JP7098594B2 - Scanning display device and scanning display system - Google Patents

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Description

本発明は、走査型表示装置及び走査型表示システムに関する。 The present invention relates to a scanning display device and a scanning display system.

投影表示用のレーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光を走査する光走査部と、光走査部によって走査されたレーザ光を拡散させる光拡散部と、を備える走査型表示装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。光拡散部としては、例えば、透過型のマイクロレンズアレイ等、二次元に配列された複数の光拡散チャネルを有する光学素子が用いられている。 A scanning display device including a light source that emits laser light for projection display, an optical scanning unit that scans the laser light emitted from the light source, and a light diffusing unit that diffuses the laser light scanned by the optical scanning unit. Is known (see, for example, Patent Document 1). As the light diffusing unit, for example, an optical element having a plurality of light diffusing channels arranged two-dimensionally, such as a transmissive microlens array, is used.

特開２０１６－１３３７００号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-133700

上述したような走査型表示装置においては、レーザ光がコヒーレントな光であることに起因して、表示されたイメージに輝度むら（不規則な輝度むら（スペックル）、規則的な輝度むらを含む）が生じる場合があった。 In the scanning display device as described above, the displayed image includes luminance unevenness (irregular luminance unevenness (speckle), regular luminance unevenness) due to the coherent light of the laser beam. ) May occur.

本発明は、表示されたイメージに輝度むらが生じるのを抑制することができる走査型表示装置及び走査型表示システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a scanning display device and a scanning display system capable of suppressing the occurrence of luminance unevenness in a displayed image.

本発明の走査型表示装置は、投影表示用のレーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光を集光する集光部と、集光部を通過したレーザ光を走査する光走査部と、二次元に配列された複数の光拡散チャネルを有し、光走査部によって走査されたレーザ光を拡散させる光拡散部と、を備え、レーザ光の波長をλとし、光走査部の有効開口径をＭとし、光走査部から光拡散部までの距離をＬとし、複数の光拡散チャネルの配列ピッチをＰとすると、光拡散部は、配列ピッチがＰ≧（４λＬ）／（πＭ）に基づいて設定された値となるように、構成されている。 The scanning display device of the present invention has a light source that emits laser light for projection display, a condensing unit that condenses the laser light emitted from the light source, and optical scanning that scans the laser light that has passed through the condensing unit. A unit and a light diffusing unit having a plurality of light diffusion channels arranged in two dimensions and diffusing the laser light scanned by the optical scanning unit, the wavelength of the laser light being λ, and the optical scanning unit. Assuming that the effective opening diameter is M, the distance from the light scanning part to the light diffusing part is L, and the arrangement pitch of a plurality of light diffusing channels is P, the arrangement pitch of the light diffusing part is P ≧ (4λL) / (πM). ) Is configured to be the value set.

この走査型表示装置によれば、光拡散部におけるレーザ光の集光サイズを光拡散チャネルの配列ピッチ以下とすることができる。したがって、この走査型表示装置によれば、表示されたイメージに輝度むらが生じるのを抑制することができる。 According to this scanning display device, the focused size of the laser beam in the light diffusing portion can be set to be equal to or smaller than the arrangement pitch of the light diffusing channel. Therefore, according to this scanning display device, it is possible to suppress the occurrence of luminance unevenness in the displayed image.

本発明の走査型表示装置では、光拡散部は、配列ピッチがＰ≧（４λＬ）／（πＭ）＋Ｌλ／Ｍに基づいて設定された値となるように、構成されていてもよい。これによれば、光走査部においてレーザ光に回折が起こったとしても、光拡散部におけるレーザ光の集光サイズを光拡散チャネルの配列ピッチ以下とすることができるので、表示されたイメージに輝度むらが生じるのを抑制することができる。 In the scanning display device of the present invention, the light diffusing unit may be configured so that the arrangement pitch is a value set based on P ≧ (4λL) / (πM) + Lλ / M. According to this, even if diffraction occurs in the laser light in the optical scanning section, the focusing size of the laser beam in the light diffusing section can be set to be smaller than the arrangement pitch of the light diffusing channel, so that the displayed image has brightness. It is possible to suppress the occurrence of unevenness.

本発明の走査型表示装置では、光走査部は、ＭＥＭＳミラーであってもよい。これによれば、光拡散部に対するレーザ光の走査を高速且つ高精度で実現することができる。 In the scanning display device of the present invention, the optical scanning unit may be a MEMS mirror. According to this, scanning of the laser beam to the light diffusing portion can be realized at high speed and with high accuracy.

本発明の走査型表示装置では、ＭＥＭＳミラーのミラー面の曲率半径をφとすると、光拡散部は、配列ピッチがＰ≧（４λＬ）／（πＭ）＋２Ｌtan（２tan－１（Ｍ／（２φ）））に基づいて設定された値となるように、構成されていてもよい。これによれば、ＭＥＭＳミラーのミラー面に歪みが生じたとしても、光拡散部におけるレーザ光の集光サイズを光拡散チャネルの配列ピッチ以下とすることができるので、表示されたイメージに輝度むらが生じるのを抑制することができる。 In the scanning display device of the present invention, assuming that the radius of curvature of the mirror surface of the MEMS mirror is φ, the arrangement pitch of the light diffusing portion is P ≧ (4λL) / (πM) + 2Ltan (2tan -1 (M / (2φ)). )) May be configured to be a value set based on). According to this, even if the mirror surface of the MEMS mirror is distorted, the focused size of the laser beam in the light diffusing portion can be set to be smaller than the arrangement pitch of the light diffusing channel, so that the displayed image has uneven luminance. Can be suppressed.

本発明の走査型表示装置では、光拡散部は、透過型のマイクロレンズアレイであってもよい。これによれば、二次元に配列された複数の光拡散チャネルによるレーザ光の拡散を確実に且つ容易に実現することができる。 In the scanning display device of the present invention, the light diffusing unit may be a transmissive microlens array. According to this, it is possible to reliably and easily realize the diffusion of laser light by a plurality of light diffusion channels arranged in two dimensions.

本発明の走査型表示システムは、投影表示用のレーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光を集光する集光部と、集光部を通過したレーザ光を走査する光走査部と、二次元に配列された複数の光拡散チャネルを有し、光走査部によって走査されたレーザ光を拡散させる光拡散部と、を備え、レーザ光の波長をλとし、光走査部の有効開口径をＭとし、光走査部から光拡散部までの距離をＬとし、複数の光拡散チャネルの配列ピッチをＰとすると、光拡散部は、配列ピッチがＰ≧（４λＬ）／（πＭ）に基づいて設定された値となるように、構成されている。 The scanning display system of the present invention has a light source that emits laser light for projection display, a condensing unit that condenses the laser light emitted from the light source, and optical scanning that scans the laser light that has passed through the condensing unit. A unit and a light diffusing unit having a plurality of light diffusion channels arranged in two dimensions and diffusing the laser light scanned by the optical scanning unit, the wavelength of the laser light being λ, and the optical scanning unit. Assuming that the effective opening diameter is M, the distance from the light scanning part to the light diffusing part is L, and the arrangement pitch of a plurality of light diffusing channels is P, the arrangement pitch of the light diffusing part is P ≧ (4λL) / (πM). ) Is configured to be the value set.

この走査型表示システムによれば、光拡散部におけるレーザ光の集光サイズを光拡散チャネルの配列ピッチ以下とすることができる。したがって、この走査型表示システムによれば、表示されたイメージに輝度むらが生じるのを抑制することができる。 According to this scanning display system, the focused size of the laser beam in the light diffusing portion can be set to be equal to or smaller than the arrangement pitch of the light diffusing channel. Therefore, according to this scanning display system, it is possible to suppress the occurrence of luminance unevenness in the displayed image.

本発明の走査型表示システムは、光拡散部の後段に配置された光学系を更に備えてもよい。この場合にも、表示されたイメージに輝度むらが生じるのを抑制することができる。 The scanning display system of the present invention may further include an optical system arranged after the light diffusing unit. Also in this case, it is possible to suppress the occurrence of luminance unevenness in the displayed image.

本発明によれば、表示されたイメージに輝度むらが生じるのを抑制することができる走査型表示装置及び走査型表示システムを提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a scanning display device and a scanning display system capable of suppressing the occurrence of luminance unevenness in the displayed image.

一実施形態の走査型表示システムの構成図である。It is a block diagram of the scanning type display system of one Embodiment. 図１に示される走査型表示システムが備える走査型表示装置の構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of a scanning display device included in the scanning display system shown in FIG. 1. 光走査部から光拡散部を介して眼に至る光路を示す図である。It is a figure which shows the optical path from an optical scanning part to an eye through a light diffusing part. 光の集光状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the condensing state of light. 光の回折現象を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the diffraction phenomenon of light.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

図１に示されるように、走査型表示システム１０は、例えば自動車に搭載されるレーザ走査型プロジェクションディスプレイであり、自動車のフロントガラス１００にイメージを表示（投影表示）する。走査型表示システム１０は、走査型表示装置１と、光学系１１と、を備えている。光学系１１は、複数の平面ミラー１１ａ，１１ｂと、凹面ミラー１１ｃと、フロントガラス１００と、を有している。フロントガラス１００は、光学系１１において最後段の光学素子として機能する。走査型表示装置１から出射された投影表示用の光Ｌ２は、平面ミラー１１ａ、平面ミラー１１ｂ、凹面ミラー１１ｃ及びフロントガラス１００で順次に反射されて観察者の眼Ｅに入射する。 As shown in FIG. 1, the scanning display system 10 is, for example, a laser scanning projection display mounted on an automobile, and displays an image (projection display) on the windshield 100 of the automobile. The scanning display system 10 includes a scanning display device 1 and an optical system 11. The optical system 11 has a plurality of flat mirrors 11a and 11b, a concave mirror 11c, and a windshield 100. The windshield 100 functions as the last-stage optical element in the optical system 11. The projection display light L2 emitted from the scanning display device 1 is sequentially reflected by the plane mirror 11a, the plane mirror 11b, the concave mirror 11c, and the windshield 100, and is incident on the observer's eye E.

図２に示されるように、走査型表示装置１は、光源２と、集光部６と、光走査部３と、光拡散部４と、を備えている。光源２は、投影表示用のレーザ光Ｌ１を出射する。より具体的には、光源２は、複数の光出射部を有している。例えば、複数の光出射部は、それぞれ、赤色レーザダイオード、緑色レーザダイオード、青色レーザダイオードである。各光出射部は、可視域の波長を有するレーザ光Ｌ１を出射する。各光出射部から出射されたレーザ光Ｌ１は、集光部６に入射する。集光部６は、各光出射部から出射されたレーザ光Ｌ１を集光する。集光部６は、例えば、集光レンズである。各光出射部から出射されたレーザ光Ｌ１は、集光部６から光走査部３に至る間に、例えばダイクロイックミラーによって合成される。 As shown in FIG. 2, the scanning display device 1 includes a light source 2, a condensing unit 6, an optical scanning unit 3, and a light diffusing unit 4. The light source 2 emits a laser beam L1 for projection display. More specifically, the light source 2 has a plurality of light emitting units. For example, the plurality of light emitting units are a red laser diode, a green laser diode, and a blue laser diode, respectively. Each light emitting unit emits a laser beam L1 having a wavelength in the visible range. The laser beam L1 emitted from each light emitting unit is incident on the condensing unit 6. The light collecting unit 6 collects the laser light L1 emitted from each light emitting unit. The condensing unit 6 is, for example, a condensing lens. The laser beam L1 emitted from each light emitting unit is synthesized by, for example, a dichroic mirror between the condensing unit 6 and the optical scanning unit 3.

光走査部３は、集光部６を通過したレーザ光Ｌ１（合成されたレーザ光Ｌ１）を走査する。より具体的には、光走査部３は、集光部６を通過したレーザ光Ｌ１を反射して走査するＭＥＭＳミラーである。ＭＥＭＳミラーは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によって製造された駆動ミラーであり、その駆動方式には、電磁駆動式、静電駆動式、圧電駆動式、熱駆動式等がある。光走査部３は、平坦なミラー３ａを有している。ミラー３ａは、互いに直交する二軸回りで揺動可能であり、一方の軸回りでは共振周波数レベルで高速に揺動される。ＭＥＭＳミラーである光走査部３は、光拡散部４に対してレーザ光Ｌ１を走査する。 The optical scanning unit 3 scans the laser light L1 (synthesized laser light L1) that has passed through the condensing unit 6. More specifically, the optical scanning unit 3 is a MEMS mirror that reflects and scans the laser beam L1 that has passed through the condensing unit 6. The MEMS mirror is a drive mirror manufactured by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, and the drive system thereof includes an electromagnetic drive type, an electrostatic drive type, a piezoelectric drive type, a thermal drive type, and the like. The optical scanning unit 3 has a flat mirror 3a. The mirror 3a can swing around two axes orthogonal to each other, and swings at high speed around one axis at the resonance frequency level. The light scanning unit 3 which is a MEMS mirror scans the laser beam L1 with respect to the light diffusing unit 4.

光拡散部４は、二次元に配列された複数の光拡散チャネル４ａを有しており、光走査部３によって走査されたレーザ光Ｌ１を拡散させる。より具体的には、光拡散部４は、透過型のマイクロレンズアレイである。すなわち、光拡散部４は、光走査部３によって走査されたレーザ光Ｌ１を透過させて拡散させる。光拡散チャネル４ａは、例えばマトリックス状に配列された複数のマイクロレンズのそれぞれである。光拡散部４によって拡散されたレーザ光Ｌ１のうちイメージを構成する光が、投影表示用の光Ｌ２として、光拡散部４の後段に配置された光学系１１に入射する（図１参照）。なお、光拡散部４の光入射面は、複数のマイクロレンズに対応した複数の凸面によって構成されている。一方、光拡散部４の光出射面は、平坦面である。 The light diffusing unit 4 has a plurality of light diffusing channels 4a arranged in two dimensions, and diffuses the laser light L1 scanned by the light scanning unit 3. More specifically, the light diffusing unit 4 is a transmissive microlens array. That is, the light diffusing unit 4 transmits and diffuses the laser light L1 scanned by the light scanning unit 3. The light diffusion channel 4a is, for example, each of a plurality of microlenses arranged in a matrix. Of the laser light L1 diffused by the light diffusing unit 4, the light constituting the image is incident on the optical system 11 arranged after the light diffusing unit 4 as the light L2 for projection display (see FIG. 1). The light incident surface of the light diffusing unit 4 is composed of a plurality of convex surfaces corresponding to a plurality of microlenses. On the other hand, the light emitting surface of the light diffusing unit 4 is a flat surface.

以上のように構成された走査型表示装置１は、制御部（図示省略）によって、次のように動作させられる。まず、制御部は、投影表示開始の入力信号を受信すると、光源２の各光出射部の出力を開始させる。これにより、光源２からレーザ光Ｌ１が出射される。これと略同時に、制御部は、光走査部３の動作を開始させる。これにより、光走査部３では、ミラー３ａの揺動が開始され、光源２から出射されて集光部６を通過したレーザ光Ｌ１が光拡散部４に対して走査される。このとき、制御部は、光源２の各光出射部から出射されるレーザ光Ｌ１の比率を、光拡散部４内におけるレーザ光Ｌ１の走査位置に応じて変化させる。これにより、投影表示用の光Ｌ２（すなわち、光拡散部４によって拡散されたレーザ光Ｌ１のうちイメージを構成する光）が、平面ミラー１１ａ、平面ミラー１１ｂ、凹面ミラー１１ｃ及びフロントガラス１００で順次に反射されて観察者の眼Ｅに入射する。 The scanning display device 1 configured as described above is operated by a control unit (not shown) as follows. First, when the control unit receives the input signal for starting the projection display, the control unit starts the output of each light emitting unit of the light source 2. As a result, the laser beam L1 is emitted from the light source 2. At about the same time, the control unit starts the operation of the optical scanning unit 3. As a result, in the optical scanning unit 3, the mirror 3a starts to swing, and the laser beam L1 emitted from the light source 2 and passing through the condensing unit 6 is scanned against the light diffusing unit 4. At this time, the control unit changes the ratio of the laser light L1 emitted from each light emitting unit of the light source 2 according to the scanning position of the laser light L1 in the light diffusing unit 4. As a result, the light L2 for projection display (that is, the light constituting the image among the laser light L1 diffused by the light diffusing unit 4) is sequentially generated by the flat mirror 11a, the flat mirror 11b, the concave mirror 11c, and the front glass 100. It is reflected by and incident on the observer's eye E.

ここで、表示されたイメージに輝度むら（不規則な輝度むら（スペックル）、規則的な輝度むらを含む）が生じる原理について説明する。図３は、光走査部３から光拡散部４を介して眼Ｅに至る光路を示す図である。説明の便宜上、図３では、光走査部３、光拡散部４及び眼Ｅを一直線上に示し、光学系１１の図示を省略している。 Here, the principle that luminance unevenness (including irregular luminance unevenness (speckle) and regular luminance unevenness) occurs in the displayed image will be described. FIG. 3 is a diagram showing an optical path from the light scanning unit 3 to the eye E via the light diffusing unit 4. For convenience of explanation, in FIG. 3, the light scanning unit 3, the light diffusing unit 4, and the eye E are shown in a straight line, and the optical system 11 is not shown.

図３に示されるように、光走査部３で反射されたレーザ光Ｌ１が、複数の光拡散チャネル４ａのうち互いに隣り合う（具体的には、レーザ光Ｌ１の水平走査方向、垂直走査方向において互いに隣り合う）任意の一対の光拡散チャネル４ａ，４ａに入射すると、一方の光拡散チャネル４ａで拡散された光Ｌ２の一部は光路Ａを通って眼Ｅに入射し、他方の光拡散チャネル４ａで拡散された光Ｌ２の一部は光路Ｂを通って眼Ｅに入射する。そして、眼Ｅに入射した光Ｌ２は、水晶体Ｃによって網膜Ｒ上に集光される。このとき、光路Ａを通って眼Ｅに入射した光Ｌ２と光路Ｂを通って眼Ｅに入射した光Ｌ２とが網膜Ｒ上で重なると、干渉が起こり、表示されたイメージに輝度むらが生じ得る。したがって、光拡散部４におけるレーザ光Ｌ１の集光サイズを複数の光拡散チャネル４ａの配列ピッチ（複数の光拡散チャネル４ａが二次元的に配列された平面に垂直な方向から見た場合における「互いに隣り合う（少なくとも、レーザ光Ｌ１の走査方向において互いに隣り合う）光拡散チャネル４ａの中心間距離」）以下とすれば、表示されたイメージに輝度むらが生じない。 As shown in FIG. 3, the laser light L1 reflected by the optical scanning unit 3 is adjacent to each other among the plurality of light diffusion channels 4a (specifically, in the horizontal scanning direction and the vertical scanning direction of the laser light L1). When incident on any pair of light diffusion channels 4a, 4a (adjacent to each other), a part of the light L2 diffused by one light diffusion channel 4a enters the eye E through the optical path A, and the other light diffusion channel A part of the light L2 diffused in 4a passes through the light path B and enters the eye E. Then, the light L2 incident on the eye E is focused on the retina R by the crystalline lens C. At this time, when the light L2 incident on the eye E through the optical path A and the light L2 incident on the eye E through the optical path B overlap on the retina R, interference occurs and uneven brightness occurs in the displayed image. obtain. Therefore, when the focused size of the laser beam L1 in the light diffusing unit 4 is viewed from the arrangement pitch of the plurality of light diffusing channels 4a (from the direction perpendicular to the plane in which the plurality of light diffusing channels 4a are two-dimensionally arranged), " When it is set to be less than or equal to each other (at least, the distance between the centers of the light diffusion channels 4a adjacent to each other in the scanning direction of the laser beam L1), the displayed image does not have uneven brightness.

以上の知見から、走査型表示システム１０、延いては、走査型表示装置１では、レーザ光Ｌ１の波長（各光出射部から出射されたレーザ光Ｌ１の中心波長のうちの最長の波長）をλとし、光走査部３の有効開口径（ミラー３ａの径）をＭとし、光走査部３から光拡散部４までの距離（光走査部３から光拡散部４に至る光路の長さ）をＬとし、複数の光拡散チャネル４ａの配列ピッチをＰとすると、Ｐ≧（４λＬ）／（πＭ）を満たすように、光拡散部４が構成されている。具体的には、Ｐ≧（４λＬ）／（πＭ）を満たすように、光拡散チャネル４ａの配列ピッチが設定されている。これにより、光拡散部４におけるレーザ光Ｌ１の集光サイズが光拡散チャネル４ａの配列ピッチ以下となる。 From the above findings, in the scanning display system 10 and the scanning display device 1, the wavelength of the laser beam L1 (the longest wavelength among the central wavelengths of the laser beam L1 emitted from each light emitting unit) is determined. Let λ be the effective opening diameter (diameter of the mirror 3a) of the optical scanning unit 3, and let M be the distance from the optical scanning unit 3 to the light diffusing unit 4 (the length of the optical path from the optical scanning unit 3 to the light diffusing unit 4). Is L, and the arrangement pitch of the plurality of light diffusion channels 4a is P, the light diffusion unit 4 is configured so as to satisfy P ≧ (4λL) / (πM). Specifically, the arrangement pitch of the light diffusion channel 4a is set so as to satisfy P ≧ (4λL) / (πM). As a result, the focused size of the laser beam L1 in the light diffusing unit 4 becomes smaller than or equal to the arrangement pitch of the light diffusing channel 4a.

その理由は、次のとおりである。図４に示されるように、レーザ光が集光レンズによって集光される場合、レーザ光の波長をλとし、集光位置でのスポット径を２ωとし、集光レンズの焦点距離をＦとし、集光レンズのアパーチャ径をＤとすると、２ω＝（４λＦ）／（πＤ）が成立する。この式は、集光位置でのスポット径が像側のＮＡ（集光位置に対してレーザ光が集光する角度）に依存することを示している。ＮＡが大きくなるほど、集光位置でのスポット径が小さくなる。ＮＡは、集光レンズでのレーサ光の径及び集光レンズの焦点距離によって決定される。上記式におけるＦ／Ｄは、「集光位置に対してレーザ光が集光する角度」を表すから、相似の関係より、「光走査部３のミラー３ａでのレーザ光Ｌ１のスポット径」＝「光走査部３の有効開口径」と仮定すると、Ｄ＝Ｍ、Ｆ＝Ｌと捉えることができる。よって、Ｐ≧（４λＬ）／（πＭ）を満たすように、光拡散チャネル４ａの配列ピッチを設定すれば、光拡散部４におけるレーザ光Ｌ１の集光サイズが光拡散チャネル４ａの配列ピッチ以下となることを見出した。 The reason is as follows. As shown in FIG. 4, when the laser light is focused by the condenser lens, the wavelength of the laser light is λ, the spot diameter at the focusing position is 2ω, and the focal distance of the condenser lens is F. Assuming that the aperture diameter of the condenser lens is D, 2ω = (4λF) / (πD) is established. This equation shows that the spot diameter at the condensing position depends on the NA (angle at which the laser light condenses with respect to the condensing position) on the image side. The larger the NA, the smaller the spot diameter at the condensing position. NA is determined by the diameter of the racer light in the condenser lens and the focal length of the condenser lens. Since the F / D in the above equation represents the "angle at which the laser light is focused with respect to the focusing position", the "spot diameter of the laser light L1 in the mirror 3a of the optical scanning unit 3" = Assuming that "the effective opening diameter of the optical scanning unit 3", it can be regarded as D = M and F = L. Therefore, if the arrangement pitch of the light diffusion channel 4a is set so as to satisfy P ≧ (4λL) / (πM), the condensing size of the laser beam L1 in the light diffusion unit 4 becomes smaller than the arrangement pitch of the light diffusion channel 4a. I found that it would be.

光拡散部４におけるレーザ光Ｌ１の集光サイズ（：（４λＬ）／（πＭ））が小さくなるほど、解像度が高くなり、干渉の発生を抑制することができる。その点のみを考慮すると、光走査部３から光拡散部４までの距離（：Ｌ）は小さいことが好ましく、光走査部３の有効開口径（：Ｍ）は大きいことが好ましい。しかし、光走査部３から光拡散部４までの距離（：Ｌ）を小さくすると、光拡散部４に対するレーザ光Ｌ１の走査範囲を確保するために、ミラー３ａの揺動範囲を大きくしなければならない。また、光走査部３の有効開口径（：Ｍ）を大きくすると、ミラー３ａが大型化することから、ミラー３ａを高速で安定的に揺動させることが困難となる。光走査部３としてＭＥＭＳミラーを用いる場合には、このような制約が存在することから、光走査部３から光拡散部４までの距離（：Ｌ）及び光走査部３の有効開口径（：Ｍ）を考慮して、Ｐ≧（４λＬ）／（πＭ）を満たすように、光拡散チャネル４ａの配列ピッチを設定することは、特に重要である。 The smaller the focused size (: (4λL) / (πM)) of the laser beam L1 in the light diffusing unit 4, the higher the resolution and the more the occurrence of interference can be suppressed. Considering only this point, the distance (: L) from the light scanning unit 3 to the light diffusing unit 4 is preferably small, and the effective aperture diameter (: M) of the light scanning unit 3 is preferably large. However, if the distance (: L) from the light scanning unit 3 to the light diffusing unit 4 is reduced, the swing range of the mirror 3a must be increased in order to secure the scanning range of the laser beam L1 with respect to the light diffusing unit 4. It doesn't become. Further, if the effective aperture diameter (: M) of the optical scanning unit 3 is increased, the mirror 3a becomes large, and it becomes difficult to swing the mirror 3a stably at high speed. When the MEMS mirror is used as the optical scanning unit 3, since such restrictions exist, the distance (: L) from the optical scanning unit 3 to the light diffusing unit 4 and the effective opening diameter of the optical scanning unit 3 (:). In consideration of M), it is particularly important to set the arrangement pitch of the light diffusion channel 4a so as to satisfy P ≧ (4λL) / (πM).

また、レーザ光Ｌ１の利用効率を確保するためには、「光走査部３のミラー３ａでのレーザ光Ｌ１のスポット径」＝「光走査部３の有効開口径」を狙うことが好ましい。しかし、実際には、ミラー３ａがアパーチャとして機能する場合がある。この場合、ミラー３ａによってレーザ光Ｌ１が反射される際にレーザ光Ｌ１に回折が起こる。図５に示されるように、アパーチャにおける回折の広がり幅Ｓは、レーザ光の波長をλとし、アパーチャの有効開口径をＤとし、アパーチャから集光位置までの距離をＬとすると、Ｓ＝Ｌλ／Ｄと表わされる（ただし、１次回折光までが顕著に影響すると仮定する）。したがって、走査型表示システム１０、延いては、走査型表示装置１では、光走査部３においてレーザ光Ｌ１に回折が起こると仮定し、Ｐ≧（４λＬ）／（πＭ）＋Ｌλ／Ｍを満たすように、光拡散部４が構成されている。具体的には、Ｐ≧（４λＬ）／（πＭ）＋Ｌλ／Ｍを満たすように、光拡散チャネル４ａの配列ピッチが設定されている。なお、ミラー３ａがアパーチャとして機能しない場合（すなわち、「光走査部３のミラー３ａでのレーザ光Ｌ１のスポット径」＜「光走査部３の有効開口径」である場合）には、Ｐ≧（４λＬ）／（πＭ）を満たすように、光拡散チャネル４ａの配列ピッチが設定されていればよい。 Further, in order to secure the utilization efficiency of the laser beam L1, it is preferable to aim at "the spot diameter of the laser beam L1 in the mirror 3a of the optical scanning unit 3" = "effective aperture diameter of the optical scanning unit 3". However, in reality, the mirror 3a may function as an aperture. In this case, when the laser beam L1 is reflected by the mirror 3a, diffraction occurs in the laser beam L1. As shown in FIG. 5, the spread width S of diffraction in the aperture is S = Lλ, where λ is the wavelength of the laser beam, D is the effective aperture diameter of the aperture, and L is the distance from the aperture to the condensing position. It is expressed as / D (however, it is assumed that up to the first-order diffracted light has a significant effect). Therefore, in the scanning display system 10, and by extension, in the scanning display device 1, it is assumed that diffraction occurs in the laser beam L1 in the optical scanning unit 3, and P ≧ (4λL) / (πM) + Lλ / M is satisfied. The light diffusing unit 4 is configured. Specifically, the arrangement pitch of the light diffusion channel 4a is set so as to satisfy P ≧ (4λL) / (πM) + Lλ / M. When the mirror 3a does not function as an aperture (that is, "the spot diameter of the laser beam L1 in the mirror 3a of the optical scanning unit 3" <"the effective aperture diameter of the optical scanning unit 3"), P ≧ The arrangement pitch of the light diffusion channel 4a may be set so as to satisfy (4λL) / (πM).

更に、光走査部３においては、ミラー３ａのミラー面に歪みが生じる場合がある。このミラー面の歪みに起因するレーザ光Ｌ１の広がり半径（光拡散部４におけるレーザ光Ｌ１の集光サイズの広がり半径）Ｅは、ミラー面の歪みを球形状に近似してその曲率半径をφとすると、Ｅ＝Ｌtan（２tan－１（Ｍ／（２φ）））と表わされる。したがって、光走査部３においてミラー３ａのミラー面に歪が生じている場合、走査型表示システム１０、延いては、走査型表示装置１では、Ｐ≧（４λＬ）／（πＭ）＋２Ｌtan（２tan－１（Ｍ／（２φ）））を満たすように、光拡散部４が構成されている。具体的には、Ｐ≧（４λＬ）／（πＭ）＋２Ｌtan（２tan－１（Ｍ／（２φ）））を満たすように、光拡散チャネル４ａの配列ピッチが設定されている。 Further, in the optical scanning unit 3, the mirror surface of the mirror 3a may be distorted. The radius of curvature of the laser beam L1 due to the distortion of the mirror surface (the radius of spread of the condensing size of the laser beam L1 in the light diffusing unit 4) E is such that the distortion of the mirror surface is approximated to a spherical shape and the radius of curvature is φ. Then, it is expressed as E = Ltan (2tan -1 (M / (2φ))). Therefore, when the mirror surface of the mirror 3a is distorted in the optical scanning unit 3, P ≧ (4λL) / (πM) + 2Ltan (2tan − ) in the scanning display system 10 and, by extension, the scanning display device 1. The light diffusing unit 4 is configured so as to satisfy 1 (M / (2φ)). Specifically, the arrangement pitch of the light diffusion channel 4a is set so as to satisfy P ≧ (4λL) / (πM) + 2Ltan (2tan -1 (M / (2φ))).

この式が成立する理由は、次のとおりである。まず、「ミラー面が平坦面である場合、幾何光学的には１次像面（光拡散部４）上の１点に集光する」、「ミラー面の歪みは曲率半径φで表現することができる球形状であり、ミラー面の全域において均一である」と仮定する（実際には、ミラー面の歪は、球形状ではなかったり、全域において均一ではなかったりする場合もある）。曲率半径φの中心及びミラー面の中心を含む断面において、レーザ光Ｌ１の光路を幾何光学的に考える。「ミラー面の外縁と曲率半径φの中心とを結ぶ直線」と「ミラー面の中心と曲率半径φの中心とを結ぶ直線」とが成す角をθとすると、Ｍ≪φならば、θ＝tan－１（Ｍ／（２φ））となる。相似の関係より、ミラー最外縁点におけるミラー歪み円にミラー歪み曲率中心からおろした直線に垂直な直線と、ミラー最外縁点同士を結んだ直線の成す角はθである。ミラー面の外縁で反射したレーザ光Ｌ１は、ミラー面が平坦面である場合と比較して、ミラー面の歪みにより２θだけ反射角度がずれる。距離Ｌだけ離れた１次像面（光拡散部４）における理想の集光点からのすれ量Ｅは、Ｅ＝Ｌtan（２θ）と表わされる。このずれ量Ｅが理想の集光状態からのレーザ光Ｌ１の広がり半径となるから、ミラー面の歪みに起因するレーザ光Ｌ１の広がり半径Ｅは、Ｅ＝Ｌtan（２tan－１（Ｍ／（２φ）））と表わされる。 The reason why this formula holds is as follows. First, "when the mirror surface is a flat surface, it is geometrically focused on one point on the primary image surface (light diffusion unit 4)", and "the distortion of the mirror surface is expressed by the radius of curvature φ." It is a spherical shape that can be formed, and is uniform over the entire mirror surface. "(Actually, the distortion of the mirror surface may not be spherical or uniform over the entire area). The optical path of the laser beam L1 is considered geometrically and optically in the cross section including the center of the radius of curvature φ and the center of the mirror surface. If the angle formed by the "straight line connecting the outer edge of the mirror surface and the center of the radius of curvature φ" and the "straight line connecting the center of the mirror surface and the center of the radius of curvature φ" is θ, then θ = It becomes tan -1 (M / (2φ)). Due to the similarity, the angle formed by the straight line perpendicular to the straight line drawn from the center of the mirror strain curvature on the mirror strain circle at the outermost edge of the mirror and the straight line connecting the outermost edges of the mirror is θ. The reflection angle of the laser beam L1 reflected by the outer edge of the mirror surface is shifted by 2θ due to the distortion of the mirror surface as compared with the case where the mirror surface is a flat surface. The amount E from the ideal condensing point on the primary image plane (light diffusing unit 4) separated by a distance L is expressed as E = Ltan (2θ). Since this deviation amount E is the spread radius of the laser light L1 from the ideal condensing state, the spread radius E of the laser light L1 due to the distortion of the mirror surface is E = Ltan (2tan -1 (M / (2φ)). ))).

以上説明したように、走査型表示装置１（及び走査型表示システム１０）によれば、光拡散部４におけるレーザ光Ｌ１の集光サイズを光拡散チャネル４ａの配列ピッチ以下とすることができる。したがって、走査型表示装置１によれば、表示されたイメージに輝度むらが生じるのを抑制することができる。 As described above, according to the scanning display device 1 (and the scanning display system 10), the condensing size of the laser beam L1 in the light diffusing unit 4 can be set to be equal to or smaller than the arrangement pitch of the light diffusing channel 4a. Therefore, according to the scanning display device 1, it is possible to suppress the occurrence of luminance unevenness in the displayed image.

また、走査型表示装置１では、Ｐ≧（４λＬ）／（πＭ）＋Ｌλ／Ｍを満たすように、光拡散部４が構成されている。これにより、光走査部３においてレーザ光Ｌ１に回折が起こったとしても、光拡散部４におけるレーザ光Ｌ１の集光サイズを光拡散チャネル４ａの配列ピッチ以下とすることができるので、表示されたイメージに輝度むらが生じるのを抑制することができる。 Further, in the scanning display device 1, the light diffusion unit 4 is configured so as to satisfy P ≧ (4λL) / (πM) + Lλ / M. As a result, even if diffraction occurs in the laser light L1 in the optical scanning unit 3, the focused size of the laser light L1 in the light diffusing unit 4 can be set to be equal to or smaller than the arrangement pitch of the light diffusing channel 4a. It is possible to suppress the occurrence of uneven brightness in the image.

また、走査型表示装置１では、光走査部３がＭＥＭＳミラーである。これにより、光拡散部４に対するレーザ光Ｌ１の走査を高速且つ高精度で実現することができる。 Further, in the scanning display device 1, the optical scanning unit 3 is a MEMS mirror. As a result, scanning of the laser beam L1 with respect to the light diffusing unit 4 can be realized at high speed and with high accuracy.

また、走査型表示装置１では、光走査部３においてミラー３ａのミラー面に歪が生じている場合に、ミラー面の曲率半径をφとすると、Ｐ≧（４λＬ）／（πＭ）＋２Ｌtan（２tan－１（Ｍ／（２φ）））を満たすように、光拡散部４が構成されている。これにより、光走査部３においてミラー３ａのミラー面に歪が生じていたとしても、光拡散部４におけるレーザ光Ｌ１の集光サイズを光拡散チャネル４ａの配列ピッチ以下とすることができるので、表示されたイメージに輝度むらが生じるのを抑制することができる。 Further, in the scanning display device 1, when the mirror surface of the mirror 3a is distorted in the optical scanning unit 3, and the radius of curvature of the mirror surface is φ, P ≧ (4λL) / (πM) + 2Ltan (2tan). The light diffusing unit 4 is configured so as to satisfy -1 (M / (2φ)). As a result, even if the mirror surface of the mirror 3a is distorted in the light scanning unit 3, the condensing size of the laser beam L1 in the light diffusing unit 4 can be set to be equal to or smaller than the arrangement pitch of the light diffusing channel 4a. It is possible to suppress the occurrence of uneven brightness in the displayed image.

また、走査型表示装置１では、光拡散部４が透過型のマイクロレンズアレイである。これにより、二次元に配列された複数の光拡散チャネル４ａによるレーザ光Ｌ１の拡散を確実に且つ容易に実現することができる。 Further, in the scanning display device 1, the light diffusing unit 4 is a transmissive microlens array. Thereby, the diffusion of the laser beam L1 by the plurality of light diffusion channels 4a arranged in two dimensions can be surely and easily realized.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した一実施形態に限定されない。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment.

例えば、光源２は、コヒーレントな光（レーザ光）を出射することができるものであれば、レーザダイオード（半導体レーザ）に限定されず、面発光レーザ、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）等であってもよい。また、光走査部３は、レーザ光を走査することができるものであれば、ＭＥＭＳミラーに限定されず、ガルバノミラー等であってもよい。また、光拡散部４は、レーザ光を透過させて拡散させるものに限定されず、レーザ光を反射して拡散させるものであってもよい。つまり、光拡散部４は、二次元に配列された複数の光拡散チャネル４ａを有するものであれば、透過型のマイクロレンズアレイに限定されず、反射型のマイクロレンズアレイ、マイクロミラーアレイ、回折格子、ファイバオプティックプレート等であってもよい。なお、光拡散部４が透過型のマイクロレンズアレイである場合には、光拡散部４の光入射面が平坦面である一方で、複数のマイクロレンズに対応した複数の凸面によって光拡散部４の光出射面が構成されていてもよい。また、複数の凸面に替えて、複数の凹面が、複数のマイクロレンズに対応するように形成されていてもよい。 For example, the light source 2 is not limited to a laser diode (semiconductor laser) as long as it can emit coherent light (laser light), and may be a surface emitting laser, an SLD (super luminescent diode), or the like. May be. Further, the optical scanning unit 3 is not limited to the MEMS mirror as long as it can scan the laser beam, and may be a galvano mirror or the like. Further, the light diffusing unit 4 is not limited to the one that transmits and diffuses the laser light, and may be the one that reflects and diffuses the laser light. That is, as long as the light diffusing unit 4 has a plurality of light diffusing channels 4a arranged in two dimensions, the light diffusing unit 4 is not limited to the transmissive type microlens array, but is not limited to the transmissive type microlens array, the micromirror array, and the diffraction type. It may be a grating, a fiber optic plate, or the like. When the light diffusing unit 4 is a transmissive microlens array, the light incident surface of the light diffusing unit 4 is a flat surface, while the light diffusing unit 4 is formed by a plurality of convex surfaces corresponding to a plurality of microlenses. The light emitting surface of the above may be configured. Further, instead of the plurality of convex surfaces, a plurality of concave surfaces may be formed so as to correspond to a plurality of microlenses.

また、光拡散部４は、光拡散チャネル４ａの配列ピッチがＰ≧（４λＬ）／（πＭ）に基づいて設定された値となるように、構成されていてもよい。例えば、光拡散部４は、光拡散チャネル４ａの配列ピッチがＰ≧（４λＬ）／（πＭ）±２０μｍを満たすように、構成されていてもよい。また、光拡散部４は、光拡散チャネル４ａの配列ピッチがＰ≧（４λＬ）／（πＭ）＋Ｌλ／Ｍに基づいて設定された値となるように、構成されていてもよい。例えば、光拡散部４は、光拡散チャネル４ａの配列ピッチがＰ≧（４λＬ）／（πＭ）＋Ｌλ／Ｍ±２０μｍを満たすように、構成されていてもよい。また、光拡散部４は、光拡散チャネル４ａの配列ピッチがＰ≧（４λＬ）／（πＭ）＋２Ｌtan（２tan－１（Ｍ／（２φ）））に基づいて設定された値となるように、構成されていてもよい。例えば、光拡散部４は、光拡散チャネル４ａの配列ピッチがＰ≧（４λＬ）／（πＭ）＋２Ｌtan（２tan－１（Ｍ／（２φ）））±２０μｍを満たすように、構成されていてもよい。つまり、全ての光拡散チャネル４ａにおいて、Ｐ≧（４λＬ）／（πＭ）という条件が満たされる必要はない。このことは、Ｐ≧（４λＬ）／（πＭ）＋Ｌλ／Ｍという条件、及び、Ｐ≧（４λＬ）／（πＭ）＋２Ｌtan（２tan－１（Ｍ／（２φ）））という条件についても、同様である。また、複数の光拡散チャネル４ａの配列ピッチは、一定である必要はなく、例えばランダムであってもよい。 Further, the light diffusing unit 4 may be configured so that the arrangement pitch of the light diffusing channel 4a is a value set based on P ≧ (4λL) / (πM). For example, the light diffusing unit 4 may be configured so that the arrangement pitch of the light diffusing channel 4a satisfies P ≧ (4λL) / (πM) ± 20 μm. Further, the light diffusion unit 4 may be configured so that the arrangement pitch of the light diffusion channel 4a is a value set based on P ≧ (4λL) / (πM) + Lλ / M. For example, the light diffusing unit 4 may be configured so that the arrangement pitch of the light diffusing channel 4a satisfies P ≧ (4λL) / (πM) + Lλ / M ± 20 μm. Further, the light diffusing unit 4 has a value set based on P ≧ (4λL) / (πM) + 2Ltan (2tan -1 (M / (2φ))) for the arrangement pitch of the light diffusing channel 4a. It may be configured. For example, even if the light diffusing unit 4 is configured so that the arrangement pitch of the light diffusing channel 4a satisfies P ≧ (4λL) / (πM) + 2Ltan (2tan -1 (M / (2φ))) ± 20 μm. good. That is, it is not necessary that the condition P ≧ (4λL) / (πM) is satisfied in all the light diffusion channels 4a. This also applies to the condition of P ≧ (4λL) / (πM) + Lλ / M and the condition of P ≧ (4λL) / (πM) + 2Ltan (2tan -1 (M / (2φ))). be. Further, the arrangement pitch of the plurality of light diffusion channels 4a does not have to be constant, and may be random, for example.

また、走査型表示システム１０は、光拡散部４の後段に配置された光学系１１を備えていなくてもよい。この場合にも、表示されたイメージに輝度むらが生じるのを抑制することができる。 Further, the scanning display system 10 does not have to include the optical system 11 arranged after the light diffusing unit 4. Also in this case, it is possible to suppress the occurrence of luminance unevenness in the displayed image.

また、上述した走査型表示装置１は、車載タイプに限定されず、ヘルメット内蔵タイプ、眼鏡タイプ等、様々な場面で用いることができる。 Further, the above-mentioned scanning display device 1 is not limited to the in-vehicle type, and can be used in various situations such as a helmet built-in type and an eyeglass type.

１…走査型表示装置、２…光源、３…光走査部、４…光拡散部、４ａ…光拡散チャネル、６…集光部、１０…走査型表示システム、１１…光学系、Ｌ１…レーザ光。 1 ... scanning display device, 2 ... light source, 3 ... light scanning unit, 4 ... light diffusing unit, 4a ... light diffusion channel, 6 ... condensing unit, 10 ... scanning display system, 11 ... optical system, L1 ... laser light.

Claims (7)

投影表示用のレーザ光を出射する光源と、
前記光源から出射された前記レーザ光を集光する集光部と、
前記集光部を通過した前記レーザ光を走査する光走査部と、
二次元に配列された複数の光拡散チャネルを有し、前記光走査部によって走査された前記レーザ光を拡散させる光拡散部と、を備え、
前記集光部は、前記レーザ光を前記光拡散部に集光し、
前記レーザ光の波長をλとし、前記光走査部の有効開口径をＭとし、前記光走査部から前記光拡散部までの距離をＬとし、前記複数の光拡散チャネルの配列ピッチをＰとすると、前記光拡散部は、前記配列ピッチがＰ≧（４λＬ）／（πＭ）に基づいて設定された値となるように、構成されており、
前記光走査部から前記光拡散部までの距離は、前記集光部から前記光走査部までの距離よりも長い、走査型表示装置。 A light source that emits laser light for projection display,
A condensing unit that collects the laser beam emitted from the light source, and a condensing unit.
An optical scanning unit that scans the laser beam that has passed through the condensing unit,
It has a plurality of light diffusing channels arranged in two dimensions, and includes a light diffusing unit that diffuses the laser beam scanned by the optical scanning unit.
The condensing unit collects the laser light on the light diffusing unit, and the condensing unit collects the laser light.
Let λ be the wavelength of the laser light, M be the effective opening diameter of the optical scanning unit, L be the distance from the optical scanning unit to the light diffusing unit, and P be the arrangement pitch of the plurality of light diffusing channels. The light diffusing unit is configured such that the arrangement pitch has a value set based on P ≧ (4λL) / (πM).
A scanning display device in which the distance from the light scanning unit to the light diffusing unit is longer than the distance from the light collecting unit to the light scanning unit. 前記光拡散部は、前記配列ピッチがＰ≧（４λＬ）／（πＭ）＋Ｌλ／Ｍに基づいて設定された値となるように、構成されている、請求項１に記載の走査型表示装置。 The scanning display device according to claim 1, wherein the light diffusing unit is configured such that the arrangement pitch is a value set based on P ≧ (4λL) / (πM) + Lλ / M. 前記光走査部は、ＭＥＭＳミラーである、請求項１又は２に記載の走査型表示装置。 The scanning display device according to claim 1 or 2, wherein the optical scanning unit is a MEMS mirror. 前記ＭＥＭＳミラーのミラー面の曲率半径をφとすると、前記光拡散部は、前記配列ピッチがＰ≧（４λＬ）／（πＭ）＋２Ｌtan（２tan－１（Ｍ／（２φ）））に基づいて設定された値となるように、構成されている、請求項３に記載の走査型表示装置。 Assuming that the radius of curvature of the mirror surface of the MEMS mirror is φ, the light diffusing portion is set based on the arrangement pitch of P ≧ (4λL) / (πM) + 2Ltan (2tan -1 (M / (2φ))). The scanning display device according to claim 3, which is configured so as to have a value obtained. 前記光拡散部は、透過型のマイクロレンズアレイである、請求項１～４のいずれか一項に記載の走査型表示装置。 The scanning display device according to any one of claims 1 to 4, wherein the light diffusing unit is a transmissive microlens array. 投影表示用のレーザ光を出射する光源と、
前記光源から出射された前記レーザ光を集光する集光部と、
前記集光部を通過した前記レーザ光を走査する光走査部と、
二次元に配列された複数の光拡散チャネルを有し、前記光走査部によって走査された前記レーザ光を拡散させる光拡散部と、を備え、
前記集光部は、前記レーザ光を前記光拡散部に集光し、
前記レーザ光の波長をλとし、前記光走査部の有効開口径をＭとし、前記光走査部から前記光拡散部までの距離をＬとし、前記複数の光拡散チャネルの配列ピッチをＰとすると、前記光拡散部は、前記配列ピッチがＰ≧（４λＬ）／（πＭ）に基づいて設定された値となるように、構成されており、
前記光走査部から前記光拡散部までの距離は、前記集光部から前記光走査部までの距離よりも長い、走査型表示システム。 A light source that emits laser light for projection display,
A condensing unit that collects the laser beam emitted from the light source, and a condensing unit.
An optical scanning unit that scans the laser beam that has passed through the condensing unit,
It has a plurality of light diffusing channels arranged in two dimensions, and includes a light diffusing unit that diffuses the laser beam scanned by the optical scanning unit.
The condensing unit collects the laser light on the light diffusing unit, and the condensing unit collects the laser light.
Let λ be the wavelength of the laser light, M be the effective opening diameter of the optical scanning unit, L be the distance from the optical scanning unit to the light diffusing unit, and P be the arrangement pitch of the plurality of light diffusing channels. The light diffusing unit is configured such that the arrangement pitch has a value set based on P ≧ (4λL) / (πM).
A scanning display system in which the distance from the light scanning unit to the light diffusing unit is longer than the distance from the light collecting unit to the light scanning unit. 前記光拡散部の後段に配置された光学系を更に備える、請求項６に記載の走査型表示システム。 The scanning display system according to claim 6, further comprising an optical system arranged after the light diffusing unit.
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