JPWO2016136827A1 - 透過型スクリーン及びそれを用いたヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

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Abstract

出射される出射光の均一性を損なうことなく、画像の鮮鋭度も維持することが可能な透過型スクリーンを提供するために、本発明の透過型スクリーン４０は、複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイ５４が設けられた第１面５１を有するマイクロレンズアレイ基材５０と、光拡散面が設けられた第２面６１を有する光拡散基材６０と、を有し、前記マイクロレンズアレイ基材５０の前記マイクロレンズアレイが設けられた第１面５１と、前記光拡散基材６０の前記光拡散面が設けられた第２面６１と、が対向配置されることを特徴とする。【選択図】 図３

Description

本発明は、画像周辺部の輝度低下を抑制することができる透過型スクリーン及びそのような透過型スクリーンを用いたヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。
例えば、車両用ヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＨＵＤ）装置は、運転者から見てフロントウインドシールドガラスの向こう側に、すなわち前方視野の前景に重畳して、運転情報（例えば、速度表示やナビゲーション表示など）を虚像として投影する。このようなＨＵＤを用いた車両用の表示システムによれば、運転情報を視認する際に運転者の視線移動を極力少なくすることができる。
また、上記のようなヘッドアップディスプレイやプロジェクターの分野においては、マイクロレンズアレイ（Ｍｉｃｒｏ Ｌｅｎｓ Ａｒｒａｙ：ＭＬＡ）を透過型スクリーンとして用いることが提案されている。
特に、ヘッドアップディスプレイの分野において、透過型スクリーン部材としてマイクロレンズアレイが用いられる理由は、出射光の強度を一定の出射角範囲内で均一にすることができるからである。一方で、マイクロレンズアレイを１枚で用いた場合には過度な画素輝点が発生することが知られている。そこで、ヘッドアップディスプレイで、マイクロレンズアレイを２枚用いることも提案されている。
２枚のマイクロレンズアレイを透過型スクリーンとして用いた装置の例としては、特許文献１（特許第５１４９４４６号公報）には、光源と、 複数のマイクロレンズが配列された第１マイクロレンズアレイ部及び第２マイクロレンズアレイ部を有する光学素子と、を具備する光源ユニットであって、 前記第１マイクロレンズアレイ部及び前記第２マイクロレンズアレイ部は、 前記第１マイクロレンズアレイ部に配列された前記マイクロレンズの焦点距離よりも長い距離だけ、互いに離間した位置に対向配置されたものが開示されている。
特許第５１４９４４６号公報
特許文献１に記載の２枚のマイクロレンズアレイが用いられた透過型スクリーンを備えるヘッドアップディスプレイによれば、過度な画素輝点の発生を抑制することが可能となる。しかしながら、２枚のマイクロレンズアレイが用いられた透過型スクリーンにおいては、当該透過型スクリーンから出射される出射光の均一性が損なわれると共に、画像の鮮鋭度が失われる（解像度が落ちる）、という課題があった。
本発明は以上のような課題を解決するためのものであり、本発明に係る透過型スクリーンは、複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイが設けられた第１面を有するマイクロレンズアレイ基材と、光拡散面が設けられた第２面を有する光拡散基材と、を有し、前記マイクロレンズアレイ基材の前記マイクロレンズアレイが設けられた第１面と、前記光拡散基材の前記光拡散面が設けられた第２面と、が対向配置されることを特徴とする。
また、本発明に係る透過型スクリーンは、前記マイクロレンズアレイ基材と前記光拡散基材との間の対向間隔が０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る透過型スクリーンは、前記マイクロレンズアレイは、第１方向と、前記第１方向と交わる第２方向に配置されており、前記マイクロレンズアレイ基材の第１方向の拡散角と、前記マイクロレンズアレイ基材の第２方向の拡散角と、が異なることを特徴とする。
また、本発明に係る透過型スクリーンは、前記光拡散基材の拡散角が５°以上６°以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る透過型スクリーンは、前記光拡散面が微細凹凸からなることを特徴とする。
また、本発明に係る透過型スクリーンは、前記凹凸の周期がランダムであることを特徴とする。
また、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、前記のいずれかに記載の透過型スクリーンが用いられることを特徴とする。
また、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、レーザー光を発生するレーザー光源と、前記レーザー光を前記透過型スクリーンに走査する走査部と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、光を発生する光源と、前記光を前記透過型スクリーンに反射するＬＣＯＳ素子と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、光を発生する光源と、前記光を前記透過型スクリーンに反射するＤＭＤ素子と、を有することを特徴とする。
本発明に係る透過型スクリーンは、２枚のマイクロレンズアレイを用いるものに比べて、出射光の輝度の均一性を損なうことなく、画像の鮮鋭度も維持することが可能となる。
また、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、画像の均一性を損なうことなく、輝度の鮮鋭度も維持することが可能となる。
本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００が搭載された車両５を示す図である。 本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る透過型スクリーン４０を抜き出して示す図である。 本発明の他の実施形態に係る透過型スクリーン４０を抜き出して示す図である。 本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００で情報の重畳画像表示を行った様子を示す図である。 本発明の実施形態に係る透過型スクリーン４０のマイクロレンズアレイ基材５０と光拡散基材６０との間の対向間隔を拡大して示した斜視図である。 第１方向と第２方向に広がるマイクロレンズアレイ５４をｚ軸方向から見た図である。 拡散角の定義を説明する図である。 マイクロレンズアレイ基材５０の製造工程の一例を模式的に説明する図である。 光拡散基材６０の製造工程の一例を模式的に説明する図である。 光拡散基材６０の製造工程の一例を模式的に説明する図である。 光拡散基材６０の製造工程の一例を模式的に説明する図である。 マイクロレンズアレイ基材及び光拡散基材の配置パターンを説明する図である。 （１）の配置パターンによる結果を示す図である。 （２）の配置パターンによる結果を示す図である。 （３）の配置パターンによる結果を示す図である。 （４）の配置パターンによる結果を示す図である。 （５）の配置パターンによる結果を示す図である。 （６）の配置パターンによる結果を示す図である。 （７）の配置パターンによる結果を示す図である。 （８）の配置パターンによる結果を示す図である。 光拡散基材６０の有無、種別による見え方の違いを示す図である。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００が搭載された車両５を示す図である。また、図２は本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００の構成を示す図である。なお、以下に説明する図面は、模式的に示した図であって、実際の形状、寸法、配置とは異なる場合もある。
本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００は、車両５などに搭載されるものであり、ウインドシールド６、または、運転者とウインドシールド６の間に設けられたコンバイナー(不図示)に、投影ユニット８５から速度情報表示やナビゲーション情報表示などを虚像として投影することによって、前記虚像を前方視野の前景に重畳表示するものである。
図５は本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００で情報の重畳画像表示を行った様子を示す図である。図５は、車両５の運転者からの視点Ｅで視覚されるウインドシールド６の像の一例である。
次に、ヘッドアップディスプレイ装置１００を構成する投影ユニット８５の詳細について説明する。図２は、主として、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００の投影ユニット８５の構造の一例を示している。なお、投影ユニット８５内の座標を、図２に示すｘｙｚの３次元直交座標により定義する。例えば、第１光源１１から出射される光はｘ方向と平行な方向に向けて出射される光である。また、透過型スクリーン４０の光軸はｚ方向と平行な方向にあるものとする。透過型スクリーン４０の光軸は、透過型スクリーン４０の一部を構成するマイクロレンズアレイ基材５０のマイクロレンズアレイ５４が形成された主面におけるマイクロレンズアレイ５４の重心を通る当該主面の法線と定義する。
ここで、本発明に係る透過型スクリーン４０は、マイクロレンズアレイ基材５０と光拡散基材６０から構成されている。このような透過型スクリーン４０の詳細な構成については、後述する。
なお、ｘ軸に平行な軸の方向を第１方向、及び、ｙ軸に平行な軸の方向を第２方向（前記第１方向とは直交関係）と称することがある。また、図１に示す実施形態においては、第１方向が鉛直方向で、第２方向が水平方向であるレイアウトを例に説明を行っているが、ヘッドアップディスプレイ装置１００における透過型スクリーン４０の配置形態は、このようなレイアウトに限られるものではない。
投影部１０からは表示される画像の光が出射される。投影部１０は、第１光源１１、第２光源１２、第３光源１３、第１ダイクロイックプリズム２１、第２ダイクロイックプリズム２２、コリメータレンズ２６等を有している。
第１光源１１、第２光源１２及び第３光源１３は相互に異なる波長の光を出射するものであって、第１光源１１からは第１の波長の光、第２光源１２からは第２の波長の光、第３光源１３からは第３の波長の光が出射される。本実施の形態においては、例えば、第１光源１１から出射される第１の波長の光を青色の光、第２光源１２から出射される第２の波長の光を緑色の光、第３光源１３から出射される第３の波長の光を赤色の光とすることができる。
第１光源１１、第２光源１２及び第３光源１３は、コヒーレント光としてのレーザー光を出射する半導体レーザー装置（レーザー光源）など各種レーザー装置を用いることができる。
本実施の形態においては、第１光源１１より出射された第１の波長の光と第２光源１２より出射された第２の波長の光は、第１ダイクロイックプリズム２１の異なる面に各々入射し、第３光源１３より出射された第３の波長の光は、第２ダイクロイックプリズム２２に入射するように配置されている。
第１ダイクロイックプリズム２１においては、第１光源１１より出射された第１の波長の光は透過し、第２光源１２より出射された第２の波長の光は反射される。これにより、第１の波長の光と第２の波長の光が合波される。
このように合波された第１の波長の光と第２の波長の光は、第２ダイクロイックプリズム２２に入射する。
第２ダイクロイックプリズム２２においては、第１光源１１より出射された第１の波長の光及び第２光源１２より出射された第２の波長の光は透過し、第３光源１３より出射された第３の波長の光は反射される。これにより、第１の波長の光、第２の波長の光、第３の波長の光が合波される。
このように、第２ダイクロイックプリズム２２において合波された第１の波長の光、第２の波長の光及び第３の波長のレーザー光は、コリメータレンズ２６を介し、投影ミラー３０において反射され、透過型スクリーン４０に入射する。投影ミラー３０は、２次元的に角度を変えることのできる機能を有しており、これにより、入射した光を２次元的にスキャンニングすることができ、所望のレーザー光による投影像が形成される。
なお、投影ミラー３０は、ｙ軸と平行な第１軸（不図示）を中心として回動する（ａ）方向の動き得るように、さらに、前記第１軸と直交する第２軸（不図示）を中心として回動する（ｂ）方向の動きえるようになっている。
また、投影ミラー３０としては、入射した光を２次元的にスキャンニングすることができるものであれば、適宜他の光学部材に置換することが可能であり、このような光学部材としては、ガルバノメータミラー、ガルバノメータスキャナー、ポリゴンミラー、プリズム、音響光学素子、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いた光学素子等を適宜利用することができる。
また、本実施形態においては、投影ミラー３０においてレーザー光が入射し、これを反射する点と、透過型スクリーン４０の光軸と投影ミラー３０とが交わる点とは一致しており、投影ミラー３０におけるレーザー光の反射点ｒ0と透過型スクリーン４０の最上端部で走査点ｓ1と間の光路長と、投影ミラー３０におけるレーザー光の反射点ｒ0と透過型スクリーン４０の最下端部で走査点ｓ2と間の光路長と、は等しい。
本発明に係る透過型スクリーン４０は、マイクロレンズアレイ基材５０と光拡散基材６０とを有しており、投影ミラー３０から出射されるレーザー光は、透過型スクリーン４０のマイクロレンズアレイ基材５０に走査される。ここで、透過型スクリーン４０は、所定以上の透過度を有する透明基材からなる光学部材である。
透過型スクリーン４０は、有機樹脂材料を用いて成型することによって構成することもできるし、ガラスなどの無機材料を用いることで構成することもできる。
図３は本発明の実施形態に係る透過型スクリーン４０を抜き出して示す図である。また、図６は本発明の実施形態に係る透過型スクリーン４０のマイクロレンズアレイ基材５０と光拡散基材６０との間の対向間隔を拡大して示した斜視図である。
図３の実施形態では、ｘ軸に平行な軸の方向を第１方向、及び、ｙ軸に平行な軸の方向を第２方向（第１方向とは直交関係）として定義する。
上記のような定義の下、透過型スクリーン４０は、第１方向と、前記第１方向と直交する第２方向に広がる主面を有している。
マイクロレンズアレイ基材５０は、マイクロレンズアレイ基材５０の第１主面５１（以下、第１面ともいう。）、マイクロレンズアレイ基材５０の第２主面５２（以下、第３面ともいう。）を有しており、第１面５１には、複数のマイクロレンズ５３が周期的に配列されてなるマイクロレンズアレイ５４が設けられ、第３面５２が平滑面５５となっている。このマイクロレンズアレイ基材５０は、透明基材により構成される。なお、ここで言う平滑面とは、第１面に設けられたマイクロレンズのような構造的な加工がされていない面のことを言う。
図７は第１方向と第２方向に広がるマイクロレンズアレイ５４をｚ軸方向から見た図である。図に示すように、本実施形態に係る透過型スクリーン４０においては、ｚ軸方向から見たとき、マイクロレンズ５３が、１辺の長さがｄである正方形であるものを用いている。なお、マイクロレンズ５３が配されるピッチは、第１方向と第２方向とで等しいことが好ましい。これは、マイクロレンズ５３の配置を密にして、直進透過光を減らすようにするためである。
また、各マイクロレンズ５３は球面レンズ乃至非球面レンズであり、第１面５１側の頂点において、第１方向に曲率半径Ｒ1の曲率を有しており、第２方向に曲率半径Ｒ2の曲率を有している。なお、頂点とは、各マイクロレンズ５３が最もｚ軸方向に突出している点をいう。
そして、各マイクロレンズ５３の第１方向と平行な面であってマイクロレンズ５３の光軸を含む面における断面形状を、第２方向と平行な面であってマイクロレンズ５３の光軸を含む面における断面形状と異ならせることが好ましい。より詳しくは、各マイクロレンズ５３の第１面５１側の頂点における第１方向の曲率半径Ｒ1と、第２方向の曲率半径Ｒ2とは等しくすることも可能であるが、異ならせることが好ましい。
これは、一般的に、ヘッドアップディスプレイ装置１００で表示する画像情報の縦横比が異なっており、画像周辺部の輝度低下の抑制を、画像の上下端部周辺と、画像の左右端部周辺と同程度とするには、各マイクロレンズ５３の第１面５１側の頂点における第１方向の曲率半径Ｒ1と、第２方向の曲率半径Ｒ2とが異なっていた方がよいからである。
さらに、一般的には、ヘッドアップディスプレイ装置１００で表示する画像情報は横長であることを考慮に入れると、各マイクロレンズ５３の第１面５１側の頂点における第１方向の曲率半径Ｒ1が、第２方向の曲率半径Ｒ2より大きいことが好ましい。
なお、ヘッドアップディスプレイ装置１００の透過型スクリーンとしてレーザー光源を用いたヘッドアップディスプレイでは、マイクロレンズアレイ５４を用いることにより、レーザー光によるスペックルノイズが抑制されるという利点を有している。
また、光拡散基材６０は、第１主面６１（以下、第２面ともいう。）、第２主面６２（以下、第４面ともいう。）を有し、第２面６１に光拡散面６４が設けられ、第４面６２が平滑面６５となっている。
この光拡散面６４は、周期がランダムである微細凹凸からなっている。なお、周期がランダムである微細凹凸が設けられた光拡散面６４の具体的な構成については、後述する製造工程を参照することで明らかとなるが、光拡散面６４は、例えば、すりガラス同様、平滑面に微細な傷が設けられることによって構成される。さらに、ここで言う第４面６２の平滑面とは、上記の第３面と同様に、第２面の微細凹凸のような構造が設けられていない面のことを言う。
また、本発明に係る透過型スクリーン４０においては、マイクロレンズアレイ基材５０のマイクロレンズアレイ５４が設けられた第１面５１と、光拡散基材６０の光拡散面６４が設けられた第２面６１と、が対向配置されている。さらに、マイクロレンズアレイ基材５０と光拡散基材６０との間の対向間隔は０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
ここで、上記の対向間隔は、光拡散基材６０に最も近いマイクロレンズ基材５０の部分と、マイクロレンズ基材５０に最も近い光拡散基材６０の部分との間の距離をいう。例えば、マイクロレンズアレイ基材５０のマイクロレンズアレイ５４が最も突出した頂部と、光拡散基材６０の光拡散面６４の最も突出した頂部と、の間の間隔をいう。なお、この対向間隔については、後述するＸと同様のものである。
上記のような透過型スクリーン４０においては、投影ミラー３０から出射され、マイクロレンズアレイ基材５０に走査された光は、光拡散基材６０の光拡散面６４で像が形成される。
本発明に係る透過型スクリーン４０では、このようにマイクロレンズアレイ基材５０と光拡散基材６０とにより像を形成するため、単なるスクリーンを使用して像を形成する場合と比較して、視認方向に有効に光を伝達することが可能となり、輝度の増加を図ることが可能となる。また、少ない光量でも十分な輝度を得ることが可能となるため、各レーザー光源などの出力を抑制して小電力化を図ることができる。
以上のような透過型スクリーン４０のマイクロレンズアレイ５４に形成されたレーザー光による像は、凹面ミラー８０によって反射され、ウインドシールド６に投影される。
これにより、運転者は、ウインドシールド６において反射された画像を認識する。なお、投影ユニット８５には、車両のウインドシールド６に画像を投影する構造のものと、運転者とウインドシールド６の間に設けられたコンバイナー（不図示）に画像を投影する構造のものとがあり得る。
なお、本実施形態においては、レーザー光などの光源側にマイクロレンズアレイ基材５０を配するレイアウトとしたが、透過型スクリーン４０の光拡散基材６０を光源側に配する、図４に示すレイアウトとしてもよい。ただし、後述する実験の結果で、前者のレイアウトの方が好ましいことが判明している。
また、透過型スクリーン４０とウインドシールド６、または、コンバイナー(不図示)との間に設ける光学部材としては、凹面ミラー８０に限らず、透過型スクリーン４０とウインドシールド６、または、コンバイナー（不図示）のレイアウトに応じて、その他の適当な光学部材を用いることができる。
なお、以上の実施形態においては、ヘッドアップディスプレイ装置１００の描画方式として、投影部１０及び投影ミラー３０とからなるレーザープロジェクター方式を採用したものに、透過型スクリーン４０を適用した例に基づいて説明したが、本発明に係る透過型スクリーン４０は、ヘッドアップディスプレイ装置１００の描画方式として、光源と、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）素子とを用いたＬＣＯＳ方式を採用したもの、或いは、光源と、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）素子とを用いたＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）方式を採用したものなどにも適用することができる。
なお、ＬＣＯＳ方式の場合には、光源からの光を、反射型の液晶素子であるＬＣＯＳ素子が、前記光を透過型スクリーン４０に対して選択的に反射することで、また、ＤＬＰ方式の場合には、光源からの光を、複数のマイクロミラーが配置された反射型の素子であるＤＭＤ素子が、前記光を透過型スクリーン４０に対して選択的に反射することで、ヘッドアップディスプレイ装置１００を実現することができる。
次に、透過型スクリーン４０を構成するマイクロレンズアレイ基材５０及び光拡散基材６０のベースとなる母材の材質について説明する。透過型スクリーン４０のベースとなる母材の材質は、透明材質であればどのようなものでもよく、例えば、熱可塑性樹脂・熱硬化性樹脂・ＵＶ硬化性樹脂・電子線硬化性樹脂・ガラスなどを用いることできる。
マイクロレンズアレイ基材５０及び光拡散基材６０のベースとなる母材の材質として、熱可塑性樹脂を用いるのであれば、例えば、ポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系アクリル樹脂、シリコーン系アクリル樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィンポリマー、メチルスチレン樹脂、フルオレン樹脂、ＰＥＴ、ポリプロピレン等を挙げることができる。
また、マイクロレンズアレイ基材５０及び光拡散基材６０は、一つのベース母材から形成する必要は必ずしも無い。例えば、マイクロレンズアレイ基材５０の場合には、マイクロレンズアレイ５４などと、基板状部材とを別部材で構成しておき、これらを接着材など接合するようにしてもよい。ただし、この場合、全ての部材の屈折率が等しいことが好ましい。
次に、透過型スクリーン４０におけるマイクロレンズアレイ５４の加工方法について説明する。
例えば、マイクロレンズアレイ５４は、ナノ加工装置を使って機械切削で金型へマイクロレンズアレイの型を加工しておき、この型によって透明樹脂へ転写することにより加工することができる。また、マイクロレンズアレイ５４の加工方法としては、前記の型によって、射出成形で樹脂へ転写する方法も用いることができる。また、機械切削で透明樹脂へマイクロレンズアレイ５４を直接加工する方法も用いることができる。
上記のような加工によって、ヘッドアップディスプレイ装置１００の視野角の光強度分布（マイクロレンズアレイ基材５０及び光拡散基材６０などの拡散角などに依存）を制御するために、上記のようなナノ単位の非球面加工が有効である。
また、マイクロレンズアレイ５４の加工方法としては、レジスト・リフロー法、インクジェット法、電子ビーム露光法、レーザービーム描画法、化学エッチングやプラズマエッチングを用いる方法、ポンチを用いる方法などのいずれの方法も採用することができる。
次に、透過型スクリーン４０をヘッドアップディスプレイ装置１００に用いる場合、透過型スクリーン４０として好ましい光学的な特性について説明する。まず、以下、拡散角を頻用するので、これを定義する。
図８は拡散角の定義を説明する図である。本明細書においては、透過型スクリーン４０を構成するマイクロレンズアレイ基材５０及び光拡散基材６０に光を垂直入射させて、マイクロレンズアレイ基材５０及び光拡散基材６０から出射される光の最大散乱光強度Ｉmaxの２分の１になる２つの角度の差である半値幅（ＦＷＨＭ）を拡散角θと定義する。
上記のような定義の下、マイクロレンズアレイ基材５０としては、図６に示す水平方向（第２方向）の拡散角θHと、垂直方向（第１方向）の拡散角θVと、間には、θH＞θVの関係があることが好ましい。これは、ヘッドアップディスプレイ装置１００で表示する画像情報は横長であることに起因している。
さらに、水平拡散角θHが２０°以上６０°以下であり、垂直方向拡散角θVが５°以上３５°以下であることが好ましい。より好ましくは、水平拡散角θHが２０°以上５０°以下であり、垂直方向拡散角θVが１０°以上３０°以下であると、ヘッドアップディスプレイ装置１００に用いる透過型スクリーン４０としては最適なものとなる。
また、光拡散基材６０としては拡散角θDが５°以上６°以下であることが好ましい。本発明に係る透過型スクリーン４０のように、マイクロレンズアレイ基材５０と光拡散基材６０とを組み合わせて用いる場合、マイクロレンズアレイ基材５０の異方性拡散の性質（水平方向と垂直方向で拡散プロファイルが異なる性質）を保持するためには、拡散角が小さい光拡散基材６０と組み合わせることが望ましい（拡散角の大きい光拡散基材と組み合わせると、光拡散基材の等方性拡散の性質が支配的となり、全体として等方性拡散に近づいていくため）。しかしながら、光拡散基材６０の拡散角が５°以下では回折光起因の虹模様が消えないため、本発明においては、拡散基材６０としては拡散角θDが５°以上６°以下であるものを採用している。
図９はマイクロレンズアレイ基材５０の製造工程の一例を模式的に説明する図である。実施例では、図９（Ａ）→図９（Ｂ）→図９（Ｃ）の順序で製造を行う。
図９（Ａ）の工程では、まず、透明な樹脂材料としてポリカーボネート樹脂からなる基材７１を準備する。次に、機械切削加工（ＦＡＮＵＣ社製ＲＯＢＯＮＡＮＯ）によって鋼材に非球面のマイクロレンズアレイを反転させた凹形状の型７５を形成する。
次に、上記の反転マイクロレンズアレイが形成された鋼材（型７５）に、ＵＶ樹脂を塗布し、図９（Ｂ）に示すように、基材７１を型７５とポリカーボネート性のリファレンスシート７６とで挟んで、リファレンスシート７６側からＵＶ照射する。これにより、基材７１上にマイクロレンズ部７３が構成される。
次に、図９（Ｃ）に示すように、型７５を離型すると共に、リファレンスシート７６を剥離し、マイクロレンズアレイ基材５０を得ることができる。
次に、光拡散基材６０の製造工程例について説明する。図１０乃至図１２は光拡散基材６０の製造工程の一例を模式的に説明する図である。
図１０（Ａ）は金型材を示している。このような金型材の一方の面に対して、サンドブラスト加工を施し、図１０（Ｂ）に示す中間処理材１２３を得る。次に、この中間処理材１２３のサンドブラスト加工が施された面に、さらにビーズブラスト加工を施し、図１０（Ｃ）に示す第２の型１２５を得る。
本実施形態では、このような金型材を用いて、射出成形で樹脂へ微細凹凸を転写する方法をとっている。このような微細凹凸は、ブラスト加工面の転写となるので、凹凸の周期はランダムなものとなる。このように製造される微細凹凸は、光拡散面６０として機能し、光が等方性拡散することとなる。また、ランダムとは微細凹凸の配列に規則性がないことを意味している。
なお、本実施形態においては、金型材に対して、サンドブラスト加工を施した上で、ビーズブラスト加工を施すようにして微細凹凸の転写パターンを形成しているが、いずれかのブラスト加工のみで、金型材に対して、微細凹凸の転写パターンを形成するようにしてもよい。
ただし、金型材に対し、サンドブラスト加工を施した上で、ビーズブラスト加工を施すようにして微細凹凸の転写パターンを形成すると、サンドブラストで拡散性を制御し、ビーズブラストによって表面を滑らかにすることで、第２の型１２５によって作製される光拡散面６４のヘイズを小さくすることができる
図１１は、第１の型１１５と第２の型１２５との間に、透明な樹脂材料１３０を充填する様子を示しており、図１２は樹脂材料１３０の硬化後（固化後）、第１の型１１５と第２の型１２５とから離型し、本発明に係る光拡散基材６０を得る様子を示している。
上記の光拡散基材６０の製造工程例では、金型に設けられているブラスト加工部を転写することで光拡散面６４を得るようにしているが、基材７１のような両面に平滑面を有するものの一方の面に、直接、サンドブラスト加工やビーズブラスト加工を施すようにして微細凹凸を構成するようにしてもよい。
これまで説明したように、本発明に係る透過型スクリーン４０においては、マイクロレンズアレイ基材５０のマイクロレンズアレイ５４が設けられた第１面５１と、光拡散基材６０の光拡散面６４が設けられた第２面６１と、が対向配置されていることが特徴点となっているが、このような対向配置の構成を採用することが好ましいことを実験的な確認を行ったので、以下説明する。
図１３はマイクロレンズアレイ基材及び光拡散基材の配置パターンを説明する図である。（１）乃至（８）は、マイクロレンズアレイ基材及び光拡散基材の異なる対向のさせ方を示しており、（３）及び（４）が本発明に係る配置パターンである。図１３において、投影部から出射される光の向きは、矢印で示されている。
また、Ｘは対向間隔を示しており、マイクロレンズアレイ基材であれば光拡散基材側に最も突出した箇所と、光拡散基材であればマイクロレンズアレイ基材側に最も突出した箇所との間の距離として定義される。上記のような（１）乃至（８）のパターンで、対向間隔Ｘとして、Ｘ＝０，５０，７５，１００，２５０，５００，１０００，２０００［μｍ］の８水準振って、実験を行った。このような対向間隔Ｘについては、隙間ゲージにより確認を行うことができた。
マイクロレンズアレイ基材としては、マイクロレンズのピッチが３１μｍで、高さ５μｍであり、正方格子配列のものを用いた。また、光拡散基材としては、ポリカーボネート製の拡散板であるアロマブライトＦＧ−２０３５Ｃ（日本ポリエステル製）を用いた。
（１）乃至（８）の配置パターンの透過型スクリーンを用いて、コンバイナー（ガラス板の裏面に低反射フィルムを貼り合わせたもの）に、白色画像、及び、テキスト画像の２種類を投影し、これらをデジタルカメラ（３８７２×２５９２ピクセル）で撮影した。
白色画像を撮影したデータについては、Ｉｍａｇｅ Ｊ（１．４７ｖ）を使用して、写真中央を２５６×２５６ピクセルのサイズでトリミングし、各ピクセルのグレースケール（２５６階調）の平均輝度（Ｍｅａｎ ｇｒａｙ ｖａｌｕｅ）、輝度分散（標準偏差（Ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）の自乗）、相対標準偏差（標準偏差／平均輝度）を求め、グラフ化した。
ここで、明るさの指標である平均輝度についてはより高い値であるほど好ましく、バラツキの指標である輝度分散については低い値である方が好ましい。さらにいえば、明るく、バラツキが少ない方が好ましいので、標準偏差／平均輝度により求まる相対標準偏差の値はより低い方が好ましい。
また、テキスト画像を撮影したデータについては、テキストの判読容易性をみる官能試験に利用した。
図１４乃至図２１に、各配置パターンによる結果を示す。それぞれの図において、（Ａ）はそれぞれの対向間隔における平均輝度、輝度分散、相対標準偏差のグラフであり、（Ｂ）はテキスト画像を撮影したものであり、（Ｃ）は（Ａ）を算出した際の白色画像を撮影したものである。また、（Ｂ）及び（Ｃ）において、画像の右下には対向間隔Ｘが表示されている。
特に、図１６に示す（３）の配置パターンによる結果において、Ｘ＝５０［μｍ］で相対標準偏差が極小値をとり、最も好ましい実施態様であることがわかる。さらに、Ｘ＝０〜１００［μｍ］においても、相対標準偏差は比較的低い値をとり、透過型スクリーン４０として十分機能することがわかる。また、Ｘ＝０〜１００［μｍ］の範囲では、テキストの判読容易性が高い。
同様に、図１７に示す（４）の配置パターンによる結果においても、Ｘ＝５０［μｍ］でスペックルコントラストが極小値をとり、最も好ましい実施態様であることがわかり、さらに、Ｘ＝０〜１００［μｍ］においても、スペックルコントラストは比較的低い値をとり、透過型スクリーン４０として十分機能することがわかる。また、Ｘ＝０〜１００［μｍ］の範囲では、テキストの判読容易性が高い。
本発明に係る透過型スクリーン４０は、マイクロレンズアレイ基材５０のマイクロレンズアレイ５４が設けられた第１面５１と、光拡散基材６０の光拡散面６４が設けられた第２面６１と、が対向配置されることを特徴としており、このような本発明に係る透過型スクリーン４０によれば、２枚のマイクロレンズアレイを用いるものに比べて、出射される出射光の均一性を損なうことなく、画像の鮮鋭度も維持することが可能となる。このような本発明に係る透過型スクリーン４０による効果は、上記のように実験的に確認をすることができた。
また、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置１００は、上記のような透過型スクリーン４０を用いているので、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置１００によれば、画像の均一性を損なうことなく、画像の鮮鋭度も維持することが可能となる。
次に、本発明に係る透過型スクリーン４０において、光拡散基材６０の拡散角θDが５°以上６°以下であることが好ましいことも、実験的に確認したので記載する。なお、拡散角θDは、三次元変角分光測色システム（ＧＣＭＳ−１３型、株式会社村上色彩技術研究所製）を用いて、変角による透過率測定におけるＹ値を計測し、算出した。
透過型スクリーンとして、（Ａ）マイクロレンズアレイ基材５０のみを用いたもの、（Ｂ）マイクロレンズアレイ基材５０と拡散角θDが４．６°である光拡散基材６０とを組み合わせたもの、（Ｃ）マイクロレンズアレイ基材５０と拡散角θDが５．７°である光拡散基材６０とを組み合わせたもの、の観察結果を図２２に示す。
図２２（Ａ）のマイクロレンズアレイ基材５０のみの透過型スクリーンでは、回折光起因の虹色の縞模様が顕著に表れてしまい、透過型スクリーンとしての適切性に欠ける。
図２２（Ｂ）のマイクロレンズアレイ基材５０と拡散角θDが４．６°である光拡散基材６０とを組み合わせた透過型スクリーンでは、回折光起因の虹色の縞模様が図２２（Ａ）の場合に比べて減少するものの、やはり透過型スクリーンとしての適切性に欠ける。
図２２（Ｃ）のマイクロレンズアレイ基材５０と拡散角θDが５．７°である光拡散基材６０とを組み合わせた、本発明に係る透過型スクリーン４０では、回折光起因の虹色の縞模様が消えて、透過型スクリーンとして好適に用いることができる。
以上から、本発明においては、拡散基材６０としては拡散角θDが５°以上６°以下であるものを採用している。
以上、本発明に係る透過型スクリーンは、マイクロレンズアレイ基材の前記マイクロレンズアレイが設けられた第１面と、光拡散基材の前記光拡散面が設けられた第２面と、が対向配置されることを特徴としており、このような本発明に係る透過型スクリーンによれば、２枚のマイクロレンズアレイを用いるものに比べて、出射される出射光の均一性を損なうことなく、画像の鮮鋭度も維持することが可能となる。
また、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、上記のような透過型スクリーンを用いているので、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置によれば、画像の均一性を損なうことなく、画像の鮮鋭度も維持することが可能となる。
産業上の利用性
従来、２枚のマイクロレンズアレイが用いられた透過型スクリーンにおいては、当該透過型スクリーンから出射される出射光の均一性が損なわれると共に、画像の鮮鋭度が失われる（解像度が落ちる）、という問題があった。一方、本発明に係る透過型スクリーンは、マイクロレンズアレイ基材の前記マイクロレンズアレイが設けられた主面と、光拡散基材の前記光拡散面が設けられた主面と、が対向配置されることを特徴としており、このような本発明に係る透過型スクリーンによれば、２枚のマイクロレンズアレイを用いるものに比べて、出射される出射光の均一性を損なうことなく、画像の鮮鋭度も維持することが可能となり、産業上の利用性が非常に大きい。
５・・・車両
６・・・ウインドシールド
１０・・・投影部
１１・・・第１光源
１２・・・第２光源
１３・・・第３光源
２１・・・第１ダイクロイックプリズム
２２・・・第２ダイクロイックプリズム
２６・・・コリメータレンズ
３０・・・投影ミラー（走査部）
４０・・・透過型スクリーン
５０・・・マイクロレンズアレイ基材
５１・・・第１主面（第１面）
５２・・・第２主面（第３面）
５３・・・マイクロレンズ
５４・・・マイクロレンズアレイ
５５・・・平滑面
６０・・・光拡散基材
６１・・・第１主面（第２面）
６２・・・第２主面（第４面）
６４・・・光拡散面
６５・・・平滑面
７１・・・基材
７３・・・マイクロレンズ部
７５・・・型
７６・・・リファレンスシート
８０・・・凹面ミラー
８５・・・投影ユニット
１００・・・ヘッドアップディスプレイ装置
１２３・・・中間処理材
１２５・・・第２の型
１３０・・・樹脂材料
本発明は以上のような課題を解決するためのものであり、本発明に係る透過型スクリーンは、複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイが設けられた第１面を有するマイクロレンズアレイ基材と、光拡散面が設けられた第２面を有する光拡散基材と、を有し、前記マイクロレンズアレイ基材の前記マイクロレンズアレイが設けられた第１面と、前記光拡散基材の前記光拡散面が設けられた第２面と、が対向配置され、前記光拡散基材の拡散角が前記マイクロレンズアレイの拡散角より小さいことを特徴とする。
また、本発明に係る透過型スクリーンは、前記マイクロレンズアレイは、第１方向と、前記第１方向と交わる第２方向に配置されており、前記光拡散基材の拡散角が、前記マイクロレンズアレイ基材の第１方向の拡散角及び前記マイクロレンズアレイ基材の第２方向の拡散角のいずれに対しても小さいことを特徴とする。
また、本発明に係る透過型スクリーンは、前記マイクロレンズアレイ基材の第１方向の拡散角と、前記マイクロレンズアレイ基材の第２方向の拡散角と、が異なることを特徴とする。
また、本発明に係る透過型スクリーンは、前記マイクロレンズアレイ基材と前記光拡散基材との間の対向間隔が０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする。
本発明は以上のような課題を解決するためのものであり、本発明に係る透過型スクリーンは、複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイが設けられた第１面を有するマイクロレンズアレイ基材と、光拡散面が設けられた第２面を有する光拡散基材と、を有し、前記マイクロレンズアレイ基材の前記マイクロレンズアレイが設けられた第１面と、前記光拡散基材の前記光拡散面が設けられた第２面と、が対向配置され、前記マイクロレンズアレイは、第１方向と、前記第１方向と交わる第２方向に配置されており、前記光拡散基材の拡散角が５°以上６°以下であり、前記マイクロレンズアレイ基材の第１方向の拡散角が５°以上３５°以下であり、前記マイクロレンズアレイ基材の第２方向の拡散角が２０°以上６０°以下であり、前記マイクロレンズアレイ基材と前記光拡散基材との間の対向間隔が０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る透過型スクリーンは、前記光拡散基材の拡散角が、前記マイクロレンズアレイ基材の第１方向の拡散角及び前記マイクロレンズアレイ基材の第２方向の拡散角のいずれに対しても小さいことを特徴とする。
また、本発明に係る透過型スクリーンは、前記マイクロレンズアレイ基材の第１方向の拡散角と、前記マイクロレンズアレイ基材の第２方向の拡散角と、が異なることを特徴とする。

Claims (10)

  1. 複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイが設けられた第１面を有するマイクロレンズアレイ基材と、
    光拡散面が設けられた第２面を有する光拡散基材と、を有し、
    前記マイクロレンズアレイ基材の前記マイクロレンズアレイが設けられた第１面と、前記光拡散基材の前記光拡散面が設けられた第２面と、が対向配置されることを特徴とする透過型スクリーン。
  2. 前記マイクロレンズアレイ基材と前記光拡散基材との間の対向間隔が０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の透過型スクリーン。
  3. 前記マイクロレンズアレイは、第１方向と、前記第１方向と交わる第２方向に配置されており、
    前記マイクロレンズアレイ基材の第１方向の拡散角と、前記マイクロレンズアレイ基材の第２方向の拡散角と、が異なることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の透過型スクリーン。
  4. 前記光拡散基材の拡散角が５°以上６°以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の透過型スクリーン。
  5. 前記光拡散面が微細凹凸からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の透過型スクリーン。
  6. 前記凹凸の周期がランダムであることを特徴とする請求項５に記載の透過型スクリーン。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の透過型スクリーンが用いられることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  8. レーザー光を発生するレーザー光源と、
    前記レーザー光を前記透過型スクリーンに走査する走査部と、を有することを特徴とする請求項７に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  9. 光を発生する光源と、
    前記光を前記透過型スクリーンに反射するＬＣＯＳ素子と、を有することを特徴とする請求項７に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  10. 光を発生する光源と、
    前記光を前記透過型スクリーンに反射するＤＭＤ素子と、を有することを特徴とする請求項７に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
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