JP5837685B2 - 光源ユニット及びヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロレンズアレイを用いた技術分野に関する。

従来から、ヘッドアップディスプレイやレーザプロジェクタなどに、マイクロレンズアレイを用いた透過型スクリーンを適用する技術が提案されている。例えば、非特許文献１には、レーザプロジェクタによって２枚のマイクロレンズアレイに中間像を生成する方式のヘッドアップディスプレイにおいて、前段のマイクロレンズアレイと後段のマイクロレンズアレイとを焦点距離だけ離間させると共にレンズの輪郭を合わせて対向配置した透過型スクリーンが提案されている。また、特許文献１には、前段のマイクロレンズアレイと後段のマイクロレンズアレイとをマイクロレンズアレイの焦点距離よりも少なくとも離して対向配置すると共に、前段のマイクロレンズアレイにおけるレンズ輪郭の頂点方向と後段のマイクロレンズアレイにおけるレンズ輪郭の頂点方向とをずらして構成した透過型スクリーンが提案されている。その他にも、本発明に関連する技術が特許文献２に記載されている。

特許４７６９９１２号公報 特開平１０−１７０８６０号公報

H. Urey and K. D. Powell, "Microlens-array-based exit-pupil expander for full-color displays", APPLIED OPTICS Vol.44, No.23, p.4930-4936

上記した非特許文献１に記載された構成では、２枚のマイクロレンズアレイを厳密に位置調整する必要があり、スクリーンの作成に手間やコストがかかる傾向にあった。これに対して、特許文献１に記載された構成では、２枚のマイクロレンズアレイを厳密に位置調整する必要がないため、容易且つ低コストでスクリーンを作成することができる。しかしながら、特許文献１に記載された構成では、後段のマイクロレンズアレイに入射する時点で１画素に相当する光が隣接する画素と重なるため、後段のマイクロレンズから射出されるスポットが隣接する画素同士で重なり合う傾向にあった。これは、クロストークと呼ばれる解像度が劣化する原因として知られている（例えば特許文献２参照）。

本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、マイクロレンズアレイを用いた構成において、画像の解像度を適切に向上させることが可能な光源ユニット及びヘッドアップディスプレイを提供することを課題とする。

請求項１に記載の発明では、光源ユニットは、光を出射する光源と、前記光源から出射された光のスポット径を絞り込む絞り手段と、前記絞り手段によって絞り込まれた光が入射される第１マイクロレンズアレイと、前記第１マイクロレンズアレイから出射された光が入射される第２マイクロレンズアレイと、を備え、前記絞り手段は、前記光源から出射された光のスポット径を、前記第１マイクロレンズアレイに配列されたマイクロレンズ同士の間隔と同程度の大きさに絞り込んだ光を、前記第１マイクロレンズアレイに入射させることを特徴とする。

請求項９に記載の発明では、ヘッドアップディスプレイは、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光源ユニットを備え、前記光源ユニットによって形成された画像をユーザの目の位置から虚像として視認させることを特徴とする。

比較例に係る光学素子の問題点を説明するための図を示す。 入射スポット径と射出瞳分布との関係を説明するための図を示す。 入射スポットを小さく絞ることが困難である理由を説明するための図を示す。 本実施例に係る光学素子の概略構成図を示す。 本実施例に係る光学素子による光線追跡結果を示す。 焦点距離が十分に長いマイクロレンズアレイを用いた場合のシミュレーション結果例を示す。 本実施例に係る光学素子が適用された画像表示装置の構成を示す。 変形例１に係る光学素子の概略構成図を示す。 変形例２に係る光学素子の概略構成図を示す。 変形例４に係るマイクロレンズアレイの概略構成図を示す。

本発明の１つの観点では、光源ユニットは、光を出射する光源と、前記光源から出射された光のスポット径を絞り込む絞り手段と、前記絞り手段によって絞り込まれた光が入射される第１マイクロレンズアレイと、前記第１マイクロレンズアレイから出射された光が入射される第２マイクロレンズアレイと、を備える。

上記の光源ユニットは、光源から出射された光のスポット径を絞り手段によって絞り込み、絞り手段によって絞り込まれた光を第１マイクロレンズアレイに入射させ、第１マイクロレンズアレイから出射された光を第２マイクロレンズアレイに入射させる。これにより、第２マイクロレンズアレイから出射される光のスポットを小さくすることができるため、画像の解像度を適切に向上させることが可能となる。

上記の光源ユニットの一態様では、前記絞り手段は、前記光源から出射された光のスポット径を、前記第１マイクロレンズアレイに配列されたマイクロレンズ同士の間隔と同程度の大きさに絞り込んだ光を、前記第１マイクロレンズアレイに入射させる。これにより、輝度むらの影響を適切に軽減し、画像の解像度を向上させることが可能となる。

上記の光源ユニットにおいて好適には、前記絞り手段として、マイクロレンズアレイを用いることができる。また好ましくは、前記絞り手段の前記マイクロレンズアレイに配列されたマイクロレンズ同士の間隔は、前記光源から出射された光のスポット径と同程度に構成されている。

上記の光源ユニットの他の一態様では、前記絞り手段と前記第１マイクロレンズアレイとは一の光学素子として一体に構成されており、当該光学素子の一方の面に前記絞り手段が形成され、当該光学素子の他方の面に前記第１マイクロレンズアレイが形成されている。これにより、第１マイクロレンズアレイに入射される光のスポット径が所望の値になることが保証されるため、組立て調整の手間を省くことができる。また、製造コストを低減することができる。

上記の光源ユニットの他の一態様では、前記第１マイクロレンズアレイと前記第２マイクロレンズアレイとは一の光学素子として一体に構成されており、当該光学素子の一方の面に前記第１マイクロレンズアレイが形成され、当該光学素子の他方の面に前記第２マイクロレンズアレイが形成されている。これにより、製造コストを低減することができる。

上記の光源ユニットの他の一態様では、前記第１マイクロレンズアレイと前記第２マイクロレンズアレイとは、前記第１マイクロレンズアレイに配列されたマイクロレンズの焦点距離よりも長い距離だけ離間している。これにより、第１マイクロレンズアレイと第２マイクロレンズアレイとを対向配置する際に要する精度を下げることができる。

上記の光源ユニットにおいて好適には、前記第１マイクロレンズアレイに配列されたマイクロレンズ同士の間隔と、前記第２マイクロレンズアレイに配列されたマイクロレンズ同士の間隔とは、同程度である。

また、上記の光源ユニットにおいて好適には、前記第１マイクロレンズアレイに配列されたマイクロレンズ同士の間隔は、前記光源から出射された光のスポット径よりも小さい。

上記した光源ユニットは、画像をユーザの目の位置から虚像として視認させるヘッドアップディスプレイに好適に適用することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。

［比較例などの問題点］
まず、本実施例の内容を説明する前に、上述した特許文献１に記載された構成（以下では「比較例」と呼ぶ。）の問題点について説明する。

図１は、比較例に係る光学素子１１ｘの問題点を説明するための図を示している。図１（ａ）及び図１（ｂ）は、比較例に係る光学素子１１ｘの概略構成を示す図である。図１（ａ）は、図示しない光源から出射された光の進行方向に垂直な面にて光学素子１１ｘを切断した断面図を示している。また、光学素子１１ｘの一部分を拡大して表した断面図を示している。

図１（ａ）に示すように、比較例に係る光学素子１１ｘは、それぞれ複数のマイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２が配列されたマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２を有する。マイクロレンズアレイＭＬＡ１には、画像を表示するための光を照射する光源（不図示）から出射された光が入射され、マイクロレンズアレイＭＬＡ２には、マイクロレンズアレイＭＬＡ１から出射された光が入射される。マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２は、いわゆる透過型スクリーンとして機能する。

また、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２は、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２が形成された面が向き合うように対向配置されている。この場合、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２は、マイクロレンズＭＬ１の焦点距離よりも少なくとも長い距離だけ離間した位置に対向配置されている。具体的には、マイクロレンズアレイＭＬＡ１とマイクロレンズアレイＭＬＡ２とは、マイクロレンズＭＬ１の焦点距離の２倍よりも長い距離だけ離間して対向配置されている。

図１（ｂ）は、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２の平面図を示す。具体的には、光の進行方向に沿った方向から観察した、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２の一部分を拡大して表した平面図を示している。図１（ｂ）に示すように、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２は、平面視において正六角形状のレンズ輪郭で構成されている。また、マイクロレンズアレイＭＬＡ１に配列されたマイクロレンズＭＬ１のレンズピッチＰ１と、マイクロレンズアレイＭＬＡ２に配列されたマイクロレンズＭＬ２のレンズピッチＰ２とは、同程度となっている（Ｐ１≒Ｐ２）。更に、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２は、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２のレンズ輪郭である正六角形状が互いに３０度だけ回転した関係になるように配置されている。つまり、マイクロレンズアレイＭＬＡ１に配列されたマイクロレンズＭＬ１のレンズ輪郭である正六角形状の頂点方向と、マイクロレンズアレイＭＬＡ２に配列されたマイクロレンズＭＬ２のレンズ輪郭である正六角形状の頂点方向との角度差が３０度に構成されている。なお、当該頂点方向は、レンズ輪郭である正六角形の中心点（重心）から、正六角形の各頂点へ向かう方向により規定される（以下同様とする）。

なお、レンズピッチレンズピッチＰ１、Ｐ２は、言い換えるとマイクロレンズアレイＭＬＡ１及びマイクロレンズアレイＭＬＡ２に配列された隣接するマイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２同士の間隔であり、隣接するマイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２の重心同士の間隔（つまり中心同士の距離）に相当する。このようなレンズピッチの定義は、以下でも同様に適用されるものとする。

比較例では、光源から出射される光のスポット径ＳＰ１（１画素に相当する光のスポット径に相当する）は、マイクロレンズアレイＭＬＡ１に配列されたマイクロレンズＭＬ１のレンズピッチＰ１よりも大きい（ＳＰ１＞Ｐ１）。つまり、比較例では、１画素に相当する光が、複数のマイクロレンズＭＬ１に入射される。

以下では、光源から出射される１画素に相当する光のスポットを「入射スポット」と呼び、入射スポットの径を「入射スポット径」と呼ぶ。入射スポット径は、入射光の強度が所定値（例えば最大値の半値）となる円の直径と定義される（以下同様とする）。

図１（ｃ）は、比較例に係る光学素子１１ｘによる光線追跡結果を示している。図１（ｃ）では、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２に配列された複数のマイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２を重ねて示している。また、ここでは、１画素に相当する光についての光線追跡結果を示している。なお、光線追跡結果はシミュレーションなどにより求められる。

図１（ｃ）に示すように、比較例に係る構成では、マイクロレンズアレイＭＬＡ２から出射される光のスポット径ＳＰ２が、マイクロレンズアレイＭＬＡ１に入射する光のスポット径ＳＰ１（つまり入射スポット径）よりも大きいことがわかる（ＳＰ２＞ＳＰ１）。これは、マイクロレンズアレイＭＬＡ１とマイクロレンズアレイＭＬＡ２がＭＬＡ１の焦点距離の２倍より大きく離間して対向配置されているためである。なお、以下では、マイクロレンズアレイＭＬＡ２から出射される光のスポットを「射出スポット」と呼び、射出スポットの径を「射出スポット径」と呼ぶ。

このように比較例に係る構成では、後段のマイクロレンズアレイＭＬＡ２に入射する時点で１画素に相当する光が隣接する画素と重なるため、マイクロレンズアレイＭＬＡ２から射出されるスポット（つまり射出スポット）が隣接する画素同士で重なり合ってしまう。そのため、解像度が劣化するクロストークが発生する傾向にある。なお、このようなクロストークは、マイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１を小さくすることで、その影響を軽減することができる。

次に、図２を参照して、入射スポット径と射出瞳分布との関係について説明する。ここでは、平面視において正六角形状のレンズ輪郭で構成されたマイクロレンズＭＬ１が格子状に配列されたマイクロレンズアレイＭＬＡ１を例に挙げる。

図２（ａ）は、マイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１の２倍程度の入射スポット径ＳＰ１１を用いた場合の図を示している（ＳＰ１１≒２×Ｐ１）。図２（ａ）では、入射スポット径ＳＰ１１を破線で表しており、この破線で示す円周は、入射光の強度が最大値の半値となる箇所を表している（図２（ｃ）でも同様とする）。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すような入射スポット径ＳＰ１１を用いた場合の、射出瞳の強度分布を示している。射出瞳の強度分布は、マイクロレンズアレイＭＬＡ１からの光によってマイクロレンズアレイＭＬＡ２の表面上に形成される分布である（図２（ｄ）でも同様とする）。図２（ｂ）に示すように、入射スポット径ＳＰ１１がマイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１よりもかなり大きい場合には、射出瞳の強度分布において明るい点の並びが疎になっていることがわかる。この場合には、観測される像のむらが大きくなる傾向にある。

図２（ｃ）は、マイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１と同程度である入射スポット径ＳＰ１２を用いた場合の図を示している（ＳＰ１２≒Ｐ１）。図２（ｄ）は、図２（ｃ）に示すような入射スポット径ＳＰ１２を用いた場合の、射出瞳の強度分布を示している。図２（ｄ）に示すように、入射スポット径ＳＰ１１がマイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１と同程度である場合には、射出瞳の強度分布が密になっていることがわかる。この場合には、むらの少ない像が観測される。

以上のことから、マイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１を小さくすることでクロストークの影響を軽減できるものの、入射スポット径がマイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１よりもかなり大きいと、マイクロレンズアレイＭＬＡ１の射出瞳の輝度むらが大きくなると言える。これに対して、入射スポット径がマイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１と同程度であれば、輝度むらが僅かになると言える。したがって、マイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１を小さくすると共に、そのようなレンズピッチＰ１と同程度まで入射スポット径を絞り込めば、輝度むらの影響を軽減し解像度を上げることができるものと考えられる。

しかしながら、光源から出射された光をＭＥＭＳミラーで走査して画像を表示させるような装置（例えばレーザプロジェクタ）では、入射スポットを小さく絞ることは困難である。この理由について、図３を参照して具体的に説明する。

図３は、光源から出射された光をＭＥＭＳミラー１０によってマイクロレンズアレイＭＬＡ１（スクリーン）上を走査させる構成について図示している。図３（ａ）は、ＭＥＭＳミラー１０とマイクロレンズアレイＭＬＡ１とが離れている場合を示している。図３（ａ）では、符号ＳＰ５１は画像中心での入射スポットを示しており、符号ＳＰ５２、ＳＰ５３は画像周辺での入射スポットを示している。マイクロレンズアレイＭＬＡ１に入射するスポットは光源とＭＥＭＳミラー１０との間に配置されたコリメータレンズ９３のＮＡ（開口数）によって決定される。ＭＥＭＳミラー１０とマイクロレンズアレイＭＬＡ１とが離れている場合には、コリメータレンズ９３のＮＡを低くしなければならないため、入射スポットを絞るのが難しいことがわかる。

図３（ｂ）は、ＭＥＭＳミラー１０とマイクロレンズアレイＭＬＡ１とがある程度近い場合を示している。図３（ｂ）では、符号ＳＰ６１は画像中心での入射スポットを示しており、符号ＳＰ６２、ＳＰ６３は画像周辺での入射スポットを示している。図３（ｂ）のように、画像中心では入射スポットを絞れるが、画像周辺では入射スポットを絞れない。これは、ＭＥＭＳミラー１０をマイクロレンズアレイＭＬＡ１に近付けると、同じ大きさの中間像を生成するためにはスキャン角度を大きくする必要があり、現実的な形状である平面基板にレンズが形成されたマイクロレンズアレイＭＬＡ１においては、画像中心部と画像周辺部とでＭＥＭＳミラー１０からの距離の差が大きいことによるデフォーカスと、画像周辺部で入射角度が大きくなることによるスポットの伸びとが生じるためである。

以上のことから、光をＭＥＭＳミラー１０で走査して画像を表示させるような装置では、入射スポットを小さく絞ることは困難であると言える。なお、ＭＥＭＳミラー１０とマイクロレンズアレイＭＬＡ１が離れている場合でも口径の大きなコリメータレンズ９３を用いればＮＡを大きく取る事は可能だが、実際にはＭＥＭＳミラー１０のサイズの制約からＭＥＭＳミラー１０で光が蹴られてしまう。また、ＮＡを大きくするためにＭＥＭＳミラー１０をマイクロレンズアレイＭＬＡ１に近付けると、図３（ｂ）で示したような現象が生じる。

［本実施例の構成］
本実施例では、上記で説明したような内容を受けて、光源から出射された光のスポット径をさらに絞り込んだ光を、マイクロレンズアレイＭＬＡ１に入射させる。具体的には、本実施例では、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２とは別のマイクロレンズアレイを、マイクロレンズアレイＭＬＡ１よりも光の入射側に配置し、そのようなマイクロレンズアレイによって光源からの光を絞り込んだ光を、マイクロレンズアレイＭＬＡ１に入射させる。この場合、入射スポット径をマイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１と同程度の大きさにまで絞り込んだ光を、マイクロレンズアレイＭＬＡ１に入射させる。

図４は、本実施例に係る光学素子１１の概略構成を示す図である。図４（ａ）は、図示しない光源から出射された光の進行方向に垂直な面にて光学素子１１を切断した断面図を示している。また、光学素子１１の一部分を拡大して表した断面図を示している。また、図４（ｂ）は、光学素子１１が有するマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２、ＭＬ３の平面図を示す。具体的には、光の進行方向に沿った方向から観察した、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２、ＭＬ３の一部分を拡大して表した平面図を示している。

図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施例に係る光学素子１１は、比較例に係る光学素子１１ｘと異なり、マイクロレンズアレイＭＬＡ１よりも光の入射側に配置されたマイクロレンズアレイＭＬＡ３を更に有する。マイクロレンズアレイＭＬＡ３には、画像を表示するための光を照射する光源（不図示）から出射された光が入射され、マイクロレンズアレイＭＬＡ１には、マイクロレンズアレイＭＬＡ３から出射された光が入射され、マイクロレンズアレイＭＬＡ２には、マイクロレンズアレイＭＬＡ１から出射された光が入射される。

マイクロレンズアレイＭＬＡ３は本発明における「絞り手段」の一例であり、マイクロレンズアレイＭＬＡ１は本発明における「第１マイクロレンズアレイ」の一例であり、マイクロレンズアレイＭＬＡ２は本発明における「第２マイクロレンズアレイ」の一例である。また、図示しない光源と、マイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ３とを少なくとも具備して構成される構成部は、本発明に係る「光源ユニット」の一例に相当する。

マイクロレンズアレイＭＬＡ３は、平凸レンズアレイとして構成されており、光源からの光が入射する面に複数のマイクロレンズＭＬ３が形成されている。また、マイクロレンズアレイＭＬＡ３は、マイクロレンズＭＬ３のレンズピッチＰ３が、光源から出射される１画素に相当する光のスポット径ＳＰ１（つまり入射スポット径）と同程度に構成されている（Ｐ３≒ＳＰ１）。更に、マイクロレンズＭＬ３は、平面視において正六角形状のレンズ輪郭で構成されている。

マイクロレンズアレイＭＬＡ１は、マイクロレンズアレイＭＬＡ３と対向配置されており、例えばマイクロレンズアレイＭＬＡ３の焦点深度の範囲内に配置されている。マイクロレンズアレイＭＬＡ１には、マイクロレンズアレイＭＬＡ３によって絞り込まれた、スポット径ＳＰ３を有する光が入射される。このスポット径ＳＰ３は、マイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１と同程度の大きさである（ＳＰ３≒Ｐ１）。つまり、マイクロレンズアレイＭＬＡ３は、入射スポット径ＳＰ１をレンズピッチＰ１と同程度の大きさであるスポット径ＳＰ３にまで絞り込んだ光を、マイクロレンズアレイＭＬＡ１に入射させる。

マイクロレンズアレイＭＬＡ２は、マイクロレンズアレイＭＬＡ１と対向配置されており、マイクロレンズＭＬ１の焦点距離よりも少なくとも長い距離だけ離間した位置に配置されている。具体的には、マイクロレンズアレイＭＬＡ１とマイクロレンズアレイＭＬＡ２とは、マイクロレンズＭＬ１の焦点距離の２倍よりも長い距離だけ離間して対向配置されている。また、マイクロレンズアレイＭＬＡ１に配列されたマイクロレンズＭＬ１のレンズピッチＰ１と、マイクロレンズアレイＭＬＡ２に配列されたマイクロレンズＭＬ２のレンズピッチＰ２とが同程度になるように構成されている（Ｐ１≒Ｐ２）。更に、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２は、平面視において正六角形状のレンズ輪郭で構成されている。加えて、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２は、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２のレンズ輪郭である正六角形状が互いに３０度だけ回転した関係になるように配置されている。

図５は、本実施例に係る光学素子１１による光線追跡結果を示している。図５では、説明の便宜上、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２のみを図示しており（マイクロレンズアレイＭＬＡ３は図示していない）、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２に配列された複数のマイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２を重ねて示している。また、ここでは、１画素に相当する光についての光線追跡結果を示している。加えて、図５の左下に、参考のために、光源から出射された１画素に相当する光のスポット径ＳＰ１（つまり入射スポット径）を示している。なお、光線追跡結果はシミュレーションなどにより求められる。

図５に示すように、本実施例に係る構成によれば、マイクロレンズアレイＭＬＡ２から出射される光のスポット径ＳＰ４（つまり射出スポット径）が、入射スポット径ＳＰ１と同程度になっていることがわかる。つまり、本実施例に係る構成によれば、最前段のマイクロレンズアレイＭＬＡ３に入射される光のスポット径である入射スポット径ＳＰ１と同程度の大きさまで、射出スポット径ＳＰ４を縮小できていることがわかる。これは、マイクロレンズアレイＭＬＡ３によって、入射スポット径ＳＰ１をレンズピッチＰ１と同程度の大きさであるスポット径ＳＰ３にまで絞り込んだ光を、マイクロレンズアレイＭＬＡ１に入射させたためであると考えられる。

以上説明した本実施例によれば、射出スポット径ＳＰ４を入射スポット径ＳＰ１と同程度にすることができるため、画像の解像度を向上させることができる。また、本実施例では、比較例と同様のマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２を用いているため、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２を厳密に位置調整する必要もない。したがって、本実施例によれば、位置調整の難易度を上げることなく、画像の解像度を向上させることができる。

なお、上記では、マイクロレンズアレイＭＬＡ３によって、入射スポット径ＳＰ１をマイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１と同程度に絞り込むことを述べた。入射スポット径ＳＰ１をレンズピッチＰ１と同一のサイズにまで絞り込むことが好適であるが、入射スポット径ＳＰ１をレンズピッチＰ１と完全に同一のサイズにまで絞り込まなくても、上記したような本実施例の効果が得られる。つまり、入射スポット径ＳＰ１をレンズピッチＰ１よりも若干大きなサイズにまで絞り込んだ場合や、入射スポット径ＳＰ１をレンズピッチＰ１よりも若干小さなサイズにまで絞り込んだ場合にも、本実施例の効果が得られる。例えば、許容される解像度などに基づいて、マイクロレンズアレイＭＬＡ３によって入射スポット径ＳＰ１を絞り込むサイズを決めることができる。

また、上記では、マイクロレンズアレイＭＬＡ３のレンズピッチＰ３が、入射スポット径ＳＰ１と同程度であることを述べた。レンズピッチＰ３を入射スポット径ＳＰ１と同一に構成することが好適であるが、レンズピッチＰ３を入射スポット径ＳＰ１と完全に同一に構成しなくても構わない。レンズピッチＰ３を入射スポット径ＳＰ１よりも若干長く構成しても良いし、レンズピッチＰ３を入射スポット径ＳＰ１よりも若干短く構成しても良い。

また、上記では、マイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１とマイクロレンズアレイＭＬＡ２のレンズピッチＰ２とを同程度にすることを述べた。レンズピッチＰ１とレンズピッチＰ２とを同一に構成することが好適であるが、レンズピッチＰ１とレンズピッチＰ２とを完全に同一に構成しなくても構わない。但し、レンズピッチＰ１とレンズピッチＰ２とを同一に構成する場合には、同一の金型などを用いてマイクロレンズアレイＭＬＡ１及びマイクロレンズアレイＭＬＡ２を製造することができるため、これらを容易且つ低コストで製造することが可能となる。

［好適な設計例］
次に、上記したマイクロレンズアレイＭＬＡ３の好適な設計例について説明する。マイクロレンズアレイＭＬＡ３としては、マイクロレンズアレイＭＬＡ１に入射する光によって形成されるスポット径ＳＰ３（図４など参照）がＭＥＭＳミラー１０のスキャン角度によって大きく変わらないような、焦点距離が十分に長く焦点深度が深いマイクロレンズＭＬ３を有するものを用いることが好適である。つまり、マイクロレンズアレイＭＬＡ１に入射する光によるスポットサイズ（波動光学的に求めたスポットサイズ）が画像中心と画像周辺とで同程度となるように、焦点距離が十分に長く焦点深度が深いマイクロレンズアレイＭＬＡ３を用いることが好適である。

図６は、焦点距離が十分に長く焦点深度が深いマイクロレンズアレイＭＬＡ３を用いた場合のシミュレーション結果例を示している。ここでは、ＭＥＭＳミラー１０とマイクロレンズアレイＭＬＡ３との間隔を「１００（ｍｍ）」とし、マイクロレンズアレイＭＬＡ３とマイクロレンズアレイＭＬＡ１との間隔を「２１（ｍｍ）」とし、焦点距離が「１９．５（ｍｍ）」で、中心厚みが「１（ｍｍ）」で、レンズピッチＰ３が「１００（μｍ）」であるマイクロレンズアレイＭＬＡ３を用いた場合を例示する。なお、入射スポット径ＳＰ１は「１００（μｍ）」程度であるものとする。

図６（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、上側に、ＭＥＭＳミラー１０からマイクロレンズアレイＭＬＡ２までの光線追跡結果の上面図を示しており、下側に、マイクロレンズアレイＭＬＡ１に入射する光の強度分布を示している。具体的には、図６（ａ）はスキャン角度が０度である場合の図を示し、図６（ｂ）はスキャン角度が２度である場合の図を示し、図６（ｃ）はスキャン角度が８度である場合の図を示し、図６（ｄ）はスキャン角度が１４度である場合の図を示している。また、図６（ａ）〜（ｄ）において下側のグラフ中に提示した矢印は、マイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１を表している。例えば、レンズピッチＰ１は「４０（μｍ）」程度である。

図６（ａ）〜（ｄ）より、画像中心と画像周辺とで概ね同等サイズのスポットがマイクロレンズアレイＭＬＡ１上に形成されており、その半値幅がマイクロレンズアレイＭＬＡ１のレンズピッチＰ１と同程度となっていることがわかる。したがって、図６において例示したような特性を有するマイクロレンズアレイＭＬＡ３を用いることが好適であると言える。

［好適な適用例］
次に、図７を参照して、上記した本実施例に係る光学素子１１の好適な適用例について説明する。

図７は、本実施例に係る光学素子１１が適用された画像表示装置１の構成を示す。図７に示すように、画像表示装置１は、画像信号入力部２と、ビデオＡＳＩＣ３と、フレームメモリ４と、ＲＯＭ５と、ＲＡＭ６と、レーザドライバＡＳＩＣ７と、ＭＥＭＳ制御部８と、レーザ光源ユニット９と、ＭＥＭＳミラー１０と、光学素子１１と、を備える。

画像表示装置１は、例えばヘッドアップディスプレイに適用される。ヘッドアップディスプレイは、画像をユーザ（例えば車両の運転者）の目の位置から虚像として視認させる装置である。

画像信号入力部２は、外部から入力される画像信号を受信してビデオＡＳＩＣ３に出力する。

ビデオＡＳＩＣ３は、画像信号入力部２から入力される画像信号及びＭＥＭＳミラー１０から入力される走査位置情報Ｓｃに基づいてレーザドライバＡＳＩＣ７やＭＥＭＳ制御部８を制御するブロックであり、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）として構成されている。ビデオＡＳＩＣ３は、同期／画像分離部３１と、ビットデータ変換部３２と、発光パターン変換部３３と、タイミングコントローラ３４と、を備える。

同期／画像分離部３１は、画像信号入力部２から入力された画像信号から、画像表示部であるスクリーンに表示される画像データと同期信号とを分離し、画像データをフレームメモリ４へ書き込む。

ビットデータ変換部３２は、フレームメモリ４に書き込まれた画像データを読み出してビットデータに変換する。

発光パターン変換部３３は、ビットデータ変換部３２で変換されたビットデータを、各レーザの発光パターンを表す信号に変換する。

タイミングコントローラ３４は、同期／画像分離部３１、ビットデータ変換部３２の動作タイミングを制御する。また、タイミングコントローラ３４は、後述するＭＥＭＳ制御部８の動作タイミングも制御する。

フレームメモリ４には、同期／画像分離部３１により分離された画像データが書き込まれる。ＲＯＭ５は、ビデオＡＳＩＣ３が動作するための制御プログラムやデータなどを記憶している。ＲＡＭ６には、ビデオＡＳＩＣ３が動作する際のワークメモリとして、各種データが逐次読み書きされる。

レーザドライバＡＳＩＣ７は、後述するレーザ光源ユニット９に設けられるレーザダイオードを駆動する信号を生成するブロックであり、ＡＳＩＣとして構成されている。レーザドライバＡＳＩＣ７は、赤色レーザ駆動回路７１と、青色レーザ駆動回路７２と、緑色レーザ駆動回路７３と、を備える。

赤色レーザ駆動回路７１は、発光パターン変換部３３が出力する信号に基づき、赤色レーザＬＤ１を駆動する。青色レーザ駆動回路７２は、発光パターン変換部３３が出力する信号に基づき、青色レーザＬＤ２を駆動する。緑色レーザ駆動回路７３は、発光パターン変換部３３が出力する信号に基づき、緑色レーザＬＤ３を駆動する。

ＭＥＭＳ制御部８は、タイミングコントローラ３４が出力する信号に基づきＭＥＭＳミラー１０を制御する。ＭＥＭＳ制御部８は、サーボ回路８１と、ドライバ回路８２と、を備える。

サーボ回路８１は、タイミングコントローラからの信号に基づき、ＭＥＭＳミラー１０の動作を制御する。

ドライバ回路８２は、サーボ回路８１が出力するＭＥＭＳミラー１０の制御信号を所定レベルに増幅して出力する。

レーザ光源ユニット９は、レーザドライバＡＳＩＣ７から出力される駆動信号に基づいて、レーザ光をＭＥＭＳミラー１０へ出射する。

走査手段としてのＭＥＭＳミラー１０は、レーザ光源ユニット９から出射されたレーザ光を光学素子１１に向けて反射する。こうすることで、ＭＥＭＳミラー１０は、光学素子１１上に表示すべき画像を形成する。また、ＭＥＭＳミラー１０は、画像信号入力部２に入力された画像を表示するためにＭＥＭＳ制御部８の制御により光学素子１１上を走査（スキャン）するように移動し、その際の走査位置情報（例えばミラーの角度などの情報）をビデオＡＳＩＣ３へ出力する。

光学素子１１は、ＭＥＭＳミラー１０から出射されたレーザ光が入射され、当該レーザ光を上記したようなマイクロレンズアレイＭＬＡ３、ＭＬＡ１、ＭＬＡ３を介して出射する。画像表示装置１は、このような光学素子１１から出射された光を、反射ミラー（不図示）で反射させた光や拡大素子（不図示）で拡大させた光などに対応する画像を、ユーザの目の位置（アイポイント）から虚像として視認させる。

次に、レーザ光源ユニット９の詳細な構成を説明する。レーザ光源ユニット９は、ケース９１と、波長選択性素子９２と、コリメータレンズ９３と、赤色レーザＬＤ１と、青色レーザＬＤ２と、緑色レーザＬＤ３と、モニタ用受光素子（以下、単に「受光素子」と呼ぶ。）５０と、を備える。

ケース９１は、樹脂などにより略箱状に形成される。ケース９１には、緑色レーザＬＤ３を取り付けるために、ケース９１内へ貫通する孔が設けられているとともに断面が凹状のＣＡＮ取付部９１ａと、ＣＡＮ取付部９１ａと直交する面に設けられ、ケース９１内へ貫通する孔が設けられているとともに断面が凹状のコリメータ取付部９１ｂと、が形成されている。

合成素子としての波長選択性素子９２は、例えばトリクロイックプリズムにより構成され、反射面９２ａと反射面９２ｂが設けられている。反射面９２ａは、赤色レーザＬＤ１から出射されたレーザ光をコリメータレンズ９３へ向かって透過させ、青色レーザＬＤ２から出射されたレーザ光をコリメータレンズ９３へ向かって反射させる。反射面９２ｂは、赤色レーザＬＤ１および青色レーザＬＤ２から出射されたレーザ光の大部分をコリメータレンズ９３へ向かって透過させ、その一部を受光素子５０へ向かって反射させる。また、反射面９２ｂは、緑色レーザＬＤ３から出射されたレーザ光の大部分をコリメータレンズ９３へ向かって反射させ、その一部を受光素子５０へ向かって透過させる。こうして、各レーザからの出射光が重ね合わされて、コリメータレンズ９３および受光素子５０に入射される。なお、波長選択性素子９２は、ケース９１内のコリメータ取付部９１ｂの近傍に設けられている。

コリメータレンズ９３は、波長選択性素子９２から入射したレーザ光を平行光にしてＭＥＭＳミラー１０へ出射する。コリメータレンズ９３は、ケース９１のコリメータ取付部９１ｂに、ＵＶ系接着剤などで固定される。即ち、合成素子の後段にコリメータレンズ９３が設けられている。

レーザ光源としての赤色レーザＬＤ１は、赤色のレーザ光を出射する。赤色レーザＬＤ１は、半導体レーザ光源がチップ状態のまま、又は、チップがサブマウントなどに載置された状態で、ケース９１内の波長選択性素子９２及びコリメータレンズ９３と同軸となる位置に固定されている。

レーザ光源としての青色レーザＬＤ２は、青色のレーザ光を出射する。青色レーザＬＤ２は、半導体レーザ光源がチップ状態のまま、又は、チップがサブマウントなどに載置された状態で、出射したレーザ光が反射面９２ａによってコリメータレンズ９３へ向かって反射できる位置に固定されている。この赤色レーザＬＤ１と青色レーザＬＤ２の位置は入れ替わってもよい。

レーザ光源としての緑色レーザＬＤ３は、ＣＡＮパッケージに取り付けられた状態又はフレームパッケージに取り付けられた状態であり、緑色のレーザ光を出射する。緑色レーザＬＤ３は、ＣＡＮパッケージ内に緑色のレーザ光を発生する半導体レーザ光源チップＢが取り付けられており、ケース９１のＣＡＮ取付部９１ａに固定されている。

受光素子５０は、各レーザ光源から出射されたレーザ光の一部を受光する。受光素子５０は、フォトディテクタなどの光電変換素子であり、入射したレーザ光の光量に応じた電気信号である検出信号ＳｄをレーザドライバＡＳＩＣ７へ供給する。実際には、パワー調整時には、赤色レーザ光、青色レーザ光及び緑色レーザ光のうちの１つが順に受光素子５０へ入射され、受光素子５０は、そのレーザ光の光量に対応する検出信号Ｓｄを出力する。レーザドライバＡＳＩＣ７は、検出信号Ｓｄに応じて、赤色レーザＬＤ１、青色レーザＬＤ２及び緑色レーザＬＤ３のパワー調整を行う。

例えば、赤色レーザＬＤ１のパワー調整を行う場合、レーザドライバＡＳＩＣ７は赤色レーザ駆動回路７１のみを動作させ、赤色レーザＬＤ１へ駆動電流を供給して赤色レーザＬＤ１から赤色レーザ光を出射させる。この赤色レーザ光の一部は受光素子５０により受光され、その光量に応じた検出信号ＳｄがレーザドライバＡＳＩＣ７へフィードバックされる。レーザドライバＡＳＩＣ７は、検出信号Ｓｄが示す光量が適正な光量となるように、赤色レーザ駆動回路７１から赤色レーザＬＤ１へ供給される駆動電流を調整する。こうして、パワー調整がなされる。青色レーザＬＤ２のパワー調整及び緑色レーザＬＤ３のパワー調整も同様に行われる。

なお、上記したようなレーザ光源ユニット９と光学素子１１とを少なくとも具備して構成される構成部は、本発明に係る「光源ユニット」の一例に相当する。

［変形例］
以下では、上記した実施例の変形例について説明する。なお、上記した実施例と同様の構成については、実施例で示した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。また、特に説明しない構成については、実施例と同様であるものとする。

（変形例１）
図８は、変形例１に係る光学素子１１ａの概略構成を示す図である。図８は、図示しない光源から出射された光の進行方向に垂直な面にて光学素子１１ａを切断した断面図を示している。また、光学素子１１ａの一部分を拡大して表した断面図を示している。

図８に示すように、変形例１に係る光学素子１１ａは、マイクロレンズアレイＭＬＡ３の代わりにマイクロレンズアレイＭＬＡ３ａを有する点で、実施例に係る光学素子１１と異なる。具体的には、実施例に係るマイクロレンズアレイＭＬＡ３では、光が入射する面に複数のマイクロレンズＭＬ３が形成されていたが、変形例１に係るマイクロレンズアレイＭＬＡ３ａでは、光が入射する面と反対側の面に複数のマイクロレンズＭＬ３が形成されている。このようなマイクロレンズアレイＭＬＡ３ａも、実施例に係るマイクロレンズアレイＭＬＡ３と同様に機能する。

（変形例２）
図９は、変形例２に係る光学素子１１ｂの概略構成を示す図である。図９は、図示しない光源から出射された光の進行方向に垂直な面にて光学素子１１ｂを切断した断面図を示している。また、光学素子１１ｂの一部分を拡大して表した断面図を示している。

図９に示すように、変形例２に係る光学素子１１ｂは、マイクロレンズアレイＭＬＡ３及びマイクロレンズアレイＭＬＡ１の代わりに、１つのマイクロレンズアレイＭＬＡ４を有する点で、実施例に係る光学素子１１と異なる。具体的には、変形例２に係るマイクロレンズアレイＭＬＡ４は、一方の面に、実施例に係るマイクロレンズアレイＭＬＡ３と同様のマイクロレンズＭＬ３が形成されており、他方の面に、実施例に係るマイクロレンズアレイＭＬＡ１と同様のマイクロレンズＭＬ１が形成されている。つまり、変形例２では、実施例に係るマイクロレンズアレイＭＬＡ３とマイクロレンズアレイＭＬＡ１とが一体に形成されている。

このような変形例２に係るマイクロレンズアレイＭＬＡ４によれば、後段のマイクロレンズＭＬ１に入射される光のスポット径が所望の値になることが保証されるため、組立て調整の手間を省くことができる。

（変形例３）
上記した実施例では、片側の面にのみマイクロレンズＭＬ３が形成されたマイクロレンズアレイＭＬＡ３を示したが、両側の面にマイクロレンズＭＬ３が形成されたマイクロレンズアレイＭＬＡ３を用いても良い。また、上記した実施例では、１つのマイクロレンズアレイＭＬＡ３のみを用いていたが、複数のマイクロレンズアレイＭＬＡ３を用いても良い。

（変形例４）
変形例４は、マイクロレンズアレイＭＬＡ１及びマイクロレンズアレイＭＬＡ２の構成についての他の例に関する。

図１０は、変形例４に係るマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２の概略構成を示す図である。図１０（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、図示しない光源から出射された光の進行方向に垂直な面にて切断した断面図を示している。また、構成要素の一部分を拡大して表した断面図を示している。

図１０（ａ）は、変形例４の第１の例に係るマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２を示している。この例では、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２は、マイクロレンズＭＬ１が形成されていないマイクロレンズアレイＭＬＡ１の面と、マイクロレンズＭＬ２が形成されたマイクロレンズアレイＭＬＡ２の面とが向き合うように対向配置されている。

図１０（ｂ）は、変形例４の第２の例に係るマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２を示している。この例では、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２は、マイクロレンズＭＬ１が形成されたマイクロレンズアレイＭＬＡ１の面と、マイクロレンズＭＬ２が形成されていないマイクロレンズアレイＭＬＡ２の面とが向き合うように対向配置されている。

図１０（ｃ）は、変形例４の第３の例に係るマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２を示している。この例では、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２は、マイクロレンズＭＬ１が形成されていないマイクロレンズアレイＭＬＡ１の面と、マイクロレンズＭＬ２が形成されていないマイクロレンズアレイＭＬＡ２の面とが向き合うように対向配置されている。

図１０（ｄ）は、変形例４の第４の例に係るマイクロレンズアレイＭＬＡ５を示している。第４の例に係るマイクロレンズアレイＭＬＡ５は、一方の面に、マイクロレンズアレイＭＬＡ１と同様のマイクロレンズＭＬ１が形成されており、他方の面に、マイクロレンズアレイＭＬＡ２と同様のマイクロレンズＭＬ２が形成されている。つまり、マイクロレンズアレイＭＬＡ５は、上記したマイクロレンズアレイＭＬＡ１とマイクロレンズアレイＭＬＡ２とが一体に形成されている。このようなマイクロレンズアレイＭＬＡ５によれば、マイクロレンズＭＬＡ１、ＭＬＡ２が形成された１枚の構成要素のみを作成すれば良いため、製造コストをより低減することが可能となる。

（変形例５）
上記では、本発明を、平面視において正六角形状のレンズ輪郭を有するマイクロレンズにて構成されたマイクロレンズアレイに適用する例を示したが、本発明は、種々の形状のレンズ輪郭を有するマイクロレンズにて構成されたマイクロレンズアレイに適用することができる。例えば、本発明は、六角形状（正六角形状でないもの）や、長方形状や、正方形状や、円形などのレンズ輪郭を有するマイクロレンズにて構成されたマイクロレンズアレイに適用することができる。

（変形例６）
上記では本発明をヘッドアップディスプレイに適用する例を示したが、本発明の適用はこれに限定はされない。本発明は、ヘッドアップディスプレイ以外にも、レーザプロジェクタやヘッドマウントディスプレイに適用することができる。

本発明は、ヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイやレーザプロジェクタなどの画像表示装置に利用することができる。

１ 画像表示装置
１０ ＭＥＭＳミラー
１１、１１ａ、１１ｂ 光学素子
ＭＬＡ１、ＭＬＡ２、ＭＬＡ３ マイクロレンズアレイ
ＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ３ マイクロレンズ

Claims (9)

1. 光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光のスポット径を絞り込む絞り手段と、
   前記絞り手段によって絞り込まれた光が入射される第１マイクロレンズアレイと、
   前記第１マイクロレンズアレイから出射された光が入射される第２マイクロレンズアレイと、
   を備え、
   前記絞り手段は、前記光源から出射された光のスポット径を、前記第１マイクロレンズアレイに配列されたマイクロレンズ同士の間隔と同程度の大きさに絞り込んだ光を、前記第１マイクロレンズアレイに入射させることを特徴とする光源ユニット。
2. 前記絞り手段は、マイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項１に記載の光源ユニット。
3. 前記絞り手段の前記マイクロレンズアレイに配列されたマイクロレンズ同士の間隔は、前記光源から出射された光のスポット径と同程度に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光源ユニット。
4. 前記絞り手段と前記第１マイクロレンズアレイとは一の光学素子として一体に構成されており、当該光学素子の一方の面に前記絞り手段が形成され、当該光学素子の他方の面に前記第１マイクロレンズアレイが形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源ユニット。
5. 前記第１マイクロレンズアレイと前記第２マイクロレンズアレイとは一の光学素子として一体に構成されており、当該光学素子の一方の面に前記第１マイクロレンズアレイが形成され、当該光学素子の他方の面に前記第２マイクロレンズアレイが形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源ユニット。
6. 前記第１マイクロレンズアレイと前記第２マイクロレンズアレイとは、前記第１マイクロレンズアレイに配列されたマイクロレンズの焦点距離よりも長い距離だけ離間していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光源ユニット。
7. 前記第１マイクロレンズアレイに配列されたマイクロレンズ同士の間隔と、前記第２マイクロレンズアレイに配列されたマイクロレンズ同士の間隔とは、同程度であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光源ユニット。
8. 前記第１マイクロレンズアレイに配列されたマイクロレンズ同士の間隔は、前記光源から出射された光のスポット径よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光源ユニット。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光源ユニットを備え、前記光源ユニットによって形成された画像をユーザの目の位置から虚像として視認させることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。

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