JP2017003803A - 光走査装置、画像表示装置及び物体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画質の低下を抑制することができる画像表示用の光走査装置を提供する。【解決手段】 光走査装置は、画像表示用の光走査装置であって、光源及び該光源からの光を偏向する２次元偏向手段６（偏向器）を含む光走査系と、該光走査系からの光が照射されるマイクロレンズアレイとを備え、該マイクロレンズアレイのレンズ配列において、ＸＹ平面（マイクロレンズアレイのレンズ配列面）内のＸ方向（第１の方向）に直交するＹ方向（第２の方向）のレンズピッチＰｙは、Ｘ方向に変化している。【選択図】図２４

Description

本発明は、光走査装置、画像表示装置及び物体装置に係り、更に詳しくは、画像表示に用いられる光走査装置、該光走査装置を備える画像表示装置、該画像表示装置を備える物体装置に関する。

近年、画像表示用の光走査装置の開発が盛んに行われている。

例えば、特許文献１〜４には、スクリーン部材（例えばマイクロレンズアレイ）を光走査する画像表示用の光走査装置が開示されている（例えば特許文献１〜４参照）。

しかしながら、特許文献１〜４に開示されている装置では、画質の低下を抑制することに関して向上の余地があった。

本発明は、画像表示用の光走査装置であって、光源及び該光源からの光を偏向する偏向器を含む光走査系と、前記光走査系からの光が照射される、アレイ状に配列された複数の凸構造を有する光学素子と、を備え、前記光学素子の凸構造配列において、凸構造配列面内の第１の方向に直交する第２の方向の前記凸構造のピッチＰ２は前記第１の方向に変化していることを特徴とする光走査装置である。

本発明によれば、画質の低下を抑制することができる。

図１（ａ）〜図１（ｃ）は、それぞれ本発明の第１実施形態の画像表示装置を説明するための図（その１〜その３）である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、それぞれ微細凸レンズによる拡散と干渉性ノイズ発生を説明するための図（その１及びその２）である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、それぞれ干渉性ノイズの除去を説明するための図（その１〜その３）である。 図４（ａ）〜図４（ｃ）は、微細凸レンズの配列形態例を３例示す図である。 図５（ａ）〜図５（ｅ）は、微細凸レンズの配列形態の他の例を５例示す図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、アナモフィックな微細凸レンズを説明するための図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、被走査面素子の例を２例説明する図である。 微細凸レンズの配列形態の他の例を１例示す図である。 画像表示装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 画像表示装置の機能ブロック図である。 ２次元偏向手段としての光偏向器について説明するための図である。 図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、それぞれＨＵＤのマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を説明するための図（その１及びその２）である。 ＭＬＡのレンズピッチを説明するための図である。 図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、それぞれマイクロレンズのハニカム状配列について説明するための図（その１及びその２）である。 比較例のマイクロレンズアレイを説明するための図である。 ２次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。 ２次元走査時の走査線軌跡の他の例を示す図である。 Ｐｙ＝Ｐｓの場合における画像の左半分を示す図である。 Ｐｙ＝Ｐｓの場合における画像に発生するモアレを示す図である。 Ｐｙ＞Ｐｓの場合における画像の左半分を示す図である。 Ｐｙ＞Ｐｓの場合における画像の粒状度の悪化を示す図である。 Ｐｙ＞Ｐｓの場合における画像の左半分を示す図である。 Ｐｙ＜Ｐｓの場合における画像に発生するスペックルを示す図である。 第２実施形態のマイクロレンズアレイの一例を説明するための図である。 第２実施形態における走査線周期（ｓｃａｎ）とレンズピッチＰｙ（Ｃａｓｅ.１〜４）のＸ方向の変化を示すグラフである。 図２６（ａ）及び図２６（ｂ）は、それぞれ図１６の走査線の断面プロファイルを説明するための図（その１及びその２）である。 第２実施形態の変形例１のマイクロレンズアレイを説明するための図である。 第２実施形態の変形例２のマイクロレンズアレイを説明するための図である。 第２実施形態の変形例３のマイクロレンズアレイを説明するための図である。 マイクロミラーアレイを説明するための図である。

《第１実施形態》
以下、第１実施形態を説明する。

図１は、第１実施形態の画像表示装置を説明するための図である。
図１に即して説明する画像表示装置１０００は、２次元のカラー画像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であり、図１（ａ）に装置の全体を説明図的に示す。

画像表示装置１０００は、一例として、車両、航空機、船舶等の移動体に搭載され、該移動体に設けられた透過反射部材（例えばフロントガラス）を介して該移動体の操縦に必要なナビゲーション情報（例えば速度、走行距離等の情報）を視認可能にする。以下では、移動体に設定されたＸＹＺ３次元直交座標系（移動体と共に移動する座標系）を適宜用いて説明する。なお、「透過反射部材」とは、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる部材を意味する。

図１（ａ）において、符号１００で示す部分は「光源部」であり、この光源部１００からカラー画像表示用の画素表示用ビームＬＣが＋Ｚ方向に射出される。

画素表示用ビームＬＣは、赤（以下「Ｒ」と表示する。）、緑（以下「Ｇ」と表示する。）、青（以下「Ｂ」と表示する。）の３色のビームを１本に合成したビームである。

即ち、光源部１００は、例えば、図１（ｂ）の如き構成となっている。

図１（ｂ）において、符号ＲＳ、ＧＳ、ＢＳで示す光源としての半導体レーザは、それぞれＲ、Ｇ、Ｂのレーザ光を放射する。ここでは、各半導体レーザとして、端面発光レーザとも呼ばれるレーザダイオード（ＬＤ）が用いられている。なお、半導体レーザとして、端面発光レーザに代えて、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用いても良い。

符号ＲＣＰ、ＧＣＰ、ＢＣＰで示すカップリングレンズは、半導体レーザＲＳ、ＧＳ、ＢＳから射出される各レーザ光の発散性を抑制する。

カップリングレンズＲＣＰ、ＧＣＰ、ＢＣＰにより発散性を抑制された各色レーザ光束は、アパーチュアＲＡＰ、ＧＡＰ、ＢＡＰにより整形される（光束径を規制される）。

整形された各色レーザ光束はビーム合成プリズム１０１に入射する。
ビーム合成プリズム１０１は、Ｒ色光を透過させＧ色光を反射するダイクロイック膜Ｄ１と、Ｒ・Ｇ色光を透過させＢ色光を反射するダイクロイック膜Ｄ２を有する。

従って、ビーム合成プリズム１０１からは、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色レーザ光束が１本の光束に合成されて射出される。

射出される光束は、レンズ１０２により所定の光束径の「平行ビーム」に変換される。
この「平行ビーム」が、画素表示用ビームＬＣである。

画素表示用ビームＬＣを構成するＲ、Ｇ、Ｂの各色レーザ光束は、表示するべき「２次元のカラー画像」の画像信号により（画像情報（画像データ）に応じて）強度変調されている。強度変調は、半導体レーザを直接変調する直接変調方式であっても良いし、半導体レーザから射出されたレーザ光束を変調する外部変調方式であっても良い。

即ち、半導体レーザＲＳ、ＧＳ、ＢＳは、図示されない駆動手段により、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分の画像信号により発光強度を変調される。

光源部１００から射出された画素表示用ビームＬＣは、画像形成素子としての２次元偏向手段６に入射し、２次元的に偏向される。
２次元偏向手段６は、本実施形態では、微小なミラーを「互いに直交する２軸」を揺動軸として揺動するように構成されたものである。

即ち、２次元偏向手段６は具体的には、半導体プロセス等で微小揺動ミラー素子として作製されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）である。

２次元偏向手段は、この例に限らず、他の構成のもの、例えば、１軸の回りに揺動する微小ミラーを２個、揺動方向が互いに直交するように組み合わせたもの等でもよい。また、２次元偏向手段として、２つのＭＥＭＳミラーの組み合わせや、２つのガルバノミラーの組み合わせや、２つのポリゴンミラーの組み合わせや、ＭＥＭＳミラー、ガルバノミラー、ポリゴンミラーのいずれか２つの組み合わせを採用しても良い。

上記の如く２次元的に偏向された画素表示用ビームＬＣは、凹面鏡７に入射し、被走査面素子８に向けて反射される。

凹面鏡７の光学作用は、２次元的に偏向された画素表示用ビームＬＣによって反射面素子１０上に形成される画像の歪みをとることである。
即ち、凹面鏡７により反射された画素表示用ビームＬＣは、２次元偏向手段６による偏向に伴い平行移動しつつ被走査面素子８に入射し、該被走査面素子８を２次元的に走査する。

この２次元的な走査により、被走査面素子８に「カラーの２次元画像」が形成される。

そこで、光源部１００、２次元偏向手段６、凹面鏡７、被走査面素子８を含んで光走査装置が構成されている。

勿論、被走査面素子８に各瞬間に表示されるのは「画素表示用ビームＬＣが、その瞬間に照射している画素のみ」である。

カラーの２次元画像は、画素表示用ビームＬＣによる２次元的な走査により「各瞬間に表示される画素の集合」として形成される。
被走査面素子８に、上記の如く「カラーの２次元画像」が形成され、上記画像情報の画素単位の光（各画素に対応する光）である画素光が、凹面鏡９に入射して反射される。

図１には示されていないが、被走査面素子８は後述する「微細凸レンズ構造」を有している。凹面鏡９は「虚像結像光学系」を構成する。

「虚像結像光学系」は、前記「カラーの２次元画像」の拡大虚像１２を結像させる。
拡大虚像１２の結像位置の手前側には、反射面素子１０が設けられ、拡大虚像１２を結像する光束を、観察者１１（図１（ａ）には観察者の目を示す。）の側へ反射する。この場合、凹面鏡９は、被走査面素子８からの画素光を反射面素子１０に向けて投射する投射光学系を構成する。なお、観察者１１（例えば移動体を操縦する操縦者）は、反射面素子１０（透過反射部材）で反射されたレーザ光の光路上の所定の観察位置（視点）から虚像を視認する。

この反射光により、観察者１１は拡大虚像１２を視認できる。

図１（ａ）に示す如く、図の上下方向を「Ｙ方向」、図面に直交する方向を「Ｘ方向」とする。

図１（ａ）に示す場合には、Ｙ方向は通常、観察者１１にとって上下方向であり、この方向を「縦方向」と呼ぶ。

また、Ｘ方向は通常、観察者にとって左右方向であり、この方向を「横方向」と呼ぶ。

被走査面素子８は、上述の如く、微細凸レンズ構造を有している。
後述するように、微細凸レンズ構造は「複数の微細凸レンズが、画素ピッチに近いピッチで密接して配列された」ものである。なお、以下では、微細凸レンズ構造について説明するが、「複数の微細凹レンズが、画素ピッチに近いピッチで密接して配列された」微細凹レンズ構造でも同様な作用、効果がある。

ここでは、複数の微細凸レンズは、凸面が入射面となるようにＺ方向に直交する平面（ＸＹ平面）に沿って所定ピッチで２次元配列されている。その具体的な配列形態としては、Ｘ方向を行方向、Ｙ方向を列方向とするマトリクス状の配列や、ハニカム状配列が挙げられる。

各微細凸レンズの平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、例えば円形、正Ｎ角形（Ｎは３以上の自然数）等である。ここでは、微細凸レンズの各々は、互いに曲率（曲率半径）が等しい。

そして、個々の微細凸レンズは、画素表示用ビームＬＣを等方的に拡散させる機能を持つ。すなわち、各微細凸レンズは、全方位に均等な拡散パワーを持つ。以下に、この「拡散機能」を簡単に説明する。

図１（ｃ）において、符号Ｌ１〜Ｌ４は、被走査面素子８に入射する４本の画素表示用ビームを示している。

これ等の４本の画素表示用ビームＬ１〜Ｌ４は、被走査面素子８に形成される２次元画像の４隅に入射する画素表示用ビームであるものとする。

これら４本の画素表示用ビームＬ１〜Ｌ４は、被走査面素子８を透過すると、ビームＬ１１〜Ｌ１４のように変換される。

仮に、画素表示用ビームＬ１〜Ｌ４で囲まれる断面が横長の４辺形の光束を、被走査面素子８に入射させると、この光束は「ビームＬ１１〜Ｌ１４で囲まれる断面が横長の４辺形の発散性の光束」となる。

微細凸レンズのこの機能が「拡散機能」である。

「ビームＬ１１〜Ｌ１４で囲まれる発散性の光束」は、このように発散性光束に変換された画素表示用ビームを時間的に集合した結果である。

画素表示用ビームを拡散させるのは「反射面素子１０により反射された光束が、観察者１１の目の近傍の広い領域を照射する」ようにするためである。

上記拡散機能が無い場合には、反射面素子１０により反射された光束が「観察者１１の目の近傍の狭い領域」のみを照射する。

このため、観察者１１が頭部を動かして、目の位置が上記「狭い領域」から逸れると、観察者１１は拡大虚像１２を視認できなくなる。

上記のように、画素表示用ビームＬＣを拡散させることにより、反射面素子１０による反射光束は「観察者１１の目の近傍の広い領域」を照射する。

従って、観察者が「頭を少々動かし」ても、拡大虚像１２を確実に視認できる。

上記の如く、本実施形態において、被走査面素子８に入射する画素表示用ビームＬＣは平行ビームであるが、被走査面素子８を透過した後は発散性のビームとなる。

この発明における被走査面素子８は、画素表示用ビームＬＣを拡散させる複数の微細凸レンズが、画素ピッチに近いピッチで密接して配列された「微細凸レンズ構造」を有する。

微細凸レンズは「画素表示用ビームＬＣのビーム径」より大きい。

微細凸レンズを「画素表示用ビームＬＣのビーム径」より大きくするのは、干渉性ノイズ低減のためであり、以下これを、図２及び図３を参照して説明する。

図２（ａ）において、符号８０２は被走査面素子を示す。
被走査面素子８０２は、微細凸レンズ８０１を配列した微細凸レンズ構造を有する。

符号８０３で示す「画素表示用ビーム」の光束径８０７は、微細凸レンズ８０１の大きさよりも小さい。

即ち、微細凸レンズ８０１の大きさ８０６は、光束径８０７よりも大きい。
なお、本実施形態では、画素表示用ビーム８０３はレーザ光束であり、光束中心のまわりにガウス分布状の光強度分布をなす。
従って、光束径８０７は、光強度分布における光強度が「１／ｅ^２」に低下する光束半径方向距離である。
図２（ａ）では、光束径８０７は微細凸レンズ８０１の大きさ８０６に等しく描かれているが、光束径８０７が「微細凸レンズ８０１の大きさ８０６」に等しい必要は無い。
微細凸レンズ８０１の大きさ８０６をはみ出さなければよい。

図２（ａ）において、画素表示用ビーム８０３は、その全体が１個の微細凸レンズ８０１に入射し、発散角８０５をもつ拡散光束８０４に変換される。

なお、「発散角」は、以下において「拡散角」と呼ぶこともある。

図２（ａ）の状態では、拡散光束８０４は１つで、干渉する光束が無いので、干渉性ノイズ（スペックルノイズ）は発生しない。

なお、発散角８０５の大きさは、微細凸レンズ８０１の形状により適宜設定できる。

図２（ｂ）では、画素表示用ビーム８１１は、光束径が微細凸レンズの配列ピッチ８１２の２倍となっており、２個の微細凸レンズ８１３、８１４に跨って入射している。

この場合、画素表示用ビーム８１１は、入射する２つの微細凸レンズ８１３、８１４により２つの発散光束８１５、８１６のように拡散される。

２つの発散光束８１５、８１６は、領域８１７において重なり合い、この部分で互いに干渉して干渉性ノイズを発生する。

図３（ａ）は、画素表示用ビーム８２４が、被走査面素子８２１の、２つの微細凸レンズ８２２、８２３に跨って入射している状態を示す。

画素表示用ビーム８２４の光束径は、微細凸レンズ８２２等の大きさに等しい。
この場合、微細凸レンズ８２２に入射したビーム部分は発散光束８２６となり、微細凸レンズ８２３に入射したビーム部分は発散光束８２７となって拡散される。

発散光束８２６と８２７とは、互いに遠ざかる方向へ拡散されるので、これらが相互に重なり合うことはなく、従って、この状態で干渉性ノイズは発生しない。

即ち、微細凸レンズにより拡散された光束による干渉性ノイズは、画素表示用ビーム８２４のビーム径を、微細凸レンズ８２２の大きさ以下に設定すれば発生しない。

微細凸レンズの径と、被走査面素子に入射する画素表示用ビームのビーム径の具体的な数値例を例示する。

画素表示用ビームのビーム径を、例えば１５０μｍ程度に設定することは容易である。

この場合には、微細凸レンズ構造を構成する微細凸レンズの大きさは、上記１５０μｍ以上の大きさ、例えば、１６０μｍ、２００μｍ等に設定すれば良い。

図３（ａ）に示す被走査面素子８２１では、微細凸レンズ８２２、８２３・・は隙間なく配列されている。

従って、隣接する微細凸レンズ面の「境界部の幅（以下「境界幅」とも言う。）は０」である。
このため、微細凸レンズ８２２、８２３に、図３（ａ）の如く入射する画素表示用ビーム８２４から発生する発散光束は、発散光束８２６、８２７のみである。

しかしながら、実際に形成される微細凸レンズ構造では「隣接する微細凸レンズの境界幅が０となる」ことは無い。

即ち、図３（ｂ）に示す被走査面素子８３１のように、実際に形成される微細凸レンズ構造では、微細凸レンズ８３３、８３４の境界部８３５は「幅：０」とはならない。

微細凸レンズ８３３、８３４の境界部８３５は、微視的には「曲面が滑らかに連続」しており、境界部８３５には曲面が形成される。

このように境界部８３５に形成された曲面は、この部分に画素表示用ビームが入射すると、入射光部分に対して「微小なレンズ面」として作用する。

従って、微細凸レンズ８３３、８３４に跨って入射する画素表示用ビーム８３２は、発散光束８３６、８３７とともに発散光束８３８も発生させる。

発散光束８３８は境界部８３５の曲面のレンズ作用により発生し、発散光束８３６、８３７と、領域８３９、８４０において重なり合って干渉し、干渉性ノイズを発生させる。

図３（ｃ）は、微細凸レンズ構造における「干渉性ノイズの軽減ないし防止」を説明するための図である。

微細凸レンズ構造において、微細凸レンズ８４１、８４２のレンズ面が緩やかに繋がった境界部８４３の曲面形状は、それ自体が「微小なレンズ面」をなしている。

境界部８４３の曲面形状の曲率半径を図の如く「ｒ」とする。

ここで、説明の簡単のため、微細凸レンズ構造に入射する画素表示用ビームを「波長：λの単色レーザ光束」とする。

境界部８４３の曲率半径：ｒが、画素表示用ビームの波長：λよりも大きい場合（ｒ＞λ）、曲率半径：ｒの曲面は、入射する画素表示用ビームに対してレンズ作用を及ぼす。

従ってこの場合、境界部８４３を通過するビーム成分は発散され、微細凸レンズ８４１、８４２により拡散された光束と重なり合って干渉し、干渉性ノイズを発生する。

一方、境界部８４３の曲率半径：ｒが、画素表示用ビームの波長：λより小さくなると、境界部８４３は画素表示用ビームに対して「サブ波長構造」となる。
周知の如く、サブ波長構造は「サブ波長構造よりも大きい波長の光」に対してはレンズ作用を生じない。
従って、波長：λより小さい曲率半径：ｒをもった境界部８４３は「レンズ」として作用せず、画素表示用ビームを直進的に透過させ、発散させることがない。

このため、境界部８４３を直進的に透過したビーム部分と、微細凸レンズ８４１、８４２により拡散された発散光束とは重なり合わず、干渉による干渉性ノイズは発生しない。

即ち、画素表示用ビームのビーム径：ｄ、波長：λ、微細凸レンズの大きさ：Ｄ、境界部をなす面の曲率半径：ｒの大小関係は、以下のように定めるのが良い。
Ｄ＞ｄ、λ＞ｒ 。

表示すべき２次元の拡大虚像がモノクロ画像である場合には、波長：λの単色のコヒーレント光により画素表示用ビームを形成する。
従って、この場合には、上記Ｄ、ｄ、ｒ、λが上記大小関係を満足するように設定することにより、干渉性ノイズを抑制できる。

本実施形態のように、２次元のカラー画像（拡大虚像）を表示する場合、画素表示用ビームＬＣは、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のビームの合成されたものである。

これ等の３ビームの波長をλＲ（＝６４０ｎｍ）、λＧ（＝５１０ｎｍ）、λＢ（＝４４５ｎｍ）とすると、これらの大小関係は「λＲ＞λＧ＞λＢ」である。

従って、干渉性ノイズ防止の観点からすれば、上記境界部をなす面の曲率半径：ｒを、最短波長：λＢよりも小さく、例えば、４００ｎｍとすればよい。

しかし、最長波長：λＲよりも小さい曲率半径：ｒ（例えば６００ｎｍ）を設定すれば、画像表示ビームのＲ成分による干渉性ノイズを防止できる。

即ち、干渉性ノイズを有効に軽減させることができる。

「ｒ（例えば５００ｎｍ）＜λＧ」とすれば、画像表示ビームのＲ成分およびＧ成分の光による干渉性ノイズを防止できる。
画素表示用ビームＬＣが「Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のビームの合成されたもの」である場合、干渉性ノイズは、これら３色の成分について独立に発生する。
そして、これら独立した３色Ｒ、Ｇ、Ｂのビームの干渉性ノイズの「総体」が、視認される干渉性ノイズとなる。
従って、３色の干渉性ノイズのうち、１色でも干渉性ノイズが無くなれば、視認される干渉性ノイズは大幅に改善され、観察画像の画質向上に寄与する。
従って、干渉性ノイズの防止効果は、３色のうちで「最も長波長のＲ成分」のみでも効果があり、次いでＧ成分、Ｂ成分という順で「低減効果」が向上する。
したがって、最長波長：λＲよりも小さい曲率半径：ｒ（例えば６００ｎｍ）を設定すれば、干渉性ノイズの軽減上、一定の効果を達成できる。
干渉性ノイズの視認性は、波長やビーム径・マルチ／シングルモードなどでノイズ強度は変わるが、一般的にはＲ≒Ｇ＞Ｂの順で高い。
即ち、波長：λＢの光は人間の眼の視感度が低く、干渉性ノイズは目立ちにくい。
従って、波長：λＧよりも小さい曲率半径：ｒ（例えば５００ｎｍ）を設定すれば、視認性の比較的高い波長：λＲとλＧの光による干渉性ノイズを軽減できる。
視感度が低い波長：λＢの光による干渉性ノイズは発生しても、さほど目立たない。
勿論、波長：λＢよりも小さい曲率半径：ｒ（例えば４００ｎｍ）を設定すれば、上記の如く、干渉性ノイズを更に有効に軽減できる。

微細凸レンズ構造を構成する複数の微細凸レンズそれぞれの大きさは、上記の如く、１００μｍオーダであり、これは通常の「マイクロレンズ」として実現できる。

また、複数の微細凸レンズを配列した微細凸レンズ構造は「マイクロレンズアレイ」として実現できる。

従って、以下、微細凸レンズを「マイクロレンズ」とも呼び、微細凸レンズ構造を「マイクロレンズアレイ」とも呼ぶこととする。

マイクロレンズアレイは、一般に、マイクロレンズアレイのレンズ面アレイの転写面を持つ金型を作製し、この金型を用いて、樹脂材料に金型面を転写して作製される。
金型における転写面の形成は、切削やフォトリソグラフィなどを用いて形成する方法が知られている。

また、樹脂材料への転写面の転写は、例えば「射出成形」で行うことができる。

隣接マイクロレンズの境界部における曲率半径を小さくすることは、境界幅を小さくすることにより実現できる。
小さい境界幅は、隣接マイクロレンズ面の形成する境界部の「尖鋭化」することにより実現できる。

マイクロレンズアレイ用の金型において、「隣接マイクロレンズ間の境界幅」の大きさを波長オーダまで小さくする工法は、種々の方法が知られている。

例えば、特許第４２００２２３号公報は、異方性エッチングおよびイオン加工により各マイクロレンズの曲率半径を増加させ、境界部の非レンズ部分を除去する方法を開示している。

また、特許第５０１０４４５号公報は、等方性ドライエッチングを用いて、隣接マイクロレンズ間の平坦面を除去する方法を開示している。

例えば、これらの公知の方法を用いることにより、隣接マイクロレンズ間の境界部を成す面の曲率半径が、十分に小さいマイクロレンズアレイを作製可能である。
即ち、上に説明した被走査面素子は、複数のマイクロレンズが相互に近接して配列した構造を有するマイクロレンズアレイとして構成できる。
隣接するマイクロレンズの境界部をなす面の曲率半径：ｒを６４０ｎｍよりも小さいマイクロレンズアレイとして形成することにより、Ｒ成分光の干渉性ノイズを防止できる。
また、上記曲率半径：ｒを５１０ｎｍよりも小さいマイクロレンズアレイとして形成すれば、Ｒ成分光とＧ成分光による干渉性ノイズを防止できる。
隣接するマイクロレンズの境界部をなす面の曲率半径：ｒを４４５ｎｍよりも小さいマイクロレンズアレイとして形成すれば、Ｒ、Ｇ、Ｂ成分光の干渉性ノイズを防止できる。

上には、図１に示す画像表示装置（ヘッドアップディスプレイ装置）について説明した。

図１に示す凹面鏡７は、「２次元的に偏向された画素表示用ビームＬＣによって反射面素子１０上に形成される画像の歪みをとる機能」を持つ。
即ち、凹面鏡７は「２次元的に偏向された画素表示用ビームの偏向範囲を調整し、被走査面素子の走査範囲を規制する偏向範囲規制手段」として機能する。

このような偏向範囲規制手段は、２次元偏向手段６により２次元的に偏向された画素表示用ビームの偏向角がさほど大きくない場合には、省略することもできる。

微細凸レンズ構造（マイクロレンズアレイ）および微細凸レンズ（マイクロレンズ）に対する条件は上記の如くである。

即ち、「画素表示用ビームのビーム径より大きい複数の微細凸レンズが、画素ピッチに近いピッチで密接して配列されて微細凸レンズ構造を構成」する。

そこで、このような条件を満足するマイクロレンズアレイの具体的な形態を３例、図４に示す。
図４（ａ）に形態例を示すマイクロレンズアレイ８７は、正方形形状のマイクロレンズ８７１１、８７１２・・等を正方行列状に配列したものである。

ヘッドアップディスプレイ装置において表示される２次元画像（拡大虚像）の画素数は、マイクロレンズアレイにおけるマイクロレンズの配列周期で決定される。

図４（ａ）の配列の場合、Ｘ軸方向に隣接するマイクロレンズ８７１１、８７１２の中心間距離をＸ１とする。

また、図においてＹ軸方向に隣接するマイクロレンズ８７１１、８７２１の中心間距離をＹ１とする。これら、Ｘ１、Ｙ１を「１画素の実効サイズ」と見做すことができる。

「１画素の実効サイズ」を以下において「１画素の実効ピッチ」あるいは「実効画素ピッチ」とも呼ぶ。

図４（ｂ）に形態例を示すマイクロレンズアレイ８８は、正六角形形状のマイクロレンズ８８１１、８８２１・・を稠密に配列したものである。

この場合のマイクロレンズの配列では、配列されるマイクロレンズ８８１１等は、Ｘ軸方向に平行な辺を持たない。

即ち、Ｘ軸方向に配列するマイクロレンズの上辺・下辺は「ジグザク状」になるので、このような配列を「ジグザグ型配列」と呼ぶ。

図４（ｃ）に形態例を示すマイクロレンズアレイ８９は、正六角形形状のマイクロレンズ８９１１、８９２１・・を稠密に配列したものである。

この場合のマイクロレンズの配列では、配列されるマイクロレンズ８９１１等は、Ｘ軸方向に平行な辺を持っている。この場合の配列を「アームチェア型配列」と呼ぶ。

ジグザグ型配列とアームチェア型配列を合わせて「ハニカム型配列」と呼ぶ。

図４（ｃ）に示すアームチェア型配列は、図４（ｂ）に示すジグザグ型配列を、９０度回転させた配列である。
ジグザグ型配列では、マイクロレンズの配列では、図に示すＸ２を「Ｘ軸方向の実効画素ピッチ」、Ｙ２を「Ｙ軸方向の実効画素ピッチ」と見做すことができる。

アームチェア型配列では、図に示すＸ３を「Ｘ軸方向の実効画素ピッチ」、Ｙ３を「Ｙ軸方向の実効画素ピッチ」と見做すことができる。

図４（ｂ）で、実効画素ピッチ：Ｙ２は、マイクロレンズ８８２１の中心と、マイクロレンズ８８１１の右側の辺の中点との距離である。

図４（ｃ）で、実効画素ピッチ：Ｘ３は、マイクロレンズ８９１１の右側に接する２つのマイクロレンズの接する辺の中点とマイクロレンズ８９１１の中心との距離である。

ジグザク型配列においては、Ｘ軸方向の実効画素ピッチ：Ｘ２が小さいので、画像表示におけるＸ軸方向の分解能を向上させることができる。

また、アームチェア型配列においては、Ｙ軸方向の分解能を向上させることができる。

このように、マイクロレンズをハニカム型に配列することにより、実際のレンズ径よりも小さい画素を実効的に表現でき、実効画素数を向上させることが可能である。

上述の如く、被走査面素子の微細凸レンズ構造（マイクロレンズアレイ）において、隣接するマイクロレンズの境界部は、曲率半径：ｒを有する。

曲率半径：ｒは、例えば、画素表示用ビームのＲ成分の波長：λＲよりも小さい。

従って、前述の如く、「Ｒ成分のコヒーレント光の干渉による干渉性ノイズ」は防止される。

しかし、画素表示用ビームのＧ成分光の波長：λＧやＢ成分光の波長：λＢよりも、前記曲率半径：ｒが大きければ、これ等の光は境界部で拡散され、互いに干渉する。

従って、この干渉による干渉性ノイズは発生する。

この場合、図４（ａ）の「正方行列状の配列」であると、境界部での発散（拡散）は、図のＸａ方向およびＹａ方向の２方向に生じ、それぞれが干渉性ノイズの原因となる。

これに対し、図４（ｂ）の配列だと、境界部での発散は、８Ａ、８Ｂ、８Ｃの３方向に起こる。また、図４（ｃ）の場合だと、９Ａ、９Ｂ、９Ｃの３方向に拡散する。

即ち、境界部での発散は、正方行列状配列では２方向に発生し、ハニカム状配列では３方向に生じる。

従って、干渉性ノイズの発生は、正方行列状の配列では２方向的、ハニカム状の配列では３方向的に生じる。

即ち、発生する干渉性ノイズは、正方行列状配列では「２方向に分散」されるのに対し、ハニカム状の配列では「３方向に分散」される。

干渉性ノイズを生じさせるコヒーレント光の最大強度は一定である。
従って、分散される数が大きいほど「発生する干渉性ノイズのコントラスト」は弱められて視認され難く（目立ち難く）なる。

従って、「境界部の曲率半径：ｒよりも小さい波長の成分による干渉性ノイズ」の発生を許容する場合には、マイクロレンズの配列は「ハニカム状配列」とするのがよい。

なお、境界幅が前記波長：λＲより大きい場合には、Ｒ成分のコヒーレント光による干渉性ノイズも発生する。

しかし、隣接する微細凸レンズの「レンズ面間の境界幅」は微小であり、微小な境界幅の部分に入射するコヒーレント光の光エネルギは小さい。

従って、干渉性ノイズを発生させる光エネルギも大きくは無い。
従って、干渉性ノイズが発生したとしても、ハニカム状配列の場合は、上記の如く、３方向に分散されることで、コントラストは弱くなる。

従って、干渉性ノイズの視認性は有効に軽減させることとなる。

図１（ａ）に即して説明したように、２次元の拡大虚像１２を結像する虚像結像光学系は、凹面鏡９により構成される。

即ち、拡大虚像１２は、凹面鏡９により結像される画素像の集合である。
微細凸レンズであるマイクロレンズに「アナモフィックな機能」を持たせると、微小凸レンズの拡散機能を、互いに直交する方向において異ならせることができる。

図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照すると、図６（ａ）及び図６（ｂ）において符号８０は、被走査面素子８に稠密に形成されたマイクロレンズ（微細凸レンズ）の個々を説明図として示している。図６（ａ）の例では、微細凸レンズは、縦長の楕円形であり、「マトリクス状配列」で配列されている。
図６（ｂ）の例では、微細凸レンズ８０は、Ｘ軸方向に平行な辺を持つ縦長の六角形であり、「アームチェア型配列」で配列されている。
微細凸レンズ８０は、そのレンズ面の曲率半径が、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なり、Ｘ軸方向の曲率半径：Ｒｘは、Ｙ軸方向の曲率半径：Ｒｙよりも小さい。すなわち、微細凸レンズ８０は、Ｘ軸方向の曲率がＹ軸方向の曲率よりも大きい。

従って、微細凸レンズ８０のＸ軸方向のパワー（拡散パワー）は、Ｙ軸方向のパワー（拡散パワー）よりも大きい。
また、レンズ面のＸ軸方向とＹ軸方向との両方に曲率を持たせたので、図６（ｂ）に示されるように、微細凸レンズを六角形にでき、上記の如く「干渉性ノイズの視認性」を弱めることができる。
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、１個の微細凸レンズ８０に、画素表示用ビームＬＣが入射した場合を示している。図６（ａ）及び図６（ｂ）では、個々の微細凸レンズ８０のＹ軸方向の幅がＸ軸方向の幅よりも長い。

また、図６（ａ）に示されるように、画素表示用ビームＬＣのビーム径を「Ｙ軸方向に長い楕円形状」とし、Ｙ軸方向における光束径を、微細凸レンズ８０のＹ軸方向の径より小さくする。
このようにすれば、画素表示用ビームＬＣを「レンズ境界を跨がずに入射」させることが可能であり、射出する発散光束の断面形状は、Ｘ軸方向に長い（横長の）楕円形状になる。

微細凸レンズのＹ軸方向の長さおよびＸ軸方向の長さに拘わらず、Ｘ軸方向の曲率の方がＹ軸方向の曲率よりも大きければ、各微細凸レンズから射出する発散ビームの光束断面ＦＸは、Ｙ軸方向よりもＸ軸方向の方が長くなる。すなわち、横長となる。

上に説明したヘッドアップディスプレイ装置は、例えば、自動車等の車載用として用いることができ、Ｘ軸方向は「運転席から見て横方向」、Ｙ軸方向は「縦方向」である。

この場合の反射面素子１０は、自動車のフロントガラスである。
この場合、フロントガラス前方に拡大虚像１２として、例えば「ナビゲーション画像」を表示でき、観察者１１である運転者は、この画像を運転席に居ながらフロントガラス前方から視線をほとんど動かさずに観察できる。

このような場合、上述の如く、表示される拡大虚像は「運転者から見て横長の画像」であること、即ち、マイクロレンズに形成される画像および、拡大虚像は、Ｘ軸方向に画角の大きい画像であることが一般に好ましい。

また、上述の如く、観測者である運転者が、左右斜め方向から表示画像を見た場合にも、表示を認識できるように、横方向には「縦方向に比して大きな視野角」が要求される。
このため、拡大虚像の長手方向（Ｘ軸方向）には短手方向（Ｙ軸方向）に比して大きな拡散角（非等方拡散）が要求される。

従って、被走査面素子の微細凸レンズをマイクロレンズ上に形成された画像もしくは拡大虚像の短手方向よりも長手方向の方が曲率が大きいアナモフィックなレンズとし、画素表示用ビームを拡散させる拡散角を「２次元画像の横方向を縦方向よりも広く」するのが好ましい。

このようにして、ヘッドアップディスプレイ装置の要求画角を満たす必要最小限の範囲に光を発散させ、光の利用効率を向上させ、表示画像の輝度を向上させることが可能である。

勿論、上記のような「非等方拡散」ではなく、縦方向と横方向で拡散角が等しい「等方拡散」とする場合も可能である。
しかし、自動車等の車載用として用いるヘッドアップディスプレイ装置の場合であれば、運転者が表示画像に対して上下方向の位置から観察を行なう場合はすくない。
従って、このような場合であれば、上記のように、画素表示用ビームを拡散させる拡散角を「２次元画像の横方向を縦方向よりも広く」するのが光利用効率の面から好ましい。

微細凸レンズ（マイクロレンズ）は、そのレンズ面を「非球面」として形成できることが従来から知られている。

直上に説明したアナモフィックなレンズ面も「非球面」であるが、微細凸レンズのレンズ面をより一般的な非球面として形成でき、収差補正を行なうこともできる。

収差の補正により「拡散の強度ムラ」を低減することも可能である。

図４（ａ）〜図４（ｃ）に示した微細凸レンズ構造（マイクロレンズアレイ）における個々の微細凸レンズ（マイクロレンズ）は、正方形もしくは正六角形であった。

微細凸レンズの形状はこのように正多角形である必要はなく、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示したマイクロレンズ形状を１方向に引き伸ばした形状でもよい。

この場合、正方形形状であったものは「長方形形状」となり、正六角形状であったものは、細長い変形六角形になる。

微細凸レンズ構造の実効画素ピッチは、図４（ａ）〜図４（ｃ）の配列では、Ｘ軸方向につきＸ１〜Ｘ３、Ｙ軸方向につきＹ１〜Ｙ３であった。
このように定められるＸ軸方向の実効画素ピッチを一般に「ＳＸ」、Ｙ軸方向の実効画素ピッチを一般に「ＳＹ」とするとき、両者の比：ＳＹ／ＳＸを「アスペクト比」と言う。

図４（ａ）の場合、アスペクト比は「Ｙ１／Ｘ１」であり、Ｘ１＝Ｙ１であるから、アスペクト比は１である。

図４（ｂ）の場合のアスペクト比は「Ｙ２／Ｘ２」であり、Ｙ２＞Ｘ１であるから、アスペクト比は１より大きい。

図４（ｃ）の場合のアスペクト比は「Ｙ３／Ｘ３」であり、Ｙ３＜Ｘ３であるから、アスペクト比は１よりも小さい。

図５（ａ）〜図５（ｅ）に示すマイクロレンズアレイ９１〜９５の微細凸レンズ構造では、実効画素ピッチを、図４の場合と同様にして以下の如くに定める。

即ち、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の実効画素ピッチは、図５の「Ｘ１１、Ｙ１１」、「Ｘ１２、Ｙ１２」、「Ｘ１３、Ｙ１３」である。

図５（ａ）の微細凸レンズ構造は、長方形形状の微細凸レンズ９１１１、９１１２、・・９１２１・・を正方行列状に配列したものであり、アスペクト比は１よりも大きい。

図５（ｂ）〜図５（ｅ）に示すマイクロレンズアレイ９２〜９５では、微細凸レンズ構造は、ハニカム型配列である。

図５（ｂ）、図５（ｄ）、図５（ｅ）に示すハニカム型配列では、アスペクト比「Ｙ１２／Ｘ１２」、「Ｙ１３／Ｘ１３」はいずれも１より大きい。

図５（ａ）〜図５（ｅ）に示す微細凸レンズ構造の５例は何れも「微細凸レンズ」は、Ｙ軸方向の長さがＸ軸方向の長さよりも大きい。

このように「Ｙ軸方向の長さがＸ軸方向の長さより大きい形状の微細凸レンズ」の場合、微細凸レンズの形状として、Ｘ軸方向の曲率をＹ軸方向の曲率より大きくするのが容易である。

従って、前述した「Ｘ軸方向のパワーがＹ軸方向のパワーよりも大きくなるアナモフィックな光学機能」を実現しやすい。

例えば、図５（ａ）に示す例の場合、具体例として例えば、Ｘ１１＝１５０μｍ、Ｙ１１＝２００μｍ、アスペクト比＝２００／１５０＝４／３＞１を挙げることができる。

勿論、この場合には、画素表示用ビームのビーム径はＸ軸方向を１５０μｍ未満、Ｙ軸方向を２００μｍ未満にする。

図５（ｂ）〜図５（ｄ）に示す微細凸レンズの配列は、何れもハニカム型配列であり、個々の微細凸レンズは「Ｙ軸方向に長い形状」となっている。

図５（ｂ）の配列は「ジグザグ型」であり、図５（ｃ）〜図５（ｅ）の配列は何れも「アームチェア型」である。

図５（ｂ）の「ジグザグ型の縦長ハニカム型配列」と、図５（ｃ）の「アームチェア型の縦長ハニカム配列」は何れも使用可能であることは勿論である。

しかし、図５（ｃ）の配列例は図５（ｂ）の配列例に対して以下の如き利点を有する。

即ち、図５（ｂ）の配列に比して、図５（ｃ）の配列では、微小凸レンズにおける「Ｘ軸方向とＹ軸方向のサイズの差」が小さく、縦横方向における「実効画素サイズの差」が小さくなる。

具体的な寸法を挙げる。
例えば、図５（ｂ）において、微細凸レンズ９２１１、９２１２等のＸ軸方向のレンズ径：Ｒ２ｘ＝１００μｍ、Ｙ軸方向のレンズ径：Ｒ２ｙ＝２００ｕｍとする。

このとき、Ｘ軸方向の実効画素ピッチ（＝Ｘ１２）は５０μｍ、Ｙ軸方向の実効画素ピッチ（＝Ｙ１２）は１５０μｍとなる。

同様に、図５（ｃ）において、微細凸レンズ９３１１、９３１２等の、Ｘ軸方向のレンズ径：Ｒ３ｘ＝１００μｍ、Ｙ軸方向のレンズ径：Ｒ３ｙ＝２００μｍとする。

また、微細凸レンズ９３１１等の六角形形状の、上下の辺の長さは５０μｍとする。
このとき、Ｘ軸方向の実効画素ピッチ（＝Ｘ１３）は７５μｍ、Ｙ軸方向の実効画素ピッチ（＝Ｙ１３）＝１００μｍとなる。

従って「Ｘ、Ｙ軸方向の実効画素ピッチ」は、図５（ｃ）の配列（７５μｍと１００μｍ）の方が図５（ｂ）の配列（５０μｍと１００μｍ）の場合よりも「互いに近い値」になる。

図５（ｃ）、図５（ｄ）、図５（ｅ）においては、Ｘ軸方向の実効画素ピッチをＸ１３、Ｙ軸方向の実効画素ピッチをＹ１３としている。
これは、図５（ｃ）〜図５（ｅ）のハニカム型配列（アームチェア型のハニカム配列）において、Ｘ軸方向の画素ピッチ、Ｙ軸方向の画素ピッチが、同じように定義されることによる。
図５（ｄ）においては、微細凸レンズ９４１１、９４２１等は、Ｘ軸方向に平行な上下の辺が短く、斜辺が長い。
また、図５（ｅ）においては、微細凸レンズ９５１１、９５２１等は、Ｘ軸方向に平行な上下の辺が短く、斜辺が長い。
これらの図に示すように、微細凸レンズの六角形形状の変形により、Ｘ軸方向の画素ピッチ：Ｘ１３、Ｙ軸方向の画素ピッチ：Ｙ１３を調整できる。

図５（ｃ）の場合と同様、これら図５（ｄ）、図５（ｅ）に示す配列においても「微細凸レンズ構造が縦長構造」であることにより、Ｘ、Ｙ軸方向の「実効画素ピッチの均等化」が可能である。
例えば、図８に示すマイクロレンズアレイ９６のマイクロレンズ９６１１、９６２１等は、図５（ｄ）に示すマイクロレンズアレイ９５と同様の縦長の六角形形状である。
図８に示すマイクロレンズ９６１１等の配列は、図５（ｃ）と同様の「アームチェア型の縦長ハニカム配列」である。
マイクロレンズ９６１１等の六角形形状は、Ｘ軸方向の実効画素ピッチ：Ｘ１４が、Ｙ軸方向の実効画素ピッチ：Ｙ１４と完全に等しくなるように設定されている。
このように、アームチェア型の縦長ハニカム配列では、アスペクト比を１に設定することができる。画素表示用ビームのビーム径より大きい微細凸レンズもしくは画素表示用ビームのビーム径と同じ程度の大きさの微細凸レンズの場合、実効画素ピッチのアスペクト比が１であれば、虚像として投影される画像データに対して、虚像による再現性が高まる。虚像として投影される画像データのマイクロレンズアレイ上における画素ピッチと実効画素ピッチとを一致させる、もしくは、他の実効画素ピッチと比較して、実効画素ピッチを虚像として投影される画像データのマイクロレンズアレイ上における画像データの画素ピッチに近づけることができるからである。
上には、縦方向を「上下方向」、横方向を「左右方向」として説明したが、これは説明の具体性のための便宜上のものである。
実際の空間において、どの方向が縦方向かは、マイクロレンズアレイの画像表示装置への取り付け方向、画像表示装置の車両等の移動体への取り付け方向による。
２次元偏向手段６は、１つの軸について１往復の揺動（第１軸の揺動）を行う間に、もう一方の軸について往復の揺動（第２軸の揺動）を複数回行うが、多くの場合、拡大虚像の長手方向であるＸ軸方向が、第２軸の揺動による画素表示用ビームＬＣのマイクロレンズアレイに対する走査の方向に設定される。したがって、「アームチェア型」の六角形形状のマイクロレンズのＸ軸方向に平行な上下の辺は、画素表示用ビームＬＣのマイクロレンズアレイに対する走査方向とほぼ平行となり、「アームチェア型」の六角形形状の画素表示用ビームのマイクロレンズアレイに対する走査方向に最も平行に近い２辺の間隔、言い換えれば、画素表示用ビームのマイクロレンズアレイに対する走査方向に最も平行に近い辺とその対向する辺との間隔を、これら２辺に直交する方向へ拡大するように引き伸ばした形状が「アームチェア型の縦長ハニカム構造」である。

従って、アームチェア型の縦長ハニカム配列は、輝度及び実効画素数の向上に加え、Ｘ軸方向（横方向）、Ｙ軸方向（縦方向）の実効画素ピッチの差を小さくすることができる。
図５（ｃ）〜図５（ｅ）に示す如き「微細凸レンズの形状」は、例えば、発散光束の発散角制御のため、任意に選択することが可能である。

図１（ａ）に示したヘッドアップディスプレイ装置においては、画素表示用ビームＬＣは、被走査面素子８の微細凸レンズ構造に直交入射している。

しかし、画素表示用ビームの被走査面素子への入射形態は、このような「直交入射」に限らない。

例えば、光源部から反射面素子に到る光学素子の配列を工夫して、ヘッドアップディスプレイ装置をコンパクト化する場合には、図７（ａ）のような入射形態が考えられる。

即ち、図７（ａ）の例では、画素表示用ビームＬＣが、被走査面素子８に対して傾いて入射している。

微細凸レンズのレンズ面を「非球面」とするような場合、画素表示用ビームＬＣは、非球面の光軸に対して傾いて入射することになり、非球面の機能を生かせない場合もある。

このような場合には、図７（ｂ）の被走査面素子８ａのように、微細凸レンズＭＬのレンズ面光軸ＡＸを、被走査面素子８ａの基準面に対して直交方向から傾けるのが良い。

このようにして、レンズ面光軸ＡＸを画素表示用ビームＬＣの入射方向に平行、もしくはこれに近い方向とすることができる。

なお、被走査面素子８ａの基準面は、微細凸レンズＭＬがアレイ配列された面である。

このようにすることにより、光学系の小型化や、光の利用効率の向上が可能となり「微細凸レンズによる画素表示用ビームの発散の方向」を均質化することが可能である。

上に説明したヘッドアップディスプレイ装置は、上述の自動車への搭載に限らず、列車、船舶、ヘリコプター、飛行機など各種の、操縦可能な移動体に搭載できる。例えば、オートバイのウインドシールド（風よけ）を透過反射部材とすることもできる。

この場合、操縦席前方のフロントガラスを反射面素子とすればよい。

勿論、ヘッドアップディスプレイ装置を、例えば「映画観賞用の画像表示装置」として実施できることは言うまでも無い。

微細凸レンズ構造の微細凸レンズは、上記の如く画素表示用ビームを拡散させるものであるが、Ｘ、Ｙの２方向のうち、１方向のみの拡散を行なう場合も考えられる。

このような場合には、微細凸レンズのレンズ面として「微細凸シリンダ面」を用いることができる。

なお、微細凸レンズの形状を、六角形状とすることや、その配列をハニカム型配列とすることは、従来から、マイクロレンズアレイの製造方法に関連して知られている。

上に説明したヘッドアップディスプレイ装置は、例えば、自動車等の車載用として用いることができ、Ｘ方向は「運転席から見て横方向」、Ｙ方向は「縦方向」である。

この場合の反射面素子１０は、自動車のフロントガラスである。
この場合、フロントガラス前方に拡大虚像１２として、例えば「ナビゲーション画像」を表示でき、観察者１１である運転者は、この画像を運転席に居ながらフロントガラス前方から視線をほとんど動かさずに観察できる。

このような場合、上述の如く、表示される拡大虚像は「運転者から見て横長の画像」であること、即ち、マイクロレンズに形成される画像および、拡大虚像は、Ｘ方向に画角の大きい画像、すなわち横長の画像であることが一般に好ましい。

微細凸レンズ（マイクロレンズ）は、そのレンズ面を「非球面」として形成できることが従来から知られている。

微細凸レンズのレンズ面をより一般的な非球面として形成でき、収差補正を行なうこともできる。

収差の補正により「拡散の強度ムラ」を低減することも可能である。

図９は、画像表示装置１０００のハードウェア構成図である。画像表示装置１０００は、図９に示されるように、ＦＰＧＡ６００、ＣＰＵ６０２、ＲＯＭ６０４、ＲＡＭ６０６、Ｉ/Ｆ６０８、バスライン６１０、ＬＤドライバ６１１１、ＭＥＭＳコントローラ６１５などを備えている。ＦＰＧＡ６００は、ＬＤドライバ６１１１やＭＥＭＳコントローラ６１５により、光源部１００のＬＤ（半導体レーザ）および後述する光偏向器１５を動作させる。ＣＰＵ６０２は、画像表示装置１０００の各機能を制御する。ＲＯＭ６０４は、ＣＰＵ６０２が画像表示装置１０００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している。ＲＡＭ６０６はＣＰＵ６０２のワークエリアとして使用される。Ｉ／Ｆ６０８は、外部コントローラ等と通信するためのインターフェイスであり、例えば自動車のＣＡＮ(Controller Area Network)等に接続されることができる。

図１０は、画像表示装置１０００の機能ブロック図である。画像表示装置１０００は、図１０に示されるように、車両情報入力部９００、外部情報入力部９０２、画像生成部９０４、画像表示部９０６を備える。車両情報入力部８００には、ＣＡＮ等から車両の情報（速度、走行距離等の情報）が入力される。外部情報入力部９０２には、外部ネットワークから車両外部の情報（ＧＰＳからのナビ情報等）が入力される。画像生成部９０４は、ＣＰＵ６０２、ＲＯＭ６０４、ＲＡＭ６０６を含み、車両情報入力部９００および外部情報入力部９０２から入力される情報に基づいて、表示させる画像を生成する。画像表示部９０６は、ＦＰＧＡ６００、ＬＤドライバ６１１１、ＭＥＭＳコントローラ６１５、ＬＤ、光偏向器１５を含み、画像生成部９０４で生成された画像に応じた画像光を反射面素子１０に照射する。この結果、観察者１１の視点から拡大虚像１２が視認可能となる。

図１１には、２次元偏向手段６の一例としての光偏向器１５が平面図にて示されている。図２に示されるように、半導体プロセスにて製造されるＭＥＭＳミラーであり、反射面を有し、第１軸周りに揺動可能に第１枠部材１５１に支持されたミラー１５０と、第１枠部材１５１を第１軸に直交する第２軸周りに揺動可能に支持する支持体とを有する。支持体は、複数の梁が蛇行するように連結された一対の蛇行部１５２と、各蛇行部を支持する第２枠部材１５４とを有する。各蛇行部は、一端が第１枠部材１５１に接続され、他端が第２枠部材１５４に接続されている。各蛇行部の複数の梁には、複数の圧電部材１５６（例えばＰＺＴ）が個別に設けられている。各蛇行部の隣り合う２つの梁１５２ａ、１５２ｂに個別に設けられた２つの圧電部材１５６に異なる電圧を印加することで、隣り合う２つの梁１５２ａ、１５２ｂが異なる方向に撓み、それが累積されて、ミラー１５０が第２軸周りに大きな角度で揺動する。このような構成により、第２軸周りの光走査（例えば副走査方向の光走査）が、低電圧で可能となる。一方、第１軸周りには、例えばミラー１５０に接続されたトーションバー、該トーションバーと第１枠部材１５１との間に接続された、カンチレバーと圧電部材（例えばＰＺＴ）を含む圧電アクチュエータなどを利用した共振による光走査（例えば主走査方向の光走査）が行われる。また、光偏向器１５は、ミラー１５０の第１軸周り、第２軸周りの揺動位置を検出する検出器を有し、該検出器の検出情報が処理装置５０に出力される。処理装置５０は、この検出情報及び画像情報に基づいて各半導体レーザを駆動制御する。

ところで、近年、運転者が少ない視線移動で警報・情報を認知できるアプリケーションとして市場の期待が高まっており、車両に搭載するHUD（ヘッドアップディスプレイ）の技術開発が進んでいる。特に、ADAS(Advanced Driving Assistance System)という言葉に代表される車載センシング技術の進展に伴い、車両はさまざまな走行環境情報および車内乗員の情報を取り込むことができるようになっており、それらの情報を運転者に伝える「ADASの出口」としてもHUDが注目されている。

HUDの投射方式は、液晶及びDMDのようなイメージングデバイスで中間像を表現する「パネル方式」と、レーザダイオードから射出したレーザビームを2次元走査デバイスで走査し中間像を形成する「レーザ走査方式」がある。特に後者のレーザ走査方式は、全画面発光の部分的遮光で画像を形成するパネル方式とは違い、各画素に対して発光/非発光を割り当てることができるため、一般に高コントラストの画像を形成することができる。

市場のHUDに対する要求は、大きく下記２点に集約される。
１．コンパクト性
２．視認ストレスの低さ

「コンパクト性」に関しては、ダッシュボードに収納されているダクト・メータ・デフロスタ・車体構造などになるべく干渉しないサイズが求められている。HUD搭載のためにダクト・メータ・デフロスタ・車体構造を退避させてしまうと、エアコン性能・デフロスタ性能・車体強度性能の低下を招くためである。

「視認ストレスの低さ」に関しては、HUDの映像は常に運転者の視界周辺に情報が表示されるため、運転環境・ドライバの状態によってストレスのない映像表現が求められている。上記ADAS技術の発展はHUDに投射するコンテンツ量の増加をもたらす。人間の認知処理には限界があるため、増加したセンシング情報をそのままHUDに表示すると、運転者はわずらわしさを感じてしまい、情報表示装置であるHUDが返って運転視界の阻害要因となってしまう。

以上のようなHUD、すなわちヘッドアップディスプレイでは、光源及び画像形成素子を含む画像形成手段によって形成された画像光はスクリーン（例えば被走査面素子）に投影された後、例えば凹面鏡を含む投射光学系により投射され、透過反射部材（例えばフロントガラスやコンバイナ）を経て人間の目に入る（透過反射部材を介して視認可能となる）。このスクリーンは例えばマイクロレンズアレイで構成されており、光の発散角をレンズ曲率によって任意に制御する。その際、投射光学系及びフロントガラスを含む観察光学系の倍率、及びマイクロレンズアレイのＸ方向、Ｙ方向の実効レンズピッチによって、表示画像（虚像）のＸ方向、Ｙ方向の画素ピッチが決まる。

そこで、発明者らは、画質の低下を抑制しつつ装置の小型化を図るべく、以下に説明する画像表示装置としてのヘッドアップディスプレイ装置（以下では「ＨＵＤ」とも呼ぶ）を開発した。ＨＵＤの全体構成は、画像表示装置１０００（ヘッドアップディスプレイ装置）と同様である。ＨＵＤにおいても、上述した画像表示装置１０００に関する全ての構成を採用し得る。

ＨＵＤは、図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１３に示されるようにＸＹ平面に平行に配置されたマイクロレンズアレイ（以下では「ＭＬＡ」とも呼ぶ）を備えている。

ＭＬＡは、複数のマイクロレンズがマトリクス状（２次元格子状）に隙間なく配列された構造を有しており、光源部１００からのレーザ光を所望の発散角で発散させる。マイクロレンズは、横幅が例えば２００ｕｍ程度のレンズである。なお、マイクロレンズは、平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）が四角形のものに限らず、六角形や三角形のものを採用することもできる。

図１２（ａ）及び図１３における「Ｐｙ」は、Ｙ方向のレンズピッチを表す。図１２（ｂ）及び図１３における「Ｐｘ」は、Ｘ方向のレンズピッチを表す。なお、ＭＬＡでは、各マイクロレンズにおいて幾何学中心と光学中心が一致している。なお、「マイクロレンズの幾何学中心」は、該マイクロレンズをＺ軸方向から見たときの該マイクロレンズの幾何学的な中心を意味する。「マイクロレンズの光学中心」は、「該マイクロレンズの光軸の位置」もしくは「該マイクロレンズの透過光強度分布が最大の位置」を意味する。

図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示されるように、ＭＬＡが入射光束２０１で走査されるとき、該入射光束２０１はマイクロレンズにより発散され、発散光２０２となる。ＭＬＡのＸ方向、Ｙ方向のレンズピッチＰｘ、Ｐｙを独立に制御することで、入射光束２０１を所望の発散角θｘ、θｙで発散させることが可能である。

ここで、ＨＵＤの中間像の画素数は、ＭＬＡのレンズ数で決定される。図１３において、隣り合う２つのマイクロレンズの中心間のＹ方向、Ｘ方向の距離Ｐｙ、Ｐｘを縦横とする長方形の大きさを、マイクロレンズにおける１画素のサイズとみなすことができる。

ＭＬＡは、上述したマトリクス状配列に限らず、例えば複数の六角形のマイクロレンズを用いたハニカム状配列とすることもできる。ハニカム状配列は、大きく分けて２通りある。

すなわち、ハニカム状配列には、図１４（ａ）に示されるようにＹ方向に平行な辺を持つ「ジグザグ型配列」と、図１４（ｂ）に示されるようにＸ方向に平行な辺を持つ「アームチェア型配列」がある。ここでも、各マイクロレンズにおいて幾何学中心と光学中心が一致しているものとする。

図１４（ａ）において、Ｘ方向に隣り合う２つのマイクロレンズの中心間の距離をＸ方向のレンズピッチＰｘとみなすことができ、Ｘ方向に配列された複数のマイクロレンズの中心を通る軸（中心軸）の隣接間隔をＹ方向のレンズピッチＰｙとみなすことができる。この場合、Ｘ方向の分解能が向上する。

図１４（ｂ）において、Ｙ方向に隣り合う２つのマイクロレンズの中心間の距離をＹ方向のレンズピッチＰｙとみなすことができ、Ｙ方向に配列された複数のマイクロレンズの中心を通る軸（中心軸）の隣接間隔をＸ方向のレンズピッチＰｘとみなすことができる。この場合、Ｙ方向の分解能が向上する。

ところで、図１５には、比較例のマイクロレンズアレイのレンズ配列構造が示されている。ここでは、レンズ配列構造は、アームチェア型配列であり、Ｘ方向のレンズピッチＰｘ、Ｙ方向のレンズピッチＰｙは、いずれも一定となっている。このような構造にする理由は、特許文献２にも開示されているように、レーザ光の拡散性能を持たせつつ、レーザ光による干渉性ノイズであるスペックルを低減するためである。

一方、レーザ走査方式の走査線軌跡としては、例えば図１６のような正弦波走査と等速走査を組み合わせたもの（ラスタースキャン、特許文献３と同様）や、図１７のような２方向に対して正弦波走査とするもの（リサジュ曲線、特許文献４と同様）が知られている。

このような走査線軌跡とマイクロレンズアレイ（被走査面素子）のレンズ配列構造とを重ね合わせたときに形成される光強度分布が、観察される画像（虚像）となる。

しかし、この場合に、走査線の周期（走査線間隔）とレンズ配列構造の周期（レンズピッチ）の干渉によるモアレが画質劣化の要因となる。モアレの発生は、一般的に、２種の周期構造の周期の差がわずかにあると大きくなり、この差を大きくとることにより視覚的には低減できる。

図１８は、図１６のようなラスタースキャンによる走査線軌跡をとるときのマイクロレンズアレイを透過した光の光強度分布（画像）であって、走査端における走査線間隔Ｐｓ（図１６参照）とＹ方向（副走査方向）のレンズピッチＰｙが略等しい場合（ここではＰｙ＝Ｐｓ＝１０５）の画像の左半分を示している。なお、以下の議論は、画像の右半分についても同様に成立する。

図１９は、図１８のＸ方向の中央部と周辺部についてＹ方向の光強度分布（画像）を示したものである。図１９から、ＰｓとＰｙが略等しいときには、光強度分布が可視レベルの周期の分布、つまりモアレとなって観測されることがわかる。モアレは、画像の中央部でも周辺部でも確認できる。

図２０は、図１６のようなラスタースキャンによる走査線軌跡をとるときのマイクロレンズアレイを透過した光の光強度分布（画像）であって、走査線間隔Ｐｓ（図１６参照）とＹ方向（副走査方向）のレンズピッチＰｙの関係がＰｙ＞Ｐｓである場合（ここではＰｙ＝１４０、Ｐｓ＝１０５）の画像の左半分を示している。なお、以下の議論は、画像の右半分についても同様に成立する。

図２１は、図２０のＸ方向の中央部と周辺部についてＹ方向の光強度分布（画像）を示したものである。図２１からは、図１９のような周期的な変化（モアレ）は確認できないが、走査線間隔Ｐｓに対してレンズピッチＰｙ（Ｙ方向のレンズ長さ）が大きすぎることによる粒状度の悪化が確認できる。

図２２は、図１６のようなラスタースキャンによる走査線軌跡をとるときのマイクロレンズアレイを透過した光の光強度分布（画像）であって、走査線間隔Ｐｓ（図１６参照）とＹ方向（副走査方向）のレンズピッチＰｙの関係がＰｙ＜Ｐｓである場合（ここではＰｙ＝８０、Ｐｓ＝１０５）の画像の左半分を示している。なお、以下の議論は、画像の右半分についても同様に成立する。

図２３は、図２２のＸ方向の中央部と周辺部についてＹ方向の光強度分布（画像）を示したものである。図２３からは、図１９のような周期的な変化（モアレ）は確認できないが、走査線間隔Ｐｓに対してレンズピッチＰｙ（Ｙ方向のレンズ長さ）が小さすぎることによるスペックルノイズの増大が確認できる。

以上説明したようなＰｙとＰｓの関係性による不具合に対する対策方法の１つとして、走査線の間隔を非常に密に（小さく）する方法が考えられる。

しかし、この方法は、２次元偏向手段の動作周波数を大幅に向上させる必要があるため、例えばＭＥＭＳスキャナー等を２次元偏向手段として用いる場合には大きな問題となる。一般に、動作周波数を上げると、強度の面から動作振幅を小さくせざるを得ない。また、光を反射するミラー部の大きさを小さくする必要があるため、マイクロレンズアレイ上におけるビームスポット径を小さくするという画質向上に必要な構成にすることができなくなる。その理由を以下に説明する。

一般的に収差の小さい光学系であれば、収束点へ向かう波長λの光束の収束角度θが大きいほど、収束させたときのビームウエスト径w0を小さくすることができる。θ＝λ/（πw0）なので、θが大きくなるほどw0が小さくなる。

θを大きくする方法は、ＭＥＭＳスキャナーと像面の距離を近づける方法と、ＭＥＭＳスキャナーへの入射光束の径を大きくする方法がある。

ＭＥＭＳスキャナーと像面の距離を近づける場合には、ミラーを必要な画像サイズ分振る必要があるので、振り角限界により略距離が決まってしまう。

一方、MEMSスキャナーへの入射光束の径を大きくする場合には、MEMSスキャナーのミラー径を大きくする必要がある。そのため、「光を反射するミラー部の大きさを小さくする必要がある」場合、ビームウエスト径を小さくすることに反するため、「マイクロレンズアレイ上におけるビームスポット径を小さくする」ことができなくなり、ビームスポット径を小さくできなければ、スペックルノイズを増加させるため、「画質向上に必要な構成にすることができなくなる。」

また、走査線の間隔を疎に（大きく）しようとすると、マイクロレンズアレイ上を走査線で満たすことができないため明らかに画質劣化となる。

一方、マイクロレンズアレイのレンズ配列構造において、配列を密にすると単位構造のサイズ、例えばマイクロレンズ径が小さくなる。このとき、ビームスポット径の小径化には限界があるため、ビームスポットサイズが単位構造よりもかなり大きくなってしまい、スペックルノイズが許容できないほど発生してしまう。また、配列を疎にすると、１画素サイズが大きくなってしまい、粒状度の悪化という画質劣化が引き起こされる。

そこで、発明者は、モアレやスペックルノイズの発生、粒状度の悪化を抑制し、良好な２次元画像を表示するために、以下に説明する第２実施形態を発案した。

《第２実施形態》
第２実施形態の画像表示装置は、マイクロレンズアレイを除いて、上記第１実施形態の画像表示装置１０００と同様の構成を有する。

すなわち、第２実施形態の画像表示装置も、光源部１００、２次元偏向手段６、凹面鏡７及び被走査面素子としてのマイクロレンズアレイを有する光走査装置と、凹面鏡９と、を含んで構成されている。

第２実施形態のマイクロレンズアレイにおいても、上記第１実施形態と同様に、正方形や長方形のマイクロレンズを用いたマトリクス状配列、六角形のマイクロレンズを用いたハニカム状配列（ジグザグ型配列やアームチェア型配列）とすることが可能である。

ここでは、図２４に示されるように、アームチェア型配列を採用している。ここでも、各マイクロレンズにおいて幾何学中心と光学中心が一致しているものとする。第２実施形態では、図２４から分かるように、マイクロレンズアレイのＹ方向のレンズピッチＰｙがＸ方向に変化している。図２４において、Ｐｙａ＞Ｐｙｂである。

図２５には、第２実施形態における、走査線間隔ＰｓのＸ方向の分布（変化）と、マイクロレンズアレイのＹ方向のレンズピッチＰｙのＸ方向の分布（変化）が示されている。横軸はＸ方向であり、正弦波振動方向に一致させている。縦軸は凡例に示したＣａｓｅ.１〜４のＹ方向のレンズピッチＰｙを示している。ｓｃａｎとして示した曲線（以下では「ｓｃａｎ曲線」と呼ぶ）は、画面内での走査線間隔（走査線周期）について模式的に示したものである。「画面」とは、マイクロレンズアレイのレンズ配列面（画像描画領域）を意味する。

まず、ｓｃａｎ曲線について説明する。主走査方向における正弦波走査と副走査方向における等速走査の組み合わせ（ラスタースキャン）によって得られる走査線軌跡は、図２６（ａ）のようになる。この光強度分布の断面図は、図２６（ｂ）のようになり、実線で示したＸ方向中央（走査中央）では走査線間隔は、破線で示したＸ方向周辺（走査端）での走査線間隔Ｐｓの半分となることがわかる。つまり、走査線間隔は、Ｘ方向において画面中央部から画面周辺部に向かうにつれて、視覚的に徐々に大きくなるといえる。図２５に示されるｓｃａｎ曲線は、この現象を表している。ｓｃａｎ曲線は、画面中央部（Ｘ＝０％）ではＹ方向の走査線間隔＝Ｐｓ／２であり、画面周辺部（Ｘ≒１００％）ではＹ方向の走査線間隔＝Ｐｓであり、走査中央から走査端にかけて単調増加している。

次に、Ｃａｓｅ.１について説明する。Ｃａｓｅ.１では、レンズピッチＰｙが、画面中央部（Ｘ＝０％）から画像周辺部にかけて徐々に小さくなっている（単調減少している）。すなわち、Ｃａｓｅ.１では、画面中央部と画面周辺部（Ｘ≒１００％）との間において、Ｙ方向のレンズピッチＰｙは、常にＰｓ＜Ｐｙを満たすように変化している。この場合、Ｃａｓｅ.１の曲線は、ｓｃａｎ曲線と交わることがなく、常にｓｃａｎ曲線よりも大の状態にある。つまり、走査線間隔ＰｓとレンズピッチＰｙの差が常に大きい。このことにより、画面のどの部分にもモアレが発生することがない。なお、上述の如く、モアレは、走査線間隔ＰｓとレンズピッチＰｙの差がわずかにあると大きくなり、この差が大きいと視覚的には低減される。

なお、Ｃａｓｅ.１では、モアレを確実に抑制する観点から、画面中央部と画面周辺部との間において常にＰｙ−Ｐｓ＞１０ｕｍを満たすようにＰｙを変化させることが望ましい。

また、レンズ径に対してビームスポット径が大きいと、すなわちレンズピッチに対してビームスポット径が大きいと、スペックルが発生することが既に知られている。なお、レンズピッチとレンズ径には相関があり、レンズピッチを大きくするほどレンズ径が大きくなる。

そこで、レンズ径に対して（レンズピッチに対して）ビームスポット径を一律に（均一に）小さくすることが考えられる。

しかし、照射光学系の設計上、画面（画像描画領域）内でビームスポット径を一律に小さくすることは容易ではない。なお、「照射光学系」は、２次元偏向手段６、凹面鏡７を含む、光源部１００とマイクロレンズアレイとの間の光路上に配置された光学系を意味する。

このため、照射光学系を、画面内で部分的にビームスポット径が大きくなるように（例えば部分的にビームの結像位置が遠くなるように）、すなわちビームスポット径分布を許容するように設計しても、スペックルを抑制できることが望ましい。

そこで、Ｃａｓｅ.１では、照射光学系を画面内のビームスポット径分布を許容するように設計した場合でも、スペックルの発生を抑制できるよう、Ｙ方向のレンズピッチＰｙを画面内のビームスポット径分布に適合させるように変化させている。

ここでは、ビームスポット径は、照射光学系の設計により、画面中央部（Ｘ＝０％）から画面周辺部（Ｘ≒１００％）にかけて徐々に小さくなるように分布（単調減少）している。

Ｃａｓｅ.１では、上述の如く、Ｙ方向のレンズピッチＰｙ（Ｙ方向のレンズ長さ）を、画面中央部から画面周辺部にかけて徐々に小さくなるように変化（単調減少）させているため、画面内の任意の像高（Ｘ％）でビームスポット径に対してレンズピッチＰｙが小さくなるのを抑制でき、スペックルの発生を抑制できる。

結果として、Ｃａｓｅ.１では、モアレ及びスペックルの発生を抑制できる。

Ｃａｓｅ.４についてもＣａｓｅ.１と同様のことが言える。Ｃａｓｅ.４は、Ｃａｓｅ.１に比べて、Ｙ方向のレンズピッチＰｙ（Ｙ方向のレンズ長さ）が小さく、かつビームスポット径が小さい構成である。Ｃａｓｅ.４では、ビームスポット径を小さくすることにより技術的難度（特に照射光学系の設計難度）が高くなるが、画面内でビームスポット径が分布することを許容することができるため、より良好な画像の実現がしやすくなる。

詳述すると、Ｃａｓｅ.４でも、レンズピッチＰｙは、画面中央部（Ｘ＝０％）から画面周辺部（Ｘ≒１００％）にかけて徐々に小さくなっている（単調減少している）。さらに、Ｃａｓｅ.４では、画面中央部と画面周辺部との間において、Ｙ方向のレンズピッチＰｙは、常にＰｙ＜Ｐｓ／２を満たすように変化している。この場合、Ｃａｓｅ.４の曲線は、ｓｃａｎ曲線と交わることがなく、常にｓｃａｎ曲線よりも小の状態にある。つまり、走査線周期とレンズピッチＰｙの差が常に大きい。このことにより、画面のどの部分にもモアレが発生することがない。

なお、Ｃａｓｅ.４では、モアレを確実に抑制する観点から、画面中央部と画面周辺部との間において常にＰｓ／２−Ｐｙ＞１０ｕｍを満たすようにＰｙを変化させることが望ましい。

Ｃａｓｅ.４でも、照射光学系を画面内のビームスポット径分布を許容するように設計した場合でも、スペックルの発生を抑制できるよう、Ｙ方向のレンズピッチＰｙを画面内のビームスポット径分布に適合させるように変化させている。

ここでも、ビームスポット径は、照射光学系の設計により、画面中央部（Ｘ＝０％）から画面周辺部（Ｘ≒１００％）にかけて徐々に小さくなるように分布（単調減少）している。

そこで、Ｃａｓｅ.４でも、Ｙ方向のレンズピッチＰｙ（Ｙ方向のレンズ長さ）を、画面中央部から画面周辺部にかけて徐々に小さくなるように変化（単調減少）させている。

この場合、画面内の任意の像高（Ｘ％）でビームスポット径に対してレンズピッチＰｙが小さくなるのを抑制でき、スペックルの発生を抑制できる。

結果として、Ｃａｓｅ.４では、モアレ及びスペックルを抑制でき、さらにレンズピッチＰｙが小さいため粒状度の悪化も抑制できる。

なお、Ｃａｓｅ.１、４とは、逆に、照射光学系の設計により、ビームスポット径を、画面中央部（Ｘ＝０％）から画面周辺部（Ｘ≒１００％）にかけて徐々に大きくなるように分布（単調増加）させても良い。この場合、Ｙ方向のレンズピッチＰｙを、Ｐｙ＞ＰｓもしくはＰｙ＜Ｐｓ／２の条件下で、画面中央部から画面周辺部にかけて単調増加させることが好ましい。Ｃａｓｅ.１、４とは逆の変化をさせると、画像主要部である画像中央部での粒状度の悪化を抑制できる。

特に、Ｃａｓｅ.１とは逆の変化では、上述の如く走査線周期は画面中央部から画面周辺部にかけて単調増加するため、画面内の任意の像高で走査線周期とレンズピッチＰｙとの差が大きくなりすぎるのを抑制でき、モアレやスペックルの発生に加えて、粒状度の悪化を抑制することもできる。なお、上述の如く、走査線周期に対してレンズピッチＰｙ（Ｙ方向のレンズ長さ）が大きすぎると、粒状度が悪化してしまう。

次に、Ｃａｓｅ.２、３について説明する。
ここでは、ビームスポット径は、照射光学系の設計により、画面中央部（Ｘ＝０％）から画面周辺部（Ｘ≒１００％）にかけて徐々に大きくなるように分布している。

そこで、Ｃａｓｅ.２、３では、ビームスポット径分布及び走査線周期分布に適合させるべく、Ｙ方向のレンズピッチＰｙ（Ｙ方向のレンズ長さ）を、画面中央部から画面周辺部にかけて徐々に大きくなるように変化（単調増加）させている。

この場合、画面内の任意の像高（Ｘ％）でビームスポット径に対してレンズピッチＰｙが小さくなるのを抑制でき、ひいてはスペックルの発生を抑制できる。

また、画面内の任意の像高（Ｘ％）で走査線周期とレンズピッチＰｙとの差が大きくなるのを抑制でき、ひいては粒状度の悪化を抑制することができる。また、画像の主要部分である中央部のレンズ径をより小さくすることができ、粒状度の悪化を更に抑制できる。なお、レンズ径が大きいほど粒状感が増し、画像の均一性が損なわれる。

Ｃａｓｅ.２では、さらに、画面中央部（Ｘ＝０％）においてＰｙ＜Ｐｓ／２を満たし、かつ画面周辺部（Ｘ≒１００％）においてＰｙ＜Ｐｓを満たしている。

Ｃａｓｅ.３では、さらに、画面中央部（Ｘ＝０％）においてＰｓ／２＜Ｐｙ＜Ｐｓを満たし、画面周辺部（Ｘ≒１００％）においてＰｙ＞Ｐｓを満たしている。

結果として、Ｃａｓｅ.２の曲線とｓｃａｎ曲線は互いに交わることがなく、Ｃａｓｅ.３とｓｃａｎ曲線は互いに交わることがなく、Ｃａｓｅ.２、３では、モアレが発生しない。

なお、Ｃａｓｅ.２では、モアレ及びスペックルを確実に抑制する観点から、画面中央部において１０ｕｍ＜Ｐｓ／２−Ｐｙ＜２５ｕｍを満たし、かつ画面周辺部において１０ｕｍ＜Ｐｓ−Ｐｙ＜２５ｕｍを満たすことが望ましい。

また、Ｃａｓｅ.３では、モアレの発生及び粒状度の悪化を確実に抑制する観点から、画面中央部において１０ｕｍ＜Ｐｙ−Ｐｓ／２＜３０ｕｍを満たし、かつ画面周辺部において１０ｕｍ＜Ｐｙ−Ｐｓ＜３０ｕｍを満たすことが望ましい。

結果として、Ｃａｓｅ.２、３では、モアレ及びスペックルの発生、並びに粒状度の悪化を抑制できる。

以上の説明から分かるように、Ｃａｓｅ.２、３の構成は、Ｃａｓｅ.１、４に対して、画像全体の画質の向上が期待できる。

なお、Ｃａｓｅ.１、４におけるレンズピッチＰｙのＸ方向の変化は、レンズピッチＰｙが大きくなる方向に凸の曲線であるが、レンズピッチＰｙが小さくなる方向に凸の曲線であっても良いし、傾斜した直線であっても良い。

また、Ｃａｓｅ.２、３におけるレンズピッチＰｙのＸ方向の変化は、レンズピッチＰｙが小さくなる方向に凸の曲線であるが、これに限らず、例えば、レンズピッチＰｙが大きく方向に凸の曲線であっても良いし、傾斜した直線であっても良い。

また、Ｃａｓｅ.１〜４におけるレンズピッチＰｙのＸ方向の変化は、単調減少又は単調増加であるが、これに限らず、例えば、走査中央から走査端までの間に極値を少なくとも１つ持っても良い。

第２実施形態の変形例１として、図２７に示されるマイクロレンズアレイを説明する。

変形例１では、Ｙ方向のレンズピッチＰｙだけでなく、Ｘ方向のレンズピッチＰ２も画面内で変化させている。図２７において、Ｐｙｃ＞Ｐｙｄ、Ｐｘａ＞Ｐｘｂである。

図１７のようなリサジュ曲線により２次元走査を行うなど、副走査方向の走査速度が一定でない場合に、図２７のような構成をとることが有効になる。

以上説明した第２実施形態の光走査装置は、画像表示用の光走査装置であって、光源及び該光源からの光を偏向する２次元偏向手段６（偏向器）を含む光走査系と、該光走査系からの光が照射されるマイクロレンズアレイ（アレイ状に配列された複数の凸構造を有する光学素子）とを備え、該マイクロレンズアレイのレンズ配列において、ＸＹ平面（マイクロレンズアレイのレンズ配列面）内のＸ方向（第１の方向）に直交するＹ方向（第２の方向）のレンズピッチＰｙは、Ｘ方向に変化している。

この場合、例えばマイクロレンズアレイ上における走査線の態様に応じて、レンズピッチＰｙをＸ方向に変化させることにより、モアレの発生、スペックルの発生、粒状度の悪化の少なくとも１つを抑制できる。

この結果、画質の低下を抑制できる。

また、Ｙ方向のレンズ長さをＸ方向に変化させることにより、レンズピッチＰｙをＸ方向に変化させるため、レンズを敷き詰めることができ、ひいてはスペックルの発生を抑制できる。

また、光走査系は、光源からの光によりマイクロレンズアレイをＸ方向に周期的に往復走査しつつ第２の方向に等速で片道走査し、すなわちラスタースキャンし、レンズピッチＰｙは、マイクロレンズアレイに形成される走査線の周期のＸ方向の変化に応じて変化している。

この場合、Ｘ方向の走査範囲の任意の位置（像高）におけるレンズピッチＰｙと走査線の周期との差を画質の低下を抑制可能な大きさにすることができる。具体的には、モアレ発生、スペックル発生及び粒状度悪化を抑制できる。

この結果、画質の低下を更に抑制できる。

また、マイクロレンズアレイのＸ方向の任意の位置においてレンズピッチＰｙと走査線の周期は一致しないため、画質の低下をより確実に抑制できる。

また、走査線の周期は、Ｘ方向の走査中央から走査端にかけて単調増加し、レンズピッチＰｙは、Ｘ方向の走査中央から走査端にかけて単調増加する場合、Ｘ方向の走査範囲の任意の位置でレンズピッチＰｙと走査線の周期との差を画質の低下を抑制可能な大きさに設定することができる。

また、走査端における走査線の周期をＰｓ（走査中央における走査線の周期をＰｓ／２）としたときにマイクロレンズアレイのＸ方向の任意の位置においてＰｓ＜Ｐｙ又はＰｓ／２＞Ｐｙが成立する場合には、レンズピッチＰｙが走査線の周期に近づくことを抑制できるため、Ｘ方向の走査範囲の任意の位置において、モアレの発生を抑制できる。

なお、Ｐｓは、Ｘ方向の周期的な往復走査の１周期におけるＹ方向の光の移動量と捉えることもできる。

また、走査端における走査線の周期をＰｓ（走査中央における走査線の周期をＰｓ／２）としたときに走査中央においてＰｓ／２＜Ｐ２＜Ｐｓが成立し、かつ走査端においてＰ２＞Ｐｓが成立する場合には、レンズピッチＰｙが走査線の周期に近づくことを抑制できるため、Ｘ方向の走査範囲の任意の位置において、モアレの発生を抑制できる。

また、走査端における走査線の周期をＰｓ（走査中央における走査線の周期をＰｓ／２）としたときに走査中央においてＰ２＜Ｐｓ／２が成立し、かつ前記走査端においてＰｓ／２＜Ｐ２＜Ｐｓが成立する場合には、レンズピッチＰｙが走査線の周期に近づくことを抑制できるため、Ｘ方向の走査範囲の任意の位置において、モアレの発生を抑制できる。

また、マイクロレンズアレイに照射される光のビームスポット径がＸ方向に変化し、レンズピッチＰｙがビームスポット径のＸ方向の変化に応じて変化している場合には、スペックルの発生を効果的に抑制できる。

また、更にマイクロレンズアレイのＸ方向のレンズピッチＰ１がＹ方向に変化している場合には、２次元的にレンズピッチを変えることができ、例えばＹ方向（副走査方向）に等速走査しない場合でも、モアレの発生を画面全域において抑制できる。

また、マイクロレンズアレイが、ハニカム型に敷き詰められた六角形の複数のマイクロレンズを含む場合には、干渉性ノイズの発生する方向が３方向に分散されるため、干渉性ノイズ（スペックル）のコントラストが低くなり、干渉性ノイズとして視認されにくい。また、単純な形状であるため工法が容易である。

また、マイクロレンズアレイが、敷き詰められた四角形の複数のマイクロレンズアレイを含む場合には、マイクロレンズアレイの発散プロファイルを制御しやすくなる。また、単純な形状であるため工法が容易である。

また、第２実施形態の画像表示装置は、第２実施形態の光走査装置と、該光走査装置のマイクロレンズアレイを介した光を透過反射部材（反射面素子１０）に導く凹面鏡９（光学系）と、備えているため、視認性の良い画像を表示できる。

また、第２実施形態の画像表示装置と、該画像表示装置が搭載される移動体と、を備える移動体装置は、移動体の操縦者に視認性の良い画像を提供できる。

また、マイクロレンズの光学中心と幾何学中心が略一致している場合には、マイクロレンズアレイの設計及び製造を簡素化できる。

第２実施形態の変形例２、３として、図２８、図２９に示されるマイクロレンズアレイを説明する。

変形例２、３のマイクロレンズアレイのレンズ形状は、それぞれひし形、長方形である。このようなレンズ形状は、レンズの加工上、断面の曲率半径を制御する際に変化することがあり、光発散プロファイルが、後段の観察光学系にとって望ましい形状をとるように、調整することができる。

また、同様な観点から、マイクロレンズアレイのレンズ形状は、ひし形や長方形以外の平行四辺形、台形等であっても良い。いずれの形状を選択する場合においても、スペックル抑制の観点から、レンズを稠密に配置することが好ましい。

また、上記各実施形態において、被走査面素子として、マイクロレンズアレイ（微細凸レンズ構造を有する光学素子）の代わりに、マイクロミラーアレイ（微細凸ミラー構造、すなわちアレイ状に配列された複数の凸構造を有する光学素子）を採用することもできる。すなわち、上記第１及び第２の実施形態を、マイクロレンズアレイをマイクロミラーアレイに置き換えて実施することができる。

図３０には、微細凸ミラー構造を有する光学素子としてのマイクロミラーアレイ（以下ではＭＭＡと略称する）が一例として示されている。ＭＭＡは、図３０に示されるように、アレイ状に配列された複数の微細凸ミラー３００１を有している。

微細凸ミラー３００１は「画素表示用ビームＬＣのビーム径」より大きい。微細凸ミラー３００１を「画素表示用ビームＬＣのビーム径」より大きくするのは、干渉性ノイズ低減のためであり、以下これを、図３０を参照して説明する。

画素表示用ビームＬＣの光束径ＬＣａは、微細凸ミラー３００１の大きさ３００１ａよりも小さい。

即ち、微細凸ミラー３００１の大きさ３００１ａは、光束径ＬＣａよりも大きい。
なお、ここでは、画素表示用ビームＬＣはレーザ光束であり、光束中心のまわりにガウス分布状の光強度分布をなす。

従って、光束径ＬＣａは、光強度分布における光強度が「１／ｅ^２」に低下する光束径方向距離である。

図３０では、光束径ＬＣａは微細凸ミラー３００１の大きさ３００１ａに等しく描かれているが、光束径ＬＣａが「微細凸ミラー３００１の大きさ３００１ａ」に等しい必要は無い。

要は、微細凸ミラー３００１への入射光束が該微細凸ミラー３００１からはみ出さなければ良い。

図３０において、画素表示用ビームＬＣは、その全体が１個の微細凸ミラー３００１に入射し、発散角３００５をもつ拡散光束３００４に変換される。なお、「発散角」は、「拡散角」と呼ぶこともある。

図３０においては、拡散光束３００４は１つであり、干渉する光束が無いので、干渉性ノイズ（スペックルノイズ）は発生しない。

なお、発散角３００５の大きさは、微細凸ミラー３００１の形状により適宜設定できる。

なお、上記第２実施形態では、走査線周期のＸ方向の変化及びビームスポット径分布（ビームスポット径のＸ方向の変化）に応じてＹ方向のレンズピッチＰｙを変化させているが、走査線周期のＸ方向の変化にのみ応じて、Ｙ方向のレンズピッチＰｙを変化させても良い。

この場合に、照射光学系の設計によるマイクロレンズアレイ上のビームスポット径分布を補正しても良い。ビームスポット径を調整する方法は、いくつかあるが、例えば、波長可変レーザを用いる方法、ビーム径可変光学系を用いる方法（特開１９９５−０８９１３１号公報に開示された光学系、径の異なる複数のピンホールを有する板状部材をビームの光路を横切る方向に移動させる光学系、ビーム結像位置を変える光学系）がある。

具体的には、光偏向器１５が有する、ミラー１５０の第１軸周り、第２軸周りの揺動位置を検出する検出器の検出情報に基づいて、処理装置５０が、ビームスポット径可変手段（波長可変レーザやビーム径可変光学系）を制御し、主走査方向の位置（像高Ｘ）に応じてビームスポット径を変えることにより、マイクロレンズアレイ上におけるビームスポット径を均一にしても良い。

また、上記ビームスポット径可変手段を用いて、第２実施形態のマイクロレンズアレイの設計誤差、製造誤差、経時の形状誤差等により発生するスペックルの発生を抑制するようにしても良い。具体的には、Ｘ方向の走査範囲の任意の位置において、レンズピッチＰｙに対してビームスポット径が大きくなり過ぎないように該ビームスポット径を調整する。

また、上記第２実施形態では、走査線周期のＸ方向の変化及びビームスポット径分布に応じてＹ方向のレンズピッチＰｙを変化させているが、ビームスポット径分布の変化にのみ応じて、Ｙ方向のレンズピッチＰｙを変化させても良い。

また、上記第２実施形態では、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズの幾何学中心と光学中心は一致しているが、Ｙ方向のレンズピッチＰｙを変化させることで、モアレの発生、スペックルの発生、粒状度の悪化の少なくとも１つを抑制できれば、多少ずれていても構わない。

また、上記第２実施形態では、ビームスポット径分布を設定し、該ビームスポット径のＸ方向の変化に応じて、Ｙ方向のレンズピッチＰｙをＸ方向に変化させているが、これに代えて、Ｙ方向のレンズピッチＰｙのＸ方向の分布（変化）を設定し、該分布に応じて、ビームスポット径をＸ方向に変化させても良い。この場合にも、スペックルを効果的に抑制することができる。具体的には、照射光学系の設計によりＸ方向のビームスポット径分布を設定しても良いし、上記ビームスポット径可変手段によりＸ方向のビームスポット径分布を設定しても良い。

また、上記各実施形態のマイクロレンズアレイでは、複数のマイクロレンズが２次元配列されているが、これに代えて、３次元配列されていても良い。例えば、マイクロレンズアレイが全体として湾曲していても良い。

また、上記各実施形態では、投射光学系は、凹面鏡９から構成されているが、これに限らず、例えば、凸面鏡から構成されても良いし、曲面鏡（凹面鏡や凸面鏡）と、該曲面鏡と被走査面素子との間に配置された折り返しミラーとを含んで構成されても良い。

また、上記各実施形態では、光走査装置は、凹面鏡７を有しているが、有していなくても良い。この場合、凹面鏡９は、反射面素子１０の影響で中間像の水平線が上または下に凸形状となる光学歪み要素を補正するように設計・配置されることが好ましい。

また、上記各実施形態では、光源として半導体レーザを用いているが、他のレーザ等を用いても良い。

また、上記各実施形態では、画像表示装置は、カラー画像に対応するように構成されているが、モノクロ画像に対応するように構成されても良い。

また、反射面素子１０としての透過反射部材は、例えば、いわゆるコンバイナのように、移動体のウインドシールドとは別の部材で構成され、観察者から見て該ウインドシールドの手前に配置されていても良い。

また、透過反射部材は、移動体のフロントガラスに限らず、例えばサイドガラス、リアガラス等であっても良く、要は、透過反射部材は、虚像を視認する操縦者により操縦される移動体に設けられ、操縦者が移動体の外部を視認するための窓部材（ウインドシールド）であれば良い。

また、画像表示装置によって虚像を視認可能にされる対象者は、移動体の操縦者に限らず、例えば該移動体に搭乗するナビゲータ、乗客等の同乗者であっても良い。

また、上記各実施形態では、画像表示装置（ＨＵＤ）は、例えば車両、航空機、船舶等の移動体に搭載されるものを一例として説明したが、要は、物体に搭載されるものであれば良い。なお、「物体」は、移動体の他、恒常的に設置されるものや運搬可能なものを含む。

また、本発明の画像表示装置は、ヘッドアップディスプレイ装置のみならず、例えばヘッドマウントディスプレイ装置、プロンプタ装置、プロジェクタ装置への応用も可能である。

例えば、プロジェクタ装置に応用する場合には、該プロジェクタ装置は、上記第１又は第２の実施形態の光走査装置と、該光走査装置のマイクロレンズアレイを介した光を投影面に導くように構成される。

また、上記各実施形態に記載した具体的な数値、形状等は、一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更である。

以下に、発明者が上記第２実施形態を発案するに至った思考プロセスを説明する。

従来、光走査装置は、光プリンタやデジタル複写機、光プロッタ等の画像形成装置に関連して広く知られているが、近年、二次元走査するミラーに多色の光束を入射させ、カラー二次元画像を得る走査型プロジェクタが広く提案されている。

特に、半導体レーザ光源は、その放出する光束の高い指向性により、高い光利用効率を得られることから上記走査型プロジェクタに適していると言われている。

半導体レーザによる走査型プロジェクタは、キセノンランプのような巨大な放熱器を設けることなく、機器内で強い光を発することができ、且つ指向性の高さから小型な光学系においても明るい画像を形成することができる。したがって様々な機器に組み込まれたプロジェクタユニットとして期待されている。

ヘッドアップディスプレイは、乗用車に組み込まれた虚像投影器である。ここでも半導体レーザ走査型プロジェクタが有効であり、様々な発明が提案されている。

レーザディスプレイ固有の課題として、スペックルノイズの発生がある。これを回避するための技術として、マイクロレンズアレイの適用が提案されている（特許文献２参照）。

一方、マイクロレンズアレイは周期的な配列構造を持つため、２次元走査の走査線周期との干渉により、モアレが観察され、画質が低減するという問題がある。

そこで、発明者は、スペックルやモアレの発生を抑制すべく、上記第２実施形態を発案した。

７…凹面鏡（光走査系の一部）、８…被走査面素子（マイクロレンズアレイ、光走査系の一部）、６…２次元偏向手段（偏向器、光走査系の一部）、９…凹面鏡（光学系）、１０…反射面素子（透過反射部材）、１００…光源部。

特開２０１５‐０３４８７７号公報 特開２０１４‐１３９６５７号公報 特許４６２０９０１号公報 特許５０９１１１２号公報

Claims (16)

1. 画像表示用の光走査装置であって、
   光源及び該光源からの光を偏向する偏向器を含む光走査系と、
   前記光走査系からの光が照射される、アレイ状に配列された複数の凸構造を有する光学素子と、を備え、
   前記光学素子の凸構造配列において、凸構造配列面内の第１の方向に直交する第２の方向の前記凸構造のピッチＰ２は前記第１の方向に変化していることを特徴とする光走査装置。
2. 前記光学素子において前記第２の方向の前記凸構造の長さが前記第１の方向に変化していることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記光走査系は、前記光源からの光により前記光学素子を前記第１の方向に往復走査しつつ前記第２の方向に片道走査し、
   前記ピッチＰ２は、前記光学素子に形成される走査線の間隔の前記第１の方向の変化に応じて変化していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光走査装置。
4. 前記走査線の間隔は、前記第１の方向の走査中央から走査端にかけて単調増加し、
   前記ピッチＰ２は、前記走査中央から前記走査端にかけて単調増加することを特徴とする請求項３に記載の光走査装置。
5. 前記光学素子の前記第１方向の任意の位置において前記ピッチＰ２と前記走査線の間隔は一致しないことを特徴とする請求項３又は４に記載の光走査装置。
6. 前記第１の方向の走査端における前記走査線の間隔をＰｓとすると、前記光学素子の前記第１の方向の任意の位置でＰｓ＜Ｐ２又はＰｓ／２＞Ｐ２が成立することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の光走査装置。
7. 前記第１の方向の走査端における前記走査線の間隔をＰｓとすると、前記走査中央においてＰｓ／２＜Ｐ２＜Ｐｓが成立し、かつ前記走査端においてＰ２＞Ｐｓが成立することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の光走査装置。
8. 前記第１の方向の走査端における前記走査線の間隔をＰｓとすると、前記走査中央においてＰ２＜Ｐｓ／２が成立し、かつ前記走査端においてＰｓ／２＜Ｐ２＜Ｐｓが成立することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の光走査装置。
9. 前記光学素子に照射される光のビームスポット径は、前記第１の方向に変化し、
   前記ピッチＰ２は、前記ビームスポット径の前記第１の方向の変化に応じて変化していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光走査装置。
10. 前記光学素子の前記第１の方向の前記凸構造のピッチＰ１は、前記第２の方向に変化していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の光走査装置。
11. 前記光学素子は、ハニカム型に敷き詰められた六角形の複数のマイクロレンズ又はマイクロミラーを含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光走査装置。
12. 前記光学素子は、敷き詰められた四角形の複数のマイクロレンズアレイ又はマイクロミラーを含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光走査装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光走査装置と、
    前記光走査装置の前記光学素子を介した光を透過反射部材に導く光学系と、備える画像表示装置。
14. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光走査装置と、
    前記光走査装置の前記光学素子を介した光を投影面に導く画像表示装置。
15. 請求項１３に記載の画像表示装置と、
    前記画像表示装置が搭載される物体と、を備える物体装置。
16. 前記物体は、移動体であり、
    前記画像表示装置は、ヘッドアップディスプレイ装置であることを特徴とする請求項１５に記載の物体装置。
    

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