JP2014149405A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外光の入射による視認性の低下を抑制し、視認性が良好な表示画像を投影する。
【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置は、表示画像を構成する表示光Ｌ’を出射するＤＭＤと、表示光Ｌ’を受光する受光面と該受光した表示光Ｌ’を拡散光として出射する出射面とを有し、拡散光Ｌの光強度の分布を略均一とする拡散特性を有する透過型スクリーン１８と、を備え、透過型スクリーン１８は、当該透過型スクリーン１８の法線を表示光Ｌ’の光軸ＡＸに対して一定角度αに傾けて配置され、表示光Ｌ’の光軸ＡＸに沿って出射面に到達する外光を、表示光Ｌ’の光軸ＡＸに沿った方向とは異なる方向に反射する。
【選択図】図６

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

車両の運転手が運転中に視線をほとんど動かさずに車両情報（速度、走行距離等）を読み取れるようにするため、フロントガラスの前方に情報を表示させるヘッドアップディスプレイ（Head-Up Display；ＨＵＤ）装置が提案されている（例えば、下記特許文献１）。このＨＵＤ装置は、車両のダッシュボード内等に設けられ、フロントガラスに表示画像を投影することで、運転者に虚像として表示画像を視認させる。

上述した車両用ＨＵＤ装置として、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等の２次元空間変調デバイスを用いたＨＵＤ装置が提案されている。例えば、下記特許文献２には、液晶やＤＭＤ等の表示デバイスと投射光学系とスクリーンとを備えたＨＵＤ装置が開示されている。この特許文献２に記載されたＨＵＤ装置では、表示デバイス上に生成した画像を、投射レンズ系を用いてスクリーン上に結像させている。

また、表示画像を投影するための光源として半導体レーザーを備えたＨＵＤ装置が提案されている。例えば、下記特許文献３には、半導体レーザーと走査系とスクリーンとを備えたＨＵＤ装置が開示されている。この特許文献３に記載のＨＵＤ装置では、半導体レーザーが出射したレーザー光を走査系によりスクリーンに向け走査することで表示画像を生成している。

特開平５−１９３４００号公報 特開２００４−１２６２２６号公報 特開平７−２７０７１１号公報

上述したＨＵＤ装置では、フロントガラスの外部から太陽光等の外光が入射する場合がある。この場合には、入射した外光はスクリーンよって反射され、反射外光が表示光と重畳して表示画像の視認性を低下させるウォッシュアウトが発生することがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、外光の入射による視認性の低下を抑制し、視認性が良好な表示画像を投影することができるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、
表示画像を構成する表示光を出射する表示光出射手段と、
前記表示光を受光する受光面と該受光した表示光を拡散光として出射する出射面とを有し、前記拡散光の光強度の分布を略均一とする拡散特性を有する透過型スクリーンと、
を備え、
前記透過型スクリーンは、当該透過型スクリーンの法線を前記表示光の光軸に対して一定角度に傾けて配置され、前記表示光の光軸に沿って前記出射面に到達する外光を、前記表示光の光軸に沿った方向とは異なる方向に反射する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、外光の入射による視認性の低下を抑制し、視認性が良好な表示画像を投影することができる。

本発明の一実施形態に係る表示装置の車両への搭載態様及び虚像がどのように結像されるかを示す概念図である。 本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の概略構成図である。 図２のＨＵＤ装置が備える表示装置の概略構成図である。 （ａ）は、一般的な透過型スクリーンの透過特性を示す側面図であり、（ｂ）は、該透過型スクリーンの反射特性を示す側面図である。 （ａ）は、拡散角度が大きい場合の透過型スクリーンの光強度分布を示す図であり、（ｂ）は、拡散角度が小さい場合の透過型スクリーンの光強度分布を示す図である。 透過型スクリーンの傾斜配置時の透過/反射特性を示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る第１のマイクロレンズアレイの側面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る第１のマイクロレンズアレイの拡大平面図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る第２のマイクロレンズアレイの拡大平面図である。 本実施形態に係る透過型スクリーンの光強度分布を示す図である。 透過型スクリーンの傾斜角度と入射外光の強度との関係を示す図である。 本発明の変形例に係るマイクロレンズアレイの側面図である。 （ａ）は、本発明の変形例に係るマイクロレンズアレイの側面図であり、（ｂ）は、同マイクロレンズアレイの拡大平面図である。 透過型スクリーンの傾斜角度と入射外光の強度との関係を示す図である。 本発明の他の変形例に係るマイクロレンズアレイの側面図である。 本発明の他の変形例に係るマイクロレンズアレイの側面図である。 本発明の他の変形例に係るマイクロレンズアレイの側面図である。

本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の構成、作用及び効果について、以下具体的に説明する。

本実施形態に係るＨＵＤ装置１は、図１に示すように、車両２のダッシュボード内に設けられ、生成した表示画像を表す表示光Ｌ（図２参照）をウインドシールド３（透明板の一例）で反射させることにより、運転者に車両情報を表す表示画像の虚像Ｖを視認させる装置である。運転者は、表示画像を虚像Ｖとして視認可能な範囲（視域）であるＥｙｅｂｏｘ４において、表示画像を虚像Ｖとして視認する。Ｅｙｅｂｏｘ４とは、虚像Ｖが適正に視認可能な範囲として規定された領域である。なお、図１の虚像Ｖは、感覚的な理解を容易にするため、模式的に示したものである。図２の表示光Ｌも同様である。

図１に示すＨＵＤ装置１は、図２に示すように、表示装置１０と、反射器２０と、ハウジング３０と、図示しない制御部とを備える。

表示装置１０は、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色のレーザー光を合波して表示光Ｌを出射する装置であり、フィールドシーケンシャルカラー（Field Sequential Color）方式によって表示画像を表示するものである。この表示装置１０は、図３に示すように、光源部（照明手段）となるレーザーダイオード（Laser Diode；ＬＤ）１１と、ミラー部１２と、反射ミラー１３と、プリズム（光学素子）１４と、反射型表示素子（ＤＭＤ：Digital Mirror Device）１５と、光センサ（検出素子）１６と、投射レンズ１７と、透過型スクリーン１８と、を備える。なお、ＤＭＤ１５は本発明の「表示光出射手段」の一具体例に相当する。

ＬＤ１１は、赤色レーザー光Ｒを発する面光源ＬＤ１１ｒ、緑色レーザー光Ｇを発する面光源ＬＤ１１ｇと、青色レーザー光Ｂを発する面光源ＬＤ１１ｂとから構成される。ＬＤ１１では、ＬＤ１１ｒ，ＬＤ１１ｇ，ＬＤ１１ｂがそれぞれ個別に点灯して、順次、青色，赤色，緑色のレーザー光を発光する。

ミラー部１２は、ダイクロイックミラー１２ａと、ダイクロイックミラー１２ｂと、ダイクロイックミラー１２ｃとから構成される。ダイクロイックミラー１２ａと、ダイクロイックミラー１２ｂと、ダイクロイックミラー１２ｃとは、互いに平行に配置されている。

ダイクロイックミラー１２ａは、ＬＤ１１ｂから出射される青色レーザー光Ｂの進行方向側に位置し、青色レーザー光Ｂの進行方向に対して所定の角度をもって配設される。これにより、ダイクロイックミラー１２ａは、ＬＤ１１ｂが発光した青色レーザー光Ｂを受光し、その一部を反射光Ｌ１としてダイクロイックミラー１２ｂに向けて出射する。

また、ダイクロイックミラー１２ｂは、ダイクロイックミラー１２ａとＬＤ１１ｒとから出射されるレーザー光の進行方向側に位置し、各々のレーザー光の進行方向に対して所定の角度をもって配設される。これにより、レーザー光Ｌ１を透過するとともに、ＬＤ１１ｒが発光した赤色レーザー光Ｒを受光し、その一部をダイクロイックミラー１２ｃに向けて反射する。このようにして、ダイクロイックミラー１２ｂは、レーザー光Ｌ１と赤色レーザー光Ｒを合波し、合波したレーザー光Ｌ２をダイクロイックミラー１２ｃに向けて出射する。

また、ダイクロイックミラー１２ｃは、ダイクロイックミラー１２ｂとＬＤ１１ｇとから出射されるレーザー光の進行方向側に位置し、各々のレーザー光の進行方向に対して所定の角度をもって配設される。これにより、レーザー光Ｌ２を透過するとともに、ＬＤ１１ｇが発光した緑色レーザー光Ｇを受光し、その一部を反射ミラー１３に向けて反射する。このようにして、ダイクロイックミラー１２ｃは、レーザー光Ｌ２と緑色レーザー光Ｇを合波し、合波したレーザー光Ｌ３を反射ミラー１３に向けて出射する。

このように、ＬＤ１１及びミラー部１２では、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを合波して出射することで、後述する表示画像をカラー表示させるためのレーザー光を出射することになる。なお、本実施形態では、表示装置１０の光源部としてＬＤを用いたがこれには限定されない。例えば、光源部としてＬＥＤを用いてもよい。

反射ミラー１３は、平面鏡から構成されるものであり、ミラー部１２から出射されたレーザー光Ｌ３をプリズム１４に向けて反射させる。

プリズム１４は、三角柱形状を有する光学系であり、反射ミラー１３とＤＭＤ１５と光センサ１６との間に配置される。プリズム１４は、反射ミラー１３から出射されたレーザー光Ｌ３を傾斜面１４ａで受光すると、レーザー光Ｌ３の一部をＤＭＤ１５に透過するとともに、他の一部を光センサ１６に反射する。また、プリズム１４は、ＤＭＤ１５が出射した表示光Ｌ’を反射して、投射レンズ１７に向けて出射する。なお、本実施形態では、プリズム１４の傾斜面１４ａに反射防止膜を配設しない構成としているが、これに限定されるものではない。

ＤＭＤ１５は、それぞれ個別に制御可能な複数の微小な鏡面を平面に配列した表示素子である。ＤＭＤ１５では、複数の鏡面でレーザー光Ｌ３を受光するとともに、その中の反射可能な状態にある鏡面で受光したレーザー光Ｌ３を反射する。各微小な鏡面は、ぞれぞれ、表示画像の一画素に対応している。一画素を表すレーザー光Ｌ３がＤＭＤ１５に入射すると、その画素に対応する鏡面でのみレーザー光Ｌ３が反射される。これを表示画像における全ての画素について連続的に行うことで、表示画像を構成する表示光Ｌ’が生成される。各鏡面の状態は制御部により制御される。
また、ＤＭＤ１５は生成した表示光Ｌ’をプリズム１４に向けて出射する。なお、本実施形態では、表示装置１０の反射型表示素子としてＤＭＤを用いたがこれには限定されない。例えば、反射型表示素子としてＬＣＯＳを用いてもよい。

光センサ１６は、例えば、フォトダイオードやフォトトランジスタ等から構成される受光素子である。この光センサ１６は、プリズム１４の傾斜面１４ａで反射されたレーザー光Ｌ３の光強度を検出し、検出した光強度のデータを制御部に供給する。なお、光強度とは、例えば、レーザー光Ｌ３や後述する表示光Ｌの輝度である。

制御部は、例えば、マイクロコンピュータから構成され、表示装置１０を制御する。制御部は、例えば、ＬＤ１１がレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを出射するタイミング制御やその光量調整を行うとともにＤＭＤ１５の各鏡面の状態を制御し、所望の表示画像を生成させる。

投射レンズ１７は、ＤＭＤ１５で生成された表示光Ｌ’を透過型スクリーン１８に投射する。投射レンズ１７は、表示光Ｌ’の透過型スクリーン１８への入射角を、透過型スクリーン１８以降の光学系（反射器２０、ウインドシールド３）の特性に合わせて最適化するように形成され、配置されている。なお、投射レンズ１７は、１枚のレンズから構成しても良いし、複数のレンズを組み合わせて構成しても良い。

透過型スクリーン１８には、ＤＭＤ１５において生成された表示光Ｌ’（表示光Ｌ’によって表される表示画像）が投影される。このとき、透過型スクリーン１８は表示光Ｌ’を透過拡散し、拡散光（表示光Ｌ）として反射器２０に向けて出射する。透過型スクリーン１８の具体的な特徴、機能及び配設方法については後述する。なお、説明を容易にするために、以下では、表示光Ｌ’を透過型スクリーン１８の中心に入射する一画素分の光とし、光軸ＡＸはこの一画素分の光の光軸とする。また、拡散光（表示光Ｌ）を、透過型スクリーン１８の中央に入射した一画素分の光が拡散した光とする。

以上の構成からなる表示装置１０では、ＬＤ１１が出射したレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂに基づいて、ＤＭＤ１５が表示光Ｌ’を生成し、透過型スクリーン１８が表示光Ｌ’を受光して表示画像を表示する（表示画像が投影される）とともに表示光Ｌ（拡散光）を反射器２０に向けて出射する。なお、表示装置１０として、レーザー光源とＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スキャナとを組み合わせたものを用いてもよい。

図２に戻って、反射器２０は、表示装置１０（透過型スクリーン１８）から出射された表示光Ｌが、所望の位置に、所望の大きさで、虚像Ｖ（図１参照）として結ばれるように、表示装置１０（透過型スクリーン１８）とウインドシールド３の光路間に設けられる光学系である。反射器２０は、拡大ミラー２１と、保持部材２２と、ステッピングモータ２３とから構成される。

拡大ミラー２１は、凹面鏡等であり、表示装置１０から出射された表示光Ｌを凹面状の反射面２１ａで反射させることで、反射光（表示光Ｌ）をウインドシールド３に向かって出射する。これにより、結ばれる虚像Ｖの大きさは、表示画像（表示光Ｌ）が拡大された大きさのものになる。拡大ミラー２１による表示画像の拡大倍率は、拡大ミラー２１の焦点距離（曲率半径）や透過型スクリーン１８と拡大ミラー２１間の距離で決まる。拡大ミラー２１の焦点距離が短い方が光路スペースを低減できるが、拡大ミラー２１による拡大倍率は、表示画像の大きさ、虚像Ｖとして結像させたい像の大きさ、虚像Ｖの像歪み、ＨＵＤ装置１の許容体積（光路スペース）等を勘案して最適な値となるように決定される。

拡大ミラー２１は、例えば、ポリカーボネート等の樹脂部材から構成され、その表面には、アルミニウム等の金属を蒸着させ反射面２１ａを有する。拡大ミラー２１は、保持部材２２に両面粘着テープ等の接着部材により接着される。保持部材２２は、例えば、ＡＢＳ等の樹脂部材から構成され、歯車部２４及び軸部２５を有する。保持部材２２の軸部２５はハウジング３０に軸支されている。

ステッピングモータ２３の回動軸には歯車２６が取付けられており、この歯車２６は、保持部材２２の歯車部２４と噛合されている。拡大ミラー２１は保持部材２２と共に回動可能な状態で支持されており、ステッピングモータ２３により拡大ミラー２１を回動させ、表示光Ｌの投射方向を調整することができる。観察者（図１の視点）は、押ボタンスイッチ（図示しない）を操作し表示光Ｌが目の位置に反射されるように（即ち、虚像Ｖを視認できるように）拡大ミラー２１の角度を調整する。

ハウジング３０は、上方に所定の大きさの開口部を有して、箱状に、硬質樹脂等から形成されるものであり、その内部の所定の位置に配置された表示装置１０及び反射器２０を収納する。また、ハウジング３０の開口部には、窓部３１が取り付けられる。また、ハウジング３０の内壁には、遮光壁３２が配設されている。

窓部３１は、ハウジング３０の開口部の形状に合わせて、アクリル等の透光性樹脂から湾曲形状に形成され、ハウジング３０の開口部に溶着等により取り付けられる。また、窓部３１は、拡大ミラー２１で反射された表示光Ｌを透過させる。

遮光壁３２は、平板形状の遮蔽部材であり、ハウジング３０の上部から斜めに垂下するように配設されている。この遮光壁３２は、太陽光等の外光が表示装置１０に入射し虚像Ｖが見えにくくなる現象（ウォッシュアウト）を防止している。

このようにＨＵＤ装置１では、表示装置１０で生成された表示画像を反射器２０で反射させて拡大した後、ウインドシールド３に投影することで、虚像Ｖを車両の運転手に視認させている。言い換えると、運転手は、ウインドシールド３及び反射器２０を介して透過型スクリーン１８に投影された映像を虚像Ｖとして視認することになる。また、ＨＵＤ装置１では、透過型スクリーン１８が特徴的な構成を有することで、ウインドシールド３の外部から入射した太陽光等の外光による視認性の低下を抑制している。以下、透過型スクリーン１８の具体的な構成等について詳細に説明する。

（透過型スクリーン１８）
本実施形態の透過型スクリーン１８は、ウインドシールド３の外部から入射した入射外光の影響を低減するとともに、表示光Ｌの光強度を十分確保する構成を有する。すなわち、透過型スクリーン１８の特徴は、その取付方法と受光面及び出射面の構成とにある。まず、透過型スクリーン１８の取付方法について説明した後、受光面及び出射面の構成について説明する。

まず、ＨＵＤ装置における一般的な透過型スクリーンの取付方法について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は、透過型スクリーンから出射された代表的な一画素に相当する表示光が、当該透過型スクリーンにより拡散されＥｙｅｂｏｘを照射した状態を示す模式図である。なお、図示を省略するが、各画素に相当する表示光は、透過型スクリーンに結像し、Ｅｙｅｂｏｘ全域を照射するように拡散する。また、図中では省略するが、表示光は拡大ミラーにおいて反射・拡大されてウインドシールドに導かれる。

図４（ａ）に示すように、従来の透過型スクリーンは、その受光面が表示光の光軸に対して垂直になるように配置される。透過型スクリーンを透過した表示光は、所定の拡散角度θで拡散されるので、拡大される。拡大された表示光は拡大ミラー及びウインドシールドを介して、運転者が表示画像を虚像として視認可能な範囲であるＥｙｅｂｏｘに到達する。

拡散角度とは、透過型スクリーンによって拡散された表示光のなす角度であり、表示光が透過型スクリーンを透過するときの、表示光が拡大する割合を示すものである。この拡散角度は、透過型スクリーンの構成や入射する表示光の特性により決定される。透過型スクリーンの構成とは、例えば、それぞれ後述するマイクロレンズアレイのレンズピッチやマイクロレンズの曲率半径等である。

従来の透過型スクリーンによって拡散された表示光（拡散光）の強度分布は、図５に示すガウス分布となる。すなわち、照射範囲の中心付近で光強度が最大となり、照射範囲の端部では光強度が低下する。また、表示光（拡散光）の強度分布は、拡散角度により変化する。例えば、拡散角度が異なる（θ₁＞θ₂）表示光が照射された場合、拡散角度θ₁の表示光は照射範囲が広がり、光強度の最大値が小さくなる（図５（ａ）参照）。一方、拡散角度θ₂の表示光は照射範囲が狭まり、光強度の最大値が大きくなる（図５（ｂ）参照）。なお、照射範囲全体での光量は、拡散角度θ₁の場合と拡散角度θ₂の場合とで同じになる。

そのため、拡散光でＥｙｅｂｏｘの全域を照明する場合、すなわち、表示均斉度（照射範囲における光強度の均一性）を高める場合には、図５（ａ）に示すように、拡散角度を大きくする必要がある。ところが、拡散角度を大きくしていくと、ガウス分布の裾野が広がり、Ｅｙｅｂｏｘの範囲外にはみ出す光量（図中、斜線部分）が増加することから、光量損失が大きくなり、表示画像の輝度も低下する。一方、図５（ｂ）に示すように、拡散角度を小さくしていくと、Ｅｙｅｂｏｘの範囲外にはみ出す光量（図中、斜線部分）が減少し、光利用効率（輝度）が高まるものの、Ｅｙｅｂｏｘの端部では光量が低下するため表示均斉度が低下する。すなわち、拡散角度は、光利用効率と表示均斉度とを両立する角度である必要がある。この拡散角度に応じて変化する光利用効率や表示均斉度等の光学特性を拡散特性という。

そこで、本実施形態では、Ｅｙｅｂｏｘを十分に照射できない光強度を、表示光のピーク強度に対して５０％以下の強度として、そのときの拡散角度の半角をθとする。また、表示光が透過型スクリーンにおいて拡散してＥｙｅｂｏｘの最外部に到達するときの拡散角度の半角をφとする。なお、上述のとおり、拡散角度θと拡散角度φとの間にはθ＞φが成り立つ。

一方、図４（ｂ）に示すように、上述のＨＵＤ装置では、ウインドシールドの外部から太陽光等の外光が入射すると、入射外光はウインドシールドと拡大ミラーを介して透過型スクリーンを照射する。透過型スクリーンは、約９０％の透過率を有し、入射外光のうち数％の光は透過型スクリーンによって拡散反射される。この反射外光は、透過型スクリーンを透過した表示光と同様に、拡大ミラーとウインドシールドを介して車両の運転手の視域に到達する。そのため、入射外光の光量が大きくなると、透過型スクリーンによって反射された反射外光も無視できなくなる。なぜなら、反射外光が表示光と重畳して表示画像の視認性を低下させるウォッシュアウトが発生するためである。

反射外光は、上述した表示光と同様に、拡散特性を有する。すなわち、拡散角度を大きくすることで、表示均斉度が高まる一方、光利用効率が低下する。また、拡散角度を小さくすることで、光利用効率が高まる一方、表示均斉度が低下する。なお、本実施形態では、Ｅｙｅｂｏｘを十分に照射できない光強度、すなわち、視認性を低下させない光強度を、反射外光のピーク強度に対して５０％以下の強度として、そのときの拡散角度の半角をθ’とする。

次に、本実施形態に係るＨＵＤ装置１における透過型スクリーン１８の取付方法について、図６を参照して説明する。図６は、透過型スクリーン１８から出射された代表的な一画素に相当する表示光が、当該透過型スクリーン１８により拡散されＥｙｅｂｏｘ４を照射した状態を示す模式図である。
なお、図示を省略するが、各画素に相当する表示光は、透過型スクリーン１８に結像し、Ｅｙｅｂｏｘ４全域を照射するように拡散する。
また、表示光は透過型スクリーン１８の傾斜角度に応じた角度だけ傾いて出射されるが、その出射角度は極めて小さいため、拡散後の表示光Ｌは、図６に示すように、拡散前の表示光Ｌ’とほぼ同等の光軸に沿って出射される。すなわち、表示光の光軸は、透過型スクリーン１８によって拡散されることで変化しないとみなされる。
また、図中では省略するが、表示光は拡大ミラーにおいて屈折・拡大されてウインドシールドに導かれる。

図６に示すように、ＨＵＤ装置１では、透過型スクリーン１８は、当該透過型スクリーン１８の法線が表示光Ｌ’の光軸ＡＸに対して傾倒して配置される。すなわち、透過型スクリーン１８の受光面は、光軸ＡＸと直交する方向に対して傾斜角度αを有する。これにより、入射外光と反射外光のなす角は２αとなる。このＨＵＤ装置１では、表示装置１０から出射された表示光Ｌは、透過型スクリーン１８の受光面で受光された後、その出射面から拡散されてＥｙｅｂｏｘ４を照射する（このとき、表示画像は、傾斜角度分間延びして見えてしまうが、例えば、透過型スクリーン１８に到達する表示光Ｌ’を前記間延び分を考慮して生成して間延びがキャンセルされるようにすればよい。）。上述のとおり、透過型スクリーン１８は光軸ＡＸに対して傾倒して配置されているが、透過型スクリーン１８を透過した表示光Ｌ（拡散光）は光軸ＡＸに沿って出射される。従来の透過型スクリーンでは、図５に示すように、照射範囲の光強度が中心部と端部とで大きく異なるため、透過型スクリーンを傾倒させたときにＥｙｅｂｏｘ４に実際に照射される光の光強度は著しく低下する。ところが、透過型スクリーン１８の受光面及び出射面を後述する構成としたことで、表示光は照射範囲の全域を略均一に照射するため、Ｅｙｅｂｏｘ４の範囲内を効率良く照射する。つまり、傾倒による光強度の低下を少なくすることができる。

一方、ウインドシールド３の外部から入射した入射外光は、拡大ミラー２１を介して透過型スクリーン１８を照射する。入射外光の一部は、透過型スクリーン１８によって反射される。反射外光は、光軸ＡＸに対して角度２αの方向に、拡大ミラー２１とウインドシールド３を介して出射される。このとき、透過型スクリーン１８を後述する構成としたことで、反射外光は拡散角度θ’で拡散する。そのため、透過型スクリーン１８の傾斜角度αを下記数式（１）で算出された値とすることで、反射外光の照射範囲をＥｙｅｂｏｘ４の範囲外とすることができる。

すなわち、透過型スクリーン１８の受光面をα以上の傾斜角度で傾倒させることで、反射外光が表示光に重畳して発生するウォッシュアウトを抑制し、表示画像（表示光Ｌ）の視認性を確保することができる。

また、ＨＵＤ装置用の透過型スクリーンとして、すりガラスなどのフロスト型拡散板や微小な粒子を分散させたオパール型拡散板が一般的に用いられる。また、このような透過型スクリーンを用いた場合には、通常、透過光の拡散強度分布はガウシアンとなり、Ｅｙｅｂｏｘ領域の中心部を照明する光強度が高くなり、Ｅｙｅｂｏｘ領域の端部では光強度が低くなる。そのため、従来のＨＵＤ装置では、透過光の拡散強度がガウス分布を有することに起因して表示画像の視認性が低下するという問題もあった。そこで本実施形態の透過型スクリーン１８では、受光面及び照射面を以下のように構成することで、かかる問題を解決している。

次に、透過型スクリーン１８の構成について図７を参照して説明する。透過型スクリーン１８では、以下の構成とすることで、当該透過型スクリーン１８を傾倒させた状態における拡散特性を保持している。

図７に示すように、透過型スクリーン１８は透光性部材から構成され、表示光が入射する入射面にマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）４０が形成されるとともに、透過した表示光が出射する出射面にマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）４１が形成される。

ＭＬＡ４０は、図８（ａ）に示すように、その面内方向において、例えばレンズサイズ１００μｍ程度の複数のマイクロレンズ（ＭＬ）４０ａの各々が、水平方向にｄＨ、垂直方向にｄＶのピッチで周期的に配列するようにして形成されるものである。本実施形態ではｄＨ＝ｄＶであり、ＭＬＡ４０は、正方形のマイクロレンズが格子状に周期的に配列され、隣り合うＭＬ４０ａ同士に生じる隙間や段差が最小限となるように形成されている。ここでのピッチとは、互いに隣接するＭＬ４０ａのレンズ中心間の距離であり、以後、このピッチを「ＭＬＡ４０のピッチ」と呼ぶ。

ＭＬＡ４１は、図８（ｂ）に示すように、ＭＬＡ４０と同様の構成を有する。すなわち、その面内方向において、例えばレンズサイズ１００μｍ程度の複数のマイクロレンズ（ＭＬ）４１ａの各々が、水平方向にｄＨ’、垂直方向にｄＶ’のピッチで周期的に配列するようにして形成されるものである。本実施形態ではｄＨ’＝ｄＶ’であり、ＭＬＡ４１は、正方形のマイクロレンズが格子状に周期的に配列され、隣り合うＭＬ４１ａ同士に生じる隙間や段差が最小限となるように形成されている。ここでのピッチとは、互いに隣接するＭＬ４１ａのレンズ中心間の距離であり、以後、このピッチを「ＭＬＡ４１のピッチ」と呼ぶ。ＭＬＡ４１のピッチはＭＬＡ４０のピッチと等しく、ｄＨ’＝ｄＨである。なお、本実施形態では、ＭＬＡ４０のピッチとＭＬＡ４１のピッチを等しくなるように配設したが、これには限定されず、透過型スクリーン１８上に投射される画像の入射角に応じてＭＬＡ４０，４１のピッチを決定することができる。

また、水平方向のピッチｄＨ、ｄＨ’と垂直方向のピッチｄＶ、ｄＶ’の比が透過型スクリーン１８の透過光強度分布の形状およびアスペクト比を決定する。そのため、照明したいＥｙｅｂｏｘ４の形状に応じてピッチを決定することが望ましい。

ＭＬＡ４０とＭＬＡ４１とは、図７に示す位置に対向して配置される。すなわち、ＭＬＡ４０の受光面とＭＬＡ４１の出射面が平行になるように配置され、且つ、ＭＬＡ４０の中央に配置されたＭＬ４０ａの頂点部と、ＭＬＡ４１の中央に配置されたＭＬ４１ａの頂点部とがともに光軸ＡＸ上に位置するように配置される。また、ＭＬＡ４０の頂点とＭＬＡ４１の頂点は、ＭＬ４０ａの焦点距離ｆの間隔だけ隔てて配置されており、ＭＬ４０ａの頂点を通過した光がＭＬ４０ａの頂点も通過するようにしている。ＭＬ４０ａ，４１ａをこのように配設することで、透過型スクリーン１８は、拡散光（表示光Ｌ）の光強度の分布を略均一とする拡散特性を有することとなる。略均一な光強度の分布とは、照射範囲内を略均一な光強度で照射することができる強度分布であり、例えば、図９に示すＴｏｐ−Ｈａｔ型の光強度分布である。

透過型スクリーン１８は、以上の構成を有するため、表示光Ｌ’は透過型スクリーン１８を透過するときに拡散され、拡散された表示光ＬはＥｙｅｂｏｘ４の範囲内に効率的に照射される。その一方、ウインドシールド３の外部から入射した入射外光は、傾斜角度αを有する透過型スクリーン１８の出射面で反射され、この反射した反射外光はＥｙｅｂｏｘ４の範囲外に到達する。そのため、反射外光がＥｙｅｂｏｘ４に漏れ込むことを抑制することができ、表示画像（表示光Ｌ）の視認性の低下が抑制される。また、傾斜角度αを上記数式（１）を用いて求められた所定の角度とすることで、仮に反射外光の一部がＥｙｅｂｏｘ４の範囲内に漏れ込んだ場合であっても、視認性が低下しない程度に反射外光の影響を減少される。

このように、本実施形態に係るＨＵＤ装置１によれば、表示画像を構成する表示光Ｌの光量損失を抑えつつも、入射外光の影響を低減できるため、視認性の低下を抑制できる。すなわち、透過型スクリーン１８の受光面にＭＬＡ４０を形成するとともに、その出射面にＭＬＡ４０を形成したので、表示光ＬはＥｙｅｂｏｘ４の全域を略均一に照射することができる。これにより、ウインドシールド３の外部から入射した外光も同様にＥｙｅｂｏｘ４の範囲内に反射されることになるが、透過型スクリーン１８を傾斜角度αで傾倒して配置したので、反射外光のみＥｙｅｂｏｘ４の範囲外に反射させる。従って、表示画像の視認性の低下を抑制することができる。

ここで、図１０に、透過型スクリーン１８で反射された反射外光の強度分布のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションは、図６に示す透過型スクリーン１８の傾斜角度α変化させたときの、Ｅｙｅｂｏｘ４の範囲における光強度を求めたものである。

図１０を参照すると、外光反射光の輝度は、透過型スクリーン１８の傾斜角度に応じて変化し、傾斜角度が大きくなると外光反射光の輝度は低下する。表示光Ｌの視認性を低下させないためには、外光反射光の輝度を通常の５０％以下に低減する必要があるとされていることから、透過型スクリーン１８の傾斜角度を４度以上とするのが好ましく、透過型スクリーン１８の傾斜角度を５度以上とするのがより好ましいことが分かった。また、後述する変形例（マイクロレンズを不規則に配置した例）と比較して、光強度の減少が急峻であるため、周期的にマイクロレンズを配置することで、傾斜角度αの取り得る範囲を拡大できることがわかった。

このように、ＨＵＤ装置１によれば、表示画像を構成する表示光Ｌの光量損失を抑えつつも、外光反射と内部反射を低減できるため、表示画像の視認性の低下を抑制することができる。

（変形例）
なお、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。以下に変形例を示す。

例えば、以上の実施形態では、拡散した表示光の光強度の分布を略均一とするために、透過型スクリーン１８を、出射側にＭＬＡ４１を形成したが、これには限定されない。例えば、図１１に示すように、ＭＬＡ４１に代えてアパーチャアレイ４２を形成してもよい。アパーチャアレイ４２は、その面内方向において、複数の開口部４２ａの各々が、水平方向にｄＨ”のピッチで周期的に配列するように、フォトリソグラフィ技術等により形成されるものである。なお、図示を省略するが、垂直方向についても所定のピッチで周期的に配列するように形成されている。また、アパーチャアレイ４２は、ＭＬＡ４０と一体的に形成されてもよいし、別体として形成してもよい。

アパーチャアレイ４２の開口部４２ａは、その大きさがＭＬ４０ａのレンズサイズの１／５〜１／１０程度となるように調整して形成されている。アパーチャアレイ４２の開口部４２ａ以外の領域は、図示するように、遮光部４２ｂである。遮光部４２ｂは、例えば液晶パネルに用いられるブラックレジストのような可視光を吸収する材料から形成されている。つまり、アパーチャアレイ４２において、その両面共に開口部４２ａ以外の領域は、遮光部４２ｂの表面となっている。そのため、アパーチャアレイ４２に到達したレーザー光のうち、開口部４２ａを通過する光以外の光は、遮光部４２ｂでその大部分が吸収される。

また、拡散した表示光の光強度の分布を略均一とするために、透過型スクリーン１８を、ＭＬ４０ａを周期的に配設したＭＬＡ４０から構成したが、これには限定されない。図１２に示すように、形状の異なるＭＬ４３ａを不規則なピッチで配設したマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）４３から透過型スクリーン１８を構成してもよい。ランダムピッチを有し、且つ、略均一な強度分布を示す透過型スクリーンとしては、例えば、Engineered Diffusers^TMがある。所望の拡散角度と強度分布が得られるよう計算されたマイクロレンズの配置とサグ量で設計される。基材上に塗布されたフォトレジストに対し、レーザービームを走査することでＭＬＡ４３を形成することができる。
ここで、図１３に、透過型スクリーン１８で反射された反射外光の強度分布の強度分布のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションは、図６に示す透過型スクリーン１８の傾斜角度α変化させたときの、Ｅｙｅｂｏｘ４の範囲における光強度を求めたものである。図示するように、外光反射光の輝度は、透過型スクリーン１８の傾斜角度に応じて変化し、傾斜角度が大きくなると外光反射光の輝度は低下する。このように、形状の異なるＭＬ４３ａを不規則なピッチで配設したＭＬＡ４３は、上述したＭＬ４０ａを周期的に配設したＭＬＡ４０と同様の効果を奏することが分かった。

また、以上の実施形態では、拡散した表示光の光強度の分布を略均一とするために、ＭＬＡ４０，４１を一体的に構成し、それぞれを凸レンズとして形成したが、これには限定されず、例えば、図１４〜図１６に示すように凸レンズと凹レンズを適宜組み合わせた構成であってもよい。
例えば、図１４（ａ）に示すように、ＭＬＡ４０ＡとＭＬＡ４１Ａを一体的に構成し、かつ、ＭＬＡ４０Ａを凸レンズとして受光面側に形成し、ＭＬＡ４１Ａを凸レンズとして出射面側に形成してもよい。
また、図１４（ｂ）に示すように、ＭＬＡ４０ＢとＭＬＡ４１Ｂを別体として構成し、かつ、ＭＬＡ４０Ｂを凸レンズとして受光面側に形成し、ＭＬＡ４１Ｂを凸レンズとして出射面側に形成してもよい。なお、ＭＬＡ４０ＢとＭＬＡ４１Ｂは所定の間隔を介して支持部材４４により固定される。
また、図１４（ｃ）に示すように、ＭＬＡ４０ＣとＭＬＡ４１Ｃを別体として構成し、かつ、ＭＬＡ４０Ｃを凸レンズとして出射面側に形成し、ＭＬＡ４１Ｃを凸レンズとして出射面側に形成してもよい。なお、ＭＬＡ４０ＣとＭＬＡ４１Ｃは所定の間隔を介して支持部材４４により固定される。
また、図１５（ａ）に示すように、ＭＬＡ４０ＤとＭＬＡ４１Ｄを一体的に構成し、かつ、ＭＬＡ４０Ｄを凸レンズとして受光面側に形成し、ＭＬＡ４１Ｄを凹レンズとして出射面側に形成してもよい。
また、図１５（ｂ）に示すように、ＭＬＡ４０ＥとＭＬＡ４１Ｅを別体として構成し、かつ、ＭＬＡ４０Ｅを凸レンズとして受光面側に形成し、ＭＬＡ４１Ｅを凸レンズとして受光面側に形成してもよい。なお、ＭＬＡ４０ＥとＭＬＡ４１Ｅは所定の間隔を介して支持部材４４により固定される。
また、図１５（ｃ）に示すように、ＭＬＡ４０ＦとＭＬＡ４１Ｆを別体として構成し、かつ、ＭＬＡ４０Ｆを凸レンズとして出射面側に形成し、ＭＬＡ４１Ｅを凸レンズとして受光面側に形成してもよい。なお、ＭＬＡ４０ＦとＭＬＡ４１Ｆは所定の間隔を介して支持部材４４により固定される。
また、図１６（ａ）に示すように、ＭＬＡ４０ＧとＭＬＡ４１Ｇを別体として構成し、かつ、ＭＬＡ４０Ｇを凸レンズとして受光面側に形成し、ＭＬＡ４１Ｇを凹レンズとして出射面側に形成してもよい。なお、ＭＬＡ４０ＧとＭＬＡ４１Ｇは所定の間隔を介して支持部材４４により固定される。
また、図１６（ｂ）に示すように、ＭＬＡ４０ＨとＭＬＡ４１Ｈを別体として構成し、かつ、ＭＬＡ４０Ｈを凸レンズとして出射面側に形成し、ＭＬＡ４１Ｈを凹レンズとして出射面側に形成してもよい。なお、ＭＬＡ４０ＨとＭＬＡ４１Ｈは所定の間隔を介して支持部材４４により固定される。
このように、凸レンズと凹レンズを適宜組み合わせることで、透過型スクリーン１８の汎用性を高めることができる。

また、以上の実施形態では、ＭＬＡ４０が有するＭＬ４０ａの形状を正方形として説明したが、これに限られない。ＭＬ４０ａの形状は、長方形、六角形等であってもよい。六角形の場合は、ＭＬＡ４０は、ハニカム状に複数のＭＬ４０ａの各々を所定のピッチで配列することによって形成される。

また、以上の実施形態では、３つのＬＤが配設され、これらは各々、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを出射するものとしたがＬＤの数はこれに限られない。４つのＬＤを配設することで、４原色で表示画像（表示光Ｌ）を生成してもよいし、１つのＬＤでモノクロの表示画像（表示光Ｌ）を生成してもよい。

また、以上の実施形態では、ＨＵＤ装置が搭載される乗り物の一例を車両としたが、これに限られない。ＨＵＤ装置を自動車、オートバイ、建設機械、農耕機械、船舶、雪上バイク等に搭載することも可能である。

また、反射器２０は、拡大ミラー２１の１枚の鏡から構成されたが、これに限られない、反射器２０を構成する鏡の形状・枚数は目的に応じて任意である。

なお、本発明は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、実施形態及び図面に変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。

１ ＨＵＤ装置
２ 車両
３ ウインドシールド
４ Ｅｙｅｂｏｘ
１０ 表示装置
１１ ＬＤ（１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ…ＬＤ）
１２ ミラー部（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…ダイクロイックミラー）
１３ 反射ミラー
１４ プリズム（光学素子）
１４ａ 傾斜面
１５ ＤＭＤ（反射型表示素子）
１６ 光センサ（検出素子）
１７ 投射レンズ
１８ 透過型スクリーン
２０ 反射器
２１ 拡大ミラー
２１ａ 反射面
２２ 保持部材
２３ ステッピングモータ
２４ 歯車部
２５ 軸部
２６ 歯車
３０ ハウジング
３１ 窓部
３２ 遮光壁
４０，４０Ａ〜４０Ｈ，４１，４１Ａ〜４１Ｈ，４３ ＭＬＡ（マイクロレンズアレイ）
４０ａ，４１ａ，４３ａ ＭＬ（マイクロレンズ）
４２ アパーチャアレイ
４２ａ 開口部
４２ｂ 遮光部
４４ 支持部材
Ｒ 赤色レーザー光
Ｇ 緑色レーザー光
Ｂ 青色レーザー光
Ｌ，Ｌ’ 表示光
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ レーザー光
ＡＸ 光軸
Ｖ 虚像

Claims (2)

1. 表示画像を構成する表示光を出射する表示光出射手段と、
   前記表示光を受光する受光面と該受光した表示光を拡散光として出射する出射面とを有し、前記拡散光の光強度の分布を略均一とする拡散特性を有する透過型スクリーンと、
   を備え、
   前記透過型スクリーンは、当該透過型スクリーンの法線を前記表示光の光軸に対して一定角度に傾けて配置され、前記表示光の光軸に沿って前記出射面に到達する外光を、前記表示光の光軸に沿った方向とは異なる方向に反射する、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記透過型スクリーンの法線と前記光軸とのなす傾斜角度はαであり、
   前記αは下記数式（１）で算出される
   ことを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。