JP7346052B2

JP7346052B2 - 画像表示装置

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Publication number: JP7346052B2
Application number: JP2019062832A
Authority: JP
Inventors: 勝利佐々木; 修小沼; 孝至笹岡
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2023-09-19
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: KR20200115000A; JP2020160392A

Description

本開示は、画像表示装置に関する。

一般的な画像表示装置の光学系は、複数の反射部を用いた構成とされている。例えば、特許文献１のヘッドアップディスプレイ装置は、投影部から出射された光を第一反射部、第二反射部、折り返しミラー及び凹面ミラーを介してウインドシールドの投影点に導く構成とされている。

特開２０１６－１４８６１号公報

本出願人は、以下の課題を見出した。特許文献１のヘッドアップディスプレイ装置は、投影部から出射された光がジグザグに折り返された光路を辿るため、ヘッドアップディスプレイ装置が大型化する課題を有する。
本開示は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、画像表示装置の小型化を実現する。

本開示の一態様に係る画像表示装置は、
第１の光源と、
前記第１の光源から出射された光が入射する球面レンズと、
前記球面レンズから出射された光が入射する非球面レンズと、
前記非球面レンズから出射された光が入射する第１の自由曲面ミラーと、
前記第１の自由曲面ミラーから出射された光が入射する第２の自由曲面ミラーと、
前記第２の自由曲面ミラーから出射された光が入射する第３の自由曲面ミラーと、
前記第３の自由曲面ミラーから出射された光が入射し、画像情報を表示する画像表示パネルと、
を備え、
前記第１の自由曲面ミラーから出射された光の光路と、前記第２の自由曲面ミラーから出射された光の光路と、前記第３の自由曲面ミラーから出射された光の光路と、が互いに交差する。

本開示によれば、画像表示装置の小型化を実現することができる。

実施の形態１の画像表示装置の構成を説明するための図である。実施の形態１の画像表示装置の各要素の配置を模式的に示す図である。実施の形態１の画像表示装置の各要素の配置を模式的に示す異なる図である。実施の形態１の第１の低減部を示す斜視図である。実施の形態１の第１の低減部を示す正面図である。実施の形態１の第１の低減部を示す異なる斜視図である。実施の形態１の第１の低減部のディフューザーを回転させた状態を示す斜視図である。実施の形態１の画像表示装置の球面レンズ及び非球面レンズの形状を示す表である。係数を説明するための表である。実施の形態１の画像表示装置の第１の自由曲面ミラー、第２の自由曲面ミラー及び第３の自由曲面ミラーの形状を示す表である。係数を説明するための表である。実施の形態１の画像表示装置の拡散部、非球面レンズ、球面レンズ、第１の自由曲面ミラー、第２の自由曲面ミラー及び第３の自由曲面ミラーの配置を示す表である。図１２の場合に比べて、使用者の目が画像表示装置の側に移動した際の、実施の形態１の画像表示装置の拡散部、非球面レンズ、球面レンズ、第１の自由曲面ミラー、第２の自由曲面ミラー及び第３の自由曲面ミラーの配置を示す表である。図１２の場合に比べて、使用者の目が画像表示装置の側に対して逆側に移動した際の、実施の形態１の画像表示装置の拡散部、非球面レンズ、球面レンズ、第１の自由曲面ミラー、第２の自由曲面ミラー及び第３の自由曲面ミラーの配置を示す表である。実施の形態２の第１の低減部を示す斜視図である。実施の形態４の画像表示装置の各要素の配置を模式的に示す図である。実施の形態４の画像表示装置の各要素の配置を模式的に示す異なる図である。

以下、本開示を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本開示が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
先ず、本実施の形態の画像表示装置の基本的な構成を説明する。図１は、本実施の形態の画像表示装置の構成を説明するための図である。図２は、本実施の形態の画像表示装置の各要素の配置を模式的に示す図である。図３は、本実施の形態の画像表示装置の各要素の配置を模式的に示す異なる図である。なお、以下の説明では、説明を明確にするために、三次元（ＸＹＺ）座標系を用いて説明する。

本実施の形態の画像表示装置１は、図１に示すように、使用者の目の位置に焦点を合わせ、当該目の位置で良好な像が形成されるように光を出射する構成とされている。画像表示装置１は、図２及び図３に示すように、第１の光源２、第１の反射ミラー３、第１の走査部４、ビームスプレッタ５、第２の反射ミラー６、パラボリックミラー７、拡散部８、球面レンズ９、非球面レンズ１０、第１の自由曲面ミラー１１、第２の自由曲面ミラー１２、第３の自由曲面ミラー１３、第２の光源１４、第３の反射ミラー１５、第２の走査部１６及び画像表示パネル１７を備えており、これらの要素は、筐体に搭載されている。

第１の光源２は、白色光源である。第１の光源２は、例えば、レーザー光源であり、ＲＧＢのレーザー光をＸ軸－側に出射する。第１の反射ミラー３は、第１の光源２から出射された光が入射し、当該光を第１の走査部４に出射する。第１の反射ミラー３は、例えば、第１の光源２に対してＸ軸－側に配置されており、第１の光源２から出射された光をＺ軸－側に出射する。

第１の走査部４は、第１の反射ミラー３から入射した光を走査してビームスプレッタ５に出射する。第１の走査部４は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）Ｍｉｒｒｏｒを備えている。そして、第１の走査部４は、第１の反射ミラー３に対してＺ軸－側に配置されており、第１の反射ミラー３から入射した光をＹ軸－側であって、且つＺ軸＋側の斜め方向に出射する。

第１の走査部４は、Ｘ軸及びＹ軸の２軸回りに回転駆動可能であり、センサによって検出された使用者の左右一方の目の位置（ＸＹＺの位置）に応じて、使用者の一方の目の位置で良好な像が形成されるように、パラボリックミラー７などを介して拡散部８に入射される光の当該拡散部８への入射位置を制御する。ここで、使用者の目の位置に応じて光を制御する技術は、既に公知であるため、詳細な説明は省略する。なお、第１の走査部４は、光を走査できる構成であればよい。

ビームスプレッタ５は、第１の走査部４から入射した光を透過させて第２の反射ミラー６に出射する。ビームスプレッタ５は、例えば、第１の走査部４に対して、Ｙ軸－側であって、且つＺ軸＋側に配置されており、第１の走査部４から入射した光を曲げることなく出射する。

第２の反射ミラー６は、ビームスプレッタ５から入射した光をパラボリックミラー７に出射する。第２の反射ミラー６は、例えば、ビームスプレッタ５に対して、Ｙ軸－側であって、且つＺ軸＋側に配置されており、ビームスプレッタ５から入射した光をＹ軸＋側に出射する。このとき、ビームスプレッタ５は、第１の走査部４と第２の反射ミラー６との間に配置されている。

パラボリックミラー７は、第２の反射ミラー６から入射した光を拡散部８の光入射面に垂直に入射させる。パラボリックミラー７は、例えば、第２の反射ミラー６に対してＹ軸＋側に配置されており、第２の反射ミラー６から入射した光をＺ軸－側に出射する。

拡散部８は、パラボリックミラー７から入射した光を画像表示パネル１７の表示領域の全域に照射することができるように拡散して球面レンズ９に出力する。拡散部８は、例えば、回折光学素子や拡散板を備えており、パラボリックミラー７から入射した光を画像表示パネル１７の表示領域の全域に照射することができるように、当該光を略矩形状に拡散するＢｅａｍＳｈａｐｅｒとして機能する。

拡散部８は、パラボリックミラー７に対してＺ軸－側に配置されており、パラボリックミラー７から入射した光をＺ軸－側に出射する。但し、拡散部８は、パラボリックミラー７から入射した光を画像表示パネル１７の表示領域の全域に照射することができるように当該光を拡散できればよい。

球面レンズ９は、当該球面レンズ９の光出射面に凹面を備えており、拡散部８から入射した光を非球面レンズ１０に出射する。球面レンズ９は、例えば、拡散部８に対してＺ軸－側に配置されており、拡散部８から入射した光をＺ軸－側に出射する。

非球面レンズ１０は、当該非球面レンズ１０の光入射面に凸面を備えており、球面レンズ９から入射した光を第１の自由曲面ミラー１１に出射する。非球面レンズ１０は、例えば、球面レンズ９に対してＺ軸－側に配置されており、球面レンズ９から入射した光をＺ軸－側に出射する。なお、球面レンズ９及び非球面レンズ１０の詳細な配置及び形状は、後述する。

第１の自由曲面ミラー１１は、非球面レンズ１０から入射した光を第２の自由曲面ミラー１２に出射する。第１の自由曲面ミラー１１は、例えば、非球面レンズ１０に対してＺ軸－側に配置されており、大凡、第１の自由曲面ミラー１１の反射面がＹ軸－側であって、且つＺ軸＋側に向いている。

つまり、パラボリックミラー７と第１の自由曲面ミラー１１との間に、拡散部８、球面レンズ９及び非球面レンズ１０が配置されている。そして、第１の自由曲面ミラー１１は、例えば、非球面レンズ１０から入射した光をＹ軸－側であって、且つＺ軸＋側の斜め方向に出射する。

第２の自由曲面ミラー１２は、第１の自由曲面ミラー１１から入射した光を第３の自由曲面ミラー１３に出射する。第２の自由曲面ミラー１２は、例えば、第１の自由曲面ミラー１１に対して、Ｙ軸－側に配置されており、大凡、第２の自由曲面ミラー１２の反射面がＹ軸＋側に向いている。そして、第２の自由曲面ミラー１２は、例えば、第１の自由曲面ミラー１１から入射した光をＹ軸＋側であって、且つＺ軸＋側の斜め方向に出射する。

第３の自由曲面ミラー１３は、第２の自由曲面ミラー１２から入射した光を画像表示パネル１７に出射する。第３の自由曲面ミラー１３は、例えば、第２の自由曲面ミラー１３に対して、Ｙ軸＋側に配置されており、大凡、第３の自由曲面ミラー１３の反射面がＹ軸－側であって、且つＺ軸－側に向いている。そして、第３の自由曲面ミラー１３は、例えば、第２の自由曲面ミラー１２から入射した光をＺ軸－側に出射する。

これらの第１の自由曲面ミラー１１、第２の自由曲面ミラー１２及び第３の自由曲面ミラー１３は、使用者の目の位置で焦点が合うように設計されている。そして、図２に示すように、第１の自由曲面ミラー１１から出射された光の光路と、第２の自由曲面ミラー１２から出射された光の光路と、第３の自由曲面ミラー１３から出射された光の光路と、が重なるように、つまり、相互の光路が折り畳まれるように、第１の自由曲面ミラー１１、第２の自由曲面ミラー１２及び第３の自由曲面ミラー１３が配置されている。なお、第１の自由曲面ミラー１１、第２の自由曲面ミラー１２及び第３の自由曲面ミラー１３の詳細な配置及び形状は、後述する。

第２の光源１４は、白色光源である。第２の光源１４は、例えば、レーザー光源であり、ＲＧＢのレーザー光をＹ軸－側に出射する。第３の反射ミラー１５は、第２の光源１４から出射された光が入射し、当該光を第２の走査部１６に出射する。第３の反射ミラー１５は、例えば、第２の光源１４に対してＹ軸－側に配置されており、第２の光源１４から出射された光をＹ軸＋側であって、且つＺ軸－側の斜め方向に出射する。

第２の走査部１６は、第３の反射ミラー１５から入射した光を走査してビームスプレッタ５に出射する。第２の走査部１６は、例えば、ＭＥＭＳＭｉｒｒｏｒを備えている。そして、第２の走査部１６は、第３の反射ミラー１５に対してＹ軸＋側であって、且つＺ軸－側に配置されており、第３の反射ミラー１５から入射した光をＸ軸＋側に出射する。

第２の走査部１６は、Ｘ軸及びＹ軸の２軸回りに回転駆動可能であり、センサによって検出された使用者の他方の目の位置に応じて、使用者の他方の目の位置で良好な像が形成されるように、パラボリックミラー７などを介して拡散部８に入射される光の当該拡散部８への入射位置を制御する。ここで、使用者の目の位置に応じて光を制御する技術は、既に公知であるため、詳細な説明は省略する。なお、第２の走査部１６は、光を走査できる構成であればよい。

このとき、ビームスプレッタ５は、第２の走査部１６から入射した光を曲げて、第１の走査部４から入射した光と第２の走査部１６から入射した光とを等しい光路上に配置してパラボリックミラー７に出射する。

画像表示パネル１７は、画像情報を表示する。画像表示パネル１７は、例えば、ホログラム画像情報や３Ｄ画像情報を表示するＬＣＤ（Liquid Crystal Display）パネルである。ホログラム画像情報を表示する場合、画像表示パネル１７は、右目用画像情報と左目用画像情報とを同時に表示する。３Ｄ（dimensions）画像情報を表示する場合、画像表示パネル１７は、右目用画像情報と左目用画像情報とを予め設定された期間で入れ替えて表示する。但し、画像表示パネル１７は、２Ｄ画像情報を表示してもよい。

このような画像表示装置１は、第１の光源２から出射された光によって使用者の一方の目に画像表示パネル１７を介して良好な像を形成でき、第２の光源１４から出射された光によって使用者の他方の目に画像表示パネル１７を介して良好な像を形成できる。そのため、画像情報としてホログラム画像情報や３Ｄ画像情報を画像表示パネル１７に表示すると、使用者に立体的な像を認識させることができる。

このとき、画像表示装置１においては、上述のように、第１の自由曲面ミラー１１から出射された光の光路と、第２の自由曲面ミラー１２から出射された光の光路と、第３の自由曲面ミラー１３から出射された光の光路と、が重なるように、第１の自由曲面ミラー１１、第２の自由曲面ミラー１２及び第３の自由曲面ミラー１３を配置している。そのため、特許文献１のヘッドアップディスプレイ装置に比べて、画像表示装置１を小型化することができる。

ちなみに、第１の光源２、第１の反射ミラー３、第１の走査部４、ビームスプレッタ５、第２の反射ミラー６、第２の光源１４、第３の反射ミラー１５及び第２の走査部１６は、第３の自由曲面ミラー１３のＺ軸＋側の空間に配置されているとよい。また、球面レンズ９及び非球面レンズ１０は、第３の自由曲面ミラー１３のＹ軸＋側の空間に配置されているとよい。これにより、画像表示装置１の筐体内のデッドスペースを有効に活用でき、画像表示装置１の小型化に寄与できる。

ここで、第１の光源２及び第２の光源１４としてレーザー光源を用いる場合、レーザー光はコヒーレントな光であるため、画像表示パネル１７を介して形成される像にスペックルが発生する可能性がある。

そこで、パラボリックミラー７と拡散部８との間に、第１の低減部を備えているとよい。ここで、図４は、本実施の形態の第１の低減部を示す斜視図である。図５は、本実施の形態の第１の低減部を示す正面図である。図６は、本実施の形態の第１の低減部を示す異なる斜視図である。図７は、本実施の形態の第１の低減部のディフューザーを回転させた状態を示す斜視図である。

第１の低減部２０は、図４乃至図６に示すように、ディフューザー２１、第１の枠部２２、第２の枠部２３、ボール支承２４、弾性体２５及び駆動部２６を備えている。ディフューザー２１は、拡散板で構成されており、例えば、矩形状である。

第１の枠部２２は、開口部２２ａ、第１の貫通孔２２ｂ及び第２の貫通孔２２ｃを備えている。開口部２２ａは、例えば、矩形状であり、当該開口部２２ａの内部にディフューザー２１が固定されている。

第１の貫通孔２２ｂ及び第２の貫通孔２２ｃは、Ｚ軸方向から見て略円形状である。これらの第１の貫通孔２２ｂと第２の貫通孔２２ｃとは、Ｙ軸方向で略等しい高さに配置され、且つＸ軸方向に間隔を開けて配置されている。

例えば、図５に示すように、Ｚ軸方向から見て第１の枠部２２が略矩形状を基本形態とする場合、第１の貫通孔２２ｂが第１の枠部２２のＸ軸＋側であって、且つＹ軸－側の角部に配置され、第２の貫通孔２２ｃが第１の枠部２２のＸ軸－側であって、且つＹ軸－側の角部に配置されている。

第２の枠部２３は、第１の枠部２２に対してＺ軸＋側に配置されている。第２の枠部２３は、開口部２３ａ、第１の貫通孔２３ｂ及び第２の貫通孔２３ｃを備えている。開口部２３ａは、例えば、第１の枠部２２の開口部２２ａと対応するように矩形状であり、大凡、第１の枠部２２の開口部２２ａとＺ軸方向で重なる。

第１の貫通孔２３ｂ及び第２の貫通孔２３ｃは、Ｚ軸方向から見て略円形状である。これらの第１の貫通孔２３ｂと第２の貫通孔２３ｃとは、Ｙ軸方向で略等しい高さに配置され、且つＸ軸方向に間隔を開けて配置されている。

例えば、図５に示すように、Ｚ軸方向から見て第２の枠部２３が略矩形状を基本形態とする場合、第１の貫通孔２３ｂが第２の枠部２３のＸ軸＋側であって、且つＹ軸－側の角部に配置され、第２の貫通孔２３ｃが第２の枠部２３のＸ軸－側であって、且つＹ軸－側の角部に配置されている。

ボール支承２４は、ボールが回転可能に保持部によって保持された構成であり、当該ボールが付勢された状態で保持部の先端から突出している。そして、ボール支承２４は、ボールが第１の枠部２２のＺ軸＋側の面に接触した状態で第２の枠部２３に固定されている。これにより、第２の枠部２３に対して第１の枠部２２がＸＹ平面上で移動可能な構成とされている。

このようなボール支承２４は、第２の枠部２３の開口部２３ａの周辺に配置されている。例えば、ボール支承２４は、第２の枠部２３の開口部２３ａを挟んでＸ軸方向の両側、及び当該開口部２３ａのＹ軸－側に配置されている。但し、第２の枠部２３に対して第１の枠部２２をＸＹ平面上で移動させることができれば、ボール支承でなくてもよく、例えば、滑り支承でもよい。また、ボール支承２４の配置も限定されない。

弾性体２５は、ボール支承２４のボールに第１の枠部２２のＺ軸＋側の面を押し当てるように、第１の枠部２２と第２の枠部２３とを連結する。弾性体２５は、例えば、コイルバネであり、第１の枠部２２と第２の枠部２３との隙間を跨ぐように配置されている。

駆動部２６は、第１の枠部２２を回転させる。駆動部２６は、第１の回転軸２６ａ、第２の回転軸２６ｂ、ベルト２６ｃ及びモータ２６ｄを備えている。第１の回転軸２６ａは、円柱形状を基本形態としている。そして、第１の回転軸２６ａは、Ｚ軸方向に延在しており、第２の枠部２３の第１の貫通孔２３ｂに回転可能に通されている。

このような第１の回転軸２６ａのＺ軸－側の面には、当該Ｚ軸－側の面からピン２６ｆがＺ軸方向に突出するように設けられている。ピン２６ｆは、第１の回転軸２６ａの中心軸に対して偏心した位置に配置されている。そして、ピン２６ｆの先端部は、第１の枠部２２の第１の貫通孔２２ｂに回転可能に通されている。

第２の回転軸２６ｂは、第１の回転軸２６ａと等しい構成とされているため、重複する説明は省略するが、第２の枠部２３の第２の貫通孔２３ｃに回転可能に通されている。そして、第２の回転軸２６ｂのＺ軸－側の面から突出するピン２６ｇの先端部は、第１の枠部２２の第２の貫通孔２２ｃに回転可能に通されている。

このとき、第１の回転軸２６ａのピン２６ｆと当該第１の回転軸２６ａの中心軸とのＸＹ平面での位置関係と、第２の回転軸２６ｂのピン２６ｇと当該第２の回転軸２６ｂの中心軸とのＸＹ平面での位置関係と、は略等しい。

ベルト２６ｃは、無端ベルトであり、第１の回転軸２６ａと第２の回転軸２６ｂとに掛け渡されている。これにより、第１の回転軸２６ａの中心軸と、第１の回転軸２６ａのピン２６ｆと、第２の回転軸２６ｂの中心軸と、第２の回転軸２６ｂのピン２６ｇと、ベルト２６ｃと、で平行リンク機構を形成する。

モータ２６ｄは、モータ２６ｄの回転駆動力を第２の回転軸２６ｂに伝達可能に、第２の回転軸２６ｂのＺ軸＋側の端部に接続されている。但し、モータ２６ｄは、第１の回転軸２６ａのＺ軸＋側の端部に接続されていてもよい。

このような第１の低減部２０において、モータ２６ｄを回転駆動させると、第２の回転軸２６ｂが回転すると共に、ベルト２６ｃを介して第１の回転軸２６ａが第２の回転軸２６ｂと同期するように回転する。

このとき、上述のように第１の回転軸２６ａの中心軸と、第１の回転軸２６ａのピン２６ｆと、第２の回転軸２６ｂの中心軸と、第２の回転軸２６ｂのピン２６ｇと、ベルト２６ｃと、で平行リンク機構を形成しているので、第１の回転軸２６ａ及び第２の回転軸２６ｂが回転すると、第２の枠部２３に対してディフューザー２１を回転させることができる。その結果、図７に示すように、第２の枠部２３に対してディフューザー２１の位置を変化させることができる。

このようにディフューザー２１を回転させることで、コヒーレントな光をインコヒーレントな光に変換することができ、スペックルの発生を抑制することができる。しかも、ディフューザー２１を回転させるので、ディフューザー２１の一点に光のエネルギーが集中することを抑制でき、ディフューザー２１の損傷を抑制することができる。

なお、第１の低減部２０を用いても、スペックルを抑制できない場合は、第１の光源２と第１の走査部４との間に第２の低減部３０や第２の光源１４と第２の走査部１６との間に第３の低減部４０が配置されているとよい。

第２の低減部３０は、図３に示すように、第１の反射ミラー３と第１の走査部４との間に配置されている。第２の低減部３０は、第１のコリメーターレンズ３１、ディフューザー３２、駆動部３３及び第２のコリメーターレンズ３４を備えている。

第１のコリメーターレンズ３１は、第１の反射ミラー３から出射された光が入射し、当該光を平行光に広げてディフューザー３２に出力する。ディフューザー３２は、例えば、円形状の拡散板で構成されており、第１のコリメーターレンズ３１から入射した光を拡散して第２のコリメーターレンズ３４に出射する。

駆動部３３は、ディフューザー３２の中心回りに当該ディフューザー３２を回転させる。駆動部３３は、モータなどを備えており、駆動部３３の回転駆動力をディフューザー３２に伝達可能に、ディフューザー３２の中心にモータの出力軸が接続されている。

第２のコリメーターレンズ３４は、ディフューザー３２から入射した光を集光して第１の走査部４に出力する。このような第２の低減部３０において、ディフューザー３２を回転させると、コヒーレントな光をインコヒーレントな光に変換することができ、スペックルの発生を抑制することができる。しかも、ディフューザー３２を回転させるので、ディフューザー３２の一点に光のエネルギーが集中することを抑制でき、ディフューザー３２の損傷を抑制することができる。

第３の低減部４０は、図３に示すように、第３の反射ミラー１５と第２の走査部１６との間に配置されている。このような第３の低減部４０は、第２の低減部３０と略等しい構成とされているため、重複する説明を省略するが、第２の低減部３０と同様に、第１のコリメーターレンズ４１、ディフューザー４２、駆動部４３及び第２のコリメーターレンズ４４を備えている。

そして、このような第３の低減部４０においても、ディフューザー４２を回転させると、コヒーレントな光をインコヒーレントな光に変換することができ、スペックルの発生を抑制することができる。しかも、ディフューザー４２を回転させるので、ディフューザー４２の一点に光のエネルギーが集中することを抑制でき、ディフューザー４２の損傷を抑制することができる。

次に、球面レンズ９及び非球面レンズ１０の形状を説明する。図８は、本実施の形態の画像表示装置の球面レンズ及び非球面レンズの形状を示す表である。図９は、係数を説明するための表である。ちなみに、図８の非球面レンズのＲ１面は光入射面であり、図８の非球面レンズのＲ２面は光出射面である。また、図８の球面レンズのＲ１面は光出射面であり、図８の球面レンズのＲ２面は光入射面である。

球面レンズ９及び非球面レンズ１０は、例えば、図８に示す形状を採用することができる。ここで、非球面レンズ１０の形状は、以下の、式（１）により規定することができる。ちなみに、ｚはＺ軸に平行な面のサグ量である。

次に、第１の自由曲面ミラー１１、第２の自由曲面ミラー１２及び第３の自由曲面ミラー１３の形状を説明する。図１０は、本実施の形態の画像表示装置の第１の自由曲面ミラー、第２の自由曲面ミラー及び第３の自由曲面ミラーの形状を示す表である。図１１は、係数を説明するための表である。

第１の自由曲面ミラー１１、第２の自由曲面ミラー１２及び第３の自由曲面ミラー１３は、例えば、図１０に示す形状を採用することができる。ここで、第１の自由曲面ミラー１１、第２の自由曲面ミラー１２及び第３の自由曲面ミラー１３は、以下の、式（２）乃至（４）により規定することができる。ちなみに、ｘは反射面のＸ座標、ｙは反射面のＹ座標、ｚはＺ軸に平行な面のサグ量、ｋはコーニック定数、Ｃ_ｊは単項式ｘ^ｍｙ^ｎの係数である。ここで、Ｘ座標及びＹ座標は、図１２乃至図１４で示されるＸ座標及びＹ座標である。

次に、拡散部８、球面レンズ９、非球面レンズ１０、第１の自由曲面ミラー１１、第２の自由曲面ミラー１２及び第３の自由曲面ミラー１３の配置を説明する。図１２は、本実施の形態の画像表示装置の拡散部、非球面レンズ、球面レンズ、第１の自由曲面ミラー、第２の自由曲面ミラー及び第３の自由曲面ミラーの配置を示す表である。図１３は、図１２の場合に比べて、使用者の目が画像表示装置の側に移動した際の、本実施の形態の画像表示装置の拡散部、非球面レンズ、球面レンズ、第１の自由曲面ミラー、第２の自由曲面ミラー及び第３の自由曲面ミラーの配置を示す表である。図１４は、図１２の場合に比べて、使用者の目が画像表示装置の側に対して逆側に移動した際の、本実施の形態の画像表示装置の拡散部、非球面レンズ、球面レンズ、第１の自由曲面ミラー、第２の自由曲面ミラー及び第３の自由曲面ミラーの配置を示す表である。

ここで、ＸＹＺ座標の原点は使用者の目の位置であり、αがＸ軸回りの傾き（偏芯）であり、＋側が図２のＸ軸－側から見て反時計回りの方向である。また、βがＹ軸回りの傾きであり、＋側が図２のＹ軸＋側から見て反時計回りの方向である。γがＺ軸回りの傾きである。

拡散部８、球面レンズ９、非球面レンズ１０、第１の自由曲面ミラー１１、第２の自由曲面ミラー１２及び第３の自由曲面ミラー１３は、例えば、図１２乃至図１４に示す配置を採用することができる。このとき、拡散部８、球面レンズ９及び非球面レンズ１０は、図１２乃至図１４に示すように、使用者の目の位置に応じて、Ｚ軸方向に移動する。

このような画像表示装置１においては、上述のように、光学系に３枚の自由曲面ミラー１１、１２、１３を用い、第１の自由曲面ミラー１１から出射された光の光路と、第２の自由曲面ミラー１２から出射された光の光路と、第３の自由曲面ミラー１３から出射された光の光路と、が重なるように、第１の自由曲面ミラー１１、第２の自由曲面ミラー１２及び第３の自由曲面ミラー１３を配置している。そのため、特許文献１のヘッドアップディスプレイ装置に比べて、画像表示装置１を小型化することができる。

しかも、第１の光源２から出射された光と第２の光源１４から出射された光とをビームスプレッタ５によって等しい光路上に配置して出射するので、１枚の画像表示パネル１７で時間遅延なく同時に左右の目に像を形成することができる。

また、第１の光源２及び第２の光源１４としてレーザー光源を用いる場合、第１の低減部２０、第２の低減部３０及び第３の低減部４０を備えていると、画像表示パネル１７を介して使用者の目に形成される像に発生するスペックルを低減することができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１の第１の低減部２０は、ディフューザー２１を回転させる構成としたが、この限りでない。図１５は、本実施の形態の第１の低減部を示す斜視図である。本実施の形態の第１の低減部５０は、図１５に示すように、ディフューザー５１をＸ軸方向に揺動させる構成とされている。ここで、第１の低減部５０は、枠部１８によって囲まれた拡散部８の光入射面を覆うように配置される。

第１の低減部５０は、ディフューザー５１、枠部５２及び駆動部５３を備えている。ディフューザー５１は、例えば、矩形状の拡散板である。枠部５２は、開口部５２ａを備えている。開口部５２ａは、例えば、矩形状であり、当該開口部５２ａの内部にディフューザー５１が固定されている。

駆動部５３は、枠部５２をＸ軸方向に揺動させる。駆動部５３は、例えば、リニアアクチュエータ５３ａを備えており、当該リニアアクチュエータ５３ａのスライダー５３ｂが枠部５２に固定されている。その結果、リニアアクチュエータ５３ａを駆動させると、枠部５２を介してディフューザー５１をＸ軸方向に揺動させることができる。但し、本実施の形態の駆動部５３は、リニアクチュエータ５３ａを備えているが、枠部５２をＸ軸方向に揺動できる構成であればよい。

このようにディフューザー５１を揺動させることで、コヒーレントな光をインコヒーレントな光に変換することができ、スペックルの発生を抑制することができる。しかも、ディフューザー５１を揺動させるので、ディフューザー５１の一点に光のエネルギーが集中することを抑制でき、ディフューザー５１の損傷を抑制することができる。

＜実施の形態３＞
なお、拡散部８として、リモートフォスファやＱＤ（Quantum Dot）シートを用いて、画像表示パネル１７を介して使用者の目に形成される像に発生するスペックルを低減してもよい。リモータフォスファは、例えば、透明なフィルムに青色レーザーの光を励起光として緑色及び赤色に波長変換する蛍光体を塗布して構成、又は当該蛍光体が練り込まれたフィルムで構成されている。ＱＤシートは、透明なフィルムに量子ドットを形成して構成されている。

これらのリモータフォスファ及びＱＤシートは、青色レーザーが入射すると白色光を出射する。そのため、拡散部８として、リモートフォスファやＱＤシートを用いる場合、第１の光源２及び第２の光源１４には、青色レーザー光源を用いるとよい。このとき、青色の光の大部分が緑色及び赤色の光に変換され、残りの青色の光がリモータフォスファ又はＱＤシートを透過することで、白色光となる。

このようなリモータフォスファやＱＤシートによっても、コヒーレントな光をインコヒーレントな光に変換することができ、スペックルの発生を抑制することができる。ここで、リモータフォスファやＱＤシートは、実施の形態２及び３のディフューザーと同様に回転させたり、揺動させたり、することができる構成であるとよい。

これにより、上述のように残りの青色の光がリモータフォスファ又はＱＤシートが透過することで、使用者の目に形成される像に発生するスペックルを低減することができる。しかも、リモータフォスファやＱＤシートの一点に光のエネルギーが集中することを抑制でき、リモータフォスファやＱＤシートの損傷を抑制することができる。

＜実施の形態４＞
本実施の形態の画像表示装置は、画像表示パネル１７にホログラム画像情報又は３Ｄ画像情報を表示する場合と、画像表示パネル１７に２Ｄ画像情報を表示する場合と、に切り替えることができる構成とされている。

図１６は、本実施の形態の画像表示装置の各要素の配置を模式的に示す図である。図１７は、本実施の形態の画像表示装置の各要素の配置を模式的に示す異なる図である。本実施の形態の画像表示装置６０は、図１６及び図１７に示すように、実施の形態１の画像表示装置１と略等しい構成とされているが、高分子分散型液晶パネル６１及び第３の光源６２を備えている。

高分子分散型液晶パネル６１は、当該高分子分散型液晶パネル６１に電圧が印加されると光を透過するように液晶が配列し、高分子分散型液晶パネル６１への電圧の印加を停止すると光を散乱するように液晶が配列される。高分子分散型液晶パネル６１は、画像表示パネル１７の光入射面を覆うように配置されている。

第３の光源６２は、高分子分散型液晶パネル６１に光が到達するように配置されている。例えば、第３の光源６２として、図１６及び図１７に示すように、４個のＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄを備えている。

ＬＥＤ光源６２ａ、６２ｂは、ＬＥＤ光源６２ａ、６２ｂから出射された光が第１の自由曲面ミラー１１に入射するように、非球面レンズ１０のＸ軸方向の両側に配置されている。このとき、第１の自由曲面ミラー１１に入射した光は、第２の自由曲面ミラー１２及び第３の自由曲面ミラー１３を介して高分子分散型液晶パネル６１に到達する。

ＬＥＤ光源６２ｃ、６２ｄは、ＬＥＤ光源６２ｃ、６２ｄから出射された光が直接に高分子分散型液晶パネル６１に到達するように、第３の自由曲面ミラー１３から出射される光を遮らないように、高分子分散型液晶パネル６１のＺ軸＋側に配置されている。

このような画像表示装置６０において、画像表示パネル１７にホログラム画像情報又は３Ｄ画像情報を表示する場合、高分子分散型液晶パネル６１に電圧を印加して当該高分子分散型液晶パネル６１が光を透過する状態にし、第１の光源２及び第２の光源１４から光を出射させる。これにより、画像表示パネル１７を介して使用者の目に立体的な像を形成することができる。

一方、画像表示装置６０において、画像表示パネル１７に２Ｄ画像情報を表示する場合、高分子分散型液晶パネル６１への電圧の印加を停止して当該高分子分散型液晶パネル６１を白色状態にし、第３の光源６２から光を出射させる。これにより、高分子分散型液晶パネル６１に入射した光は拡散し、画像表示パネル１７の表示領域の全域を照射する。その結果、画像表示パネル１７を介して使用者の目に平面的な像を形成することができる。

但し、本実施の形態の高分子分散型液晶パネル６１は、高分子分散型液晶パネル６１に電圧を印加することで光を透過する状態になり、高分子分散型液晶パネル６１への電圧の印加を停止することで光を拡散する状態になる構成を例示したが、高分子分散型液晶パネル６１への電圧の印加を停止することで光を透過する状態になり、高分子分散型液晶パネル６１に電圧を印加することで光を拡散する状態になる構成でもよい。

なお、第３の光源６２は、高分子分散型液晶パネル６１に光が到達するように配置されていればよく、また、第３の光源６２としては、高分子分散型液晶パネル６１の光入射面を良好に照射することができれば、ＬＥＤ光源でなくてもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、第１の反射ミラー３を用いることなく、第１の光源２から出射された光を第１の走査部４に入射させたり、第３の反射ミラー１５を用いることなく、第２の光源１４から出射された光を第２の走査部１６に入射させたり、してもよい。要するに、パラボリックミラー７への光の入射経路は、限定されない。

例えば、第１の光源２及び第２の光源１４は、レーザー光源に限定されず、第１の光源２及び第２の光源１４から出射された光で画像表示パネル１７の表示領域を良好に照射することができればよい。また、第２の光源１４、第３の反射ミラー１５、第２の走査部１６及びビームスプレッタ５を省略いてもよい。

１画像表示装置
２第１の光源
３第１の反射ミラー
４第１の走査部
５ビームスプレッタ
６第２の反射ミラー
７パラボリックミラー
８拡散部
９球面レンズ
１０非球面レンズ
１１第１の自由曲面ミラー
１２第２の自由曲面ミラー
１３第３の自由曲面ミラー
１４第２の光源
１５第３の反射ミラー
１６第２の走査部
１７画像表示パネル
１８枠部
２０第１の低減部
２１ディフューザー
２２第１の枠部、２２ａ開口部、２２ｂ第１の貫通孔、２２ｃ第２の貫通孔
２３第２の枠部、２３ａ開口部、２３ｂ第１の貫通孔、２３ｃ第２の貫通孔
２４ボール支承
２５弾性体
２６駆動部、２６ａ第１の回転軸、２６ｂ第２の回転軸、２６ｃベルト、２６ｄモータ、２６ｆ、２６ｇピン
３０第２の低減部、３１第１のコリメーターレンズ、３２ディフューザー、３３駆動部、３４第２のコリメーターレンズ
４０第３の低減部、４１第１のコリメーターレンズ、４２ディフューザー、４３駆動部、４４第２のコリメーターレンズ
５０第１の低減部
５１ディフューザー
５２枠部、５２ａ開口部
５３駆動部、５３ａリニアアクチュエータ、５３ｂスライダー
６０画像表示装置
６１高分子分散型液晶パネル
６２第３の光源

Claims

第１の光源と、
前記第１の光源から出射された光が入射し、検出した使用者の目の位置に応じて、前記使用者の目の位置に焦点が合うように前記第１の光源から出射された光を走査する第１の走査部と、
前記第１の光源から出射された光が入射する球面レンズと、
前記球面レンズに拡散光を出射する拡散部と、
前記第１の走査部から出射された光が入射し、前記拡散部の光入射面に垂直に前記光を出射するパラボリックミラーと、
前記球面レンズから出射された光が入射する非球面レンズと、
前記非球面レンズから出射された光が入射する第１の自由曲面ミラーと、
前記第１の自由曲面ミラーから出射された光が入射する第２の自由曲面ミラーと、
前記第２の自由曲面ミラーから出射された光が入射する第３の自由曲面ミラーと、
前記第３の自由曲面ミラーから出射された光が入射し、画像情報を表示する画像表示パネルと、
を備え、
前記第１の自由曲面ミラーから出射された光の光路と、前記第２の自由曲面ミラーから出射された光の光路と、前記第３の自由曲面ミラーから出射された光の光路と、が互いに交差する、画像表示装置。
前記拡散部と前記パラボリックミラーとの間に、前記画像表示パネルを介して形成される像に発生するスペックルを低減するための第１の低減部を備える、請求項１に記載の画像表示装置。
前記第１の光源と前記第１の走査部との間に、前記画像表示パネルを介して形成される像に発生するスペックルを低減するための第２の低減部を備える、請求項１又は２に記載の画像表示装置。
前記球面レンズ、前記非球面レンズ及び前記拡散部は、前記使用者の目の位置に応じて、前記使用者の目の位置に焦点が合うように光の光路方向に移動する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
第２の光源と、
前記第２の光源から出射された光が入射し、前記使用者の目の位置に応じて、前記使用者の目の位置に焦点が合うように前記第２の光源から出射された光を走査する第２の走査部と、
前記第１の走査部と前記パラボリックミラーとの間であって、且つ前記第２の走査部と前記パラボリックミラーとの間に配置されるビームスプレッタと、
を備え、
前記ビームスプレッタには、前記第１の走査部から出射された光及び前記第２の走査部から出射された光が入射し、
前記第１の走査部から出射された光と前記第２の走査部から出射された光とを前記ビームスプレッタで等しい光路上に配置して前記パラボリックミラーに出射する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
前記第２の光源と前記第２の走査部との間に、前記画像表示パネルを介して形成される像に発生するスペックルを低減するための第３の低減部を備える、請求項５に記載の画像表示装置。
前記画像表示パネルの光入射面を覆う高分子分散型液晶パネルと、
前記高分子分散型液晶パネルに光が到達するように前記光を出射する第３の光源と、
を備え、
前記画像表示パネルにホログラム画像情報又は３Ｄ画像情報を表示する場合、前記高分子分散型液晶パネルが光を透過する状態にして、前記第１の光源から光を出射させ、前記画像表示パネルに２Ｄ画像情報を表示する場合、前記高分子分散型液晶パネルが光を拡散する状態にして、前記第３の光源から光を出射させる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
前記画像表示パネルの光入射面を覆う高分子分散型液晶パネルと、
前記高分子分散型液晶パネルに光が到達するように前記光を出射する第３の光源と、
を備え、
前記画像表示パネルにホログラム画像情報又は３Ｄ画像情報を表示する場合、前記高分子分散型液晶パネルが光を透過する状態にして、前記第１の光源及び前記第２の光源から光を出射させ、前記画像表示パネルに２Ｄ画像情報を表示する場合、前記高分子分散型液晶パネルが光を拡散する状態にして、前記第３の光源から光を出射させる、請求項５又は６に記載の画像表示装置。