい。これによって、被走査面素子２０２上のビームスポット径を小さくし、解像度の高い中間画像を形成できる。

次に、実施例２の走査光学系２００を備えるＨＵＤ１０００の光学性能について説明する。図８は、被走査面素子２０２における主走査断面方向の光路図の例を示している。以下、実施例１の説明において図８（ａ）に示すように被走査面素子２０２の形状を仮に平面にした場合を比較例として用いながら、ＨＵＤ１０００の光学性能について説明する。以下の光学性能に係る諸元は、計算機シミュレーションにより算出したものである。

図８（ａ）は、比較例であって、被走査面素子２０２の形状を仮に平面にした場合の光路図である。図８（ｂ）は、実施例２に係る被走査面素子２０２の光路図である。

次に、実施例２における被走査面素子２０２上の画像表示用ビーム１０１の到達位置とビームスポット径の大きさの相関について図９を用いて説明する。図９のグラフの横軸は、以下に表８における「番号」に対応する主走査方向と副走査方向の角度に２次元偏向素子２０１の微小ミラーの角度を設定したときの被走査面素子２０２上に光の到達位置を示している。なお、表８の角度は、走査光学系２００の光軸に対する微小ミラーの角度を示している。また、図９のグラフの縦軸はビームスポット径の大きさを示している。

図９（ａ）のグラフは、被走査面素子２０２を平面にした場合の比較例であって、図９（ｂ）のグラフが被走査面素子２０２の場合である。図９のグラフを比較して明らかなとおり、被走査面素子２０２が長手方向における曲面形状になっていると、被走査面素子２０２が平面の場合に比べて、被走査面素子２０２上における各位置でのビームスポット径の大きさのばらつきが小さくなる。

次に、図１０を用いて、被走査面素子２０２を法線方向（Ｚ軸方向、すなわち前後方向）に移動させた場合に生ずる、画像表示用ビーム１０１の各到達位置でのビームスポット径の変化について説明する。図１０のグラフにおける横軸は、表７に示された諸元によって規定される被走査面素子２０２の位置を原点とした場合の移動量を示している。また、縦軸は被走査面素子２０２上に形成されるビームスポット径の大きさを示している。

図１０（ａ）は、比較例として、平面である被走査面素子２０２をＺ軸方向に移動させたときの画像表示用ビーム１０１の到達位置と主走査方向のビームスポット径の大きさの相関を示している。図１０（ｂ）は、同様に比較例として、平面である被走査面素子２０２をＺ軸方向に移動させたときの画像表示用ビーム１０１の到達位置と副走査方向のビームスポット径の大きさの相関を示している。図１０（ｃ）は、長手方向において湾曲している被走査面素子２０２をＺ軸方向に移動させたときの画像表示用ビーム１０１の到達位置と主走査方向のビームスポット径の大きさの相関を示している。図１０（ｄ）は、長手方向において湾曲している被走査面素子２０２をＺ軸方向に移動させたときの画像表示用ビーム１０１の到達位置と副走査方向のビームスポット径の大きさの相関を示している。

図１０中に示されている実線とグラフ縦軸との交点の値は、実施例２におけるビームスポット径の目標値である。実施例２に係る被走査面素子２０２であればビームスポット径は、主走査方向におけるビームスポット径の目標値は１1０μｍであって、副走査方向におけるビームスポット径の目標値は９５μｍである。

また、図１０中に示している縦軸と平行の２つの破線とグラフ横軸との交点の値である原点からの移動量の差分は、ビームスポット径の目標値を満足するために許容される被走査面素子２０２の前後方向の許容移動量を示している。図１０に示すように、被走査面素子２０２が平面であると、許容移動量は１３ｍｍ程度である。一方、本実施例に係る被走査面素子２０２であれば、許容移動量は１５ｍｍ程度である。

したがって、被走査面素子２０２が主走査方向（長手方向）において湾曲する曲面形状であれば、主走査方向のビームスポット径の大きさを満足できる被走査面素子２０２の前後方向の許容移動量を大きくすることができる。

同様に、被走査面素子２０２の副走査方向における許容移動量を比較すると、被走査面素子２０２が平面であれば７.２ｍｍ程度であるが、被走査面素子２０２が主走査方向において曲面形状でれば、許容移動量は９．６ｍｍ程度である。すなわち、本実施例に係る被走査面素子２０２であれば、副走査方向の許容移動量も大きくすることができる。

以上のとおり、本実施例に係る被走査面素子２０２であれば、主走査方向において曲面形状をなしていることで、走査光学系２００を組立てる際に、被走査面素子２０２の位置ずれの許容値を大きくすることができる。この結果として、ロバスト性が高くなる。

次に、平面の被走査面素子２０２における光の到達点（画像表示用ビーム１０１の到達点）について、上記に倣って比較しながら説明する。図１１は、表８における各微小ミラーの角度の組み合わせにおける被走査面素子２０２上での光の到達点の様子を示したものである。すなわち、図１１は被走査面素子２０２上における画像形成の形を示している。

図１１（ａ）は、被走査面素子２０２の形状を平面にした場合の例である。図１１（ｂ）は、被走査面素子２０２が長手方向において湾曲している場合の例である。被走査面素子２０２の形状が、長手方向（主走査方向に）において湾曲する曲面形状であれば、平面の場合よりも画像（中間画像）の歪みを小さくできることがわかる。したがって、走査光学系２００の後段に配置される虚像光学系３００によって表示される拡大虚像１２における画像の歪みも小さくできるので、画質の良い拡大虚像１２を表示することができる。

以上説明したＨＵＤ１０００によれば、被走査面素子２０２を虚像光学系３００の拡大凹面鏡３０１側に凸面を向けた湾曲形状にすることで、被走査面素子２０２上におけるビームスポット径のばらつきを抑制することができる。これによって、ビームスポット径を目標範囲内に抑えるために被走査面素子２０２の位置調整量を大きく確保することができる。換言すれば、ビームスポット径を目標範囲内に抑えるために被走査面素子２０２の許容移動量を増やすことができる。

また、被走査面素子２０２上における画像の歪曲を改善することができる。さらに、２次元偏向素子２０１と被走査面素子２０２との間にパワーを持つ光学素子を配置する必要もないので、ロバスト性が高く、低コストで簡易な構成による小型の画像形成装置を提供することができる。

●上記実施例による効果
画像形成部を反射鏡側に湾曲させることで、画像形成部におけるビームスポット径のばらつきを抑制することができる。また、ビームスポット径を目標範囲に抑えるための画像形成部の許容移動量の増やすことができる。さらに、画像形成部において形成される画像の歪曲を改善することができる。

また、長手方向に対応した画像形成部の中心の曲率半径が、短手方向に対応した画像形成部の中心の曲率半径よりも小さい。これによって、虚像の長手方向で起こりやすい画像の歪みや解像性能の低下をより効果的に改善できる。

また、画像形成部をシリンダ形状にすることで、画像の長手方向の歪みや解像性能の低下をさらに改善できる。

また、光走査手段から画像形成部の間に、集光、あるいは発散の作用を有する光学素子を含まない。これによって、低コストであってもロバスト性が高い画像表示装置を得ることができる。

また、光走査手段に収束光を導光する光学素子の波長５８７．５６ｎｍにおける焦点距離ｆが１５０ｍｍよりも長い。これによって、画像形成部上のビームスポット径を小さくすることができ、解像度が高い画像を表示することができる。

また、赤色光源用のコリメータレンズ後のアパーチャの開口面積が緑色と青色光源用のコリメータレンズ後のアパーチャの開口面積よりも大きい。これによって、赤色光源からの光の取り込み効率の高くすることができる。

また、光源としてレーザーやＬＥＤを使用することができる。したがって、光源にランプを用いる場合と比較すると小型かつ、長寿命のものを備えることができ、かつ、色再現性の良い画像を表示することができる。

また、移動体に搭載することで、運転者が少ない視線移動で警報・情報を認知できる。

１０ フロントウインドシールド
１１ 利用者
１２ 拡大虚像
１００ 光源装置
１０１ 画像表示用ビーム
２００ 走査光学系
２０１ ２次元偏向素子
２０２ 被走査面素子
３００ 虚像光学系
３０１ 拡大凹面鏡
３０２ コンバイナ
１０００ ＨＵＤ

特許第５３７０４２７号明細書

本発明は、
光源部を有する光源装置と、
前記光源部からの光を２次元偏向素子により走査して被走査面素子に中間画像を形成する画像形成部と、
前記中間画像を反射鏡と湾曲する透過反射部材により導光する虚像光学系と、
を有する画像表示装置であって、
前記被走査面素子は、前記被走査面素子上における各位置での前記光源部からの光走査のビームスポット径の大きさのばらつきが小さくなるように前記２次元偏向素子に凹面を向けて湾曲している透過部材であることを特徴とする。

Claims (8)

1. 光源部を有する光源装置と、
   前記光源部からの光により中間画像が形成される画像形成部を備える走査光学系と、
   前記中間画像を反射鏡と湾曲する透過反射部材により導光する虚像光学系と、
   を有する画像表示装置であって、
   前記走査光学系は、前記光源部からの光を前記画像形成部における主走査方向と副走査方向に走査する光走査手段を有していて、
   前記画像形成部は、前記反射鏡に凸面を向けるよう湾曲している透過部材である、
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記中間画像が前記透過反射部材に表示されるときの長手方向に対応する前記画像形成部の中心の曲率半径Ｒｘと、
   前記中間画像が前記透過反射部材に表示されるときの短手方向に対応する前記画像形成部の中心の曲率半径Ｒｙが、
   ｜Ｒｘ｜＜｜Ｒｙ｜を満たす、
   請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記画像形成部は、シリンダ形状であって、前記透過反射部材に表示される画像の長手方向において湾曲形状を有している、
   請求項１記載の画像表示装置。
4. 前記走査光学系は、前記光走査手段と前記画像形成部の間に集光作用を有する光学素子および発散作用を有する光学素子を含まない、
   請求項１記載の画像表示装置。
5. 前記光源装置は、光を前記光走査手段に収束する集光素子を有していて、
   前記集光素子は、波長５８７．５６ｎｍの光における焦点距離fが１５０ｍｍよりも長い、
   請求項１記載の画像表示装置。
6. 前記光源部は、赤色、緑色、青色のそれぞれに対応する光源を独立的に有していて、
   各光源から出射される光をそれぞれ平行にするコリメータレンズとアパーチャとを前記各光源に対応して有し、
   前記赤色の光源に対応する前記アパーチャの開口面積は、前記緑色の光源に対応する前記アパーチャの開口面積と前記青色の光源に対応する前記アパーチャの開口面積のいずれよりも大きい、
   請求項１記載の画像表示装置。
7. 前記光源部は、レーザーまたはＬＥＤである、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示装置。
8. 前記透過反射部材は、移動体のフロントウインドシールドである、
   請求項１乃至７のいずれかに記載の画像表示装置。