JP2020024436A - 光学システム、画像表示装置及び物体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 所望の視野角を確保でき、かつ該視野角全域で画像の明るさを確保できる。【解決手段】 スクリーン（実施例１〜３のスクリーン３０ａ〜３０ｃ）は、複数の集光面（マイクロレンズ面やマイクロミラー面）を含む第１の光学面と、該第１の光学面を介した光が入射される第２の光学面と、を備え、該第２の光学面は、複数の集光面に対応し、対応する集光面を介した、光の一部（光部分）を屈折させる複数の屈折面（プリズム面）を含む。この場合、所望の視野角を確保でき、かつ該視野角全域で画像の明るさを確保できる。【選択図】図１０

Description

本発明は、スクリーン、画像表示装置及び物体装置に関する。

近年、画像表示の過程で光が照射されるスクリーンの開発が盛んに行われている。

例えば、特許文献１には、レンズアレイを有するスクリーンが開示されている。

このスクリーンでは、レンズアレイのレンズ形状を調整することで所望の視野角を確保している。

しかしながら、特許文献１に開示されているスクリーン等の従来のスクリーンでは、所望の視野角全域で明るさを確保することが困難であった。

本発明は、複数の集光面を含む第１の光学面と、前記第１の光学面を介した光が入射され、前記複数の集光面に対応し、対応する前記集光面を介した、前記光の一部を屈折させる複数の屈折面を含む第２の光学面と、を備えることを特徴とするスクリーンである。

本発明によれば、所望の視野角を確保でき、かつ該視野角全域で明るさを確保できる。

本実施形態のＨＵＤ装置の概略構成を示す図である。 比較例のＨＵＤ装置の概略構成を示す図である。 ＨＵＤ装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 ＨＵＤ装置の機能を示すブロック図である。 光源部の構成を示す図である。 光偏向器の構成を示す図である。 ２次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。 比較例のスクリーンを説明するための図である。 図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、実施例１のスクリーンを説明するための図（その１及びその２）である。 実施例１のスクリーンを説明するための図（その３）である。 プリズム面への光の入射角に対するプリズム面の好適な傾きを示すグラフである。 図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、それぞれ比較例、実施例１のスクリーンの作用を説明するための図である。 図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）は、それぞれ実施例２のスクリーン（I型〜III型）を説明するための図である。 実施例３のスクリーンの構成を説明するための図である。 変形例３のスクリーンの作用を説明するための図である。

以下に、一実施形態の画像表示装置としてのＨＵＤ装置１００について図面を参照して説明する。なお、「ＨＵＤ」は「ヘッドアップディスプレイ」の略称である。

ただし、以下では、本実施形態のＨＵＤ装置１００と比較例のＨＵＤ装置１００´を並行して説明する。ＨＵＤ装置１００´とＨＵＤ装置１００で共通の説明を行う場合に両者を「ＨＵＤ装置」と総称する。ＨＵＤ装置１００´とＨＵＤ装置１００で共通の部材には同一の符号を付している。

図１、図２には、それぞれ本実施形態のＨＵＤ装置１００、比較例のＨＵＤ装置１００´の全体構成が概略的に示されている。

《ＨＵＤ装置の全体構成》
ところで、ヘッドアップディスプレイの投射方式は、液晶パネル、ＤＭＤパネル（デジタルミラーデバイスパネル）、蛍光表示管（ＶＦＤ）のようなイメージングデバイスで中間像を形成する「パネル方式」と、レーザ光源から射出されたレーザビームを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。

そこで、ＨＵＤ装置では「レーザ走査方式」を採用している。無論、投射方式として上記「パネル方式」を用いることもできる。

ＨＵＤ装置は、一例として、車両、航空機、船舶、産業用ロボット等の移動体に搭載され、該移動体のフロントウインドシールド５０（図１、図２参照）を介して該移動体の操縦に必要なナビゲーション情報（例えば移動体の速度、進行方向、目的地までの距離、現在地名称、移動体前方における物体（現実物体）の有無や位置、制限速度等の標識、渋滞情報などの情報）を視認可能にする。この場合、フロントウインドシールド５０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透過反射部材としても機能する。以下では、ＨＵＤ装置がフロントウインドシールド５０を備える自動車に搭載される例を、主に説明する。

ＨＵＤ装置は、図１、図２に示されるように、光源部１１、光偏向器１５及び反射ミラーを含む光走査手段と、スクリーンと、凹面ミラー４０とを備え、フロントウインドシールド５０に対して画像を形成する光（画像光）を照射することにより、視認者Ａ（ここでは自動車の乗員である運転者）の視点位置（左右の目の中間点）から虚像Ｉを視認可能にする。つまり、視認者Ａは、光走査手段によりスクリーンに形成（描画）される画像（中間像）を、フロントウインドシールド５０を介して虚像Ｉとして視認することができる。

ＨＵＤ装置は、一例として、自動車のダッシュボードの下方に配置されており、視認者Ａの視点位置からフロントウインドシールド５０までの距離は、数十ｃｍから精々１ｍ程度である。

ここでは、凹面ミラー４０は、虚像Ｉの結像位置が所望の位置になるように、一定の集光パワーを有するように既存の光学設計シミュレーションソフトを用いて設計されている。

ＨＵＤ装置では、虚像Ｉが視認者Ａの視点位置から１ｍ以上かつ１０ｍ以下（好ましくは６ｍ以下）の位置（奥行位置）に表示されるように、凹面ミラー４０の集光パワーが設定されている。

なお、通常、フロントウインドシールドは、平面でなく、僅かに湾曲している。このため、凹面ミラー４０とフロントウインドシールド５０の曲面により、虚像Ｉの結像位置が決定される。

光源部１１では、画像データに応じて変調されたＲ,Ｇ,Ｂの３色のレーザ光が合成される。３色のレーザ光が合成された合成光は、光偏向器１５の反射面に導かれる。光偏向器１５は、半導体製造プロセス等で作製されたＭＥＭＳスキャナであり、直交する２軸周りに独立に揺動可能な単一の微小ミラーを含む。なお、光偏向器１５は、１軸周りに揺動可能な微小ミラーを含むＭＥＭＳスキャナを２つ組み合わせたものであっても良い。また、スキャナとして、ＭＥＭＳスキャナに限らず、例えばガルバノスキャナやポリゴンスキャナを用いても良い。光源部１１、光偏向器１５の詳細は、後述する。

光源部１１からの画像データに応じた光（合成光）は、光偏向器１５で偏向され、反射ミラーで折り返されてスクリーンに照射される。そこで、スクリーンが光走査され該スクリーン上に中間像が形成される。なお、凹面ミラー４０は、フロントウインドシールド５０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。

スクリーンを介した光は、凹面ミラー４０でフロントウインドシールド５０に向けて反射される。フロントウインドシールド５０への入射光束の一部はフロントウインドシールド５０を透過し、残部の少なくとも一部は視認者Ａの視点位置に向けて反射される。この結果、視認者Ａはフロントウインドシールド５０を介して中間像の拡大された虚像Ｉを視認可能となる、すなわち、視認者から見て虚像Ｉがフロントウインドシールド５０越しに拡大表示される。

なお、フロントウインドシールド５０よりも視認者Ａの視点位置側に透過反射部材としてコンバイナを配置し、該コンバイナに凹面ミラー４０からの光を照射するようにしても、フロントウインドシールド５０のみの場合と同様に虚像表示を行うことができる。

《ＨＵＤ装置の制御系のハードウェア構成》
図３には、ＨＵＤ装置の制御系のハードウェア構成を示すブロック図が示されている。ＨＵＤ装置の制御系は、図３に示されるように、ＦＰＧＡ６００、ＣＰＵ６０２、ＲＯＭ６０４、Ｉ／Ｆ６０８、バスライン６１０、ＬＤドライバ６１１１、ＭＥＭＳコントローラ６１５を備えている。

ＦＰＧＡ６００は、画像データに応じてＬＤドライバ６１１１を介して後述するＬＤを動作させ、ＭＥＭＳコントローラ６１５を介して光偏向器１５を動作させる。ＣＰＵ６０２は、ＨＵＤ装置の各機能を制御する。ＲＯＭ６０４は、ＣＰＵ６０２がＨＵＤ装置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。

《ＨＵＤ装置の機能ブロック》
図４には、ＨＵＤ装置の機能を示すブロック図が示されている。ＨＵＤ装置は、図４に示されるように、車両情報入力部８００、外部情報入力部８０２、画像データ生成部８０４及び画像描画部８０６を備えている。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、対象物までの距離、外界の明るさ等の情報）が入力される。外部情報入力部８０２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。画像データ生成部８０４は、車両情報入力部８００及び外部情報入力部８０２から入力される情報に基づいて、描画すべき画像の画像データを生成し、ＦＰＧＡ６００に送る。画像描画部８０６は、制御部８０６０を備え、該制御部８０６０は、ＦＰＧＡ６００に画像描画を開始もしくは終了させるための制御信号を送信する。

《光源部の構成》
図５には、光源部１１の構成が示されている。光源部１１は、図５に示されるように、単数あるいは複数の発光点を有する複数の発光素子１１１Ｒ、１１１Ｂ、１１１Ｇを含む。各発光素子は、ＬＤ（レーザダイオード）であり、互いに異なる波長λＲ、λＧ、λＢの光束を放射する。例えばλＲ＝６４０ｎｍ、λＧ＝５３０ｎｍ、λＢ＝４４５ｎｍである。各ＬＤは、ＦＰＧＡ６００によりＬＤドライバ６１１１を介して画像データに応じて変調駆動される。ＬＤ１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂから放射された波長λＲ、λＧ、λＢの光束は、対応するカップリングレンズ１１２Ｒ、１１２Ｇ、１１２Ｂにより後続の光学系にカップリングされる。カップリングされた光束は、対応するアパーチャ部材１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂにより整形される。各アパーチャ部材の開口形状は、光束の発散角等に応じて円形、楕円形、長方形、正方形等、様々な形状とすることができる。その後、対応するアパーチャ部材で整形された光束は、合成素子１１５により光路合成される。合成素子１１５は、プレート状あるいはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じて光束を反射／透過し、１つの光路に合成する。合成された光束は、レンズ１１９により光偏向器１５の反射面に導かれる。レンズ１１９は、光偏向器１５側に凹面が向くメニスカスレンズである。

《光偏向器の構成》
図６には、光偏向器１５の構成が示されている。光偏向器１５は、半導体プロセスにて製造されたＭＥＭＳスキャナであり、図６に示されるように、反射面を有するミラー１５０と、Ｘ軸方向に並ぶ複数の梁を含み、隣り合う２つの梁が折り返し部を介して蛇行するように接続された一対の蛇行部１５２とを有する。各蛇行部１５２の隣り合う２つの梁は、梁Ａ（１５２ａ）、梁Ｂ（１５２ｂ）とされ、枠部材１５４に支持されている。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つの梁の圧電部材に異なる電圧を印加することで、該蛇行部の隣り合う２つの梁が異なる方向に撓み、それが蓄積されて、ミラー１５０がＸ軸周り（＝垂直方向）に大きな角度で回転することになる。このような構成により、Ｘ軸を中心とした垂直方向の光走査が、低電圧で可能となる。一方、Ｙ軸を中心とした水平方向では、ミラー１５０に接続されたトーションバーなどを利用した共振による光走査が行われる。

以上のように構成される光偏向器１５によって、スクリーンの画像描画領域に対してレーザビームが２次元的に走査（例えばラスタースキャン）されるとともに（図７参照）、レーザビームの走査位置に応じてＬＤの発光制御を行うことで画素毎の描画、虚像の表示を行うことができる。なお、図７において、Ｐｓは、走査線ピッチである。

ＨＵＤ装置からは、瞬間的にはレーザビーム径に相当する点像しか投射されないが、非常に高速に走査させるため、一フレーム画像内では十分に人間の目に残像が残っている。この残像現象を利用することで、運転者には、あたかも「表示エリア」に像を投射させているように知覚される。実際には、スクリーンに映った像が、凹面ミラー４０とフロントウインドシールド５０によって反射されて運転者に「表示エリア」において虚像として知覚される。このような仕組みであるので、像を表示させない場合は、ＬＤの発光を停止すれば良い。つまり、「表示エリア」において虚像が表示される箇所以外の箇所の輝度を実質０にすることが可能となる。

すなわち、ＨＵＤ装置による虚像の結像位置は、該虚像を結像可能な所定の「表示エリア」内の任意の位置となる。この「表示エリア」は、ＨＵＤ装置の設計時の仕様で決まる。

このように、「レーザ走査方式」を採用したことにより、表示したい部分以外では、表示の必要がないためＬＤを消灯したり、光量を低下させたりするなどの措置を取ることができる。

これに対して、例えば液晶パネル及びＤＭＤパネル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」では、パネル全体を照明する必要があるため、画像信号としては非表示とするために黒表示であったとしても、液晶パネルやＤＭＤパネルの特性上、完全には０にし難いため、黒部が浮き上がって見えることがあったが、レーザ走査方式ではその黒浮きを無くすことが可能となる。

ところで、一般に、ＨＵＤ装置においては、表示画像の明るさと、視野角やアイボックス（視認者が視認可能な範囲）を確保するとともに、車両の所定のスペースに搭載するための小型化が重要である。

ここで、比較例のＨＵＤ装置１００´では、反射ミラーとして比較的大きな凹面鏡が用いられ（図２参照）、スクリーンとして入射側の面の画像描画領域にマイクロレンズアレイが形成され、出射側の面が平坦な透明基板から成る透過型のスクリーン３０´が用いられている（図８参照）。この場合、反射ミラーとしての凹面鏡によって光偏向器１５からの広がりながら伝播する光（拡散する光）の全体的な広がり（拡散）が抑制され、スクリーンに照射される。このとき、スクリーン３０´の各マイクロレンズに入射した光は該マイクロレンズにより拡散される。結果として、比較例では、表示画像の明るさと視野角を確保できる。なお、反射ミラーとしての凹面鏡の大きさは、光偏向器１５のミラーの振れ角と光偏向器１５と該凹面鏡との距離で決まる。

そこで、ＨＵＤ装置１００´の小型化の方法として、光偏向器１５とスクリーンとの間に反射ミラーを設けずに光偏向器１５からの光を直接スクリーンに照射する方法（方法１）や、光偏向器１５とスクリーンとの間の反射ミラーとして小型の平面鏡を用いる方法（方法２）が考えられる。

しかしながら、方法１や方法２を比較例のＨＵＤ装置１００´に適用すると、スクリーンを透過した光が、光偏向器１５のミラーの振れ角分だけ広がりながら伝播するため、方法１や方法２の適用前と同じ視野角やアイボックス、表示画像の明るさを確保するためには凹面ミラー４０（投影ミラー）を大型化する必要があり、装置全体としては小型化が困難であった。

そこで、発明者は、鋭意検討の末、表示画像の明るさと視野角の確保と小型化を実現できるＨＵＤ装置として、本実施形態のＨＵＤ装置１００を開発した。

ＨＵＤ装置１００では、反射ミラーとして小型の平面鏡を用いている（図１参照）。そして、凹面ミラー４０の大型化を抑制するために、スクリーンに工夫が凝らされている。以下では、本実施形態のスクリーンの幾つかの実施例について説明する。

《実施例１》
図９（Ａ）、図９（Ｂ）には、それぞれ実施例１のスクリーン３０ａの平面図、断面図が示されている。実施例１のスクリーン３０ａは、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示されるように、入射側の面（一面）にマイクロレンズアレイ（以下「ＭＬＡ」と略称する）が形成され、出射側の面（他面）にマイクロプリズムアレイ（以下「ＭＰＡ」と略称する）が形成された透明基板から成る。すなわち、スクリーン３０ａは、透過スクリーンである。ＭＬＡの複数のマイクロレンズとＭＰＡの複数のマイクロプリズムは、１対１で対応している。

ＭＬＡの各マイクロレンズのサイズは、出力する画像の画質や解像度に合わせて調整される。ＭＬＡにおいて、レンズピッチは１０４ｕｍ、レンズ形状・配置は六角形状レンズの六方配置、レンズ面の曲率半径は１０４ｕｍとされている。透明基板の材質は光学用の樹脂材料で屈折率は１．５１である。各マイクロレンズの焦点距離は、該樹脂材料内で約５３０ｕｍとされ、透明基板の厚さも約５３０ｕｍとされている。各マイクロレンズのレンズ面（マイクロレンズ面）は、凸面である。

ＭＰＡでは、図１０に示されるように、各マイクロプリズムのプリズム面がブレーズド構造（鋸歯状構造）の格子面となっている。すなわち、ＭＰＡは、ブレーズド回折格子である。

図９（Ｂ）、図１０に示されるように、ＭＰＡでは、プリズム面の傾斜角ｔが中心部のマイクロプリズムから最外周部のマイクロプリズムにかけて徐々に大きくなっている。ここでは、傾斜角ｔは、図１１に示されるように、中心部のマイクロプリズムのプリズム面では０°、最外周部のマイクロプリズムのプリズム面では約２５°であり、両者の間では連続的に変化している。

また、ＭＰＡとＭＬＡは、複数のマイクロプリズムのプリズム面が対応する複数のマイクロレンズの焦点位置近傍に位置するように位置決めされている。このため、各プリズム面で光の透過する領域が限定されている。すなわち、図９（Ｂ）では、鋸歯状構造の緩斜面ａが光を透過、屈折させるプリズム面であり、急斜面ｂが、光が照射されない、プリズム面間の境界領域である。この場合、プリズム面である緩斜面ａの面精度が確保できれば屈折角を所望の角度にできるため、加工対象のエリアを限定でき、加工が容易になる。

以上のように構成されるスクリーン３０ａは、金型を用いた樹脂成形により製造することができる。

次に、比較例のスクリーン（透過スクリーン）の作用を説明する。図１２（Ａ）には、右図に比較例のスクリーン３０´の中心付近を通過する光の光路が示され、左図に比較例のスクリーン３０´の周辺部を通過する光の光路が示されている。

比較例では、反射ミラーとしての凹面鏡からの全体的な拡散が抑制された光がスクリーン３０´に対してＭＬＡ側から照射される。このとき、各マイクロレンズ面に入射した光は、該マイクロレンズ面で集光され、裏面（平坦面）で屈折され、約±１９度の範囲に拡散される。スクリーン３０´の外周部に対して入射する光はマイクロレンズの光軸に対して１３度傾いており、拡散光は外側に拡散する。この場合、スクリーン３０´を透過後の光の広がりは最大で３２度程度になる。十分なアイボックスを確保するためには、スクリーン３０´からのすべての光を凹面ミラー４０（投影ミラー）に入射させ反射させる必要があり、比較例では凹面ミラー４０の大型化を余儀なくされる。

図１２（Ｂ）には、右図に実施例１のスクリーン３０ａの中心付近を通過する光の光路が示され、左図に実施例１のスクリーン３０ａの周辺部を通過する光の光路が示されている。

実施例１では、反射ミラーとしての平面鏡からの全体的に拡散する光がスクリーン３０ａに対してＭＬＡ側から入射される。このとき、各マイクロレンズ面に入射した光は、該マイクロレンズ面でＭＰＡの対応するプリズム面に集光され、該プリズム面によりアイボックス形成に適した方向に屈折され拡散しながら、全体としては広がり（拡散）が抑制された状態で、凹面ミラー４０に入射される。

このように、実施例１のスクリーン３０ａは、視野角やアイボックスの確保のための拡散板の機能と凹面鏡のような光の全体的な広がりを抑制する機能を併せ持つ。

以上のように、実施例１のスクリーン３０ａでは、入射側の面に形成されたＭＬＡの複数のマイクロレンズの焦点位置に、ＭＰＡの対応する複数のマイクロプリズムのプリズム面が形成されているため、反射ミラーとして比較的大きな凹面鏡を使わない場合でも適切な拡散光の分布を実現可能であるとともに、プリズム面の形成範囲が限定され、かつＭＬＡとＭＰＡとのアライメント精度が緩和されるため作製が容易になる。

《実施例２》
図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）には、それぞれ実施例２のスクリーン３０ｂのI型〜III型が示されている。

実施例２の各スクリーンは、ＭＬＡを一面に有する第１の基板とＭＰＡを一面に有する第２の基板を作製した後、両者を接合することで製造される。

スクリーンI型では、図１３（Ａ）に示されるように、ＭＰＡとＭＰＡが互いに対向するように第１及び第２の透明基板の縁部（接合部）が接合されている。この場合、ＭＬＡとＭＰＦの間隔は、各透明基板の接合部の厚みにより設定されている。スクリーンI型によれば、微細構造であるＭＬＡとＭＰＡが外部に露出していないため、異物の付着を防止でき、ひいては集光機能及び屈折機能を安定して精度良く発揮できる。

スクリーンII型では、図１３（Ｂ）に示されるように、入射側の面にＭＬＡが形成され、出射側の面が平坦な第１の透明基板と、入射側の面にＭＰＡが形成され、出射側の面が平坦な第２の透明基板とが縁部（接合部）で接合されている。この場合、ＭＬＡとＭＰＦの間隔は、第１の透明基板の厚さと第２の透明基板の接合部の厚みにより設定されている。スクリーンII型によれば、スクリーン微細構造であるＭＰＡが外部に露出していないため、異物の付着を防止でき、屈折機能を安定して精度良く発揮できる。

スクリーンIII型では、図１３（Ｃ）に示されるように、入射側の面が平坦であり、出射側の面にＭＬＡが形成された第１の基板と、入射側の面が平坦であり、出射側の面にＭＰＡが形成された第２の基板とが外周部（接合部）で接合されている。この場合、ＭＬＡとＭＰＦの間隔は、第１の透明基板の接合部の厚みと第２の透明基板の厚さにより設定されている。スクリーンIII型によれば、スクリーン微細構造であるＭＬＡが外部に露出していないため、異物の付着を防止でき、集光機能を安定して精度良く発揮できる。

スクリーンI型〜III型のいずれを用いるかは、必要に応じて（保護したい面に応じて）決めることができる。

《実施例３》
図１４には、実施例３のスクリーン３０ｃの断面図が示されている。上記実施例１、２ではスクリーンとして透過型のものが用いられているが、実施例３のスクリーン３０ｃは、反射型とされている。

詳述すると、実施例３のスクリーン３０ｃは、図１４に示されるように、透明基板の光が照射される側の面（一面）にＭＰＡが形成され、該透明基板の反対側の面（他面）にマイクロミラーアレイ（以下で「ＭＭＡ」と略称する）が形成され、該透明基板の縁部が、ＭＭＡの全域に対応する凹部を有する支持基板に支持、固定されている。ＭＰＡの複数のマイクロプリズムとＭＭＡの複数のマイクロミラーは、１対１で対応している。各マイクロミラーのミラー面（マイクロミラー面）は、凹面である。なお、スクリーン３０ｃにおいて、支持基板は、必須ではない。

スクリーン３０ｃは、例えば、反射ミラーとしての小型の平面鏡の設置位置に該反射ミラーに代えて設置しても良いし、反射ミラーとしての小型の平面鏡で反射された光の光路上に設置されても良い。

この場合、ＭＰＡの各マイクロプリズムに入射した光は、スクリーン３０ｃ内を直進し、ＭＭＡの対応するマイクロミラーに入射し、入射方向と反対方向に反射され、対応するマイクロプリズムのプリズム面に入射する。プリズム面に入射した光は、該プリズム面への入射角に応じた屈折角（入射角が大きいほど大きい屈折角）で屈折され、スクリーン３０ｃへの直進入射光と反対方向に射出される（図１５参照）。

すなわち、スクリーン３０ｃは、光路折り返し機能と全体的な広がりを抑制する機能と拡散板の拡散機能を併有している。

実施例３でも、実施例１、２と同様に、１枚の透明基板の両面にそれぞれＭＬＡとＭＭＡ（鏡面加工を施す）を形成しても良いし、第１の基板にＭＬＡを形成し、第２の基板にＭＭＡを形成し、第１及び第２の基板を接合しても良い。

以上説明した本実施形態のスクリーン（実施例１〜３のスクリーン３０ａ〜３０ｃ）は、複数の集光面（マイクロレンズ面やマイクロミラー面）を含む第１の光学面と、第１の光学面を介した光が入射される第２の光学面と、を備え、第２の光学面は、複数の集光面に対応し、対応する集光面を介した、光の一部（光部分）を屈折させる複数の屈折面（プリズム面）を含む。

この場合、光を部分毎に集光面で集光させ、該集光面を介した光部分を対応する屈折面に入射させることで、該光部分の進行方向（出射角）を制御しつつ該光部分を拡散させることができる。

この結果、所望の視野角を確保でき、かつ該視野角全域で明るさを確保できる。

一方、特許文献１には、中間像が形成されるスクリーンにマイクロレンズアレイを利用し、レンズ形状を調整することでアイボックスサイズを所望の大きさにコントロールする方法が開示されている。

詳述すると、特許文献１では、マイクロレンズの曲率半径を中心付近で大きくし、外周部分で小さくすることで、正面方向から観察する場合には明るさを確保し、アイボックスの端部付近では輝度は低下するが画像の確認が可能になるようにしている。この方法では正面方向での明るさを保ったまま、アイボックスサイズを確保できるが、アイボックス端での輝度低下が大きくなる。すなわち、所望の視野角を確保し、かつ該視野角全域で明るさを確保することができない。

また、屈折面が、対応する集光面の焦点位置近傍に位置している場合には、加工精度が要求される屈折面を小さく設計でき、ひいては加工が容易となる。

すなわち、本実施形態では、マイクロレンズアレイやマイクロミラーアレイを利用したスクリーンにおいて、マイクロレンズやマイクロミラーの焦点位置付近に微小なプリズム構造を配置したことを特徴としている。ＨＵＤ装置の小型化において、スクリーン上にプリズム構造を設けることでスクリーンからの出射角を補正することは有効な手段であるが、プリズム構造加工する際、境界部分を高精度に作製することは困難である。また、マイクロレンズ面とプリズム面のアライメントにも高精度が求められる。プリズム位置をマイクロレンズの焦点位置付近とすることで、プリズム面で光の透過する領域が縮小するため、境界部分の加工精度の余裕やマイクロレンズとプリズムのアライメントの余裕を確保でき、スクリーンの作製が容易になる。

また、第２の光学面が、第１の光学面を介した光の全体的な広がりを抑制する場合には、明るさの低下を抑制することができ、かつスクリーンを介した光が入射される光学部材（例えば凹面ミラー４０）の大型化を抑制できる。

また、屈折面が、対応する集光面の中心に斜入射した、全体的に拡散する光の一部（光部分）を該集光面の光軸側に屈折させる場合には、該集光面からの光部分の進行方向（出射角）を全体的な拡散を抑制する方向に制御することができる。

また、屈折面が、対応する集光面の中心に斜入射した、全体的に拡散する光の一部（光部分）を該集光面の光軸に平行な方向に屈折させる場合には、該集光面からの光部分の進行方向（出射角）を理想的な方向に制御することができる。

また、第１の光学面は基板の一面に形成され、第２の光学面は該基板の他面に形成されている場合には、単一の部品で構成されるため、スクリーン組み付け時に第１の光学面と第２の光学面の位置合わせの必要が無い。

また、第１の光学面が形成された第１の基板と第２の光学面が形成された第２の基板が、第１及び第２の光学面が向き合うように配置されている場合には、微細構造が形成された第１及び第２の光学面を異物などの付着から保護できる。

また、第１の光学面が一面に形成された第１の基板と第２の光学面が形成された第２の基板とが、第１の基板の他面と第２の光学面が向き合うように固定されている場合には、微細構造が形成された第２の光学面を異物などの付着から保護できる。

また、第１の光学面が形成された第１の基板と第２の光学面が一面に形成された第２の基板とが、第１の光学面と第２の基板の他面が向き合うように固定されている場合には、微細構造が形成された第１の光学面を異物などの付着から保護できる。

また、集光面がマイクロレンズ面であり、全体的に拡散する光が第１の光学面側から照射されるように設置される場合には、所望の視野角を確保でき、かつ該視野角全域で明るさを確保できる透過型のスクリーンを提供できる。

また、集光面はマイクロミラー面であり、全体的に拡散する光が第２の光学面側から照射されるように設置される場合には、所望の視野角を確保でき、かつ該視野角全域で明るさを確保できる反射型のスクリーンを提供できる。

また、屈折面は、ブレーズド回折格子の格子面である場合には、樹脂成形により高密度配置が可能である。

また、屈折面（格子面）の傾斜角は、第２の光学面の中心側から外周側にかけて単調増加する（徐々に大きくなる）ため、該屈折面による屈折角を全体的に拡散する光の部分毎の入射角に応じた大きさとすることができる。

また、本実施形態のＨＵＤ装置１００は、光により画像を形成する画像形成手段（光走査手段）と、前記画像を形成した光が照射される本実施形態のスクリーンと、を備えているため、所望のアイボックスサイズを確保でき、かつアイボックス全域で明るさを確保でき、ひいては視認性の良い画像（虚像）を表示できる。

また、反射ミラーとして大型の凹面鏡に代えて小型の平面鏡を用いたり、反射ミラー自体を省略できるため、装置の小型化が可能になる。

また、画像形成手段は、画像情報に応じて変調されたレーザ光を出射する光源部１１と、光源部１１からのレーザ光を偏向する光偏向器１５と、を含む。

この場合、高輝度で高精細な画像を表示できる。

また、本実施形態のＨＵＤ装置１００が、光偏向器１５で偏向されたレーザ光をスクリーンに導く光学系を更に含む場合には、該光学系に光の全体的な広がりを抑制するための凹面鏡や凸レンズのような大型の光学部材を用いる必要がなく、小型の平面鏡を用いることができる。なお、凹面鏡や凸レンズは曲率によって光の広がりを抑制する度合いが決まるが、所望の曲率を確保する必要があるため、同じ大きさの反射面を形成するのに平面鏡よりも大型化する傾向にある。

また、光偏向器１５で偏向されたレーザ光がスクリーンに直接照射される場合には、光の全体的な広がりを抑制するための凹面鏡や凸レンズのような大型の光学部材を設置する必要がなく、小型化を図ることができる。

すなわち、ＨＵＤ装置１００によれば、本実施形態のスクリーンを備えているので、アイボックスの確保とアイボックス全体の明るさを確保しつつ装置の小型化を図ることができる。

また、ＨＵＤ装置１００は、スクリーンを介した光を透過反射部材（フロントウインドシールド５０）に向けて投射する凹面ミラー４０（投光部）を更に備える。

この場合、スクリーンを介した光を透過反射部材の所望の領域に照射することができる。

また、ＨＵＤ装置１００と、該ＨＵＤ装置１００が搭載される移動体と、を備える移動体装置では、移動体の操縦者に対して視認性の良い画像（虚像）を表示できる。

なお、上記実施形態では、屈折面としてブレーズド回折格子の格子面（ブレーズド構造の緩斜面）を用いているが、これに限られない。例えば、ブレーズド構造（鋸歯状構造）の急斜面を用いても良いし、鋸歯の頂部に丸み持たせたような構造の斜面を用いても良いし、鋸歯状構造の頂部を平面で切断して得られる台形の傾斜した上面や斜面を用いても良いし、鋸歯状構造の急斜面を曲面とした構造の緩斜面を用いても良い。すなわち、屈折面としてブレーズド回折格子以外の回折格子の格子面を用いても良い。

また、上記実施形態では、ＭＰＡにおいて、屈折面（格子面）の傾斜角ｔを中心側から外周側にかけて徐々に（連続的に）大きくしているが、これに限られない。例えば、傾斜角ｔを中心側から外側にかけて段階的に大きくしても良い。

また、上記実施形態において、第１の光学面が一面に形成された第１の基板と第２の光学面が一面に形成された第２の基板とが、第１の基板の他面と第２の基板の他面が向き合うように固定されていても良い。具体的には、第１及び第２の基板の他面同士を接合しても良い。

また、上記実施形態では、画像形成手段として、光走査手段を用いているが、例えばＤＭＤパネルや液晶パネル等のパネル方式を用いて良い。この場合も、パネルからの全体的に拡散する光を本実施形態のスクリーンに照射することで、上記実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。

また、上記実施形態のＨＵＤ装置において、投光部は、凹面ミラー４０（凹面鏡）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。

また、上記実施形態では、光源としてＬＤ（端面発光レーザ）を用いているが、例えば面発光レーザ等の他のレーザ等を用いても良い。

また、上記実施形態では、スクリーンの材料に透明基板を用いているが、要は、透光性を有する基板を用いることが好ましい。

また、上記実施形態におけるマイクロレンズやマイクロミラーの形状、配置、数は、適宜変更可能であり、該変更に応じてマクロプリズムの形状、配置、数も適宜変更可能である。

また、上記実施形態では、全体的に拡散する光がスクリーンに照射されているが、全体的に収束する光がスクリーンに照射されても良い。この場合、スクリーンの小型化を図ることができる。そして、この場合、光の全体的な狭まりを抑制するようにＭＰＡを構成することが好ましい。具体的には、ＭＰＡの各プリズム面の傾斜方向を上記実施形態とは逆にすれば良い。この際、ＭＰＡにおいて各プリズム面の傾斜角を中心側から外周側にかけて単調減少するように設定することが好ましい。

また、上記実施形態では、画像表示装置としてのＨＵＤ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、透過反射部材は、移動体のフロントウインドシールドに限らず、例えばサイドウインドシールド、リアウインドシールド等であっても良く、要は、透過反射部材は、虚像を視認する視認者が搭乗する移動体に設けられ、該視認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）であることが好ましい。

また、上記実施形態では、画像表示装置（ＨＵＤ装置）は、例えば車両、航空機、船舶、産業用ロボット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（ＨＵＤ装置）のみならず、例えば、プロジェクタ装置、ヘッドマウントディスプレイ装置、プロンプタ装置等の画像や虚像を表示する他の装置への応用も可能である。例えばプロジェクタに適用する場合には、凹面ミラー４０から投影用のスクリーンや壁面等に光を投射するようにしても良い。

また、上記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可能である。

１１…光源部、１５…光偏向器、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…スクリーン、４０…凹面ミラー（投光部）、５０…フロントウインドシールド（透過反射部材）、１００…ＨＵＤ装置（画像表示装置）。

特開２０１３−０４７７０５

本発明は、光学システム、画像表示装置及び物体装置に関する。

しかしながら、レンズアレイを有するスクリーンを含む従来の光学システムでは、小型化を図ることが困難であった。

本発明は、画像表示装置に用いられる光学システムであって、前記光学システムは、光源部と、該光源部から照射された光を偏向する光偏向器と、該光偏向器により偏向された光を反射する平面鏡と、該平面鏡により反射された光が導かれるスクリーンと、を有し、前記スクリーンは、複数の集光面を含む第１の光学面と、前記第１の光学面を介した光が入射され、前記複数の集光面に対応し、対応する前記集光面を介した、前記光の一部を屈折させる複数の屈折面を含む第２の光学面と、を備えることを特徴とする光学システムである。

本発明によれば、小型化を図ることができる。

Claims (20)

1. 複数の集光面を含む第１の光学面と、
   前記第１の光学面を介した光が入射され、前記複数の集光面に対応し、対応する前記集光面を介した、前記光の一部を屈折させる複数の屈折面を含む第２の光学面と、を備えることを特徴とするスクリーン。
2. 前記屈折面は、対応する前記集光面の焦点位置近傍に位置していることを特徴とする請求項１に記載のスクリーン。
3. 前記第２の光学面は、前記第１の光学面を介した前記光の拡散又は収束を抑制することを特徴とする請求項１又は２に記載のスクリーン。
4. 前記屈折面は、対応する前記集光面の中心に斜入射した、前記光の一部を該集光面の光軸側に屈折させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスクリーン。
5. 前記屈折面は、対応する前記集光面の中心に斜入射した、前記光の一部を該集光面の光軸に平行な方向に屈折させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のスクリーン。
6. 前記第１の光学面は基板の一面に形成され、前記第２の光学面は前記基板の他面に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスクリーン。
7. 前記第１の光学面が形成された第１の基板と、前記第２の光学面が形成された第２の基板が、前記第１及び第２の光学面が向き合うように固定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスクリーン。
8. 前記第１の光学面が一面に形成された第１の基板と前記第２の光学面が形成された第２の基板とが、前記第１の基板の他面と前記第２の光学面が向き合うように固定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスクリーン。
9. 前記第１の光学面が形成された第１の基板と前記第２の光学面が一面に形成された第２の基板とが、前記第１の光学面と前記第２の基板の他面が向き合うように固定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスクリーン。
10. 前記集光面はマイクロレンズ面であり、
    前記光が前記第１の光学面側から照射されるように設置され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スクリーン。
11. 前記集光面はマイクロミラー面であり、
    前記光が前記第２の光学面側から照射されるように設置され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スクリーン。
12. 前記屈折面の傾斜角は、前記第２の光学面の中心側から外周側にかけて単調増加又は単調減少することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のスクリーン。
13. 前記屈折面は、ブレーズド回折格子の格子面であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のスクリーン。
14. 光により画像を形成する画像形成手段と、
    前記画像を形成した光が照射される請求項１〜１３のいずれか一項に記載のスクリーンと、を備える画像表示装置。
15. 前記画像形成手段は、
    画像情報に応じて変調されたレーザ光を出射する光源部と、
    前記光源部からのレーザ光を偏向する光偏向器と、を含むことを特徴とする請求項１４に記載の画像表示装置。
16. 前記光偏向器で偏向されたレーザ光を前記スクリーンに導く光学系を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の画像表示装置。
17. 前記光偏向器で偏向されたレーザ光が前記スクリーンに直接照射されることを特徴とする請求項１５に記載の画像表示装置。
18. 前記スクリーンを介したレーザ光を透過反射部材に向けて投射する投光部を更に備えることを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の画像表示装置。
19. 請求項１８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。
20. 前記物体は、移動体であることを特徴とする請求項１９に記載の物体装置。
    

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