特開 2019-120888 画像表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-120888(P2019-120888A)

(43)【公開日】2019年7月22日

(54)【発明の名称】画像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/01 20060101AFI20190701BHJP

   G02B 17/08 20060101ALI20190701BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20190701BHJP

   B60K 35/00 20060101ALI20190701BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/01

   G02B17/08 Z

   G02B13/18

   B60K35/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2018-2332(P2018-2332)

(22)【出願日】2018年1月11日

(71)【出願人】

【識別番号】390019839

【氏名又は名称】三星電子株式会社

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 勝利

【テーマコード（参考）】

2H087

2H199

3D344

【Ｆターム（参考）】

2H087KA00

2H087LA28

2H087RA06

2H087RA46

2H087TA01

2H087TA02

2H087TA06

2H199DA03

2H199DA12

2H199DA13

2H199DA15

2H199DA25

2H199DA28

2H199DA30

2H199DA43

3D344AA21

3D344AB01

3D344AC25

(57)【要約】

【課題】より適切に画像光を観察者の眼に集光させることを可能にする。
【解決手段】レーザ光を走査する走査光学系と、前記走査光学系により走査されたレーザ光が略垂直に入射するビームシェイパーと、自由曲面を有する２つの反射光学素子と１つのアナモルフィックレンズを備え、前記ビームシェイパーから出射されたレーザ光をディスプレイパネルに照明する照明光学系と、前記照明光学系により照明されたレーザ光を用いて画像を表示する前記ディスプレイパネルと、自由曲面を有する３つの反射光学素子を備え、前記ディスプレイパネルから出射された画像光を観察者の眼に集光させる接眼光学系と、を備える、画像表示装置が提供される。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を走査する走査光学系と、
前記走査光学系により走査されたレーザ光が略垂直に入射するビームシェイパーと、
自由曲面を有する２つの反射光学素子と１つのアナモルフィックレンズを備え、前記ビームシェイパーから出射されたレーザ光をディスプレイパネルに照明する照明光学系と、
前記照明光学系により照明されたレーザ光を用いて画像を表示する前記ディスプレイパネルと、
自由曲面を有する３つの反射光学素子を備え、前記ディスプレイパネルから出射された画像光を観察者の眼に集光させる接眼光学系と、を備える、
画像表示装置。

【請求項2】

前記眼の位置情報に基づいて、前記走査されたレーザ光が前記ビームシェイパーに入射する位置を制御する第１の制御部をさらに備える、
請求項１に記載の画像表示装置。

【請求項3】

前記走査光学系は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナを備えており、
前記第１の制御部は、前記ＭＥＭＳスキャナを制御することで前記走査された光が前記ビームシェイパーに入射する位置を制御する、
請求項２に記載の画像表示装置。

【請求項4】

前記第１の制御部は、前記走査されたレーザ光が前記ビームシェイパーに入射する位置を制御することで、光軸に対して略垂直な方向に動く前記眼に前記画像光を集光させる、
請求項２または３に記載の画像表示装置。

【請求項5】

前記眼の位置情報に基づいて、前記ビームシェイパーの位置を制御する第２の制御部をさらに備える、
請求項１から４のいずれか１項に記載の画像表示装置。

【請求項6】

前記第２の制御部は、前記ビームシェイパーの位置を、光軸に対して前後に制御する、
請求項５に記載の画像表示装置。

【請求項7】

前記ビームシェイパーは、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optics Element）、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ：Holographic Optical Element）、または、拡散板である、
請求項５または６に記載の画像表示装置。

【請求項8】

前記第２の制御部は、前記ビームシェイパーの位置を制御することで、光軸に対して前後に動く前記眼に前記画像光を集光させる、
請求項５から７のいずれか１項に記載の画像表示装置。

【請求項9】

前記眼の位置情報に基づいて、前記画像の内容を制御する第３の制御部をさらに備える、
請求項１から８のいずれか１項に記載の画像表示装置。

【請求項10】

前記第３の制御部は、前記画像の内容を両眼について互いに異なるものとする、
請求項９に記載の画像表示装置。

【請求項11】

前記走査光学系は、前記レーザ光を出射する光源部と、前記光源部から出射されたレーザ光を走査するＭＥＭＳスキャナと、前記ＭＥＭＳスキャナにより走査されたレーザ光を反射し前記ビームシェイパーへ入射させる放物面鏡と、を備える、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の画像表示装置。

【請求項12】

前記光源部は、前記レーザ光を拡散板に集光させるコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズにより集光されたレーザ光を散乱させる前記拡散板と、前記拡散板によって散乱したレーザ光を略平行光にし、前記ＭＥＭＳスキャナへ出射するコリメートレンズと、前記拡散板を回転させるモータと、を備える、
請求項１１に記載の画像表示装置。

【請求項13】

前記接眼光学系は、前記ディスプレイパネルから出射された画像光を反射する前段の自由曲面ミラーと、前記前段の自由曲面ミラーによって反射された画像光をさらに反射する後段の自由曲面ミラーと、前記後段の自由曲面ミラーによって反射された画像光をさらに反射することで画像光を前記眼に集光させるコンバイナと、を備える、
請求項１から１２のいずれか１項に記載の画像表示装置。

【請求項14】

前記前段の自由曲面ミラーから前記後段の自由曲面ミラーに至るまでの光路中で画像光がクロスする、
請求項１３に記載の画像表示装置。

【請求項15】

前記後段の自由曲面ミラーから前記コンバイナに至るまでの光路中で画像光における各像高の光線がクロスする、
請求項１３または１４に記載の画像表示装置。

【請求項16】

前記画像表示装置は、ヘッドアップディスプレイ装置である、
請求項１から１５のいずれか１項に記載の画像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、画像表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ヘッドアップディスプレイ装置は、自車両前方の実景に虚像を重ねて表示することで、実景に情報などを付加した拡張現実（ＡＲ：Augmented Reality）を生成し、車両を運転する観察者の視線移動を極力抑えつつ、所望の情報を的確に観察者に対して提供することで、安全で快適な車両運行に寄与するものである。このような虚像を視認させるものとして、以下の特許文献１に記載されている技術等が挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６−０１４８６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上記の特許文献１で記載された技術は、ヘッドアップディスプレイ装置から出射される画像光を観察者の眼に集光させることができなかった。より具体的には、特許文献１に係るヘッドアップディスプレイ装置は、アイボックス全体に画像を表示するため、画像光を観察者の眼に集光させることができなかった。ヘッドアップディスプレイ装置が、画像光を観察者の眼に集光させることが可能であれば、例えば、両眼にそれぞれ集光される画像光を互いに異なるものにすることで、観察者に立体的な画像を視認させること等ができるため有用である。

【0005】

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、より適切に画像光を観察者の眼に集光させることが可能な、新規かつ改良された画像表示装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、レーザ光を走査する走査光学系と、前記走査光学系により走査されたレーザ光が略垂直に入射するビームシェイパーと、自由曲面を有する２つの反射光学素子と１つのアナモルフィックレンズを備え、前記ビームシェイパーから出射されたレーザ光をディスプレイパネルに照明する照明光学系と、前記照明光学系により照明されたレーザ光を用いて画像を表示する前記ディスプレイパネルと、自由曲面を有する３つの反射光学素子を備え、前記ディスプレイパネルから出射された画像光を観察者の眼に集光させる接眼光学系と、を備える、画像表示装置が提供される。

【0007】

前記眼の位置情報に基づいて、前記走査されたレーザ光が前記ビームシェイパーに入射する位置を制御する第１の制御部をさらに備えてもよい。

【0008】

前記走査光学系は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナを備えており、前記第１の制御部は、前記ＭＥＭＳスキャナを制御することで前記走査された光が前記ビームシェイパーに入射する位置を制御してもよい。

【0009】

前記第１の制御部は、前記走査されたレーザ光が前記ビームシェイパーに入射する位置を制御することで、光軸に対して略垂直な方向に動く前記眼に前記画像光を集光させてもよい。

【0010】

前記眼の位置情報に基づいて、前記ビームシェイパーの位置を制御する第２の制御部をさらに備えてもよい。

【0011】

前記第２の制御部は、前記ビームシェイパーの位置を、光軸に対して前後に制御してもよい。

【0012】

前記ビームシェイパーは、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optics Element）、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ：Holographic Optical Element）、または、拡散板であってもよい。

【0013】

前記第２の制御部は、前記ビームシェイパーの位置を制御することで、光軸に対して前後に方向に動く前記眼に前記画像光を集光させてもよい。

【0014】

F
前記眼の位置情報に基づいて、前記画像の内容を制御する第３の制御部をさらに備えてもよい。

【0015】

前記第３の制御部は、前記画像の内容を両眼について互いに異なるものとしてもよい。

【0016】

前記走査光学系は、前記レーザ光を出射する光源部と、前記光源部から出射されたレーザ光を走査するＭＥＭＳスキャナと、前記ＭＥＭＳスキャナにより走査されたレーザ光を反射し前記ビームシェイパーへ入射させる放物面鏡と、を備えてもよい。

【0017】

前記光源部は、前記レーザ光を拡散板に集光させるコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズにより集光されたレーザ光を散乱させる前記拡散板と、前記拡散板によって散乱したレーザ光を略平行光にし、前記ＭＥＭＳスキャナへ出射するコリメートレンズと、前記拡散板を回転させるモータと、を備えてもよい。

【0018】

前記接眼光学系は、前記ディスプレイパネルから出射された画像光を反射する前段の自由曲面ミラーと、前記前段の自由曲面ミラーによって反射された画像光をさらに反射する後段の自由曲面ミラーと、前記後段の自由曲面ミラーによって反射された画像光をさらに反射することで画像光を前記眼に集光させるコンバイナと、を備えてもよい。

【0019】

前記前段の自由曲面ミラーから前記後段の自由曲面ミラーに至るまでの光路中で画像光がクロスしてもよい。

【0020】

前記後段の自由曲面ミラーから前記コンバイナに至るまでの光路中で画像光における各像高の光線がクロスしてもよい。

【0021】

前記画像表示装置は、ヘッドアップディスプレイ装置であってもよい。

【発明の効果】

【0022】

以上説明したように本発明によれば、より適切に画像光を観察者の眼に集光させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】画像表示装置１００の構成（走査光学系１１０およびビームシェイパー１２０を除く）と、ウインドシールドガラス１０および虚像１１との位置関係について説明する図である。

【図2】画像表示装置１００の構成（走査光学系１１０およびビームシェイパー１２０を除く）について説明する図である。

【図3】走査光学系１１０およびビームシェイパー１２０の構成について説明する図である。

【図4】光源部１１１の構成について説明する図である。

【図5】接眼光学系１５０において光線がクロスする態様について説明する図である。

【図6】画像表示装置１００の構成について説明する図である。

【図7】画像表示装置１００の構成について説明する図である。

【図8】第２の実施例に係る走査光学系１１０およびビームシェイパー１２０の構成について説明する図である。

【図9】第２の実施例に係る光源部１１４の構成について説明する図である。

【図10】第３の実施例に係る光源部１１５の構成について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

【0025】

＜１．第１の実施例＞
まず、本発明に係る第１の実施例について説明する。

【0026】

（１．１．概要）
第１の実施例に係る画像表示装置１００は、例えば、車両に備えられたヘッドアップディスプレイ装置であり、自車両前方の実景に虚像を重ねて表示することで、実景に情報などを付加した拡張現実を生成する装置である。なお、本開示がヘッドアップディスプレイ装置に適用されることはあくまで一例であり、本開示は適宜別の装置に適用されてもよい。

【0027】

そして、画像表示装置１００は、レーザ光を走査する走査光学系１１０と、走査光学系１１０により走査されたレーザ光が略垂直に入射するビームシェイパー１２０と、ビームシェイパー１２０から出射されたレーザ光をディスプレイパネル１４０に照明する照明光学系１３０と、照明光学系１３０により照明されたレーザ光を用いて画像を表示するディスプレイパネル１４０と、ディスプレイパネル１４０から出射された画像光を観察者の眼に集光させる接眼光学系１５０と、を備える。

【0028】

ここで、図１および図２を参照して、画像表示装置１００の構成の概要について説明する。図１は、画像表示装置１００の構成（走査光学系１１０およびビームシェイパー１２０を除く）と、ウインドシールドガラス１０および虚像１１との位置関係について説明する図である。また、図２は、画像表示装置１００の構成（走査光学系１１０およびビームシェイパー１２０を除く）について説明する図である。

【0029】

ビームシェイパー１２０から出射されたレーザ光は、照明光学系１３０へ入射した後に、照明光学系１３０に備えられる、アナモルフィックレンズ１３１、第１の自由曲面ミラー１３２、第２の自由曲面ミラー１３３の順に伝搬される。

【0030】

その後、当該レーザ光が第２の自由曲面ミラー１３３からディスプレイパネル１４０に入射すると、ディスプレイパネル１４０は当該レーザ光を用いて画像を表示する。そして、ディスプレイパネル１４０から出射された画像光は、接眼光学系１５０へ入射した後に、接眼光学系１５０に備えられる、第３の自由曲面ミラー１５１、第４の自由曲面ミラー１５２、コンバイナ１５３の順に伝搬される。コンバイナ１５３によって反射された画像光は、観察者の眼に集光される。これによって、観察者は、図１に示すように、ウインドシールドガラス１０を通して、前方の実景に重畳的に表示された虚像１１を視認することができる。

【0031】

また、画像表示装置１００は、所定の光学素子を制御することによって観察者の眼に画像光を集光させ続けることができる。換言すると、観察者の眼の位置が変化する場合、画像表示装置１００は、眼の位置情報に基づいて、所定の光学素子の動きまたは位置を制御することによって、観察者の眼の位置に画像光を集光させ続けることができる。なお、眼の位置情報は、所定のセンシングデータの解析等によって生成される観察者の眼の位置を示す情報であり、生成方法は特に限定されない。また、眼の位置情報の生成は、外部装置によって実現されてもよいし、画像表示装置１００によって実現されてもよい。また、画像光が集光されるのは、観察者の両眼であることを想定しているが、片眼だけに画像光が集光されてもよい。

【0032】

画像光が観察者の両眼に集光される場合、画像表示装置１００は、両眼に対してそれぞれ異なる画像光を集光させることができるため、観察者に３Ｄ画像を視認させることができる。より具体的には、画像表示装置１００は、互いに視差を有する、左眼画像の画像光と右眼画像の画像光をそれぞれの眼に集光させることで、観察者に３Ｄ画像を視認させることができる。また、ディスプレイパネル１４０にＳＬＭ（Spatial Light Modulator）等のホログラム表示デバイスが用いられることによって、画像表示装置１００は、ホログラム像を表示することもできる。この場合、画像表示装置１００は、両眼に対してそれぞれ異なるホログラム像を表示させることで、観察者に３Ｄのホログラム像を視認させることができる。

【0033】

さらに、画像表示装置１００は、観察者の眼の位置に基づいて画像の内容を制御することができる。例えば、所定の視点からの３Ｄ画像が表示されている状態から観察者の眼の位置が変化した場合、画像表示装置１００は、画像の内容を、変化後の視点からの３Ｄ画像に変更してもよい。

【0034】

（１．２．各構成の詳細）
上記では、本発明に係る第１の実施例の概要について説明した。続いて、画像表示装置１００の各構成の詳細について説明する。

【0035】

（１．２．１．走査光学系１１０）
まず、図３および図４を参照して、走査光学系１１０の各構成の詳細について説明する。走査光学系１１０は、図３に示すように、光源部１１１と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナ１１２と、放物面鏡１１３と、を備える。また、走査光学系１１０は、照明光学系１３０と接眼光学系１５０が配置された場合に発生するデッドスペースに配置可能である。これによって、画像表示装置１００の小型化が可能になる。

【0036】

（光源部１１１）
光源部１１１は、赤色光、緑色光および青色光のレーザ光を合波することで白色光を生成する構成である。より具体的には、光源部１１１は、図４に示すように、Ｒ光源部１１１−１ａと、Ｇ光源部１１１−１ｂと、Ｂ光源部１１１−１ｃと、コリメートレンズ１１１−２ａ〜コリメートレンズ１１１−２ｃと、ダイクロイックミラー１１１−３ａおよびダイクロイックミラー１１１−３ｂと、を備える。

【0037】

Ｒ光源部１１１−１ａ、Ｇ光源部１１１−１ｂ、Ｂ光源部１１１−１ｃのそれぞれは、特定帯域にピーク強度を有するレーザ光を出射する構成であり、Ｒ光源部１１１−１ａは赤色光を出射し、Ｇ光源部１１１−１ｂは緑色光を出射し、Ｂ光源部１１１−１ｃは青色光を出射する。

【0038】

光源部１１１に用いられるレーザ光源は、特に限定されるものではない。例えば、レーザ光源として半導体レーザ光源が用いられてもよい。より具体的には、Ｒ光源部１１１−１ａとして、ＧａＩｎＰ半導体を利用したＧａＩｎＰ量子井戸構造レーザダイオードが用いられ、Ｇ光源部１１１−１ｂおよびＢ光源部１１１−１ｃとして、ＧａＩｎＮ半導体を利用したＧａＩｎＮ量子井戸構造レーザダイオードが用いられてもよい。レーザ光源として半導体レーザ光源が用いられることで、光源部１１１の小型化が可能になる。

【0039】

そして、Ｒ光源部１１１−１ａ、Ｇ光源部１１１−１ｂおよびＢ光源部１１１−１ｃから出射されたレーザ光は、それぞれ、対応するコリメートレンズ１１１−２ａ〜コリメートレンズ１１１−２ｃを透過することによって略平行なレーザ光になる。その後、Ｒ光源部１１１−１ａからの赤色光は、ダイクロイックミラー１１１−３ａおよびダイクロイックミラー１１１−３ｂを透過する。Ｇ光源部１１１−１ｂから出射された緑色光は、赤色光より長い波長の光を透過し緑色光を反射する特性を有するダイクロイックミラー１１１−３ａによって光路を切り替えられることで赤色光と合波され、ダイクロイックミラー１１１−３ｂを透過する。Ｂ光源部１１１−１ｃから出射された青色光は、緑色光より長い波長の光を透過し青色光を反射する特性を有するダイクロイックミラー１１１−３ｂによって光路を切り替えられることで赤色光および緑色光と合波される。光源部１１１は、以上によって生成された白色光をＭＥＭＳスキャナ１１２へ出射する。

【0040】

なお、光源部１１１の構成は上記に限定されない。例えば、光源部１１１は、Ｒ光源、Ｇ光源およびＢ光源の全てを備える半導体レーザ光源を代りに用いてもよい。また、光源部１１１は、赤色光、緑色光または青色光以外の波長帯域のレーザ光を出射してもよい。

【0041】

（ＭＥＭＳスキャナ１１２、放物面鏡１１３）
ＭＥＭＳスキャナ１１２は、光源部１１１から入射したレーザ光を走査する光学素子である。より具体的には、ＭＥＭＳスキャナ１１２は、放物面鏡１１３の焦点位置に配置され、ＭＥＭＳスキャナ１１２によって走査されたレーザ光は、放物面鏡１１３によって反射されて、ビームシェイパー１２０へ入射する。このとき、放物面鏡１１３の焦点位置から出射されたレーザ光が放物面鏡１１３上の各点で反射する場合、各反射光の進行方向は放物面鏡１１３の光軸に対して略平行になるという特徴を有する。互いに略平行となった反射光は、ビームシェイパー１２０の面に対して略垂直に入射する。

【0042】

また、本実施例においては、観察者の眼の位置情報に基づいて、レーザ光がビームシェイパー１２０に入射する位置を制御する第１の制御部（図示なし。または、ＭＥＭＳスキャナ１１２が第１の制御部であってもよい）が備えられる。より具体的には、第１の制御部は、ＭＥＭＳスキャナ１１２を制御することによって、放物面鏡１１３に反射されたレーザ光がビームシェイパー１２０に入射する位置を制御する。なお、ビームシェイパー１２０において、レーザ光の入射位置が変更された場合であっても、レーザ光の入射角度は変わらない（換言すると、レーザ光の入射角度は、ビームシェイパー１２０の面に対して略垂直のままである）。

【0043】

ここで、本発明に係るビームシェイパー１２０は、画像表示装置１００の光学系において、観察者の眼の位置と共役関係になっている。そのため、観察者の眼の位置が、光軸に対して略垂直な方向に動く場合、第１の制御部は、観察者の眼の位置の変化に対応するビームシェイパー１２０上の位置にレーザ光を入射させるようにＭＥＭＳスキャナ１１２を制御することで、観察者の眼に画像光を集光させ続けることができる。

【0044】

また、ＭＥＭＳスキャナ１１２は、互いに異なる右眼画像と左眼画像を生成することができる。例えば、ＭＥＭＳスキャナ１１２は、高速で駆動することによって、タイムシーケンシャルに、互いに異なる右眼画像と左眼画像とを高速で切り替えることができ、これによって、観察者に３Ｄ画像を視認させることができる。

【0045】

そして、本実施例においては、観察者の眼の位置情報に基づいて、画像の内容を制御する第３の制御部（図示なし。または、ＭＥＭＳスキャナ１１２が第３の制御部であってもよい）が備えられる。例えば、所定の視点からの３Ｄ画像が表示されている状態から観察者の眼の位置が変化した場合、第３の制御部は、画像の内容を、変化後の視点からの３Ｄ画像に変更してもよい。これによって、観察者の眼の位置が変化しても、観察者は適切な画像を視認し続けることができる。

【0046】

なお、本実施例では、レーザ光を走査する機能を有していれば、ＭＥＭＳスキャナ１１２以外の光学素子が用いられてもよい。また、レーザ光をビームシェイパー１２０に対して略垂直に入射させることができれば、放物面鏡１１３以外の光学素子が用いられてもよい。

【0047】

（１．２．２．ビームシェイパー１２０）
ビームシェイパー１２０は、ＤＯＥ（Diffractive Optics Element）等の回折光学素子、ＨＯＥ(Holographic
Optical Element)等のホログラフィック光学素子または拡散板等が用いられることで、放物面鏡１１３によって反射されたレーザ光の進行方向を回折現象等により変更し、レーザ光を照明光学系１３０へ伝搬する光学素子である。また、ビームシェイパー１２０は、レーザ光のビーム形状を変更可能である。上記のとおり、放物面鏡１１３によって反射されたレーザ光が、ビームシェイパー１２０の面に対して略垂直に入射することで、ビームシェイパー１２０は、常に、入射したレーザ光の光束径を所定の大きさ（例えば、照明光学系１３０における照明光のコーンアングルに応じた大きさ）まで広げ、レーザ光の形状を所定の略矩形形状へ変更することができる。

【0048】

また、本実施例においては、観察者の眼の位置情報に基づいて、ビームシェイパー１２０の位置を制御する第２の制御部（図示なし）が備えられる。より具体的には、第２の制御部は、ビームシェイパー１２０の位置を光軸に対して前後（換言すると、ビームシェイパーの面に対して略垂直な方向）に制御する。

【0049】

上記のとおり、本発明に係るビームシェイパー１２０は、画像表示装置１００の光学系において、観察者の眼の位置と共役関係になっているため、観察者の眼の位置が、光軸に対して前後に動く場合、第２の制御部は、観察者の眼の位置の変化に対応する位置にビームシェイパー１２０の位置を変更することで、観察者の眼に画像光を集光させ続けることができる。なお、ビームシェイパー１２０の位置の変更方法は特に限定されない。

【0050】

（１．２．３．照明光学系１３０）
照明光学系１３０は、上記のとおり、アナモルフィックレンズ１３１と、第１の自由曲面ミラー１３２と、第２の自由曲面ミラー１３３と、を備える。

【0051】

（アナモルフィックレンズ１３１）
アナモルフィックレンズ１３１は、例えばシリンドリカルレンズ（レンチキュラーレンズ）であり、その光学特性（例えば焦点距離）が、光軸に直交し且つ互いに直交する二方向で異なる曲率を有している光学素子である。これによって、アナモルフィックレンズ１３１は、ビームシェイパー１２０から入射したレーザ光を、短軸方向に沿って広げることができる。ビームシェイパー１２０およびアナモルフィックレンズ１３１等によってディスプレイパネル１４０の略全面への効率的な照明が可能となる。

【0052】

なお、アナモルフィックレンズ１３１が有するアナモルフィック面の定義式については後述する。

【0053】

（第１の自由曲面ミラー１３２、第２の自由曲面ミラー１３３）
第１の自由曲面ミラー１３２は、アナモルフィックレンズ１３１から入射したレーザ光を反射する光学素子である。また、第２の自由曲面ミラー１３３は、第１の自由曲面ミラー１３２から入射したレーザ光を反射することでレーザ光をディスプレイパネル１４０に向けて出射する光学素子である。

【0054】

自由曲面を有するこれらの光学素子が用いられることによって、光の反射が適切に制御されつつ、かつ、画像表示装置１００の小型化が実現される。第１の自由曲面ミラー１３２および第２の自由曲面ミラー１３３が有する自由曲面の定義式については後述する。

【0055】

（１．２．４．ディスプレイパネル１４０）
ディスプレイパネル１４０は、第２の自由曲面ミラー１３３から入射したレーザ光によって中間像を形成する。ディスプレイパネル１４０に結像した光は、ディスプレイパネル１４０の出射側から接眼光学系１５０の第３の自由曲面ミラー１５１へ出射される。

【0056】

また、図１および図２に示すように、ディスプレイパネル１４０は、第３の自由曲面ミラー１５１から第４の自由曲面ミラー１５２に至る光路と、第４の自由曲面ミラー１５２からコンバイナ１５３に至る光路との間に配置される。この構成によって、接眼光学系１５０の小型化および光学性能の高い光学構成が可能となる。

【0057】

（１．２．５．接眼光学系１５０）
接眼光学系１５０は、上記のとおり、第３の自由曲面ミラー１５１と、第４の自由曲面ミラー１５２と、コンバイナ１５３と、を備える。

【0058】

（第３の自由曲面ミラー１５１、第４の自由曲面ミラー１５２）
第３の自由曲面ミラー１５１は、ディスプレイパネル１４０から出射された中間像を構成する画像光を反射する光学素子（前段の自由曲面ミラー）である。また、第４の自由曲面ミラー１５２は、第３の自由曲面ミラー１５１から入射した画像光を反射することで画像光をコンバイナ１５３に向けて出射する光学素子（後段の自由曲面ミラー）である。

【0059】

ここで、第３の自由曲面ミラー１５１から第４の自由曲面ミラー１５２に至るまでの光路中で画像光がクロスするように各光学素子が配置される。より具体的には、図５に示すように、第３の自由曲面ミラー１５１のある点で反射された画像光は、第３の自由曲面ミラー１５１の別の点で反射された画像光と位置２０でクロスして第４の自由曲面ミラー１５２へ入射する。

【0060】

これによって、画像表示装置１００の光学系、特に、第３の自由曲面ミラー１５１および第４の自由曲面ミラー１５２の小型化が可能となる。なお、第３の自由曲面ミラー１５１から第４の自由曲面ミラー１５２に至るまでの光路中において画像光がクロスする態様は特に限定されない。

【0061】

さらに、第４の自由曲面ミラー１５２からコンバイナ１５３に至るまでの光路中で各像高の光線がクロスするように各光学素子が配置される。より具体的には、図５に示すように、第４の自由曲面ミラー１５２から出射した各像高の光線は、位置３０でクロスしてコンバイナ１５３へ入射する。

【0062】

これによって、コンバイナ１５３へ入射する光線の広がり角度がより大きくなり、コンバイナ１５３によって反射された画像光が観察者の眼に集光され易くなるため、画像表示装置１００の光学性能が向上する。また、本開示が広ＦＯＶ（Field Of View）の光学系に適用された場合においても、当該光学系の小型化が可能となる。なお、第４の自由曲面ミラー１５２からコンバイナ１５３に至るまでの光路中で各像高の光線がクロスする態様は特に限定されない。第３の自由曲面ミラー１５１および第４の自由曲面ミラー１５２が有する自由曲面の定義式については後述する。

【0063】

（コンバイナ１５３）
コンバイナ１５３は、第４の自由曲面ミラー１５２から入射した画像光が投影されると共に、その投影光を観察者の眼へ一部反射することで虚像を観察者に視認させる光学素子である。より具体的には、コンバイナ１５３は、無色の樹脂性透明板の視認側表面に、ハーフミラーとしての役割を果たす蒸着膜を形成して構成されている。なお、本実施例においては、コンバイナ１５３の反射面は凹形状である例を示しているが、これに限定されず、コンバイナ１５３の反射面は凸面形状でもよい。また、コンバイナ１５３の代りに、ウインドシールドガラス１０が用いられてもよい。

【0064】

以上では、画像表示装置１００の各構成の詳細について説明した。上記のとおり、画像表示装置１００は、反射光学系であるため、波長の違いによる色収差の発生を防ぐことができる。これによって、画像表示装置１００は、色滲みのない、高画質の画像を表示することができる。

【0065】

ここで、図６および図７に、上記で説明してきた画像表示装置１００の全光学素子の配置構成例を示す（図７は、画像表示装置１００の各光学素子を通過する光束において、各光学素子の中心位置を伝搬する光のみが示された図である）。なお、画像表示装置１００の各光学素子の配置構成例は、図６および図７に限定されない。

【0066】

（１．３．自由曲面の定義式）
続いて、照明光学系１３０が備える第１の自由曲面ミラー１３２と第２の自由曲面ミラー１３３、および、接眼光学系１５０が備える第３の自由曲面ミラー１５１、第４の自由曲面ミラー１５２とコンバイナ１５３のそれぞれが有する自由曲面の定義式について説明する。各光学素子が有する自由曲面は、その面の頂点を原点とする直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を定義したとき、下記の式（１）、式（２）、式（３）により定義される。なお、各光学素子についての、式（１）の各係数を以下の表１に示す。

【0067】

【数1】

【0068】

【数2】

【0069】

【数3】

ｘ：面のｘ座標
ｙ：面のｙ座標
ｚ：ｚ軸に略平行な面のサグ量
ｃ：頂点曲率（＝１／曲率半径）
ｋ：コーニック定数
Ｃ_ｊ：単項式x^myⁿの係数（自由曲面係数）

【0070】

【表1】

【0071】

（１．４．アナモルフィック面の定義式）
上記では、各光学素子の自由曲面の定義式について説明した。続いて、アナモルフィックレンズ１３１が有するアナモルフィック面の定義式について説明する。アナモルフィック面は、その頂点を原点とする直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を定義したとき、下記の式（４）により定義される。なお、式（４）の各係数を以下の表２に示す。

【0072】

【数4】

ｘ：面のｘ座標
ｙ：面のｙ座標
ｚ：ｚ軸に略平行な面のサグ量
ＣＵＸ：ｘの曲率
ＣＵＹ：ｙの曲率
ＫＸ：ｘのコーニック係数
ＫＹ：ｙのコーニック係数
ＡＲ：回転対称の４次係数
ＢＲ：回転対称の６次係数
ＣＲ：回転対称の８次係数
ＤＲ：回転対称の１０次係数
ＡＰ：非回転対称の４次係数
ＢＰ：非回転対称の６次係数
ＣＰ：非回転対称の８次係数
ＤＰ：非回転対称の１０次係数

【0073】

【表2】

【0074】

（１．５．各光学素子の位置座標）
上記では、アナモルフィックレンズ１３１が有するアナモルフィック面の定義式について説明した。続いて、画像表示装置１００の各光学素子の位置座標の例について説明する。より具体的には、アイボックスの中心点を原点とする直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）（図６および図７を参照）が定義されたときの各光学素子の位置座標の例を以下の表３〜表５に示す。なお、表３〜表５の各位置座標は、各光学素子の中心位置を示している。また、各光学素子における偏芯も併せて記載されている。偏芯におけるα、β、γは、それぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を回転軸としたときの傾き角を指し、傾き角αと傾き角βの正はそれぞれｘ軸、ｙ軸の正方向に対して反時計回りに回転させたときの角度を示し、傾き角γの正はｚ軸の正方向に対して時計回りに回転させたときの角度を示す。

【0075】

【表3】

【0076】

【表4】

【0077】

【表5】

【0078】

なお、上記で説明してきた各光学素子のうち、ディスプレイパネル１４０より前段に配置された各光学素子はOff-Axis光学系（いわゆる「軸はずしの光学系」）であり、ディスプレイパネル１４０および接眼光学系１５０の各光学素子はOn-Axis光学系である。これによって、上記の定義式、位置座標および偏芯を満たしつつ、光学性能の高い光学系を実現することが可能となる。なお、これはあくまで一例であり、各光学素子がOff-Axis光学系またはOn-Axis光学系のいずれであるかについては、種々の条件（上記の定義式、位置座標、偏芯、または、求められる光学性能等）に応じて適宜変更されてもよい。

【0079】

＜２．第２の実施例＞
上記では、本発明に係る第１の実施例について説明した。続いて、図８および図９を参照して、本発明に係る第２の実施例について説明する。図８に示すように、第２の実施例においては、上記の光源部１１１の代りに、半導体レーザ光源がアレイ状に配置された光源部１１４が用いられる。なお、その他の構成は第１の実施例と同様である。

【0080】

続いて、図９を参照して、第２の実施例に係る光源部１１４の構成例について説明する。図９に示すように、光源部１１４は、レーザ光源部１１４−１ａ〜レーザ光源部１１４−１ｄと、コリメートレンズ１１４−２ａ〜コリメートレンズ１１４−２ｄと、放物面鏡１１４−３と、コリメートレンズ１１４−４と、を備える。

【0081】

レーザ光源部１１４−１ａ〜レーザ光源部１１４−１ｄは、アレイ状に配置され、所定のレーザ光を出射する光学素子である。図９には、レーザ光源部１１４−１ａ〜レーザ光源部１１４−１ｄという４個のレーザ光源部（図８には、縦４列、横４列に配置された計１６個のレーザ光源部）しか示されていないが、レーザ光源部の数は特に限定されず、放物面鏡１１４−３の大きさ、または、必要な光量等に基づいて適宜変更され得る。また、各レーザ光源部が出射するレーザ光の波長は特に限定されない（換言すると、レーザ光の波長に関係なく合波可能である）。

【0082】

レーザ光源部１１４−１ａ〜レーザ光源部１１４−１ｄから出射されたレーザ光は、それぞれ、対応するコリメートレンズ１１４−２ａ〜コリメートレンズ１１４−２ｄを透過することによって略平行なレーザ光になる。これらの略平行なレーザ光は、放物面鏡１１４−３に反射することによって、放物面鏡１１４−３の焦点位置に配置されているコリメートレンズ１１４−４に集光することで合波される。

【0083】

＜３．第３の実施例＞
上記では、本発明に係る第２の実施例について説明した。続いて、図１０を参照して、本発明に係る第３の実施例について説明する。

【0084】

本実施例は、レーザ光によるスペックルノイズの影響を軽減可能な例である。スペックルノイズとは、反射面や透過面に微小な凹凸がある場合に、レーザ光が互いに干渉して輝点が発生する現象であり、スペックルノイズが発生すると、画像がちらつき易くなるため好ましくない。また、レーザ光は狭帯域であるため、発光波長が一定であり干渉しやすく、スペックルノイズが発生しやすい。

【0085】

そこで、図１０示すように、第３の実施例においては、上記の光源部１１１の代りに、コンデンサレンズ１１５−４、拡散板１１５−５、モータ１１５−６およびコリメートレンズ１１５−７を備える光源部１１５が用いられる。なお、その他の構成は第１の実施例に係る光源部１１１（図４参照）と同様であるため説明を省略する。

【0086】

光源部１１１と同様に、ダイクロイックミラー１１５−３ａおよびダイクロイックミラー１１５−３ｂによって各色光が合波されることで生成された白色光は、コンデンサレンズ１１５−４に入射する。

【0087】

コンデンサレンズ１１５−４は、入射してきたレーザ光を、拡散板１１５−５に集光させる。その後、拡散板１１５−５にて散乱したレーザ光は、コリメートレンズ１１５−７を透過することで略平行なレーザ光になる（換言すると、コリメートレンズ１１５−７によってビーム化される）。コリメートレンズ１１５−７によってビーム化されることによって、後段のＭＥＭＳスキャナ１１２による走査が可能となる。

【0088】

ここで、拡散板１１５−５においては、レーザ光が当たる位置によって、拡散板１１５−５から出射するレーザ光のスペックルの状態が変化する。さらに、モータ１１５−６が拡散板１１５−５を回転させることによって、拡散板１１５−５から出射するレーザ光のスペックルの状態が回転と共に変化する。

【0089】

これによって、スペックルノイズが平均化され、低減される。より具体的には、ある瞬間の出射光においてはスペックルノイズが発生しているが、モータ１１５−６が高速（所定の速度以上）で拡散板１１５−５を回転させることで、スペックルノイズを平均化し、肉眼では認識できない程度までスペックルノイズを低減させることができる。これによって、画像のちらつきが低減可能となる。

【0090】

なお、上記の構成はあくまで一例であり、上記の光学素子は、同様の機能を有する別の光学素子に適宜変更され得る。

【0091】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【0092】

例えば、上記実施例では、本開示がヘッドアップディスプレイ装置に適用されていたが、本開示は、ヘッドマウントディスプレイ装置等に適用されてもよい。

【符号の説明】

【0093】

１００ 画像表示装置
１１０ 走査光学系
１１１、１１４ 光源部
１１２ ＭＥＭＳスキャナ
１１３ 放物面鏡
１２０ ビームシェイパー
１３０ 照明光学系
１３１ アナモルフィックレンズ
１３２ 第１の自由曲面ミラー
１３３ 第２の自由曲面ミラー
１４０ ディスプレイパネル
１５０ 接眼光学系
１５１ 第３の自由曲面ミラー
１５２ 第４の自由曲面ミラー
１５３ コンバイナ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】