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JP6672746B2 - 画像表示装置および車両 - Google Patents

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Description

本発明は、画像表示装および、同装置を備える車両に関するものである。
車両、航空機、船舶などの移動体に搭載される装置であって、操縦者（運転者）が当該移動体を操縦する際に有用な情報を少ない視線移動で視認できるようにする画像表示装置が知られている。このような画像表示装置は、一般的に、ヘッドアップディスプレイ（以下「ＨＵＤ」という）と呼ばれる。
ＨＵＤは、移動体に関する情報を含む画像を中間像として形成し、この中間像を運転者の視界に虚像として表す装置である。「移動体に関する情報」とは、当該移動体の操縦者の視界に存在する物体等に関連する情報や、安全かつ快適な運転に有用な情報等を含み、移動体の動作状態を報知する警報等も含まれる。
ＨＵＤにおける中間像の形成方式として、いくつかの方式が知られている。例えば、液晶等のイメージングデバイスを用いるパネル方式や、レーザーダイオードから射出されたレーザービームを二次元走査デバイスによって走査するレーザー走査方式、などである。パネル方式は、全画面発光を部分的に遮光して中間像を形成する。レーザー走査方式は、各画素に対して「発光」と「非発光」を割り当てることで中間像を形成する。
ＨＵＤは画像形成部が形成した中間像をコンバイナと呼ばれる透過反射部材に投写して虚像を表示する。近年のＨＵＤは、コンバイナとしてフロントウインドシールドなどを活用する。フロントウインドシールドは曲面なので、中間像の投写面が湾曲していることになる。像面が湾曲していても情報を視認しやすい虚像を表示するために、画像形成手段と光走査手段との間にパワーを有する光学素子を配置するＨＵＤが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
ＨＵＤは、操縦者の前方視界内に配置される。移動体の操縦室内の前方には多種の構造物が配置されることが多い。したがって、これら構造物とＨＵＤが干渉しないように、ＨＵＤは小型である方が望ましい。特許文献１のＨＵＤのように画像形成手段と光走査手段との間に光学素子を配置すると、ＨＵＤを小型にしにくくなる。
本発明は、小型にしやすく、かつ、表示する画像の品質を向上できる画像表示装置を提供することを目的とする。
本発明は、
画像形成部において形成された中間像を透過反射部材に投写して虚像として表示する画像表示装置であって、
前記画像形成部は、
光源部と、前記光源部から出射された光を走査する光走査手段と、前記光走査手段の偏向面で走査された前記光により前記中間像を形成する中間像形成部と、
を有し、
前記光走査手段による前記光の走査は、主走査方向と副走査方向の二次元走査であり、
前記中間像形成部は、前記偏向面で走査された前記光が入射する入射面が凹面となっている前記主走査方向のみに湾曲したシリンダー形状であり、
前記主走査方向における前記中間像形成部の曲率半径をＲｍ、
前記偏向面が偏向走査をする際の基準点から前記中間像形成部において前記中間像が形成される領域の中心点までの距離をＬとし、
前記偏向面の有効な光偏向領域における前記主走査方向の幅をΦｍとし、
前記偏向面の有効な光偏向領域における前記主走査方向のビームスポット径をＢｍとすると、
前記画像形成部は、
条件式１である０．３＜Ｒｍ／Ｌ＜３、
条件式２である０．５×１０ −２ ＜Φｍ／Ｌ＜３×１０ −２ 、
条件式３である０．５≦Ｂｍ／Φｍ＜０．９、
を満足することを主な特徴とする。
本発明によれば、小型にしやすく、かつ、表示する画像の品質を向上できる。
本発明に係る画像表示装置の実施形態の例を示す構成図である。 上記画像表示装置に係る光源部の例を示す構成図である。 上記画像表示装置に係る走査光学系の例を示す構成図である。 上記画像表示装置に係る光走査手段の例を示す平面図である。 上記画像表示装置に係る中間像形成部の例を示す斜視図である。 上記画像表示装置のハードウェア構成の例を示すブロック図である。 上記画像表示装置の機能構成の例を示す機能ブロック図である。 上記画像表示装置に係る画像形成部の副走査方向の光学配置図である。 上記画像表示装置に係る画像形成部の主走査方向の光学配置図である。 上記画像形成部との比較例である従来の画像形成部の主走査方向の光学配置図である。 上記画像表示装置に係る走査光学系の別の例を示す構成図である。 上記画像表示装置に係る画像形成部の光路の例を示す光路図である。
●画像表示装置の概要●
以下、本発明に係る画像表示装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。まず、ＨＵＤ１の全体的な構成について図１を用いて説明する。本実施形態は、ＨＵＤ１を車両に搭載した場合を例示する。ＨＵＤ１は、車両の運転者３の視界内に、運転者３にとって有用な情報を虚像２として視認できるように表示する画像表示装置である。「運転者３にとって有用な情報」とは、運転者３の視界に存在する物体に関連する情報や、車両の動作に関連する情報等であって、例えば、車両の異常動作を報知する警報なども含まれる。本明細書において、「運転者３にとって有用な情報」を単に「情報」と表記することもある。
本実施形態では、後述する中間像２３１が投写される光コンバイナ３２として車両のフロントウインドシールドであるフロントガラス５０を用いる。光コンバイナ３２として機能するフロントガラス５０は、投写された中間像２３１を運転者３に向けて反射し、かつ、運転者３の視界に存在する周囲環境や物体からの光（外部光）を透過する。なお、以下において説明するＨＵＤ１の構成は、フロントガラス５０とは別体の透過反射型光学素子を設置して、この透過反射型光学素子を光コンバイナ３２として用いてもよい。
図１に示すように、ＨＵＤ１は、光源部１０と、走査光学系２０と、観察光学系３０と、を備えている。光源部１０と走査光学系２０を合わせて画像形成部１００とする
画像形成部１００で形成される中間像２３１は、観察光学系３０の一部を構成する凹面ミラー３１側に現れるので、これを凹面ミラー３１が反射して光コンバイナ３２に投写する。光コンバイナ３２は、中間像２３１と上記の外部光とを結合して運転者３が虚像２を視認できるようにする結合光学素子である。
●光源部１０の概要
光源部１０は、虚像２の元になる中間像２３１を形成するための光束を出射する。虚像２をカラー画像にするのであれば、光源部１０からはカラー画像に必要な光の三原色に相当する光束が出射される。
●走査光学系２０の概要
走査光学系２０は、光源部１０から出射された光束に基づいて、虚像２において所定の情報を表示するための中間像２３１を形成する。走査光学系２０は、形成した中間像２３１を観察光学系３０に向けて出射する。なお、一般的な中間像２３１の外形は、長方形などの矩形である。
●観察光学系３０の概要
走査光学系２０において形成されて射出された中間像２３１は、観察光学系３０の反射光学素子である凹面ミラー３１において拡大され、光コンバイナ３２に投写される。拡大投写された中間像２３１は、光コンバイナ３２において運転者３に向けて反射される。
光コンバイナ３２において中間像２３１が反射されると、運転者３の視覚には、光コンバイナ３２の物理的な位置とは異なる位置（運転者３から離れる方向の位置）に虚像２が現れる。すでに説明したとおり、虚像２において認知できる情報は、車両の動作に関連する情報であって、例えば、車両の速度や走行距離、行き先表示等のナビゲーション情報等である。
なお、運転者３の視点は、単に基準となる視点位置（基準アイポイント）を示している。運転者３の視点範囲は、車両の運転者アイレンジ（ＪＩＳ Ｄ００２１）と同等かそれ以下である。
ここで、本実施形態の説明に係る「方向」について定義する。中間像２３１は、走査光学系２０において実行される主走査と副走査からなる二次元走査により生成される画像である。中間像２３１を生成するときの主走査の方向を「Ｘ方向」とし、副走査の方向を「Ｙ方向」とする。本実施形態では、運転者３が視認する虚像２の横方向を、中間像２３１における主走査方向（Ｘ方向）とし、虚像２の縦方向を、中間像２３１における副走査方向（Ｙ方向）とする。そして、虚像２における横方向を説明するときは、物理的な方向が相違しても、中間像２３１における主走査方向に対応するものとして「Ｘ方向」と表記する。また、虚像２におけるＹ方向を説明するときも、物理的な方向が相違しても、中間像２３１における副走査方向に対応するものとして「Ｙ方向」と表記する。
また、図１に示すように、ＨＵＤ１を車両に搭載した場合、車両の進行方向を「Ｚ´方向」、車両の左右方向を「Ｘ´方向」、車両の上下方向を「Ｙ´方向」とする。この場合、虚像２から運転者３へ向かう方向（車両の後退方向）を＋Ｚ´方向とし、運転者３の視線方向（車両の前進方向）を−Ｚ´方向とする。また、運転者３の右方向（紙面奥方向）を＋Ｘ´方向とし、運転者３の左方向を−Ｘ´方向（紙面手前方向）とする。また、運転者３の上方向を＋Ｙ´方向とし、運転者３の下方向を−Ｙ´方向とする。
図１において、虚像２のＸ方向と車両のＸ´方向（左右方向）は一致する。また、虚像２のＹ方向と車両のＹ´方向（上下方向）は一致する。一方、走査光学系２０にて生成される中間像２３１に係るＸ方向（主走査方向）と車両に係るＸ´方向（左右方向）は必ずしも一致するものではない。同様に、中間像２３１に係るＹ方向（副走査方向）と車両に係るＹ´方向（上下方向）も必ずしも一致するものではない。これは、走査光学系２０における光学素子の配置や向き、走査光学系２０と観察光学系３０との光学的な配置によって中間像２３１の主走査方向と副走査方向の物理的な向きがＸ’軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸と必ずしも直交するとは限らないからである。
●光源部１０の構成
次に、光源部１０の詳細な構成について図２を用いて説明する。光源部１０は、虚像２をカラー画像にするために光の三原色に対応する光ビームを１本に合成して出射する。以下の説明では、光源部１０から出射されて、後述する光走査手段に向かう光ビームを第１光ビーム１０１とする。
光源部１０は、例えば半導体レーザー素子を３つ備えている。半導体レーザー素子は、各々が光の三原色の各色に対応する光源素子である。第１レーザー素子１１０は、赤色（Ｒ）のレーザー光を出射するレーザー素子である。第２レーザー素子１２０は、緑色（Ｇ）のレーザー光を出射するレーザー素子である。第３レーザー素子１３０は、青色（Ｂ）のレーザー光を出射するレーザー素子である。
なお、各レーザー素子に端面発光レーザーと呼ばれるレーザーダイオード（ＬＤ）や面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を用いることもできる。また、半導体レーザー素子に代えてＬＥＤ素子を用いることもできる。
光源部１０は、各レーザー素子の他に、各レーザー素子から出射されたレーザー光の発散性を抑止するカップリングレンズを備えている。また、各カップリングレンズからの各レーザー光の光束径を規制して整形するアパーチャを備えている。また、光源部１０は、各アパーチャで整形された各色のレーザー光束を合成して出射するビーム合成プリズム１４０と、レンズ１５０と、を備えている。
各色のレーザー素子に対応するカップリングレンズを、第１カップリングレンズ１１１、第２カップリングレンズ１２１、第３カップリングレンズ１３１、とする。
各レーザー素子に対応するアパーチャを、第１アパーチュア１１２、第２アパーチュア１２２、第３アパーチュア１３２、とする。
ビーム合成プリズム１４０は、赤色のレーザー光を透過させて緑色のレーザー光を反射する第１ダイクロイック膜１４１と、赤色と緑色のレーザー光を透過させて青色のレーザー光を反射する第２ダイクロイック膜１４２と、を有する。
レンズ１５０は、ビーム合成プリズム１４０が出射した光ビームを「所望の集光状態のビーム」に変換する。
第１レーザー素子１１０から出射される光束（レーザー光）の波長λＲは、例えば６４０ｎｍである。第２レーザー素子１２０から出射される光束（レーザー光）の波長λＧは、例えば５３０ｎｍである。第３レーザー素子１３０から出射される光束（レーザー光）の波長λＢは、例えば４４５ｎｍである。
第１レーザー素子１１０から出射された赤色レーザー光は、第１カップリングレンズ１１１と第１アパーチュア１１２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した赤色レーザー光は、第１ダイクロイック膜１４１を通過して直進する。
第２レーザー素子１２０から出射された緑色レーザー光は、第２カップリングレンズ１２１と第２アパーチュア１２２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した緑色レーザー光は、第１ダイクロイック膜１４１で反射して、赤色レーザー光と同方向（第２ダイクロイック膜１４２の方向）へ向かう。
第３レーザー素子１３０から出射された青色レーザー光は、第３カップリングレンズ１３１と第３アパーチュア１３２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した青色レーザー光は、第２ダイクロイック膜１４２で反射して、赤色レーザー光及び緑色レーザー光と同方向へ向かう。
以上のようにして、ビーム合成プリズム１４０から赤色レーザー光と緑色レーザー光と青色レーザー光が合成された光ビームが出射される。
ビーム合成プリズム１４０から出射された光ビームは、レンズ１５０によって「所望の集光状態のビーム」である第１光ビーム１０１に変換される。第１光ビーム１０１は、赤色レーザー光と緑色レーザー光と青色レーザー光が１本のレーザー光束として合成されたものである。
第１光ビーム１０１に含まれるＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色レーザー光束は、表示対象である「二次元のカラー画像」に係る画像信号に応じて強度変調される。または、表示対象である「二次元のカラー画像」に係る当該画像情報を示す画像データに応じて強度変調される。このレーザー光束の強度変調は、各色の半導体レーザーを直接変調する方式（直接変調方式）でも良いし、各色の半導体レーザーから出射されたレーザー光束を変調する方式（外部変調方式）でも良い。
なお、各アパーチュアには、光束の発散角等に応じて、円形、楕円形、長方形、正方形等の様々な形状のものを用いればよい。また、レンズ１５０は、後述するＭＥＭＳミラー２１に向かって凹面をなすメニスカスレンズである。
●走査光学系２０の構成
図３に示すように、走査光学系２０は、第１光ビーム１０１を偏向するＭＥＭＳミラー２１と、中間像形成部であるマイクロレンズアレイ２３と、を有してなる。走査光学系２０は、光源部１０から出射された第１光ビーム１０１をＭＥＭＳミラー２１によって偏向させて第２光ビーム１０２とし、この第２光ビーム１０２をマイクロレンズアレイ２３に入射する光学系である。マイクロレンズアレイ２３は、ＭＥＭＳミラー２１において偏向された第２光ビーム１０２により、主走査と副走査からなる二次元で走査される。中間像２３１は、マイクロレンズアレイ２３に対する二次元走査によって生成される。生成された中間像２３１に係る画像光１０３は、マイクロレンズアレイ２３の出射面から出射されて観察光学系３０に向かう。
なお、走査光学系２０は、図１１に示すように、ＭＥＭＳミラー２１とマイクロレンズアレイ２３との間に平面ミラー２２を設けてもよい。
●ＭＥＭＳミラー２１の説明
次にＭＥＭＳミラー２１について詳細に説明する。光源部１０から出射された第１光ビーム１０１を偏向走査し、マイクロレンズアレイ２３上を二次元偏向走査する画像形成素子である。ＭＥＭＳミラー２１は、半導体プロセス等で微小揺動ミラー素子として製造されたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）である。
図４に示すように、ＭＥＭＳミラー２１は、外形が矩形であって、その中央部分に微小ミラー２１０を備えている。この微小ミラー２１０の反射面２１０１が光走査手段に相当する。
微小ミラー２１０は、第１光ビーム１０１を二次元的に偏向させる反射面２１０１を備える。反射面２１０１は、２つの軸を中心として回動するように構成されている。反射面２１０１をＹ方向の軸周りで回動させると、第２光ビーム１０２の進行方向はＸ方向に対して変化する。したがって、反射面２１０１をＹ方向の軸周りで回動させると中間像２３１を生成するための主走査になる。反射面２１０１をＸ方向の軸周りで回動させると、第２光ビーム１０２の進行方向はＹ方向に対して変化する。したがって、反射面２１０１をＸ方向の軸周りで回動させると中間像２３１を生成するための副走査になる。すなわち、図４におけるＸ方向が主走査方向に対応し、Ｙ方向が副走査方向に対応する。
ＭＥＭＳミラー２１は、主走査方向に関しては正弦波振動を、副走査方向に関しては鋸波振動をすることで、マイクロレンズアレイ２３を二次元的に偏向走査する。
微小ミラー２１０のＸ方向の両側には、複数の折り返し部により蛇行して形成された一対の蛇行状梁部１５２が配置されている。蛇行状梁部１５２は、折り返されて隣接する梁のそれぞれを第１梁部１５２ａと第２梁部１５２ｂとして分割していて、それぞれに圧電部材１５６を備える。ここで用いられる圧電部材１５６は、例えばＰＺＴである。
第１梁部１５２ａと第２梁部１５２ｂに印加される電圧は、互いに隣接するものに対して独立して印加される。これら独立して印加される電圧は、互いに異なる電圧値である。互いに異なる電圧が印加された第１梁部１５２ａと第２梁部１５２ｂには、それぞれ異なる反りが生ずる。反りの方向は印加電圧によって決まる。すなわち、隣接する第１梁部１５２ａと第２梁部１５２ｂ同士は互いに異なる方向に撓む。なお、蛇行状梁部１５２は、枠部材１５４に支持されている。
上記の撓みが蓄積されることで微小ミラー２１０は、Ｘ方向の軸周りで反射面２１０１の向きをＸ方向に対して変化させるように回動する。第１光ビーム１０１が反射面２１０１のＸ方向の軸周りの回動によって反射されて第２光ビーム１０２としてマイクロレンズアレイ２３をＹ方向に走査する。
以上の構成を備えるＭＥＭＳミラー２１を用いることで、ＨＵＤ１は、Ｘ方向の軸を回転中心とする垂直方向（Ｙ方向）への光走査を低い電圧で行うことができる。一方、Ｙ方向の軸を回転中心とする水平方向（Ｘ方向）への光走査は、微小ミラー２１０に接続されたトーションバーなどを利用した共振により行う。
●マイクロレンズアレイ２３の説明
次に、マイクロレンズアレイ２３について詳細に説明する。マイクロレンズアレイ２３は、微細な凸レンズが二次元的に配列されているレンズ面が入射面となり、レンズ面とは反対側の平面が出射面になる。なお、マイクロレンズアレイ２３として用いる光学素子は、上記の例に限ることはなく、拡散板、透過スクリーン、反射スクリーンなどを採用してもよい。また、複数のマイクロレンズを１次元配列したもの、又は３次元配列したものを用いることもできる
レンズ面に入射した第２光ビーム１０２は、出射面から拡散して出射される。ＭＥＭＳミラー２１による走査は、例えば、主走査方向が高速で走査されて、副走査方向が低速で走査されるラスタースキャンである。
すでに説明したように、ＨＵＤ１が備える光源部１０から出射される第１光ビーム１０１はカラー対応のものである。したがって、マイクロレンズアレイ２３において形成される中間像２３１はカラー画像である。なお、マイクロレンズアレイ２３においてモノクロの中間像２３１を形成してもよい。
●中間像２３１の形成方法
図５は、マイクロレンズアレイ２３を第２光ビーム１０２の入射方向から見た斜視図である。マイクロレンズアレイ２３は、主走査方向（Ｘ方向）のみに湾曲したシリンダー形状を有している。言い換えると、マイクロレンズアレイ２３は、第２光ビーム１０２が入射されるレンズ面側が凹面になっていて、中間像２３１が画像光１０３として出射される出射面は凸面になっている。
図５において点線で表した矩形は、中間像２３１の外形を示している。ＭＥＭＳミラー２１が第１光ビーム１０１を偏向走査すると、第２光ビーム１０２は図５に示すＬ１からＬ２に向かって主走査方向の走査をする。次にＬ１から副走査方向に一つ下がって主走査方向の走査をする。最終的にはＬ３からＬ４に向かって主走査方向の走査をして１つの中間像２３１を形成する。中間像２３１の形成は所定のフレームレートによって行われる。１フレーム分の走査が終了すると、次のフレームの中間像２３１を形成するためにＬ１から主走査を開始する。
マイクロレンズアレイ２３において各瞬間（フレームレートごと）に形成される中間像２３１は、「第２光ビーム１０２が、その瞬間に照射している画素のみ」で形成される。したがって、「カラーの二次元画像である中間像２３１」は、第２光ビーム１０２によって二次元的に走査される各瞬間に表示される画素の集合である。
上記のように二次元走査が行われる領域を有効走査領域２３２とする。この有効走査領域２３２の中心を中間像中心２３３とする。有効走査領域２３２において形成された中間像２３１は、マイクロレンズアレイ２３の出射面側（観察光学系３０側）に画像光１０３として中間像２３１を現わす。
●画像形成部１００の制御系
ここで、ＨＵＤ１が備える画像形成部１００の動作を制御する制御系の構成について説明する。図６に示すようにＨＵＤ１は、ＦＰＧＡ６００と、ＣＰＵ６０２と、ＲＯＭ６０４と、ＲＡＭ６０６と、Ｉ／Ｆ６０８と、バスライン６１０と、ＬＤドライバ６１１１と、ＭＥＭＳコントローラー６１５と、を有してなる。
ＦＰＧＡ６００は、ＬＤドライバ６１１１やＭＥＭＳコントローラー６１５により、光源部１０とＭＥＭＳミラー２１を動作させる。ＣＰＵ６０２は、ＨＵＤ１が備える上記の各ハードウェアの動作を制御するプロセッサである。ＲＯＭ６０４は、ＣＰＵ６０２がＨＵＤ１の各機能を制御するために実行する画像処理用プログラムを記憶する半導体メモリである。ＲＡＭ６０６は、ＣＰＵ６０２が各ハードウェアの制御処理を実行する際にワークエリアとして使用する半導体メモリである。
Ｉ／Ｆ６０８は、ＨＵＤ１を外部コントローラー等と接続する接点である。Ｉ／Ｆ６０８を介して、例えば、ＨＵＤ１をＣＡＮ(Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ)等に接続させる。これによって、ＨＵＤ１は、ＣＡＮを介して接続される他の外部コントローラー等と通信をしながら動作することができる。
●画像形成部１００の機能構成
次に、ＨＵＤ１が備える画像形成部１００の機能構成について説明する。図７に示すように画像形成部１００は、車両情報入力部８００と外部情報入力部８０２と、画像情報生成部８０４と、表示画像形成部８０６と、を有してなる。
車両情報入力部８００は、Ｉ／Ｆ６０８を介して接続されている他の外部コントローラー等からの情報（例えば、当該車両の走行速度や走行距離など）を取得する。
外部情報入力部８０２は、Ｉ／Ｆ６０８を介して接続されている他の外部コントローラー等からの情報（例えば、ＧＰＳによる位置情報、ナビゲーション装置からの交通情報など）を取得する。
画像情報生成部８０４は、車両情報入力部８００と外部情報入力部８０２から入力される情報に基づいて虚像２（図１参照）の元になる中間像２３１を形成するための情報を生成する処理を実行する。
表示画像形成部８０６は、制御部８０６０を備えている。制御部８０６０は、画像情報生成部８０４が生成した情報に基づいて、光源部１０や走査光学系２０の動作を制御する。この制御機能によって、フロントガラス５０に投写される中間像２３１が生成される。以上の機能ブロックの動作によって、運転者３の視点において虚像２が視認される状態を作り出すことができる。
●画像形成部１００の実施形態
次に、画像形成部１００の特徴についてより詳細に説明する。すでに説明したように、ＨＵＤ１は、中間画像形成部としてのマイクロレンズアレイ２３を一定の方向に湾曲させることで、光走査手段との間に自由曲面ミラー等の光学素子を配置することなく、良好な中間像２３１を形成することができる。
図８は、画像形成部１００を副走査方向（Ｘ方向）から見た光学配置図であって、光源部１０と、光走査手段である反射面２１０１と、中間像形成部であるマイクロレンズアレイ２３の入射側の面と、を示している。すでに説明したように、光源部１０から射出された第１光ビーム１０１は、ＭＥＭＳミラー２１の反射面２１０１によって二次元走査されて第２光ビーム１０２として、透過部材であるマイクロレンズアレイ２３に至る。マイクロレンズアレイ２３は、主走査方向にのみ湾曲していて、副走査方向は平面である。
画像形成部１００を副走査方向（Ｙ方向）から見ると、図９に示すように、マイクロレンズアレイ２３は反射面２１０１の方に凹面を向けた湾曲形状を有している。このマイクロレンズアレイ２３の主走査方向における湾曲度合いを「曲率半径Ｒｍ」によって示している。図９に示すように、反射面２１０１による主走査方向（Ｘ方向）の走査線２３９は、曲率半径Ｒｍと同じ湾曲度合いが理想である。
図９に示すように、ＭＥＭＳミラー２１の反射面２１０１の主走査方向の幅であって、第１光ビーム１０１が有効に偏向走査される光偏向領域における主走査方向の幅を「有効幅Φｍ」とする。
また、反射面２１０１が第１光ビーム１０１を偏向走査する際の基準点からマイクロレンズアレイ２３上に形成される中間像２３１の中心である中間像中心２３３（図５参照）までの距離を「走査距離Ｌ」とする。
画像形成部１００の特徴を説明するための比較例を図１０に示す。反射面２１０１による走査線２３９は主走査方向において湾曲する。仮に、中間像形成部を図１０に示すマイクロレンズアレイ２３０のように主走査方向においても平面形状にした場合、像面湾曲が生ずる。この像面湾曲を補正するには、反射面２１０１とマイクロレンズアレイ２３０の間にパワーを有する光学素子を配置しなければならない。このようなパワーを有する光学素子を配置すると、画像形成部１００におけるビームスポット径が太る。画像形成部１００におけるビームスポット径が太ると、解像度が低下する。したがって、マイクロレンズアレイ２３０のように平面形状にすると、中間像２３１の画質が劣ることになる。
そこで、本発明に係る中間画像形成部には、図９に示すように、主走査方向において湾曲形状を有するマイクロレンズアレイ２３を用いる。これによって、反射面２１０１からマイクロレンズアレイ２３までの間にパワーを有する光学素子を配置しなくても、像面湾曲の発生を抑えることができる。すなわち、中間像２３１を形成するにあたり、像面における第２光ビーム１０２のビームスポット径を太らせることなく、解像度や画質の低下を防ぐことができる。
画像形成部１００は、以下の条件式１を満足するものである。また、画像形成部１００は、以下の条件式２を満足するものである。また、画像形成部１００は、以下の条件式３を満足するものである。
（条件式１） ０．３＜Ｒｍ／Ｌ＜３
（条件式２）０．５×１０−２＜Φｍ／Ｌ＜３×１０−２
（条件式３）０．５＜Ｂｍ／Φｍ＜０．９
図１２に示すように、光源部１０から出射された第１光ビーム１０１は、光走査手段であるＭＥＭＳミラー２１の反射面２１０１を介して、中間像形成部であるマイクロレンズアレイ２３に至る。マイクロレンズアレイ２３に入射する第２光ビーム１０２によるビームスポット径は、反射面２１０１の有効幅Φｍと、反射面２１０１と中間像中心２３３との距離に相当する走査距離Ｌによって変動する。
●条件式１について
画像形成部１００において、曲率半径Ｒｍと走査距離Ｌの比率が０．３を下回る場合、または上記の比率が３を上回る場合、像面湾曲が大きくなる。このため、マイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径が大きくなり、形成される中間像２３１の解像度が低下する原因になり、また、スペックルが生じて画質が低下する原因になる。
また、画像形成部１００は、マイクロレンズアレイ２３が観察光学系３０を構成する凹面ミラー３１側に、凸形状に湾曲している。これによって、反射面２１０１とマイクロレンズアレイ２３の間にパワーを持った光学素子を配置しなくても、所望の光学特性を得ることができる。上記のような光学素子を配置しなくてよいから、ＨＩＤ１を小型にしやすくなる。
●条件式２について
画像形成部１００において、条件式２を満足せずに、有効幅Φｍと走査距離Ｌの比率が０．５×１０−２を下回る場合は、「走査距離Ｌが長い」かまたは「有効幅Φｍが小さい」かのいずれかである。走査距離Ｌが長くなると、ＨＵＤ１を小型にする際の阻害要因になる。有効幅Φｍが小さいと、マイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径が大きくなる。したがって、条件式２の下限を下回るような画像形成部１００は、ＨＵＤ１を小型にしにくくし、また、中間像２３１の画質を低下させる。
一般に、マイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径を小さくする方が、中間像２３１の画質は向上する。そこで、マイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径を小さくすることだけに着目すれば、有効幅Φｍを大きくすればよいことになる。しかし、有効幅Φｍを大きくすると、微小ミラー２１０が大きくなる。そうすると、第１光ビーム１０１を二次元偏向走査するときに動作させる部分（反射面２１０１）が大きくなるので、ＭＥＭＳミラー２１の製造が困難になる。また、微小ミラー２１０の動作時の空気抵抗が大きくなるため偏向動作の速度が遅くなり、フレームレートが低下する。すなわち、中間像２３１の形成速度が遅くなる。
一方、走査距離Ｌを短くして、有効幅Φｍと走査距離Ｌの比率が条件式２の上限（３×１０−２）を上回る場合、マイクロレンズアレイ２３までの光路長が短くなる。そうすると、マイクロレンズアレイ２３における走査幅を確保するために反射面２１０１の振り角（画角）を大きくしなければならない。反射面２１０１の画角を大きくすると、ＭＥＭＳミラー２１の故障が増加する。または、微小ミラー２１０の反射面２１０１の主走査方向の幅が大きくなり、ＭＥＭＳミラー２１の製造が困難になる。
●条件式３について
条件式３は、二次元偏向走査に用いることができる反射面２１０１の領域の範囲を示す指標を規定している。ＭＥＭＳミラー２１の製造上の課題や、ＭＥＭＳミラー２１を駆動するときの反射面２１０１の空気抵抗などを考慮すると、有効幅Φｍはなるべく小さい方が望ましい。しかし、条件式３における下限を下回るほど有効幅Φｍを小さくすると、マイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径が太りやすくなる。ビームスポットの径が太ると、中間像２３１の解像度の低下の原因になる。また中間像２３１にスペックルが生じて画質が低下する。
一方、マイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径を絞るには、反射面２１０１の全領域を使用して第１光ビーム１０１を反射できるとよい。すなわち、第２光ビーム１０２の出射側のビームスポット径が反射面２１０１の全領域に相当する径であれば、マイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径を絞りやすくなる。
しかし、条件式３の上限を上回るほどになると、ＨＵＤ１の動作環境が変化した場合、第１光ビーム１０１の光軸がずれて、反射面２１０１による第１光ビーム１０１の「ケラレ」が発生しやすくなる。ここで、ＨＵＤ１の動作環境の変化とは、例えば、画像形成部１００が設置されている場所の温度が上昇することや、経時変動等によって第１光ビーム１０１の光軸がずれる等を指す。
反射面２１０１により第１光ビーム１０１がケラれると、第２光ビーム１０２の一部が欠落することになるので、中間像２３１の光量が低下する。中間像２３１の光量が低下すると中間像２３１の輝度が低下する。また、中間像２３１のホワイトバランスが崩れる。中間像２３１の輝度が低下したり、ホワイトバランスが崩れたりすると、虚像２の画質が低下する。
したがって、設計上は、反射面２１０１上でマイクロレンズアレイ２３の中心に向かう光の主走査方向のビームスポット径Ｂｍと、反射面２１０１の主走査方向の幅である有効幅Φｍとの比は０．５から０．９の範囲が望ましい。すなわち、条件式３を満足するものが望ましい。ここで、ビームスポット径とは１／ｅ２における径である。
●実施例１
次に、本発明に係る画像表示装置の実施例について説明する。すでに説明をしたＨＵＤ１が備える画像形成部１００における各光学素子が上記にて説明した条件式１から条件式３を満たす数値例を以下に示す。表１は、実施例１に係る数値例である。
表１に示すように、曲率半径Ｒｍ、走査距離Ｌ、有効幅Φｍ、ビームスポット径Ｂｍ、反射面２１０１の半画角θｍを規定することで、実施例１に係る画像形成部１００は、上記の条件式１から条件式３の全ての条件を満たす。
すなわち、実施例１に係る画像形成部１００を備えるＨＵＤ１は、像面歪曲を補正するための光学素子を用いなくても中間像２３１の歪曲を防ぐことができるので、従来のものに比べて小型にしやすい。
また、中間像形成部であるマイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径を絞りつつ、ＭＥＭＳミラー２１が備える反射面２１０１とのバランスを保つので、画質の低下やスペックルの発生を防止し、フレームレートの低下も防ぐことができる。
また、使用環境の変化や経時的変化の影響で第１光ビーム１０１が反射面２１０１にケラれることを防ぐことができる。これによって、中間像２３１の画質を向上させることができ、また、中間像２３１における輝度の低下や、ホワイトバランスの崩れなどの悪影響の発生を防ぐことができる。
●実施例２
次に、本発明に係る画像表示装置の別の実施例について説明する。表２は、実施例２に係る数値例である。
表２に示すように、曲率半径Ｒｍ、走査距離Ｌ、有効幅Φｍ、ビームスポット径Ｂｍ、反射面２１０１の半画角θｍを規定することで、実施例２に係る画像形成部１００は、上記の条件式１から条件式３の全ての条件を満たす。
すなわち、実施例２に係る画像形成部１００を備えるＨＵＤ１は、像面歪曲を補正するための光学素子を用いなくても中間像２３１の歪曲を防ぐことができるので、従来のものに比べて小型にしやすい。
また、中間像形成部であるマイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径を絞りつつ、ＭＥＭＳミラー２１が備える反射面２１０１とのバランスを保つので、画質の低下やスペックルの発生を防止し、フレームレートの低下も防ぐことができる。
また、使用環境の変化や経時的変化の影響で第１光ビーム１０１が反射面２１０１にケラれることを防ぐことができる。これによって、中間像２３１の画質を向上させることができ、また、中間像２３１における輝度の低下や、ホワイトバランスの崩れなどの悪影響の発生を防ぐことができる。
●実施例３
次に、本発明に係る画像表示装置のさらに別の実施例について説明する。表３は、実施例３に係る数値例である。
表３に示すように、曲率半径Ｒｍ、走査距離Ｌ、有効幅Φｍ、ビームスポット径Ｂｍ、反射面２１０１の半画角θｍを規定することで、実施例３に係る画像形成部１００は、上記の条件式１から条件式３の全ての条件を満たす。
すなわち、実施例３に係る画像形成部１００を備えるＨＵＤ１は、像面歪曲を補正するための光学素子を用いなくても中間像２３１の歪曲を防ぐことができるので、従来のものに比べて小型にしやすい。
また、中間像形成部であるマイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径を絞りつつ、ＭＥＭＳミラー２１が備える反射面２１０１とのバランスを保つので、画質の低下やスペックルの発生を防止し、フレームレートの低下も防ぐことができる。
また、使用環境の変化や経時的変化の影響で第１光ビーム１０１が反射面２１０１にケラれることを防ぐことができる。これによって、中間像２３１の画質を向上させることができ、また、中間像２３１における輝度の低下や、ホワイトバランスの崩れなどの悪影響の発生を防ぐことができる。
●実施例４
次に、本発明に係る画像表示装置のさらに別の実施例について説明する。表４は、実施例４に係る数値例である。
表４に示すように、曲率半径Ｒｍ、走査距離Ｌ、有効幅Φｍ、ビームスポット径Ｂｍ、反射面２１０１の半画角θｍを規定することで、実施例４に係る画像形成部１００は、上記の条件式１から条件式３の全ての条件を満たす。
すなわち、実施例４に係る画像形成部１００を備えるＨＵＤ１は、像面歪曲を補正するための光学素子を用いなくても中間像２３１の歪曲を防ぐことができるので、従来のものに比べて小型にしやすい。
また、中間像形成部であるマイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径を絞りつつ、ＭＥＭＳミラー２１が備える反射面２１０１とのバランスを保つので、画質の低下やスペックルの発生を防止し、フレームレートの低下も防ぐことができる。
また、使用環境の変化や経時的変化の影響で第１光ビーム１０１が反射面２１０１にケラれることを防ぐことができる。これによって、中間像２３１の画質を向上させることができ、また、中間像２３１における輝度の低下や、ホワイトバランスの崩れなどの悪影響の発生を防ぐことができる。
●実施例５
次に、本発明に係る画像表示装置のさらに別の実施例について説明する。表５は、実施例５に係る数値例である。
表５に示すように、曲率半径Ｒｍ、走査距離Ｌ、有効幅Φｍ、ビームスポット径Ｂｍ、反射面２１０１の半画角θｍを規定することで、実施例５に係る画像形成部１００は、上記の条件式１から条件式３の全ての条件を満たす。
すなわち、実施例５に係る画像形成部１００を備えるＨＵＤ１は、像面歪曲を補正するための光学素子を用いなくても中間像２３１の歪曲を防ぐことができるので、従来のものに比べて小型にしやすい。
また、中間像形成部であるマイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径を絞りつつ、ＭＥＭＳミラー２１が備える反射面２１０１とのバランスを保つので、画質の低下やスペックルの発生を防止し、フレームレートの低下も防ぐことができる。
また、使用環境の変化や経時的変化の影響で第１光ビーム１０１が反射面２１０１にケラれることを防ぐことができる。これによって、中間像２３１の画質を向上させることができ、また、中間像２３１における輝度の低下や、ホワイトバランスの崩れなどの悪影響の発生を防ぐことができる。
●実施例６
次に、本発明に係る画像表示装置のさらに実施例について説明する。表６は、実施例６に係る数値例である。
表６に示すように、曲率半径Ｒｍ、走査距離Ｌ、有効幅Φｍ、ビームスポット径Ｂｍ、反射面２１０１の半画角θｍを規定することで、実施例６に係る画像形成部１００は、上記の条件式１から条件式３の全ての条件を満たす。
すなわち、実施例６に係る画像形成部１００を備えるＨＵＤ１は、像面歪曲を補正するための光学素子を用いなくても中間像２３１の歪曲を防ぐことができるので、従来のものに比べて小型にしやすい。
また、中間像形成部であるマイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径を絞りつつ、ＭＥＭＳミラー２１が備える反射面２１０１とのバランスを保つので、画質の低下やスペックルの発生を防止し、フレームレートの低下も防ぐことができる。
また、使用環境の変化や経時的変化の影響で第１光ビーム１０１が反射面２１０１にケラれることを防ぐことができる。これによって、中間像２３１の画質を向上させることができ、また、中間像２３１における輝度の低下や、ホワイトバランスの崩れなどの悪影響の発生を防ぐことができる。
●実施例７
次に、本発明に係る画像表示装置のさらに実施例について説明する。表７は、実施例７に係る数値例である。
表７に示すように、曲率半径Ｒｍ、走査距離Ｌ、有効幅Φｍ、ビームスポット径Ｂｍ、反射面２１０１の半画角θｍを規定することで、実施例７に係る画像形成部１００は、上記の条件式１から条件式３の全ての条件を満たす。
すなわち、実施例７に係る画像形成部１００を備えるＨＵＤ１は、像面歪曲を補正するための光学素子を用いなくても中間像２３１の歪曲を防ぐことができるので、従来のものに比べて小型にしやすい。
また、中間像形成部であるマイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径を絞りつつ、ＭＥＭＳミラー２１が備える反射面２１０１とのバランスを保つので、画質の低下やスペックルの発生を防止し、フレームレートの低下も防ぐことができる。
また、使用環境の変化や経時的変化の影響で第１光ビーム１０１が反射面２１０１にケラれることを防ぐことができる。これによって、中間像２３１の画質を向上させることができ、また、中間像２３１における輝度の低下や、ホワイトバランスの崩れなどの悪影響の発生を防ぐことができる。
●実施例８
次に、本発明に係る画像表示装置のさらに実施例について説明する。表８は、実施例８に係る数値例である。
表８に示すように、曲率半径Ｒｍ、走査距離Ｌ、有効幅Φｍ、ビームスポット径Ｂｍ、反射面２１０１の半画角θｍを規定することで、実施例８に係る画像形成部１００は、上記の条件式１から条件式３の全ての条件を満たす。
すなわち、実施例８に係る画像形成部１００を備えるＨＵＤ１は、像面歪曲を補正するための光学素子を用いなくても中間像２３１の歪曲を防ぐことができるので、従来のものに比べて小型にしやすい。
また、中間像形成部であるマイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径を絞りつつ、ＭＥＭＳミラー２１が備える反射面２１０１とのバランスを保つので、画質の低下やスペックルの発生を防止し、フレームレートの低下も防ぐことができる。
また、使用環境の変化や経時的変化の影響で第１光ビーム１０１が反射面２１０１にケラれることを防ぐことができる。これによって、中間像２３１の画質を向上させることができ、また、中間像２３１における輝度の低下や、ホワイトバランスの崩れなどの悪影響の発生を防ぐことができる。
●実施例９
次に、本発明に係る画像表示装置のさらに実施例について説明する。表９は、実施例９に係る数値例である。
表９に示すように、曲率半径Ｒｍ、走査距離Ｌ、有効幅Φｍ、ビームスポット径Ｂｍ、反射面２１０１の半画角θｍを規定することで、実施例９に係る画像形成部１００は、上記の条件式１から条件式３の全ての条件を満たす。
すなわち、実施例９に係る画像形成部１００を備えるＨＵＤ１は、像面歪曲を補正するための光学素子を用いなくても中間像２３１の歪曲を防ぐことができるので、従来のものに比べて小型にしやすい。
また、中間像形成部であるマイクロレンズアレイ２３におけるビームスポット径を絞りつつ、ＭＥＭＳミラー２１が備える反射面２１０１とのバランスを保つので、画質の低下やスペックルの発生を防止し、フレームレートの低下も防ぐことができる。
また、使用環境の変化や経時的変化の影響で第１光ビーム１０１が反射面２１０１にケラれることを防ぐことができる。これによって、中間像２３１の画質を向上させることができ、また、中間像２３１における輝度の低下や、ホワイトバランスの崩れなどの悪影響の発生を防ぐことができる。
１ ＨＵＤ
１０ 光源部
２０ 走査光学系
２１ ＭＥＭＳミラー
２３ マイクロレンズアレイ
１００ 画像形成部
１０１ 第１光ビーム
１０２ 第２光ビーム
１０３ 画像光
２１０ 微小ミラー
２３１ 中間像
２３２ 有効走査領域
２３３ 中間像中心
特許第５３７０４２７号明細書

Claims (5)

  1. 画像形成部において形成された中間像を透過反射部材に投写して虚像として表示する画像表示装置であって、
    前記画像形成部は、
    光源部と、前記光源部から出射された光を走査する光走査手段と、前記光走査手段の偏向面で走査された前記光により前記中間像を形成する中間像形成部と、
    を有し、
    前記光走査手段による前記光の走査は、主走査方向と副走査方向の二次元走査であり、
    前記中間像形成部は、前記偏向面で走査された前記光が入射する入射面が凹面となっている前記主走査方向のみに湾曲したシリンダー形状であり、
    前記主走査方向における前記中間像形成部の曲率半径をＲｍ、
    前記偏向面が偏向走査をする際の基準点から前記中間像形成部において前記中間像が形成される領域の中心点までの距離をＬとし、
    前記偏向面の有効な光偏向領域における前記主走査方向の幅をΦｍとし、
    前記偏向面の有効な光偏向領域における前記主走査方向のビームスポット径をＢｍとすると、
    前記画像形成部は、
    条件式１である０．３＜Ｒｍ／Ｌ＜３、
    条件式２である０．５×１０ −２ ＜Φｍ／Ｌ＜３×１０ −２ 、
    条件式３である０．５≦Ｂｍ／Φｍ＜０．９、
    を満足することを特徴とする画像表示装置。
  2. 前記中間像形成部は、マイクロレンズアレイである、
    請求項１記載の画像表示装置。
  3. 前記光走査手段は、前記主走査方向と前記副走査方向に反射面を向ける微小ミラーからなる、
    請求項１または２記載の画像表示装置。
  4. 前記光走査手段と前記中間像形成部の間には、平面反射板が配置されている、
    請求項１乃至３のいずれかに記載の画像表示装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の画像表示装置を備え、
    前記中間像を運転者に虚像として示す、
    ことを特徴とする車両。
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