CN111868572A - 显示装置，显示***和移动体 - Google Patents

Abstract

一种显示装置,设有光学元件,其包括多个排成阵列的微透镜,光通过其进行发散；以及扫描仪,设置为使用从光源发射的光来二维扫描光学元件。视觉识别区域的长轴方向，其中通过多个微透镜时发散的发散光形成的虚像可以视觉识别为规定的图像，与多个微透镜的长轴方向相一致。

Description

显示装置，显示***和移动体

技术领域

本专利公布的实施例涉及显示装置，显示***，以及移动体。

背景技术

显示装置，如平视显示器(HUD)，被用于移动体,如车辆,的用途，其允许驾驶员(观看者)识别各种信息(例如车辆信息、导航信息和警告信息)，并减少视线的移动量。

此外，在通过光学扫描用作光学元件的微透镜阵列形成中间图像的技术中，显示装置是众所周知的。在这样的显示装置中，适当控制微透镜的形状和入射光的形状，从而减少由高相干激光束引起的干扰噪声。

例如，PTL1公开了在使用光学元件如微透镜对HUD激光扫描中微透镜阵列的多个微透镜被垂直定向。

引文列表

专利文献

【专利文献1】日本专利申请公开第2014-139657号

发明内容

技术问题

然而，在上述方法中，当假设一起配置成光学元件的多个微透镜，如微透镜阵列，的曲率在X方向和Y方向(垂直和水平两个方向)是恒定的时候，观察者在其中的范围内可以视觉识别的图像是垂直方向的。为此，当为移动体如车辆提供显示装置时，需要扩展垂直方向上的视觉识别区域，以确保驾驶员(观看者)的视点在横向的可视识别区域中可以很容易地移动，并且要确保观看者视觉识别的图像亮度不会恶化。

解决问题的方案

所述显示装置上设有光学元件，包括排列在阵列中的多个微透镜，光通过其发散，以及配置为使用从光源发射的光对光学元件进行二维扫描的扫描仪。视觉识别区域的长轴方向与所述多个微透镜的长轴方向相一致，通过所述多个微透镜发散的发散光形成的虚像在所述视觉识别区域可视觉识别为规定的图像。

本发明的效果

根据本公开的一个方面，可以有效地控制观看者视觉识别的图像亮度的减弱。

附图说明

附图旨在描绘本发明的实施例，不应被解释为限制其范围。附图不应视为按比例绘制，除非有明确标注。同样，相同或相似的标号在多个视图中表示相同或相似的组件。

图1是根据本公开的实施例说明显示***的***配置的图。

图2是根据本公开的实施例说明显示装置硬件配置的图。

图3是根据本公开的实施例说明显示装置功能配置的图。

图4是根据本公开的实施例说明光源装置的具体配置的图。

图5是根据本公开的实施例说明光偏转器的具体配置的图。

图6是根据本公开的实施例说明屏幕具体配置的图。

图7A和图7B是根据本公开的实施例，说明由于入射光通量直径和微透镜阵列中透镜直径的大小不同而在操作上的差异的图。

图8是根据本公开的实施例，说明光偏转器的反射镜与扫描范围之间的关系的图。

图9是根据本公开的实施例，说明在进行二维扫描时扫描线的轨迹的图。

图10是根据本公开的实施例，说明在微透镜阵列上绘制点的图。

图11是根据本公开的实施例，说明光通量在微透镜上的入射位置与该微透镜上的点图像强度之间的关系的图。

图12是根据本公开的实施例，说明当光源装置以恒定的输出连续打开时，微透镜阵列上点图像的强度分布。

图13是根据本公开的实施例，说明在扫描多个微透镜执行高功率模式和低功率模式时，微透镜阵列上点图像的强度分布的图。

图14是根据本公开的实施例，说明执行减少照明时，微透镜阵列上点图像的强度分布的图。

图15A到图15F是根据本公开的实施例，每个图示一种输出模式的具体示例的图。

图16是根据本公开的实施例，说明执行减少照明的间隔、透镜排列的间隔和云纹之间的关系的图。

图17是根据本公开的实施例，说明显示***中元件的相对位置的示意图。

图18是根据本公开的实施例，说明微透镜阵列与眼框(eye box)之间关系的图。

图19是根据本公开的实施例，说明中间图像与虚像之间关系的图。

图20A和图20B是根据控制样本，分别说明微透镜形状与眼框形状之间关系的示意图。

图21是根据本公开的实施例，说明微透镜形状与眼框形状之间关系的图。

图22A，图22B和图22C是根据本公开的实施例，分别说明微透镜阵列中微透镜的排列的图。

图23是根据本实施例，说明随机透镜阵列中多个微透镜的顶点的图。

图24A，图24B和图24C是根据本公开的实施例，分别说明水平方向随机透镜阵列的具体例子的图。

图25A到图25C是根据控制样本分别说明微透镜的顶点的图。图25D到图25F是根据本公开的实施例，分别说明水平方向微透镜的顶点的图。

图26是根据本公开的实施例说明微透镜阵列结构的图。

具体实施方式

本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式的“一”，“一个”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。

在描述附图中所示的实施例时，为了清楚起见采用特定术语。然而，本说明书的公开内容不旨在限于如此选择的特定术语，并且应当理解，每个特定元件包括具有相似功能，以相似方式操作并且获得相似结果的所有技术等同物。

本公开的实施例在下面参照附图描述。在图纸的描述中，类似的代号代表类似的元件，重复的描述省略。

实施例

***配置

图1所示是根据本公开的实施例说明显示***的***配置的图。图1所示的显示***1能够防止显示图像的亮度降低，而不降低观看者3视觉识别的显示图像的分辨率。

在显示***1中，因为从显示装置10投影的投影光投影到透射反射器上，观看者3能够视觉识别显示图像。显示图像是作为虚像45叠加在观看者3的视场上的图像。例如，显示***1提供给移动体，如车辆、飞机和船舶，或固定物体，如机动模拟***和家庭影院***。在本实施例中，描述了显示***1提供给作为移动体示例的车辆的案例。然而，无意对此加以限制，并且显示***1的使用类型不限于本实施例。

例如，显示***1安装在车辆中，使观看者3(即司机)通过车辆的前挡风玻璃50可见导航信息。导航信息包括，例如，关于车辆速度的信息、行程信息、到目的地的距离、当前地点的名称、车辆前面物体的存在或位置、交通标志指示例如限速和交通拥堵，以及辅助车辆的驾驶。在这些情况下，前挡风玻璃50作为透射反射器，它透过一部分入射光，并至少反射一些剩余的入射光。观看者3的视点位置与前挡风玻璃50之间的距离约为几十厘米(cm)至一米(m)。

显示***1包括显示装置10，自由曲面镜30，前挡风玻璃50。例如，显示装置10，是作为移动体的示例为车辆提供的抬头显示器(HUD)。显示装置10可设置在符合车辆内部设计的任何所需位置.例如，根据本实施例所述的显示装置10可设置在车辆仪表板下或内置在车辆仪表板中。

显示装置10上设有光源装置11，光偏转器13，屏幕15。光源装置11是一种发射从装置外的光源发射的激光束的装置.例如，光源装置11可以发射激光束，其中红色、绿色和蓝色的三色激光束(RGB)被结合在一起。从光源装置11发射的激光束被引导到光偏转器13的反射面。例如，光源装置11具有半导体发光元件，如作为光源的激光二极管(LD)。然而，无意对此限制，光源可以是半导体发光元件，如发光二极管(LED)。

光偏转器13是一种装置，使用，例如微机电***(MEMS)来改变激光束的行进方向。光偏转器13由扫描仪配置，例如由一个围绕彼此正交的两根轴线为枢轴的分钟MEMS反射镜或两个围绕一根轴线为枢轴或旋转的MEMS反射镜组成的反射镜***。从偏转器13发出的激光束扫描屏幕15。光偏转器13不限于MEMS反射镜，而是可由多棱镜或类似物配置.

屏幕15作为发散部分，以预定的发散角发散激光束。例如，屏幕15可以由出射光瞳扩张器(EPE)组成，并且可以由透射光学元件如微透镜阵列(MLA)或扩散光的扩散器面板来配置。或者，屏幕15可以由反射光学元件配置，例如扩散光的微镜阵列。当光偏转器13发出的激光束扫描屏幕15的表面时，屏幕15在屏幕15上形成二维中间图像40。

使用显示装置10投影图像的方法可以由面板***或激光扫描***实现。在面板***中，中间图像40由诸如液晶面板，数字微镜装置(DMD)面板(数字镜装置面板)或真空荧光显示屏(VFD)等成像装置形成。在激光扫描***中，中间图像40是通过使用光学扫描仪对光源装置11发射的激光束进行扫描而形成的。

根据本实施例的显示装置10采用激光扫描***。在激光扫描***中，每个像素可以分配给发射像素或非发射像素。因此，在激光扫描***中，在大多数情况下可以形成高对比度图像。在一些替代实施例中，上述描述的面板***可以用作显示装置10中的投影***。

将虚像45投影到自由曲面镜30和前挡风玻璃50上，而由屏幕15发射的激光束(成束激光)形成的中间图像40被放大供观看。自由曲面镜30的设计和安置是为了消除，例如，由前挡风玻璃50的弯曲形状引起的图像的倾斜，图像的失真和图像的位移。自由曲面镜30可以按能围绕旋转轴旋转的方式设置。由于这种配置，自由曲面镜30可以调整从屏幕15发射的激光束(成束激光)的反射方向，以改变虚像45显示的位置。

在本实施例中，自由曲面镜30使用商业上现有的光学设计仿真软件进行设计，使得自由曲面镜30具有一定水平的集光能力，以达到所需的虚像45的成像位置。在显示装置10中，自由曲面镜30的集光能力设计成使虚像45离开观看者3的视点位置在深度方向，例如，至少1米和等于或小于30米(最好是等于或小于10米)的位置显示。自由曲面镜30可以是凹面镜或具有集光能力的元件。自由曲面镜30是成像光学***的一个示例。

前挡风玻璃50作为透射反射器，它透过一些激光束(成束激光)，并至少反射一些剩余的激光束(部分反射)。前挡风玻璃50可以作为半透明的镜子，通过它观看者3可以视觉识别虚像45和移动体(车辆)前面的景色。虚像45是观看者3可以视觉识别的图像，包括车辆的相关信息(例如速度和旅行距离)、导航信息(例如路线指南和交通信息)和警告信息(例如碰撞警告)。例如，透射反射器可以是除了前挡风玻璃50之外设置的另一个前挡风玻璃。前挡风玻璃50是反射器的一个示例。

虚像45可以叠加在前挡风玻璃50前面的景色上显示。前挡风玻璃50不是平的，而是弯曲的。因此，虚像45形成的位置由自由曲面镜30和前挡风玻璃50的曲面确定。在一些实施例中，前挡风玻璃50可以是半透明反射镜(组合器)，它作为具有反射器部分反射功能的独立透射器。

由于上述配置，从屏幕15发射的激光束(成束激光)朝自由曲面镜30投射，并被前挡风玻璃50反射。因此，观看者3能够视觉识别虚像45，即由于前挡风玻璃50反射的光，在屏幕15上形成的中间图像40的放大图像。

硬件配置

图2是根据本实施例说明显示装置10的硬件配置的图。必要时，可以将某些组件或元件添加到图2所示的硬件配置或从中删除。

显示装置10包括控制显示装置10的运作的控制器17。例如，控制器17是安装在显示装置10内的电路板或集成电路(IC)芯片。控制器17包括现场可编程门阵列(FPGA)1001、中央处理器(CPU)1002、只读存储器(ROM)1003、随机存取存储器(RAM)1004、接口(I/F)1005、数据总线1006、激光二极管(LD)驱动器1008、微机电***(MEMS)控制器1010和电机驱动器1012。

FPGA1001是由显示装置10的设计者配置的集成电路。其中LD驱动器1008，MEMS控制器1010，以及根据FPGA1001输出的控制信号产生驱动信号的电机驱动器1012。

CPU1002是控制整个显示装置10的集成电路。ROM1003是储存控制CPU1002的程序的存储装置。RAM1004是CPU1002工作区的存储装置。接口1005与外部设备通讯。例如，接口1005连接到车辆的控制器区域网络(CAN)。

例如，LD1007是配置为光源装置11的一部分的半导体发光元件。LD驱动器1008是产生驱动LD1007的驱动信号的电路。MEMS1009配置为光偏转器13的一部分并移动扫描镜。MEMS控制器1010是为驱动MEMS1009产生驱动信号的电路。电机1011是转动自由曲面镜30的旋转轴的电动机。电机驱动器1012是产生驱动电机1011的驱动信号的电路。

功能配置

图3是根据本实施例说明显示装置10的功能配置的图。由显示装置10实现的功能包括车辆相关信息接收器171，外部信息接收器172，图像发生器173和图像显示单元174..

车辆相关信息接收器171是从控制器区域网络(CAN)或类似网络接收车辆相关信息(例如速度和旅行距离)的功能。例如，车辆相关信息接收器171由图2所示的一些元件实现。特别是，车辆相关信息接收器171可以由接口1005实现，由CPU1002和存储在ROM1003中的程序进行处理。

外部信息接收器172从外部网络接收车辆的外部信息(例如，来自全球定位***(GPS)的位置信息、来自导航***的路线信息和交通信息)。例如，外部信息接收器172由图2所示的一些元件实现。特别是，外部信息接收器172可以由接口1005实现，由CPU1002以及存储在ROM1003中的程序进行处理。

图像生成器173是一种基于车辆相关信息接收器171和外部信息接收器172输入的数据生成图像数据的功能，用于显示中间图像40和虚像45。例如，图像生成器173由图2所示的一些元件实现。特别是，图像生成器173可以通过CPU1002和存储在ROM1003中的程序执行的处理来实现。

图像显示单元174是基于图像生成器173生成的图像数据在屏幕15上形成中间图像40，并将形成中间图像40的激光束(成束激光)朝前挡风玻璃50上投射以显示虚像45的功能。例如，图像显示单元174由图2所示的一些元件实现。特别是，图像显示单元174可以通过CPU1002、FPGA1001、LD驱动器1008、MEMS控制器1010和电机驱动器1012以及存储在ROM1003中的程序执行的处理来实现。

图像显示单元174包括控制单元175，中间图像形成单元176和投影单元177。为了形成中间图像40，控制单元175产生控制信号，用于控制光源装置11和光偏转器13的操作。此外，控制单元175产生控制信号，控制自由曲面镜30的操作，以在所需位置显示虚像45。

中间图像形成单元176基于控制单元175产生的控制信号在屏幕15上形成中间图像40。投影单元177将形成中间图像40的激光束朝透射反射器(例如，前挡风玻璃50)投射，以形成供观看者3视觉识别的虚像45。

光源装置

图4是根据本实施例说明光源装置11的具体配置的图。光源装置11包括光源元件111R、111G和111B(这些光源元件在不需要区分每个光源元件时，在以下描述中可简单称为光源元件111)、连接透镜112R、112G和112B、开口113R、113G和113B、组合器114、115和116以及透镜117。光源装置11是光源的示例。

例如，三种颜色(红色、绿色和蓝色(RGB)的每个三色(R、G、B)的光源元件111R、111G和111B都具有单个或多个发光点的激光二极管(LD)。光源元件111R、111G和111B分别发射具有不同波长λR、λG和λB的激光束(光通量)。例如，λR＝640纳米(nm)，λG＝530nm，λB＝445nm。

发射的激光束(光通量)分别由耦合透镜112R、112G和112B耦合。耦合的激光束(光通量)分别由开口113R、113G和113B成形。开口113R、113G和113B的形状可以是各种形状，如圆、椭圆、矩形和正方形，取决于，例如，某些预定的条件，如激光束(光通量)的发散角。

由开口113R、113G和113B成形的多个激光束(光通量)分别由三个组合器114、115和116组合。组合器114、115和116是片状或棱镜分色镜，并根据激光束的波长经由其反射或传输激光束(光通量)，将激光束组合成一束激光束(光通量)，沿着一条光路行进。组合成束的激光束通过透镜117，并被引导到光偏转器13。

光偏转器

图5是根据本实施例，说明光偏转器13的具体配置的图。光偏转器13为半导体加工生产的MEMS反射镜，包括反射镜130，蛇形梁132，框架134，和压电构件136。光偏转器13是扫描仪的一个示例。

反射镜130具有反射平面，反射光源装置11向屏幕15侧发射的激光束。在光偏转器13中，一对蛇形梁132跨过反射镜130形成。每对蛇形梁132具有多个转向部分。每个转向部分配置交替排列的第一梁132a和第二梁132b。每对蛇形梁132由框架134支撑。压电构件136的设置使得相邻的第一梁132a和第二梁132b相互连接。压电构件136对第一梁132a和第二梁132b施加不同程度的电压，以使每个第一梁132a和第二梁132b不同地弯曲。

因此，彼此相邻的第一梁132a和第二梁132b向不同的方向弯曲。随着弯曲力的积累，反射镜130在垂直方向绕水平轴线旋转。由于上述这种配置，光偏转器13能够在低电压下在垂直方向上进行光学扫描。在水平方向绕垂直方向上的轴线的光学扫描是由连接到反射镜130的扭杆或类似物产生的共振实现的。

屏幕

图6是根据本实施例说明屏幕15的具体配置的图。从配置为光源装置11一部分的LD1007发射的激光束在屏幕15上形成图像。屏幕15作为发散部件，以预定的发散角发散激光束。图6所示的屏幕15具有微透镜阵列结构，其中多个六角形微透镜150之间无间隙排列。每一个微透镜150的透镜直径(相对的两边之间的距离)约为200微米(μm)。由于屏幕15的微透镜150具有六角形，多个微透镜150能够以高密度排列。根据本实施例的微透镜阵列200和微透镜150将在后详细描述。

图7A和7B是根据本实施例，说明由于入射光通量直径和微透镜阵列200中透镜直径的大小不同而在操作上的差异的图。在图7A中，屏幕15由光学板151配置，其中多个微透镜150整齐排列。当在光学板151上扫描入射光152时，入射光152随着通过微透镜150而发散，入射光152成为发散光153。由于屏幕15的微透镜150的结构，入射光152能够以预期的发散角154发散。微透镜150排列的间隔155被设计成比入射光152的直径156a宽。因此，屏幕15不会引起透镜之间的干扰，并且可以防止干扰噪声的发生。

图7B是说明当入射光152的直径156b比微透镜150排列的间隔155宽两倍时，发散光的光路的图。入射光152入射在两个微透镜150a和150b上，这两个微透镜150a和150b分别产生两个发散光157和158。在这种情况下，因为在区域159存在两个发散光，光可能相互干扰。两个发散光(相干光)之间的这种干扰被观看者视觉上识别为干扰噪声。

鉴于上述情况，为了减少干扰噪声，微透镜150排列的间隔155被设计成大于入射光152的直径156。一种有凸透镜的配置，如上参照图7A和图7B描述。然而，没有因此加以限制，并预期类似的情况下用凹透镜的配置。

光偏转器的光学扫描

图8是根据本实施例，说明光偏转器13的反射镜与扫描范围之间的关系。FPGA1001控制光源装置11中多个光源元件的光发射强度，光发射定时，和光的波形。LD驱动器1008驱动光源装置11的多个光源元件发射激光束。如图8所示，从多个光源元件发射并且其光路被组合在一起的激光束，通过光偏转器13的反射镜130绕α轴线和β轴线二维地偏转，屏幕15被作为扫描光束的反射镜130偏转的激光束幅射。换句话说，屏幕15是被光偏转器13的主扫描和副扫描作二维扫描。

在本实施例中，光偏转器13扫描的整个区域可被称为扫描范围。扫描光束在主扫描方向(X轴线方向)以振荡的方式在大约20,000至40,000赫兹(Hz)的高频下扫描(双向扫描)屏幕15的扫描范围，而在副扫描方向(Y轴方向)以大约几十赫兹的低频单向扫描屏幕15的扫描范围。换句话说，光偏转器13在屏幕15上进行光栅扫描。在这个配置中，显示装置10根据扫描位置(扫描光束的位置)控制多个光源元件的光发射。因此，能够在逐像素的基础上绘制图像，并能够显示虚像。

如上所述，副扫描周期约为几十Hz。因此，绘制一帧图像的时间长度，即扫描一帧的时间长度(二维扫描的一个周期)是几十毫秒(msec)。例如，假设主扫描周期和副扫描周期分别为20,000Hz和50Hz，则扫描一帧的时间长度为20msec。

图9是根据本实施例，说明进行二维扫描时扫描线轨迹的图。如图9所示，屏幕15包括图像区域61(即有效扫描区域)和围绕图像区域61的帧区域62。用根据图像数据调制的光辐照图像区域61，并在图像区域61上绘制中间图像40。

在本实施例中，扫描范围包括屏幕15上的图像区域61和帧区域62的一部分(即围绕图像区域61周边的一部分)。在图9中扫描线在扫描范围内的轨迹用锯齿线表示。为了便于说明，图9中扫描线的数目小于实际扫描线数。

例如，屏幕15可以由透射光学元件配置，例如扩散光的微透镜阵列200。在本实施例中，图像区域61的形状为矩形或平面。然而，无意因此加以限制，图像区域61的形状可以是多边形或弯曲的。进一步地，在一些实施例中，屏幕15可以是反射光学元件，如发散光的微镜阵列，取决于显示装置10的设计或布局。在本实施例的以下描述中，假定屏幕15由微透镜阵列200配置。

屏幕15具有同步检测***60，其包括设置在扫描范围内的图像区域61(帧区域62的一部分)边缘的光接收器。在图9中，同步检测***60设置在图像区域61的-X和+Y侧。更具体地说，同步检测***60被设置在+Y侧的一个角落。同步检测***60检测光偏转器13的操作并输出同步信号到FPGA1001，该信号决定扫描的开始定时或扫描的结束定时。

微透镜阵列上的绘制点

绘制在微透镜阵列200上的绘制点在下面参照图10描述。图10是根据本实施例说明微透镜阵列200上的绘制点。绘制点是在调制信号处于高水平时，由光源元件111发射的激光束(成束激光)在微透镜阵列200上绘制(形成)的点。在显示装置10中，能够以更高的分辨率绘制图案，因为绘制点的中心之间的间距较小。绘制点也称为光束点。

当微透镜阵列200的表面被扫描光束扫描时，图像显示单元174的控制单元175基于从图像生成器173发送的图像数据为每一个光源元件111产生调制信号(按颜色分类)。然后，控制单元175将产生的调制信号输出到LD驱动器1008，并高速调制多个光源元件111的光发射强度。光偏转器13在主扫描方向(即X轴线方向)双向扫描屏幕15的表面，其中参考标记821和822分别表示去和返回扫描的前半部分和去和返回扫描的后半部分。

在显示装置10中，调制频率(即调制信号的频率)(在下面的描述中，这种调制频率将称为时钟频率)更高时，可以在微透镜阵列200上绘制分辨率更高的图案。最小绘制宽度832(即一对相邻的点831的中心之间的间距)，在多个点831之间即时绘制，由时钟频率与扫描线的绘制速度(成像速度)之间的关系决定。注意，当调制信号处于高电平“1”时，光源元件111被打开，当调制信号处于低电平“0”时，光源元件111被关闭。此外，光源元件111中每一个(按颜色分类)的调制信号强度取决于图像数据中每一个像素的颜色信息中每种颜色(红色、绿色或蓝色)的比例。

在下面的描述中，主扫描方向(即X轴线方向)中的发光点之间的间隙称为发光点的间距(图10中标记832表示这种间隙)。副扫描方向两条扫描线之间的间隙(即如图10所示去和返回扫描的前半部分821和去和返回扫描的后半部分822之间的间隙)称为两条扫描线的间距。

图11是根据本实施例，说明在微透镜150中的一个上的光通量入射位置与该微透镜150上的点图像强度之间的关系。在本实施例中，该微透镜150的光学中心与几何中心相同。

入射到每一个微透镜150的入射光152有一个特定于激光束的高斯分布的强度轮廓。在入射光152中，在光通量的中心处强度较高，当离开光通量的中心时强度变得较低。

为了说明，假设入射到微透镜150中的一个的入射光线152，是从该微透镜150的正面观察到的。如图11中的“A”所表示，当实线表示光束强度的入射光152入射到微透镜150中的一个时，该微透镜150的中心与入射光通量的中心大致相同。因此，微透镜150上的点图像强度增加。

相反，当以虚线表示光束强度的入射光152入射到图11中“B”表示的微透镜150中的一个上时，该微透镜150的中心明显偏离入射光通量的中心。因此，通过微透镜150中心的光通量强度对应于高斯分布的尾部，并且该微透镜150上的点图像的强度减小。换句话说，图11中微透镜150上点图像的强度在“B”案例中比在“A”案例中小。

如上所述，微透镜150上的点图像强度随着入射在微透镜150上的光通量中心与该微透镜150中心之间的位移加大而减小。由于这种配置，在显示装置10中，扫描微透镜阵列200时使多个绘制点的重叠区域放置在每个微透镜150的中心。由于这种配置，可以防止微透镜150上的点图像强度降低，并且可以减少整个微透镜阵列200中亮度的变化。

当微透镜阵列200的表面用扫描光束进行二维扫描时，点图像的强度分布在下面参照图12描述。图12是根据本实施例，说明当光源装置11以恒定的输出持续打开时，微透镜阵列200上点图像的强度分布的图。图12说明微透镜阵列200的主扫描方向(即由排列在主要扫描方向上的多个微透镜150组成的透镜阵列，对应于去和返回扫描的前半部分821)的点图像强度分布。

首先，描述了所有绘制点以相同强度照明的一个案例。当扫描线中相邻绘制点873的中心之间的间距足够狭窄时(当照明点的间距足够狭窄时)，光通量通过微透镜150靠近每一个微透镜150的中心。更具体地说，当照明点在主扫描方向上的间距比微透镜150的透镜间距窄，每一多个微透镜150形成至少一个绘制点。由于这种配置，能够在显示装置10中有效地控制虚像45的亮度变化。注意，透镜间距也表示多个微透镜150的顶点之间的间距。

当光源装置11被反复打开以扫描微透镜阵列200时，点图像的强度分布，其输出模式包括至少一个高功率模式(例如，光源装置11以最大功率输出发射光的模式)和至少一个低功率模式(例如，光源装置11发射功率低于最大功率输出发射光的模式)，在下面描述。在本实施例中，高功率模式表示光源装置11以相对较高的功率输出发射光的模式，低功率模式表示光源装置11以相对较低的功率输出发射光的模式(低于高功率模式)。高功率模式可以是光源装置11的功率输出低于最大功率输出发射光的模式。

当从对应RGB三种颜色的三个光源元件111发射的光被组合产生所需的彩色光(对应于每个像素的图像数据的颜色信息的光)时，需要调整多种颜色的光源元件111的输出电平。因此，除了生成白色光时，需要根据每个像素的图像数据的颜色信息中每种颜色的比例，在光源元件111之间区分高功率模式和低功率模式的输出电平。

作为这种输出模式的例子，图13图示了一个实施例示例，其中多个如图12所示的绘制点873，当光源装置11以包括一个高功率模式和一个低功率模式的输出模式反复打开时，在高功率模式和低功率模式之间交替绘制。在高功率模式下绘制的绘制点(即图13中所示的白色绘制点)用代号873H表示，以及在低功率模式下绘制的绘制点(即图13中所示的黑色绘制点)用代号873L表示。在下面的描述中，在高功率模式下绘制的绘制点被称为高功率绘制点，而在低功率模式下绘制的绘制点被称为低功率绘制点。在图13中，高功率绘制点和低功率绘制点部分重叠。

当图13所示的输出模式重复时，与所有绘制点都是以高功率模式绘制的情况相比，光源装置11在规则的时间间隔以低功率模式打开。由于这种配置，显示装置10可以降低向微透镜阵列200发射的光的总强度，以降低虚像45的亮度。

调整扫描条件和透镜阵列，使高功率绘制点的间距在主扫描方向上小于微透镜150的透镜直径。由于这种配置，多个微透镜150可以形成至少一个高功率绘制点。由于这种配置，在显示装置10中，可以减少多个微透镜150上的光强度变化，也可以减少整个图像上亮度的变化。

当进行稀疏照明时，微透镜150上的点图像的强度分布描述如下。术语“稀疏照明”表示光源装置11在低功率模式被替换为关闭模式(即光源关闭的模式)的输出模式中被重复开启，即包括至少一个高功率模式(开启模式)和至少一个关闭模式的输出模式。图14演示了一个实施例示例，其中，光源装置11在包括一个高功率模式和一个关闭模式的输出模式中被反复打开。如图14所示的每个零功率点874，为一个小的开放圆，表示执行关闭模式的定时。

当如图14所示的输出模式进行绘制时，绘制点总数是在图13所示输出模式进行绘制时绘制点总数的一半。因此，在图14所示的输出模式，虚像45的亮度比图13所示的输出模式减少一半。如上所述，在显示装置10中，当关闭模式代替低功率模式时，衰落速率(亮度降低率)可以增加。

当照明点的间距在关闭模式下(例如，当主扫描方向上的微透镜150的透镜直径大于照明点的间距时)足够小时，多个微透镜150能够形成至少一个绘制点。由于这种配置，如图11所示，点图像强度的变化受到控制。因此，在显示装置10中，也可以减少像素的损耗(丢失)或由于稀疏照明而导致的亮度变化。

根据本实施例，在显示装置10中，执行高功率模式的次数与执行低功率模式(或关闭模式)的次数之比可以改变以变化衰落速率。通过对显示装置10采用这种方法，可以得到衰落速率相互不同的多个输出模式。这里，参照图15A至图15F描述衰落速率相互不同的多个不同输出模式的具体例子。图15A到图15F是根据本实施例，示出六个绘制点阵列和六个调制信号的图，对应于衰落速率相互不同的六种输出模式。在参照15A至图15F的描述中，假设高功率模式下的输出电平是最大功率输出，低功率模式下的输出电平在多个输出模式之间相同。

如图15A所示，当高功率绘制点和低功率绘制点按交替顺序排列时，即当光源装置11在包括一次高功率模式和一次低功率模式的输出模式中反复开启时，从最大亮度(即当光源以最大功率输出连续开启时达到的亮度)的衰落速率最大约为50％。

如图15B所示，当高功率绘制点和零功率点以交替顺序排列时，即当光源设备11在包括一次高功率模式和一次关闭模式的输出模式中反复开启时，从最大亮度的衰落速率为50％。

如图15C所示，当反复设置一个高功率绘制点后排列连续两个低功率绘制点的模式时，即当光源装置11在包括一次高功率模式和两次连续低功率模式的输出模式中反复开启时，从最大亮度的衰落速率约为最大66％。

如图15D所示，当一个高功率绘制点的后面排列两个连续零功率点的模式被重复设置时，即当光源设备11在包括一次高功率模式和两次连续的关闭模式的输出模式中反复开启时，从最大亮度的衰落速率约为66％。

如图15E所示。当在一个高功率绘制点后排列三个连续的低功率绘制点的模式被重复设置时，即当光源装置11在包括一次高功率模式和三次连续的低功率模式的输出模式中反复开启时，从最大亮度的衰落速率最大约为75％。

如图15F所示，当在一个高功率绘制的点后面排列三个连续的零功率点的模式被重复设置时，即当光源装置11在包括一次高功率模式和三次连续的关闭模式的输出模式中反复开启时，从最大亮度的衰落速率为75％。

如上所述，在显示装置10中，可以通过在输出模式中采用高功率模式和低功率模式(或关闭模式)的几种组合来改变衰落速率。在显示装置10中，当低功率绘制点或零功率点的数量较大时，衰落速率可以提高到更大的值。当低功率绘制点或零功率点的数量增加时，亮度的变化更有可能发生。然而，在任何可能的情况下，只要高功率绘制的点之间的间距等于或小于微透镜的透镜直径，就可以防止在显示装置10中发生亮度的变化。

图15A至图15F示出相邻的绘制点和零功率点，似乎相邻的绘制点相互不重叠，而且零功率点不与相邻的绘制点重叠。然而，在现实中，希望相邻绘制点相互重叠，并且零功率点与相邻绘制点重叠。在图15A至图15F，通过示例说明由一个高功率模式和一个低功率模式(或一个关闭模式)或者两个或三个连续的低功率模式(或两个或三个连续的关闭模式)组成的输出模式。然而，显示装置10可以采用包括一个高功率模式和四个或更多的连续低功率模式(或四个或更多的连续关闭模式)的输出模式。

接下来，参照图16的描述，云纹是由执行稀疏输出(thinning-out)的间隔和透镜排列的间隔(即主扫描方向上微透镜的透镜间距)引起的。图16是根据本实施例，说明执行稀疏输出的间隔、透镜排列的间隔和云纹之间的关系的图。例如，执行稀疏输出的间隔表示执行稀疏输出照明时执行开启的间隔(即执行开启模式的间隔)、执行稀疏输出照明时执行关闭的间隔(即执行关闭模式的间隔)、执行稀疏输出照明时照明点的间距、或执行稀疏输出照明时零功率点的间距(即零功率点中心之间的间距)。

在图16中.当一对相邻绘制点873之间的暗区874(即零功率点)的宽度变宽时，亮度的变化更有可能发生在显示图像上。正如在技术中所知，不可能将执行稀疏输出的间隔与透镜排列的间隔以高的精度相一致。如图16所示，零功率点和透镜以不同的间隔排列。在这种配置中，透镜中心和绘制点的相对位置在每个透镜以连续的方式变化。结果，执行稀疏输出的间隔和透镜排列的间隔会引起空间节拍，如图16的下部所示，点图像的亮度趋于被视觉识别为主扫描方向上的长周期模式。这种现象被称为云纹(干涉条纹)，这是由执行稀疏输出的间隔和透镜排列的间隔引起的。

即使执行稀疏输出的原始间隔的宽度约为一个透镜，间隔会被扩展到超过几个透镜到几十个透镜的宽度的长期模式。因此，云纹(干涉条纹)很容易被观看者3的眼睛识别，图像的可视性恶化。如上所述，由于这种配置，为了控制云纹，显示装置10开启光源装置11，使至少一个绘制点由多微透镜150形成。

根据本实施例，下面参照图17至图25F详细描述显示装置10的配置。首先，参照图17至图21描述微透镜150和眼框47之间的关系。

图17是根据本实施例说明显示***1中元件相对位置的示意图。为了便于解释，在图17中假定***的元件平行排列在XZ平面上。然而，没有因此加以限制，实际上，没有必要将***的元件如图1所示平行于XZ平面排列。

光源装置11产生的激光束入射到光偏转器13的点a1上，被光偏转器13偏转在屏幕15上二维扫描。屏幕15在X轴线方向(主扫描方向)形成宽度R的中间图像40。

当在+X方向的边缘形成中间图像40时，从光源装置11发射的激光束被+X方向的光偏转器13偏转，中间图像40的一部分被绘制在点b1上。当中间图像40在-X方向的边缘形成时，从光源装置11发射的激光束被-X方向的光偏转器13偏转，中间图像40的一部分被绘制在点c1上。在屏幕15上绘制的图像由控制器17的图像生成器173配置。

屏幕15由微透镜阵列200配置。扫描屏幕15的激光束穿过微透镜阵列200时以预定的发散角发散。在图17中，从微透镜阵列200发射的每一激光束表示发散光的中心光束。从微透镜阵列200发射的激光束入射到自由曲面镜30上。Q表示激光束在自由曲面镜30上的通频带。

当如上这种配置在+X方向的边缘处形成图像时，发散光的中心光束入射到自由曲面镜30的点d1上。当在-X方向上的边缘处形成图像时，发散光的中心光束入射到自由曲面镜30的点e1上。

自由曲面镜30的平面设计和成形是为了减少前挡风玻璃50上发生的光学应变。已经通过自由曲面镜30的激光束随后入射到前挡风玻璃50上，并到达包括观看者3的参考视点的眼线区域内的视点位置的至少一个点。入射在前挡风玻璃50上的激光束根据前挡风玻璃50的表面形状被反射。

例如，如图1所示显示***1中，观看者3(例如，驾驶汽车的司机)在前挡风玻璃50反射的光的光路中，从眼框(即观看者3眼睛附近的区域)中视觉识别虚像45。这里，术语“眼框”表示观看者3可以在不调整视点位置的情况下视觉识别虚像45的区域。特别是，眼框47的范围等于或小于“汽车司机的可视范围”(日本工业标准(JIS)D0021)。眼框47被设置为驾驶员通过其可以视觉识别虚像45的基于一个空间区域的眼线的区域，坐在座位上的驾驶员的视点可以在其中存在。

下面参照图18描述配置屏幕15和眼框的微透镜阵列200之间的关系。图18是根据本实施例说明微透镜阵列200与眼框47之间关系的图。为了便于解释，图18中省略了微透镜阵列200后的光路中排列的元件。微透镜阵列200和观看者3之间的空间是线性表示的。

如图8所示，图18中所示的微透镜阵列200包括在二维区域排列的多个微透镜150。包含图像数据的入射光152入射到构成微透镜阵列200的多个微透镜150上。因此，观看者3能够视觉识别包括规定的信息项的显示图像，在通过每个微透镜150发散的发散光153的区域(即眼框47)可以视觉识别。

眼框47是由通过微透镜150发散的发散光153决定的。由于这种配置，在二维区域(XY区域)的每个微透镜150的X轴线方向和Y轴线方向与眼框47的X轴线方向和Y轴线方向相一致。每个微透镜150的X轴线方向(水平方向)与Y轴线方向(垂直方向)的高宽比(MX/MY)等于眼框47的X轴线方向(水平方向)与Y轴线方向(垂直方向)的高宽比(AX/AY)。

在本实施例中，眼框47的Y轴线方向(即垂直方向)与观看者3如汽车驾驶员的视线相垂直..

另一方面，眼框47的X轴线方向(即水平方向)是垂直于与观看者3的视线正交方向的水平方向。

进一步地，当微透镜150的曲率半径在X轴线方向和Y轴线方向均为恒量时，从微透镜150中的一个的发散光153的形状，即眼框47的形状对应于相应微透镜150的形状。换句话说，微透镜150的形状是根据眼框47(视觉识别区域)的预期形状设计。

图19是根据本实施例说明中间图像40与虚像45之间关系的图。中间图像40是从光偏转器13发射的激光束扫描屏幕15的表面时形成的。虚像45是从显示装置10投影的投影光被前挡风玻璃50反射，观看者3可以视觉识别的图像。

在屏幕15上形成的中间图像40被放大并朝前挡风玻璃50投影。也就是说，中间图像40的形状与虚像45的形状相似。例如，在图19所示的案例中，虚像45的宽度W和高度H是中间图像40的宽度w和高度h的放大。

微透镜的形状与眼框的形状之间的关系参照图20A，图20B和图21描述如下。在下面的描述中，假设微透镜150的曲率半径在X轴线方向和Y轴线方向都是恒定的。图20A和图20B是根据一个控制样本，分别说明微透镜的形状与眼框形状之间关系的示意图。

图20A是说明入射光152如何入射到在平面视图中每个都呈方形的微透镜160a上，当通过微透镜160a和由发散光153形成的眼框46a时发散的图。如上参照图18所描述，眼框46a呈方形，因为眼框46a的形状与微透镜160a的形状相一致。

入射光152入射到在平面视图中每个都是垂直方向伸长的矩形的微透镜160b上，当通过微透镜160b时发散。图20B是说明发散光153是如何形成眼框46b的图。以与图20A相似的方式，图20B中眼框46b的形状是一个垂直方向的矩形，因为眼框46a的形状与微透镜160b的形状相一致。

例如，当如图1所示的显示***1在移动体如汽车上使用时，从驾驶座上观看时，X轴线方向表示水平方向，Y轴线方向表示垂直方向。在此配置中，显示设备10显示，例如，前挡风玻璃50前面的导航图像作为虚像45。因此，观看者3司机留在司机的座位上而无需移动他/她的视线离开前挡风玻璃50的前面，就可以观察这样的导航图像。在这种配置中，前挡风玻璃50是水平定向的，因此，当司机观看时，要求虚像45是水平定向。换句话说，最好是,在微透镜上形成的每个中间图像40以及虚像45在X轴线方向有更大的视角。

同时还希望视角在水平方向(X轴线方向)比垂直方向(Y轴线方向)更宽，以使司机(即观看者3)即使是从右侧和左侧倾斜的方向也能够识别显示图像。因此，虚像45在X轴线方向(即水平方向)的发散角(各向异性发散)需要比在Y轴线方向(垂直方向)的发散角(各向异性发散)更大。也就是说，在显示装置10中，需要将眼框47在X轴线方向(即水平方向)的范围配置为比在Y轴线方向(垂直方向)的范围更宽。

然而，根据如图20A和图20B所示的控制样本，眼框46a和46b在X轴线方向(即水平方向)的长度等于或小于眼框46a和46b在Y轴线方向(即垂直方向)的长度。由于这种配置，观看者3视觉识别的图像亮度恶化，因为垂直方向上的视觉识别区域需要扩展，以确保在水平方向上的视觉识别区域中司机(即观看者3)的视点可以容易地移动。

为了处理这样的情况，根据本实施例，显示装置10中微透镜阵列200的设置使微透镜150的主(较长)轴向与眼框47的主(较长)轴向相一致。图21是根据本实施例说明微透镜150的形状与眼框47的形状之间关系的图。根据本实施例，微透镜150呈水平方向形状，与水平方向眼框47的形状相对应。如图21所示，每个微透镜150具有水平方向的矩形形状，其中X轴线方向(水平方向)的两边长，Y轴线方向(垂直方向)的两边短。由于上述这种形状的微透镜150被采用在显示装置10中，由通过微透镜150发散的发散光153形成的眼框47的X轴线方向范围能够做得比Y轴线方向的范围宽，以实现水平方向的形状。

在本实施例中，微透镜150和眼框47的X轴线方向(即水平方向)为主(较长)轴向，Y轴线方向(即垂直方向)为次(较短)轴向。眼框47的主(较长)轴向是与观看者3的视线正交的方向。另一方面，眼睛框47的次(较短)轴向是垂直于与观看者3视线正交的方向的水平方向。微透镜150的主(较长)轴向是发射发散光153的方向，与眼框47的主(较长)轴向的范围相对应。

当微透镜150的主(较长)轴向与如上所述的眼框47的主(较长)轴向相一致时，这两个主(较长)轴向(轴线方向)不一定在严格意义上相互平行。相反，保持预定的光利用率水平，并且通过微透镜150发散的发散光153的范围或形状与眼框47的范围或形状相一致。换句话说，在微透镜150的主(较长)轴向和眼框47的主(较长)轴线之间，可以有一个预定的角度位移水平范围，从几度到几十度。

如上所述，在显示装置10中，光发散到满足所需视角的最小区域，以提高光的利用率。由于这种配置，观看者3视觉识别的图像的亮度得到改善。微透镜150为多个微透镜的示例，微透镜阵列200为光学元件的示例。

微透镜的排列

微透镜阵列200的透镜阵列参照图22A至图22C描述如下。图22A至图22C是根据本实施例分别说明微透镜阵列中微透镜排列的图。

如图21所示，图22A至图22C所示的微透镜阵列200由排列的多个微透镜150配置，其中X轴线方向(水平方向)的长度大于Y轴线方向(垂直方向)的长度。在显示装置10中，图22A到图22C所示的微透镜阵列200用于形成水平方向的眼框47。

在图21中，如图22A所示的微透镜阵列200a，其中水平方向的矩形微透镜150a在平面视图中的排列以示例的方式描述。然而，没有对此加以限制，类似的配置可以应用于不同的透镜模式或透镜阵列的其他类型的微透镜阵列。例如，根据本实施例的配置可以应用于如图在平面视图中22B和图22C所示的微透镜阵列200b和200c，其中六角形微透镜150b和150c分别在平面视图中以水平方向排列。

如图22B所示的微透镜阵列200b中，水平方向的六角形微透镜150b密集地排列。微透镜150b没有任何与X轴线方向(即水平方向)平行的侧面。换句话说，在X轴线方向(水平方向)排列的微透镜150b的上侧面和下侧面绘出锯齿线。微透镜阵列200b的排列称为锯齿型阵列。

如图22C所示的微透镜阵列200c中，水平方向的六角形微透镜152c密集地排列。图22C所示的微透镜150c有一个平行于X轴线方向(即水平方向)的侧面。微透镜阵列200c的排列称为扶手椅型阵列。此外，锯齿型阵列和扶手椅型阵列可以统称为蜂窝型阵列。

在本实施例中，当微透镜的透镜间距缩短时，图像的分辨率增加。由于这种配置，图22B或图22C所示的蜂窝排列的微透镜阵列200b或200c更适宜用于显示装置10。

如图13和其他一些图纸所示，最好是，微透镜150在X轴线方向(即水平方向)的长度小于高功率绘制点的照明点间距。换句话说，在主(较长)轴向上，每一对相邻的高功率绘制点之间的距离都小于微透镜150的长度。由于这个配置，至少一个高功率绘制点可以由多微透镜150形成。因此，在显示装置10中，可以在减少多个微透镜150中每一个的光强度变化，并且也可以减少整个图像上亮度的变化。

进一步地，当要增加关灯时间的长度(即零功率点的宽度)以加大衰落速率时，需要加大主扫描方向上的微透镜150的透镜直径。观看者3视觉识别的图像的分辨率取决于微透镜150的透镜总数，并且随着微透镜总数的增加，分辨率增加。由于这种配置，除了在多个微透镜150被扫描时从光源发射的光的强度改变的配置外，还希望副扫描方向的透镜直径比主扫描方向的透镜直径小。

如图22A至图22C所示，在具有多个微透镜150的微透镜阵列200中，主扫描方向的透镜直径比副扫描方向的透镜直径大，当多个微透镜150被扫描时，从光源发射的光的强度很容易改变。换句话说，在多个微透镜150上，可以很容易形成至少一个高功率绘制点和至少一个低功率绘制点(或零功率点)。因此，在显示装置10中，可以提高衰落速率，同时防止亮度的变化和分辨率的降低。

在显示装置10中，希望将微透镜阵列200设置为使光偏转器13的主扫描方向与微透镜150的主(较长)轴向相一致，以提高水平方向眼框47中光的利用效率。此外，如上所述，最好是两条扫描线在副扫描方向上的间距比微透镜150在Y轴线方向(即次(较短)轴向)的透镜直径和副扫描方向的光束直径都小。由于这种配置，在显示装置10中，观看者3视觉识别的图像上的云纹可以减少，以提高图像质量。

进一步地，希望在显示装置10中使用如图22B所示的扶手椅设置的微透镜阵列200b，以增强减少云纹的效果。理论上，当扫描线的方向接近透镜顶点排列的方向时，由于扫描线与透镜阵列的方向略有变化，云纹的形状就发生显著的变化。这是因为，例如，云纹的形状从图像的中心变化到边缘，当扫描线在图像表面发生变化时，图像的可视性就会恶化。

当考虑扫描线方向和透镜阵列方向引起的云纹时，在图22C所示的锯齿型微透镜150c中，扫描线和透镜顶点的方向与透镜顶点连接的透镜阵列的方向一致。由于这种配置，因为扫描线的方向和透镜阵列的方向之间轻微的角度变化，云纹的周期显著变化，云纹很容易发生。相反，图22B所示的扫描线的方向与扶手椅型微透镜150b中透镜阵列的方向不一致。在这种配置中，即使在扫描线的方向和透镜阵列的方向之间发生角度变化，云纹的形状也没有显著变化，云纹也不会发生。

偏心率

微透镜150的透镜间距和透镜边界方向的随机化在下面参照图23至图25F描述。首先，描述根据本实施例的微透镜阵列200与用于减少色斑图案数量的已知扩散板不同的事实。正如在技术中所知，在扩散板的表面形成了大量不同尺寸的凹凸点。例如，当有尺寸远小于光束点直径(即入射光通量的直径)的凹凸点时，在这种凹凸处反射的激光束之间的干扰增加，云纹往往会发生。为了处理这种情况，在本实施例中，建议使用随机透镜阵列，其中每个透镜的透镜直径等于或大于其整体上的规定值。

图23是根据本实施例说明随机透镜阵列中多个微透镜顶点的图。例如，随机透镜阵列具有基于周期透镜阵列的结构，其中多个方形透镜如图23中虚线所示，以固定的透镜间距排列成网格图形。周期透镜阵列是微透镜阵列，其中多个微透镜的顶点的间距(透镜间距)，即相邻的两个微透镜的顶点之间的间距是周期性的(例如，常量)。

在这种周期透镜阵列中，每个微透镜的中心是一个四方晶格的网格点601(虚拟点)。此外，在这种周期透镜阵列中，每个微透镜的顶点应该与每个微透镜中心的网格点601相一致。为了防止从相邻的两个微透镜发散的光的干扰(这种发散光可称为连续发散光或类似的光)，这种周期性透镜阵列的每个微透镜的透镜的透镜直径被设置为大于光束点直径(即入射光通量的直径)。换句话说，透镜直径被设置为等于或大于上述规定值的透镜直径。

随机透镜阵列具有一种结构，在这种结构中，周期透镜阵列的每个微透镜的顶点从包括微透镜中心(即网格点601)的虚拟区域603内的中心移位(偏心)。换句话说，随机透镜阵列中每个微透镜的顶点602是偏心的。更进一步，随机透镜阵列中每个微透镜的顶点602从微透镜排列的网格点601处移位。

相比之下，周期透镜阵列的多个微透镜单独地设置在透镜间距固定的多个网格点上，每个微透镜的顶点与所设置的微透镜的网格点相一致。例如，随机透镜阵列中每个微透镜的中心可以是微透镜的外接圆(外圆)的中心，也可以是微透镜的内切圆(内圆)的中心。

随机透镜阵列是微透镜阵列，其中透镜间距是随机的。随机透镜阵列具有一种结构，其中周期透镜阵列的每个微透镜的光轴(Z轴线)，其中每个微透镜的顶点602与微透镜的中心相一致，在垂直于光轴(X轴线方向，Y轴线方向)的方向上随机移动(偏移)。换句话说，透镜间距在随机透镜阵列中具有不规则的结构。在这样的配置中，入射到随机透镜阵列的微透镜上的光通过每个微透镜的顶点602，但不通过中心。

此外，在随机透镜阵列中，多个微透镜中每一个的顶点从微透镜中心的位移是不规则的，因此透镜的间距是不规则的。也就是说，根据本实施例，在随机透镜阵列中的光偏转器13的扫描方向上，微透镜相互毗连，连接微透镜顶点的线段彼此不相平行。

进一步地，随机透镜阵列透镜边界的方向(即图23所示的多条实线604、605、606和607的方向)是随机(不规则)从周期透镜阵列透镜边界的方向(即图14所示的多个网格线(虚线)的方向)移位的。在这种结构中，多个微透镜中发生的云纹的方向是彼此不同的。因此，宏观上云纹的方向彼此不一致，因此干扰噪声的能见度降低。当不采用随机透镜阵列时，在入射在两个或多个相邻透镜上的高度相干光束被观看者视觉识别为具有规则周期的干扰噪声。当微透镜阵列用随机透镜阵列代替时，入射在两个或多个相邻透镜上的光束引起的规则周期干扰噪声可以随机化，干扰程度被分散。因此，图像的可见性提高。

鉴于上述特征，根据本实施例的微透镜阵列200由随机透镜阵列配置。虽然微透镜阵列200中透镜的顶点略有移动，但透镜直径大致保持不变。因此，可以防止入射光从透镜中散出，并且可以减少从彼此相邻的两个微透镜150中发散的光引起的干扰。

透镜间距在微透镜阵列200中随机化，微透镜在光偏转器13的扫描方向上彼此相邻。此外，连接微透镜顶点的线段彼此不平行。由于这种配置，干扰程度降低，可以防止干扰噪声的发生。此外，随着透镜边界的方向在微透镜阵列200中随机化，干扰噪声发生的方向也是随机的。由于这种配置，干扰噪声的可见性可以显著降低。因此，在显示装置10中，可以提高由随机透镜阵列配置的图像(光学图像)的可见性。

在本实施例中，从光源装置11发射的激光束的有效截面不是圆形的，而是椭圆的。由于这种配置，如图7A和图7B所示，当确定入射光的光束直径小于微透镜150中每一个透镜的透镜直径时，希望根据激光束的有效截面的形状(椭圆形)选择长宽比(例如，水平方向的长宽比)。由于这种配置，可以防止在包括水平定向微透镜150的微透镜阵列200中最小必要的透镜直径发生干扰噪声。注意，有效截面积表示相对强度在20％至80％之间的激光束横截面积的一部分。

图24A至图24C是根据本实施例，分别说明随机透镜阵列的具体示例，其包括多个水平方向微透镜(这种随机透镜阵列在以下描述中可称为水平方向随机透镜阵列)。在下面的描述中，根据本实施例的微透镜阵列200包括水平方向微透镜150，将称为水平方向随机透镜阵列。如图24A所示的水平定向随机透镜阵列，具有基于周期透镜阵列的结构，其中多个矩形微透镜设置在矩阵中。这样的周期透镜阵列的每一个微透镜都有一个水平方向的长宽比，并且“x>y”关系成立。

如图24B所示的水平方向随机透镜阵列，具有基于周期透镜阵列的结构，其中多个水平方向的六角形微透镜排列在锯齿型阵列中。如图24C所示的水平方向随机透镜阵列，具有基于周期透镜阵列的结构，其中多个水平方向的六角形微透镜设置在扶手椅型阵列中。如图24A至图24C所示的水平方向的随机透镜阵列中，透镜间距和透镜边界的方向是随机的，因此可以防止规则节距的干扰噪声发生。

图25A至图25C是根据控制样本分别说明微透镜顶点的图。在这些图中，虚线表示虚拟边界，每个白色的小正方形表示每个微透镜的中心。此外，符号“+”表示每个微透镜的顶点。

如图25A所示的水平方向矩形微透镜160a的顶点602a，被设定为一个随机点，该点在一个圆形虚拟边界603a内以相等的概率被选择，该边界603a以离微透镜160a的中心601a等距绘制。换句话说，微透镜160a的顶点602a在虚拟边界603a内是随机偏心的。在这样的配置中，微透镜160a的顶点602a是分散的，而从中心601a的位移量的最大值是确定的。在下面的描述中，虚拟边界(虚拟区域)内的区域被称为偏心区域。

然而，事实是如图25A所示的是水平方向的微透镜160a没有被考虑。大概率的是，根据Y轴线方向(垂直方向)上微透镜的长度，在Y轴线方向(即垂直方向)上随机偏心的相对量(在下面的描述中，这种随机偏心的相对量被称为垂直方向上的随机偏心率)大于根据X方向(水平方向)的微透镜的长度，在X方向(水平方向)的随机偏心量(这种随机偏心的相对量在下面的描述中被称为水平方向上的随机偏心率)。在这种配置中，随机偏心的影响可能在Y方向(垂直方向)和X方向(水平方向)之间变动。

在这种配置中，随机偏心率较高时，干扰噪声减少的效果增强。然而，当随机偏心率高时，透镜阵列表面会发生压缩和稀疏反应，结构条纹或粒度趋于增加。结果，这些图像可能会出现粒状。为此，最好适当控制Y方向(垂直方向)和X方向(水平方向)的随机偏心率，以控制粒度。例如，当Y方向(垂直方向)的随机偏心量等于X方向(水平方向)的随机偏心量时，X方向(水平方向)的随机偏心率大于Y方向(垂直方向)的随机偏心率。

在图25A中，通过示例说明了水平方向的矩形微透镜160a。然而，例如，类似的配置可以应用于水平方向的六角形微透镜160b和160c，分别如图25B和图25C所示。

图25D到图25F是根据本实施例分别说明水平方向微透镜的顶点的图。图25D，图25E和图25F分别所示的水平方向微透镜150a，150b和150c，分别具有水平方向的虚拟边界603d、603e和603f，其中每个水平方向的虚拟边界都用于一个水平方向的偏心区域。在这种配置中，可以独立地控制Y轴线方向(垂直方向)和X轴线方向(水平方向)的随机偏心量。

在水平方向随机透镜阵列中，以相同的概率(随机偏心)选择水平方向偏心区域内的每一个微透镜150的顶点。因此，包括在水平方向随机透镜阵列中的多个微透镜150顶点的X轴线方向上的偏心量(即从中心的位移量)之总和大于多个微透镜150顶点的Y轴线方向上的偏心量(即从中心的位移量)之总和。换句话说，在水平方向随机透镜阵列中，多个微透镜150中每个的顶点602(602d、602e和603f)是从网格点601(601d、601e、601f)移位，而顶点602(602d、602e和603f)从网格点601(601d、601e、601f)的位移量之总和的方向是微透镜150的主(较长)轴方向。

在上面描述的设置中，术语“总和”可以用“平均值”来代替。这样的平均值可能是“算术平均值”或“几何平均值”。换句话说，在水平方向随机透镜阵列中，当在顶点的X轴线方向的偏心量大于Y轴线方向的偏心量时微透镜的数目大于，当在顶点的Y轴线方向的偏心量大于X轴线方向上的偏心量时微透镜的数目(包括零)。

在水平方向的随机透镜阵列中，希望X轴线方向的偏心量的最大值小于X轴线方向每一个微透镜150的长度值的一半，并且希望Y轴线方向的偏心量的最大值小于X轴线方向每一个微透镜150的长度值的一半。

此外，希望将X轴线方向(水平方向)的水平方向偏心区域的长度设置为，例如，等于或小于每个微透镜150在X轴线方向上的长度的五分之四，并希望将Y轴线方向(垂直方向)的水平方向偏心区域的长度设置为，例如，等于或小于每个微透镜150在Y轴线方向上的长度的五分之四。这是因为当水平方向的偏心区域相对于微透镜150扩展过度时，粒度趋于增加。

水平方向偏心区域的尺寸可以根据微透镜150的曲率(即发散角)来设置。更具体地说，当微透镜150的曲率(发散角)更大时，水平方向偏心区域的尺寸可能会增加。

此外，最好是水平方向的偏心区域不会从每个微透镜150突出。换句话说，希望水平方向偏心区域在X轴线方向上的长度小于每个微透镜150在X轴线方向上的长度，并且希望水平方向偏心区域在Y轴线方向上的长度小于微透镜150在Y轴线方向上的长度。

此外，希望水平方向偏心区域的尺寸等于或小于外切圆的正多边形的尺寸(分别见图25D，图25E和图25F中的604d、604e和604f)，圆的直径等于水平方向微透镜150在Y轴线方向长度中的最大长度，其中这种正多边形的边数为n(此处n表示等于或大于3的整数)。换句话说，希望水平方向偏心区域的尺寸等于或小于最大正多边形的偏心区域的尺寸，其可以设置为水平方向微透镜150，该正多边形的边数为n(其中n表示等于或大于3的整数)。上述正多边形可以是，例如，正方形和正六边形。在这种配置中，与尺寸等于水平方向偏心区域的正多边形的偏心区域相比，可以有效地控制水平方向偏心区域的尺寸在垂直方向上的随机偏心量，此处正多边形的边数为n(其中n表示等于或大于3的整数)，从而可以防止粒度增加。

进一步地，希望水平方向的偏心区域的尺寸等于或小于直径等于水平方向微透镜150在Y轴线方向长度中的最大长度的圆的尺寸。换句话说，希望水平方向偏心区域的尺寸等于或小于可以设置为水平方向微透镜的最大圆形偏心区域的尺寸。在这种配置中，与尺寸等于水平方向偏心区域尺寸的圆形偏心区域相比，可以有效地控制Y轴线方向(垂直方向)的随机偏心量，从而防止粒度的增加。在这样的配置中，水平方向偏心区域的尺寸等于或小于可以设置为水平定向微透镜150的最大正多边形的偏心区域的尺寸，其中该正多边形的边数为n(此处n表示等于或大于3的整数)。

为了调整X轴线方向(水平方向)和Y轴线方向(垂直方向)的随机偏心率，使其具有适当的值，更好地，基于微透镜150的长宽比设置水平方向偏心区域的长宽比。换句话说，最好是根据微透镜150在X轴线方向的长度Lx对微透镜150在Y轴线方向的长度Ly的比率(Lx/Ly)来设置水平方向偏心区域在X轴线方向的长度lx对水平方向偏心区域在Y轴线方向的长度ly的比率(lx/ly)。更具体地说，lx/ly被设置为等于Lx/Ly。或者，lx/ly可以设置为略大于Lx/Ly，或者可以设置为略小于lx/Ly。在这样的配置中，可以控制Y轴线方向的随机偏心量大于X轴线方向的随机偏心量，并且可以有效地控制微透镜阵列200表面被视觉识别时表面的粒度或粗糙度。

例如，虚拟边界(偏心区域)的形状可以是水平方向的椭圆形，如图25D，图25E和图25F所示。然而，只要虚拟边界(偏心区域)的形状是水平方向的，即可以获得类似的有利效果。例如，虚拟边界(偏心区域)的形状可以是水平方向的矩形形状。在任何可能的情况下，随机偏心的量或干扰程度可以根据彼此相邻的发散光束之间的干扰程度来调整。或者，在垂直方向的偏心区域内的概率分布可以改变或差异化。例如，顶点的分布密度可以在垂直方向的偏心区域内局部增加或降低。

制造微透镜的方法

根据本实施例的制造微透镜阵列的方法如下所述。正如在技术中所知，微透镜阵列是通过生产具有微透镜阵列的透镜表面阵列的转移表面的模具来制造的，并通过使用该模具将模具表面转移到树脂材料上。模具的转移表面可以通过例如切割或光刻工艺形成。此外，还可以例如通过注射成型将转移表面转移到树脂材料上。如上所述，例如根据本实施例，使用具有用于水平方向微透镜的透镜表面的转移表面模具，微透镜可以用树脂材料注塑成型。

通过减小边界宽度，可以实现减小相邻微透镜之间边界部分曲率半径。小的边界宽度可以通过“锐化”相邻微透镜表面之间形成的边界部分来实现。

在微透镜阵列的模具中，作为将“相邻微透镜之间的边界宽度”的尺寸减小到波长顺序的一种方法，一种通过各向异性刻蚀和离子处理来增加每个微透镜的曲率半径以去除边界部分的非透镜部分的方法，以及一种利用各向同性干法刻蚀来去除相邻微透镜之间平坦表面的方法在技术中是为人所知的。例如，通过使用上述众所周知的方法，可以制造一个微透镜阵列，其中构成相邻微透镜之间边界部分的表面的曲率半径足够小。换句话说，上述待扫描表面可以被配置为具有彼此紧密接触排列的多个微透镜结构的微透镜阵列。

通过形成微透镜阵列，其中构成相邻微透镜之间边界部分的表面曲率半径r小于640nm，可以防止由于R组分光束引起的相干噪声。此外，通过形成曲率半径r小于510nm的微透镜阵列，可以防止R组分光束和G组分光束引起的相干噪声。通过形成微透镜阵列，其中构成相邻微透镜之间边界部分的表面曲率半径r小于445nm，可以防止R、G和B组分光束引起的相干噪声。

如图26所示,微透镜阵列200在整个阵列结构中可能是弯曲的。在这样的配置中，最好是，微透镜阵列200的曲率方向(X轴线方向)与微透镜150的主(较长)轴向(X轴线方向)相一致。由于这种配置，在显示装置10中，通过微透镜150时发散的发散光153的发散角可以调整到所需的视角，而不受微透镜阵列200大小的影响，并能提高光的利用效率。

由于微透镜阵列200的透镜阵列表面是弯曲的，光学扫描元件(即MEMS反射镜)和透镜阵列表面之间的光路长度差异可以在显示装置10中保持恒定。由于透镜阵列表面形成的光束直径由光路长度决定，当透镜阵列表面弯曲时，光束直径可以在显示装置10中保持不变。此外，由于干扰噪声是由于光束从透镜中窜出而引起的，因此光束直径可以在显示装置10中保持恒定。结果是可以降低干扰噪声，达到高分辨率。

如上所述，根据本公开的实施例的显示装置10包括微透镜阵列200(光学元件的示例)，其包括排列在阵列中的多个微透镜150，光通过其发散，以及光偏转器13(扫描仪的示例)，其利用光源装置11(光源的示例)发射的光对微透镜阵列200作二维扫描。此外，眼框47(视觉识别区域的示例)的主(较长)轴向，其中通过微透镜150发散的发散光形成的虚像45可以视觉识别为规定的图像，与微透镜150的主(较长)轴向相一致。由于这种配置，在显示装置10中，发散光153的形状(即相应微透镜150的形状)与眼框47的形状相一致。因此，可以防止观看者3视觉识别的图像亮度降低。

根据本公开的实施例的显示装置10中，微透镜阵列200(光学元件的示例)被光偏转器13(扫描仪的示例子)的主扫描和副扫描进行二维扫描，主扫描的扫描方向与微透镜150(多个微透镜的示例)的主(较长)轴向相一致。由于这种配置，在显示设备10中，微透镜150的主(较长)轴向与光偏转器13的主扫描方向相一致，并且可以改善观看者3视觉识别图像的消减比率。

此外，根据本公开的实施例的显示装置10中，由光偏转器13(扫描仪的示例)执行的副扫描的扫描方向上的扫描线间距比微透镜150(多个微透镜的示例)的主(较长)轴向的透镜直径小，并且比光偏转器13在副扫描方向上扫描的光的光束直径小。由于这种配置，在显示装置10中，可以减少观看者3视觉识别的图像中的云纹，以提高图像质量。

根据本公开的实施例的显示装置10中，微透镜阵列200(光学元件的示例)具有在规定方向上弯曲的形状，微透镜阵列200的弯曲方向与微透镜150(多个微透镜的示例)的主(较长)轴向相一致。由于这种配置，在显示装置10中，在不受微透镜阵列200大小影响的情况下，通过微透镜150发散的发散光的发散角可以进一步增大，从而提高光的利用效率。

此外，根据本公开的实施例的显示装置10中，在光偏转器13(扫描仪的示例)的扫描方向上连接彼此相邻的微透镜150顶点的线段在微透镜阵列200(光学元件的示例)中彼此不平行。由于这种配置，在显示装置10中，多个微透镜150的顶点随机排列，从而可以减少周期性干扰噪声和云纹，以提高图像质量。

根据本公开的实施例的显示装置10中，在微透镜阵列200(光学元件的一个示例)中，多个微透镜150中每个的顶点602从网格点601(规则虚拟点的示例)移位。此外，顶点602从网格点601的的位移量之总和为较大的方向是微透镜150的主(较长)轴方向。由于这种配置，在显示设备10中，可以防止观看者3视觉识别的图像亮度降低，也可以提高图像质量。

此外，根据本公开的实施例的显示装置10中，由高输出功率的光源装置11(光源的一个示例)发射的光束形成的每对相邻的高功率绘制点之间的距离，比微透镜150(多个微透镜的示例)的主(较长)轴向的长度短。由于这种配置，在显示装置10中，可以防止观看者3视觉识别的图像亮度降低，并增强衰落速率。

根据本公开的实施例的显示装置10中，微透镜150(多个微透镜的示例)呈六角形，而微透镜阵列200(光学元件的一个示例)的多个微透镜150呈蜂窝状排列。由于这种配置，在显示装置10中，通过缩短微透镜150的透镜间距可以减少周期干扰噪声或云纹，并且可以改善观看者3视觉识别图像的图像质量。

此外，根据本公开的实施例的显示装置10中，微透镜150(多个微透镜的示例)呈六角形，微透镜阵列200(光学元件的一个示例)的多个微透镜150排列成扶手椅形状。由于这种配置，在显示装置10中，扫描线的方向与多个微透镜150排列的透镜阵列的方向不一致。由于这种配置，可以减少图像表面云纹的显著变化，并且可以改善观看者3视觉识别的图像的图像质量。

根据本公开的实施例的显示***1包括显示装置10、反射微透镜阵列200(光学元件的一个示例)发散的发散光153的前挡风玻璃50(反射器的一个示例)和投射微透镜阵列200朝前挡风玻璃50发散的发散光的自由曲面镜30(成像光学***的示例)，以形成虚像45。因此，在显示***1中，可以防止观看者3视觉识别的图像亮度降低。

根据以上讲述，许多附加的修改和变化是可能的。因此，应当理解的是，在所附的权利要求范围内，本公开的公开内容可以采用在此具体描述以外的其它方法实行。例如，不同说明的实施例的元件和/或特性可以在本公开和所附的权利要求范围内相互结合和/或相互替代。

根据本公开的实施例的显示装置，不仅适用于抬头显示器(HUD)，而且也适用于例如头盔式显示器，台词提词器和投影仪。例如，当根据本公开的实施例的显示装置应用于投影设备时，这种投影设备可以用类似的方式配置到显示装置10上。换句话说，显示装置10可以通过自由曲面镜30将图像光投射到，例如，投影屏幕或墙上。或者，显示装置10可以将通过屏幕15的图像光投射到，例如，投影屏幕或墙上，而不涉及自由曲面镜30。

可以以任何方便的形式来实现本公开，例如使用专用硬件或专用硬件和软件的混合。本公开可以作为由一个或多个联网处理装置应用的计算机软件来实施。处理设施可以适用任何适当编程的设备，例如通用计算机，个人数字助理，移动电话(例如WAP或3G兼容电话)等等。因为本公开可以作为软件被应用，因此本公开的每个方面都包括可在可编程装置上执行的计算机软件。计算机软件可以提供给使用任何常规载体介质(载体方法)的可编程装置。载体介质能调和瞬态载体方法，例如载有计算机代码的电，光，微波，声或射频信号。这种瞬态方法的一个例子是在IP网络(例如Internet)上承载计算机代码的TCP/IP信号。载体介质还可以包括用于存储处理器可读代码的存储介质，例如软盘，硬盘，CD ROM，磁带装置或固态存储装置。

所描述的实施例的每个功能可以由一个或多个处理电路或电路***实现。处理电路***包括已编程处理器，如同处理器包括电路***。处理电路还包括诸如专用集成电路(ASIC)，数字信号处理器(DSP)，现场可编程门阵列(FPGA)以及安置成执行所列举的功能的常规电路组件。

本专利申请基于并根据35U.S.C.§119(a)要求于2018年3月19日向日本专利局提交的日本专利申请第2018-050972的优先权，在此其全部公开内容通过引用并入。

附图标记列表

1 显示***

10 显示装置

11 光源装置(光源装置的示例)

13 光偏转器(扫描仪的示例)

15 屏幕

30 自由曲面镜

45 虚像

47 眼框(视觉识别区域的示例)

50 前挡风玻璃(反射器的示例)

150 微透镜

200 微透镜阵列(光学元件的示例)

Claims (12)

1.一种显示装置，包括：

光学元件，包括排成阵列状的多个微透镜，光通过其发散；和

扫描仪，配置为使用从光源发射的光对所述光学元件进行二维扫描，

其中，视觉识别区域的长轴方向与所述多个微透镜的长轴方向相一致，通过所述多个微透镜发散的发散光形成的虚像在所述视觉识别区域可视觉识别为规定的图像。

2.根据权利要求1所述的显示装置，

其中，所述光学元件被所述扫描仪的主扫描和副扫描进行二维扫描，以及

其中，所述主扫描的扫描方向与所述多个微透镜的长轴方向相一致。

3.根据权利要求2所述的显示装置，

其中，在所述副扫描方向上两条扫描线的间距比所述多个微透镜的长轴方向的透镜直径短，并且小于所述扫描仪扫描的光的在所述副扫描方向的光束直径。

4.根据权利要求1至3中任一个所述的显示装置，

其中，所述光学元件具有在规定方向上弯曲的形状，以及

其中，所述光学元件的弯曲方向与所述多个微透镜的长轴方向相一致。

5.根据权利要求1至4中任一个所述的显示装置，

其中，所述多个微透镜在所述光学元件中互相邻接，连接所述多个微透镜的多个顶点的线段互相不平行。

6.根据权利要求5所述的显示装置，

其中，在所述光学元件中，所述多个微透镜的所述多个顶点中的每一个都从规则虚点移位，以及.

其中，所述多个顶点的每一个从所述规则虚点的位移量之总和大的所在方向与所述多个微透镜的所述长轴方向相同。

7.根据权利要求1至6中任一个所述的显示装置，

其中，由高输出功率的所述光源发射的光形成的每一对相邻的高功率绘制点之间的距离小于所述多个微透镜在长轴方向的长度。

8.根据权利要求1至7中任一个所述的显示装置，

其中，所述多个微透镜呈六角形，

其中，在所述光学元件中，所述多个微透镜排成蜂窝状。

9.根据权利要求8所述的显示装置，

其中，所述光学元件的所述多个微透镜排成扶手椅形状。

10.根据权利要求1至9中任一个所述的显示装置，

其中，所述光学元件为微透镜阵列，其中所述多个微透镜排成阵列状。

11.一种显示***，包括：

根据权利要求1至10中任一个所述的显示装置；

配置为反射来自所述光学元件的光的反射器；以及

配置为将来自所述光学元件的光向所述反射器投射以形成所述虚像的成像光学***。

12.一种移动体，包括：

根据权利要求11所述的显示***，

其中，所述反射器是所述移动体的前挡风玻璃。

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