JP2012208440A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外光によるコントラストの低下とスペックルの発生を抑え、視認性が良好な表示画像を投影する。
【解決手段】ＨＵＤ装置は、レーザー光を出射するＬＤと、ＬＤが出射したレーザー光が到達し、到達したレーザー光を走査するＭＥＭＳスキャナと、ＭＥＭＳスキャナが走査したレーザー光が到達し、到達したレーザー光を到達した側と反対側に発散させることで表示画像を表す光を出射する透過スクリーン４０と、を備える。透過スクリーン４０は、レーザー光の入射側に位置し、複数のマイクロレンズ４１ａが配列されてなるマイクロレンズアレイ４１と、レーザー光の出射側に位置し、複数のマイクロレンズ４１ａが集光した光を通過させる複数の開口部４２ａを有して形成され、開口部４２ａ以外の領域は遮光部４２ｂであるアパーチャアレイ４２と、を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

車両の運転手が運転中に視線をほとんど動かさずに車両情報（速度、走行距離等）を読み取れるようにするため、フロントガラスの前方に情報を表示させるヘッドアップディスプレイ（Head-Up Display；ＨＵＤ）装置が提案されている。ＨＵＤ装置は、車両のダッシュボード内等に設けられ、フロントガラスに表示画像を投影することで、運転者に虚像として表示画像を視認させる。

表示画像を投影するための光源としては様々なものが考えられるが、半導体レーザーを光源としたＨＵＤ装置が特許文献１に開示されている。このＨＵＤ装置は、半導体レーザーと走査系とスクリーンとを備え、半導体レーザーが出射したレーザー光を走査系でスクリーンに向け走査して表示画像を生成するものである。

一般的に、レーザー光を用いたＨＵＤ装置では、スペックルと呼ばれる斑点模様が生じる。スペックルは、レーザー光の干渉性の高さに起因するものであり、粗い表面等に照射され、拡散したレーザー光同士が干渉し、光の強弱が発生することによって生じる。例えば、内部に拡散材を有する拡散板、表面の凹凸によって光を拡散するフロスト型拡散板等においてスペックルが顕著に発生する。スペックルが生じると、斑点模様により表示画像の解像度が低下し、視認性が低下するという問題があった。

このような問題を解決するものとして、特許文献２には、マイクロレンズアレイ（MicroLens Array；ＭＬＡ）を二重に配置することによって構成される二重マイクロレンズアレイ（Double MicroLens Array；ＤＭＬＡ）をＨＵＤ装置のスクリーンに用いる技術が開示されている。このようにＤＭＬＡを用いると、拡散材や表面の凹凸によらず、マイクロレンズ群の屈折作用によってレーザー光を発散させるため、スペックルの発生を低減することができる。

特開平７−２７０７１１号公報 特表２００７−５２３３６９号公報

ＤＭＬＡを用いたＨＵＤ装置では、太陽光等の外光が、表示画像を表す光を視認者へと導く光路を逆に辿ってＤＭＬＡに到達した場合、到達した外光は、ＤＭＬＡで反射され、今度は順方向に光路を辿って視認者に到達する。すると、レーザー光による表示画像を表す光と外光とが重なって視認者に到達し、表示画像のコントラストが低下してしまう。また、スクリーンに照射されたレーザー光が、ＤＭＬＡを構成する二枚のＭＬＡ間で反射することによっても、コントラストが低下してしまう。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、外光によるコントラストの低下とスペックルの発生を抑え、視認性が良好な表示画像を投影することができるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、
レーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光源が出射したレーザー光が到達し、到達したレーザー光を走査する走査部と、
前記走査部が走査したレーザー光が到達し、到達したレーザー光を到達した側と反対側に発散させることで表示画像を表す光を出射する発散部と、を備え、
前記発散部は、
前記レーザー光の入射側に位置し、複数のマイクロレンズが配列されてなるマイクロレンズアレイと、
前記レーザー光の出射側に位置し、前記複数のマイクロレンズが集光した光を通過させる複数の開口部を有して形成された遮光部材からなるアパーチャアレイと、を有する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、外光によるコントラストの低下とスペックルの発生を抑え、視認性が良好な表示画像を投影することができる。

本発明の一実施形態に係る表示装置の車両への搭載態様及び虚像がどのように結像されるかを示す概念図である。 本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の概略構成図である。 図２のＨＵＤ装置が備える合成レーザー光発生装置の概略構成図である。 （ａ）は、図３のビーム整形部の概略構成図であり、（ｂ）は、ビーム整形部を構成する各部を通過した光の断面形状を説明するための図であり、（ｃ）は、ビーム整形部を構成する各部を通過した光の断面強度を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の制御系統を説明するためのブロック図である。 図２の透過スクリーンの側面視における概略断面図である。 （ａ）は、ＭＬＡの拡大平面図であり、（ｂ）は、アパーチャアレイの拡大平面図である。 （ａ）は、透過スクリーンが出射した表示光の強度分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ｂ）は、比較例としてＤＭＬＡを使用したスクリーンが出射した表示光の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 ｄ_Ｈ＝ｄ_Ｈ’である場合の透過スクリーンの端部におけるレーザー光の集光位置とアパーチャアレイの開口部位置との関係を説明するための図である。 比較例として、ｄ_Ｈ＝ｄ_Ｈ’である場合のＨＵＤ装置における光学系を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置における光学系を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る透過スクリーンの端部におけるレーザー光の集光位置とアパーチャアレイの開口部位置との関係を説明するための図である。

本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置を、図１〜図１２を参照して説明する。

本実施形態に係るＨＵＤ装置１は、図１に示すように、車両２のダッシュボード内に設けられ、生成した表示画像Ｌ（図２参照）を表す光をウインドシールド３（透明板の一例）で反射させることにより、運転者に車両情報を表す表示画像Ｌの虚像Ｖを視認させる装置である。運転者は、視域であるＥｙｅｂｏｘ４において、表示画像Ｌを虚像Ｖとして視認する。なお、図１の虚像Ｖは、感覚的な理解を容易にするため、模式的に示したものである。図２の表示画像Ｌも同様である。

図１に示すＨＵＤ装置１は、図２に示すように、合成レーザー光発生装置１０と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スキャナ２０と、入射角制御レンズ３０と、透過スクリーン４０と、反射部５０と、ハウジング６０と、を備える。
なお、ＭＥＭＳスキャナ２０は走査部の一例、入射角制御レンズ３０は屈折部の一例、透過スクリーン４０は発散部の一例である。

合成レーザー光発生装置１０は、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色のレーザー光を合波して１本の合成レーザー光を出射する装置であり、図３に示すように、レーザーダイオード（Laser Diode；ＬＤ）１１と、ビーム整形光学系１２と、集光光学系１３と、ダイクロイックミラー１４，１５と、を備える。

ＬＤ１１は、図３に示すように、赤色のレーザー光Ｒを発するＬＤ１１ｒ、緑色のレーザー光Ｇを発するＬＤ１１ｇ、青色のレーザー光Ｂを発するＬＤ１１ｂ、から構成される。ＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々は、ダイクロイックミラー１５から出射されるレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの各々の偏光方向（電場振動方向）が一致するように配設される。なお、レーザー光がどのようにダイクロイックミラー１５から出射されるかは後に詳述する。

ビーム整形光学系１２は、レーザー光の不均一な強度分布を均一化するとともに、ビーム形状を所望の形状に変換する光学系であり、ビーム整形部１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから構成される。ビーム整形部１２ｒは、ＬＤ１１ｒに対応し、ＬＤ１１ｒが出射するレーザー光Ｒの進行方向側であって光路上に配置される。ビーム整形部１２ｇとＬＤ１１ｇとの対応関係、ビーム整形部１２ｂとＬＤ１１ｂとの対応関係についても同様である。

ビーム整形部１２ｒは、図４（ａ）に示すように、コリメートレンズ１２１ｒと、Ｔｏｐ−Ｈａｔ変換部１２２ｒと、アパーチャ１２３ｒと、を備える。これらは、ＬＤ１１ｒの出射光の進行方向側であって光路上に各々配置され、ＬＤ１１ｒから近い順に、コリメートレンズ１２１ｒ、Ｔｏｐ−Ｈａｔ変換部１２２ｒ、アパーチャ１２３ｒ、と配置される。

コリメートレンズ１２１ｒは、その焦点に光源が配置された場合に、光源から出射され、通過した光を平行光にするように収差補正されたレンズである。コリメートレンズ１２１ｒは、その焦点にＬＤ１１ｒが位置するように配置される。

Ｔｏｐ−Ｈａｔ変換部１２２ｒは、例えばΠシェーパーと呼ばれる装置から構成され、ガウス分布状のレーザー光を、テレスコープ型等の周知のレンズシステムを通じてトップハット型の波形のレーザー光に変換するものである。Ｔｏｐ−Ｈａｔ変換部１２２ｒにおけるレンズシステムは、変換前のレーザー光の強度分布に応じてレンズ面形状が最適化され、構成される。

アパーチャ１２３ｒは、板状の部材であり、開口部を有して金属等により形成されるものである。その開口部の形状は、例えば正方形であり、後述するＭＬＡ４１のマイクロレンズ（ＭＬ）４１ａの外形に合わせて決定される。また、開口部の大きさは、ＭＬＡ４１のＭＬ４１ａの配列ピッチとＬＤ１１ｒからのレーザー光Ｒの波長とを鑑みて、後述する収束光が所望の開口数（Numerical Aperture；ＮＡ）となるように決定される。

以上の構成からなるビーム整形部１２ｒを、ＬＤ１１ｒから出射されたレーザー光Ｒが通過していく過程で、その断面形状と断面強度がどのように変化するかを図４（ｂ）、（ｃ）を参照して説明する。

まず、ＬＤ１１ｒが出射した直後のレーザー光Ｒは、放射状に拡散しながらコリメートレンズ１２１ｒに到達する。レーザー光Ｒがコリメートレンズ１２１ｒを通過すると、拡散光であったレーザー光Ｒは、平行光となる。ここでの通過光の断面形状は、図４（ｂ）のｂ１に示すように、通過前と同様に円状であり、その断面強度は、図４（ｃ）のｃ１に示すように、ガウス分布状であり、強度分布は不均一のままである。

続いて、コリメートレンズ１２１ｒを通過し、平行光となったレーザー光Ｒは、Ｔｏｐ−Ｈａｔ変換部１２２ｒに到達する。レーザー光ＲがＴｏｐ−Ｈａｔ変換部１２２ｒを通過すると、図４（ｃ）のｃ２に示すように、断面強度が均一化されたΠ型のレーザー光Ｒとなる。ここでの通過光の断面形状は、図４（ｂ）のｂ２に示すように、通過前と同様に円状である。

続いて、Ｔｏｐ−Ｈａｔ変換部１２２ｒを通過し、均一化されたレーザー光Ｒは、アパーチャ１２３ｒに到達する。レーザー光Ｒがアパーチャ１２３ｒを通過すると、図４（ｂ）のｂ３に示すように、その断面形状は、アパーチャ１２３ｒの開口部の形状に切り出されたように、略正方形状になる。ここでの通過光の断面強度は、図４（ｃ）のｃ３に示すように、コリメートレンズ１２１ｒを通過することによって、均一化されたままである。

つまり、ＬＤ１１ｒから出射され、ビーム整形部１２ｒを通過したレーザー光Ｒは、図４（ｂ）のｂ３に示すように、その断面形状が略正方形状となり、図４（ｃ）のｃ３に示すように、その断面強度が均一化されたものとなる。

図３に示すビーム整形部１２ｇは、図示しない、コリメートレンズ１２１ｇと、Ｔｏｐ−Ｈａｔ変換部１２２ｇと、アパーチャ１２３ｇと、を備える。これら各部の対応関係は、上記で説明したビーム整形部１２ｒと同様である。また、図３に示すビーム整形部１２ｂは、図示しない、コリメートレンズ１２１ｂと、Ｔｏｐ−Ｈａｔ変換部１２２ｂと、アパーチャ１２３ｂと、を備える。これら各部の対応関係も、上記で説明したビーム整形部１２ｒと同様である。
つまり、ＬＤ１１ｇから出射され、ビーム整形部１２ｇを通過したレーザー光Ｇは、その断面形状が略正方形状となり、その断面強度が均一化されたものとなる。また、ＬＤ１１ｂから出射され、ビーム整形部１２ｂを通過したレーザー光Ｂは、その断面形状が略正方形状となり、その断面強度が均一化されたものとなる。

図３に示す集光光学系１３は、ビーム整形光学系１２から出射されたレーザー光を集光する光学系であり、集光レンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂから構成される。集光レンズ１３ｒは、ビーム整形部１２ｒに対応し、ビーム整形部１２ｒが出射するレーザー光Ｒの進行方向側であって光路上に配置され、通過したレーザー光Ｒを収束光にする。集光レンズ１３ｒのレンズ面形状は、レーザー光Ｒが、後述する透過スクリーン４０で回折限界となるように決定される。集光レンズ１３ｇとビーム整形部１２ｇとの対応関係、集光レンズ１３ｂとビーム整形部１２ｂとの対応関係についても同様である。

ダイクロイックミラー１４と１５は、それぞれ、誘電体の多層膜等の薄膜が鏡面に形成された鏡で構成され、ＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々が出射したレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを反射又は透過させ、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを１本のレーザー光に合波する。

ダイクロイックミラー１４は、集光レンズ１３ｒと集光レンズ１３ｂとから出射される光の進行方向側に位置し、各々の光の進行方向に対して所定の角度をもって配設される。これにより、レーザー光Ｂを透過し、レーザー光Ｒを反射する。このようにして、ダイクロイックミラー１４は、レーザー光ＲとＢを合波する。

ダイクロイックミラー１５は、集光レンズ１３ｇとダイクロイックミラー１４とから出射される光の進行方向側に位置し、各々の光の進行方向に対して所定の角度をもって配設される。これにより、合波されたレーザー光Ｒ，Ｂを透過し、レーザー光Ｇを反射する。このようにして、ダイクロイックミラー１５は、レーザー光Ｒ，Ｂとレーザー光Ｇをさらに合波する。

以上の構成からなる合成レーザー光発生装置１０は、ＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々から出射されたレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを、１本の合成レーザー光に合波して、出射する。なお、ＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々は、合波レーザー光を構成するレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの各々の偏光方向を考慮して調節して配置されており、合成レーザー光発生装置１０が出射する合波レーザー光を構成するレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの各々の偏光方向は一致する。また、この偏光方向は、表示画像Ｌを表す光が到達するウインドシールド３の反射率の偏光依存性を考慮して決定されている。

図２に戻って、ＭＥＭＳスキャナ２０は、合成レーザー光発生装置１０が出射したレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの合成レーザー光を走査して、透過スクリーン４０の上面に表示画像Ｌを生成する。なお、ここで「上」とは、図示する両端矢印のように、ＨＵＤ装置１に対して、ウインドシールド３側の方向を言う。「下」は、その逆方向を言う。

入射角制御レンズ３０は、ＭＥＭＳスキャナ２０で走査されたレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの合成レーザー光を、走査位置に応じた入射角で透過スクリーン４０へ入射させる。入射角制御レンズ３０は、合成レーザー光の透過スクリーン４０への入射角を、透過スクリーン４０以降の光学系（反射部５０、ウインドシールド３）の特性に合わせて最適化するように形成され、配置されている。

透過スクリーン４０は、ＭＥＭＳスキャナ２０が走査したレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを下面で受光して上面に表示画像Ｌを表示する。透過スクリーン４０は、図６に示すように、ＭＬＡ４１、アパーチャアレイ４２から構成され、ＭＥＭＳスキャナ２０で走査されたレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを発散し、拡大する。表示画像Ｌは、このように拡大されたレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂによって表される。透過スクリーン４０の構成と機能については、後に詳述する。また、透過スクリーン４０は、その下面に、後述するカラーセンサ７０を備える。

反射部５０は、透過スクリーン４０の上面に表示された表示画像Ｌが、所望の位置に、所望の大きさで、虚像Ｖとして結ばれるように、図２に示すように、透過スクリーン４０とウインドシールド３の光路間に設けられる光学系である。反射部５０は、平面ミラー５１と拡大ミラー５２の２枚の鏡から構成される。

平面ミラー５１は、平面状の全反射ミラー等であり、透過スクリーン４０に表示された表示画像Ｌを表す、透過スクリーン４０を透過した表示画像Ｌを表す光（表示光）を受ける位置に配置され、表示光を拡大ミラー５２に向かって反射させる。

拡大ミラー５２は、凹面鏡等であり、平面ミラー５１で反射された表示光を凹面で反射させることで、反射光をウインドシールド３に向かって出射する。これにより、結ばれる虚像Ｖの大きさは、表示画像Ｌが拡大された大きさのものになる。拡大ミラー５２による表示画像Ｌの拡大倍率は、拡大ミラー５２の焦点距離（曲率半径）や透過スクリーン４０と拡大ミラー５２間の距離で決まる。拡大ミラー５２の焦点距離が短い方が光路スペースを低減できるが、拡大ミラー５２による拡大倍率は、表示画像Ｌの大きさ、虚像Ｖとして結像させたい像の大きさ、虚像Ｖの像歪み、ＨＵＤ装置１の許容体積（光路スペース）等を勘案して最適な値となるように決定される。

ハウジング６０は、上方に所定の大きさの開口部を有して、箱状に、硬質樹脂等から形成されるものであり、その内部の所定の位置に配置された上記各部（合成レーザー光発生装置１０、ＭＥＭＳスキャナ２０、入射角制御レンズ３０、透過スクリーン４０、反射部５０）を収納する。また、ハウジング６０の開口部には、窓部６１が取り付けられる。

窓部６１は、ハウジング６０の開口部の形状に合わせて、アクリル等の透光性樹脂から湾曲形状に形成され、ハウジング６０の開口部に溶着等により取り付けられる。また、窓部６１は、拡大ミラー５２で反射された光を透過させる。また、窓部６１は、その下面に、後述するライトセンサ８０を備える。

次に、図５を参照して、ＨＵＤ装置１の制御系統について説明する。
ＨＵＤ装置１は、図５に示すように、カラーセンサ７０と、ライトセンサ８０と、制御部９０と、ＭＥＭＳドライバ１００と、前述した合成レーザー光発生装置１０とＭＥＭＳスキャナ２０と、を備える。

カラーセンサ７０は、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの光強度を検出し、検出した光強度のアナログデータを制御部９０の後述するマイコン９１に供給する。また、本実施形態では、カラーセンサ７０は、透過スクリーン４０の下面に設置されているが、その設置場所は、検出光の強度が所定値以上検出可能な範囲であれば任意である。

ライトセンサ８０は、外光強度を検出し、検出した外光強度のアナログデータを制御部９０の後述するマイコン９１に供給する。また、本実施形態では、ライトセンサ８０は、窓部６１の下面に設置されているが、その設置場所は、外光強度が所定値以上検出可能な範囲であれば任意である。

制御部９０は、マイコン９１、出力制御部９２、図示しないＤＡＣ（Digital to Analog Converter）等から構成される。ＤＡＣは、カラーセンサ７０、ライトセンサ８０から受信したアナログデータをデジタルデータに変換し、マイコン９１に供給する。

マイコン９１は、ＨＵＤ装置１における種々の動作を制御する。マイコン９１は、表示画像Ｌを表示するための画像データを図示しない記憶部からＬＶＤＳ（Low Voltage Differential Signal）通信等で取得する。また、記憶部には、所定の動作プログラム、カラーセンサ７０が配置された位置を示す位置データ等が予め記憶されている。

例えば、マイコン９１は、記憶されている動作プログラムを実行し以下のように動作する。
ａ）マイコン９１は、制御データを生成し、生成した制御データを出力制御部９２に出力することで、出力制御部９２を介してＬＤ１１を駆動する。なお、ここで生成される制御データとは、カラーセンサ７０から受信し、ＤＡＣによって変換されたレーザー光強度のデジタルデータに基づき生成されるものであり、ＬＤ１１ｒｒ、１１ｇ、１１ｂの各々が出射するレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの光強度を、ＬＶＤＳ通信等で供給された画像データに基づく映像信号が要求する強度にするための制御データ等である。
ｂ）マイコン９１は、ＭＥＭＳドライバ１００を介して、ＭＥＭＳスキャナ２０を駆動する。
ｃ）マイコン９１は、予め記憶している位置データに基づく所定のタイミング等に応じて、出力制御部９２に制御データを供給し、カラーセンサ７０から光強度のデータを取得する。

出力制御部９２は、マイコン９１から供給された制御データに基づいて、ＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々の出力を制御し、ＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを駆動する。

以上の構成からなるＨＵＤ装置１において、ｉ）合成レーザー光発生装置１０は、制御部９０の制御の下、合成レーザー光をＭＥＭＳスキャナ２０に向け出射し、ＭＥＭＳスキャナ２０は、受光した合成レーザー光を透過スクリーン４０に向けて走査し、透過スクリーン４０上に表示画像Ｌを生成する。ｉｉ）表示画像Ｌを表す光（表示光）は、反射部５０（平面ミラー５１と拡大ミラー５２）で反射され、その反射光は、ウインドシールド３に向けて出射される。このようにして、ＨＵＤ装置１は、表示光を出射する。ｉｉｉ）ＨＵＤ装置１が出射した表示光がウインドシールド３で反射されることで、図１に示すように、運転者から見てウインドシールド３の前方に、表示画像Ｌの虚像Ｖが結ばれる。これにより、運転者は、視域であるＥｙｅｂｏｘ４において、表示画像Ｌを虚像Ｖとして視認することができる。

（透過スクリーン４０）
ここで、本実施形態に特有の透過スクリーン４０について詳細に説明する。
図２に示す透過スクリーン４０は、図６に示すように、レーザー光の入射側に位置するＭＬＡ４１と、出射側に位置するアパーチャアレイ４２と、から構成される。

ＭＬＡ４１は、図７（ａ）に示すように、その面内方向において、例えばレンズサイズ１００μｍ程度の複数のマイクロレンズ（ＭＬ）４１ａの各々が、水平方向にｄ_Ｈ、垂直方向にｄ_Ｖのピッチで周期的に配列するようにして形成されるものである。本実施形態ではｄ_Ｈ＝ｄ_Ｖであり、ＭＬＡ４１は、正方形のマイクロレンズが格子状に周期的に配列され、隣り合うＭＬ４１ａ同士に生じる隙間や段差が最小限となるように形成されている。ここでのピッチとは、互いに隣接するＭＬ４１ａのレンズ中心間の距離であり、以後、このピッチを「ＭＬＡ４１のピッチ」と呼ぶ。

アパーチャアレイ４２は、図７（ｂ）に示すように、その面内方向において、複数の開口部４２ａの各々が、水平方向にｄ_Ｈ’、垂直方向にｄ_Ｖ’のピッチで周期的に配列するように、フォトリソグラフィ技術等により形成されるものである。ここでのピッチとは、互いに隣接する開口部４２ａの中心間の距離であり、以後、このピッチを「アパーチャアレイ４２のピッチ」と呼ぶ。
本実施形態ではｄ_Ｈ’＝ｄ_Ｖ’であり、アパーチャアレイ４２のピッチは、ＭＬＡ４１のピッチよりも僅かに大きく、ｄ_Ｈ’＞ｄ_Ｈである。ＭＬＡ４１とアパーチャアレイ４２のピッチについては、後に詳述する。

アパーチャアレイ４２の開口部４２ａは、その大きさがＭＬ４１ａのレンズサイズの１／５〜１／１０程度となるように調整して形成されている。アパーチャアレイ４２の開口部４２ａ以外の領域は、図示するように、遮光部４２ｂである。遮光部４２ｂは、例えば液晶パネルに用いられるブラックレジストのような可視光を吸収する材料から形成されている。つまり、アパーチャアレイ４２において、その両面共に開口部４２ａ以外の領域は、遮光部４２ｂの表面となっている。そのため、アパーチャアレイ４２に到達したレーザー光のうち、開口部４２ａを通過する光以外の光は、遮光部４２ｂでその大部分が吸収される。

ＭＬＡ４１とアパーチャアレイ４２とは、図６に示すように、互いの有する面が平行になるように、且つ、ＭＬＡ４１の中心部に位置するＭＬ４１ａの光軸ＡＸ上に、アパーチャアレイ４２の中心部に位置する開口部４２ａの中心が位置するように配置される。つまり、両者は、ＭＬ４１ａの焦点距離ｆの間隔だけ隔てて配置されている。なお、ＭＬＡ４１の中心部に位置するＭＬ４１ａとは、ＭＥＭＳスキャナ２０によって走査されたレーザー光の中心の光に照射される位置にあるＭＬ４１ａをいう。また、ＭＬＡ４１とアパーチャアレイ４２とは、アパーチャアレイ４２の複数の開口部４２ａの各々とＭＬＡ４１の複数のマイクロレンズ４１ａの各々とが互いに対を成すように、且つ、ＭＬＡ４１によるレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの集光点Ｐに開口部４２ａ中心が位置するように、形成され、配置される。

透過スクリーン４０は、以上のように構成されるため、ＭＬＡ４１で集光されたレーザー光は、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａをちょうど通過する。このため、ＬＤ１１が出射したレーザー光を効率良く表示画像Ｌを表す光とすることができる。その一方、図２に示すＨＵＤ装置１におけるレーザー光の光路を逆に伝搬し、透過スクリーン４０に到達する外光は、その大部分がアパーチャアレイ４２の遮光部４２ｂに吸収される。そのため、外光反射は、大幅に低減される。

また、透過スクリーン４０に到達したレーザー光のうち、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａを通過する光（つまり、表示画像Ｌを表す光）以外の光は、その大部分がアパーチャアレイ４２の遮光部４２ｂに吸収される。そのため、透過スクリーン４０内でのレーザー光の内部反射も、大幅に低減される。

このように、本実施形態に係る透過スクリーン４０によれば、表示画像Ｌを形成するレーザー光の光量損失を抑えつつも、外光反射と内部反射を低減できるため、コントラストの高い表示画像Ｌを得ることができる。また、本実施形態に係る透過スクリーン４０は、特許文献２に係るＤＭＬＡを用いたスクリーンと同様に、内部に拡散材を有する拡散板やフロスト型拡散板を使用せずに、光を拡大しているため、スペックルの発生を抑制できる。

ここで、図８（ａ）に、透過スクリーン４０が出射した表示光の強度分布のシミュレーション結果を示す。また、図８（ｂ）に、比較例としてＤＭＬＡを使用したスクリーンが出射した表示光の強度分布のシミュレーション結果を示す。

図８（ａ）、（ｂ）を参照すると、透過スクリーン４０による表示光の強度分布は、その両端部が末広がり状になっている一方、ＤＭＬＡによる表示光の強度分布は、その両端部に至るまで均斉がとれたような形状となっている。つまり、ＤＭＬＡを使用したスクリーンのほうが表示光の均斉度が高い。このように、透過スクリーン４０によってもスペックルの発生を抑制することができるが、表示光の強度分布の均斉度は、ＤＭＬＡを使用したスクリーンに比べ、若干低下する。

しかしながら、運転者（視認者）が表示画像Ｌを虚像Ｖとして見る際の視域であるＥｙｅｂｏｘ４に対応する部分の強度分布を比較すると、透過スクリーン４０による表示光の均斉度は、ＤＭＬＡに比べても遜色がなく、十分な値であるため、ＨＵＤ装置１の性能上全く問題がないことがわかった。

図８（ａ）、（ｂ）に示すシミュレーション結果において、両者の、Ｅｙｅｂｏｘ４における強度分布の均斉度を算出すると、透過スクリーン４０による表示光の均斉度は１．１７、ＤＭＬＡによる表示光の均斉度は１．１０であった。このように、透過スクリーン４０においても十分な表示光の均斉度を実現できることがわかる。なお、ここでの均斉度は、Ｅｙｅｂｏｘ４に到達する光の最大強度を最小強度で割ることで算出している。そのため、均斉度が「１」に近いほど、均斉のとれた光がＥｙｅｂｏｘ４に到達していることになる。

続いて、本実施形態における、ＭＬＡ４１のピッチとアパーチャアレイ４２のピッチとの関係について詳細に説明する。

仮に、ＭＬＡ４１のピッチｄ_Ｈとアパーチャアレイ４２のピッチｄ_Ｈ’が「ｄ_Ｈ＝ｄ_Ｈ’」と同一である場合、表示画像Ｌを表す光を透過スクリーン４０から出射させるためには、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを、透過スクリーン４０に対して垂直に入射させる必要がある。

図２中の（Ａ）に示すように、透過スクリーン４０の中心部をレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂが走査すると、レーザー光は、透過スクリーン４０に対し垂直に入射する。このとき、図６に示すように、ＭＬＡ４１で集光されたレーザー光は、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａをちょうど通過する。
一方、図２中の（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、透過スクリーン４０の端部において、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂが透過スクリーン４０に対し入射角をもって入射すると、図９に示すように、ＭＬＡ４１で集光されたレーザー光の位置Ｐ’はアパーチャアレイ４２の開口部４２ａの位置と一致しない（遮光部４２ｂに位置してしまう）ため、レーザー光は、アパーチャアレイ４２を通過することができない。この場合、透過スクリーン４０に対し、入射角をもって入射するレーザー光は、最終的に虚像Ｖとして結像しないため、視認者に、表示画像Ｌが表す像を視認させることはできない。
よって、ｄ_Ｈ＝ｄ_Ｈ’の場合には、入射角制御レンズ２１によって、透過スクリーン４０の全ての表示領域に対して、垂直にレーザー光を入射する必要がある。

このような光学系の場合、透過スクリーン４０で拡大したレーザー光によって、効率良くＥｙｅｂｏｘ４において表示画像Ｖを示す像を生成させるためには、図１０に示すように、透過スクリーン４０を物体面、Ｅｙｅｂｏｘ４を像面とした場合に、ＨＵＤ装置１における光学系は、物体側テレセントリック光学系になっている必要がある。通常、Ｅｙｅｂｏｘ４から拡大ミラー５２までの距離は、車体の設計値で決定され、１ｍ程度と大きい。即ち、拡大ミラー５２の焦点距離を、１ｍ程度と大きくとる必要がある。そのため、表示像の拡大倍率を確保するためには、透過スクリーン４０から拡大ミラー５２間の距離を大きくとる必要があり、光路スペースの増大によって、ＨＵＤ装置１の体積が増大してしまう。

そこで、本実施形態に係るＨＵＤ装置１では、光路スペースの増大を避けるため、図１１に示す光学系を採用した。この光学系は、図１０に示す光学系と異なり、透過スクリーン４０に入射するレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの入射角を透過スクリーン４０の位置ごとに異ならせるように構成される。具体的には、ＭＥＭＳスキャナ２０、入射角制御レンズ３０等を調整することにより、透過スクリーン４０の中心部には、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを透過スクリーン４０に対して垂直に入射させ、中心部から端部側にいけばいくほど、入射角が大きくなるようにレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを透過スクリーン４０に入射させている。そして、このように透過スクリーン４０に入射するレーザー光が、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａを通過できるように、本実施形態に係る透過スクリーン４０では、アパーチャアレイ４２のピッチｄ_Ｈ’は、ＭＬＡ４１のピッチｄ_Ｈよりも若干大きく設定されている。
このようにすることで、透過スクリーン４０に効率よく表示画像Ｌを示す光（表示光）を出射させつつも、透過スクリーン４０の両端部側から出射されるレーザー光の出射角を図１０に示す光学系よりも大きくすることができ、図１０に示す光学系に比べ、透過スクリーン４０と拡大ミラー５２との間の光路を短くすることができる（つまり、拡大ミラー５２の焦点距離を短くすることができる）。つまり、本実施形態に係るＨＵＤ装置１によれば、表示光を効率良く出射し、表示画像Ｌの拡大倍率を確保しつつも、ＨＵＤ装置１の小型化が可能である。

図１１に示す光学系を実現するために、透過スクリーン４０においては、アパーチャアレイ４２のピッチｄ_Ｈ’をＭＬＡ４１のピッチｄ_Ｈよりも若干大きく設定する必要があるが、前述したように、透過スクリーン４０は、ＭＬＡ４１の中心部に位置するＭＬ４１ａの光軸ＡＸ上にアパーチャアレイ４２の中心部に位置する開口部４２ａの中心が位置するように構成される（図６参照）。
透過スクリーン４０に入射するレーザー光は、透過スクリーン４０の中心部においては入射角ゼロ、即ち、透過スクリーン４０に対して垂直に入射する。前述のように透過スクリーン４０の中心部では、ＭＬ４１ａと開口部４２ａとが同一軸（光軸ＡＸ）上に存在するため、図６に示すように、垂直入射したレーザー光Ｒ，Ｇ，ＢはＭＬ４１ａによって集光され、開口部４２ａを通過して拡大し、出射される（発散し、出射される）。

一方、透過スクリーン４０の中心部から端部側に行けば行くほど、ｄ_Ｈ＜ｄ_Ｈ’であるため、対になっているＭＬ４１ａと開口部４２ａにおいて、ＭＬ４１ａの光軸と開口部４２ａの中心が一致しなくなり、図１２に示すように、互いにずれが生じるが、アパーチャアレイ４２のピッチは、ＭＬＡ４１によって集光されるレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの集光位置Ｐ（図６、図１２参照）に複数の開口部４２ａの各々が位置するように決定されている。
本実施形態に係るＨＵＤ装置１においては、このように透過スクリーン４０が構成されているため、ＭＥＭＳスキャナ２０によって走査され、入射角制御レンズ３０を通過したことで屈折したレーザー光が、透過スクリーン４０の端部側に、図１１に示すように、所定の入射角を持って入射すると、図１２に示すように、ＭＬＡ４１を透過したレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂは、ｄ_Ｈ＜ｄ_Ｈ’の関係によってＭＬ４１ａのレンズ中心からオフセットされた位置にあるアパーチャアレイ４２の開口部４２ａをちょうど通過する。

本実施形態に係るＨＵＤ装置１は、レーザー光を出射するＬＤ１１と、ＬＤ１１が出射したレーザー光が到達し、到達したレーザー光を走査するＭＥＭＳスキャナ２０と、ＭＥＭＳスキャナ２０が走査したレーザー光が到達し、到達したレーザー光を到達した側と反対側に発散させることで表示画像Ｌを表す光を出射する透過スクリーン４０と、を備える。透過スクリーン４０は、レーザー光の入射側に位置し、複数のＭＬ４１ａが配列されてなるＭＬＡ４１４１と、レーザー光の出射側に位置し、複数のＭＬ４１ａが集光した光を通過させる複数の開口部４２ａを有して形成され、開口部４２ａ以外の領域は遮光部４２ｂであるアパーチャアレイ４２と、を有する。
このような構成からなるＨＵＤ装置１において、ＭＥＭＳスキャナ２０が走査したレーザー光は、ＭＬ４１ａによって集光され、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａをちょうど通過する。このため、ＬＤ１１が出射したレーザー光を効率良く表示画像Ｌを表す光とすることができる。
その一方、ＨＵＤ装置１におけるレーザー光の光路を逆に伝搬し、透過スクリーン４０に到達する外光は、その大部分がアパーチャアレイ４２の遮光部４２ｂに吸収される。そのため、外光反射は、大幅に低減される。また、透過スクリーン４０に到達したレーザー光のうち、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａを通過する光（つまり、表示画像Ｌを表す光）以外の光は、その大部分がアパーチャアレイ４２の遮光部４２ｂに吸収される。そのため、透過スクリーン４０内でのレーザー光の内部反射も、大幅に低減される。

このように、ＨＵＤ装置１によれば、表示画像Ｌを形成するレーザー光の光量損失を抑えつつも、外光反射と内部反射を低減できるため、コントラストの高い表示画像Ｌを得ることができる。また、本実施形態に係る透過スクリーン４０は、内部に拡散材を有する拡散板やフロスト型拡散板を使用せずに、光を拡大（発散）しているため、スペックルの発生を抑制できる。そのため、視認性が良好な表示画像を投影することができる。

（変形例）
なお、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。以下に変形例を示す。

以上の実施形態においては、アパーチャアレイ４２のピッチは、水平方向、垂直方向ともに等しいものとして説明したが、これに限られない。アパーチャアレイ４２のピッチは、全ての開口部４２ａ間で同一である必要はなく、複数の開口部４２ａのうち少なくとも一部の複数の開口部４２ａにおいて、それぞれ異なってもよい。この場合、アパーチャアレイ４２における、隣り合う開口部４２ａ間のピッチが異なる部分は任意であり、ＭＬＡ４１による集光位置等を勘案して適宜定めればよい。つまり、アパーチャアレイ４２において、開口部４２ａは水平方向及び垂直方向に同一ピッチで規則的に配列されなくともよく、少なくともその一部が異なるピッチで不規則に配列されても良い。

以上の実施形態では、ＭＬＡ４１が有するＭＬ４１ａの形状を正方形として説明したが、これに限られない。ＭＬ４１ａの形状は、長方形、六角形等であってもよい。六角形の場合は、ＭＬＡ４１は、ハニカム状に複数のＭＬ４１ａの各々を所定のピッチで配列することによって形成される。この場合、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａの形状は、ＭＬ４１ａのレンズ形状に合わせることが好ましい。また、ビーム整形光学系１２のアパーチャ１２３ｒ，１２３ｇ，１２３ｂの開口形状も、ＭＬ４１ａのレンズ形状に合わせることが好ましい。

また、以上の実施形態では、３つのＬＤが配設され、これらは各々、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを出射するものとしたがＬＤの数はこれに限られない。４つのＬＤを配設することで、４原色で表示画像Ｌを生成してもよいし、１つのＬＤでモノクロの表示画像Ｌを生成してもよい。

また、以上の実施形態では、ＨＵＤ装置が搭載される乗り物の一例を車両としたが、これに限られない。ＨＵＤ装置を自動車、オートバイ、建設機械、農耕機械、船舶、雪上バイク等に搭載することも可能である。

また、反射部５０は、平面ミラー５１、拡大ミラー５２の２枚の鏡から構成されたが、これに限られない、反射部５０を構成する鏡の形状・枚数は目的に応じて任意である。

なお、本発明は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、実施形態及び図面に変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。

１…ＨＵＤ装置
２…車両
３…ウインドシールド
４…Ｅｙｅｂｏｘ
１０…合成レーザー光発生装置
１１…ＬＤ（１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ…ＬＤ）
１２…ビーム整形光学系（１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ…ビーム整形部）
１２１ｒ，１２１ｇ，１２１ｂ…コリメートレンズ
１２２ｒ，１２２ｇ，１２２ｂ…Ｔｏｐ−Ｈａｔ変換部
１２３ｒ，１２３ｇ，１２３ｂ…アパーチャ
１３…集光光学系（１３ｒ，１３ｇ，１３ｂ…集光レンズ）
１４，１５…ダイクロイックミラー
２０…ＭＥＭＳスキャナ
３０…入射角制御レンズ
４０…透過スクリーン
４１…マイクロレンズアレイ
４１ａ…マイクロレンズ
４２…アパーチャアレイ
４２ａ…開口部
４２ｂ…遮光部
５０…反射部、５１…平面ミラー、５２…拡大ミラー
６０…ハウジング、６１…窓部
７０…カラーセンサ
８０…ライトセンサ
９０…制御部、９１…マイコン、９２…出力制御部
１００…ＭＥＭＳドライバ
Ｒ…赤色レーザー光
Ｇ…緑色レーザー光
Ｂ…青色レーザー光
Ｌ…表示画像
Ｖ…虚像

Claims (11)

1. レーザー光を出射するレーザー光源と、
   前記レーザー光源が出射したレーザー光が到達し、到達したレーザー光を走査する走査部と、
   前記走査部が走査したレーザー光が到達し、到達したレーザー光を到達した側と反対側に発散させることで表示画像を表す光を出射する発散部と、を備え、
   前記発散部は、
   前記レーザー光の入射側に位置し、複数のマイクロレンズが配列されてなるマイクロレンズアレイと、
   前記レーザー光の出射側に位置し、前記複数のマイクロレンズが集光した光を通過させる複数の開口部を有して形成された遮光部材からなるアパーチャアレイと、を有する、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記マイクロレンズアレイと前記アパーチャアレイとは、互いに前記マイクロレンズの焦点距離だけ隔てて配設されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記複数のマイクロレンズの各々は、前記マイクロレンズアレイにおいて、垂直方向に第１のピッチで、水平方向に第２のピッチで配列され、
   前記複数の開口部の各々は、前記アパーチャアレイにおいて、垂直方向に前記第１のピッチ以上の第３のピッチで、水平方向に前記第２のピッチ以上の第４のピッチで配列されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記第３のピッチは、前記第１のピッチよりも大きい、
   ことを特徴とする請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記第４のピッチは、前記第２のピッチよりも大きい、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記第３のピッチは、前記複数の開口部のうち少なくとも一部の複数の開口部において、それぞれ異なる、
   ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
7. 前記第４のピッチは、前記複数の開口部のうち少なくとも一部の複数の開口部において、それぞれ異なる、
   ことを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
8. 前記走査部と前記発散部との間に位置し、前記走査部が走査したレーザー光が到達し、到達したレーザー光を屈折させて到達した側と反対側に出射する屈折部をさらに備え、
   前記屈折部が出射し、前記マイクロレンズアレイに入射するレーザー光の入射角は、前記マイクロレンズアレイの中心部よりも端部側のほうが大きい、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
9. 前記マイクロレンズと前記開口部の形状は、略等しい、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
10. 前記発散部は、
    前記マイクロレンズアレイが有する前記複数のマイクロレンズのうちの１つのマイクロレンズの光軸上に、前記アパーチャアレイが有する前記複数の開口部のうちの１つの開口部の中心が位置するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
11. 前記発散部が出射した前記表示画像を表す光が到達し、到達した光を１又は複数回反射させる反射部をさらに備え、
    前記反射部で反射された光が、透明板によってさらに反射されることによって前記表示画像を虚像として視認させる、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

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