JP2017015955A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリーンから射出される光の強度のムラを低減した表示装置を提供する。【解決手段】ＨＵＤ装置は、それぞれ緑色及び青色レーザー光Ｇ，Ｂを発する緑色及び青色ＬＤ１１ｇ，１１ｂと、これらレーザー光Ｇ，Ｂよりも波長の長い赤色レーザー光Ｒを発する赤色ＬＤ１１ｒと、光合成部と、その光合成部が合成した合成レーザー光を透過スクリーン上に走査方向及び副走査方向に走査するＭＥＭＳスキャナと、を備える。各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂは、長手方向を持つ楕円形のビーム断面Ａｂを備える。緑色及び青色ＬＤ１１ｇ，１１ｂは、緑色及び青色レーザー光Ｇ，Ｂのビーム断面Ａｂの長手方向が透過スクリーン上の副走査方向に対応するように設置される。赤色ＬＤ１１ｒは、光軸Ｉａに沿う方向から見て、赤色レーザー光Ｒのビーム断面Ａｂの長手方向が、緑色及び青色レーザー光Ｇ，Ｂにおけるビーム断面Ａｂの長手方向に交わる向きに設置される。【選択図】図６

Description

本発明は、表示装置に関する。

従来から、表示装置の一例として、表示画像を表す光をフロントガラス等に照射して、表示画像に応じた虚像を運転者に視認可能に構成するヘッドアップディスプレイ装置が提案されている。

例えば、特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイ装置は、半導体レーザーが発するレーザー光をスクリーンに向けて走査することでスクリーン上に表示画像を生成する。このヘッドアップディスプレイ装置では、レーザー光の干渉によって表示画像にスペックルと呼ばれる斑点模様が生じるおそれがある。

特開平７−２７０７１１号公報

このような問題を解決するため、本出願人は、ヘッドアップディスプレイ装置において、マイクロレンズアレイ（Micro Lens Array；ＭＬＡ）スクリーンを用い、そのレンズピッチよりも投射されるレーザー光のビーム径を小さく設定することを検討している。これにより、レーザー光同士が干渉することが抑制されて、スペックルや干渉縞の発生を抑制できる。この種のヘッドアップディスプレイ装置は、レーザー光をマイクロレンズアレイ上で主走査方向に往復運動させつつ、その走査方向に直交する副走査方向に移動させるように走査する。所定時間における主走査方向におけるレーザー光の移動量は、副走査方向におけるレーザー光の移動量に比べて極めて大きい。

ところで、一般的に、レーザー光の色によってその波長が異なることが知られている。上記本出願人により検討されるヘッドアップディスプレイ装置においては、この各色レーザー光の波長の違いにより、スクリーン上の各色レーザー光のビーム径が異なる。具体的には、最も波長が長い赤色レーザー光のビーム径は、それより波長の短い青色レーザー光又は緑色レーザー光のビーム径より大きくなる。主走査方向における各レーザー光のビーム径の差は、主として主走査方向にレーザー光が移動するため、表示画像に影響を与え難い。しかし、主走査方向とは異なり、レーザー光は副走査方向に直接的に移動しないため、副走査方向における各色レーザー光のビーム径の差に伴い、スクリーンから射出される光の強度が均一とならず、視認者が表示画像を見た際に輝度ムラや色ムラとして感じるおそれがある。

本発明は、上記実状を鑑みてなされたものであり、スクリーンから射出される光の強度のムラを低減した表示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、本発明に係る表示装置は、第１のレーザー光を発する第１のレーザー光源と、前記第１のレーザー光よりも波長の長い第２のレーザー光を発する第２のレーザー光源と、前記第１のレーザー光及び前記第２のレーザー光を合成して合成レーザー光を生成する光合成部と、前記合成レーザー光をスクリーン上に走査方向に沿って往復運動させつつ、前記走査方向に直交する副走査方向に移動させるように走査する走査部と、を備え、前記第１のレーザー光及び前記第２のレーザー光は、それぞれ、前記第１のレーザー光及び前記第２のレーザー光の光軸に直交する方向に切断されたとき、長手方向及び短手方向を持つ楕円形のビーム断面を備え、前記第１のレーザー光源は、前記第１のレーザー光における前記ビーム断面の前記長手方向が前記スクリーン上の前記副走査方向に対応するように設置され、前記第２のレーザー光源は、前記第２のレーザー光の光軸に沿う方向から見て、前記第２のレーザー光における前記ビーム断面の長手方向が、前記第１のレーザー光における前記ビーム断面の長手方向に交わる向きに設置される。

本発明によれば、スクリーンから射出される光の強度のムラを低減できる。

本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置を搭載した車両を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の構成を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る合成レーザー光発生装置の構成を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る走査軌跡を示すスクリーンの平面図である。 本発明の一実施形態に係る２つの走査軌跡を示すスクリーンの平面図である。 本発明の一実施形態に係る合成レーザー光発生装置内の構成を概略的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る（ａ）はマイクロレンズアレイの平面図であって、（ｂ）はアパーチャアレイの平面図である。 本発明の一実施形態に係る透過スクリーンを概略的に示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る（ａ）〜（ｅ）は、主走査方向への走査時における合成レーザー光の位置を示したマイクロレンズアレイの側面図及びその位置におけるアイボックス内での配光強度分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る図９（ａ）〜（ｅ）の配光強度分布を時間で積分した場合における、主走査方向のアイボックス内での配光強度分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る（ａ）及び（ｂ）は副走査方向における合成レーザー光の位置及びその位置におけるアイボックス内での配光強度分布を示す図であって、（ｃ）は、その図１１（ａ）及び（ｂ）の配光強度分布を時間で積分した場合における、副走査方向のアイボックス内での配光強度分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る（ａ）〜（ｃ）は、透過スクリーン上の各レーザー光のビーム形状を示す図面であって、（ｄ）〜（ｆ）は、マイクロレンズ中心に各色レーザー光が入射した際の副走査方向におけるアイボックス内の配光強度分布を示す図であって、（ｇ）〜（ｉ）は、マイクロレンズの境界部分に各色レーザー光が入射した際の副走査方向におけるアイボックス内の配光強度分布を示す図であって、（ｊ）〜（ｌ）は、それぞれ上記（ｄ）〜（ｆ）及び（ｇ）〜（ｉ）の配光強度分布を積分した場合における、副走査方向におけるアイボックス内での配光強度分布を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る表示装置の一例であるヘッドアップディスプレイ（Head-Up Display；ＨＵＤ）装置について添付図面を参照しつつ説明する。

ＨＵＤ装置１は、図１に模式的に示すように、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Ｍを表す光Ｌをウインドシールド３に向けて射出する。視認者（主に運転者）は、その視域であるアイボックス４において、ウインドシールド３に反射した表示画像Ｍを表す光Ｌを受けることで、ウインドシールド３を介して見える実景に重畳した表示画像Ｍに対応した虚像Ｗを視認可能となる。

（ＨＵＤ装置の全体構成）
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、走査部の一例であるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナ２０と、フィールドレンズ３０と、透過スクリーン４０と、リレー光学部５０と、制御部７０と、ハウジング６０と、を備える。

ハウジング６０は、硬質樹脂等によって箱状に形成されている。ハウジング６０には、そのウインドシールド３に対向する位置に、貫通した開口部６０ａが形成されている。ハウジング６０の開口部６０ａには、湾曲板状の窓部６１が取り付けられる。窓部６１は、表示画像Ｍを表す光Ｌが透過するようにアクリル等の透光性樹脂からなる。ハウジング６０の内部には、ＨＵＤ装置１の各構成が収納されている。

（合成レーザー光発生装置の構成）
合成レーザー光発生装置１０は、制御部７０による制御のもと、Ｒ（レッド），Ｇ（グリーン），Ｂ（ブルー）の三原色のレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを合波して１本の合成レーザー光ＣをＭＥＭＳスキャナ２０に向けて出射する。詳しくは、合成レーザー光発生装置１０は、図３に示すように、レーザーダイオード（Laser Diode；ＬＤ）群１１と、集光レンズ群１２と、偏光軸変換素子１３と、光合成部１４と、調光部１９とを備える。

ＬＤ群１１は、図３に示すように、赤色レーザー光Ｒを発する赤色ＬＤ１１ｒと、緑色レーザー光Ｇを発する緑色ＬＤ１１ｇと、青色レーザー光Ｂを発する青色ＬＤ１１ｂとから構成される。赤色ＬＤ１１ｒは赤色レーザー光源又は第２のレーザー光源に相当し、緑色ＬＤ１１ｇは緑色レーザー光源又は第１のレーザー光源に相当し、青色ＬＤ１１ｂは青色レーザー光源又は第１のレーザー光源に相当する。各ＬＤ１１ｒ,１１ｇ，１１ｂは、図６に示すように、それぞれ一定距離間隔で配列される。各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの偏光度は数百対１程度であって、すなわち、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂは直線偏光している。各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂは、その光軸Ｉａに直交する方向に切断されたとき、長手方向及び短手方向を持つ楕円形のビーム断面Ａｂを備える。各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの偏光軸Ｉｐは、ビーム断面Ａｂの短手方向に沿う。赤色ＬＤ１１ｒは、緑色ＬＤ１１ｇ及び青色ＬＤ１１ｂに対して光軸Ｉａを中心に９０°回転した向きに設置されている。言い換えると、赤色レーザー光Ｒの光軸Ｉａに沿う方向から見て、赤色レーザー光Ｒが広がるビーム断面Ａｂの長手方向が緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂが広がるビーム断面Ａｂの長手方向に直交する方向に延びるように、赤色ＬＤ１１ｒは緑色ＬＤ１１ｇ及び青色ＬＤ１１ｂに対して設置される。よって、赤色ＬＤ１１ｒからの赤色レーザー光Ｒの偏光軸Ｉｐは、赤色レーザー光Ｒの光軸Ｉａに沿う方向から見て、緑色ＬＤ１１ｇ及び青色ＬＤ１１ｂからの緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂの偏光軸Ｉｐに対して直交する方向に延びている。

集光レンズ群１２は、図３に示すように、各ＬＤ１１ｒ,１１ｇ，１１ｂから出射された発散光である各レーザー光Ｂ，Ｒ，Ｇを屈折させることで収束光に変換する３つの集光レンズ１２ｒ、１２ｇ、１２ｂから構成される。集光レンズ１２ｒは、赤色ＬＤ１１ｒから出射される赤色レーザー光Ｒの光路に設置され、集光レンズ１２ｇは、緑色ＬＤ１１ｇから出射される緑色レーザー光Ｇの光路に設置され、集光レンズ１２ｂは、青色ＬＤ１１ｂから出射される青色レーザー光Ｂの光路に設置される。各集光レンズ１２ｒ、１２ｇ、１２ｂからの収束光は、透過スクリーン４０上でほぼ最小ビーム径となる。各集光レンズ１２ｒ、１２ｇ、１２ｂは、ＬＤ群１１のいずれかからのレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの波長又はその中間的な波長に合わせて最適設計された非球面形状を有する。各集光レンズ１２ｒ、１２ｇ、１２ｂは、それぞれ同一のレンズで構成される。各集光レンズ１２ｒ、１２ｇ、１２bに同一のレンズを使用する場合、各ＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光点と各集光レンズ１２ｒ、１２ｇ、１２bとの間の距離を調整することで、各ＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから異なる波長のレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂが発されても、透過スクリーン４０にレーザー光を集光することが可能である。

偏光軸変換素子１３は、例えば１／２λ板等の波長板にて構成され、赤色レーザー光Ｒの光路上に設置される。偏光軸変換素子１３は、図６に示すように、赤色レーザー光Ｒの偏光軸Ｉｐを、光軸Ｉａを中心に９０°回転させる。よって、赤色レーザー光Ｒの偏光軸Ｉｐは、偏光軸変換素子１３を通過した後、緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂの偏光軸Ｉｐと同一方向に延びる。しかし、偏光軸変換素子１３によって赤色レーザー光Ｒの光の広がり方は変化しないため、依然として、赤色レーザー光Ｒのビーム断面Ａｂの長手方向は、緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂのビーム断面Ａｂの長手方向に直交した方向に延びている。

調光部１９は、透過後のレーザー光の光量を調整するものであり、図３に示すように、第１の偏光板１５と、液晶素子１６と、第２の偏光板１７と、を備える。

具体的には、第１の偏光板１５は、偏光軸変換素子１３を経た赤色レーザー光Ｒの光路、緑色ＬＤ１１ｇからの緑色レーザー光Ｇの光路及び青色ＬＤ１１ｂからの青色レーザー光Ｂの光路に設置される。第１の偏光板１５は、偏光軸変換素子１３を経た赤色レーザー光Ｒの偏光軸Ｉｐに沿う方向（緑色ＬＤ１１ｇ及び青色ＬＤ１１ｂからの緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂの偏光軸Ｉｐと同一の方向）の透過軸Ｉｂを備える。第１の偏光板１５は、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂのうち透過軸Ｉｂに沿った光のみを透過させる。

液晶素子１６は、何れも図示しない液晶層及び電極を備える。液晶素子１６は、この電極への印加電圧に応じて、液晶層の液晶分子の配列が変化することにより、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの偏光軸Ｉｐの向きを変化させることができる。

第２の偏光板１７は、図３に示すように、詳しくは後述する光合成部１４からの合成レーザー光Ｃの光路に設置されている。第２の偏光板１７の透過軸は、第１の偏光板１５の透過軸Ｉｂと直交する。ここで、ウインドシールド３は、Ｐ偏光波よりＳ偏光波の反射率が高い。このため、虚像Ｗの視認性を考慮すると、ウインドシールド３には、Ｓ偏光成分の割合の高い光を照射することが望まれる。よって、本例では、第２の偏光板１７の透過軸は、ウインドシールド３のＳ偏光成分の方向と一致するように設定されている。第２の偏光板１７は、合成レーザー光Ｃのうち第２の偏光板１７の透過軸に沿った光のみを透過させる。調光部１９は、その液晶素子１６を通じて各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの偏光軸Ｉｐの向きを変化させることで、第２の偏光板１７を透過する合成レーザー光Ｃの光量を調整できる。

光合成部１４は、図３に示すように、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの光軸Ｉａを概ね揃えることで合成レーザー光Ｃを生成する。詳しくは、光合成部１４は、ダイクロイックミラー１４ｒ、１４ｇ、１４ｂから構成される。各ダイクロイックミラー１４ｒ、１４ｇ、１４ｂは、屈折率のそれぞれ異なる誘電体の多層膜からなる。赤用ダイクロイックミラー１４ｒは、赤色レーザー光Ｒの波長領域のみを反射し、他の波長領域の光を透過させる。緑用ダイクロイックミラー１４ｇは、緑色レーザー光Ｇの波長領域のみを反射し、他の波長領域の光を透過させる。青用ダイクロイックミラー１４ｂは、青色レーザー光Ｂの波長領域のみを反射し、他の波長領域の光を透過させる。各ダイクロイックミラー１４ｒ、１４ｇ、１４ｂは、それらの反射光が一致して合成レーザー光Ｃを生成するように配置されている。

絞り部材１８は、図３に示すように、第２の偏光板１７を通過した合成レーザー光Ｃの光路に設置され、後述するＭＥＭＳスキャナ２０のミラー直径よりわずかに大きな開口（アパーチャ）が設けられている。絞り部材１８は、合成レーザー光ＣをＭＥＭＳスキャナ２０のミラーに合わせて整形する。これにより、ＭＥＭＳスキャナ２０のミラーにおけるケラレの発生を防止する。仮にＭＥＭＳスキャナ２０のミラーにおいてケラレが発生するとミラー面２０ａの周囲に存在するヒンジ部やシリコン基板面で光が反射し、迷光となるおそれがある。

（ＭＥＭＳスキャナ、フィールドレンズ及び透過スクリーンの構成）
ＭＥＭＳスキャナ２０は、図２に示すように、ミラー面２０ａを備え、そのミラー面２０ａを振動可能に構成される。ＭＥＭＳスキャナ２０は、ピエゾ型、電磁型及び静電型の何れが採用されてもよい。ＭＥＭＳスキャナ２０は、ミラー面２０ａを振動させることで、合成レーザー光発生装置１０が出射した合成レーザー光Ｃを透過スクリーン４０に向けて反射させつつ走査する。これにより、透過スクリーン４０の上面に表示画像Ｍが生成される。

フィールドレンズ３０は、ＭＥＭＳスキャナ２０と透過スクリーン４０との間に設けられるとともに、ＭＥＭＳスキャナ２０で走査された合成レーザー光Ｃ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。フィールドレンズ３０は、合成レーザー光Ｃ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（リレー光学部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構成されている。

ＭＥＭＳスキャナ２０は、制御部７０による制御に基づき、図４に示すように、合成レーザー光Ｃを、長方板状の透過スクリーン４０の長手方向に延びる主走査方向Ｈに沿って往復運動させつつ、透過スクリーン４０の短手方向に延びる副走査方向Ｖに沿って移動させる。これにより、走査軌跡５００は、走査開始位置Ｙａから走査終了位置Ｙｂまで副走査方向Ｖに沿って略正弦波をなす。走査開始位置Ｙａ及び走査終了位置Ｙｂは、対角線上に位置する透過スクリーン４０の２つの角部にそれぞれ位置する。ＭＥＭＳスキャナ２０は、制御部７０による制御に基づき、合成レーザー光Ｃが走査終了位置Ｙｂに達した後に、合成レーザー光Ｃをその走査終了位置Ｙｂから走査開始位置Ｙａまで戻す。本例において、１フレーム分の走査とは、合成レーザー光Ｃが走査開始位置Ｙａから走査終了位置Ｙｄに達して、再び走査開始位置Ｙａに戻るまでをいう。具体的には、ＭＥＭＳスキャナ２０は、図５に示すように、フレーム毎に後述するマイクロレンズアレイ４１の副走査方向ＶのピッチｄＶ１の１／２だけ副走査方向Ｖに走査軌跡をずらして走査する。すなわち、ＭＥＭＳスキャナ２０は、交互に異なる２つの走査軌跡５００ａ，５００ｂに沿って合成レーザー光Ｃを走査する。本例では、ＭＥＭＳスキャナ２０は、１／１２０秒で１フレーム分の走査を行うことで、１秒間に１２０フレーム分の走査、すなわち１２０Ｈｚの高速な周波数で走査を行う。このため、視認者にとっては２つの走査軌跡５００ａ，５００ｂに係る２フレームが実質的に１フレームに見える。制御部７０は、走査中に合成レーザー光Ｃが照射されたオン状態と合成レーザー光Ｃが照射されないオフ状態との間で切り替えることで、数字又は記号等を示す表示画像Ｍを透過スクリーン４０に生成する。なお、主走査方向Ｈは表示画像Ｍの横方向に対応し、副走査方向Ｖは表示画像Ｍの縦方向に対応する。

透過スクリーン４０は、図４に示すように、ＭＥＭＳスキャナ２０が走査した合成レーザー光Ｃに基づき、その表面（ＭＥＭＳスキャナ２０と反対側の面）に表示画像Ｍを表示する。詳しくは、透過スクリーン４０は、ＭＥＭＳスキャナ２０から入射した合成レーザー光Ｃの射出瞳（Exit Pupil）を拡大して表示画像Ｍを表示し、その表示画像Ｍを表す光Ｌ（表示光Ｌ）はリレー光学部５０に向けて出射される。透過スクリーン４０の具体的構成については後述する。

リレー光学部５０は、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との光路間に設けられ、具体的には平面ミラー５１及び拡大ミラー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を透過した表示画像Ｍを表す光Ｌ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Ｌ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に向かって反射させる。上述のように、この表示光ＬはＳ偏光成分を多く含む光であるため、ウインドシールド３は高い反射率で表示光Ｌを視認者に向けて反射させる。視認者は、ウインドシールド３に反射した表示光Ｌを受けることで、表示画像Ｍが拡大された虚像Ｗを視認可能となる。

（透過スクリーンの具体的構成）
透過スクリーン４０は、図７（ａ），（ｂ）及び図８に示すように、合成レーザー光Ｃの入射側に位置するマイクロレンズアレイ４１と、合成レーザー光Ｃの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。マイクロレンズアレイ４１及びアパーチャアレイ４２は、互いに対面するように配置される。なお、図８は透過スクリーン４０の垂直断面を概略的に示した図である。

マイクロレンズアレイ４１は、図７（ａ）に示すように、その厚さ方向から見て、マトリックス状に配列された長方形のマイクロレンズ４１ａを備える。マイクロレンズ４１ａは、例えばレンズサイズが１００μｍ程度であって、主走査方向ＨにピッチｄＨ１で、副走査方向ＶにピッチｄＶ１で配列されている。本実施形態では、主走査方向ＨのピッチｄＨ１が垂直方向のピッチｄＶ１より大きい、すなわちｄＨ１＞ｄＶ１の関係が成立する。マイクロレンズアレイ４１は、隣り合うマイクロレンズ４１ａ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、互いに隣接するマイクロレンズ４１ａのレンズ中心間の距離であり、以後、このピッチを「マイクロレンズアレイ４１のピッチ」と呼ぶ。本例では、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、赤色レーザー光Ｒが最も長波長であるため、透過スクリーン４０上では、合成レーザー光Ｃとしての赤色レーザー光Ｒのビーム径ＤＶ，ＤＨは、同じく合成レーザー光Ｃとしての青色レーザー光Ｂ及び緑色レーザー光Ｇのビーム径ＤＶ，ＤＨに比べて大きくなる。ビーム径ＤＶ，ＤＨがマイクロレンズアレイ４１のピッチに対して大きくなると、上記背景技術でも説明したように、スペックルや干渉縞が発生するおそれがある。このため、マイクロレンズアレイ４１のピッチは、ビーム径の最も大きい赤色レーザー光Ｒを基準として決定する必要がある。また、アイボックス４のアスペクト比を考慮するとマイクロレンズアレイ４１のピッチは、図７（ａ）に示すように、主走査方向Ｈに大きい長方形形状が望ましい。

アパーチャアレイ４２は、可視光を吸収する材料から形成されるとともに、図７（ｂ）に示すように、その厚さ方向から見てマトリックス状に配列された複数の開口部４２ａを備える。複数の開口部４２ａは、上記マイクロレンズアレイ４１のマイクロレンズ４１ａに対応して設けられ、アパーチャアレイ４２をその厚さ方向に貫通するように形成される。複数の開口部４２ａは、主走査方向ＨにピッチｄＨＡで、副走査方向ＶにピッチｄＶＡで周期的に配列されている。複数の開口部４２ａは、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、主走査方向ＨのピッチｄＨＡは、副走査方向ＶのピッチｄＶＡより大きい、すなわちｄＨＡ＞ｄＶＡの関係が成立する。また、アパーチャアレイ４２の主走査方向ＨのピッチｄＨＡは、マイクロレンズアレイ４１の主走査方向ＨのピッチｄＨ１よりも僅かに大きく、すなわちｄＨＡ＞ｄＨ１の関係が成立する。

アパーチャアレイ４２の開口部４２ａは、アパーチャアレイ４２の厚さ方向から見て、その大きさがマイクロレンズ４１ａのレンズサイズの１／５〜１／１０程度となるように形成されている。アパーチャアレイ４２は、上述のように、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。このため、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａ以外の領域は遮光部４２ｂとして機能する。よって、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を通過する光以外は、遮光部４２ｂでその大部分が吸収される。

マイクロレンズアレイ４１及びアパーチャアレイ４２は、図８に示すように、それらの厚さ方向において、マイクロレンズ４１ａの焦点距離ｆの間隔だけ隔てて配置されている。マイクロレンズアレイ４１を厚さ方向から見てマイクロレンズアレイ４１の中央に位置するマイクロレンズ４１ａと、同厚さ方向から見てアパーチャアレイ４２の中央に位置する開口部４２ａの中心とを同一の光軸ＡＸが通過するように、マイクロレンズアレイ４１及びアパーチャアレイ４２が設置されている。また、マイクロレンズアレイ４１による合成レーザー光Ｃの集光点Ｐが各開口部４２ａの中心に位置する。このように合成レーザー光Ｃは、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａに集光されるため、ＬＤ群１１が出射した各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを効率良く表示画像Ｍを表す光Ｌとすることができる。また、ＨＵＤ装置１の外部から侵入する外光がレーザー光の光路を逆方向に伝搬した場合であっても、その外光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。このように遮光部４２ｂを設けることで、透過スクリーン４０で拡散反射した外光がＨＵＤ装置１の光路を経て視認者の眼に届くことが抑制され、ひいては、表示画像Ｍに透過スクリーン４０が重なって白い枠状に浮かび上がって視認性を悪化させることが抑制される。

また、透過スクリーン４０に到達した合成レーザー光Ｃのうち、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａを通過する表示画像Ｍを表す光Ｌ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によって合成レーザー光Ｃがフィールドレンズ３０に向かって反射することも抑制される。マイクロレンズアレイ４１のマイクロレンズ４１ａによって屈折した合成レーザー光Ｃは、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａを通過して発散した後にリレー光学部５０等を経てアイボックス４を照明する。

（主走査方向の配光強度分布）
次に、合成レーザー光Ｃが主走査方向Ｈに移動する際のアイボックス４内での配光強度分布について、図９（ａ）〜（ｅ）を参照しつつ説明する。

合成レーザー光Ｃが１つのマイクロレンズ４１ａに対して主走査方向Ｈに走査されたとき、図９（ａ）〜（ｅ）それぞれの右下のグラフで示すように、異なる配光強度分布が得られる。これら異なる配光強度分布を、マイクロレンズ４１ａを１個分だけ主走査方向Ｈに走査する時間で積分すると、図１０に示すように、アイボックス４内の主走査方向Ｈの全域で略均一な配光強度分布を形成することができる。

（副走査方向の配光強度分布）
次に、副走査方向Ｖにおけるアイボックス４内での配光強度分布について、図１１（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明する。

合成レーザー光Ｃが第１の走査軌跡５００ａを経て走査されている場合において、マイクロレンズ４１ａの中心付近に合成レーザー光Ｃが照射されたとき、図１１（ａ）に示すように、アイボックス４内における合成レーザー光Ｃの配光強度分布は、ほぼガウス分布をなしている。そして、次のフレームにおいて、合成レーザー光Ｃが第２の走査軌跡５００ｂを経て走査されている場合に、２つのマイクロレンズ４１ａの境界付近に合成レーザー光Ｃが照射されたとき、図１１（ｂ）に示すように、アイボックス４内における合成レーザー光Ｃの配光強度分布は、２つのピークを持つ配光強度分布をなしている。ここで、１秒間に１２０フレーム分の走査が高速で行われるため、視認者は、図１１（ａ）の配光強度分布と、図１１（ｂ）の配光強度分布とを足し合わせた図１１（ｃ）のような略均一な強度配光分布の光を視認できる。

（副走査方向のビーム径）
図１２（ａ）〜（ｃ）には、透過スクリーン４０上の各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂのビーム形状Ｒｆ，Ｇｆ，Ｂｆが示されている。この各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂは、赤色、緑色又は青色の単色からなる合成レーザー光Ｃである。各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂのビーム形状Ｒｆ，Ｇｆ，Ｂｆは、主走査方向Ｈのビーム径ＤＨ及び副走査方向Ｖのビーム径ＤＶを持つ楕円形である。上述のように、赤色レーザー光Ｒは、緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂよりも波長が長い。このため、赤色レーザー光Ｒのビーム形状Ｒｆは、緑色レーザー光Ｇのビーム形状Ｇｆ及び青色レーザー光Ｂのビーム形状Ｂｆよりもサイズが大きい。すなわち、赤色レーザー光Ｒのビーム径ＤＨ，ＤＶは、緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂのビーム径ＤＨ，ＤＶに比べて大きい。また、本実施形態では、上述のように、赤色ＬＤ１１ｒは、緑色ＬＤ１１ｇ及び青色ＬＤ１１ｂに対して光軸Ｉａを中心に９０°回転させた向きに設置される。これにより、図１２（ａ）に示すように、赤色レーザー光Ｒのビーム形状Ｒｆは、その長手方向が主走査方向Ｈに沿い、緑色レーザー光Ｇのビーム形状Ｇｆ及び青色レーザー光Ｂのビーム形状Ｂｆは、その長手方向が副走査方向Ｖに沿う。すなわち、赤色レーザー光Ｒのビーム形状Ｒｆと、緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂのビーム形状Ｇｆ，Ｂｆとでは向きが９０°異なる。赤色レーザー光Ｒの短手方向のビーム径（本例では副走査方向Ｖのビーム径ＤＶ）と、緑色レーザー光Ｇ又は青色レーザー光Ｂの長手方向のビーム径（本例では主走査方向Ｈのビーム径ＤＶ）との差は比較的に小さい。このため、上述のように各ＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを配置することで、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂ間で副走査方向Ｖにおけるビーム径ＤＶの差を低減することができる。

図１２（ｄ），（ｅ）及び（ｆ）は、上記図１１（ａ）に対応する各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂにおける配光強度分布を示し、図１２（ｇ），（ｈ）及び（ｉ）は、上記図１１（ｂ）に対応する各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂにおける配光強度分布を示し、図１２（ｊ），（ｋ）及び（ｌ）は、上記図１１（ｃ）に対応する、図１２（ｄ），（ｅ）及び（ｆ）と、図１２（ｇ），（ｈ）及び（ｉ）とをそれぞれ足し合わせた配光強度分布を示す。上記のように、副走査方向Ｖにおける各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂのビーム径ＤＶの差を低減することで、図１２（ｊ），（ｋ）及び（ｌ）に示すように、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂ間でほぼ同一の強度配光分布が得られる。

ところで、上述のように各ＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを配置することで、主走査方向Ｈにおける赤色レーザー光Ｒのビーム径ＤＨと、緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂのビーム径ＤＨとの差は従来技術に比べて大きくなる。しかし、ＭＥＭＳスキャナ２０によって合成レーザー光Ｃが走査される際、合成レーザー光Ｃは主走査方向Ｈに連続的に移動するため、時間積分によって形成されるアイボックス４における配光強度分布はいずれも略均一な配光強度分布が得られる。このため、主走査方向Ｈのビーム径ＤＨの差が表示画像Ｍに与える影響はほぼない。

（効果）
以上、説明した一実施形態によれば、以下の効果を奏する。

（１）ＨＵＤ装置１は、緑色レーザー光Ｇを発する緑色ＬＤ１１ｇと、青色レーザー光Ｂを発する青色ＬＤ１１ｂと、緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂよりも波長の長い赤色レーザー光Ｒを発する赤色ＬＤ１１ｒと、各ＬＤ１１ｒ,１１ｇ，１１ｂからの各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを合成して合成レーザー光Ｃを生成する光合成部１４と、合成レーザー光Ｃを透過スクリーン４０上に、走査方向Ｈに沿って往復運動させつつ、走査方向Ｈに直交する副走査方向Ｖに移動させるように走査するＭＥＭＳスキャナ２０と、を備える。各ＬＤ１１ｒ,１１ｇ，１１ｂからの各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの光軸Ｉａに直交する方向に切断したビーム断面Ａｂは、長手方向及び短手方向を持つ楕円形である。緑色ＬＤ１１ｇ及び青色ＬＤ１１ｂは、緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂのビーム断面Ａｂの長手方向が副走査方向Ｖに対応するように設置される。赤色ＬＤ１１ｒは、赤色ＬＤ１１ｒからの赤色レーザー光Ｒの光軸Ｉａに沿う方向から見て、赤色レーザー光Ｒのビーム断面Ａｂの長手方向が、緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂのビーム断面Ａｂの長手方向に交わる向きに設置される。

一般的に、光の波長が長いほど透過スクリーン４０におけるその光のビーム径は大きくなる。上記のように各ＬＤ１１ｒ,１１ｇ，１１ｂを配置することで、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、赤色レーザー光Ｒのビーム形状Ｒｆの長手方向と、緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂのビーム形状Ｇｆ，Ｂｆの長手方向とが異なる角度に設定される。これにより、副走査方向Ｖにおける赤色レーザー光Ｒのビーム径ＤＶは、副走査方向Ｖにおける緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂのビーム径ＤＶに長さが近づく。この副走査方向Ｖにおける各色レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂのビーム径ＤＶの差が小さくなることで、各色レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂ毎に、透過スクリーン４０から射出される光の強度が均一化される。このため、視認者が虚像Ｗを見た際に輝度ムラや色ムラとして感じることが抑制される。

（２）さらに、ＨＵＤ装置１は、赤色ＬＤ１１ｒ、緑色ＬＤ１１ｇ及び青色ＬＤ１１ｂにそれぞれ対応して設けられ、対応する各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを拡散光から収束光に変換する、それぞれ同一の構成からなる３つの集光レンズ１２ｒ，１２ｇ，１２ｂを備える。各集光レンズ１２ｒ、１２ｇ、１２ｂとしてそれぞれ同一のレンズを使用することで、各集光レンズ１２ｒ、１２ｇ、１２ｂを配置する際の取り違いを防止できるとともに、部品の共通化を通じてコスト低減に寄与できる。また、同一の構成からなる複数の集光レンズ１２ｒ，１２ｇ，１２ｂを用いた場合であっても、上記のように各ＬＤ１１ｒ,１１ｇ，１１ｂを配置することで、副走査方向Ｖにおける各色レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂのビーム径ＤＶの差を小さくすることができる。

（３）ＨＵＤ装置１は、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれの偏光軸Ｉｐを同一方向に変換する偏光軸変換素子１３と、前記偏光軸変換素子１３を経て偏光軸Ｉｐが同一方向に変換された各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂに係る合成レーザー光Ｃを調光する調光部１９と、を備える。この構成によれば、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの偏光軸Ｉｐが同一方向に変換されている場合、調光部１９は、その第１の偏光板１５及び第２の偏光板１７それぞれの透過軸の関係により、調光を各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂ間で画一的に行うことができる。特に、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの偏光軸Ｉｐをウインドシールド３における反射率が高い方向に一致させることで、効率的にアイボックス４まで光を導くことができる。

（４）赤色ＬＤ１１ｒは、赤色レーザー光Ｒの光軸Ｉａに沿う方向から見て、赤色レーザー光Ｒのビーム断面Ａｂの長手方向が、緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂのビーム断面Ａｂの長手方向に直交する向きに設置される。これにより、副走査方向Ｖにおける赤色レーザー光Ｒのビーム径ＤＶと副走査方向Ｖにおける緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂのビーム径ＤＶとの差を最小化することができる。これにより、各色レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂ毎で、透過スクリーン４０から射出される光の強度のムラが低減されて均一化されるため、視認者が表示画像を見た際に輝度ムラや色ムラとして感じることがいっそう抑制される。

（５）調光部１９のうち第２の偏光板１７は、光合成部１４からの合成レーザー光Ｃの光路に設けられている。第２の偏光板１７をこの位置に設けることで、第２の偏光板１７は１本の合成レーザー光Ｃが透過可能な大きさで済むため、第２の偏光板１７をコンパクトに構成することができる。

（変形例）
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。

上記実施形態では、偏光軸変換素子１３は、赤色レーザー光Ｒの偏光軸Ｉｐの向きを変化させることで、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの偏光軸Ｉｐを同一方向に変換していた。しかし、偏光軸変換素子１３は、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの偏光軸Ｉｐを同一方向に変換することができればこれに限らず、例えば、緑色レーザー光Ｇ及び青色レーザー光Ｂの偏光軸Ｉｐを変化させてもよい。また、偏光軸変換素子１３は、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの偏光軸Ｉｐを光軸Ｉａを中心に４５°回転させることで、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの偏光軸Ｉｐを同一方向に変換してもよい。また、偏光軸変換素子１３は、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを直線偏光から円偏光に変換する円偏光板であってもよい。

上記実施形態の合成レーザー光発生装置１０において、集光レンズ群１２、偏光軸変換素子１３、調光部１９又は絞り部材１８は適宜省略してもよい。

上記実施形態では、赤色ＬＤ１１ｒは、緑色ＬＤ１１ｇ及び青色ＬＤ１１ｂに対して光軸Ｉａを中心に９０°回転した向きに設置されていた。しかし、赤色ＬＤ１１ｒは、緑色ＬＤ１１ｇ及び青色ＬＤ１１ｂに対して光軸Ｉａを回転中心に異なる向きにあれば９０°以外であってもよい。すなわち、赤色ＬＤ１１ｒは、赤色ＬＤ１１ｒが発する赤色レーザー光Ｒの光軸Ｉａから見て、赤色レーザー光Ｒが広がるビーム断面Ａｂの長手方向が、レーザー光Ｇ，Ｂが広がるビーム断面Ａｂの長手方向に交わる向きに設置されていれば、これら長手方向が必ずしも直交していなくてもよい。

上記実施形態における赤色ＬＤ１１ｒ、緑色ＬＤ１１ｇ及び青色ＬＤ１１ｂのうち、緑色ＬＤ１１ｇ又は青色ＬＤ１１ｂを省略してもよい。また、赤色ＬＤ１１ｒは、他のＬＤよりも波長の長い光であれば赤色に限らない。また、緑色ＬＤ１１ｇ又は青色ＬＤ１１ｂも、赤色ＬＤ１１ｒよりも波長が短ければその色に限らない。

上記実施形態においては、第２の偏光板１７は、光合成部１４からの合成レーザー光Ｃの光路に設けられていたが、これに限らず、液晶素子１６を通過した各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの光路に設けられていてもよい。また、調光部１９の全ての構成が、合成レーザー光Ｃの光路に設けられていてもよい。

上記実施形態では、マイクロレンズアレイ４１は、長方形形状のマイクロレンズ４１ａが格子状に配列されて構成されていたが、マイクロレンズの形状は正方形であってもよい。また、マイクロレンズアレイは、六角形形状のマイクロレンズがハニカム状に配列されて構成されてもよい。

上記実施形態においては、制御部７０は、ＨＵＤ装置１のハウジング６０に内蔵されていたが、ハウジング６０の外部に設けられていてもよい。

上記施形態では、透過スクリーン４０は、アパーチャアレイ４２を備えていたが、このアパーチャアレイ４２を省略してマイクロレンズアレイ４１のみから構成されてもよい。

上記施形態では、アパーチャアレイ４２の入射側だけにマイクロレンズアレイ４１が設けられていたが、さらに、アパーチャアレイ４２の出射側にも同様のマイクロレンズアレイを設けて、いわゆるデュアル−マイクロレンズアレイとして構成されてもよい。

上記実施形態では、各集光レンズ１２ｒ、１２ｇ、１２ｂは、それぞれ同一のレンズで構成されていたが、対応する各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの波長に合わせて異なる構成をなしていてもよい。

上記実施形態では、本発明に係る表示装置を車載用のヘッドアップディスプレイ装置に適用したが、車載用に限らず、飛行機、船等の乗り物に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置に適用してもよい。また、ＨＵＤ装置１は、表示画像Ｍを表す光Ｌを、ウインドシールド３ではなく、専用のコンバイナに投射してもよい。また、本発明に係る表示装置をヘッドアップディスプレイ装置ではなく、屋内または屋外で使用されるプロジェクタ等の表示装置に適用してもよい。また、投射部材は透光性を有するものに限られず、反射型のスクリーンなどであってもよい。また、例えば、本発明に係る表示装置をメガネ型ウェアラブル端末に搭載してもよい。

１…ＨＵＤ装置
２…車両
３…ウインドシールド
４…アイボックス
１０…合成レーザー光発生装置
１１…ＬＤ群
１１ｒ…赤色ＬＤ
１１ｇ…緑色ＬＤ
１１ｂ…青色ＬＤ
１２…集光レンズ群
１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ…集光レンズ
１３…偏光軸変換素子
１４…光合成部
１４ｒ，１４ｇ，１４ｂ…ダイクロイックミラー
１５…第１の偏光板
１６…液晶素子
１７…第２の偏光板
１８…絞り部材
２０…ＭＥＭＳスキャナ
２０ａ…ミラー面
３０…フィールドレンズ
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…リレー光学部
Ｒ…赤色レーザー光
Ｇ…緑色レーザー光
Ｂ…青色レーザー光
Ｃ…合成レーザー光
Ｗ…虚像

Claims (4)

1. 第１のレーザー光を発する第１のレーザー光源と、
   前記第１のレーザー光よりも波長の長い第２のレーザー光を発する第２のレーザー光源と、
   前記第１のレーザー光及び前記第２のレーザー光を合成して合成レーザー光を生成する光合成部と、
   前記合成レーザー光をスクリーン上に走査方向に沿って往復運動させつつ、前記走査方向に直交する副走査方向に移動させるように走査する走査部と、を備え、
   前記第１のレーザー光及び前記第２のレーザー光は、それぞれ、前記第１のレーザー光及び前記第２のレーザー光の光軸に直交する方向に切断されたとき、長手方向及び短手方向を持つ楕円形のビーム断面を備え、
   前記第１のレーザー光源は、前記第１のレーザー光における前記ビーム断面の前記長手方向が前記スクリーン上の前記副走査方向に対応するように設置され、
   前記第２のレーザー光源は、前記第２のレーザー光の光軸に沿う方向から見て、前記第２のレーザー光における前記ビーム断面の長手方向が、前記第１のレーザー光における前記ビーム断面の長手方向に交わる向きに設置される、
   ことを特徴とする表示装置。
2. 前記第１のレーザー光源は、青色レーザー光を発する青色レーザー光源及び緑色レーザー光を発する緑色レーザー光源の少なくとも何れか一方であって、
   前記第２のレーザー光源は、赤色レーザー光を発する赤色レーザー光源であって、
   前記赤色レーザー光源、前記緑色レーザー光源及び前記青色レーザー光源にそれぞれ対応して設けられ、前記赤色レーザー光、前記緑色レーザー光及び前記青色レーザー光を拡散光から収束光に変換する、それぞれ同一の構成からなる３つの集光レンズを備えた、
   ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記赤色レーザー光、前記緑色レーザー光及び前記青色レーザー光のそれぞれの偏光軸を同一方向に変換する偏光軸変換素子と、
   前記偏光軸変換素子を経て前記偏光軸が同一方向に変換された前記赤色レーザー光、前記緑色レーザー光及び前記青色レーザー光又は前記合成レーザー光を調光する調光部と、を備えた、
   ことを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
4. 前記赤色レーザー光源は、前記赤色レーザー光の光軸に沿う方向から見て、前記赤色レーザー光における前記ビーム断面の長手方向が、前記緑色レーザー光又は前記青色レーザー光における前記ビーム断面の長手方向に直交する向きに設置される、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の表示装置。