JP2021105647A - 表示装置、表示システムおよび移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】レイアウトの自由度がある表示装置、表示システムおよび移動体を提供する。【解決手段】表示装置１０は、スクリーン１５と、自由曲面ミラー３０と、を備え、画像光を反射および透過するフロントガラス５０に向けて自由曲面ミラー３０で反射された画像光を出射する。自由曲面ミラー３０に第１の方向から入射する第１の画像光Ｌ１は、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０により反射されてアイリプス上端の視点位置Ｅ１に到達し、自由曲面ミラー３０に第２の方向から入射する第２の画像光Ｌ２は、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０により反射されてアイリプス上端の視点位置Ｅ１よりも低いアイリプス上端の視点位置Ｅ２に到達する。第１の画像光Ｌ１が自由曲面ミラー３０により反射される位置は、第２の画像光Ｌ２が自由曲面ミラー３０により反射される位置よりも高い。【選択図】図１２

Description

本発明は、表示装置、表示システムおよび移動体に関する。

特許文献１には、車両のフロントウィンドシールド２に表示器３の表示画像を投影する凹面鏡４（投影手段）と、フロントウィンドシールド２に設けられて表示画像を反射する反射手段２ａと、凹面鏡４の投影方向を調整する調整手段６ａと、凹面鏡４（投影手段）と反射手段２ａとの間に位置するインストルメントパネル７が具備する開口部７ａと、開口部７ａに車両の前後方向に移動可能に設けられて表示画像を透過する開口８ａを有するベゼル８（蓋部）と、ベゼル８を投影方向に応じて移動させる制御を行う制御手段６ｂと、を含むヘッドアップディスプレイ装置１が記載されている。

特許文献２には、画像を発生する画像発生器２６と画像を拡大する凹面鏡３０とを有する投射器１８と、凹面鏡３０からインストルメントパネル１６の開口部３２を通じて投射される拡大された画像を結像するコンバイナ２２と、を備えるヘッドアップディスプレイ装置１０が記載されている。

本発明は、レイアウトの自由度がある表示装置、表示システムおよび移動体を提供することを目的とする。

本発明にかかる表示装置は、画像光を出射する出射部と、画像光を反射する曲面形状の反射部と、を備え、画像光を反射する他の反射部に向けて反射部で反射された画像光を出射するとともに、出射部から出射される画像光は、第１の方向及び第１の方向とは異なる第２の方向から反射部に入射可能であり、反射部に前記第１の方向から入射する第１の画像光は、反射部および他の反射部により反射されて第１の基準位置に到達し、反射部に第２の方向から入射する第２の画像光は、反射部および他の反射部により反射されて第１の基準位置よりも低い第２の基準位置に到達し、第１の画像光が反射部により反射される位置は、第２の画像光が反射部により反射される位置よりも高いことを特徴とする。

本発明によれば、レイアウトの自由度がある表示装置、表示システムおよび移動体を提供できる。

実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。 実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。 実施形態に係る制御装置の機能構成の一例を示す図である。 実施形態に係る光源装置の具体的構成の一例を示す図である。 実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。 実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。 マイクロレンズアレイにおいて、入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。 光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。 ２次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。 比較例に係る画像光の光路を説明するための図である。 第２の比較例に係る画像光の光路について説明するための図である。 実施形態に係る画像光の光路について説明するための図である。 自由曲面ミラーにおける反射領域を説明するための図である。 自由曲面ミラーにおける反射領域と、画像光の光路の関係を説明するための図である。 自由曲面ミラーにおける反射領域の重畳範囲と、開口部のサイズの関係を説明するための図である。 自由曲面ミラーの角度と、画像光の光路の関係を説明するための図である。 実施形態の変形例に係る画像光の光路について説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

●システム構成
図１は、実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。表示システム１は、表示装置１００から投射される投射光ＰＬを、透過反射部材に投射させることによって観察者３に表示画像を視認させる。表示画像は、観察者３の視界に虚像４５として重畳して表示する画像である。表示システム１は、例えば、車両、航空機もしくは船舶等の移動体、または操縦シミュレーションシステムもしくはホームシアターシステム等の非移動体に備えられる。本実施形態は、表示システム１が、移動体の一例である自動車に備えられた場合について説明する。なお、表示システム１の使用形態は、これに限られるものではない。

表示システム１は、例えば、フロントガラス５０を介して車両の操縦に必要なナビゲーション情報（例えば車両の速度、進路情報、目的地までの距離、現在地名称、車両前方における物体（対象物）の有無や位置、制限速度等の標識、渋滞情報等の情報等）を、観察者３（操縦者）に視認させる。この場合、フロントガラス５０は、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材として機能する。観察者３の視点位置からフロントガラス５０までの距離は、数十ｃｍ〜１ｍ程度である。

表示システム１は、表示装置１００およびフロントガラス５０を備える。表示装置１００は、例えば、移動体の一例である自動車に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）である。表示装置１００は、自動車のインテリアデザインに準拠して任意の位置に配置される。表示装置１００は、例えば、自動車のダッシュボード２００の下方に配置されてもよく、ダッシュボード内に埋め込まれていてもよい。

表示装置１００は、筐体９０を備え、筐体９０は、画像形成ユニット１０、自由曲面ミラー３０を収納する。画像形成ユニット１０は、ユニット筐体１２を備え、ユニット筐体１２は、光源装置１１、光偏向装置１３、ミラー１４およびスクリーン１５を備える。

光源の一例としての光源装置１１は、光源から出射されたレーザ光を、装置外部へ照射するデバイスである。光源装置１１は、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のレーザ光を合成したレーザ光を照射してもよい。光源装置１１から出射されたレーザ光は、光偏向装置１３の反射面に導かれる。光源装置１１は、光源として、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を有する。なお、光源は、これに限られず、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を有してもよい。

光偏向部の一例としての光偏向装置１３は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）等を利用してレーザ光の進行方向を変化させるデバイスである。光偏向装置１３は、例えば、直交する２軸に対して揺動する単一の微小なＭＥＭＳミラー、または１軸に対して揺動もしくは回転する２つのＭＥＭＳミラーからなるミラー系等の走査手段を利用して構成される。光偏向装置１３から出射したレーザ光は、ミラー１４に対して走査される。なお、光偏向装置１３は、ＭＥＭＳミラーに限られず、ポリゴンミラー等を用いて構成されてもよい。

ミラー１４は、一例として凹面ミラーであり、光偏向装置１３から出射されてミラー１４の反射面を走査されるレーザ光を、スクリーン１５に向かって反射する。

スクリーン１５は、画像光を出射する出射部の一例であり、ミラー１４の反射面で反射されたレーザ光がスクリーン１５上に走査されることによって、スクリーン１５上に二次元画像（中間像）である画像光を形成する。そしてスクリーン１５は、走査されたレーザ光を所定の発散角で発散させる機能を有する発散部材である。スクリーン１５は、例えば、ＥＰＥ（Ｅｘｉｔ Ｐｕｐｉｌ Ｅｘｐａｎｄｅｒ）の形態として、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）または拡散板等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子によって構成される。なお、スクリーン１５は、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の光学素子によって構成されてもよい。

光源装置１１、光偏向装置１３、ミラー１４およびスクリーン１５はユニット筐体１２に保持され、画像形成ユニット１０の一部として機能する。なおスクリーン１５は、スクリーン１５によって発散された発散光を、画像形成ユニット１０の外部に出射できるように、ユニット筐体１２に全て覆われることなく、ユニット筐体１２にその一部を保持されている。なおユニット筐体１２は、一つの立体物であってもよいし、複数の部材を組み合わせた構造であってもよい。複数の部材を組み合わせた構造の一例として、光源装置１１、光偏向装置１３、ミラー１４とその間の光路全体を覆う大きさの立体物と、スクリーン１５を保持するホルダ等とを複数の部材として組み合わせて、ユニット筐体１２とすることができる。

スクリーン１５から出射された発散光であるレーザ光（光束）によって、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０に投射された虚像４５は、スクリーン１５上に形成された中間像から拡大されて表示される。自由曲面ミラー３０は、スクリーン１５から出射された画像光を反射する曲面形状の反射部の一例であり、フロントガラス５０は、自由曲面ミラー３０により反射された画像光を反射する他の反射部の一例である。

自由曲面ミラー３０は、フロントガラス５０の湾曲形状による画像の傾き、歪、位置ずれ等を相殺するように設計および配置されている。自由曲面ミラー３０は、回転軸３０１を中心として回転可能であり、これにより、自由曲面ミラー３０の傾きが変化する。回転軸３０１は、一例として自由曲面ミラー３０の重心を通り、図１紙面垂直方向に平行な直線を軸として回転させることで、図１紙面上下方向の虚像４５の表示位置を変更できる。これにより、自由曲面ミラー３０は、スクリーン１５から出射したレーザ光（光束）の反射方向を調整し、観察者３の目の位置に合わせて虚像４５の表示位置を変更させることができる。なお、回転軸３０１は、車両搭載性等を考慮した上で、自由曲面ミラー３０の重心を通らない位置に配置されても良い。

結像光学系の一例としての自由曲面ミラー３０は、スクリーン１５から出射された発散光によって虚像を結像するために、発散光を反射して投射光ＰＬを投射する。したがって自由曲面ミラー３０は虚像４５の結像位置が所望の位置になるように、また一定の集光パワーを有するように、一例として既存の光学設計シミュレーションソフトを用いて、設計されている。表示装置１００は、虚像４５が観察者３の視点位置から例えば１ｍ以上かつ３０ｍ以下（好ましくは１０ｍ以下）の位置（観察者３から見て奥行位置）に表示されるように、自由曲面ミラー３０の集光パワーが設定される。

なお、結像光学系は、集光機能を有する集光素子を一つ以上含む光学系であればよい。集光機能を有する集光素子としては自由曲面ミラー３０のような自由曲面ミラーに限られず、凹面ミラー、曲面ミラー、フレネル反射素子等であってもよい。また、集光素子は、高反射率のアルミや銀などの金属薄膜を蒸着やスパッタリングなどで形成されている。これにより、集光素子に入射した光の投射光ＰＬとしての利用効率を最大限に上げることができ、輝度の高い虚像が得られる。

筐体９０の上部には、開口Ｈが形成された仕切り部材９０１が、一体的に設けられる。自由曲面ミラー３０で反射された投射光ＰＬは、開口Ｈから表示装置１００の外部に投射され、フロントガラス５０に入射される。

開口Ｈは、自由曲面ミラー３０により反射された画像光を透過させる透過領域の一例である。仕切り部材９０１は、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０部の間に設けられ、自由曲面ミラー３０側の空間とフロントガラス５０側の空間を仕切っており、開口Ｈを除く部分は、筐体９０の内部と外部の間で光を遮蔽する。仕切り部材９０１は、筐体９０とは別体で、例えばダッシュボード２００と一体的に設けられてもよい。

そして、開口Ｈを塞ぐように防塵窓４０が設けられている。防塵窓４０は、筐体９０内に開口Ｈから外部の異物が進入することを防止するために設けられており、特に投射光ＰＬを透過する材料で形成されることが好ましい。

反射部材の一例としてのフロントガラス５０は、レーザ光（光束）の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる機能（部分反射機能）を有する透過反射部材である。フロントガラス５０は、観察者３に前方の景色および虚像４５を視認させる半透過鏡として機能する。虚像４５は、例えば、車両情報（速度、走行距離等）、ナビゲーション情報（経路案内、交通情報等）、警告情報（衝突警報等）等を観察者３に視認させるための画像情報である。なお、透過反射部材は、フロントガラス５０とは別途設けられたフロントウインドシールド等であってもよい。

虚像４５は、フロントガラス５０の前方の景色と重畳するように表示されてもよい。また、フロントガラス５０は、平面でなく、湾曲している。そのため、虚像４５の結像位置は、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の曲面によって決定される。なお、フロントガラス５０は、部分反射機能を有する個別の透過反射部材としての半透過鏡（コンバイナ）を利用してもよい。

開口Ｈは、少なくとも観察者３のアイリプス領域への虚像４５の投影に必要な画角分を確保できる大きさを備える。アイリプスとは、ＪＩＳ Ｄ ００２１によって規定されており、観察者３の目の位置の分布を統計的に表したアイレンジを長円の範囲で示したものである。

そして自由曲面ミラー３０は、フロントガラス５０で発生する光学歪を低減するように面形状が設計されている。自由曲面ミラー３０に入射した光線は、自由曲面ミラー３０の面形状に従って自由曲面ミラー３０によって反射される。反射された光束はその後、フロントガラス５０に入射し、少なくともアイリプス中心（基準アイポイント）を含む少なくともアイリプス領域内の一点の視点に到達する。フロントガラス５０に入射した光束は、フロントガラス５０の面形状に応じて反射される。

このような構成により、スクリーン１５から出射されたレーザ光（光束）は、自由曲面ミラー３０に向けて投射される。自由曲面ミラー３０によって集光された投射光は、筐体９０の開口を通過してフロントガラス５０に向けて投射され、フロントガラス５０によって反射される。観察者３は、フロントガラス５０で反射された光によって、スクリーン１５に形成された中間像が拡大された虚像４５を視認することができるようになる。

なお、表示装置１００の投射方式は、液晶パネル、ＤＭＤパネル（デジタルミラーデバイスパネル）または蛍光表示管（ＶＦＤ）等イメージングデバイスで中間像を形成する「パネル方式」と、光源装置１１から出射されたレーザ光を走査手段で走査して中間像を形成する「レーザ走査方式」がある。

実施形態に係る表示装置１００は、後者の「レーザ走査方式」を採用する。「レーザ走査方式」は、各画素に対して発光または非発光を割り当てることができるため、一般に高コントラストの画像を形成することができる。なお、表示装置１００は、投射方式として「パネル方式」を用いてもよく、いずれの方式であっても実像が形成される面であるスクリーンの一部及び全体が樹脂部材であってもよい。

●ハードウエア構成
図２は、実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。なお、図２に示すハードウエア構成は、各実施形態において同様の構成を備えていてもよく、必要に応じて構成要素が追加または削除されてもよい。

表示装置１００は、表示装置１００の動作を制御するための制御装置１７を有する。制御装置１７は、表示装置１００の内部に実装された基板またはＩＣチップ等のコントローラである。制御装置１７は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）１００１、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１００２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１００３、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１００４、Ｉ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１００５、バスライン１００６、ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０およびモータドライバ１０１２を含む。

ＦＰＧＡ１００１は、表示装置１００の設計者による設定変更が可能な集積回路である。ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０、およびモータドライバ１０１２は、ＦＰＧＡ１００１からの制御信号に応じて駆動信号を生成する。ＣＰＵ１００２は、表示装置１００全体を制御するための処理を行う集積回路である。ＲＯＭ１００３は、ＣＰＵ１００２を制御するプログラムを記憶する記憶装置である。ＲＡＭ１００４は、ＣＰＵ１００２のワークエリアとして機能する記憶装置である。Ｉ／Ｆ１００５は、外部装置と通信するためのインターフェースである。Ｉ／Ｆ１００５は、例えば自動車のＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等に接続される。

ＬＤ１００７は、例えば、光源装置１１の一部を構成する半導体発光素子である。ＬＤドライバ１００８は、ＬＤ１００７を駆動する駆動信号を生成する回路である。ＭＥＭＳ１００９は、光偏向装置１３の一部を構成し、走査ミラーを変位させるデバイスである。ＭＥＭＳコントローラ１０１０は、ＭＥＭＳ１００９を駆動する駆動信号を生成する回路である。モータ１０１１は、自由曲面ミラー３０の回転軸３０１を回転させる電動機である。モータドライバ１０１２は、モータ１０１１を駆動する駆動信号を生成する回路である。

●機能構成
図３は、実施形態に係る制御装置の機能構成の一例を示す図である。制御装置１７により実現される機能は、車両情報受信部１７１、外部情報受信部１７２、画像生成部１７３および画像表示部１７４を含む。

車両情報受信部１７１は、ＣＡＮ等から自動車の情報（速度、走行距離等の情報）を受信する機能である。車両情報受信部１７１は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

外部情報受信部１７２は、外部ネットワークから自動車外部の情報（ＧＰＳからの位置情報、ナビゲーションシステムからの経路情報または交通情報等）を受信する機能である。外部情報受信部１７２は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像生成部１７３は、車両情報受信部１７１および外部情報受信部１７２により入力された情報に基づいて、中間像および虚像４５を表示させるための画像情報を生成する機能である。画像生成部１７３は、図２に示したＣＰＵ１００２の処理、およびＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像表示部１７４は、画像生成部１７３により生成された表示情報に基づいて、スクリーン１５に中間像を形成し、中間像を構成したレーザ光（光束）をフロントガラス５０に向けて投射して虚像４５を表示させる機能である。画像表示部１７４は、図２に示したＣＰＵ１００２、ＦＰＧＡ１００１、ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０およびモータドライバ１０１２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像表示部１７４は、制御部１７５、中間像形成部１７６および投影部１７７を含む。制御部１７５は、中間像を形成するために、光源装置１１および光偏向装置１３の動作を制御する制御信号を生成する。また、制御部１７５は、虚像４５を所定の位置に表示させるために、自由曲面ミラー３０の動作を制御する制御信号を生成する。

中間像形成部１７６は、制御部１７５によって生成された制御信号に基づいて、スクリーン１５に中間像を形成する。投影部１７７は、観察者３に視認させる虚像４５を形成するために、中間像を構成したレーザ光を、透過反射部材（フロントガラス５０等）に投射させる。

●光源装置
図４は、実施形態に係る光源装置の具体的構成に一例を示す図である。光源装置１１は、光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂ（以下、区別する必要のないときは、光源素子１１１とする。）、カップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ、アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂ、合成素子１１４，１１５，１１６、およびレンズ１１７を含む。

３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂは、例えば、それぞれ単数または複数の発光点を有するＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）である。光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂは、互いに異なる波長λＲ，λＧ，λＢ（例えばλＲ＝６４０ｎｍ，λＧ＝５３０ｎｍ，λＢ＝４４５ｎｍ）のレーザ光（光束）を放射する。

放射された各レーザ光（光束）は、それぞれカップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂによりカップリングされる。カップリングされた各レーザ（光束）は、それぞれアパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂにより整形される。アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂは、レーザ光（光束）の発散角等の所定の条件に応じた形状（例えば円形、楕円形、長方形、正方形等）を有する。

アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂにより整形された各レーザ光（光束）は、３つの合成素子１１４，１１５，１１６により合成される。合成素子１１４，１１５，１１６は、プレート状またはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じてレーザ光（光束）を反射または透過し、１つの光束に合成する。合成された光束は、レンズ１１７を通り、光偏向装置１３に導かれる。

●光偏向装置
図５は、実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。光偏向装置１３は、半導体プロセスにより製造されるＭＥＭＳミラーであり、ミラー１３０、蛇行状梁部１３２、枠部材１３４、および圧電部材１３６を含む。光偏向装置１３は、走査部の一例である。

ミラー１３０は、光源装置１１から出射されたレーザ光をスクリーン１５側に反射する反射面を有する。光偏向装置１３は、ミラー１３０を挟んで一対の蛇行状梁部１３２を形成する。蛇行状梁部１３２は、複数の折り返し部を有する。折り返し部は、交互に配置される第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとから構成されている。蛇行状梁部１３２は、枠部材１３４に支持されている。圧電部材１３６は、隣接する第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとを接続するように配置されている。圧電部材１３６は、第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとに異なる電圧を印加し、梁部１３２ａ，１３２ｂのそれぞれに反りを発生させる。

これにより、隣接する梁部１３２ａ，１３２ｂは、異なる方向に撓む。ミラー１３０は、撓みが累積されることによって、左右方向の軸を中心として垂直方向に回転する。このような構成により、光偏向装置１３は、垂直方向への光走査が低電圧で可能となる。上下方向の軸を中心とした水平方向の光走査は、ミラー１３０に接続されたトーションバー等を利用した共振により行われる。

●スクリーン
図６は、実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。スクリーン１５は、光源装置１１の一部を構成するＬＤ１００７から出射されたレーザ光を結像させる。また、スクリーン１５は、所定の発散角で発散させる発散部材である。図６に示すスクリーン１５は、六角形形状を有する複数のマイクロレンズ１５０が隙間なく配列されたマイクロレンズアレイ構造を有している。マイクロレンズ１５０の幅（対向する２辺間の距離）は、一例として５０μｍ〜３００μｍの範囲で最適化され、本実施形態では２００μｍ程度である。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の形状を六角形とすることにより、複数のマイクロレンズ１５０を高密度で配列することができる。

なお、マイクロレンズ１５０の形状は、六角形に限られるものではなく、例えば四角形、三角形等であってもよい。また、複数のマイクロレンズ１５０が規則正しく配列された構造を例示しているが、マイクロレンズ１５０の配列は、これに限られるものではなく、例えば、各マイクロレンズ１５０の中心を互いに偏心させ、不規則な配列としてもよい。このように偏心させた配列を採用する場合、各マイクロレンズ１５０は、互いに異なる形状となる。

また頂点の光軸方向の高さを変化させてもよい。配列方向の偏心や光軸方向のシフトをランダムに設定することで、隣接するマイクロレンズの境界を通過したレーザ光の干渉によって生じるスペックルや周期的な配列によるモアレなどを低減することができる。

スクリーン１５に到達したレーザ光は、マイクロレンズ１５０の中を走査され、走査中にレーザ光がオンオフされることにより複数ドットが打たれ、例えばオンオフ光の組み合わせによって階調表示が可能である。あるいは、レーザ光の強度自体を変調させて階調表示をおこなってもよい。

図７は、マイクロレンズアレイにおいて、入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。図７（ａ）において、スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０が整列して配置された光学板１５１によって構成される。光学板１５１上に入射光１５２を走査される場合、入射光１５２は、マイクロレンズ１５０により発散され、発散光１５３となる。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の構造により、入射光１５２を所望の発散角１５４で発散させることができる。マイクロレンズ１５０の周期１５５は、入射光１５２の径１５６ａよりも大きくなるように設計される。これにより、スクリーン１５は、レンズ間での干渉が起こさずに、スペックル（スペックルノイズ）を生じさせない。

図７（ｂ）は、入射光１５２の径１５６ｂが、マイクロレンズ１５０の周期１５５の２倍大きい場合の発散光の光路を示す。入射光１５２は、二つのマイクロレンズ１５０ａ、１５０ｂに入射し、それぞれ発散光１５７、１５８を生じさせる。このとき、領域１５９において、二つの発散光が存在するため、光の干渉を生じうる。この干渉光が観察者の目に入った場合、スペックルとして視認される。

以上を考慮して、スペックルを低減するため、マイクロレンズ１５０の周期１５５は、入射光の径１５６よりも大きく設計される。なお、図７は、凸面レンズの形態で説明したが、凹面レンズの形態においても同様の効果があるものとする。

以上図６、図７を用いて説明したように画像形成部の一例であるスクリーン１５は、走査されたレーザ光を一定の角度で発散させる機能を有しており、この機能により観察者３がアイボックスの範囲で画像が認識できる、つまり観察者３が運転席に着座した状態である程度の目の位置が変わっても視認される範囲を持つことができる。

したがってマイクロレンズ１５０を搭載したスクリーン１５はマイクロレンズ１５０の形状については、光を適切に発散させるための一定の精度が求められる。さらに量産性に富むものが好ましい。そのためスクリーン１５は、一例として樹脂材料の成型加工により形成される。マイクロレンズ１５０に求められる光学的物性を満たす樹脂の具体例としては、メタアクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリカーボネート、環状ポリオレフィン樹脂などが挙げられるがこれらに限られない。

図８は、光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。光源装置１１の各光源素子は、ＦＰＧＡ１００１によって発光強度や点灯タイミング、光波形が制御される。光源装置１１の各光源素子は、ＬＤドライバ１００８によって駆動され、レーザ光を出射する。各光源素子から出射され光路合成されたレーザ光は、図８に示すように、光偏向装置１３のミラー１３０によってα軸周り、β軸周りに二次元的に偏向され、ミラー１３０を介して走査光としてスクリーン１５に照射される。すなわち、スクリーン１５は、光偏向装置１３による主走査および副走査によって二次元走査される。

走査範囲は、光偏向装置１３によって走査しうる全範囲である。走査光は、スクリーン１５の走査範囲を、２〜４万Ｈｚ程度の速い周波数で主走査方向（Ｘ軸方向）に振動走査（往復走査）しつつ、数十Ｈｚ程度の遅い周波数で副走査方向（Ｙ軸方向）に片道走査する。すなわち、光偏向装置１３は、スクリーン１５に対してラスタースキャンを行う。この場合、表示装置１００は、走査位置（走査光の位置）に応じて各光源素子の発光制御を行うことで、画素ごとの描画または虚像の表示を行うことができる。

一画面を描画する時間、すなわち１フレーム分の走査時間（二次元走査の１周期）は、上記のように副走査周期が数十Ｈｚであることから、数十ｍｓｅｃとなる。例えば、主走査周期を２００００Ｈｚ、副走査周期を５０Ｈｚとした場合、１フレーム分の走査時間は、２０ｍｓｅｃとなる。

図９は、二次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。スクリーン１５は、図９に示すように、中間像が描画される（画像データに応じて変調された光が照射される）画像領域１５Ｒ１（有効走査領域）と、非画像領域１５Ｒ２を含む。非画像領域１５Ｒ２は、画像領域１５Ｒ１を取り囲むフレーム状の領域である。画像領域１５Ｒ１の中心がＣと示されている。

走査範囲は、スクリーン１５における画像領域１５Ｒ１と非画像領域１５Ｒ２の一部（画像領域１５Ｒ１の外縁近傍の部分）を併せた範囲とする。図９において、走査範囲における走査線の軌跡は、ジグザグ線によって示される。図９において、走査線の本数は、説明の便宜上、実際よりも少ない本数を示している。

さらに、スクリーン１５は、走査範囲における画像領域１５Ｒ１の周辺領域（非画像領域１５Ｒ２の一部）に、受光素子を含む同期検知領域１５Ｒ３を含む。図９において、同期検知領域１５Ｒ３は、画像領域１５Ｒ１の−Ｘ側かつ＋Ｙ側の隅部に設定される。一例としてユニット筐体１２の、同期検知領域１５Ｒ３に入射する走査光を検知する位置に配置された光検出器１２１によって検知された信号がＦＰＧＡ１００１に出力される。ＦＰＧＡ１００１は、信号を受信したタイミングによって光偏向装置１３の動作を検出し、その結果、走査開始タイミングや走査終了タイミングを決定できる。

スクリーン１５は、上述のように、マイクロレンズアレイ等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子で構成されているがこれに限られない。つまり装置レイアウトに応じて、例えば、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の素子とすることもできる。また、スクリーン１５は、光拡散効果を持たない平板または曲板であってもよい。

図９に示される例においては、スクリーン１５の中心と、中間像が描画される（画像データに応じて変調された光が照射される）画像領域１５Ｒ１（有効走査領域）の中心Ｃとが略一致する。この場合、画像領域１５Ｒ１の中心Ｃはスクリーン１５の中心とほぼ一致するということもできる。

スクリーン１５、画像領域１５Ｒ１の形状は図９に示されるものに限られない。例えば図９においてはスクリーン１５と画像領域１５Ｒ１とは略相似で、かつ互いの中心がほぼ一致しているがこれに限られず、略相似であっても互いの中心がずれて、つまり一致していなくてもよい。さらに、スクリーン１５と画像領域１５Ｒ１とは相似でなくてもよい。つまり例えばスクリーン１５が平面の長方形であるときに、画像領域１５Ｒ１は平面の長方形である必要はなく、曲面であったり、スクリーン１５の長方形とは異なる矩形や多角形であったりしてもよい。

なお画像領域１５Ｒ１の形状は、一例として図１で示したユニット筐体１２のスクリーン１５を保持する部分の形状で定めることが可能である。つまり、ユニット筐体１２またはユニット筐体１２の一部であるスクリーン１５の保持部によって、非画像領域１５Ｒ２を覆うようにスクリーン１５が保持されれば、保持されている部分は光がユニット筐体１２で遮られて自由曲面ミラー３０に照射されないため、画像領域１５Ｒ１の中間像の発散光のみ自由曲面ミラー３０に照射される。このように画像領域１５Ｒ１の形状を規定することにより、所望の形状の虚像４５が形成される。

図１０は、比較例に係る画像光の光路を説明する図である。Ｅは、アイレンジ９９％を包括するアイリプスを示し、Ｅ１は、アイリプス上端の視点位置（第１の基準位置の一例）を示し、Ｅ２は、アイリプス下端の視点位置（第２の基準位置の一例）を示す。

Ｌ１は、スクリーン１５の中央（図９に示すＣ）から出射され、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０により反射されてアイリプス上端の視点位置Ｅ１に到達する第１の画像光を示し、Ｌ２は、スクリーン１５の中央（図９に示すＣ）から出射され、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０により反射されてアイリプス下端の視点位置Ｅ２に到達する第２の画像光を示す。Ｘは、第１の画像光Ｌ１と、第２の画像光Ｌ２の交点を示す。

Ａ１は、図９に示したスクリーン１５の画像領域１５Ｒ１から出射され、アイリプス上端の視点位置Ｅ１に到達する複数の画像光を示し、Ａ２は、画像領域１５Ｒ１から出射され、アイリプス下端の視点位置Ｅ２に到達する複数の画像光を示す。複数の画像光Ａ１は、第１の画像光Ｌ１を含み、複数の画像光Ａ２は、第２の画像光Ｌ２を含む。

θ１は、第１の画像光Ｌ１がアイリプス上端の視点位置Ｅ１に到達するときの自由曲面ミラー３０の基準角度からの傾きを示し、３０（θ１）は、傾きがθ１のときの、自由曲面ミラー３０の位置を示す。θ２は、第２の画像光Ｌ２がアイリプス下端の視点位置Ｅ２に到達するときの自由曲面ミラー３０の基準角度からの傾きを示し、３０（θ２）は、傾きがθ２のときの、自由曲面ミラー３０の位置を示す。ここで、自由曲面ミラー３０の基準角度は、スクリーン１５の中央（図９に示すＣ）から出射された画像光が、アイリプス上端の視点位置Ｅ１とアイリプス下端の視点位置Ｅ２の中心に到達するときの自由曲面ミラー３０の傾きである。

図１０に示す比較例では、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２の交点Ｘは、自由曲面ミラー３０上にあるため、自由曲面ミラー３０からフロントガラス５０に向かうにしたがって、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２のずれが大きくなっている。

このため、自由曲面ミラー３０からフロントガラス５０に向かうにしたがって、複数の画像光Ａ１と複数の画像光Ａ２のずれが大きくなり、開口Ｈの位置における複数の画像光Ａ１または複数の画像光Ａ２が占有する領域Ｓが大きくなって、開口Ｈを大きくする必要がある。

開口Ｈを大きくすると、太陽光等の外光が筐体９０内部に入りやすくなる課題があり、デザイン上も望ましくない。これに対して、特許文献１のように、開口を覆う移動可能な蓋により開口を覆うことも考えられるが、移動機構を設ける必要があり、装置が大型化する課題がある。

あるいは、自由曲面ミラー３０の回転軸３０１を開口Ｈに近接させることにより、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２の交点Ｘを開口Ｈに近接させて、開口Ｈ近傍において、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２のずれを小さくすることも考えられる。この場合、開口Ｈを小さくすることは可能になるが、開口Ｈ付近に自由曲面ミラー３０の回転軸を配置すると、装置が大型化する課題があった。

図１１は、第２の比較例に係る画像光の光路を説明する図である。

図１１に示す第２の比較例では、図１０に示した比較例と異なり、第１の画像光Ｌ１および第２の画像光Ｌ２は、自由曲面ミラー３０に対してそれぞれ異なる方向から入射しており、第１の画像光Ｌ１が自由曲面ミラー３０により反射される位置は、第２の画像光Ｌ２が自由曲面ミラー３０により反射される位置よりも低い。

この場合、自由曲面ミラー３０からフロントガラス５０に向かうにしたがって、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２のずれは小さくなるが、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間で、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２の交点Ｘは生じていない。

このため、比較例と同様に、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間で、複数の画像光Ａ１と複数の画像光Ａ２のずれが大きく、複数の画像光Ａ１と複数の画像光Ａ２が占有する領域が大きくなっていた。

図１１では、開口Ｈを小さくした結果、複数の画像光Ａ１および複数の画像光Ａ２の端部が、開口Ｈの端部∨でケラレた状態を示している。この場合、アイリプス上端の視点位置Ｅ１、またはアイリプス下端の視点位置Ｅ２には、複数の画像光Ａ１または複数の画像光Ａ２の一部しか到達しない課題がある。すなわち、開口Ｈの位置における複数の画像光Ａ１と複数の画像光Ａ２が占有する領域Sが大きいことに起因して、開口Ｈの大きさの設計等のレイアウトの自由度が阻害されていた。

本実施形態は、以上説明した課題に鑑みてなされたものであり、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間で、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２のずれを小さくすることにより、複数の画像光Ａ１と複数の画像光Ａ２が占有する領域を小さくして、レイアウトの自由度を向上させること、具体的には開口Ｈを小さくすることを目的とする。

図１２は、実施形態に係る画像光の光路を説明する図である。図１２に示す実施形態では、図１０に示した比較例および図１１に示した第２の比較例と同様に、自由曲面ミラー３０に入射する画像光の方向は、Ｚ軸方向正側であり、フロントガラス５０により反射された画像光の方向は、Ｚ軸方向負側である。

また、図１２に示す実施形態では、図１１に示した第２の比較例と同様に、第１の画像光Ｌ１は、自由曲面ミラー３０に第１の方向から入射するとともに、第２の画像光Ｌ２は、自由曲面ミラー３０に第１の方向とは異なる第２の方向から入射する。

しかしながら、図１２に示す実施形態は、図１１に示した第２の比較例よりも、傾きの差（θ１―θ２）が大きくなるように自由曲面ミラー３０が回転しており、これにより、図１１に示した第２の比較例とは異なり、第１の画像光Ｌ１が自由曲面ミラー３０により反射される位置は、第２の画像光Ｌ２が自由曲面ミラー３０により反射される位置よりも高くなっている。ここで、第１の画像光Ｌ１および第２の画像光Ｌ２に限らず、スクリーン１５上の同一位置から出射された画像光について、同様の関係が成り立つ。すなわち、スクリーン１５上の同一位置から出射された画像光は、アイリプス上端の視点位置Ｅ１に到達する第１の画像光と、アイリプス下端の視点位置Ｅ２に到達する第２の画像光を含み、第１の画像光が自由曲面ミラー３０により反射される位置は、第２の画像光が自由曲面ミラー３０により反射される位置よりも高くなっている。

この場合、自由曲面ミラー３０からフロントガラス５０に向かうにしたがって、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２のずれが小さくなって、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間の開口Ｈ近傍で、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２が交差して交点Ｘが生じている。

これにより、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間で、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２のずれ、および複数の画像光Ａ１と複数の画像光Ａ２のずれを小さくすることができるため、開口Ｈの位置における複数の画像光Ａ１と複数の画像光Ａ２が占有する領域Ｓが小さくなる。よって、レイアウトの自由度が向上し、具体的には、開口Ｈを小さくすることができる。

また、本実施形態では、スクリーン１５は、図６および図７に示したように、画像光を発散して出射するマイクロレンズ１５０が配列されたマイクロレンズアレイである。

これにより、スクリーン１５から出射される画像光が、第１の方向及び第２の方向から自由曲面ミラー３０に入射可能となり、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間で、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２を交差させることができる。

図１３は、自由曲面ミラーにおける反射領域を説明する図である。

Ｒ１は、図１２に示した複数の画像光Ａ１が、自由曲面ミラー３０により反射される領域である第１の反射領域を示し、Ｒ２は、図１２に示した複数の画像光Ａ２が、自由曲面ミラー３０により反射される領域である第２の反射領域を示し、ＲＳは、第１の反射領域Ｒ１と第２の反射領域Ｒ２が重なり合っている領域を示す。

図１２で説明したように、第１の画像光Ｌ１が自由曲面ミラー３０により反射される位置は、第２の画像光Ｌ２が自由曲面ミラー３０により反射される位置よりも高くなっていることから、第１の反射領域Ｒ１は、第２の反射領域Ｒ２よりも高くなっている。

図１４は、自由曲面ミラーにおける反射領域と、画像光の光路の関係を説明する図である。

図１４（ａ）は、第１の反射領域Ｒ１と第２の反射領域Ｒ２が完全に重なり合っている状態を示す。

この場合、図１０に示した比較例のように、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２の交点Ｘは、自由曲面ミラー３０上に位置する。

図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に比べて、自由曲面ミラー３０の傾きの差（θ１―θ２）を大きくした状態を示す。

この場合、第１の反射領域Ｒ１および第２の反射領域Ｒ２の一部が重なり合っており、図１３に示したように、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２の交点Ｘは、開口Ｈ近傍に位置する。

図１４（ｃ）は、図１４（ａ）に比べて、自由曲面ミラー３０の傾きの差（θ１―θ２）を小さくした状態を示す。

この場合、図１４（ｂ）に比べて、第１の反射領域Ｒ１と第２の反射領域Ｒ２が重なり合っている領域ＲＳが小さくなっており、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２の交点Ｘは、開口Ｈよりも遠い上方に位置する。

以上により、第１の反射領域Ｒ１と第２の反射領域Ｒ２が重なり合っている領域ＲＳの大きさと、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２の交点Ｘの位置には相関があることがわかる。

図１５は、自由曲面ミラーにおける反射領域の重畳範囲と、開口部のサイズの関係を説明する図である。

ここで、自由曲面ミラーにおける反射領域の重畳範囲の割合は、（第１の反射領域Ｒ１と第２の反射領域Ｒ２が重なり合っている領域ＲＳの面積）×２／（第１の反射領域Ｒ１と第２の反射領域Ｒ２の重なり合わないときの合計面積）で示される。

また、開口部のサイズは、開口Ｈ近傍における、複数の画像光Ａ１と複数の画像光Ａ２が占有する領域の大きさに対応しており、開口部のサイズの変化率は、図１４（ａ）の状態における開口のサイズを基準としている。

重畳範囲の割合が、０％〜５０％の場合は、図１４（ｃ）に示したように、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２の交点Ｘは、開口Ｈよりも上方に位置する。

重畳範囲の割合が、５０％〜６０％の場合は、図１４（ｂ）に示したように、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２の交点Ｘは、開口Ｈ付近に位置する。

重畳範囲の割合が、６０％〜１００％の場合は、図１４（ａ）に示したように、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２の交点Ｘは、開口Ｈよりも下方に位置する。

以上のことから、図１５に示した重畳範囲の割合は、３０％≦（第１の反射領域Ｒ１と第２の反射領域Ｒ２が重なり合っている領域ＲＳの面積）×２／（第１の反射領域Ｒ１と第２の反射領域Ｒ２の重なり合わないときの合計面積）≦８０％の関係を満たすことが好ましい。さらには、５０％≦（第１の反射領域Ｒ１と第２の反射領域Ｒ２が重なり合っている領域ＲＳの面積）×２／（第１の反射領域Ｒ１と第２の反射領域Ｒ２の重なり合わないときの合計面積）≦６０％の関係を満たすことがより好ましい。

これにより、表示装置１０は、図１４（ａ）の状態に比べて、開口Ｈのサイズを１０％以上小さくすることができる。

なお、図１５に示した数値はあくまで一例であり、虚像距離や虚像画角、見下ろし角の仕様、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の位置関係、フロントガラス５０の形状などによって数値は変化する。

図１６は、自由曲面ミラーの角度と、画像光の光路の関係を説明する図である。

アイリプス上端の視点位置Ｅ１とアイリプス下端の視点位置Ｅ２の中心のアイリプス中心位置をＥ０、アイリプス中心位置Ｅ０と自由曲面ミラー３０の反射位置を結んだ光路上において、アイリプス中心位置Ｅ０から自由曲面ミラー３０までの距離をＬ、アイリプス中心位置Ｅ０と自由曲面ミラー３０の反射位置を結んだ光路上において、アイリプス中心位置Ｅ０からフロントガラス５０までの距離をＷとする。

また、アイリプス中心位置Ｅ０からアイリプス上端の視点位置Ｅ１およびアイリプス下端の視点位置Ｅ２のそれぞれまでの距離をＬｅ、アイリプス中心位置Ｅ０から第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２の交点Ｘまでの距離をＤとする。

そして、アイリプス中心位置Ｅ０からの見下ろし角をβ０、アイリプス上端の視点位置Ｅ１からの見下ろし角をβ１、アイリプス下端の視点位置Ｅ２からの見下ろし角をβ２とし、第１の画像光Ｌ１がアイリプス上端の視点位置Ｅ１に到達するときの自由曲面ミラー３０の基準角度からの傾きをθ１、第２の画像光Ｌ２がアイリプス下端の視点位置Ｅ２に到達するときの自由曲面ミラー３０の基準角度からの傾きをθ２とする。

ここで、見下ろし角β１とβ２の差分βは自由曲面ミラー３０の基準角度からの傾きの和に等しくなる。すなわち、β＝β１−β２＝θ１＋θ２が成り立つ。

以上に基づき、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２の交点Ｘは、以下の数式が成り立つ場合に、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間に位置する。

Ｗ＜Ｄ＜Ｌ、ただし、Ｄ＝Ｌｅｃｏｓ（θ１＋θ２）／ｔａｎ（（θ１＋θ２）／２）

すなわち、上記数式を満たすように、自由曲面ミラー３０の基準角度からの傾きの和（θ１＋θ２）を設定することにより、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間で、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２を確実に交差させることができる。

なお、ＨＵＤ装置の場合、ナビゲーションや速度表示、路面の障害物検知等の表示を行うことが多いため、画像はアイリプスに対して水平面よりも低い位置に表示されることが望ましい。この場合、β１＞β２かつβ２＞０となるためβ＞０が成り立つ。

また、上記数式が成り立つ場合、Ｄ＝Ｌの場合と比較すると、β１はより大きくなり、β２はより小さくなる。すなわち、βがより大きくなるため、自由曲面ミラー３０の基準角度からの傾きの和（θ１＋θ２）をより大きくする必要があることがわかる。

図１７は、実施形態の変形例に係る画像光の光路を説明する図である。

表示装置１０は、図１２で説明した実施形態に加えて、スクリーン１５と自由曲面ミラー３０の間の光路中に、平面形状の折返しミラー８０（光偏向部の一例）を備える。折返しミラー８０は、回転軸８０１を中心として回転可能であり、スクリーン１５から出射される画像光を偏向する。

これにより、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０に第１の画像光Ｌ１が入射する第１の方向と、自由曲面ミラー３０に第２の画像光Ｌ２が入射する第２の方向の角度差を大きくすることができるため、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間で、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２を容易に交差させることができる。

以上説明したように、本発明の一実施形態に係る表示装置１０は、画像光を出射するスクリーン１５（出射部の一例）と、画像光を反射する曲面形状の自由曲面ミラー３０（反射部の一例）と、を備え、画像光を反射および透過するフロントガラス５０（他の反射部の一例）に向けて自由曲面ミラー３０で反射された画像光を出射するとともに、スクリーン１５から出射される画像光は、第１の方向及び第１の方向とは異なる第２の方向から自由曲面ミラー３０に入射可能であり、自由曲面ミラー３０に第１の方向から入射する第１の画像光Ｌ１は、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０により反射されてアイリプス上端の視点位置Ｅ１（第１の基準位置の一例）に到達し、自由曲面ミラー３０に第２の方向から入射する第２の画像光Ｌ２は、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０により反射されてアイリプス上端の視点位置Ｅ１よりも低いアイリプス上端の視点位置Ｅ２（第２の基準位置の一例）に到達し、第１の画像光Ｌ１が自由曲面ミラー３０により反射される位置は、第２の画像光Ｌ２が自由曲面ミラー３０により反射される位置よりも高い。

これにより、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間で、アイリプス上端の視点位置Ｅ１に到達する複数の画像光Ａ１と、アイリプス下端の視点位置Ｅ２に到達する複数の画像光Ａ２と、が占有する領域を低減できるため、表示装置１０を設置する際のレイアウトの自由度が向上する。

また、表示装置１０は、画像光を出射するスクリーン１５と、画像光を反射する曲面形状の自由曲面ミラー３０と、を備え、画像光を反射および透過するフロントガラス５０に向けて自由曲面ミラー３０で反射された画像光を出射するとともに、スクリーン１５から出射される画像光は、第１の方向及び第１の方向とは異なる第２の方向から自由曲面ミラー３０に入射可能であり、自由曲面ミラー３０に第１の方向から入射する第１の画像光Ｌ１は、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０により反射されてアイリプス上端の視点位置Ｅ１に到達し、自由曲面ミラー３０に第２の方向から入射する第２の画像光Ｌ２は、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０により反射されてアイリプス上端の視点位置Ｅ１よりも低いアイリプス上端の視点位置Ｅ２に到達し、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間で、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２を交差させる。

これにより、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間で、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２が占有する領域を低減して、アイリプス上端の視点位置Ｅ１に到達する複数の画像光Ａ１と、アイリプス下端の視点位置Ｅ２に到達する複数の画像光Ａ２と、が占有する領域を低減することができるため、表示装置１０を設置する際のレイアウトの自由度が向上する。

自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０部の間には、自由曲面ミラー３０側の空間とフロントガラス５０側の空間を仕切る仕切り部材９０１が備えられる。そして、仕切り部材９０１には、自由曲面ミラー３０により反射された画像光を透過させる開口Ｈ（透過領域の一例）が形成される。

表示装置１０は、スクリーン１５および自由曲面ミラー３０を収納する筐体９０を備える。本実施形態では、仕切り部材９０１は、筐体９０と一体的に設けられるが、筐体９０とは別体で、例えばダッシュボード２００と一体的に設けられてもよい。

この場合、表示装置１０は、アイリプス上端の視点位置Ｅ１に到達する複数の画像光Ａ１と、アイリプス下端の視点位置Ｅ２に到達する複数の画像光Ａ２と、が開口Ｈの位置において占有する領域Ｓを低減することにより、開口Ｈを小さくすることができるため、レイアウトの自由度が向上する。

表示装置１０は、第１の画像光Ｌ１を含み、アイリプス上端の視点位置Ｅ１に到達する複数の画像光Ａ１が、自由曲面ミラー３０により反射される領域を示す第１の反射領域Ｒ１と、第２の画像光Ｌ２を含み、アイリプス下端の視点位置Ｅ２に到達する複数の画像光Ａ２が、自由曲面ミラー３０により反射される領域を示す第２の反射領域Ｒ２と、が以下の関係を満たすように構成される。

３０％≦（第１の反射領域Ｒ１と第２の反射領域Ｒ２が重なり合っている領域ＲＳの面積）×２／（第１の反射領域Ｒ１と第２の反射領域Ｒ２の重なり合わないときの合計面積）≦８０％

これにより、表示装置１０は、開口Ｈを確実に小さくすることができるため、レイアウトの自由度が確実に向上する。

スクリーン１５は、画像光を発散して出射するマイクロレンズ１５０が配列されたマイクロレンズアレイである。

これにより、スクリーン１５から出射される画像光が、第１の方向及び第１の方向とは異なる第２の方向から自由曲面ミラー３０に入射可能となり、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間で、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２を交差させることができる。

また、表示装置１０は、スクリーン１５から出射される画像光を偏向する回転可能な平面形状の折返しミラー８０（光偏向部）を備える。

これにより、表示システム１は、第１の方向と第２の方向の角度差を大きくすることができるため、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間で、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２を容易に交差させることができる。この場合、アイボックスの大きさの課題を考慮しなくてよい場合は、スクリーン１５は画像光を発散して出射するものでなくてもよい。

さらに、表示装置１０は、第１の画像光Ｌ１がアイリプス上端の視点位置Ｅ１に到達するときの自由曲面ミラー３０の傾きθ１と、第２の画像光Ｌ２がアイリプス下端の視点位置Ｅ２に到達するときの自由曲面ミラー３０の傾きθ２が異なるように、自由曲面ミラー３０の傾きを変化させる。

これにより、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間で、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２を容易に交差させることができる。なお、観察系倍率の課題を考慮しなくてよい場合は、自由曲面ミラー３０の傾きを変化させることなく、自由曲面ミラー３０の反射面の曲率を大きくすることにより、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２を交差させてもよい。

そして、アイリプス上端の視点位置Ｅ１とアイリプス下端の視点位置Ｅ２の中心のアイリプス中心位置をＥ０、アイリプス中心位置Ｅ０と自由曲面ミラー３０の反射位置を結んだ光路上において、アイリプス中心位置Ｅ０から自由曲面ミラー３０までの距離をＬ、アイリプス中心位置Ｅ０と自由曲面ミラー３０の反射位置を結んだ光路上において、アイリプス中心位置Ｅ０からフロントガラス５０までの距離をＷ、アイリプス中心位置Ｅ０からアイリプス上端の視点位置Ｅ１およびアイリプス下端の視点位置Ｅ２のそれぞれまでの距離をＬｅ、第１の画像光Ｌ１がアイリプス上端の視点位置Ｅ１に到達するときの自由曲面ミラー３０の基準角度からの傾きをθ１、第２の画像光Ｌ２がアイリプス下端の視点位置Ｅ２に到達するときの自由曲面ミラー３０の基準角度からの傾きをθ２とした場合に、以下の数式が成り立つ。

Ｗ＜Ｄ＜Ｌ、ただし、Ｄ＝Ｌｅｃｏｓ（θ１＋θ２）／ｔａｎ（（θ１＋θ２）／２）

これにより、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の間で、第１の画像光Ｌ１と第２の画像光Ｌ２を確実に交差させることができる。

以上、実施形態に係る画像形成装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

１ 表示システム
１００ 表示装置
１０ 画像形成ユニット
１１ 光源装置（光源の一例）
１２ ユニット筐体
１３ 光偏向装置（光偏向部の一例）
１４ ミラー
１５ スクリーン（出射部の一例）
１５Ｒ１ 画像領域
３０ 自由曲面ミラー（反射部の一例）
３０１ 回転軸
４０ 防塵窓
４５ 虚像
５０ フロントガラス（他の反射部の一例）
７０ 遮光板（遮光部の一例）
８０ 折り返しミラー（光偏向部の一例）
８０１ 回転軸
９０ 筐体
９０１ 仕切り部材
Ｈ 開口（透過領域の一例）

特開２０１４‐２１０５３７ 特開２０１８‐００４７８８

Claims (12)

1. 画像光を出射する出射部と、
   前記画像光を反射する曲面形状の反射部と、を備え、
   前記画像光を反射する他の反射部に向けて、前記反射部で反射された前記画像光を出射する表示装置であって、
   前記出射部から出射される前記画像光は、第１の方向及び前記第１の方向とは異なる第２の方向から前記反射部に入射可能であり、
   前記反射部に前記第１の方向から入射する第１の画像光は、前記反射部および前記他の反射部により反射されて第１の基準位置に到達し、
   前記反射部に前記第２の方向から入射する第２の画像光は、前記反射部および前記他の反射部により反射されて前記第１の基準位置よりも低い第２の基準位置に到達し、
   前記第１の画像光が前記反射部により反射される位置は、前記第２の画像光が前記反射部により反射される位置よりも高い表示装置。
2. 前記第１の画像光と、前記第２の画像光は、前記反射部と前記他の反射部の間で交差する請求項１記載の表示装置。
3. 前記反射部と前記他の反射部の間に備えられ、前記反射部側の空間と前記他の反射部側の空間を仕切る仕切り部材に、前記反射部により反射された前記画像光を透過させる透過領域が形成される請求項１または２記載の表示装置。
4. 前記出射部および前記反射部を収納する筐体を備え、
   前記仕切り部材は、前記筐体の一部である請求項３記載の表示装置。
5. 前記第１の画像光を含み、前記第１の基準位置に到達する複数の前記画像光が、前記反射部により反射される領域を示す第１の反射領域と、
   前記第２の画像光を含み、前記第２の基準位置に到達する複数の前記画像光が、前記反射部により反射される領域を示す第２の反射領域と、が以下の関係を満たす請求項１〜４の何れか記載の表示装置。
   ３０％≦（第１の反射領域と第２の反射領域が重なり合っている領域の面積）×２／（第１の反射領域と第２の反射領域の重なり合わないときの合計面積）≦８０％
6. 前記出射部は、前記画像光を発散して出射する請求項１〜５の何れか記載の表示装置。
7. 前記出射部から出射される前記画像光を偏向する光偏向部を備える請求項１〜６の何れか記載の表示装置。
8. 前記第１の画像光が前記第１の基準位置に到達するときの前記反射部の傾きと、前記前記第２の画像光が前記第２の基準位置に到達するときの前記反射部の傾きが異なるように、反射部の傾きを変化させる請求項１〜７の何れか記載の表示装置。
9. 前記第１の基準位置と前記第２の基準位置の中心の中心位置をＥ０、中心位置Ｅ０と前記反射部の反射位置を結んだ光路上において、前記中心位置Ｅ０から前記反射部までの距離をＬ、前記中心位置Ｅ０と前記反射部の反射位置を結んだ光路上において、前記中心位置Ｅ０から前記他の反射部までの距離をＷ、前記中心位置から前記第１の基準位置および前記第２の基準位置のそれぞれまでの距離をＬｅ、前記第１の画像光が前記第１の基準位置に到達するときの前記反射部の基準角度からの傾きをθ１、前記第２の画像光が前記第２の基準位置に到達するときの前記反射部の前記基準角度からの傾きをθ２とした場合に、以下の数式が成り立つ請求項８記載の表示装置。
   Ｗ＜Ｄ＜Ｌ、ただし、Ｄ＝Ｌｅｃｏｓ（θ１＋θ２）／ｔａｎ（（θ１＋θ２）／２）
10. 請求項１〜９の何れか記載の表示装置と、前記他の反射部を備えた表示システム。
11. 前記他の反射部は、前記反射部で反射された前記画像光を反射および透過する請求項１０記載の表示システム。
12. 請求項１０または１１記載の表示システムを備えた移動体。

Images