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技術 画像表示装置

出願人 株式会社JVCケンウッド
発明者 網干和敬
出願日 2016年10月3日 (4年1ヶ月経過) 出願番号 2016-195702
公開日 2017年1月26日 (3年9ヶ月経過) 公開番号 2017-021376
状態 特許登録済
技術分野 その他の光学系・装置、色の干渉・色の制御 電気信号の光信号への変換 計器板 車両外部の荷台、物品保持装置
主要キーワード 拡散角α 最大反射強度 拡散角度θ 反射角α サイズアップ 反射指向性 半値角度 拡散角θ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年1月26日)のものです。
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図面 (15)

課題

装置のサイズアップを抑制しつつ視野範囲や明るさを向上させる画像表示技術を提供する。

解決手段

画像表示素子240は、画像信号をもとに画像を表示する。投射部300は、画像表示素子240が表示する画像の画像表示光を投射する。中間像スクリーン360は、投射部300が投射した画像表示光に基づく実像結像する。投射部300は、投射部300の瞳位置と、画像表示光を中間像スクリーン360に結像させる第2投射レンズ群242bとの間に、画像表示光の光路を分離する光分離部95を備える。

概要

背景

様々な種類が存在する画像表示装置の中で、いわゆるヘッドアップディスプレイと呼ばれる装置が、近年注目を集めている。このヘッドアップディスプレイには、風景などの実像と、速度表示画像などの入力された画像データに係る虚像とを、併せて観察者に認識させるために、コンバイナと呼ばれる光学素子を備えるものがある。このコンバイナは、外部から入る光を透過すると共に、ヘッドアップディスプレイが備える光学ユニットから投射された画像表示光などに係る画像を反射することで、コンバイナの観察者に対して、外部の風景に重畳して、各種情報を示す画像を表示することができる。このような画像表示装置は、例えばテーマパーク等の娯楽施設で用いられたり、自動車航空機操縦者に操作に関する情報を提示するために用いられたりする。

概要

装置のサイズアップを抑制しつつ視野範囲や明るさを向上させる画像表示技術を提供する。画像表示素子240は、画像信号をもとに画像を表示する。投射部300は、画像表示素子240が表示する画像の画像表示光を投射する。中間像スクリーン360は、投射部300が投射した画像表示光に基づく実像が結像する。投射部300は、投射部300の瞳位置と、画像表示光を中間像スクリーン360に結像させる第2投射レンズ群242bとの間に、画像表示光の光路を分離する光分離部95を備える。

目的

本発明は、上述の事情に鑑みてされたものであり、装置のサイズアップを抑制しつつ視野範囲や明るさを向上させる画像表示技術を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

画像信号をもとに画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子が表示する画像の画像表示光投射する投射部と、前記投射部が投射した画像表示光に基づく実像結像する中間像スクリーンと、を備え、前記投射部は、前記投射部の瞳位置と、画像表示光を前記中間像スクリーンに結像させる投射レンズ群との間に、画像表示光の光路を分離する光分離部を備えることを特徴とする画像表示装置

請求項2

前記光分離部は、前記画像表示素子が投射した直線偏光の画像表示光を円偏光に変換する1/4波長板と、前記1/4波長板が円偏光に変換した画像表示光をS偏光P偏光とに変換する結晶素子とを備え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

前記光分離部は、前記画像表示素子が投射した直線偏光の画像表示光を円偏光に変換する1/4波長板と、前記1/4波長板が円偏光に変換した画像表示光に対してS偏光とP偏光とに分離する偏光ビームスプリッタアレイとを備え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

前記偏光ビームスプリッタアレイは、P偏光の分布に対してS偏光の分布をシフトすることでS偏光とP偏光とに分離する複数の偏光分離膜を備えることを特徴とする、請求項3に記載の画像表示装置。

請求項5

前記光分離部は、前記画像表示素子が投射した直線偏光の画像表示光を入射方向に対して互いに対称回転角を持つ右回りの円偏光と左回りの円偏光に分離する第1偏光回折光学素子と、前記第1偏光回折光学素子から出射された右回りの円偏光を左回りの円偏光に変換するとともに、前記第1偏光回折光学素子から出射された左回りの円偏光を右回りの円偏光に変換する1/2波長板と、前記1/2波長板から出射された右回りの円偏光を回折して左回りの円偏光に変換するとともに、前記、1/2波長板から出射された左回りの円偏光を回折して右回りの円偏光に変換する第2偏光回折光学素子とを備え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6

前記光分離部は、前記投射部の瞳位置に備えられていることを特徴とする、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の画像表示装置。

技術分野

0001

本発明は、車両用表示装置に関する。

背景技術

0002

様々な種類が存在する画像表示装置の中で、いわゆるヘッドアップディスプレイと呼ばれる装置が、近年注目を集めている。このヘッドアップディスプレイには、風景などの実像と、速度表示画像などの入力された画像データに係る虚像とを、併せて観察者に認識させるために、コンバイナと呼ばれる光学素子を備えるものがある。このコンバイナは、外部から入る光を透過すると共に、ヘッドアップディスプレイが備える光学ユニットから投射された画像表示光などに係る画像を反射することで、コンバイナの観察者に対して、外部の風景に重畳して、各種情報を示す画像を表示することができる。このような画像表示装置は、例えばテーマパーク等の娯楽施設で用いられたり、自動車航空機操縦者に操作に関する情報を提示するために用いられたりする。

先行技術

0003

特開2010−256867号公報

発明が解決しようとする課題

0004

上述の画像表装置を、例えば自動車や航空機等の操作に関する情報を提示するために用いる場合、提示される画像(虚像)を観察者が視認可能な範囲である視野範囲や、提示される画像(虚像)の明るさを一定以上確保することが求められる。したがって、画像表示装置を大型化することで、視野範囲や明るさを確保することが有効となるとも言えるだろう。一方で、自動車や航空機等の操縦席付近では、ヘッドアップディスプレイを設置するためのスペースが限られている。そのためヘッドアップディスプレイを大型することで視野範囲や明るさを確保しようとすることには限界がある。さらに、画像表示装置を大型化することはコストアップつながり、また重量の増加が設置場所の制限をさらにきつくすることが予想される。

0005

本発明は、上述の事情に鑑みてされたものであり、装置のサイズアップを抑制しつつ視野範囲や明るさを向上させる画像表示技術を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0006

本発明のある態様は、画像表示装置である。この装置は、画像信号をもとに画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示素子が表示する画像の画像表示光を投射する投射部と、前記投射部が投射した画像表示光に基づく実像が結像する中間像スクリーンと、を備える。ここで前記投射部は、前記投射部の瞳位置と、画像表示光を前記中間像スクリーンに結像させる投射レンズ群との間に、画像表示光の光路を分離する光分離部を備える。

発明の効果

0007

本発明の車両用表示装置によれば、装置のサイズアップを抑制しつつ視野範囲や明るさを向上させる画像表示技術を提供することができる。

図面の簡単な説明

0008

実施の形態に係る表示装置の側面図である。
実施の形態に係る中間像スクリーンの断面構成と、中間像スクリーンに入射する画像表示光とその反射光との関係を模式的に示す図である。
図3(a)−(b)は、中間像スクリーンの拡散角と、中間像スクリーンで反射された光の反射強度との関係を示す図である。
中間像スクリーンで反射された画像表示光が凹面鏡によってユーザの視野範囲を形成する様子を示す図である。
画像表示素子から出射した画像表示光が、中間像スクリーンに結像して反射される様子を簡略化して示す図である。
画像表示素子から出射した画像表示光が、中間像スクリーンに結像して反射される様子を簡略化して示す別の図である。
広がり角度βの画像表示光が、拡散角αの中間像スクリーンに入射して散乱したときの画像表示光の拡散角を模式的に示す図である。
広がり角度βの画像表示光が光分離部によって分離され、拡散角αの中間像スクリーンに入射して散乱したときの画像表示光の拡散角を模式的に示す図である。
広がり角度βの画像表示光が、拡散角αの中間像スクリーンに入射して散乱したときの視野角範囲および虚像の明るさを示す図である。
図10(a)−(b)は、画像生成部が傾いて設置されている場合の、画像信号と虚像との関係を説明するさらに別の図である。
本発明の実施の形態の変形例に係る表示装置の側面図である。
実施の形態に係る光分離部の構成の一例を模式的に示す図である。
実施の形態に係る光分離部の構成の別の例を模式的に示す図である。
実施の形態に係る光分離部の構成のさらに別の例を模式的に示す図である。

実施例

0009

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。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し、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。以下で説明する実施の形態に係る表示装置は車載用のものを前提とするが、実施の形態に係る表示装置は車載用に限られず、航空機やゲーム機、娯楽施設等においても利用することができる。

0010

[画像表示装置の概要
本実施形態に係る画像表示装置として、自動車等のダッシュボードに設置して使用するヘッドアップディスプレイを例に挙げ、図1を参照してその概要について説明する。

0011

図1は、本発明の実施の形態に係る画像表示装置500の側面図である。画像表示装置500は光学ステムを格納し、光学システムが投射する画像表示光70を透過させるカバーガラス41を備える筐体40と、画像表示光70に係る画像をユーザ43に虚像450として提示するハーフミラーであるコンバイナ400を備える。

0012

筐体40が格納する光学システムは、光源231、フィールドレンズ237、偏向ビームスプリッタ238、画像表示素子240、投射部300、反射鏡236、中間像スクリーン360、および凹面鏡252を備える。

0013

光源231は、例えば白色、又は青色、緑色、及び赤色の三色の光を発する発光ダイオードからなる。光源231が発光した光は、図示しないコリメートレンズによって平行光に変えられる。フィールドレンズ237は平行光を集光し、偏向ビームスプリッタ238に入射する。入射した光は、偏向ビームスプリッタ238の内部に形成された偏光分離膜で反射され、S偏光直線偏光となって画像表示素子240に照射される。

0014

画像表示素子240は、画素毎に赤色、緑色、及び青色のカラーフィルタを備えている。画像表示素子240に照射された光は、各画素に対応する色となり、画像表示素子240の備える液晶組成物によって偏光方向が90°回転する変調が施され、P偏光の画像表示光70となって偏向ビームスプリッタ238に向けて出射される。出射されたP偏光の光は偏向ビームスプリッタ238を透過し、投射部300に入射する。

0015

画像表示素子240は、例えば自動車内に設けられた車速センサをはじめとした各種計器類からの運転情報、自動車内に別途設けられたナビゲーション装置からの経路案内をはじめとした各種ナビゲーション情報、あるいは所定の無線回線を介して受信された道路混雑情報などに基づいて生成された各種の画像に係る画像信号に基づいて駆動されることにより、画像表示光70を出射する。

0016

詳細は後述するが、投射部300は、変倍光学系となる投射レンズ群242等の光学素子を備え、画像表示素子240が表示する画像の画像表示光70を投射する。光路方向を変更する光路転換用の反射鏡236は、投射部300が投射した画像表示光70の光路の方向を中間像スクリーン360の方への向かう方向に変更する。中間像スクリーン360は、投射部300が投射した画像表示光70に基づく実像を結像する。なお、以下説明する実施の形態に係る中間像スクリーン360は、スクリーンの一方の面に入射した画像表示光をスクリーンの他方の面付近で反射し、再び入射した面から出射する、いわゆる「反射型」のスクリーンであることを前提とするが、画像表示光70が反射されずに透過される、いわゆる「透過型」のスクリーンであってもよい。

0017

中間像スクリーン360において結像されて反射された画像表示光70は、凹面鏡252で拡大されるとともに、再び反射されてカバーガラス41を透過する。カバーガラス41を透過した画像表示光70はコンバイナ400に到達する。そして、ユーザ43はコンバイナ400を見ることで、虚像450を視認することができる。本実施の形態では、コンバイナ400は、自動車のウィンドシールドに沿って設置されている。ここでユーザ43の視線が多少移動した場合でも、ユーザ43が虚像450を視認できることが望ましい。すなわち、運転中のユーザ43の視線が動くと想定される範囲において、虚像450が十分な明るさを持って視認可能であることが好ましい。そこで、画像表示装置500は、ユーザ43に対して、十分な視野範囲を有する虚像450を提示可能となっている。以下、画像表示装置500の視野範囲について説明する。

0018

[画像表示装置の視野範囲]
画像表示装置500のような画像表示装置において、提示される虚像450の視野範囲および明るさを規定する主な要因は次の二つである。第1の要因は、視野範囲は中間像スクリーン360に入射する画像表示光70のF値である。第2の要因は、中間像スクリーン360の拡散角である。

0019

図2は、実施の形態に係る中間像スクリーン360の断面構成と、中間像スクリーン360に入射する画像表示光70とその反射光との関係を模式的に示す図である。図2に示すように、実施の形態に係る中間像スクリーン360では、フィルムベース373上に、例えば銀幕蒸着された反射膜372が形成される。中間像スクリーン360ではさらに、反射膜372上に入射した光に対して反射指向性を有して拡散させる拡散材364の層が積層されている。拡散材364の層は光透過性を有しており、入射した画像表示光70は下方の反射膜372に入射し、反射膜372で反射される。拡散材364は、例えば、パール素材微細粒子を並べたもの、あるいは表面に微細な凹凸加工を施されたポリマなどから構成される。

0020

中間像スクリーン360に入射する画像表示光70は、主光線71を中心に角度±βの広がりを有する光線である。画像表示光70は拡散材364の層で拡散された後に反射膜372で反射し、再度拡散材364の層で拡散されて出射する。ここで中間像スクリーン360の拡散角をαとすると、中間像スクリーン360で反射した画像表示光70は、主光線71を中心に±(α+β)の広がりを有することとなる。なお、中間像スクリーン360の拡散角をαは、拡散材364の種類や大きさ、配置のさせ方、層の厚みを変えることで適宜設定可能である。

0021

ここで画像表示光70の入射光広がり角である角度βは、画像表示光70のF値によって定まる。画像表示光70のF値が一定の場合、角度βも一定となる。そのため虚像450の視野範囲は拡散材364の層の拡散角αにのみ依存する。このとき、拡散角αを小さくすると、虚像450が明るくなり、視野範囲が狭くなる。一方、拡散角αを大きくすると、虚像450が暗くなり、視野範囲が広くなる。

0022

図3(a)−(b)は、中間像スクリーン360の拡散角θと、中間像スクリーン360で反射された画像表示光70の反射強度eとの関係を示す図である。図3(a)は、主光線の周りに広がりを持たない画像表示光70が中間像スクリーン360に垂直に入射したときの、反射強度eと反射角αとの関係を示す図である。一般に、中間像スクリーン360の反射指向性は、反射光の半値角を用いて評価することができ、上述した反射角±αは、反射光の半値角に対応する。反射角±αは、中間像スクリーン360に垂直入射した光が反射したときに最大反射強度eとなる角度を0度とし、反射強度が最大反射強度eに対して半分の値e/2に低下するときの角度のことであり、入射した光を中心としてプラス側とマイナス側とに現れる。この半値角度が、運転者であるユーザ43が虚像450視認する際の視野範囲を規定する。

0023

図3(b)は、中間像スクリーン360の拡散角θに対する中間像スクリーン360で反射され光の反射強度eの概形を示す図である。図3(b)に示すように、画像表示光70の反射強度eは、中間像スクリーン360の拡散角度θに対して、ガウス分布のように分布する特性を有している。このように、中間像スクリーン360に入射する光が広がりを持たない場合、すなわち上述した角度β=0の場合であっても、中間像スクリーン360が、その入射した光を拡散することで、視野範囲を広げることができる。

0024

図4は、中間像スクリーン360で反射された画像表示光70が凹面鏡252によってユーザ43の視野範囲を形成する様子を示す模式図である。図4は、中間像スクリーン360の拡散角αが大きければ、視野範囲74が大きくなることを示している。なお、画像表示装置500が想定する視野範囲は、運転者であるユーザ43の眼の動く範囲等を考慮して実験により特定することができる。ここでは、例えば直径100mmの円とする。

0025

図5は、画像表示素子240から出射した画像表示光70が、中間像スクリーン360に結像して反射される様子を簡略化して示す図である。画像表示素子240の任意の1点から射出する1次の画像表示光70の主光線71は、画像表示素子240の面に対し垂直であり、かつ主光線71同士は平行であるテレセントリック光である。また1次の画像表示光70は、主光線に対し角度γの広がりを有している。

0026

1次の画像表示光70は、第1投射レンズ群242aにおいて瞳82を形成し、第2投射レンズ群242bを透過した後に中間像スクリーン360に結像する。このとき、第2投射レンズ群242bを透過した画像表示光70は、主光線71に対して角度βの広がりを有する光線となる。ここで主光線71に対しする広がり角度βは、瞳82における画像表示光70の絞りを変えることで変更することができる。より具体的には、画像表示光70を絞ることで画像表示光70のF値を大きくすると、広がり角度βは小さくなる。反対に、画像表示光70のF値を大きく小さくすると、広がり角度βは大きくなる。

0027

図2に示すように、ユーザ43が虚像450を視認可能な視野範囲は画像表示光70の広がり角度βにも依存しており、その範囲は角度±(α+β)となる。ユーザ43への視野範囲を一定とすると、角度βを大きくすることで中間像スクリーン360の拡散角αを小さくすることができる。拡散角αを小さくすることは虚像450を明るくすることにつながる。以上の関係性から、虚像450の明るさを明るくし、視野範囲を広げる方法として、中間像スクリーン360へ入射させる画像表示光70のF値を小さくして、広がり角度βを大きくすることが有効となることがわかる。

0028

しかしながら、画像表示光70のF値を小さくすると、中間像スクリーン360へ入射する光路が広がる。この光路を確保するためには、画像表示素子240およびその前後に配置された光学部品であるフィールドレンズ237、投射レンズ群242等の口径を大きくする必要があり、結果として画像表示装置500のサイズアップ、コストアップ等の要因となる。

0029

[投射部における光の分離]
この問題を解決するために、本願の発明者は、中間像スクリーン360の拡散角αと画像表示光70の広がり角度βとを変更せずに、ユーザ43が虚像450を視認可能な視野範囲を広げる原理について認識するに至った。以下のその原理について説明する。

0030

図6は、画像表示素子240から出射した画像表示光70が、中間像スクリーン360に結像して反射される様子を簡略化して示す別の図であり、中間像スクリーン360の拡散角αと画像表示光70の広がり角度βとを変更せずに、ユーザ43が虚像450を視認可能な視野範囲を広げる原理を説明するための図である。

0031

図6に示すように、画像表示素子240の任意の1点から射出する1次の画像表示光70の主光線71は、画像表示素子240の面に対し垂直であり、かつ主光線71同士は平行であるテレセントリック光である。また1次の画像表示光70は、主光線に対し角度γの広がりを有している。図5に示す場合と同様に、1次の画像表示光70は、第1投射レンズ群242aにおいて瞳82を形成する。

0032

ここで、瞳82の位置と、画像表示光70を中間像スクリーンに結像させる第2投射レンズ群242bとの間に、画像表示光70の光路を分離する光学部品である光分離部95を設置する。図6は、光分離部95は、投射部300の瞳82の位置に備えられている場合を示している。光分離部95によって分離された画像表示光70は、光分離部95の設置面内においてシフトした分布を形成する。このため、光分離部95によって分離されない場合と比較して、分布の外形は大きくなる。この分布が大きくなることで、中間像スクリーン360に結像する光線の角度分布は、光分離部95の設置面内における画像表示光70の分布のシフト量に応じて大きくなる。なお、光分離部95の具体的な構成は後述する。

0033

図7は、広がり角度βの画像表示光70が、拡散角αの中間像スクリーン360に入射して散乱したときの画像表示光70の拡散角を模式的に示す図である。図3(b)に示す場合と同様に、画像表示光70の反射強度eは、中間像スクリーン360の拡散角度θに対して、ガウス分布のように分布する特性を示す。一方で、図3(b)に示す場合と異なり、反射強度が最大反射強度eに対して半分の値e/2に低下する半値角は、±(α+β
)となる。

0034

図8は、広がり角度βの画像表示光70が光分離部95によって分離され、拡散角αの中間像スクリーン360に入射して散乱したときの画像表示光70の拡散角を模式的に示す図である。光分離部95の作用により、画像表示光70は、元の光と、その光から角度δ分だけシフトした光とのふたつの光に分離される。中間像スクリーン360において、ふたつの光それぞれが拡散された後に合成されてひとつの光となる。

0035

この結果、中間像スクリーン360において拡散した光の角度は−(α+β)から+(α+β+δ)となる。図7に示す光分離部95が画像表示光70を分離しない場合と比較すると、画像表示光70の反射強度の最大値は半分のe/2となるものの、角度δだけ拡散角が広がり、かつ反射強度が最大となる角度範囲平坦に広がる。これは拡散光のうち、半値角以上の光強度が全体の拡散光の光強度に占める割合が少なくなっていることを示している。

0036

この原理を利用することにより、以下に説明するように、中間像スクリーン360の拡散角αと画像表示光70の広がり角度βとを変更せずにユーザ43が虚像450を視認可能な視野範囲を広げることができる。

0037

図9は、広がり角度βの画像表示光70が、拡散角αの中間像スクリーン360に入射して散乱したときの視野角範囲および虚像の明るさを示す図である。この場合、図9に示すように、視野角範囲は±(α+β)となる。図9において、e1はユーザ43が虚像450を視認するために最低限必要な画像表示光70の反射強度を示す。また図9において、斜線で示す領域lは、中間像スクリーン360で反射された画像表示光70の拡散光のうち、反射強度がe1に満たない領域、すなわち不要光領域を表す。

0038

図10は、広がり角度β'の画像表示光70が光分離部95によって分離され、拡散角α'の中間像スクリーン360に入射して散乱したときの視野角範囲および虚像の明るさを示す図である。この場合、図10に示すように、視野範囲は±(α'+β'+δ/2)となる。いま、図10に示す視野範囲が図9に示す視野範囲と同等であるならば、α'+β'+δ/2=α+βとなる。δ>0なので、結果として、
α'+β'<α+β ・・・(1)
を得る。

0039

図9に示す例と図10に示す例とにおいて、同じ中間像スクリーン360を用いる場合、すなわち式(1)においてα'=αとなる場合、式(1)から、
β'<β ・・・(2)
が得られる。

0040

式(2)は、中間像スクリーン360に入射させる画像表示光70の広がり角度の大きさを、βよりも小さな値であるβ'としてもβの場合と同様の視野範囲を実現できることを示している。これにより、画像表示光70の広がり角度をβとする場合と比較して、画像表示装置500を構成する各光学部品を小さくすることができ、コストダウンが可能となる。また広がり角度が小さいため、画像表示光70の反射強度が上がり、虚像450が明るくなる。さらに、画像表示光70を分離した後に合成することによって視野範囲の虚像450の明るさがよりフラットとなるため、視野範囲での明るさの差が少なくなり、ユーザの視認性が向上する。

0041

その上さらに、中間像スクリーン360で反射された画像表示光70の拡散光のうち、反射強度がe1に満たない不要光領域lの割合が小さくなる。これは、図9に示す不要光領域lと比較して、図10に示す不要光領域lの方が小さな領域であることに対応する。この結果、光の利用効率が上がり、より明るい虚像450を提示することが可能となる。

0042

[画像表示装置の機能構成
図11は、実施の形態に係る画像表示装置500の機能構成を模式的に示す図である。上述したように、実施の形態に係る画像表示装置500の機能は、例えば上述したヘッドアップディスプレイを用いて実現できる。画像表示装置500は、画像表示素子240、投射部300、中間像スクリーン360、およびコンバイナ400を備える。なお、図11は、実施の形態に係る画像表示装置500において、画像表示光70を分離するために必要な機能構成のみを図示しており、例えば反射鏡236や凹面鏡252等、画像表示光70を分離する際に便宜的に用いている構成は省略している。

0043

画像表示素子240は、画像信号をもとに画像を表示する。投射部300は、画像表示素子240が表示する画像の画像表示光70を分離して中間像スクリーン360に投射する。このため投射部300は、第1投射レンズ群242a、光分離部95、および第2投射レンズ群242bを備える。上述したように、光分離部95は、第1投射レンズ群242aが形成する瞳位置と第2投射レンズ群242bとの間、好ましくは瞳位置に設置され、画像表示光70を分離し、光路をシフトさせる機能を持つ光学部品である。光分離部95が分離した画像表示光70は中間像スクリーン360で結像するとともに合成され、コンバイナ400に到達する。コンバイナ400は、中間像スクリーン360に結像した実像を虚像450としてユーザ43に提示する。

0044

[光分離部の具体的構成]
以下、実施の形態に係る光分離部95の具体的な構成を説明する。

0045

図12は、実施の形態に係る光分離部95の構成の一例を模式的に示す図である。図12に示す光分離部95は、光分離部95に入射した画像表示光70をS偏光とP偏光とに分離するとともに、分離したS偏光とP偏光とが異なる光路を通るように構成されている。

0046

より具体的には、図12に示す光分離部95は、1/4波長板239と結晶素子260とを備える。1/4波長板239は、画像表示素子240が投射した画像表示光70である直線偏光を円偏光に変換する。結晶素子260は、1/4波長板239が変換した円偏光をS偏光とP偏光とに変換する。結晶素子260は、変換したS偏光とP偏光とが異なる光路となる複屈折性を持っている。結晶素子260は、例えば既知水晶板を用いて実現できる。

0047

図12に示す例では、画像表示素子240が投射した画像表示光70はP偏光であり、図12中において符号270で示されている。1/4波長板239は、遅相軸方向がλ/4面内方向に存在し、P偏光方向と45°をなす方向である。このため、1/4波長板239に入射したP偏光は円偏光に変換される。円偏光は、図12中において符号272で示されている。

0048

1/4波長板239を透過した円偏光は、結晶素子260である水晶板に入射する。水晶板のC軸は厚み方向に対し45°方向となるように構成されており、水晶板に入射した円偏光は常光であるS偏光と異常光であるP偏光に分離される。水晶板のC軸は、図12中において符号273で示されている。異常光であるP偏光は水晶板の厚みに応じた光路差が生じるため、S偏光に対しシフトした光線となる。この結晶素子260の作用により、結晶素子260においてS偏光の瞳分布とP偏光の分布が形成され、S偏光の分布に対しP偏光の瞳分布はシフトしたものとなる。この結果、画像表示光70はP偏光である画像表示光70aと、S偏光である画像表示光70bとに分離される。

0049

図13は、実施の形態に係る光分離部95の構成の別の例を模式的に示す図である。図13に示す光分離部95も、図12に示す光分離部95と同様に、光分離部95に入射した画像表示光70をS偏光とP偏光とに分離するとともに、分離したS偏光とP偏光とが異なる光路を通るように構成されている。しかしながら、図13に示す光分離部95は、図12に示す光分離部95とは異なる構成である。

0050

より具体的には、図12に示す光分離部95は、1/4波長板239と偏光ビームスプリッタアレイ274とを備える。1/4波長板239は、画像表示素子240が投射した画像表示光70である直線偏光を円偏光に変換する。偏光ビームスプリッタアレイ274は、1/4波長板239が変換した円偏光のうち、P偏光成分を透過させるとともにS偏光成分を反射する偏光分離膜275を複数備える。

0051

図13に示す例では、画像表示素子240が投射した画像表示光70はP偏光であり、図12中において符号270で示されている。1/4波長板239は、遅相軸方向がλ/4面内方向に存在し、P偏光方向と45°をなす方向である。このため、1/4波長板239に入射したP偏光は円偏光に変換される。円偏光は、図12中において符号272で示されている。

0052

1/4波長板239を透過した円偏光は、偏光ビームスプリッタアレイ274に入射する。偏光ビームスプリッタアレイ274は、ガラス内に複数の偏光分離膜275を、入射光に対して45°の方向に配置したものである。偏光分離膜275は、膜面に対しP偏光を透過し、S偏光を反射する特性を有する。このため、偏光ビームスプリッタアレイ274に入射した円偏光は偏光分離膜でS偏光とP偏光に分離される。P偏光は偏光分離膜を透過し、S偏光は1つ目の偏光分離膜を反射し、90°光路を変換された後、隣接する偏光分離膜に入射し、2つ目の偏光分離膜でS偏光として反射する。反射したS偏光はP偏光と平行方向となり、S偏光の分布はP偏光の分布に対しシフトすることとなる。この結果、画像表示光70はP偏光である画像表示光70aと、S偏光である画像表示光70bとに分離される。

0053

図14は、実施の形態に係る光分離部95の構成のさらに別の例を模式的に示す図である。図14に示す光分離部95は、光分離部95に入射した画像表示光70をふたつの異なる円偏光に分離するとともに、分離したふたつの異なる円偏がそれぞれ異なる光路を通るように構成されている。

0054

より具体的には、図14に示す光分離部95は、第1偏光回折光学素子121a、1/2波長板122、および第2偏光回折光学素子121bを備える。第1偏光回折光学素子121aと第2偏光回折光学素子121bとは同一の光学特性を持つ液晶ポリマである。1/2波長板122は、第1偏光回折光学素子121aと第2偏光回折光学素子121bとの間に設置され、画像表示素子240が投射した画像表示光70は、第1偏光回折光学素子121a、1/2波長板122、第2偏光回折光学素子121bの順に透過する。

0055

第1偏光回折光学素子121aは、入射する直線偏光である画像表示光70を、入射方向に対して互いに対称回折角を持つ右回りの円偏光と左回りの円偏光に分離する。図14においては、右回りの円偏光を符号272a、左回りの円偏光を符号272bで示している。

0056

1/2波長板122は、第1偏光回折光学素子121aから出射された右回りの円偏光を左回りの円偏光に変換するとともに、第1偏光回折光学素子121aから出射された左回りの円偏光を右回りの円偏光に変換する。第2偏光回折光学素子121bは、1/2波長板122から出射された右回りの円偏光を回折して左回りの円偏光に変換するとともに、1/2波長板122から出射された左回りの円偏光を回折して右回りの円偏光に変換する。

0057

第1偏光回折光学素子121aおよび第2偏光回折光学素子121b(以下、特に区別の必要がない限り、「偏光回折光学素子121」と総称する。)は、画像表示光70の入射面内にて液晶ポリマのダイレクタ方向を周期的に変化するように配置されている。このため、偏光回折光学素子121に入射した画像表示光70は回折を起こす。ここで、偏光回折光学素子121中の液晶ポリマの周期や屈折率差を変えることによって、偏光回折光学素子121に入射した画像表示光70の回折角を制御することができる。

0058

偏光回折光学素子121に直線偏光が入射した場合、右回りの円偏光と左回りの円偏光に分離され、進行方向は回折角±θに応じた方向となる。また、偏光回折光学素子に左回りの円偏光が入射した場合、右回りの円偏光に変換され、回折角−θに応じた1方向にのみに進行する。同様に、偏光回折光学素子に右回りの円偏光が入射した場合、左回りの円偏光に変換され、回折角+θに応じた1方向にのみに進行する。

0059

図14に示す例では、画像表示素子240が投射した画像表示光70はP偏光である。第1偏光回折光学素子121aに入射した画像表示光70であるP偏光は、第1偏光回折光学素子121aの作用によって右回りの円偏光と左回りの円偏光に分離され、それぞれの進行方向は回折角に応じた方向となる。第1偏光回折光学素子121aから出射した右回りの円偏光と左回りの円偏光とともに、1/2波長板122に入射する。

0060

1/2波長板122は、入射した右回りの円偏光を左回りの円偏光に、左回りの円偏光を右回りの円偏光にそれぞれ変換する。第2偏光回折光学素子121bは、1/2波長板122から出射した光のうち、左回りの円偏光を右回りの円偏光に変換する。このとき変換され右回りの円偏光の進行方向は、第1偏光回折光学素子121aに入射したP偏光と同方向となる。また、第2偏光回折光学素子121bは、1/2波長板122から出射した光のうち、右回りの円偏光を左回りの円偏光に変換する。変換された左回りの円偏光の進行方向は、第1偏光回折光学素子121aに入射したP偏光と同方向となる。以上の作用により、画像表示光70は左回りの円偏光である画像表示光70aと、右回りの円偏光である画像表示光70bとに分離される。

0061

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る画像表示装置500によれば、装置のサイズアップを抑制しつつ視野範囲や明るさを向上させる画像表示技術を提供することができる。

0062

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例およびそれらの任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

0063

[第1の変形例]
上記の説明では、図12図13、および図14を参照して光分離部95の構成を説明したが、画像表示光70の光路を分離する光分離部95の構成はこれらに限られない。この他にも、ガラス板等の光学部材モータとを用いても光分離部95を実現できる。

0064

より具体的には、第1の変形例に係る光分離部95は、画像表示光70を透過する板状の光学部材(図示せず)と、当該光学部材を駆動するモータ(図示せず)とを備える。画像表示光70が板状の光学部材に対して斜めに入射すると、屈折によって画像表示光70の光路が変化する。ここで、画像表示光70は、板状の光学部材に対する入射角によって異なる光路となる。

0065

そこでモータを用いて板状の光学部材を所定の角速度で回転することにより、板状の光学部材を透過する画像表示光70の光路を周期的かつ連続的に変化させることができる。そこで、観察者に識別できないような早さで虚像450が変化するように板状の光学部材を回転させる角速度を設定することにより、画像表示光70の光路を見かけ上分離することができる。所定の角速度は、人間の目の残像等を考慮して実験により定めればよいが、例えば毎秒30回転である。

0066

[第2の変形例]
上記の説明では、実施の形態に係る画像表示装置500として自動車等のダッシュボード内に設置して使用するダッシュボード型ヘッドアップディスプレイを例に主に説明した。画像表示装置500は、ダッシュボード内に設置して使用されるヘッドアップディスプレイに限られず、ダッシュボード上に据え置いて用いるヘッドアップディスプレイや、ルームミラーに取り付けられて使用されるヘッドアップディスプレイとしても実現できる。また、ヘッドアップディスプレイに限らず、例えばヘッドマウントディスプレイなど、コンバイナを用いてユーザに虚像を提示する装置であれば、どのような装置であってもよい。

0067

[第3の変形例]
上記の説明では、凹面鏡252を用いて中間像スクリーン360が結像した実像を拡大する場合について説明した。中間像スクリーン360が結像した実像を拡大する手段は凹面鏡252に限られない。例えば凹面鏡252を用いる代わりに、コンバイナ400に所定の曲率を設けて凹面形状にしてもよい。これにより、筐体40内に格納する光学システムを小型化しうる点で有利である。

0068

70画像表示光、 82 瞳、 95光分離部、 121偏光回折光学素子、 122 1/2波長板、 239 1/4波長板、 240画像表示素子、 242投射レンズ群、 260結晶素子、 274偏光ビームスプリッタアレイ、 275偏光分離膜、 300投射部、 360中間像スクリーン、 400コンバイナ、 450虚像、 500画像表示装置。

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