WO2016185992A1 - 表示装置 - Google Patents

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WO2016185992A1
WO2016185992A1 PCT/JP2016/064103 JP2016064103W WO2016185992A1 WO 2016185992 A1 WO2016185992 A1 WO 2016185992A1 JP 2016064103 W JP2016064103 W JP 2016064103W WO 2016185992 A1 WO2016185992 A1 WO 2016185992A1
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light
mirror
image
intermediate image
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PCT/JP2016/064103
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Inventor
奈留 臼倉
嶋谷　貴文
Original Assignee
シャープ株式会社
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Publication date
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    • G02B2027/0145—Head-up displays characterised by optical features creating an intermediate image

Definitions

  • the present invention relates to a display device.
  • a head-up display or a head-mounted display has been developed that reflects light constituting an image on the surface of a transparent planar body so that the image can be viewed overlaid on the background. Yes.
  • Patent Document 1 discloses a head-up display including a laser light source, a screen, and a combiner.
  • the screen enlarges the exit pupil of the light emitted from the laser light source and forms an intermediate image of the image to be displayed.
  • the combiner reflects light from the screen to display an image corresponding to incident light as a virtual image.
  • the surface of the screen is disposed so as to be orthogonal to the direction in which the virtual image is viewed in order to suppress distortion of the virtual image.
  • the present application discloses a display device that facilitates suppressing distortion of a display image.
  • a display device includes a light source, a mirror that reflects light from the light source, a screen on which an intermediate image is formed by light reflected by the mirror, and light of the intermediate image on the screen. Or an optical element that generates a display image by transmitting.
  • the normal of the incident surface of the principal ray from the screen to the optical element is located on the side of the one end ray of the intermediate image with respect to the principal ray incident on the optical element.
  • the normal line of the reflecting surface of the mirror when displaying the center of the intermediate image is located on the side of the other end ray of the intermediate image with respect to the principal ray from the mirror toward the screen.
  • the light exit surface of the screen shortens the optical path between the screen and the optical element of the light beam at the one end of the intermediate image with respect to a plane perpendicular to the principal ray traveling from the screen to the optical element. Tilt in the direction.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a display device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of an intermediate image projected on the screen 5 of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a display image displayed on the combiner 6 of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a detailed configuration example of the display device 1 shown in FIG.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the inclination angle ⁇ , MTF, and distortion.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a value indicating distortion.
  • FIG. 7 is a graph showing an intermediate image on the screen 5 and its brightness distribution.
  • FIG. 8 is a graph showing an image in a display image obtained by reflecting the intermediate image shown in FIG. 7 with a combiner and its brightness distribution.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a display device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of an intermediate image projected on the screen 5 of FIG.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of the display device according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a display device according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of a display device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of a display device according to the fifth embodiment.
  • a display device includes a light source, a mirror that reflects light from the light source, a screen on which an intermediate image is formed by light reflected by the mirror, and light of the intermediate image on the screen. Or an optical element that generates a display image by transmitting.
  • the normal of the incident surface of the principal ray from the screen to the optical element is located on the side of the one end ray of the intermediate image with respect to the principal ray incident on the optical element.
  • the normal line of the reflecting surface of the mirror when displaying the center of the intermediate image is located on the side of the other end ray of the intermediate image with respect to the principal ray from the mirror toward the screen.
  • the light exit surface of the screen shortens the optical path between the screen and the optical element of the light beam at the one end of the intermediate image with respect to a plane perpendicular to the principal ray traveling from the screen to the optical element. Tilted in the direction (first configuration).
  • the inclination with respect to the normal of the incident direction of the principal ray from the screen to the optical element and the inclination with respect to the normal of the emission direction of the principal ray from the mirror to the screen are based on the intermediate image. If it is, the direction will be reversed. Further, the light exit surface of the screen is inclined in a direction in which the optical path between the screen of the light beam at one end of the intermediate image and the optical element is shortened. Thereby, the distortion of the image due to the inclination of the light emitted from the mirror and the distortion of the image due to the inclination of the light incident on the optical element are opposite to each other, and the distortion is suppressed as a whole.
  • the image distortion can be further suppressed by tilting the exit surface of the screen as described above.
  • the relative positions of the mirror, the screen, and the optical element it is possible to effectively suppress image distortion. As a result, it becomes easy to suppress image distortion in the display device.
  • the incident angle of the principal ray with respect to the optical element and the incident angle of light from the light source with respect to the mirror when the center of the intermediate image is displayed can be made substantially equal (second configuration).
  • the distortion of the image due to the inclination of the light emitted from the mirror and the distortion of the image due to the inclination of the light incident on the optical element are opposite to each other in the distortion direction. Since these distortions are canceled out efficiently, the distortion of the image as a whole is further suppressed.
  • the case where the incident angles are equal includes not only the case where the incident angles are exactly the same but also the case where the incident angles are different to such an extent that the influence on the image quality can be ignored.
  • the incident angle of the principal ray from the screen to the optical element is ⁇
  • the angle between the light exit surface of the screen and the surface perpendicular to the principal ray from the screen to the optical element is ⁇ ⁇ 1. .5 ⁇ (third configuration).
  • the normal of the incident surface of the principal ray to the optical element and the normal of the mirror when displaying the center of the intermediate image can be made substantially parallel (fourth configuration).
  • the normal of the mirror can be the normal of the reflecting surface of the mirror at the reflection position of the principal ray.
  • image distortion can be more effectively suppressed.
  • said parallel includes the case where it can be considered optically parallel. In addition to the case of being strictly parallel, the case where the directions are different to such an extent that the influence on the image quality and the like can be ignored is also included in the above-described parallel.
  • the optical element may have a reflecting surface that emits the display image by reflecting the light of the intermediate image from the screen.
  • the angle between the principal ray incident on the screen with respect to the optical element and the direction of the principal ray emitted from the optical element and forming the display image is the angle when the center of the intermediate image is displayed.
  • the angle between the direction of the light incident on the mirror from the light source and the direction of the outgoing light from the mirror toward the screen when displaying the center of the intermediate image can be made substantially equal (fifth). Constitution).
  • the fifth configuration it is possible to configure an optical element that reflects the light of the intermediate image from the screen and generates a display image.
  • the image distortion due to the inclination of the incident direction of the principal ray from the screen to the optical element and the image distortion due to the inclination of the incident direction of the light from the light source to the mirror can cancel each other.
  • the optical element may be configured to superimpose a background on the display image by transmitting light from a surface opposite to the screen (sixth configuration). Thereby, the background and the display image can be visually recognized by the optical element.
  • the display device reflects light from the optical element to change the direction of the light of the display image, and transmits light from a surface opposite to the optical element to provide a background to the display image.
  • An overlapping optical member can be further provided (seventh configuration). Thereby, it is possible to display the display image superimposed on the background of the optical member.
  • the display device may further include a compensation optical element that performs optical compensation provided between the mirror and the screen or between the screen and the optical element (eighth configuration).
  • the display device is applied to a head-up display.
  • the display device according to the present invention is not limited to the head-up display.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a display device 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 1 shows a configuration of a cross section in a plane including a line connecting the center of an image displayed by the display device 1 and the assumed viewpoint position.
  • the horizontal plane is the XY plane of XYZ coordinates
  • the vertical direction is the Z axis.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the XZ plane.
  • the display device 1 includes a light source 2, a mirror 3, a field lens 4, a screen 5, and a combiner 6.
  • the mirror 3 reflects light from the light source 2.
  • the light reflected by the mirror 3 reaches the screen 5 through the field lens 4.
  • an intermediate image is formed by the light from the mirror 3.
  • Light of an intermediate image is emitted from the screen 5 to the combiner 6.
  • the screen 5 has an incident surface on which light from the mirror 3 is incident and an output surface from which light of the intermediate image is emitted.
  • the combiner 6 generates a display image by reflecting the light of the intermediate image from the screen 5. That is, the light emitted from the combiner 6 in response to the light from the screen 5 forms a display image.
  • the display image by the light reflected by the combiner 6 is visually recognized by the user as a virtual image K.
  • the mirror 3 reflects the light from the light source 2 and irradiates the screen 5.
  • the light source 2 irradiates the mirror 3 with light of a color corresponding to the image to be displayed.
  • the direction of the reflecting surface of the mirror 3 is variable.
  • the direction of the reflecting surface of the mirror 3 is controlled in accordance with the irradiation timing of light from the light source 2. Thereby, the position of the light irradiated on the screen 5 and the timing of light irradiation are controlled. That is, the intermediate image is projected onto the screen 5 by the operation of the light source 2 and the mirror 3.
  • the target area of the screen 5 can be scanned with the light of the light source 2 by moving the reflecting surface of the mirror 3. Specifically, an intermediate image can be drawn on the screen 5 by raster scanning.
  • a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror can be used.
  • the light source 2 a laser light source that emits laser beams of three primary colors of red, green, and blue can be used.
  • a laser projector serving as an image engine can be configured by the light source 2 and the mirror 3.
  • the mirror 3 may include a plurality of MEMS mirrors corresponding to each pixel. In this case, on / off of the light of each pixel can be controlled by the angles of the plurality of MEMS mirrors.
  • a DLP (Digital light processing) type video engine using a light source 2 using LED light sources of three primary colors (red, green, and blue) and a mirror 3 using DMD (Digital Micromirror Device) is configured. You can also.
  • the screen 5 is a transmissive screen that forms an intermediate image with the light from the mirror 3 and irradiates it toward the combiner 6.
  • the screen 5 serves as a secondary light source.
  • a light distribution screen configured by laminating a microlens array and a lenticular lens can be used.
  • the screen 5 may have a configuration including a scattering plate.
  • a field lens 4 is inserted between the screen 5 and the mirror 3.
  • the field lens 4 has a spherical convex surface on which the light from the mirror 3 is incident.
  • the exit surface of the field lens 4 opposite to the entrance surface is a flat surface.
  • the field lens 4 can efficiently irradiate the screen 5 with light from the mirror 3.
  • the field lens 4 may be disposed between the screen 5 and the combiner 6 or may be omitted.
  • the combiner 6 is an example of an optical element that generates a display image by reflecting or transmitting light of an intermediate image on the screen 5.
  • the combiner 6 is a half mirror that reflects the light of the intermediate image from the screen 5 to display the intermediate image as an enlarged display image (virtual image K).
  • An incident surface (which can be referred to as a reflective surface) on which light from the screen 5 of the combiner 6 is incident is formed in a spherical concave shape.
  • the combiner 6 superimposes the background on the display image by transmitting light from the surface opposite to the screen 5. Thereby, the user looks as if there is a virtual image K at the tip of the combiner 6.
  • the combiner 6 is also a concave mirror that transmits the background light and reflects the light from the screen 5. Therefore, the reflecting surface of the combiner 6 can be configured to be covered with, for example, a beam splitter coat.
  • the combiner 6 can be set as the structure using a cholesteric liquid crystal or a hologram element other than a half mirror, for example.
  • a light beam traveling from the screen 5 toward the combiner (optical element) 6 and passing through the center among the light beams composing the intermediate image is the principal light beam X3. That is, in the region where the light for displaying the intermediate image between the screen 5 and the combiner (optical element) 6 passes, the light ray F4 at one end of the intermediate image and the light ray at the other end of the intermediate image opposite to the one end. The light ray passing through the center with F3 becomes the principal ray X3. In this way, the principal ray X3 passes between the ray F4 that displays one end of the intermediate image and the ray F3 that displays the other end of the intermediate image. The other end of the intermediate image is the end of the intermediate image opposite to the one end.
  • the principal ray X3 displays the center of the intermediate image and the display image.
  • the principal ray X3 can be said to be a line connecting the center of the intermediate image of the screen 5 and the center of the display image of the combiner (optical element) 6.
  • the light ray passing through the center among the light rays of the intermediate image from the mirror 3 toward the screen 5 becomes the principal ray X2.
  • the chief ray X2 displays the center of the intermediate image.
  • the principal ray X2 passes through the center of the ray F2 that displays one end of the intermediate image and the ray F1 that displays the other end of the intermediate image.
  • the light ray passing through the center among the light rays of the display image from the combiner 6 toward the user's viewpoint position is the principal ray X4.
  • the chief ray X4 displays the center of the display image.
  • the principal ray X4 passes through the center of the ray F6 that displays one end of the display image and the ray F5 that displays the other end of the display image.
  • one end is the upper end of the image, and the other end is the lower end of the image. That is, as viewed from the user, the upper end of the display image is one end, and the lower end of the display image is the other end.
  • the one end and the other end are not limited to this example.
  • the right end and the left end of the intermediate image can be set as one end and the other end.
  • the principal rays X3 and X4 are rays passing through the center of the light forming the display image or the intermediate image among the rays emitted from the light source 2 in the optical system of the display device 1. That is, the principal rays X3 and X4 can be rays that display the center of the display image or the intermediate image.
  • the principal rays X3 and X4 can be rays that display the center of the display image or the intermediate image.
  • the light ray passing through the middle of the light ray F2 at one end of the intermediate image and the light ray F1 at the other end is the principal ray X2. It has become.
  • the light ray passing through the middle of the light ray F4 at one end and the light ray F3 at the other end of the intermediate image is the principal ray X3.
  • the light ray passing through the middle between the light ray F6 at one end and the light ray F5 at the other end of the display image is the principal ray X4.
  • the principal ray X3 from the screen 5 is incident on the incident surface of the combiner 6.
  • the normal line N1 at the incident position of the principal ray X3 on the incident surface of the combiner 6 is located on the side of the ray F4 at one end of the intermediate image with respect to the principal ray X3 incident on the combiner 6. That is, on the plane including the normal line N1 and the principal ray X3, the normal line N1 is located on the side of the ray F4 at one end of the intermediate image with respect to the principal ray X3.
  • the normal line N1 of the incident surface of the combiner 6 on the principal ray X3 is located between the ray F4 that displays one end of the intermediate image and the principal ray X3.
  • the principal ray X2 passing through the center among the rays of the intermediate image from the mirror 3 toward the screen 5 displays the center of the intermediate image on the screen 5.
  • the principal ray X2 is reflected by the reflecting surface of the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image.
  • the normal N2 at the reflection position of the principal ray X2 on the reflection surface of the mirror 3 is located on the side of the ray F1 at the other end of the intermediate image with respect to the principal ray X2 from the mirror 3 toward the screen 5. That is, on the plane including the normal line N2 and the chief ray X2, the normal line N2 is located on the side of the ray F1 at the other end of the intermediate image with respect to the chief ray X2.
  • the light exit surface P3 of the screen 5 is tilted with respect to a surface P4 perpendicular to the principal ray X3 from the screen 5 toward the combiner 6.
  • the light exit surface P3 of the screen 5 is inclined in the direction in which the optical path from the screen 5 to the combiner 6 of the light beam F4 at one end of the intermediate image is shortened.
  • the end portion of the screen 5 on the side of the light beam F ⁇ b> 4 at one end of the intermediate image is inclined so as to approach the combiner 6 from the end portion on the opposite side.
  • the optical path between the screen 5 and the combiner 6 of the light ray F4 at one end of the intermediate image becomes short, and the screen 5 and combiner of the light ray F3 at the other end of the intermediate image.
  • the light emission surface P3 is inclined in the direction in which the optical path between the light beams 6 becomes longer.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of an intermediate image projected on the screen 5 in the display device 1 shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a display image displayed on the combiner 6 and visually recognized by the user in the display device 1.
  • the intermediate image formed on the screen 5 has a trapezoidal shape with a wide bottom and a narrow top.
  • the light source 2 is arranged below the intermediate image (on the other side) than the mirror 3. That is, X1 is incident on the mirror 3 from the lower side of the intermediate image. Therefore, as shown in FIG. 2, the lower width of the intermediate image is wider than the upper width.
  • the combiner 6 displays a rectangular display image in which the distortion is eliminated, as shown in FIG.
  • the incident surface of the combiner 6 for the principal ray X3 is arranged such that the normal line N1 is closer to the upper end side (one end side) of the intermediate image than the principal ray X3.
  • the screen 5 is inclined in the direction in which the optical path between the combiner 6 of the light beam F4 on the upper end side (one end side) of the intermediate image and the screen 5 becomes shorter. Therefore, a display screen (FIG. 3) in which the distortion of the intermediate image is eliminated is displayed on the combiner 6.
  • the inventors of the present application performed reverse ray tracing by irradiating the combiner 6 with light from the viewpoint position of the user and reflecting the light on the concave surface of the combiner 6.
  • the arrangement of the combiner 6, the screen 5, and the mirror 3 for reproducing the light appropriately reaching the user's viewpoint from the virtual image K has been found.
  • the upper side (one end side) of the intermediate image of the screen 5 is inclined in a direction close to the combiner 6. Yes.
  • reverse ray tracing is performed with this configuration, the light reflected by the combiner 6 is appropriately collected on the screen 5.
  • a virtual image with high visibility and high resolution can be displayed to the user.
  • FIG. 4 is a view for explaining a more detailed arrangement example of the mirror 3, the screen 5, and the combiner 6 of the display device 1 shown in FIG.
  • the combiner 6 has a reflection surface that emits a display image by reflecting the light of the intermediate image from the screen 5.
  • the principal ray X3 from the screen 5 incident on the combiner 6 is lower than the principal ray X4 emitted from the combiner 6 ( Located in the first direction D1).
  • the light X1 from the light source 2 to the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image is located below the light X2 from the mirror 3 toward the screen 5, that is, in the same direction D2 as the first direction D1.
  • D1 and D2 do not necessarily have to be on the same plane.
  • the incident angle ⁇ of the principal ray X3 with respect to the combiner 6 and the incident angle ⁇ of the light X1 from the light source 2 with respect to the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image are substantially equal.
  • the normal line N1 of the incident surface at the incident position of the principal ray X3 of the combiner 6 and the normal line N2 of the reflection surface of the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image are substantially parallel. That is, the contact surface P2 of the combiner 6 at the incident position of the principal ray X3 and the reflection surface of the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image are substantially parallel. This makes it easier to suppress image distortion.
  • the incident angle of the principal ray X3 from the screen 5 to the combiner 6 is ⁇
  • the angle between the surface P1 perpendicular to the angle P1 and the contact surface P2 of the combiner 6 at the incident position of the principal ray X3 is also ⁇ .
  • the angle ⁇ between the light exit surface P3 of the screen 5 and the surface P4 perpendicular to the principal ray X3 directed from the screen 5 to the combiner 6 can be set to, for example, 0.8 ⁇ to 1.6 ⁇ , and more preferably. Can be between ⁇ and 1.5 ⁇ . Thereby, distortion of an image can be suppressed efficiently and display quality can be improved.
  • ⁇ can be set to 20 ° ⁇ ⁇ ⁇ 40 °, for example.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the inclination angle ⁇ , MTF (Modulation transfer function) and distortion.
  • FIG. 5 shows the result of analysis by simulation.
  • the distortion value shown in FIG. 5 is obtained by using the maximum value a and the minimum value b of the length in the horizontal direction when the rectangular image is distorted, (1-b / a) Calculated with x100 (%).
  • the MTF is a value used as an index representing the blur value.
  • the MTF is a value indicating how the virtual image K (displayed image) changes when an image of a certain spatial frequency is displayed on the screen 5.
  • FIG. 7 is a graph showing an intermediate image having a sine wave brightness distribution in one direction on the screen 5 and its brightness distribution. Let x be the difference between the maximum value and the minimum value of the brightness of the intermediate image on the screen 5, that is, the amplitude of the sine wave.
  • FIG. 8 is an image and a graph of a virtual image K (display image) obtained by reflecting the intermediate image shown in FIG. 7 with the combiner 6. If the amplitude of the sine wave of the display image is y, the MTF can be expressed by y / x, for example.
  • the MTF is 0.5 or more.
  • the distortion value is 3% or less.
  • the MTF is 0.7 or more.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of the display device 1a according to the second embodiment.
  • the display device 1a shown in FIG. 9 has a configuration in which a concave mirror 6a is provided instead of the combiner 6 in the configuration of the display device 1 shown in FIG.
  • the display device 1a further includes a combiner 7 separate from the concave mirror 6a.
  • the concave mirror 6 a is an example of an optical element that generates a display image by reflecting or transmitting light of an intermediate image on the screen 5.
  • the concave mirror 6 a reflects the light of the intermediate image from the screen 5 to generate a display image in which the size of the intermediate image is adjusted. That is, the reflected light of the concave mirror 6a is irradiated to the combiner 7 as a display image.
  • the incident surface (also referred to as a reflection surface) of light from the screen 5 of the concave mirror 6a has a spherical concave shape.
  • the size of the virtual image K and the position where the virtual image is formed can be changed.
  • the concave mirror 6a may not transmit light from the surface opposite to the light reflecting surface from the screen 5.
  • the light irradiated from the concave mirror 6 a to the combiner 7 is reflected by the combiner 7.
  • the light reflected by the combiner 7 is visually recognized by the user as a display image (virtual image).
  • the combiner 7 transmits light from a surface opposite to the light incident surface (also referred to as a reflective surface) from the concave mirror 6a.
  • the display image (virtual image K) by the light reflected by the reflecting surface can be superimposed on the background of the combiner 7 and shown to the user.
  • the combiner 7 reflects the light from the concave mirror 6a to change the direction of the light of the display image, and transmits the light from the surface opposite to the concave mirror 6a, so that the background is displayed on the display image. It is an example of the optical member which superimposes.
  • the combiner 7 is also a concave mirror that reflects the light from the concave mirror 6a. Therefore, the reflective surface of the combiner 7 can be set as the structure covered with the beam splitter coat
  • the display device 1a when used for a head-up display of a vehicle, the windshield of the vehicle can be used as the combiner 7. Thereby, the driver of the vehicle appears to have a display of the virtual image K at the tip of the windshield. The driver can obtain various driving assistance information from the display.
  • the principal ray X3 passing through the center among the rays of the intermediate image from the screen 5 toward the concave mirror 6a displays the center of the display image on the concave mirror 6a.
  • the principal ray X3 passes between a ray F4 that displays one end of the intermediate image and a ray F3 that displays the other end of the intermediate image.
  • the principal ray X3 from the screen 5 enters the reflecting surface of the concave mirror 6a.
  • the normal N1 of the incident position of the principal ray X3 on the reflecting surface of the concave mirror 6a is located on the side of the ray F4 at one end of the intermediate image with respect to the principal ray X3 incident on the concave mirror 6a. That is, on the plane including the normal line N1 and the principal ray X3, the normal line N1 is located on the side of the ray F4 at one end of the intermediate image with respect to the principal ray X3.
  • the normal line N1 of the incident surface of the principal ray X3 in the concave mirror 6a is located between the ray F4 displaying one end of the intermediate image and the principal ray X3.
  • the principal ray X2 passing through the center among the rays of the intermediate image from the mirror 3 toward the screen 5 displays the center of the intermediate image on the screen 5.
  • the principal ray X2 is reflected by the reflecting surface of the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image.
  • the normal N2 at the reflection position of the principal ray X2 on the reflection surface of the mirror 3 is located on the side of the ray F1 at the other end of the intermediate image with respect to the principal ray X2 from the mirror 3 toward the screen 5.
  • the light exit surface P3 of the screen 5 is inclined with respect to a surface P4 perpendicular to the principal ray X3 directed from the screen 5 toward the concave mirror 6a.
  • the light exit surface P3 of the screen 5 is inclined in the direction in which the optical path between the screen 5 and the concave mirror 6a of the light beam F4 at one end of the intermediate image is shortened.
  • the light exit surface P3 of the screen 5 is inclined so that the end of the screen 5 on the side of the light beam F4 at one end of the intermediate image is closer to the concave mirror 6a than the end on the opposite side.
  • the optical path between the screen 5 of the light ray F4 at one end of the intermediate image and the concave mirror 6a is shortened, and the screen 5 of the light ray F3 at the other end of the intermediate image
  • the light exit surface P3 is inclined in the direction in which the optical path to the concave mirror 6a becomes longer.
  • the concave mirror 6a and the mirror 3 can be arranged so that the angles ⁇ are substantially equal.
  • the angle between the incident direction of the principal ray X3 on the concave mirror 6a and the emission direction of the principal ray X4 from the concave mirror 6a is determined by the incidence of the light X1 from the light source 2 on the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image.
  • the angle between the direction and the direction of outgoing light from the mirror 3 toward the screen 5 can be made substantially equal. Thereby, the distortion of an image can be canceled efficiently.
  • the concave mirror 6a is such that the normal N1 of the incident surface at the incident position of the principal ray X3 of the concave mirror 6a and the normal N2 of the reflective surface of the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image are substantially parallel. 6a and the mirror 3 can be arranged. That is, the contact surface P2 of the concave mirror 6a at the incident position of the principal ray X3 and the reflection surface of the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image can be made substantially parallel. This makes it easier to suppress image distortion.
  • the angle ⁇ between the light exit surface P3 of the screen 5 and the surface P4 perpendicular to the principal ray X3 from the screen 5 toward the concave mirror 6a can be set to 0.8 ⁇ to 1.6 ⁇ , for example.
  • it can be ⁇ to 1.5 ⁇ .
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of the display device 1b according to the third embodiment.
  • the display device 1b shown in FIG. 10 has a configuration in which the lens 6b is provided instead of the concave mirror 6a in the display device 1a of FIG.
  • the lens 6 b is an example of an optical element that generates a display image by transmitting light of an intermediate image on the screen 5.
  • the lens 6b transmits a light of the intermediate image from the screen 5 to generate a display image in which the size of the intermediate image is adjusted.
  • the emitted light from the lens 6b is irradiated to the combiner 7 as a display image.
  • the lens 6b is, for example, a convex lens. Depending on the characteristics of the lens 6b, the size of the virtual image K and the position where the virtual image is formed can be changed.
  • the principal ray X3 passing through the center of the rays of the intermediate image from the screen 5 toward the lens 6b displays the ray F4 that displays one end of the intermediate image and the other end of the intermediate image. It passes between the rays F3.
  • the principal ray X3 from the screen 5 is incident on the incident surface of the lens 6b.
  • the normal line N1 at the incident position of the principal ray X3 on the incident surface of the lens 6b is located on the side of the ray F4 at one end of the intermediate image with respect to the principal ray X3 incident on the lens 6b. That is, on the plane including the normal line N1 and the principal ray X3, the normal line N1 is located on the side of the ray F4 at one end of the intermediate image with respect to the principal ray X3.
  • the principal ray X2 is reflected by the reflecting surface of the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image.
  • the normal N2 of the reflection position of the principal ray X2 on the reflection surface of the mirror 3 is located on the side of the ray F1 at the other end of the intermediate image with respect to the principal ray X2 from the mirror 3 toward the screen 5.
  • the light exit surface P3 of the screen 5 is inclined with respect to a surface P4 perpendicular to the principal ray X3 from the screen 5 toward the lens 6b.
  • the light exit surface P3 of the screen 5 is inclined in the direction in which the optical path between the screen 5 and the combiner 6 of the light beam F4 at one end of the intermediate image is shortened.
  • the light exit surface P3 of the screen 5 is inclined such that the end of the screen 5 on the side of the light beam F4 at one end of the intermediate image is closer to the lens 6b than the end on the opposite side.
  • the optical path between the screen 5 of the light ray F4 at one end of the intermediate image and the lens 6b becomes short, and the screen 5 and the lens of the light ray F3 at the other end of the intermediate image.
  • the light exit surface P3 is inclined in the direction in which the optical path between 6b becomes longer.
  • the lens 6b and the mirror 3 can be arranged so that ⁇ is substantially equal. Thereby, the distortion of the image by the mirror 3 and the distortion of the image by the lens 6b can be canceled efficiently.
  • the lens 6b and the lens 6b are arranged so that the normal N1 of the incident surface at the incident position of the principal ray X3 of the lens 6b and the normal N2 of the reflection surface of the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image are substantially parallel.
  • a mirror 3 can be arranged. That is, the contact surface P2 of the lens 6b at the incident position of the principal ray X3 and the reflection surface of the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image can be made substantially parallel. This makes it easier to suppress image distortion.
  • the angle ⁇ between the light emitting surface P3 of the screen 5 and the surface P4 perpendicular to the principal ray X3 directed from the screen 5 to the lens 6b can be set to 0.8 ⁇ to 1.6 ⁇ , for example. Can be between ⁇ and 1.5 ⁇ . Thereby, distortion of an image can be suppressed efficiently and display quality can be improved.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of the display device 1c according to the fourth embodiment.
  • a display device 1c shown in FIG. 11 has a configuration in which a mirror 8 is disposed between the screen 5 and the combiner 6 of the display device 1 shown in FIG.
  • the arrangement of the screen 5, the mirror 3 and the light source 2 of the display device 1c shown in FIG. 11 is symmetric with respect to the arrangement of the screen 5, the mirror 3 and the light source 2 of the display device 1 shown in FIG. .
  • the optical system of the display device 1 c is substantially the same as the optical system of the display device 1. That is, the optical positional relationship between the combiner 6, the screen 5, and the mirror 3 of the display device 1 c can be made substantially the same as that of the display device 1.
  • the normal line N1 of the incident position of the principal ray X3 on the incident surface of the combiner 6 is positioned on the side of the ray F4 at one end of the intermediate image with respect to the principal ray X3 incident on the combiner 6.
  • the normal N2 of the reflection position of the principal ray X2 on the reflecting surface of the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image is the ray F1 at the other end of the intermediate image with respect to the principal ray X2 directed from the mirror 3 to the screen 5. Located on the side.
  • the light exit surface P3 of the screen 5 is inclined with respect to the surface P4 perpendicular to the exit direction of the principal ray X3 from the screen 5 toward the combiner 6.
  • the light exit surface P3 of the screen 5 is inclined in the direction in which the optical path between the screen 5 and the combiner 6 of the light beam F4 at one end of the intermediate image is shortened. That is, on the plane including the principal ray X3 and the normal line N1, the optical path between the screen 5 and the combiner 6 of the light ray F4 at one end of the intermediate image becomes short, and the screen 5 and combiner of the light ray F3 at the other end of the intermediate image.
  • the light emission surface P3 is inclined in the direction in which the optical path between the light beams 6 becomes longer.
  • the incident angle ⁇ of the principal ray X3 with respect to the combiner 6 and the incident angle ⁇ of the light X1 from the light source 2 with respect to the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image are substantially equal.
  • the combiner 6 and the mirror 3 can be arranged. Thereby, the distortion of the image by the mirror 3 and the distortion of the image by the combiner 6 can be canceled efficiently.
  • the incident angle of the principal ray X3 from the screen 5 to the combiner 6 is ⁇ .
  • the angle ⁇ between the light emitting surface P3 of the screen 5 and the surface P4 perpendicular to the principal ray X3 directed from the screen 5 to the combiner 6 is, for example, 0.8 ⁇ to 1.6 ⁇ as in the first embodiment. And more preferably ⁇ to 1.5 ⁇ . Thereby, distortion of an image can be suppressed efficiently and display quality can be improved.
  • the normal N1 of the incident surface at the incident position of the principal ray X3 of the combiner 6 (optical element) and the normal N2 of the reflecting surface of the mirror 3 when displaying the center of the intermediate image are not parallel.
  • the normal line N2s in the target optical system with respect to the surfaces of the screen 5, the field lens 4, the mirror 3, the light source 2, and the mirror 8, that is, substantially the same optical system is parallel to the normal line N1.
  • the normal line N1 and the normal line N2 can be regarded as optically parallel.
  • the form in which the normal line N1 and the normal line N2 are parallel includes the case where the optical system having the mirror 8 can be regarded as being optically parallel.
  • the position of the mirror 8 is not limited to between the clean 5 and the combiner 6.
  • the mirror 8 may be disposed between the mirror 3 and the screen 5.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of the display device 1d according to the fifth embodiment.
  • the display device 1d has a configuration in which a compensation optical element 9 that performs optical compensation is added to the display device 1 shown in FIG.
  • the compensation optical element 9 is provided between the mirror 3 and the screen 5.
  • the compensating optical element 9 can be a compensating lens, for example. With the compensation lens, the beam diameter can be adjusted, and the distortion can be adjusted. By providing such an adaptive optical element, higher quality display can be realized.
  • the optical compensation element can be provided between the screen 5 and the combiner 6.
  • the display devices 1a to 1c of the second to fourth embodiments can be provided with an optical compensation element.
  • the reflecting surface of the mirror 8 can be shaped to perform optical compensation.
  • the mirror 8 can be provided with an optical compensation function such as beam diameter adjustment or distortion adjustment. In this case, the mirror 8 becomes an adaptive optical element.
  • the display device can be configured with an optical system in which the chief rays X1 to X4 are included in one plane, but the chief rays X1 to X4 are not included in one plane.
  • the shape of the intermediate image can be controlled to correct the distortion. That is, the distortion correction by the configuration of the optical system and the distortion correction by image control can be combined as in the above embodiment.
  • distortion correction by image control degradation of display quality such as resolution degradation may occur, but by combining with distortion correction by the above optical system configuration, distortion can be suppressed while suppressing degradation of display quality. It becomes easy.
  • the display device may be configured not to include a combiner.
  • a virtual image is obtained by reflecting light emitted from the screen 5 on the windshield of the vehicle without providing a combiner.
  • the combiner may be attached to the windshield or embedded.
  • an intermediate image is formed on the screen 5 with the light from the light source 2 and the mirror 3, and the display image is displayed as a virtual image by reflecting the light transmitted through the screen 5 with the combiners 6 and 7. .
  • transmitted the screen 5 as a real image may be sufficient.

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Abstract

表示装置において、表示画像の歪みの抑制を容易にする。表示装置１は、光源２と、ミラー３と、スクリーン５と、光学素子６とを備える。光学素子６の主光線Ｘ３の入射位置の法線Ｎ１は、主光線Ｘ３から見て中間画像の一方端の光線Ｆ４の側に位置している。ミラー３の反射面の法線Ｎ２は、ミラー３から出射する主光線Ｘ２から見て中間画像の他方端の光線Ｆ１の側に位置している。スクリーンの光出射面Ｐ３は、主光線Ｘ３に垂直な面Ｐ４に対して、中間画像の一方端の光線Ｆ４のスクリーン５と光学素子６との間の光路が短くなる方向に傾いている。

Description

表示装置
　本発明は、表示装置に関する。
　近年、表示装置の一形態として、透明な面状体の表面に、画像を構成する光を反射させて、当該画像を背景と重ねて視認可能とするヘッドアップディスプレイ又はヘッドマウントディスプレイが開発されている。
　例えば、特許文献１には、レーザ光源と、スクリーンと、コンバイナ（combiner）とを備えたヘッドアップディスプレイが開示されている。この構成において、スクリーンは、レーザ光源から照射された光の射出瞳を拡大し、表示する画像の中間像を形成する。コンバイナは、スクリーンからの光を反射さすることで、入射光に対応する像を虚像として表示させる。スクリーンの面は、虚像の歪みを抑制するために、虚像を視認する方向に対して直交するように配置される。
特許第５２１４０６０号公報
　しかしながら、上記従来技術では、表示装置の構成によっては、表示画像の歪みを十分に抑制できない場合があった。そこで、本願は、表示画像の歪みの抑制を容易にする表示装置を開示する。
　本発明の一実施形態における表示装置は、光源と、光源からの光を反射するミラーと、前記ミラーで反射した光によって中間画像が形成されるスクリーンと、前記スクリーンの前記中間画像の光を反射又は透過することで表示画像を生成する光学素子とを備える。前記スクリーンから前記光学素子への主光線の入射面の法線は、前記光学素子へ入射する前記主光線に対して前記中間画像の一方端の光線の側に位置する。前記中間画像の中心を表示するときの前記ミラーの反射面の法線は、前記ミラーから前記スクリーンへ向かう主光線に対して前記中間画像の他方端の光線の側に位置する。前記スクリーンの光出射面は、前記スクリーンから前記光学素子へ向かう主光線に垂直な面に対して、前記中間画像の前記一方端の光線の前記スクリーンと前記光学素子との間の光路を短くする方向に傾いている。
　本願開示によれば、表示装置において、表示画像の歪みの抑制を容易にすることができる。
図１は、第１の実施形態における表示装置の構成を示す図である。 図２は、図１のスクリーン５に投影される中間画像の一例を示す図である。 図３は、図１のコンバイナ６に表示される表示画像の一例を示す図である。 図４は、図１に示す表示装置１の詳細な構成例を説明するための図である。 図５は、傾斜角度βと、ＭＴＦ及び歪みとの関係を示すグラフである。 図６は、歪みを示す値を説明するための図である。 図７は、スクリーン５における中間画像と、その明るさ分布を示すグラフである。 図８は、図７に示す中間画像を、コンバイナで反射させた表示画像における画像と、その明るさ分布を示すグラフである。 図９は、実施形態２における表示装置の構成例を示す図である。 図１０は、実施形態３における表示装置の構成例を示す図である。 図１１は、実施形態４における表示装置の構成例を示す図である。 図１２は、実施形態５における表示装置の構成例を示す図である。
　本発明の一実施形態における表示装置は、光源と、光源からの光を反射するミラーと、前記ミラーで反射した光によって中間画像が形成されるスクリーンと、前記スクリーンの前記中間画像の光を反射又は透過することで表示画像を生成する光学素子とを備える。前記スクリーンから前記光学素子への主光線の入射面の法線は、前記光学素子へ入射する前記主光線に対して前記中間画像の一方端の光線の側に位置する。前記中間画像の中心を表示するときの前記ミラーの反射面の法線は、前記ミラーから前記スクリーンへ向かう主光線に対して前記中間画像の他方端の光線の側に位置する。前記スクリーンの光出射面は、前記スクリーンから前記光学素子へ向かう主光線に垂直な面に対して、前記中間画像の前記一方端の光線の前記スクリーンと前記光学素子との間の光路を短くする方向に傾いている（第１の構成）。
　上記第１の構成によれば、スクリーンから光学素子への主光線の入射方向の法線に対しる傾きと、ミラーからスクリーンへの主光線の出射方向の法線に対する傾きが、中間画像を基準にすると、逆方向になる。また、スクリーンの光出射面は、中間画像の一方端の光線のスクリーンと光学素子との間の光路が短くなる方向に傾いている。これにより、ミラーから出射する光の傾きによる画像の歪みと、光学素子へ入射する光の傾きによる画像の歪みが、互いに逆方向となり、全体として歪みが抑制される。さらに、ミラー及び光学素子の上記配置において、スクリーンの出射面を上記のように傾けることにより、画像の歪みをさらに抑制することができる。このように、ミラー、スクリーン及び光学素子の相対位置を設定することにより、効果的に画像の歪みを抑制することができる。その結果、表示装置において、画像の歪みを抑制することが容易になる。
　前記光学素子に対する前記主光線の入射角と、前記中間画像の中心を表示する時の前記ミラーに対する前記光源からの光の入射角とは略等しくすることができる（第２の構成）。
　第２の構成において、ミラーから出射する光の傾きによる画像の歪みと、光学素子へ入射する光の傾きによる画像の歪みは、歪み方向は逆で歪み度合いが略等しくなる。これらの歪みは効率よく相殺されるので、全体として画像の歪みがより抑制される。なお、上記の入射角が等しい場合には、両者の入射角が厳密に等しい場合の他、画像品質等への影響を無視できる程度に異なっている場合も含まれる。
　前記スクリーンから前記光学素子への前記主光線の入射角をαとすると、前記スクリーンの光出射面と、前記スクリーンから前記光学素子へ向かう前記主光線に垂直な面との角度は、α～１．５αとすることができる（第３の構成）。これにより、画像の歪みをより効果的に抑制することができる。
　前記主光線の前記光学素子への入射面の法線と、前記中間画像の中心を表示するときの前記ミラーの法線とは、略平行とすることができる（第４の構成）。ここで、ミラーの法線は、主光線の反射位置におけるミラーの反射面の法線とすることができる。第４の構成により、画像の歪みをより効果的に抑制することができる。なお、上記の平行は、光学的に平行とみなせる場合も含む。また、厳密に平行である場合の他、画像品質等への影響を無視できる程度に方向が異なっている場合も上記の平行に含まれる。
　前記光学素子は、前記スクリーンからの前記中間画像の光を反射することにより、前記表示画像を出射する反射面を有してもよい。この場合、前記光学素子に対して前記スクリーンへ入射する主光線と、前記光学素子から出射し前記表示画像を形成する主光線の方向との角度は、前記中間画像の中心を表示する時の前記ミラーに対して前記光源から入射する光の方向と、前記中間画像の中心を表示する時の前記ミラーから前記スクリーンへ向かう出射光の方向との角度と、略等しくすることができる（第５の構成）。
　第５の構成により、スクリーンからの中間画像の光を反射して、表示画像を生成する光学素子を構成することができる。この構成において、スクリーンから光学素子への主光線の入射方向の傾きによる画像の歪みと、光源からミラーへの光の入射方向の傾きによる画像の歪みが互いに打ち消し合う構成とすることができる。
　前記光学素子は、前記スクリーンと反対側の面からの光を透過することにより、前記表示画像に背景を重畳する構成とすることができる（第６の構成）。これにより、光学素子によって、背景と表示画像とが重なって視認できるようになる。
　前記表示装置は、前記光学素子からの光を反射して前記表示画像の光の方向を変更するとともに、前記光学素子とは反対側の面からの光を透過して、前記表示画像に背景を重畳する光学部材をさらに備えることができる（第７の構成）。これにより、光学部材の背景に表示画像を重ねて表示することができる。
　前記表示装置は、前記ミラーと前記スクリーンとの間又は、前記スクリーンと前記光学素子と間に設けられた光学補償を行う補償光学素子をさらに備えることができる（第８の構成）。
　［実施の形態］
　以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。
　以下の各実施形態では、表示装置をヘッドアップディスプレイに適用した例について説明する。ただし、本発明による表示装置がヘッドアップディスプレイに限定されることはない。
　［実施形態１］
　（表示装置１の構成例）
　図１は、実施形態１における表示装置１の構成例を示す図である。図１は、表示装置１によって表示される画像の中心と視点想定位置とを結ぶ線を含む面における断面の構成を示している。図１では、水平面を、ＸＹＺ座標のＸＹ平面とし、鉛直方向をＺ軸としている。図１は、ＸＺ平面の断面図である。
　表示装置１は、光源２、ミラー３、フィールドレンズ４、スクリーン５、及びコンバイナ６を備える。ミラー３は、光源２からの光を反射する。ミラー３で反射した光は、フィールドレンズ４を通ってスクリーン５に達する。スクリーン５では、ミラー３からの光により中間画像が形成される。スクリーン５から中間画像の光が、コンバイナ６へ照射される。このように、スクリーン５は、ミラー３からの光が入射する入射面と、中間画像の光が出射する出射面とを有する。コンバイナ６は、スクリーン５からの中間画像の光を反射することで表示画像を生成する。すなわち、スクリーン５からの光を受けてコンバイナ６から出射される光が表示画像を形成する。コンバイナ６で反射した光による表示画像は、虚像Ｋとして使用者に視認される。
　ミラー３は、光源２からの光を反射して、スクリーン５に照射する。光源２は、表示すべき画像に応じた色の光をミラー３に照射する。ミラー３の反射面の向きは可変となっている。ミラー３の反射面の向きは、光源２からの光の照射タイミングに合わせて制御される。これにより、スクリーン５に照射される光の位置及び光を照射するタイミングが制御される。すなわち、光源２及びミラー３の動作により、中間画像がスクリーン５に投影される。
　例えば、ミラー３の反射面を動かして、スクリーン５の対象領域を、光源２の光で走査することができる。具体的には、ラスタースキャン（Raster scan）により、スクリーン５に中間画像を描画することができる。ミラー３には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーを用いることができる。光源２には、赤、緑、青の３原色のレーザ光を出射するレーザ光源を用いることができる。光源２とミラー３により映像エンジンとなるレーザプロジェクタを構成することができる。
　なお、ミラー３と光源２の構成は、上記例に限られない。例えば、ミラー３は、各画素に対応する複数のＭＥＭＳミラーを含んでもよい。この場合、複数のＭＥＭＳミラーの角度により各画素の光のオン／オフを制御することができる。具体的には、光源２に３原色（赤、緑、青）のＬＥＤ光源を用いて、ミラー３にＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いたＤＬＰ（Digital light processing）方式の映像エンジンを構成することもできる。
　スクリーン５は、ミラー３からの光により中間画像を形成し、コンバイナ６へ向けて照射する透過型スクリーンである。スクリーン５は、２次光源となる。スクリーン５は、例えば、マイクロレンズアレイ及びレンチキュラーレンズを積層して構成される配光スクリーンを用いることができる。或いは、スクリーン５は、散乱板を有する構成であってもよい。
　スクリーン５とミラー３との間には、フィールドレンズ４が挿入されている。フィールドレンズ４は、ミラー３からの光が入射する入射面が球面の凸面になっている。フィールドレンズ４の入射面と反対側の出射面は、平面になっている。フィールドレンズ４により、ミラー３からの光を効率よくスクリーン５へ照射することができる。なお、フィールドレンズ４は、スクリーン５とコンバイナ６との間に配置されてもよいし、省略されてもよい。
　コンバイナ６は、スクリーン５の中間画像の光を反射又は透過することで表示画像を生成する光学素子の一例である。図１に示す例では、コンバイナ６は、スクリーン５からの中間画像の光を反射することで、中間画像を拡大した表示画像（虚像Ｋ）として表示させるハーフミラーである。コンバイナ６のスクリーン５からの光が入射する入射面（反射面との称することができる）は、球面の凹状に形成されている。コンバイナ６の反射面の曲率を調整することにより、虚像Ｋの大きさや虚像が形成される位置を変えることができる。
　また、コンバイナ６は、スクリーン５と反対側の面からの光を透過することにより、表示画像に背景を重畳する。これにより、ユーザは、コンバイナ６の先にあたかも虚像Ｋがあるように見える。このように、コンバイナ６は、背景の光を透過させるとともに、スクリーン５からの光を反射する凹面ミラーでもある。そのため、コンバイナ６の反射面は、例えば、ビームスプリッタコートで覆われた構成とすることができる。また、コンバイナ６は、ハーフミラーの他、例えば、コレステリック液晶又はホログラム素子などを用いた構成とすることができる。
　（ミラー、スクリーン及びコンバイナの配置例）
　スクリーン５からコンバイナ（光学素子）６へ向かう光線であって、中間画像を構成する光線のうち中心を通る光線は、主光線Ｘ３となる。すなわち、スクリーン５とコンバイナ（光学素子）６との間の中間画像を表示する光が通る領域において、中間画像の一方端の光線Ｆ４と、一方端とは反対側の中間画像の他方端の光線Ｆ３との中央を通る光線が主光線Ｘ３となる。このように、主光線Ｘ３は、中間画像の一方端を表示する光線Ｆ４と、中間画像の他方端を表示する光線Ｆ３との間を通る。中間画像の他方端は、一方端とは反対側の中間画像の端部である。
　主光線Ｘ３は、中間画像及び表示画像の中心を表示する。主光線Ｘ３は、スクリーン５の中間画像の中心と、コンバイナ（光学素子）６の表示画像の中心とを結ぶ線と言うことができる。
　同様に、ミラー３からスクリーン５へ向かう中間画像の光線のうち中心を通る光線が、主光線Ｘ２となる。主光線Ｘ２は、中間画像の中心を表示する。主光線Ｘ２は、中間画像の一方端を表示する光線Ｆ２と、中間画像の他方端を表示する光線Ｆ１との中央を通る。
　同様に、コンバイナ６からユーザの視点位置へ向かう表示画像の光線のうち中心を通る光線が、主光線Ｘ４となる。主光線Ｘ４は、表示画像の中心を表示する。主光線Ｘ４は、表示画像の一方端を表示する光線Ｆ６と、表示画像の他方端を表示する光線Ｆ５との中央を通る。
　図１に示す例では、一方端は、画像の上端であり、他方端は画像の下端である。すなわち、ユーザから見て、表示画像の上端が一方端となり、表示画像の下端が他方端となっている。なお、一方端と他方端は、この例に限られない。例えば、中間画像の右端と左端を、一方端と他方端とすることができる。
　このように、本実施形態では、主光線Ｘ３，Ｘ４は、表示装置１の光学系において、光源２から出た光線のうち、表示画像又は中間画像を形成する光の中心を通る光線としている。すなわち、主光線Ｘ３，Ｘ４は、表示画像又は中間画像の中心を表示する光線とすることができる。図１に示す例では、ミラー３からスクリーン５へ向かう中間画像を形成するための光線のうち、中間画像の一方端の光線Ｆ２と他方端の光線Ｆ１との中間を通る光線が主光線Ｘ２となっている。また、スクリーン５からコンバイナ６へ向かう中間画像の光線のうち、中間画像の一方端の光線Ｆ４と他方端の光線Ｆ３との中間を通る光線が主光線Ｘ３となっている。また、コンバイナ６から出射される表示画像の光線のうち、表示画像の一方端の光線Ｆ６と他方端の光線Ｆ５との中間を通る光線が主光線Ｘ４となっている。
　コンバイナ６の入射面には、スクリーン５からの主光線Ｘ３が入射する。コンバイナ６の入射面の主光線Ｘ３の入射位置における法線Ｎ１は、コンバイナ６へ入射する主光線Ｘ３に対して中間画像の一方端の光線Ｆ４の側に位置する。すなわち、法線Ｎ１と主光線Ｘ３を含む平面において、主光線Ｘ３に対して中間画像の一方端の光線Ｆ４の側に、法線Ｎ１が位置している。本例では、コンバイナ６における主光線Ｘ３の入射面の法線Ｎ１は、中間画像の一方端を表示する光線Ｆ４と、主光線Ｘ３との間に位置する。
　ミラー３からスクリーン５へ向かう中間画像の光線のうち中心を通る主光線Ｘ２は、スクリーン５において中間画像の中心を表示する。中間画像の中心を表示するときのミラー３の反射面で主光線Ｘ２が反射する。ミラー３の反射面の主光線Ｘ２の反射位置における法線Ｎ２は、ミラー３からスクリーン５へ向かう主光線Ｘ２に対して中間画像の他方端の光線Ｆ１の側に位置している。すなわち、法線Ｎ２と主光線Ｘ２を含む平面において、主光線Ｘ２に対して中間画像の他方端の光線Ｆ１の側に、法線Ｎ２が位置している。
　スクリーン５の光出射面Ｐ３は、スクリーン５からコンバイナ６へ向かう主光線Ｘ３に垂直な面Ｐ４に対して傾いている。スクリーン５の光出射面Ｐ３は、中間画像の一方端の光線Ｆ４のスクリーン５からコンバイナ６までの光路が短くなる方向へ傾いている。図１の例では、中間画像の一方端の光線Ｆ４の側のスクリーン５の端部が、反対側の端部よりコンバイナ６に近づくように傾いている。すなわち、主光線Ｘ３及び法線Ｎ１を含む平面において、中間画像の一方端の光線Ｆ４のスクリーン５とコンバイナ６との間の光路が短くなり、中間画像の他方端の光線Ｆ３のスクリーン５とコンバイナ６の間の光路が長くなる方向に、光出射面Ｐ３が傾いている。
　図１に示すように、ミラー３、スクリーン５及びコンバイナ６の相対位置関係を設定することにより、表示画像の歪みの抑制が容易になる。上記構成では、ミラー３、スクリーン５及びコンバイナ６それぞれにおける光の入射方向（出射方向）の傾きによる画像の歪みが、互いに打ち消しあう。そのため、虚像として使用者に視認される表示画像は、歪みが抑制されたものとなる。これにより、例えば、画像処理による画像の補正の負担を軽減することができる。
　図２は、図１に示す表示装置１において、スクリーン５に投影される中間画像の一例を示す図である。図３は、表示装置１において、コンバイナ６に表示され、使用者に視認される表示画像の一例を示す図である。図２に示す例では、スクリーン５で形成される中間画像は、下が広く、上が狭い台形の形状となっている。上記構成では、ミラー３よりも、中間画像の下側（他方の側）に光源２が配置される。すなわち、ミラー３に対して、中間画像の下側からＸ１が入射する。そのため、図２に示すように、中間画像の下の幅が上の幅より広くなる。
　図２に示すような中間画像が、コンバイナ６に投影されると、コンバイナ６の反射面とスクリーン５の出射面との相対関係に応じて中間画像が変形する。その結果、コンバイナ６には、図３に示すように、歪みが解消した矩形の表示画像が表示される。上記構成では、コンバイナ６の主光線Ｘ３の入射面は、法線Ｎ１が主光線Ｘ３より中間画像の上端側（一方端側）になるよう配置されている。また、スクリーン５は、中間画像の上端側（一方端側）の光線Ｆ４のコンバイナ６とスクリーン５間の光路が短くなる方向に傾斜している。そのため、中間画像の歪みを解消した表示画面（図３）がコンバイナ６に表示される。
　本願発明者らは、ユーザの視点位置からコンバイナ６へ光を照射してコンバイナ６の凹面で反射させ、逆光線追跡を行った。その結果、虚像Ｋからユーザの視点に適切に届く光を再現するための、コンバイナ６、スクリーン５及びミラー３の配置が見いだされた。一例として、図１では、スクリーン５をコンバイナ６より表示画像の下側（他方側）に配置した構成において、スクリーン５の中間画像の上側（一方端側）をコンバイナ６に近い方向に傾斜させている。この構成で、逆光線追跡を行うと、コンバイナ６で反射した光は、スクリーン５に適切に集光される。これにより、視認性がよく、解像度の高い虚像の画像を、ユーザに対して表示することができる。
　（ミラー、スクリーン及びコンバイナの配置の詳細例）
　図４は、図１に示す表示装置１のミラー３、スクリーン５及びコンバイナ６のさらに詳細な配置例を説明するための図である。
　図４に示す例では、コンバイナ６は、スクリーン５からの中間画像の光を反射することにより、表示画像を出射する反射面を有している。法線Ｎ１と主光線Ｘ３を含む平面に垂直な方向（Ｙ方向）から見た場合、コンバイナ６に入射するスクリーン５からの主光線Ｘ３は、コンバイナ６から出射する主光線Ｘ４よりも、下方（第１方向Ｄ１）に位置する。
また、中間画像の中心を表示する時のミラー３に対する光源２からの光Ｘ１は、ミラー３からスクリーン５へ向かう光Ｘ２よりも下方すなわち、（第１方向Ｄ１と同じ方向Ｄ２）に位置する。このように、コンバイナ６の出射光に対する入射光の相対位置関係と、ミラー３の出射光に対する入射光の相対位置関係とを同じにすることによって、画像の歪みを効率的に抑制することができる。ここで、Ｄ１とＤ２は必ずしも同一平面上になくてもよい。
　この例では、コンバイナ６に対する主光線Ｘ３の入射角αと、中間画像の中心を表示する時のミラー３に対する光源２からの光Ｘ１の入射角αは、略等しい。さらに、コンバイナ６に入射する主光線Ｘ３と、コンバイナ６から出射する主光線Ｘ４との角度ｄ１は、中間画像の中心を表示する時のミラー３に入射する光源２からの光Ｘ１と、ミラー３からスクリーン５へ向かう主光線Ｘ２との角度ｄ２と、略等しい（ｄ１＝ｄ２）。このように、ミラー３及びコンバイナ６を配置することで、ミラー３による画像の歪みと、コンバイナ６による画像の歪みを相殺することができる。画像の歪みの抑制がより容易になる。
　また、コンバイナ６の主光線Ｘ３の入射位置における入射面の法線Ｎ１と、前記中間画像の中心を表示する時のミラー３の反射面の法線Ｎ２とは、略平行である。すなわち、コンバイナ６の主光線Ｘ３の入射位置における接面Ｐ２と、中間画像の中心を表示する時のミラー３の反射面とが、略平行となっている。これにより、画像の歪みを抑制することがさらに容易になる。
　図４に示すように、スクリーン５からコンバイナ６への主光線Ｘ３の入射角をαとすると、ユーザの視点想定位置とコンバイナ６における主光線Ｘ３の反射位置（表示画像の中心）とを結ぶ線に垂直な面Ｐ１と、主光線Ｘ３の入射位置におけるコンバイナ６の接面Ｐ２との角度もαとなる。ここで、スクリーン５の光出射面Ｐ３と、スクリーン５からコンバイナ６へ向かう主光線Ｘ３に垂直な面Ｐ４との角度βは、例えば、０．８α～１．６αとすることができ、さらに好ましくは、α～１．５αとすることができる。これにより、画像の歪みを効率よく抑え、さらに、表示品質を高めることができる。なお、実用的な使用範囲として、αは、例えば、２０度≦α≦４０度とすることができる。
　図５は、傾斜角度βと、ＭＴＦ（Modulation transfer function）及び歪みとの関係を示すグラフである。図５は、シミュレーションによる解析の結果を示す。
　図５に示す歪みの値は、図６に示すように、長方形の画像が歪んだ場合の形状における横方向の長さの最大値ａと最小値ｂを用いて、（１－ｂ／ａ）×１００（％）で計算される。ＭＴＦは、ボケの値を表す指標として用いられる値である。ＭＴＦは、例えば、スクリーン５上に、ある空間周波数の画像を表示した際に、虚像Ｋ（表示画像）においてどのように変化するかを示す値となる。
　図７は、スクリーン５における一方向に正弦波の明るさ分布を持つ中間画像と、その明るさ分布を示すグラフである。スクリーン５の中間画像の明るさの最大値と最小値との差、すなわち正弦波の振幅をｘとする。図８は、図７に示す中間画像を、コンバイナ６で反射させた虚像Ｋ（表示画像）における画像とグラフである。表示画像の正弦波の振幅をｙとすると、ＭＴＦは、例えば、ｙ／ｘで表すことができる。
　図５に示すシミュレーション結果では、スクリーンの傾斜角度βが、０．８α≦β≦１．６αの場合に、ＭＴＦが０．５以上となっている。また、傾斜角度βが、β≦２αのときに、歪み値が３％以下となっている。さらに、傾斜角度βが、α≦β≦１．５αの場合に、ＭＴＦが０．７以上となっている。また、傾斜角度β＝αを境に、歪み値の傾き（変化率）が変化している。すなわち、βの変化に対する歪み値の変化度合いは、β＜αのときよりβ＞αのときの方が大きくなっている。このことから、βをαより小さくしても、歪みの解消に貢献する度合いが少ないと言える。そのため、傾斜角度βをα≦β≦１．５α（図５のＷの範囲）とすることで、歪み、ボケがより少ない表示品位の高い表示画像を提供することができる。
　［実施形態２］
　図９は、実施形態２における表示装置１ａの構成例を示す図である。図９に示す表示装置１ａは、図１に示す表示装置１の構成において、コンバイナ６の代わりに凹面ミラー６ａを設けた構成である。表示装置１ａは、さらに、凹面ミラー６ａとは別体のコンバイナ７を備える。
　凹面ミラー６ａは、スクリーン５の中間画像の光を反射又は透過することで表示画像を生成する光学素子の一例である。図９に示す例では、凹面ミラー６ａは、スクリーン５からの中間画像の光を反射することで、中間画像の大きさを調整した表示画像を生成する。すなわち、凹面ミラー６ａの反射光は、表示画像として、コンバイナ７へ照射される。凹面ミラー６ａのスクリーン５からの光の入射面（反射面と称することもできる）は、球面の凹状になっている。凹面ミラー６ａの反射面の曲率を調整することにより、虚像Ｋの大きさや虚像が形成される位置を変えることができる。なお、凹面ミラー６ａは、スクリーン５からの光の反射面の反対側の面からの光を透過させなくてもよい。
　凹面ミラー６ａからコンバイナ７へ照射された光は、コンバイナ７で反射する。コンバイナ７で反射した光は、表示画像（虚像）として、使用者から視認される。また、コンバイナ７は、凹面ミラー６ａからの光の入射面（反射面と称することもできる）と反対側の面からの光を透過する。これにより、反射面で反射した光による表示画像（虚像Ｋ）を、コンバイナ７の背景に重畳してユーザに見せることができる。このように、コンバイナ７は、凹面ミラー６ａからの光を反射して表示画像の光の方向を変更するとともに、凹面ミラー６ａとは反対側の面からの光を透過して、表示画像に背景を重畳する光学部材の一例である。
　コンバイナ７は、凹面ミラー６ａからの光を反射する凹面ミラーでもある。そのため、コンバイナ７の反射面は、例えば、ビームスプリッタコートで覆われた構成とすることができる。また、コンバイナ７は、ハーフミラーの他、例えば、コレステリック液晶又はホログラム素子などを用いた構成とすることができる。
　例えば、表示装置１ａを車両のヘッドアップディスプレイに用いる場合、車両のフロントガラスをコンバイナ７とすることができる。これにより、車両のドライバは、フロントガラスの先に虚像Ｋの表示があるように見える。ドライバは、その表示から、様々な運転補助情報を得ることができる。
　図９に示す表示装置１ａにおいて、スクリーン５から凹面ミラー６ａへ向かう中間画像の光線のうち中心を通る主光線Ｘ３は、凹面ミラー６ａにおいて表示画像の中心を表示する。主光線Ｘ３は、中間画像の一方端を表示する光線Ｆ４と、中間画像の他方端を表示する光線Ｆ３との間を通る。
　スクリーン５からの主光線Ｘ３は、凹面ミラー６ａの反射面へ入射する。凹面ミラー６ａの反射面における主光線Ｘ３の入射位置の法線Ｎ１は、凹面ミラー６ａへ入射する主光線Ｘ３に対して中間画像の一方端の光線Ｆ４の側に位置する。すなわち、法線Ｎ１と主光線Ｘ３を含む平面において、主光線Ｘ３に対して中間画像の一方端の光線Ｆ４の側に、法線Ｎ１が位置している。本例では、凹面ミラー６ａにおける主光線Ｘ３の入射面の法線Ｎ１は、中間画像の一方端を表示する光線Ｆ４と、主光線Ｘ３との間に位置する。
　ミラー３からスクリーン５へ向かう中間画像の光線のうち中心を通る主光線Ｘ２は、スクリーン５において中間画像の中心を表示する。中間画像の中心を表示するときのミラー３の反射面で主光線Ｘ２が反射する。ミラー３の反射面の主光線Ｘ２の反射位置における法線Ｎ２は、ミラー３からスクリーン５へ向かう主光線Ｘ２に対して中間画像の他方端の光線Ｆ１の側に位置している。
　スクリーン５の光出射面Ｐ３は、スクリーン５から凹面ミラー６ａへ向かう主光線Ｘ３に垂直な面Ｐ４に対して傾いている。スクリーン５の光出射面Ｐ３は、中間画像の一方端の光線Ｆ４のスクリーン５と凹面ミラー６ａとの光路が短くなる方向に傾いている。この例では、スクリーン５の光出射面Ｐ３は、中間画像の一方端の光線Ｆ４の側のスクリーン５の端部が、反対側の端部より凹面ミラー６ａに近づくように傾いている。すなわち、主光線Ｘ３及び法線Ｎ１を含む平面において、中間画像の一方端の光線Ｆ４のスクリーン５と凹面ミラー６ａとの間の光路が短くなり、中間画像の他方端の光線Ｆ３のスクリーン５と凹面ミラー６ａとの間の光路が長くなる方向に、光出射面Ｐ３が傾いている。
　図９に示すように、ミラー３、スクリーン５及び凹面ミラー６ａの相対位置関係を設定することにより、表示画像の歪みの抑制が容易になる。
　なお、図９に示す構成においても、実施形態１と同様に、凹面ミラー６ａに対する主光線Ｘ３の入射角αと、中間画像の中心を表示する時のミラー３に対する光源２からの光Ｘ１の入射角αが略等しくなるように、凹面ミラー６ａ及びミラー３を配置することができる。さらに、凹面ミラー６ａに対する主光線Ｘ３の入射方向と、凹面ミラー６ａからの主光線Ｘ４の出射方向との角度は、中間画像の中心を表示する時のミラー３に対する光源２からの光Ｘ１の入射方向と、ミラー３からスクリーン５へ向かう出射光の方向との角度と、略等しくすることができる。これにより、画像の歪みを効率よく相殺することができる。
　また、凹面ミラー６ａの主光線Ｘ３の入射位置における入射面の法線Ｎ１と、中間画像の中心を表示する時のミラー３の反射面の法線Ｎ２とが、略平行となるよう、凹面ミラー６ａとミラー３を配置することができる。すなわち、凹面ミラー６ａの主光線Ｘ３の入射位置における接面Ｐ２と、中間画像の中心を表示する時のミラー３の反射面とが、略平行とすることができる。これにより、画像の歪みを抑制することがさらに容易になる。
　ここで、実施形態１と同様に、図９におけるスクリーン５から凹面ミラー６ａへの主光線Ｘ３の入射角をαとする。この場合、スクリーン５の光出射面Ｐ３と、スクリーン５から凹面ミラー６ａへ向かう主光線Ｘ３に垂直な面Ｐ４との角度βは、例えば、０．８α～１．６αとすることができ、さらに好ましくは、α～１．５αとすることができる。これにより、画像の歪みを効率よく抑え、さらに、表示品質を高めることができる。
　［実施形態３］
　実施形態３は、実施形態２の変形例である。本実施形態では、光学素子して、凹面ミラー６ａの代わりにレンズを用いる。図１０は、実施形態３における表示装置１ｂの構成例を示す図である。図１０に示す表示装置１ｂは、図９の表示装置１ａにおいて、凹面ミラー６ａの代わりにレンズ６ｂを備えた構成である。レンズ６ｂは、スクリーン５の中間画像の光を透過することで表示画像を生成する光学素子の一例である。レンズ６ｂは、スクリーン５からの中間画像の光を透過することで、中間画像の大きさを調整した表示画像を生成する。レンズ６ｂからの出射光は、表示画像として、コンバイナ７へ照射される。
　レンズ６ｂは、一例として、凸レンズである。レンズ６ｂの特性に応じて、虚像Ｋの大きさや虚像が形成される位置を変えることができる。
　図１０に示す表示装置１ｂにおいて、スクリーン５からレンズ６ｂへ向かう中間画像の光線のうち中心を通る主光線Ｘ３は、中間画像の一方端を表示する光線Ｆ４と、中間画像の他方端を表示する光線Ｆ３との間を通る。
　スクリーン５からの主光線Ｘ３は、レンズ６ｂの入射面に入射する。レンズ６ｂの入射面の主光線Ｘ３の入射位置における法線Ｎ１は、レンズ６ｂへ入射する主光線Ｘ３に対して中間画像の一方端の光線Ｆ４の側に位置する。すなわち、法線Ｎ１と主光線Ｘ３を含む平面において、主光線Ｘ３に対して中間画像の一方端の光線Ｆ４の側に、法線Ｎ１が位置している。
　中間画像の中心を表示するときのミラー３の反射面で主光線Ｘ２が反射する。ミラー３の反射面の主光線Ｘ２の反射位置の法線Ｎ２は、ミラー３からスクリーン５へ向かう主光線Ｘ２に対して中間画像の他方端の光線Ｆ１の側に位置している。
　スクリーン５の光出射面Ｐ３は、スクリーン５からレンズ６ｂへ向かう主光線Ｘ３に垂直な面Ｐ４に対して傾いている。スクリーン５の光出射面Ｐ３は、中間画像の一方端の光線Ｆ４のスクリーン５とコンバイナ６との光路が短くなる方向に傾いている。この例では、スクリーン５の光出射面Ｐ３は、中間画像の一方端の光線Ｆ４の側のスクリーン５の端部が、反対側の端部よりレンズ６ｂに近づくように傾いている。すなわち、主光線Ｘ３及び法線Ｎ１を含む平面において、中間画像の一方端の光線Ｆ４のスクリーン５とレンズ６ｂとの間の光路が短くなり、中間画像の他方端の光線Ｆ３のスクリーン５とレンズ６ｂの間の光路が長くなる方向に、光出射面Ｐ３が傾いている。
　図１０に示すように、ミラー３、スクリーン５及びレンズ６ｂの相対位置関係を設定することにより、表示画像の歪みの抑制が容易になる。
　なお、図１０に示す構成においても、実施形態１と同様に、レンズ６ｂに対する主光線Ｘ３の入射角αと、中間画像の中心を表示する時のミラー３に対する光源２からの光Ｘ１の入射角αが略等しくなるように、レンズ６ｂ及びミラー３を配置することができる。これにより、ミラー３による画像の歪みと、レンズ６ｂによる画像の歪みを効率よく相殺することができる。
　また、レンズ６ｂの主光線Ｘ３の入射位置における入射面の法線Ｎ１と、中間画像の中心を表示する時のミラー３の反射面の法線Ｎ２とが、略平行となるよう、レンズ６ｂとミラー３を配置することができる。すなわち、レンズ６ｂの主光線Ｘ３の入射位置における接面Ｐ２と、中間画像の中心を表示する時のミラー３の反射面とを、略平行とすることができる。これにより、画像の歪みを抑制することがさらに容易になる。
　ここで、実施形態１と同様に、図１０におけるスクリーン５からレンズ６ｂへの主光線Ｘ３の入射角をαとする。この場合、スクリーン５の光出射面Ｐ３と、スクリーン５からレンズ６ｂへ向かう主光線Ｘ３に垂直な面Ｐ４との角度βは、例えば、０．８α～１．６αとすることができ、さらに好ましくは、α～１．５αとすることができる。これにより、画像の歪みを効率よく抑え、さらに、表示品質を高めることができる。
　［実施形態４］
　図１１は、実施形態４における表示装置１ｃの構成例を示す図である。図１１に示す表示装置１ｃは、図１に示す表示装置１のスクリーン５とコンバイナ６との間に、ミラー８を配置した構成である。図１１に示す表示装置１ｃのスクリーン５、ミラー３及び光源２の配置は、図１に示す表示装置１のスクリーン５、ミラー３及び光源２の配置と、ミラー８の面に関して対称となっている。表示装置１ｃの光学系は、表示装置１の光学系と実質的には同じと言える。すなわち、表示装置１ｃのコンバイナ６、スクリーン５及びミラー３の光学的な位置関係は、表示装置１のそれと実質的に同じとすることができる。
　例えば、コンバイナ６の入射面における主光線Ｘ３の入射位置の法線Ｎ１は、コンバイナ６へ入射する主光線Ｘ３に対して中間画像の一方端の光線Ｆ４の側に位置する。また、中間画像の中心を表示するときのミラー３の反射面における主光線Ｘ２の反射位置の法線Ｎ２は、ミラー３からスクリーン５へ向かう主光線Ｘ２に対して中間画像の他方端の光線Ｆ１の側に位置している。
　さらに、スクリーン５の光出射面Ｐ３は、スクリーン５からコンバイナ６へ向かう主光線Ｘ３の出射方向に垂直な面Ｐ４に対して傾いている。スクリーン５の光出射面Ｐ３は、中間画像の一方端の光線Ｆ４のスクリーン５とコンバイナ６の間の光路が短くなる方向に傾いている。すなわち、主光線Ｘ３及び法線Ｎ１を含む平面において、中間画像の一方端の光線Ｆ４のスクリーン５とコンバイナ６との間の光路が短くなり、中間画像の他方端の光線Ｆ３のスクリーン５とコンバイナ６の間の光路が長くなる方向に、光出射面Ｐ３が傾いている。
　図１１に示すように、ミラー３、スクリーン５及びレンズ６ｂの相対位置関係を設定することにより、実施形態１と同様に、表示画像の歪みの抑制が容易になる。また、詳細な配置の例も、実施形態１と同様にすることができる。
　例えば、図１１に示す構成においても、コンバイナ６に対する主光線Ｘ３の入射角αと、中間画像の中心を表示する時のミラー３に対する光源２からの光Ｘ１の入射角αが略等しくなるように、コンバイナ６及びミラー３を配置することができる。これにより、ミラー３による画像の歪みと、コンバイナ６による画像の歪みを効率よく相殺することができる。
　また、図１１において、スクリーン５からコンバイナ６への主光線Ｘ３の入射角をαとする。この場合、スクリーン５の光出射面Ｐ３と、スクリーン５からコンバイナ６へ向かう主光線Ｘ３に垂直な面Ｐ４との角度βは、上記実施形態１と同様に、例えば、０．８α～１．６αとすることができ、さらに好ましくは、α～１．５αとすることができる。これにより、画像の歪みを効率よく抑え、さらに、表示品質を高めることができる。
　図１１では、コンバイナ６（光学素子）の主光線Ｘ３の入射位置における入射面の法線Ｎ１と、中間画像の中心を表示する時のミラー３の反射面の法線Ｎ２とは平行でない。しかし、スクリーン５、フィールドレンズ４、ミラー３及び光源２と、ミラー８の面に関して対象な光学系、すなわち、実質的に同じ光学系における法線Ｎ２ｓは、法線Ｎ１と平行となっている。このような場合、法線Ｎ１と法線Ｎ２は、光学的に平行とみなすことができる。このように、法線Ｎ１と法線Ｎ２が平行である形態には、ミラー８を有する光学系において、光学的に平行とみなすことができる場合も含まれる。同様に、コンバイナ６（光学素子）の主光線Ｘ３の入射位置における接面Ｐ２と、中間画像の中心を表示する時のミラー３の反射面とが、略平行である形態には、図１１のように、光学的に平行であると見なさせる場合も含まれる。
　なお、本実施形態は、上記実施形態１のみならず、上記実施形態２又は３に適用することができる。また、ミラー８の位置は、クリーン５とコンバイナ６との間に限られない。例えば、ミラー３とスクリーン５の間にミラー８が配置されてもよい。
　［実施形態５］
　図１２は、実施形態５における表示装置１ｄの構成例を示す図である。表示装置１ｄは、図１に示す表示装置１に、光学補償を行う補償光学素子９を追加した構成である。補償光学素子９は、ミラー３とスクリーン５との間に設けられる。補償光学素子９は、例えば、補償レンズとすることができる。補償レンズにより、ビーム径を調整したり、歪みを調整したりすることができる。このような補償光学素子を設けることで、より高品位な表示を実現することができる。
　なお、光学補償素子は、スクリーン５とコンバイナ６との間に設けることもできる。また、実施形態１の表示装置１に限られず、実施形態２～４の表示装置１ａ～１ｃにも、光学補償素子を設けることができる。例えば、図１１に表示装置１ｃでは、ミラー８の反射面を、光学補償を行うための形状とすることができる。例えば、ミラー８の反射面を凹状にすることにより、ミラー８に、ビーム径調整又は歪み調整等の光学補償機能を持たせることができる。この場合、ミラー８が、補償光学素子となる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、主光線Ｘ１～Ｘ４が１つの平面に含まれるが、主光線Ｘ１～Ｘ４が１つの平面に含まれないような光学系で表示装置を構成することもできる。
　また、例えば、光源２及びミラー３の駆動制御によって、中間画像の形状を制御して歪みを補正することもできる。すなわち、上記実施形態のように光学系の構成による歪み補正と、画像制御による歪み補正を組み合わせることができる。画像制御による歪み補正の場合、解像度劣化等の表示品位の劣化が生じる場合があるが、上記の光学系の構成による歪み補正と組み合わせることで、表示品位の劣化を抑えつつ歪みを抑制することが容易になる。
　また、表示装置は、コンバイナを備えない構成であってもよい。一例として、表示装置を、飛行機や車などの乗り物のヘッドアップディスプレイに適用した場合、コンバイナを設けずに、スクリーン５から出射された光を乗り物のフロントガラスに反射させて虚像を得るようにしても良い。また、コンバイナを、フロントガラスに貼り付けたり、または、埋め込んだりしても良い。
　上記実施形態では、光源２及びミラー３からの光でスクリーン５に中間画像を結像し、スクリーン５を透過した光をコンバイナ６、７で反射させることによって、表示画像を虚像として表示している。これに対して、スクリーン５を透過した光を実像として表示する構成であっても良い。
　１，１ａ～１ｄ…表示装置、２…光源、３…ミラー、４…フィールドレンズ、５…スクリーン５…コンバイナ（光学素子の一例）、６ａ…凹面ミラー（光学素子の一例）、６ｂ…レンズ（光学素子の一例）、７…コンバイナ、８…ミラー、９…補償光学素子
 

Claims (8)

  1. 　光源と、
    　光源からの光を反射するミラーと、
    　前記ミラーで反射した光によって中間画像が形成されるスクリーンと、
    　前記スクリーンの前記中間画像の光を反射又は透過することで表示画像を生成する光学素子とを備え、
    　前記スクリーンから前記光学素子への主光線の入射面の法線は、前記光学素子へ入射する前記主光線に対して前記中間画像の一方端の光線の側に位置し、
    　前記中間画像の中心を表示するときの前記ミラーの反射面の法線は、前記ミラーから前記スクリーンへ向かう主光線に対して前記中間画像の他方端の光線の側に位置し、
    　前記スクリーンの光出射面は、前記スクリーンから前記光学素子へ向かう主光線に垂直な面に対して、前記中間画像の前記一方端の光線の前記スクリーンと前記光学素子との間の光路を短くする方向に傾いている、表示装置。
  2. 　前記光学素子に対する前記主光線の入射角と、前記中間画像の中心を表示する時の前記ミラーに対する前記光源からの光の入射角とは、略等しい、請求項１に記載の表示装置。
  3. 　前記スクリーンから前記光学素子への前記主光線の入射角をαとすると、
    　前記スクリーンの光出射面と、前記スクリーンから前記光学素子へ向かう前記主光線に垂直な面との角度は、α～１．５αである、請求項１又は２に記載の表示装置。
  4. 　前記主光線の前記光学素子への入射面の法線と、前記中間画像の中心を表示するときの前記ミラーの反射面の法線とは、略平行である、請求項１～３のいずれか１項に記載の表示装置。
  5. 　前記光学素子は、前記スクリーンからの前記中間画像の光を反射することにより、前記表示画像を出射する反射面を有し、
    　前記光学素子に対して前記スクリーンへ入射する主光線と、前記光学素子から出射し前記表示画像を形成する主光線の方向との角度は、
    　前記中間画像の中心を表示する時の前記ミラーに対して前記光源から入射する光の方向と、前記中間画像の中心を表示する時の前記ミラーから前記スクリーンへ向かう出射光の方向との角度と、
    　略等しい、請求項１～４のいずれか１項に記載の表示装置。
  6. 　前記光学素子は、前記スクリーンと反対側の面からの光を透過することにより、前記表示画像に背景を重畳する、請求項１～５のいずれか１項に記載の表示装置。
  7. 　前記光学素子からの光を反射して前記表示画像の光の方向を変更するとともに、前記光学素子とは反対側の面からの光を透過して、前記表示画像に背景を重畳する光学部材をさらに備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の表示装置。
  8. 　前記ミラーと前記スクリーンとの間又は、前記スクリーンと前記光学素子と間に設けられた光学補償を行う補償光学素子をさらに備える、請求項１～７のいずれか１項に記載の表示装置。
     
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