特開 2024-178014 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】P2024178014

(43)【公開日】2024-12-24

(54)【発明の名称】画像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20241217BHJP

   G02B 27/01 20060101ALI20241217BHJP

   G09F 9/00 20060101ALI20241217BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B27/01

G09F9/00 336E

G09F9/00 313

G09F9/00 336B

G09F9/00 324

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023096488

(22)【出願日】2023-06-12

(71)【出願人】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110412

【弁理士】

【氏名又は名称】藤元 亮輔

(74)【代理人】

【識別番号】100104628

【弁理士】

【氏名又は名称】水本 敦也

(74)【代理人】

【識別番号】100121614

【弁理士】

【氏名又は名称】平山 倫也

(72)【発明者】

【氏名】相田 智久

【テーマコード（参考）】

2H199

5G435

【Ｆターム（参考）】

2H199CA23

2H199CA27

2H199CA29

2H199CA42

2H199CA43

2H199CA47

2H199CA49

2H199CA54

2H199CA62

2H199CA64

2H199CA68

2H199CA69

2H199CA75

2H199CA82

2H199CA92

2H199CA96

2H199DA03

2H199DA12

2H199DA15

2H199DA34

5G435BB15

5G435BB16

5G435BB19

5G435DD11

5G435DD13

5G435EE22

5G435EE27

5G435FF06

5G435FF08

5G435GG01

5G435LL17

(57)【要約】

【課題】簡易な構成で良好な解像度を有する画像を表示可能な画像表示装置を提供する。
【解決手段】画像表示装置は、光源部１０と、画像光束を生成する画像生成素子３０と、光源部からの光束を内部を伝搬させながら照明光束として画像生成素子に向けて出射する導光部材２０と、画像生成素子からの画像光束を観察側または投射側に導く光学系５０と、導光部材と光学系との間に配置され、画像光束の配光角を制御する配光角制御素子４０とを有する。光源部から出射する光束の発散角をθ１、導光部材から画像生成素子に向かって出射する光束の発散角をθ２、配光角制御素子から出射する画像光束の発散角をθ３、光学系の取り込み角としての２ＮＡをθ４とする。０．９≦θ２／θ１≦１．１、θ２＜θ３、０．２≦θ３／θ４≦１．５なる条件を満足する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源部と、
入射した光束を変調して画像光束を生成する画像生成素子と、
前記光源部からの光束を内部を伝搬させながら該光束の一部ずつを複数の領域から照明光束として前記画像生成素子に向けて出射する導光部材と、
前記画像生成素子からの画像光束を観察側または投射側に導く光学系と、
前記導光部材と前記光学系との間に配置され、前記画像光束の配光角を制御する配光角制御素子とを有し、
前記光源部から出射する光束の発散角をθ１、前記導光部材から前記画像生成素子に向かって出射する光束の発散角をθ２、前記配光角制御素子から出射する前記画像光束の発散角をθ３、前記光学系の取り込み角としての２ＮＡをθ４とするとき、
０．９≦θ２／θ１≦１．１
θ２＜θ３
０．２≦θ３／θ４≦１．５
なる条件を満足することを特徴とする画像表示装置。

【請求項2】

前記光学系のバックフォーカスをＢＦ、前記光学系のうち最も前記画像生成素子に近い光学面の頂点と前記配光角制御素子の出射面との間隔をＢＬとするとき、
０．９≦ＢＬ／ＢＦ≦１．１
なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。

【請求項3】

前記画像生成素子は透過型の画像生成素子であり、
前記配光角制御素子が、前記画像生成素子と前記光学系との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。

【請求項4】

前記画像生成素子は反射型の画像生成素子であり、
前記画像生成素子からの前記画像光束が前記導光部材を透過して前記光学系に入射することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。

【請求項5】

前記画像生成素子の出射面と前記導光部材の出射面との間隔をＬ１、前記画像生成素子の前記出射面と前記配光角制御素子の入射面との間隔をＬ２とするとき、
Ｌ１／Ｌ２＜１
なる条件を満足することを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。

【請求項6】

前記導光部材の出射面の法線と前記導光部材から出射する前記照明光束の主光線とがなす角をω１、前記法線と前記画像生成素子から出射する前記画像光束の主光線とがなす角をω２とするとき、
２０°≦|ω１－ω２|≦４０°
なる条件を満足することを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。

【請求項7】

光源部と、
入射した光束を変調して画像光束を生成する画像生成素子と、
前記光源部からの光束を内部を伝搬させながら該光束の一部ずつを複数の領域から照明光束として前記画像生成素子に向けて出射する導光部材と、
前記画像生成素子からの画像光束を観察側または投射側に導く光学系と、
前記導光部材と前記画像生成素子との間に配置され、前記照明光束および前記画像光束のうち少なくとも一方の配光角を制御する配光角制御素子とを有し、
前記光源部から出射する光束の発散角をθ１、前記導光部材から前記画像生成素子に向かって出射する光束の発散角をθ２、前記照明光束および前記画像光束のうち前記配光角制御素子から前記光学系に向かって出射する光束の発散角をθ３、前記光学系の取り込み角としての２ＮＡをθ４とするとき、
０．９≦θ２／θ１≦１．１
θ２＜θ３
０．２≦θ３／θ４≦１．５
なる条件を満足することを特徴とする画像表示装置。

【請求項8】

前記画像生成素子の入射面と前記配光角制御素子の画像生成素子側の面との間隔をＬ１、前記画像生成素子の入射面と前記導光部材のうち前記照明光束が出射する出射面との間隔をＬ２とするとき、
０＜Ｌ１／Ｌ２＜１
なる条件を満足することを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。

【請求項9】

前記光学系のバックフォーカスをＢＦ、前記光学系のうち最も前記画像生成素子に近い光学面の頂点と前記配光角制御素子の出射面との間隔をＢＬとするとき、
０．９≦ＢＬ／ＢＦ≦１．１
なる条件を満足することを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。

【請求項10】

前記画像生成素子は透過型の画像生成素子であり、
前記配光角制御素子が、前記導光部材と前記光学系との間に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。

【請求項11】

前記画像生成素子は反射型の画像生成素子であり、
前記画像生成素子からの前記画像光束が、前記配光角制御素子を介して前記導光部材を透過して前記光学系に入射することを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。

【請求項12】

前記配光角制御素子において配光角制御機能を有する面が、前記画像生成素子に対向することを特徴とする請求項１１に記載の画像表示装置。

【請求項13】

前記導光部材の出射面の法線と前記導光部材から出射する照明光束の主光線とがなす角をω１、前記法線と前記画像生成素子から出射する画像光束の主光線とがなす角をω２とするとき、
２０°≦|ω１－ω２|≦４０°
なる条件を満足することを特徴とする請求項１１に記載の画像表示装置。

【請求項14】

請求項１から１３のいずれか一項に記載の画像表示装置と、
該画像表示装置からの前記画像光束を観察者の眼に導く接眼光学系または前記画像光束を投射面に投射する投射光学系とを有することを特徴とする画像表示システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヘッドマウントディスプレイやスマートグラス等の画像表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

光源からの光を導光部材を介して広い配光特性のバックライトとして画像生成素子に入射させ、画像生成素子からの出射光を光学系を介して観察者の瞳や投射面に導く画像表示装置が、特許文献１に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許公開２０２０／０３４１１９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の画像表示装置では、画像生成素子と光学系との間に配光角を制御する素子（拡散板）が配置される。この結果、光学系から出射する光により形成される像の解像度が低下する。また、導光部材内に配光角を制御する素子が設けられているため、構成が複雑になる。

【0005】

本発明は、簡易な構成でありながらも、良好な解像度を有する画像を表示可能な画像表示装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一側面としての画像表示装置は、光源部と、入射した光束を変調して画像光束を生成する画像生成素子と、光源部からの光束を内部を伝搬させながら該光束の一部ずつを複数の領域から照明光束として画像生成素子に向けて出射する導光部材と、画像生成素子からの画像光束を観察側または投射側に導く光学系と、導光部材と光学系との間に配置され、画像光束の配光角を制御する配光角制御素子とを有する。光源部から出射する光束の発散角をθ１、導光部材から画像生成素子に向かって出射する光束の発散角をθ２、配光角制御素子から出射する画像光束の発散角をθ３、光学系の取り込み角としての２ＮＡをθ４とするとき、
０．９≦θ２／θ１≦１．１
θ２＜θ３
０．２≦θ３／θ４≦１．５
なる条件を満足することを特徴とする。

【0007】

また本発明の他の一側面としての画像表示装置は、光源部と、入射した光束を変調して画像光束を生成する画像生成素子と、光源部からの光束を内部を伝搬させながら該光束の一部ずつを複数の領域から照明光束として画像生成素子に向けて出射する導光部材と、画像生成素子からの画像光束を観察側または投射側に導く光学系と、導光部材と画像生成素子との間に配置され、照明光束および画像光束のうち少なくとも一方の配光角を制御する配光角制御素子とを有する。光源部から出射する光束の発散角をθ１、導光部材から画像生成素子に向かって出射する光束の発散角をθ２、照明光束および画像光束のうち配光角制御素子から光学系に向かって出射する光束の発散角をθ３、光学系の取り込み角としての２ＮＡをθ４とするとき、
０．９≦θ２／θ１≦１．１
θ２＜θ３
０．２≦θ３／θ４≦１．５
なる条件を満足することを特徴とする。なお、上記画像表示装置と、該画像表示装置からの画像光束を観察者の眼に導く接眼光学系または画像光束を投射面に投射する投射光学系とを有する画像表示システムも、本発明の他の一側面を構成する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、簡易な構成でありながらも、良好な解像度を有する画像を表示することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例１の画像表示装置の構成を示す図。

【図2】実施例１における入射偏向素子の構成を示す図。

【図3】実施例１における別の入射偏向素子の構成を示す図。

【図4】実施例１におけるさらに別の入射偏向素子の構成を示す図。

【図5】実施例１における出射偏向素子の構成を示す図。

【図6】実施例１における誘電体多層膜の特性を示す図。

【図7】実施例１の画像表示装置の別の構成を示す図。

【図8】実施例１における光源部の構成を示す図。

【図9】実施例１における別の光源部の構成を示す図。

【図10】実施例１におけるさらに別の光源部の構成を示す図。

【図11】実施例１における配光角制御素子の特性を示す図。

【図12】実施例１における画像生成素子の周辺の構成を示す図。

【図13】実施例１における解像感を説明する図。

【図14】実施例１の画像表示装置における画像生成素子周辺の構成を示す図。

【図15】実施例１の画像表示装置の応用例を示す図。

【図16】実施例１の画像表示装置の他の応用例を示す図。

【図17】実施例１の画像表示装置のさらに他の応用例を示す図。

【図18】実施例２の画像生成装置の構成を示す図。

【図19】実施例２における画像生成素子の周辺の構成を示す図。

【図20】実施例３の画像生成装置の構成を示す図。

【図21】実施例３における画像生成素子の周辺の構成を示す図。

【図22】実施例４の画像生成装置の構成を示す図。

【図23】実施例４における配光角制御素子の構成を示す図。

【図24】実施例４における配光角制御素子の構成を示す別の図。

【図25】実施例５の画像生成装置の構成を示す図。

【図26】実施例５における画像生成素子の周辺の構成を示す図。

【図27】実施例５における画像生成素子の周辺の構成を示す別の図。

【図28】実施例６の画像生成装置の構成を示す図。

【図29】実施例６における画像生成素子の周辺の構成を示す図。

【図30】実施例６の画像生成素子周りの構成を示す図

【図31】実施例７の画像生成装置の構成を示す図。

【図32】実施例７における画像生成素子の周辺の構成を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

【実施例0011】

図１は、実施例１の画像表示装置の構成を示している。画像表示装置は、画像生成部１００と光学系５０とにより構成されており、画像生成部１００により生成された画像光束８０を光学系５０を介して観察側または投射側に導いて観察者に画像として視認させる。

【0012】

画像生成部１００において、光源部１０から出射した平行光束６０は、導光部材としての導光板２０の表面に設けられた入射偏向部２１によって偏向されて導光板２０内に入射する。導光板２０に入射した光束は、導光板２０内で内部反射（全反射）しながら伝搬し、伝搬しながら導光板２０の表面に設けられた出射偏向部２２により複数に分割かつ偏向されて一部ずつ照明光束７０として画像生成素子３０に導かれる。光変調素子としての画像生成素子３０は、導光板２０から入射した照明光束７０を、外部から入力された画像信号に応じて変調することで画像光束７０ａを生成する。

【0013】

図２（ａ）、（ｂ）は、入射偏向部２１の例を示している。入射偏向部２１ａ-i、２１ａ-iiはそれぞれ、光源部１０からの光束６０を屈折または反射して導光板２０内を伝搬するために必要な角度に偏向させるプリズム素子である。

【0014】

また図３（ａ）～（ｄ）は、入射偏向部２１の別の例を示している。入射偏向部２１ｂ-i、２１ｂ-ii、２１ｂ-iii、２１ｂ-ivはそれぞれ、光束６０の波長λ以下の細かいピッチＰの格子構造を有する回折光学素子であり、光源部１０からの光束６０を回折により偏向させて導光板２０内に導く。入射偏向部２１として回折光学素子を用いることで、物理的な凹凸を減らした薄型構成とすることができる。なお、波長以下のピッチの格子構造を有する回折光学素子は、偏光に対して光学的異方性を有する。本実施例において光源部１０から出射する光束６０はＳ偏光であり、入射偏向部２１ｂ-i～ivはＳ偏光を回折する特性を有する。このため、光源部１０からのＳ偏光の光束６０が回折されて導光板２０内に導かれる。なお、回折次数ごとの効率や回折角を制御するための格子構造の形状、高さおよび屈折率等の設定は、画像表示装置で求められる要求に応じて行えばよい。また、入射偏向部に、光束に対する偏向作用と偏光に対する異方性を有するホログラフィック素子を用いてもよい。

【0015】

図４（ａ）、（ｂ）は、導光板２０に入射偏向部を設けない例を示している。光源部１０からの光束６０を導光板２０の入射面にその法線に対して傾斜した方向から入射させることで、導光板２０の入射面の屈折作用により光束６０を導光板２０内に導くことができる。

【0016】

図１において導光板２０内を伝搬した光束６０は、出射偏向部２２において図中のｘ方向に複数に分割された照明光束７０として画像生成素子３０に向かって出射する。図５（ａ）～（ｃ）は、出射偏向部２２の構成を示している。被照射面となる画像生成素子３０上での明るさの均一性を向上させるために、出射偏向部２２は出射効率が互いに異なる複数（第１～第３）の領域（２２ａ-i、２ａ-ii、２２ａ-iii）、（２２ｂ-i、２２ｂ-ii、２２ｂ-iii）、（２２ｃ-i、２ｃ-ii、２２ｃ-iii）を有する。表１に示すように複数の領域のそれぞれの出射効率を適切に設定することで、出射偏向部２２からの出射光量を均一にすることができる。

【0017】

【表1】

【0018】

図５（ａ）に示す出射偏向部２２は、図３（ａ）～（ｄ）のいずれかの回折光学素子により構成され、出射効率と偏向作用が同一の素子で制御される。これにより、画像生成素子３０の入射面に対して照明光束７０を垂直またはほぼ垂直にかつ均一に入射させることができる。

【0019】

なお、回折光学素子は製造ばらつきが大きく、出射効率が所望の効率から乖離するおそれがある。このため、出射偏向部２２は成膜ばらつきが少ない誘電体多層膜により構成されることが望ましい。図６は一例として、図５（ｂ）に示す出射偏向部２２の領域２２ｂ－iiを構成する誘電体多層膜の特性を示している。領域２２ｂ－iiは、偏向作用を有さないので、そこから出射する照明光束７０は導光板２０の出射面の法線に対して傾斜した方向に進む。この場合、図７に示すように、出射偏向部２２から出射した照明光束７０が画像生成素子３０に垂直またはほぼ垂直に入射するように導光板２０を配置することが望ましい。

【0020】

図７に示す配置が困難である場合には、図５（ｃ）に示すように、出射偏向部２２と画像生成素子３０との間に、出射偏向部２２から斜めに出射した照明光束７０を画像生成素子３０に垂直またはほぼ垂直に向かわせる偏向素子２３を配置してもよい。偏向素子２３は、照明光束７０に対して屈折、反射および回折のうちいずれかの作用を有すればよい。

【0021】

図８（ａ）、（ｂ）は、光源部１０の構成を示している。光源部１０は、発光部１１、コリメータレンズ１２およびマスク１３を有する。図８（ｃ）は発光部１１から出射する光束１４の断面を示している。発光部１１は、半導体レーザ素子である。発光部１１からｚ方向に出射した直線偏光としての光束１４は、図８（ａ）、（ｂ）に示すようにｘ方向とｙ方向とで異なる配光角ｕ、ｖを有する。このため、図９にも示すように、ｘｙ面上での光束１４の断面（ＦＦＰ）は楕円形である。この楕円形の断面を有する光束１４をｘ方向とｙ方向とで同一の焦点距離を有する。コリメータレンズ１２により平行光束化する。

【0022】

なお、アナモフィックなコリメータレンズ系を用いて楕円形の断面を有する光束を整形してほぼ円形のコリメート光束を光源部１０から出射させることも可能である。

【0023】

また、コリメータレンズ１２の後に配置されたマスク１３は、光束１４の形状を整形する。マスク１３の開口形状は、前述したように領域分割された出射偏向部２２の各領域の形状と相似形状を有する。

【0024】

なお、図８（ａ）、（ｂ）および図９では、光源部１０が単一の発光部１１を有する場合について説明した。これに対して、カラー画像を表示するために、光源部１０を図１０（ａ）～（ｃ）に示すように少なくとも２つ（本実施例では３つ）の発光部１１ａ～１１ｃを有する構成としてもよい。そして、これら発光部１１ａ～１１ｃからの互いに異なる３つの波長の光を単一の導光板２０に入射させるようにしてもよい。

【0025】

図１０（ａ）、（ｂ）において、発光部１１ａは波長６２０～６５０ｎｍの範囲の赤色レーザ光を発する赤色半導体レーザ素子であり、発光部１１ｂは波長４４０～４７０ｎｍの範囲の青色レーザ光を発する青色半導体レーザ素子である。発光部１１ｃは、波長５２０～５５０ｎｍの範囲の緑色レーザ光を発する緑色半導体レーザ素子である。発光部１１ａ～１１ｃから出射した光束は、発光部ごとに設けられたコリメータレンズ１２ａ～１２ｃによって平行光束化された後に合成素子１５ａ～１５ｃによって合成され、白色光として光源部１０から出射する。合成素子１５ａ～１５ｃとしては、波長選択性ダイクロイックフィルタを用いることができるが、偏光選択性偏光ビームスプリッタを用いてもよい。また合成素子１５ａ～１５ｃとして板状の素子を示しているが、内部がガラスや樹脂で満たされたプリズム状の素子を用いてもよい。

【0026】

なお、画像表示装置の明るさを決定するのに重要な緑色レーザ光を発する緑色半導体レーザ素子は、損出を低減するために、緑色レーザ光が通過する光学素子数が少なく、かつ平行光束化後の光路が短いことが望ましいので、発光部１１ｃとして配置されている。

【0027】

また、赤色半導体レーザ素子は、温度による特性変化が大きいので、光源部１０内で排熱機構であるヒートシンク（図示せず）の体積を最も確保しやすい発光部１１ａとして配置されている。

【0028】

図１０（ｂ）に示す構成では、発光部１１ｃからの緑色レーザ光を合成素子１５ｄにて透過させて赤色および青色レーザ光と合成する。これにより発光部１１ｃと合成素子１５ｄとの配置誤差による効率低下を、図１０（ａ）の構成よりも低減させることができる。

【0029】

また図１０（ｃ）に示す構成のように、発光部１１ａ～１１ｃから発せられたレーザ光を光導波路１６を介して合成した後にレンズ１２ｄ、１２ｅから出射させるようにしてもよい。この場合、光導波路１６から出射した合成レーザ光は同軸の白色光になっているので、発光部ごとのコリメータレンズは不要となる。ただし、色ごとの収差を補正するために負のパワーのレンズ１２ｄと正のパワーのレンズ１２ｅを設けている。なお、光導波路１６の断面形状を上下左右の幅が等しい円形もしくは矩形とすることで、光導波路１６から出射する光束の断面（ＦＦＰ）を円形にすることもできる。

【0030】

また図１において、入射偏向部２１および出射偏向部２２のうち少なくとも一方に回折光学素子を用いる際には、それらに入射する光束の波長ごとに回折角度が異なるため、使用する発光部の波長に応じて導光板２０が複数必要となる。一方、入射偏向部２１および出射偏向部２２のうち少なくとも一方に誘電体多層膜を用いる場合は、複数の波長の光束を単一の導光板２０で伝搬することができる。これは、発光スペクトルが狭帯域である半導体レーザ素子を発光部として用いることで、波長ごとの特性を満足する誘電体多層膜を設けることが可能なためである。

【0031】

以上のように構成された画像生成部１００において、前述したように、光源部１０から出射する光束６０は、光源部１０内に配置されたコリメータレンズ系により平行光束化されている。光源部１０内の半導体レーザ素子は発光点が非常に小さく（例えば５０μｍ以下）かつ配光角が狭い（例えば半値全幅（ＦＷＨＭ）が２５ｄｅｇ．以下である）ので、コリメータレンズ系からは非常に平行度が高い光束が出射する。本実施例では、光束６０の配光特性をＦＷＨＭ±２ｄｅｇ．以内と想定している。なお、前述した出射偏向部２２の出射効率のばらつきを低減するためには、光束６０の配光特性をＦＷＨＭ±１ｄｅｇ．以内とすることが望ましい。さらに出射偏向部２２の前述した複数の領域のそれぞれに入射する光束の入射位置ばらつきを低減させるために、光束６０の配光特性をＦＷＨＭ±０．５ｄｅｇ．以内とすることが望ましい。

【0032】

導光板２０の入射面と出射面は高い平行度で配置されており、導光板２０内を光束６０はその角度が保存された状態で伝搬する。このため、導光板２０内を伝搬して出射偏向部２２から出射する照明光束７０の配光特性は、光源部１０から出射して導光板２０に入射する光束６０の配光特性と概ね等しい。すなわち光束６０の配光角としての発散角（ＦＷＨＭ）をθ１、照明光束７０の配光角としての発散角（ＦＷＨＭ）をθ２とする。このとき、θ１とθ２は、
０．９≦θ２／θ１≦１．１ （１）
なる条件を満足する。

【0033】

出射偏向部２２から出射する照明光束７０は、式（１）の配光特性を保った状態で画像生成素子３０に入射する。本実施例の画像生成素子３０は透過型液晶素子であり、外部から入力された画像信号に応じて液晶を駆動することにより、表面の入射面から入射した照明光束７０を画像信号に応じた画像光束７０ａに変換して裏面の出射面から出射させる。なお、画像生成素子３０の通過前後で光束の配光特性はほとんど変化しない。また、透過型液晶素子は入射角度特性を有するため、照明光束７０を透過型液晶素子の入射面に対して垂直（入射面の法線方向から）またはほぼ垂直に入射させることが望ましい。画像生成素子３０から出射する画像光束は光学系５０を介して画像表示装置から出射する。

【0034】

光学系５０の光線の取り込み角（２ＮＡ：ＮＡは開口数）は、画像表示装置で求められる要求に応じて異なる。但し、前述したように画像生成素子３０から出射する画像光束７０ａは式（１）式に示した配光特性を保持している。つまり、光学系５０で要求される光線の取り込み角（２ＮＡ）に合わせて画像光束７０ａの配光特性を設定する必要がある。このため、本実施例では、画像生成素子３０と光学系５０との間に配光角制御素子４０を配置している。

【0035】

画像生成素子３０から出射した画像光束７０ａは、配光角制御素子４０に入射し、画像光束７０ａとは異なる配光特性（配光角）の画像光束８０に変換されて光学系５０に入射する。導光板２０から出射する照明光束７０の発散角としてのＦＷＨＭをθ２、配光角制御素子４０から光学系５０に向かう画像光束８０の発散角としてのＦＷＨＭをθ３、光学系５０の取り込み角（２ＮＡ）をθ４とする。このとき、θ２～θ４は、
θ２＜θ３ （２）
０．２≦θ３／θ４≦１．５ （３）
なる条件を満足するよう設定される。式（３）の上限値が大きすぎると、光学系５０の取り込み効率の低下を招くので、式（３）の上限値を以下のように設定するとより好ましい。

【0036】

０．２≦θ３／θ４≦１．２ （３ａ）
また、式（３ａ）の下限値が小さすぎると、表示される画像の視認性の低下を招くので、式（３ａ）の下限値を以下のように設定するとさらに好ましい。

【0037】

０．５≦θ３／θ４≦１．２ （３ｂ）
以上の条件を満足することで、画像表示装置で求められる要求に合った画像光束８０を高い効率で生成することができる。

【0038】

配光角制御素子４０は、マイクロレンズアレイを有するレンズ拡散板であってもよいし、表面に様々なパターンが形成されたホログラフィック素子であってもよい。また、配光角制御素子４０は、光軸上（中心部）と光軸外（周辺部）で異なる特性を有していてもよい。図１１（ａ）は、中心部と周辺部で画像光束８０の発散角が異なる場合を示している。中心部から出射する画像光束８０の発散角８０ａをθ３α、周辺部から出射する画像光束８０の発散角８０ｂをθ３βとするとき、θ３αとθ３βは、
θ３α＞θ３β （４）
なる条件を満足する。これにより、周辺部での光量損失を減らすことができ、光量および周辺光量比をともに向上させることができる。

【0039】

また図１１（ｂ）は、配光角制御素子４０の中心部から出射する画像光束８０の主光線８０ｃと周辺部から出射する画像光束８０の主光線８０ｄとで角度が異なる、すなわち中心部の主光線８０ｃに対して周辺部の主光線８０ｄが傾斜している場合を示している。この図に示すように、配光角制御素子４０に周辺部の主光線８０ｄが収斂する（中心部の主光線８０ｃに近づく）配光角制御特性を与えることで、後段の光学系５０を小型化することができる。本実施例にいう主光線は、画像生成素子３０の各領域や配光角制御素子４０の各領域やから出射する画像光束の中心に位置する光線であり、また導光板２０の出射偏向部２２の各領域から出射する照明光束の中心に位置する光線である。

【0040】

次に図１２および図１３（ａ）、（ｂ）を用いて、表示画像の解像感について説明する。一般的には、画像を適切に表示するために、図１２に示すように光学系５０のバックフォーカスＢＦの位置と画像生成素子３０の出射面（画像表示面）とを一致させる。但し、光学系５０の光路内に配光角制御素子４０が配置されていると、図１３（ａ）に示す本来の画像（光学像）が図１３（ｂ）に示す解像感が低下した画像になる。本実施例では、前述したように、配光角制御素子４０に入射するまでの光束として平行度が高い光束が保証されている。この場合、画像生成素子３０上の光学像と配光角制御素子４０上での光学像はほぼ等しい。すなわち、配光角制御素子４０上での光学像を画像生成素子３０上の光学像の２次像とみなすことができる。このため、光学系５０のバックフォーカスＢＦの位置と配光角制御素子４０の位置とを概ね一致させることで、表示画像の解像感の低下を回避することができる。

【0041】

具体的には、図１２に示すように光学系５０のバックフォーカスをＢＦ、光学系５０のうち最も画像生成素子３０に近い光学面（レンズ面）の頂点と配光角制御素子４０の出射面との光軸上の間隔をＢＬとする。このとき、これらＢＦとＢＬを、
０．９≦ＢＬ／ＢＦ≦１．１ （５）
なる条件を満足するように設定する。

【0042】

図１４は、本実施例の画像表示装置を応用した画像表示システム３００の構成を示している。図１４の上側にはｘｚ断面を示し、下側にはｘｙ断面を示している。画像生成部１００から出射し、さらに光学系５０から出射した画像光束は、接眼導光板２００に設けられた入射偏向部２００ｉで偏向されて接眼光学系としての接眼導光板２００に入射し、接眼導光板２００内を全反射しながら分割偏向部２００ｅに入射する。分割偏向部２００ｅに入射した画像光束は、ｘ方向に複数に分割されながら偏向されて出射偏向部２００ｏに導かれる。

【0043】

出射偏向部２００ｏに入射した画像光束は、ｙ方向に複数に分割されながら偏向されて観察者の眼（瞳）ＳＰに向う。図１４では、入射偏向部２００ｉで画像光束が偏向される方向（ｘ方向）と分割偏向部２００ｅで画像光束が偏向される方向（ｙ方向）とが互いに直交するが、これらは直交しなくても接眼導光板２００に入射した画像光束を瞳ＳＰに向かわせるように出射させればよい。また、画像生成部１００から出射した画像光束を瞳ＳＰに導けばよいので、接眼導光板２００に代えて、ハーフミラーを使うバードバス光学系や、偏光反射レンズまたはフレネルレンズ等を使う屈折光学系を用いてもよい。

【0044】

図１５は、図１４の画像表示システムを用いたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）やスマートグラスを示している。フレーム４００は、観察者１０００の両眼前にて接眼導光板２００を保持するとともに、これら接眼導光板２００のそれぞれに対応する画像表示装置を保持している。各画像表示装置の画像生成部１００から出射した画像光束は、接眼導光板２００を介して観察者１０００の眼に導かれる。これにより、観察者１０００は、表示画像１１００を視認することができる。左右の眼に対して互いに視差を有する表示画像を提示することで、観察者に立体画像を視認させることもできる。またフレーム４００には、画像生成部１００内の画像生成素子の駆動や光源部１０の光量等を制御する制御ユニット４３０が接続されている。制御ユニット４３０は、図に示すようにフレーム４００外に配置されて画像生成部１００と有線または無線にて通信可能に接続されてもよいし、フレーム４００内に配置されてもよい。

【0045】

さらにフレーム４００には、観察者１０００の瞳の位置や動き（視点または視線）を示す瞳情報を取得するカメラを含む第１情報取得ユニット４１０が取り付けられている。制御ユニット４３０は、瞳情報に基づいて表示画像１１００の位置（画像生成素子上における画像の生成位置）を補正する。またフレーム４００には、外界（周辺）情報を取得するカメラを含む第２情報取得ユニット４２０も取り付けられている。制御ユニット４３０は、外界情報から得られる外界の明るさに応じて表示画像１１００の輝度を調整する。

【0046】

図１６は、本実施例の画像表示装置を応用した車載画像表示システムとしてのヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）４５０を示している。ＨＵＤ４５０は、画像生成部１００ａ、投射光学系５０ａ、第１情報取得ユニット４２０ａ、第２情報取得ユニット４１０ａおよび制御ユニット４３０ａを有する。ＨＵＤ４５０は、移動装置としての自動車５００に搭載され、自動車５００の使用者（運転者や搭乗者）を支援するための画像（虚像）１１００ａを投射光学系５０ａを介して投射面としてのフロントガラスに投射表示する。なお、移動装置としては、自動車以外に、鉄道、船舶および航空機等でもよい。

【0047】

第１情報取得ユニット４２０ａは、使用者の瞳ＳＰの位置や動き（視点または視線）を示す瞳情報を取得するカメラを含む。制御ユニット４３０ａは、瞳情報に基づいて表示画像１１００ａの位置（画像生成素子上における画像の生成位置）を補正する。第２情報取得ユニット４１０ａには、外界（周辺）情報を取得するカメラを含む。制御ユニット４３０ａは、外界情報から得られる外界の明るさに応じて表示画像１１００ａの輝度を調整したり、外界情報から得られる外界画像に表示画像１１００ａを重畳表示したりする。第２情報取得ユニット４１０ａは、前方の外界情報だけでなく、後方や側方等の外界情報を取得してもよい。また制御ユニット４３０ａは、外界情報から得られる障害物（物体）に対する自動車５００の衝突可能性を判定し、衝突可能性がある場合に警告を発生したり自動車５００の駆動部（エンジンやモータ等）、ブレーキおよび操舵のいずれかを制御したりする。警告方法には、警告音の発生、カーナビゲーションシステムの表示画面への警告情報の表示およびシートベルトやステアリングへの振動の発生等がある。

【0048】

図１７は、本実施例の画像表示装置を応用した画像表示システムとしての実像投射システム（プロジェクタ）の構成を示している。画像生成部１００ｂから出射した画像光束は、投射光学系５０ｂを介してスクリーン等の被投射面１１００ｂに投射される。被投射面１１００ｂは、平面でもよいし、曲面であってもよい。制御ユニット４３０ｂは、外部から入力された画像信号に応じて画像生成素子を駆動したり、光源部１０の光量を調整したり、投射光学系５０ａのズームやフォーカスを調整したりする。

【0049】

なお、図１４～図１７に示す画像表示システムにおいて、本実施例の画像生成部１００に代えて後述する他の実施例の画像生成部を用いてもよい。

【実施例0050】

図１８は、実施例２の画像表示装置の構成を示している。画像表示装置は、画像生成部１１０と光学系５０とを有する。本実施例の画像生成部１１０は、画像生成素子３１が反射型液晶素子である点が実施例１と異なり、他の実施例１と同じ構成要素には実施例１と同符号を付して説明に代える。

【0051】

導光板２０に設けられた出射偏向部２２ｃから出射した照明光束７１は、画像生成素子３１に入射して画像光束７１ａに変換されるとともに反射されて、出射偏向部２２ｃに向かって出射する。なお、画像生成素子３１に対する入出射前後で光束の配光特性は変化しない。また、反射型液晶素子も透過型液晶素子と同様に入射角度特性を有するため、画像生成素子３１の入射面の法線に対して垂直またはほぼ垂直に照明光束７１を入射させることが望ましい。

【0052】

画像生成素子３１から出射した画像光束７１ａは、出射偏向部２２ｃおよび導光板２０を通過して配光角制御素子４０に入射する。本実施例の出射偏向部２２ｃは、入射する光の波長より細かい格子構造からなる回折光学素子であり、偏光に対する光学的異方性を有する。具体的には、出射偏向部２２ｃは、Ｓ偏光を回折させ、Ｐ偏光を透過させる特性を有する。このため、光源部１０から出射したＳ偏光としての光束６０は、入射偏向部２１で偏向され、導光板２０を伝搬して出射偏向部２２ｃで回折されて照明光束７１として画像生成素子３１に入射する。照明光束７１は、画像生成素子３１において画像光束７１ａに変調されるとともに反射される。この際、画像光束７１ａは、液晶によって位相が変調されてＰ偏光として出射する。

【0053】

Ｐ偏光としての画像光束７１ａは、出射偏向部２２ｃで回折されずにこれを透過し、さらに導光板２０を透過して配光角制御素子４０に入射する。配光角制御素子４０は、入射した画像光束７１ａを光学系５０で要求される光線の取り込み角（２ＮＡ）に合わせて拡散する。

【0054】

また、光束を高効率で出射偏向部２２ｃを透過させるために、出射偏向部２２ｃに高い偏光純度の光束を入射させる必要がある。このため、配光角制御素子４０は出射偏向部２２ｃを通過した画像光束７１ａが入射するように配置される。図１９に示すように、導光板２０における照明光束７１の出射面（出射偏向部２２ｃ）と画像生成素子３１の入出射面との光軸上の間隔をＬ１、画像生成素子３１の入出射面と配光角制御素子４０の入射面との光軸上の間隔をＬ２とする。このとき、Ｌ１とＬ２は、
Ｌ１／Ｌ２＜１ （６）
なる条件を満足する。