特許 6207850 虚像表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6207850

(24)【登録日】2017年9月15日

(45)【発行日】2017年10月4日

(54)【発明の名称】虚像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/01 20060101AFI20170925BHJP

   B60K 35/00 20060101ALI20170925BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/01

   B60K35/00 A

【請求項の数】11

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-49868(P2013-49868)

(22)【出願日】2013年3月13日

(65)【公開番号】特開2014-174494(P2014-174494A)

(43)【公開日】2014年9月22日

【審査請求日】2016年3月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】501009849

【氏名又は名称】株式会社日立エルジーデータストレージ

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(72)【発明者】

【氏名】日下 裕美

(72)【発明者】

【氏名】大内 敏

(72)【発明者】

【氏名】瀬尾 欣穂

【審査官】 鈴木 俊光

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２５６８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１２６２２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２０８４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３３３０８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２０３６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３３９８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２４７９９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１９９１１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２７／０１ − ２７／０２

Ｂ６０Ｋ ３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

画像光を投写する画像投写装置と、
前記画像投写装置から出射された画像光が入射され、所定角度範囲に画像光を発散出射する発散素子と、
前記発散素子から出射した画像光を反射面で反射するとともに前記反射面とは異なる面からの入射光を透過する光分岐素子と、を備え、
前記画像投写装置からの画像光は前記発散素子で結像され、
前記光分岐素子で反射した画像光の出射方向とは逆の方向の延長線上に前記発散素子に結像された像の虚像を生じさせ、
前記虚像と観察点を結ぶ直線の所定の水平軸からの角度をθｅとし、
前記光分岐素子の水平軸からの角度をθｗとし、
前記発散素子からの出射光の水平軸からの角度をθｐとしたとき、
θｐ＝２×θｗ−θｅ
となることを特徴とする虚像表示装置。

【請求項2】

画像光を投写する画像投写装置と、
前記画像投写装置から出射された画像光の光軸を所定の方向に変換する光軸変換素子と、
前記光軸変換素子から出射された画像光が入射され、所定角度範囲に画像光を発散出射する発散素子と、
前記発散素子から出射した画像光を反射面で反射するとともに前記反射面とは異なる面からの入射光を透過する光分岐素子と、を備え、
前記画像投写装置からの画像光は前記発散素子で結像され、
前記光分岐素子で反射した画像光の出射方向とは逆の方向の延長線上に前記発散素子に結像された像の虚像を生じさせ、
前記光軸変換素子は、前記虚像と観察点を結ぶ直線の所定の水平軸からの角度をθｅとし、前記光分岐素子の水平軸からの角度をθｗとし、前記所定角度範囲である前記発散素子からの出射光の水平軸からの角度をθｐとしたとき、θｐ＝２×θｗ−θｅとすることを特徴とする虚像表示装置。

【請求項3】

画像光を投写する画像投写装置と、
前記画像投写装置から出射された画像光が入射され、入射光の光軸を所定の方向に変換して出射する光軸変換素子と、
前記光軸変換素子から出射された画像光が入射され、所定角度範囲に反射して前記光軸変換素子に画像光を発散出射する発散素子と、
前記光軸変換素子から出射した画像光を反射面で反射するとともに前記反射面とは異なる面からの入射光を透過する光分岐素子と、を備え、
前記画像投写装置からの画像光は前記発散素子で結像され、
前記光分岐素子で反射した画像光の出射方向とは逆の方向の延長線上に前記発散素子に結像された像の虚像を生じさせ、
前記光軸変換素子は、前記虚像と観察点を結ぶ直線の所定の水平軸からの角度をθｅとし、前記光分岐素子の水平軸からの角度をθｗとし、前記所定角度範囲である前記発散素子からの出射光の水平軸からの角度をθｐとしたとき、θｐ＝２×θｗ−θｅとすることを特徴とする虚像表示装置。

【請求項4】

画像光を投写する画像投写装置と、
前記画像投写装置から出射された画像光の光軸を折り曲げる折り返しミラーと、
前記折り返しミラーで反射した画像光の光軸を所定の方向に変換する光軸変換素子と、
前記光軸変換素子から出射された画像光が入射され、所定角度範囲に画像光を発散出射する発散素子と、
前記発散素子から出射した画像光を反射面で反射するとともに前記反射面とは異なる面からの入射光を透過する光分岐素子と、を備え、
前記画像投写装置からの画像光は前記発散素子で結像され、
前記光分岐素子で反射した画像光の出射方向とは逆の方向の延長線上に前記発散素子に結像された像の虚像を生じさせ、
前記光軸変換素子は、前記虚像と観察点を結ぶ直線の所定の水平軸からの角度をθｅとし、前記光分岐素子の水平軸からの角度をθｗとし、前記所定角度範囲である前記発散素子からの出射光の水平軸からの角度をθｐとしたとき、θｐ＝２×θｗ−θｅとすることを特徴とする虚像表示装置。

【請求項5】

画像光を投写する画像投写装置と、
前記画像投写装置から出射された画像光の光軸を折り曲げる折り返しミラーと、
前記折り返しミラーで反射した画像光の光軸を所定の方向に変換する光軸変換素子と、
前記光軸変換素子から出射された画像光が入射され、所定角度範囲に画像光を発散出射する発散素子と、
前記発散素子から出射された画像光を拡大して出射するレンズと、
前記レンズから出射した画像光を反射面で反射するとともに前記反射面とは異なる面からの入射光を透過する光分岐素子と、を備え、
前記画像投写装置からの画像光は前記発散素子で結像され、
前記光分岐素子で反射した画像光の出射方向とは逆の方向の延長線上に前記発散素子に結像された像の虚像を生じさせ、
前記光軸変換素子は、前記虚像と観察点を結ぶ直線の所定の水平軸からの角度をθｅとし、前記光分岐素子の水平軸からの角度をθｗとし、前記所定角度範囲である前記発散素子からの出射光の水平軸からの角度をθｐとしたとき、θｐ＝２×θｗ−θｅとすることを特徴とする虚像表示装置。

【請求項6】

画像光を投写する画像投写装置と、
前記画像投写装置から出射された画像光の光軸を所定の方向に変換する光軸変換素子と、
前記光軸変換素子から出射された画像光が入射され、所定角度範囲に画像光を発散出射する発散素子と、
前記発散素子から出射される画像光を反射する凹面ミラーと、
前記凹面ミラーから出射した画像光を反射面で反射するとともに前記反射面とは異なる面からの入射光を透過する光分岐素子と、を備え、
前記画像投写装置からの画像光は前記発散素子で結像され、
前記光分岐素子で反射した画像光の出射方向とは逆の方向の延長線上に前記発散素子に結像された像の虚像を生じさせ、
前記光軸変換素子は、前記虚像と観察点を結ぶ直線の所定の水平軸からの角度をθｅとし、前記光分岐素子の水平軸からの角度をθｗとし、前記所定角度範囲である前記発散素子からの出射光の水平軸からの角度をθｐとしたとき、θｐ＝２×θｗ−θｅとすることを特徴とする虚像表示装置。

【請求項7】

画像光を投写する画像投写装置と、
前記画像投写装置から出射された画像光の光軸を所定の方向に変換する光軸変換素子と、
前記光軸変換素子から出射された画像光が入射され、所定角度範囲に画像光を発散出射する発散素子と、
前記発散素子から出射した画像光を反射面で凹面反射するとともに前記反射面とは異なる面からの入射光を透過する半透過凹面ミラーと、を備え、
前記画像投写装置からの画像光は前記発散素子で結像され、
前記半透過凹面ミラーで反射した画像光の出射方向とは逆の方向の延長線上に前記発散素子に結像された像の虚像を生じさせ、
前記光軸変換素子は、前記虚像と観察点を結ぶ直線の所定の水平軸からの角度をθｅとし、前記光分岐素子の水平軸からの角度をθｗとし、前記所定角度範囲である前記発散素子からの出射光の水平軸からの角度をθｐとしたとき、θｐ＝２×θｗ−θｅとすることを特徴とする虚像表示装置。

【請求項8】

請求項２から請求項７のいずれかに記載の虚像表示装置において、
前記光軸変換素子は、出射方向に垂直な方向を中心に回動可能に設けられ、
前記発散素子から出射される画像光の方向を変えて、虚像の観察範囲の位置を変えることを特徴とする虚像表示装置。

【請求項9】

請求項８に記載の虚像表示装置において、
前記光軸変換素子は、プリズム、プリズム板、ホログラフィック素子、レンズあるいはミラーであることを特徴とする虚像表示装置。

【請求項10】

請求項２から請求項９のいずれかに記載の虚像表示装置において、
前記発散素子は、所定の第１の方向の発散角度と、前記第１の方向に垂直な第２の方向の発散角度とが異なる角度で画像光を発散出射し、
前記光軸変換素子は、前記第１の方向に光軸の方向を変換することを特徴とする虚像表示装置。

【請求項11】

請求項１から請求項４のいずれかに記載の虚像表示装置において、
前記虚像を観察できる範囲を観察範囲とし、
観察点から前記虚像までの距離をＬ、
前記観察範囲の垂直方向の大きさをＤｖ、水平方向の大きさをＤｈとし、
前記発散素子の垂直方向の発散角度をωｖ、水平方向の発散角度をωｈとしたとき、
ωｖ＜＝ｔａｎ―１（Ｄｖ／２／Ｌ）
ωｈ＜＝ｔａｎ―１（Ｄｈ／２／Ｌ）
の関係を満たすことを特徴とする虚像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、使用者に虚像視認を可能にする表示装置の構成に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、画像情報を現実空間に重ねて表示する拡張現実技術（以下、AR:Augmented Reality）が、エンターテイメントや作業支援システムの分野で注目されている。このARを実現する手段の一つとして、光学的に生成した画像を光分岐素子などで使用者側に反射させて虚像を生成し、虚像と現実空間を重ねて使用者に見せる表示装置がある。特に、航空機や車両への搭載されているARの表示装置は、ヘッドアップディスプレイ（以下、HUD:Head Up Display）と呼ばれている。HUDで速度表示等をおこなって、運転者の視線移動を低減することで安全運行に寄与している。

【0003】

特許文献１や特許文献２には、上記のような虚像を提供する表示装置の技術が開示されている。
より詳細には、特許文献１は、表示器の実像を凹面鏡で反射し、表示光をウィンドシールドで反射させて虚像を提供するヘッドアップディスプレイが記載され、凹面鏡からウィンドシールドへの光路中のプリズムシートを設けて小型化する技術が開示されている。

【0004】

そして、特許文献２には、光学ユニットからウィンドシールドに投射する映像光の入射角度を調整する移動機構と、ウィンドシールドに投射される映像の歪補正をおこなうレンズ光学系を設けて、異なる視点から虚像を視認可能にする技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開2004-20605号公報

【特許文献2】特開2010-197493号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

HUDでは、虚像を観察できる位置を観察点、観察点を移動させても虚像を観察できる範囲を観察範囲と呼んでいる。車載HUDでは、観察者の視野中の像の生成範囲は、左右よりも上下が小さい場合が一般的であり、観察範囲も左右より上下が狭くなっている。

【0007】

また、車載HUDでは、日中の外など明るい現実空間に重なった像を観察するため、虚像の輝度が現実空間の輝度よりも高くなければならない。このため、虚像の輝度を上げるには、光のエネルギー効率ができるだけ高い状態で投射する必要がある。

【0008】

さらに、車載HUDでは、観察者の体型により観察範囲を異なる可能性がある。このため、観察者の体格に合わせて観察範囲を上下に調節できる機構や、想定される観察者の観察範囲をカバーする広い観察範囲をもつことが望まれる。

【0009】

上記の特許文献１の技術では、車載HUDが小型化が可能となるが、観察範囲については考慮されていない。また、上記の特許文献２の技術では、虚像の輝度についてはなんら言及されていない。

【0010】

本発明の目的は、上記課題を解決し、観察範囲が広く輝度の高い虚像が視認できるHUDを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本願発明の虚像表示装置は、画像光を投写する画像投写装置と、前記画像投写装置から出射された画像光が入射され、所定角度範囲に画像光を発散出射する発散素子と、前記発散素子から出射した画像光を反射するとともに前記反射面とは異なる面からの入射光を透過する光分岐素子と、を備える構成とし、前記画像投写装置からの画像光は前記発散素子で結像され、前記光分岐素子で反射した画像光の出射方向とは逆の方向の延長線上に前記発散素子に結像された像の虚像を生じさせるようにした。前記発散素子の発散角を調整することにより、観察範囲の調整が可能となる。

【0012】

さらに、本願発明の虚像表示装置は、前記画像投写装置から出射された画像光の光軸を所定の方向に変換する光軸変換素子を設ける構成とした。これにより、観察範囲の位置調整がおこなえるとともに、虚像輝度低下を防止できる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、観察範囲が広く輝度の高い虚像の視認できる虚像表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施例１の虚像表示装置の概要を説明する図である。

【図2】発散素子３２の機能を説明する図である。

【図3】発散素子３３の機能を説明する図である。

【図4】発散素子３０を通過した後の光ビームの指向性を示す図である。

【図5】ｙ軸に対して平行な方向の観察範囲のサイズと発散角度の関係を説明する図である。

【図6】ｘ軸に対して平行な方向の観察範囲のサイズと発散角度の関係を説明する図である。

【図7】光軸変換素子２１の構成図である。

【図8】光軸変換素子２２の構成図である。

【図9】光軸変換素子２３の構成図である。

【図10】光軸変換素子２４の構成図である。

【図11】光軸変換素子２０の駆動と光軸の変化の関係を説明する図である。

【図12】光軸回転素子２０と角度θｐおよび観察範囲Ｄｖの位置の関係を説明する図である。

【図13】実施例２の虚像表示装置の構成図である。

【図14】実施例３の虚像表示装置の構成図である。

【図15】実施例４の虚像表示装置の構成図である。

【図16】実施例５の虚像表示装置の構成図である。

【図17】実施例６の虚像表示装置の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

【実施例1】

【0016】

図１は、実施例の虚像表示装置の概要を説明する図である。図は、地面に鉛直な断面構成を示す図であり、図のY軸方向が地面に鉛直な方向、図のX軸とZ軸から成る面が地面に平行な面を成す。実施例の虚像表示装置を車載HUDに適用した場合には、観察範囲の上下方向がY軸方向に、左右方向がX軸方向に対応する。

【0017】

虚像表示装置の本体１００は、画像投写装置１０、光軸変換素子２０、発散素子３０で構成される。ここで、画像投写装置１０から出射された映像光は、光軸変換素子２０を透過して、発散素子３０に画像を所定の大きさに結像する。このときの発散素子３０上に投写された画像の側面のサイズをＳｖ、画像の中心位置を点３０ｏとする。そして、画像投写装置１０は、図のように、本体１０の底面と平行に設置されており、図中ｚ方向に向かって画像を投写する。

【0018】

画像投写装置１０には、例えば、レーザ光をMEMS等の微小ミラーで発散素子３０上に２次元走査するものや、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源をもち、いわゆるＤＭＤ（Digital Micromirror Device）と呼ばれる微小ミラーで光強度を変調し、投写レンズで発散素子に結像する小型プロジェクタ装置を適用する。

【0019】

光軸変換素子２０は、画像投写装置１０からｚ方向に出射した光を、図中θｐ方向に折り曲げる機能をもつ。さらに、詳細を後述するが、光軸変換素子２０は、図中ｘ軸を回転軸として回転できるようにして、虚像の位置調整をおこなうようにしている。

【0020】

発散素子３０は、紙面に平行な方向と垂直な方向で、異なる角度に光を発散し、発散素子３０で発散された光は、本体１０の外に設置されている光分岐素子５０に到達する。

【0021】

光分岐素子５０は、所定のパワーを反射し、それ以外のパワーを透過する半透過ミラーとなっている。例えばその材料はガラスやプラスチックで構成され、車両のウィンドシールドであってもよい。また、光分岐素子５０は、光を使用者側に反射するよう設置されている。

【0022】

図１に示すように、発散素子３０上の点３０ｏを出射した光は、光分岐素子５０上の点５０ｏを反射して観察点６０に到達する。観察点６０から見ると、点３０ｏは、観察点６０と点５０ｏを結んだ直線上の点７０ｏと同一に観察される。発散素子３０に投写された他の光も同様の光路を通って観察点６０に到達する。その結果、観察点６０からは、発散素子３０上の点３０ｏを中心とした実像が、７０ｏを中心に画像サイズＳｖと同じサイズＩｖの虚像７０として観察される。

【0023】

このときの光線の角度関係をつぎに述べる。光分岐素子５０のｘ軸を中心とし、ｚ軸からｙ方向に回転する角度を角度θｗとする。同様に観察点６０と虚像７０の中心の点７０ｏを結ぶ光線の角度をθｅとする。例えば、車両に搭載する場合を想定すると、角度θｗはウィンドシールドの角度、角度θｅは虚像の所定位置に対応する。

【0024】

ここで、虚像の所定位置とは、使用者が運転中にわずらわしさを感じない位置であり、例えば目線を少し下に下げて認知できる位置などである。このように、実施例の虚像表示装置を搭載する装置により、角度θｗと角度θｅはほとんど決定される。

【0025】

角度θｐは、光分岐素子５０に対する光の反射の関係より、θｐ＝２×θｗ−θｅとなる必要がある。本実施例の光軸変換素子２０は、所定の角度θｗ、θｅに合わせて、画像投写装置１０からｚ軸方向に出射した光を、θｐ＝２×θｗ−θｅの角度に光軸を折り曲げるようになっている。

【0026】

続いて、図２および図３を用いて、発散素子３０の機能を説明する。
上記のように、発散素子３０は、入光した光を紙面に平行な方向と垂直な方向に異なる所定の角度で発散させる機能を持つ特徴がある。これにより、観察者が視認する観察範囲の大きさや形状を調整する。

【0027】

発散素子３０は、例えば、図２に示すように、発散光を矩形形状の方向に出射して発散させる素子や、図３に示すように、発散光を楕円形状の方向に出射して発散させる素子である。発散素子３２および発散素子３３は、例えば、図中ｘ方向とｙ方向が異なる焦点距離を持つマイクロレンズアレイ、フレネル素子、ホログラフィック素子、ｘ方向とｙ方向の粒子の密度が異なるビーズ拡散板などで実現できる。

【0028】

図４は、図１の発散素子３０から出射される光ビームの指向性を示す図である。横軸には光の発散角度、縦軸には０度で通過する光の強度で正規化した光の強度を示す。図４は、例えば、発散素子３０がマイクロレンズアレイなどで構成される場合にも対応する。発散素子を出射した光の強度は、図のように、発散角度が０度のときに最大となり、発散角度が大きくなると小さくなる特性がある。本実施例では、発散角度ωは、強度が発散角度０度の中心強度に対し、強度が略半分となる角度と定義している。

【0029】

続いて、図５および図６を用いて、観察範囲Ｄと発散素子３０の発散角度ωの関係を説明する。図では、観察範囲Ｄおよび発散角度ωの添え字を、使用者の右目と左目に相当する２個の観察点を結ぶ直線に対して水平な方向についてはｈ、垂直な方向についてはｖとしている。

【0030】

図５は、実施例１の虚像表示装置において、ｙ軸に対して平行な方向の観察範囲のサイズと発散角度の関係を説明する図である。

【0031】

図に示すように、観察点６０を中心とした所定範囲を観察範囲Ｄｖ、観察点６０と虚像７０との距離を距離Ｌ、虚像の中心の点７０ｏから観察範囲Ｄｖの範囲に広がる発散角度をωｖ’、発散素子３０の点３０ｏを通過する光の発散角度をωｖとする。ここでも、発散角度ωｖ’およびωｖは、最大強度から略半分となる強度とする。図は、拡散範囲を示しており、その大きさは２ωｖ’、２ωｖとなる。

【0032】

観察範囲Ｄｖ全域で虚像７０の中心である点７０ｏを観察するには、虚像の点７０ｏと観察範囲Ｄｖとはつぎの関係を満たすこと必要である。
図より、発散角度ωｖ’と観察範囲Ｄｖおよび距離Ｌの関係は、（１）式のように表すことができる。詳しくは、距離Ｌは、観察点から虚像までの光路長とみなせる。
ωｖ’＝ｔａｎ^−１（Ｄｖ／２／Ｌ） （１）
発散角度ωｖ’＝ｔａｎ^−１（Ｄｖ／２／Ｌ）であれば、観察範囲Ｄｖ全域で虚像７０の点７０ｏを観察することが可能になる。

【0033】

さて、発散角度ωｖ’は、強度が略半分となる角度としているため、観察範囲Ｄｖの両端に入射する光強度も略半分となる。従って、観察範囲Ｄｖの両端から観察される虚像７０の輝度も、最大に比べて略半分となる。しかしながら、観察範囲Ｄｖの両端で観察される輝度は、最大に比べて略半分以上あればよく、観察範囲Ｄｖを拡散角度ωｖよりも小さい範囲としてもよい。すなわち、ωｖ’＜＝ｔａｎ^−１（Ｄｖ／２／Ｌ）としてもよい。

【0034】

点７０ｏの発散角ωｈ’を所定の角度とするには、点７０ｏの共役である点３０ｏの発散角度を調整すればよい。従って、本実施例の発散素子３０は、発散角度ωｖが、ωｖ＜＝ｔａｎ^−１（Ｄｈ／２／Ｌ）となっている。

【0035】

同様に、図６を用いて、観察範囲６０の横方向についても説明する。
図６は、実施例１の表示装置の平面図を示し、ｘ軸に対して平行な方向の観察範囲のサイズと発散角度の関係を説明する図である。なお、ｘ軸は使用者の２個の観察点に対して水平な方向を想定している。

【0036】

観察範囲Ｄｈの中には、図に示すように、右目と左目に相当する２個の観察点６０ｒ、６０ｌがある。

【0037】

虚像の中心である点７０ｏから図中ｘ−ｚ平面の方向への発散角度をωｈ’、発散素子３０の点３０ｏの発散角度をωｈとする。ここでも、発散角度ωｈ’、ωｈは、強度が略半分となる角度とする。図を簡易にするため、虚像７０および発散角度ωｈ’は省略している。

【0038】

観察範囲Ｄｈ全域で虚像の中心である点７０ｏ（図示せず）を観察するには、虚像の点７０ｏから発散された光が観察範囲Ｄｈ全域を通過する必要がある。発散角度ωｈ’は、観察範囲Ｄｈと距離Ｌを用いて、ωｈ’＝ｔａｎ^−１（Ｄｈ／２／Ｌ）の関係がられる。角度ωｖ’と同様に、虚像範囲Ｄｈの両端の輝度が略半分以上を確保しながら虚像７０を観察するには、ωｈ’＜＝ｔａｎ^−１（Ｄｈ／２／Ｌ）となればよい。

【0039】

点７０ｏの発散角ωｈ’を所定の角度とするには、点７０ｏの共役である点３０ｏの発散角度を調整すればよい。すなわち、本実施例の発散素子３０は、図中ｘ−ｚ平面の方向の発散角度ωｈが、ωｈ＜＝ｔａｎ^−１（Ｄｈ／２／Ｌ）となっている特徴がある。

【0040】

さて、発散素子３０は、上記で説明したように、図中ｘ方向がｙ方向よりも大きく光を広げる特徴をもっている。発散角度ωｈがｘ方向の所定発散角、発散角度ωｖがｙ方向の発散角度に相当しており、それぞれωｈ＜＝ｔａｎ^−１（Ｄｈ／２／Ｌ）、ωｖ＜＝ｔａｎ^−１（Ｄｖ／２／Ｌ）となっている。

【0041】

ここで、観察範囲ＤｖおよびＤｈの大きさと、観察点６０から観察した虚像７０の輝度について説明する。

【0042】

一般的に、使用者の頭の動作範囲は、地面に平行な方向よりも垂直な方向が小さい。さらに、地面に水平な方向は観察点が２個あるが、垂直な方向は観察点が１個である。観察範囲Ｄｖは、観察範囲Ｄｈより小さい範囲でも、使用者の動作範囲をカバーできる。

【0043】

さて、虚像の輝度は、発散角度に反比例することがよく知られている。

【0044】

観察範囲全域で虚像を観察するには、観察範囲の範囲以上に光を発散させればよい。しかし、必要範囲上に光を発散させると、観察範囲内の光密度が低下し、虚像の輝度が低下する。

【0045】

虚像の発散角度を観察範囲に合わせて最適化すると、観察範囲内に効率よく光を取り込むことができる。上記のように、虚像の発散角度ωｖ’、ωｈ’と観察範囲Ｄｖ、Ｄｈは、ほぼ比例関係にある。本発明は、虚像表示装置の設置状態に合わせて、発散素子３０の発散角度ωｖ、ωｈを観察範囲Ｄｖ、Ｄｈおよび虚像７０と観察点６０間の距離Ｌで決定することで、発散角度ωｖ’、ωｈ’を最適化し、光の効率を高めている。その結果、高い輝度の虚像が表示できる特徴がある。

【0046】

続いて、光軸変換素子２０について詳細に説明する。
光軸変換素子２０は、光軸を所定の方向に折り曲げる機能を持ち、例えば、図７に示す１個のプリズム２１、図８に示すプリズム板２２、図９に示すレンズ２３、図１０に示すミラー２４などで構成する。

【0047】

本実施例の虚像表示装置を車両などに搭載する場合、使用者の体格によって、虚像７０が観察できる適切な観察範囲Ｄｖの位置、角度θｅはそれぞれ異なる。従って、観察範囲Ｄｖの位置、角度θｅは調整できることが望ましく、つぎに詳細に述べる光軸変換素子２０の調整によりおこなう。

【0048】

図１１、図１２を用いて、前述の観察範囲Ｄｖおよび角度θｅの調整について説明する。図１１は、光軸変換素子２０の駆動と光軸の変化の関係を説明する図である。図１１は、図１の表示装置の光軸変換素子２０、発散素子３０のみを抽出しており、その他の部品は省略している。また、図１２は、光軸回転素子２０と角度θｐおよび観察範囲Ｄｖの位置の関係を説明する図である。

【0049】

図１１にしめすように、光軸変換素子２０が光軸変換素子２０ａから２０ｂに回転することで、発散素子３０に入射する光軸が角度θｐａから角度θｐｂに回転する。発散素子３０を通過した光は、角度θｐｂの方向へ発散角ωｖにて進行する。

【0050】

上記したように、観察点から虚像の中心を観察できる角度θｅと、本体から光が出射する角度θｐは、光分岐素子５０の角度θｗを用いて、θｐ＝２×θｅ−θｗの関係がある。角度θｗが固定であることを想定すると、角度θｅｂに調整するための角度θｐｂが式より求まる。角度θｅａを角度θｅｂに調整するには、角度θｐａから角度θｐｂにすればよい。

【0051】

さらに、角度θｐａを角度θｐｂに変化すると、図のように、光分岐素子５０の入射位置も５０ｏａから５０ｏｂに変化する。そのため、観察点も観察点６０ａから観察点６０ｂに変化する。発散素子３０の発散角度ωｖは一定であることを想定すると、観察範囲Ｄｖは、観察点の変化に伴って位置が移動する。

【0052】

このように、光軸回転素子２０を回転すると、観察範囲Ｄｖおよび虚像が観察できる角度θｅを変化させることができる。本実施例によれば、光軸回転素子２０の回転により、観察範囲Ｄｖと角度θｅを使用者に合わせて調整できる。

【0053】

ここで、光軸変換素子２０は、本体１００を小型にする効果もある。以下にその内容を説明する。
光軸変換素子２０の代わりに、画像投写装置１０の角度を可変しても、角度θｐを変化させることができる。

【0054】

画像投写装置１０は、所定の画角で画像を投写している。発散素子３０で所定の大きさの画像を得るには、画像投写装置１０と発散素子３０との間に所定の光路長が必要になる。画像投写装置１０の角度を変化すると、発散素子３０上の画像の位置の変化が大きくなり、発散素子３０の大型化が必須となる。発散素子３０の大型化に伴い、本体１００も大きくなる。

【0055】

一方、本実施例は光軸変換素子２０の回転で角度θｐを調整しているため、発散素子３０上の画像の位置の変化は小さい。それゆえ、発散素子３０は小型になり、本体１００を小型にする効果が得られる。

【0056】

また、画像投写装置１０の実像を形成する際の映像光の入射角が光分岐素子５０の方向となるように、光軸変換素子２０の光軸の折り曲げ方向で調整するようにしてもよい。特に、画像投写装置１０にビーム走査型の投写装置を適用した場合、結像面の面方向でビームの入射角が異なるため、輝度分布が生じてしまう。光軸変換素子２０の光軸の折り曲げ方向を面内で入射角の変化を補償するように設定することで、結像面での輝度分布を無くし、照明効率を向上することができる。

【実施例2】

【0057】

つぎに、実施例１の発散素子３０の代わりに反射型発散素子３３を用いた構成の例について説明する。実施例１と同じ構成部品については同じ番号を付与し、詳細な説明は省略する。

【0058】

図１３は、実施例２の虚像表示装置の構成図である。実施例２の虚像表示装置では、画像投写装置１０からの投写光は、光軸変化素子２０に照射されて光軸の向きが変換され、反射型発散素子３３により光分岐素子５０の方向に反射する構成となっている。

【0059】

実施例２の構成も、光軸変化素子２０をｘ軸周りに回転すると、虚像７０を観察できる角度θｅと観察範囲Ｄｖの位置を変化することができるので、観察範囲を調整できる。このとき、実施例１と同様に、光軸変化素子２０を単独で回転調整するようにしてもよいし、光軸変化素子２０と反射型発散素子３３を一緒に回転調整するようにしてもよい。

【実施例3】

【0060】

つぎに、画像投写装置１０と光軸変換素子２０との間に折り返しミラー４０を挿入して構成した虚像表示装置の例を図１４に示す。施例１と同じ構成部品については同じ番号を付与し、詳細な説明は省略する。

【0061】

この例では、前述の光軸変換素子２０の回転で角度θｐを調節できるのはもちろん、折り返しミラー４０の回転で角度θｐを調整することもできる。

【0062】

さらに、折り返しミラー４０は、形状が凹面または自由曲面であり、画像投写装置１０から出射する光の画角を大きくなるよう補正する機能をもってもよい。

【実施例4】

【0063】

つぎに、画像投写装置１０と光軸変換素子２０との間にレンズ８０を挿入して構成した虚像表示装置の例を図１５に示す。施例１と同じ構成部品については同じ番号を付与し、詳細な説明は省略する。

【0064】

詳しくは、図１５で、点３０ｏと点５０ｏ間の距離をＬ１、点５０ｏと点７０ｏ間の距離をＬ２、レンズの焦点距離をｆとすると、距離Ｌ２は、距離Ｌ１と焦点距離ｆを用いて、１／Ｌ２＝１／Ｌ１＋１／ｆとなっている。発散素子３０上の画像サイズＳｖと虚像７０のサイズＩｖは、距離Ｌ１と距離Ｌ２の比で求まる横倍率Ｍを用いて、Ｉｖ＝Ｓｖ×Ｍとなる。したがって、レンズ８０の焦点距離ｆを調整することで、虚像７０の距離Ｌ２とサイズＳｖを調節することができる。

【0065】

発散素子３０の発散角ωｖと虚像７０の発散角ωｖ’は、横倍率Ｍを用いてωｖ＝ωｖ’×Ｍと表される。図より、発散角ωｖ’は、観察範囲Ｄｖと観察点６０と虚像７０との距離Ｌを用いてωｖ’＝ｔａｎ−１（Ｄｖ／２／Ｌ）であることが分かる。それゆえ、所定の観察範囲Ｄｖを得るためには、発散素子３０の発散角を少なくともωｖ＜＝Ｍ×ｔａｎ−１（Ｄｖ／２／Ｌ）とすればよい。

【0066】

図示していないが、ｘ方向に対しての発散角ωｈも同様に、所定の観察範囲Ｄｈ、距離Ｌ、横倍率Ｍを用いて、ωｈ＜＝Ｍ×ｔａｎ−１（Ｄｈ／２／Ｌ）となっている。

【0067】

なお、実施例３の表示素子はレンズ８０がないため、実施例４の横倍率Ｍ＝１の形態と考えてもよい。

【実施例5】

【0068】

本発明の実施例５について説明する。図１６は、実施例５の表示装置の構成図である。実施例５は、実施例１の表示装置にて、光分岐素子５０と発散素子３０との間に凹面ミラー８１を設置したものである。その他の部品は実施例１と同じであり、同じ番号を付与し、詳細な説明は省略する。

【0069】

凹面ミラー８１を搭載した場合においても、実施例４のレンズ８０と同じように、凹面ミラー８１の焦点距離ｆの調整により、虚像７０のサイズおよび距離Ｌ２を調整することができる。さらに、発散素子３０の紙面に対して垂直な方向の発散角度ωｖは、観察範囲Ｄｖ、横倍率Ｍ、距離Ｌを用いてωｖ＝Ｍ×ｔａｎ−１（Ｄｖ／Ｌ）となっている。図にはないが、発散素子３０における紙面に対して平行な方向の発散角度ωｈも同様に、観察範囲Ｄｈ、横倍率Ｍ、距離Ｌを用いて、ωｈ＝Ｍ×ｔａｎ−１（Ｄｈ／Ｌ）となっている。

【0070】

本実施例の虚像表示装置を車載システムに適用した場合には、光分岐素子５０は車両のウィンドシールドに対応する。このとき、光分岐素子５０の角度θｗは、局所的に光の入射位置によってそれぞれ異なる場合がある。光分岐素子５０の局所的な場所による角度θｗからのずれを、角度Δθｗとする。凹面ミラー８１は、光分岐素子５０に局所的なずれ角度Δθｗがあっても、観察点６０から虚像７０が観察できる角度が所定の角度θｖとなるよう、自由曲面形状をしていてもよい。

【実施例6】

【0071】

本実施例は、図１７に示すように、実施例５の表示装置の光分岐素子５０と凹面ミラー８１の代わりに、両方の機能を併せ持つ半透過凹面ミラー５１を設置して光分岐素子とした場合の例である。本実施例６の構成を図１７に示す。

【0072】

以上説明したように、本発明の表示装置は、画面投写装置１０、光軸変換素子２０、発散素子３０、光分岐素子５０で構成されていればよく、光路の途中にミラーや回折格子などで光路を分岐してもなんら問題ない。

【0073】

また、光分岐素子５０に入射する光の角度が角度θｐになっていればよく、発散素子３０の前後に２個以上の角度変換素子を挿入してもなんら問題ない。

【符号の説明】

【0074】

１０…画像投写装置、２０…光軸変換素子、３０…発散素子、５０…光分岐素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】