JP2014153375A - 画像形成装置、及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像の品質向上を図ることができる画像形成装置を提供する。
【解決手段】 画像形成装置１１は、画像情報に応じて変調されたレーザ光を射出する、３つのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３を含む光源装置１５と、前記光源装置１５からのレーザ光の光路上に配置された、複数のマイクロレンズ４０ａを含むレンズアレイ４０と、光源装置１５とレンズアレイ４０との間のレーザ光の光路上に配置され、該レーザ光でレンズアレイ４０を主走査方向及び副走査方向に走査する走査手段３０と、光源装置１５と走査手段３０との間のレーザ光の光路上に配置され、該レーザ光を主走査対応方向に直交する面内で偏向可能な偏向素子２０と、を備え、前記レンズアレイ４０上に画像を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像形成装置、及び画像表示装置に係り、更に詳しくは、画像を形成する画像形成装置、及び該画像形成装置を備える画像表示装置に関する。

特許文献１には、２次元配列された複数の微小レンズを含むレンズアレイをレーザ光で走査して画像を形成する技術が開示されている。

しかしながら、近年、形成される画像の品質に対して要求される水準（要求水準）が高くなっており、特許文献１に開示されている技術では、要求水準からの画像の品質向上を図ることが困難であった。

本発明は、画像情報に応じて変調されたレーザ光を射出する、少なくとも１つの光源を含む光源装置と、前記光源装置からのレーザ光の光路上に配置された、複数のマイクロレンズを含むレンズアレイと、前記光源装置と前記レンズアレイとの間のレーザ光の光路上に配置され、該レーザ光で前記レンズアレイを主走査方向及び副走査方向に走査する走査手段と、前記光源装置と前記走査手段との間のレーザ光の光路上に配置され、該レーザ光を前記主走査方向に対応する方向に直交する面内で偏向可能な偏向手段と、を備え、前記レンズアレイ上に画像を形成する画像形成装置である。

本発明によれば、画像の品質向上を図ることができる。

一実施形態に係るヘッドアップディスプレイの構成を概略的に示す図である。 ヘッドアップディスプレイが備える偏向素子を説明するための図である。 ヘッドアップディスプレイが備える走査手段及びレンズアレイを説明するための図である。 図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、それぞれ比較例１及び一実施形態のレンズアレイ上におけるレーザ光の移動軌跡を示す図である。 図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、それぞれ走査手段及び偏向素子の動作を説明するための図である。 偏向素子によるレーザ光の偏向タイミングを説明するための図である。 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ比較例２及び変形例１のレンズアレイ上におけるレーザ光の移動軌跡を示す図である。 図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、それぞれ比較例３及び変形例２のレンズアレイ上におけるレーザ光の移動軌跡を示す図である。 変形例３の走査手段を説明するための図である。

以下、一実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係る画像表示装置としてのヘッドアップディスプレイ１０の概略構成が示されている。以下では、一例として、図１に示される、Ｚ軸方向を鉛直方向とするＸＹＺ３次元直交座標系を用いて説明する。

ヘッドアップディスプレイ１０は、例えば車両、航空機、船舶等（以下では、車両等と称する）に搭載されている。

ヘッドアップディスプレイ１０は、一例として、画像形成装置１１、半透明部材１２などを備えている。

画像形成装置１１は、光源装置１５、偏向素子２０（偏向手段）、走査手段３０、レンズアレイ４０などを備える。

光源装置１５は、一例として、３つのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３、３つのコリメートレンズＣＲ１〜ＣＲ３、３つのダイクロイックミラーＤＭ１〜ＤＭ３などを含む。

レーザダイオードＬＤ１は、一例として、赤色レーザであり、赤色光（波長６４０ｎｍ）を＋Ｚ方向に射出するように配置されている。

レーザダイオードＬＤ２は、一例として、青色レーザであり、青色光（波長４５０ｎｍ）を＋Ｚ方向に射出するように、レーザダイオードＬＤ１の＋Ｘ側に配置されている。

レーザダイオードＬＤ３は、一例として、緑色レーザであり、緑色光（波長５２０ｎｍ）を＋Ｚ方向に射出するように、レーザダイオードＬＤ２の＋Ｘ側に配置されている。

各レーザダイオードは、ＬＤ制御回路５０によって制御される。

コリメートレンズＣＲ１は、一例として、レーザダイオードＬＤ１の＋Ｚ側に配置されており、レーザダイオードＬＤ１から射出された赤色光を略平行光とする。

コリメートレンズＣＲ２は、一例として、レーザダイオードＬＤ２の＋Ｚ側に配置されており、レーザダイオードＬＤ２から射出された青色光を略平行光とする。

コリメートレンズＣＲ３は、一例として、レーザダイオードＬＤ３の＋Ｚ側に配置されており、レーザダイオードＬＤ３から射出された緑色光を略平行光とする。

３つのダイクロイックミラーＤＭ１〜ＤＭ３は、それぞれ、例えば誘電体多層膜などの薄膜から成り、特定の波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過させる。

ダイクロイックミラーＤＭ１は、一例として、コリメートレンズＣＲ１の＋Ｚ側に、Ｘ軸及びＺ軸に対して例えば４５°傾斜して配置されており、コリメートレンズＣＲ１を介した赤色光を＋Ｘ方向に反射させる。

ダイクロイックミラーＤＭ２は、一例として、ダイクロイックミラーＤＭ１の＋Ｘ側、かつコリメートレンズＣＲ２の＋Ｚ側に、Ｘ軸及びＺ軸に対して例えば４５°傾斜して配置されており、ダイクロイックミラーＤＭ１を介した赤色光を＋Ｘ方向に透過させ、コリメートレンズＣＲ２を介した青色光を＋Ｘ方向に反射させる。

なお、ダイクロイックミラーＤＭ１を介した赤色光及びコリメートレンズＣＲ２を介した青色光は、それぞれダイクロイックミラーＤＭ２の中央付近に入射する。

ダイクロイックミラーＤＭ３は、一例として、ダイクロイックミラーＤＭ２の＋Ｘ側かつコリメートレンズＣＲ３の＋Ｚ側に、Ｘ軸及びＺ軸に対して例えば４５°傾斜して配置されており、ダイクロイックミラーＤＭ２を介した赤色光及び青色光を＋Ｘ方向に透過させ、コリメートレンズＣＲ３を介した緑色光を＋Ｘ方向に反射させる。

なお、ダイクロイックミラーＤＭ２を介した赤色光及び青色光、並びにコリメートレンズＣＲ３を介した緑色光は、それぞれダイクロイックミラーＤＭ３の中央付近に入射する。

ダイクロイックミラーＤＭ３を介した３つの光（赤色光、青色光及び緑色光）は、１つの光に合成される。この場合、３つのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３の発光強度の強弱のバランスにより、合成された光の色が表現されるようになっている。

結果として、光源装置１５は、３つのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３からの３つのレーザ光が合成されてなるレーザ光（合成光）を＋Ｘ方向に射出する。

偏向素子２０は、ダイクロイックミラーＤＭ３の＋Ｘ側、すなわち光源装置１５からのレーザ光（合成光）の光路上に配置され、該レーザ光をＸＺ平面内で偏向する。

偏向素子２０は、電気光学効果を有する強誘電体結晶からなり、電圧が印加されることにより屈折率が変化する。

詳述すると、偏向素子２０には、一例として、強誘電体材料が部分的に分極反転されてなる複数のプリズム形状の分極反転部８８がＸ軸方向に並べて形成されている（図２参照）。偏向素子２０は、分極反転方向の違いにより電圧印加時の屈折率変化量が異なるため、レーザ光をＸＺ平面内で偏向することができる。以下に、偏向素子２０の構成を、更に詳細に説明する。

図２には、偏向素子２０のＸＹ断面図が示されている。偏向素子２０は、一例として、基板８１上に、接着層８２、下部電極層８３、下部クラッド層８４、レーザ光を通過させるコア層８５、上部クラッド層８６及び上部電極層８７がＹ軸方向に順次積層された積層体を含む。

ここで、下部電極層８３、下部クラッド層８４、コア層８５、上部クラッド層８６及び上部電極層８７は、光源装置１５からのレーザ光を通過させる薄膜導波路を構成している。

コア層８５には、一例として、薄膜導波路内でレーザ光を偏向させるための、上述した分極反転部８８が形成されている。

一例として、分極反転部８８が形成されるコア層８５の材料として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）が用いられ、基板８１の材料として、熱膨張による影響を低減させるため、同様にＬｉＮｂＯ_３が用いられている。

薄膜導波路内でのレーザ光の偏向は、コア層８５に電圧を印加することによって行う。電圧印加時に、分極反転部８８と分極反転されていない領域との間に屈折率差が生じるため、薄膜導波路に入射されたレーザ光は、薄膜導波路内で偏向されることになる。

電圧印加されるコア層８５の材料としては、ニオブ酸リチウムの他、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタルなどを用いても同様の効果が得られる。

ここで、電圧による屈折率変化Δｎは、次の（１）式で与えられる。
Δｎ=−１/２×ｒ×ｎ^３×Ｖ/ｄ・・・（１）
なお、ｒは電気光学定数（ポッケルス定数）、ｎはコア層の材料の屈折率、Ｖは電圧、ｄはコア層の厚さである。

上記（１）式から分かるように、ｄを小さく、すなわちコア層８５を薄くすることで、薄膜導波路内での光偏向を低電圧で（低消費電力で）行うことができる。そこで、コア層８５は、一例として、約３０μｍの厚さに研磨されている。

また、コア層８５にレーザ光を導波させるための上部クラッド層８６及び下部クラッド層８４は、共に、膜厚が１μｍのＴａ_２Ｏ_５膜とされている。

また、コア層８５に電圧をかけるために形成される上部電極層８７及び下部電極層８３は、共に、膜厚が２００ｎｍのＴｉ膜とされている。

以上のように構成される偏向素子２０では、上部電極層８７と下部電極層８３との間に電圧が印加されることにより、薄膜導波路内での偏向を行うことができる。一例として、±１０Ｖの電圧印加により、結晶長１５ｍｍにおいて、ＸＺ平面内で１．８ｍｒａｄの偏向角が得られた。

偏向素子２０は、偏向素子制御回路６０（図１参照）によって制御される。すなわち、偏向素子２０は、偏向素子制御回路６０から制御信号が出力されているときに光源装置１５からのレーザ光を偏向し、制御信号が出力されていないときに光源装置１５からのレーザ光を偏向することなく透過させる（直進させる）。偏向素子２０の動作に関しては、後に詳述する。

以上説明したように、偏向素子２０は、電気光学効果を有する強誘電体結晶の薄膜導波路内にＸ軸方向に並ぶ複数のプリズム形状の分極反転部８８が形成された構造を有している。偏向素子２０に電圧が印加されると、電圧印加量に応じた屈折率変化が生じ、薄膜導波路内に入射したレーザ光がＸＺ平面内で偏向される。偏向素子２０は、このような機能を有するため、電圧印加パターンに応じた偏向が可能となり、例えば、不連続な、任意の偏向動作も可能となる。

また、本実施形態では、印加電圧を下げるために偏向素子２０の結晶厚を薄くし、強誘電体結晶の薄膜導波路内でレーザ光を伝搬させることとした。導波路構造を採用する場合、偏向素子２０の前段又は後段にレーザ光を結晶厚さ方向（Ｙ軸方向）に結合させ、射出されたレーザ光の形状を戻すためのカップリングレンズを配置することが好ましい。

また、電気光学効果を有する強誘電体結晶としては、上述したように、一例として、結晶厚３０μｍ、結晶長１５ｍｍのＬｉＮｂＯ_３が用いられており、レーザ光のビーム径が例えば１ｍｍの場合、結晶厚さ方向（Ｙ軸方向）に±１０Ｖの電圧印加を行なうことにより十分な偏向角が得られる。なお、偏向素子２０には波長が異なる３つのレーザ光が合成された１つの光（合成光）が入射されるが、偏向角の波長依存性は１０％以内であるため、特に、問題にはならない。

図１に戻り、走査手段３０は、一例として、偏向素子２０の＋Ｘ側、すなわち偏向素子２０を介したレーザ光の光路上に配置されている。換言すると、光源装置１５と走査手段３０との間のレーザ光の光路上に偏向素子２０が配置されている。走査手段３０は、偏向素子２０を介したレーザ光でレンズアレイ４０を互いに直交する主走査方向及び副走査方向に走査する。ここでは、主走査方向はＹ軸方向とされ、副走査方向はＸ軸方向とされている。以下では、主走査方向に対応する方向を主走査対応方向と称し、副走査方向に対応する方向を副走査対応方向と称する。

走査手段３０としては、一例として、図３に示されるように、互いに直交する２軸周りに揺動可能なＭＥＭＳミラーを含むスキャナが用いられている。このスキャナは、ＭＥＭＳミラーの各軸周りの振れ角を検出する角度検出器を有している。この角度検出器は、ＭＥＭＳミラーの各軸周りの振れ角に応じた信号を、ミラー制御回路７０（図１参照）に出力する。ミラー制御回路７０は、ＭＥＭＳミラーの各軸周りの振れ角に応じた信号を、ＬＤ制御回路５０に出力する。

そして、ＬＤ制御回路５０から各レーザダイオードにＭＥＭＳミラーの振れ角に合わせた画像信号が送られ、該レーザダイオードから画像信号に応じて強度変調されたレーザ光が射出される。走査手段３０は、ミラー制御回路７０からの駆動信号に基づいてＭＥＭＳミラーを各軸周りに揺動させ、３つのレーザダイオードから射出され合成されたレーザ光でレンズアレイ４０を主走査方向及び副走査方向に走査する。このようにして、各レーザダイオードに対する画像信号に応じた光強度変調と走査手段３０のＭＥＭＳミラーの動作とが同期され、レンズアレイ４０上にカラー又はモノクロの画像が形成される。

図１に戻り、レンズアレイ４０は、光源装置１５からのレーザ光の光路上に配置されている。詳述すると、レンズアレイ４０は、一例として、走査手段３０の＋Ｚ側、すなわち走査手段３０を介したレーザ光の光路上に配置されている。換言すると、光源装置１５とレンズアレイ４０との間のレーザ光の光路上に走査手段３０が配置されている。

レンズアレイ４０は、一例として、図３に示されるように、Ｙ軸方向及びＸ軸方向にマトリクス状（格子状）に配列された、＋Ｚ側に凸となる半球状の複数のマイクロレンズ４０ａ（図１参照）を含む。すなわち、レンズアレイ４０は、Ｙ軸方向に並ぶ複数のマイクロレンズ４０ａをそれぞれが含み、Ｘ軸方向に並ぶ複数のレンズ列を含む。ここでは、各マイクロレンズ４０ａの直径は、レーザ光のビーム径よりも大きく設定されている。また、各マイクロレンズ４０ａは、レンズアレイ４０上に形成される画像の１画素に対応している。結果として、レンズアレイ４０は、形成される画像の各画素に対応するレーザ光を拡散する拡散板として機能する。

図１に戻り、半透明部材１２は、コンバイナとも呼ばれ、一例として、レンズアレイ４０の＋Ｚ側、すなわちレンズアレイ４０を介したレーザ光の光路上に配置されている。ここでは、半透明部材１２は、板状であり、ＸＹ平面に対して傾斜して配置されている。なお、「半透明部材」とは、光の一部を透過させ、残部を反射させる部材を意味する。

そこで、レンズアレイ４０を介したレーザ光は、一部が半透明部材１２を透過し、残部が半透明部材１２で反射される。この結果、観察者は、半透明部材１２を介して、レンズアレイ４０上に形成されたカラー又はモノクロの画像の虚像を視認することができる。すなわち、観察者の視野内に、半透明部材１２を介して、レンズアレイ４０上に形成された画像の虚像が表示される。

ところで、後に詳しく説明するように、仮に拡散板としてのレンズアレイを用いない場合には、半透明部材上でレーザ光が散乱し、その散乱光が観察者の網膜上で干渉することによるスペックルノイズが発生する。一方、レンズアレイを用いることで、各マイクロレンズによるレーザ光の拡散で観察者の視野が確保されるため、スペックルノイズの大幅な低減が可能になる。

ここで、走査手段３０は、一例として、レーザ光でレンズアレイ４０を主走査方向に高速で往復走査し、かつ副走査方向に低速で片道走査する。詳述すると、走査手段３０は、レーザ光を、主走査方向（Ｙ軸方向）にＭＥＭＳミラーの共振を利用して高速で往復移動をさせ、かつ副走査方向（例えば−Ｘ方向）に等速移動させる。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）には、それぞれ比較例１及び本実施形態におけるレンズアレイ上におけるレーザ光の移動軌跡が示されている。

図４（Ａ）に示される比較例１では、レーザ光は、レンズアレイに対して副走査方向に等速移動されつつ主走査方向に往復移動されることで、レンズアレイ上をジグザグに移動される。この場合、レーザ光がマイクロレンズの副走査方向の中央部を通過する領域と、レーザ光がマイクロレンズの副走査方向の一端部又は他端部を通過する領域が発生する。マイクロレンズの副走査方向の中央部をレーザ光が通過する場合、正常な拡散が行われるため光利用効率が高く、該レーザ光によって半透明部材１２を介して明るい虚画素が視認される。一方、マイクロレンズの副走査方向の一端部又は他端部をレーザ光が通過する場合、正常な拡散が行われないため光利用効率が低く、該レーザ光によって半透明部材１２を介して暗い虚画素が視認される。結果として、半透明部材１２を介して視認される虚像に明度ムラが発生する。

そこで、本実施形態では、前述したように、光源装置１５と走査手段３０との間のレーザ光の光路上に、偏向素子２０が、該レーザ光をＸＺ平面内で偏向可能に配置されている。

偏向素子２０は、図４（Ｂ）に示されるように、走査手段３０によってレンズアレイ４０に対して主走査方向に往復移動され、かつ副走査方向に等速移動されるレーザ光を、該レーザ光がレンズアレイ４０の各レンズ列の副走査方向の中央部を複数回通過するようにＸＺ平面内で偏向する。

詳述すると、光源装置１５からのレーザ光は、走査手段３０及び偏向素子２０によって、レンズアレイ４０の一のレンズ列の副走査方向の中央部を複数回通過するように主走査方向に少なくとも１回往復移動された後、該一のレンズ列の−Ｘ側に隣接する他のレンズ列の副走査方向の中央部を複数回通過するように主走査方向に少なくとも１回往復移動される（図４（Ｂ）参照）。この際、偏向素子２０は、走査手段３０によりレーザ光が副走査方向（例えば−Ｘ方向）に等速で移動されるのをキャンセルするように、該レーザ光をＸＺ平面内で偏向する（図５（Ａ）及び図５（Ｂ）参照）。

以上のように、本実施形態では、走査手段３０に加えて偏向素子２０を用いて、光源装置１５からのレーザ光を、各レンズ列の副走査方向の中央部を主走査方向に往復移動させることで、観察者の視野内に半透明部材１２を介して明るさが均一な（明度ムラがない）虚像を表示することができる。

この場合、偏向素子には、副走査方向（Ｘ軸方向）に隣接する一及び他のレンズ列間でレーザ光を移動させるために、瞬時に（不連続に）レーザ光の向きを変更できる動作が要求される。この高速かつランダムな動作には、電気光学効果を有し、電圧印加によりレーザ光の向きを変更できる、本実施形態の偏向素子２０が好適である。

次に、走査手段３０と偏向素子２０の偏向動作について詳細に説明する。走査手段３０は、上述したように、レーザ光を、主走査方向に高速で往復移動させ、かつ副走査方向に低速で等速移動させる。ここでは、副走査方向に関して、走査手段３０と偏向素子２０の偏向動作が組み合わされる。

ところで、仮に偏向素子が設けられていない場合、又は偏向素子による偏向を行なわない場合、図４（Ａ）に示される比較例１のように、走査手段によって、レーザ光は、レンズアレイに対して副走査方向に連続的に位置がずれるように移動される。

そこで、本実施形態では、図４（Ｂ）に示されるように、偏向素子２０によるＸＺ平面内での偏向動作を、走査手段３０の副走査方向の走査と組み合わせる。詳述すると、走査手段３０が所定の速度で角度を変えてレーザ光を副走査方向に移動させるときに、偏向素子２０は、該レーザ光がレンズアレイ４０の各レンズ列の副走査方向の中央部で主走査方向に移動されるように、該レーザ光をＸＺ平面内で、走査手段３０によって該レーザ光が移動される方向とは逆方向に移動（偏向）させる（図５（Ａ）及び図５（Ｂ）参照）。

具体的には、レーザ光が主走査方向に例えば１往復する間に該レーザ光がレンズアレイ４０の例えばレンズ列１個分だけ副走査方向に移動するように走査手段３０が動作され（図５（Ａ）参照）、その間に、該レーザ光が該レンズ列の副走査方向の中央部を通過するように偏向素子２０からの該レーザ光の射出角度（偏向角度）の調整が行われる。

このように、レンズアレイ４０に対してレーザ光を移動させるためには、偏向素子２０によるＸＺ平面内での偏向動作を、走査手段３０の副走査方向に関する走査タイミングに合わせて、図５（Ｂ）に示されるように行う。

すなわち、走査手段３０によってレーザ光を副走査方向に例えばレンズ列１個分の移動を行う間に、偏向素子２０は、該レンズ列の副走査方向の中央部に該レーザ光が位置するように、該レーザ光を偏向する（図５（Ａ）及び図５（Ｂ）参照）。そして、走査手段３０によってレーザ光が副走査方向にレンズ列１個分だけ移動された後、偏向素子２０は、偏向角度を戻して該レーザ光を次のレンズ列の副走査方向の中央部に移動させる。

このとき、偏向素子２０によるＸＺ平面内でのレーザ光の偏向（副走査対応方向の移動）は、レンズアレイ４０上に形成される画像への影響を考慮して、該レーザ光がレンズアレイ４０上における主走査方向の有効走査領域外（画像が形成されない領域）に入射されるときに行うことが望ましい（図４（Ｂ）及び図６参照）。このためには、レーザ光の副走査方向の移動速度（走査速度）を、該レーザ光の主走査方向の往復移動の周波数に応じて調整する必要がある。なお、図４（Ｂ）では、一例として、レーザ光がレンズアレイ４０の−Ｙ側に入射されるときに、偏向素子２０による偏向が行われている。

以上のように走査手段３０及び偏向素子２０の動作が組み合わされてレーザ光がレンズアレイ４０に対して移動されることにより、レンズアレイ４０を用いることによって発生し得る、半透明部材１２を介して視認される虚像の明度ムラやちらつきを解消することができる。この結果、均一な明るさの視認性の良い虚像を表示することが可能になる。

なお、走査手段３０の主走査方向に関する動作は、一例として、ＭＥＭＳミラーの共振を利用した周波数が約２１ｋＨｚの正弦波による偏向動作であり、走査手段３０の副走査方向に関する動作は、ＭＥＭＳミラーの共振を利用しない周波数が約７０Ｈｚの鋸波形状での偏向動作である。

すなわち、走査手段３０として、ＭＥＭＳミラーを使用した場合、主走査方向及び副走査方向の偏向動作の周波数の比を、例えば３００にでき、レーザ光を副走査方向に１スキャンする間に主走査方向に３００往復させることができる。ここで、副走査方向に関しては、鋸波での偏向動作を行い、画像形成に有効なリニアな動作をする領域を全体の８０％とした。このため、画像形成時にレーザ光は主走査方向に２４０往復することになる。そこで、レンズアレイ４０のレンズ列の数を２４０個とすることで、レーザ光を、主走査方向に１往復させる間に、副走査方向にレンズ列１個分だけ移動させることができる。この場合、レーザ光が副走査方向にレンズ列１個分移動する時間、すなわち１／２１０００秒間に、該レーザ光が該レンズ列の副走査方向の中央部を主走査方向に１往復するように偏向素子２０が動作される。

このようにして、レーザ光が各レンズ列の副走査方向の中央部を通るように偏向素子２０で調整を行うことにより、半透明部材１２を介して視認される虚像の明るさを確保でき、かつ明度ムラやちらつきのない均一な虚像を、観察者の視野内に半透明部材１２を介して表示することができる。

以上説明した本実施形態の画像形成装置１１は、画像情報に応じて変調されたレーザ光を射出する、３つのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３を含む光源装置１５と、前記光源装置１５からのレーザ光の光路上に配置された、複数のマイクロレンズ４０ａを含むレンズアレイ４０と、光源装置１５とレンズアレイ４０との間のレーザ光の光路上に配置され、該レーザ光でレンズアレイ４０を主走査方向及び副走査方向に走査する走査手段３０と、光源装置１５と走査手段３０との間のレーザ光の光路上に配置され、主走査対応方向（Ｙ軸方向）に直交する面（ＸＺ平面）内で偏向可能な偏向素子２０と、を備え、前記レンズアレイ４０上に画像を形成する画像形成装置である。

この場合、例えば、光源装置１５からのレーザ光を、走査手段３０によって主走査方向に移動させ、かつ副走査方向に移動させるとともに、偏向素子２０によって該レーザ光の副走査方向の位置を調整することができる。すなわち、光源装置１５からのレーザ光を、レンズアレイ４０の各レンズ列の副走査方向の中央部に位置させた状態で主走査方向に移動させることができる。

この結果、レンズアレイ４０上に明度ムラやちらつきの発生が抑制された画像を形成することができる。

結果として、画像形成装置１１では、画像の品質向上を図ることができる。

そして、ヘッドアップディスプレイ１０は、画像形成装置１１と、該画像形成装置１１のレンズアレイ４０を介したレーザ光の光路上に配置された半透明部材１２と、を備え、レンズアレイ４０上に形成された画像の虚像を、半透明部材１２を介して視認可能に表示する。

この場合、半透明部材１２を介して視認される虚像に明度ムラやちらつきが発生することを防止できる。すなわち、半透明部材１２を介して視認性に優れた虚像を表示することができる。

一方、特許文献１に開示されている表示装置では、光源から射出されたレーザ光を、可動ミラーで偏向し、主走査方向及び副走査方向に２次元配列された複数の微小レンズを含むレンズアレイを通過させ、発散角を所定範囲に制御した状態で投影板上に導くことで、該投影板を介して視認される虚像にスペックルノイズが発生することを抑制している。しかしながら、可動ミラーによる偏向により、レーザ光がレンズアレイ上を主走査方向に移動されるときの副走査方向の位置にばらつきがあるため、投影板を介して視認される虚像に明度ムラやちらつきが発生してしまう。具体的には、レーザ光のビーム径が各微小レンズサイズ（径）よりも小さく設定されているため、レンズアレイの微小レンズの副走査方向の中央部を多くのビームが移動している領域、及び該微小レンズの副走査方向の一端部又は他端部を多くのビームが移動している領域が発生するため、投影板を介して視認される虚像に明度ムラが生じてしまう。また、これにより明るさが時間によって変化し、投影板を介して視認される虚像にちらつきが発生してしまう。

詳述すると、特許文献１では、拡散板としてのレンズアレイによりスペックルノイズの低減は可能である。しかしながら、レンズアレイの各微小レンズの副走査方向の中央部をレーザ光の主光線が通過する領域では、正常な光の拡散が行われるため、明るい虚画素として表示される。しかしながら、レンズアレイの各微小レンズの副走査方向の一端部又は他端部をレーザ光の主光線が通過する領域では、光の拡散が正常に行われないため、暗い虚画素として表示されてしまう。この結果、投影板を介して視認される虚像に明度ムラやちらつきが発生する。

また、ヘッドアップディスプレイ１０では、光源としてレーザダイオードを用いている。この場合、色域が拡大され、色再現性の向上が実現できる。また、光源としてランプなどを用いる場合と比べて、消費電力の大幅な低減、及び装置の小型化を図ることができる。

なお、上記実施形態では、レンズアレイとして、−Ｚ方向から見て外形が円形の半球状の複数のマイクロレンズがマトリクス状（格子状）に配列されたものが採用されているが、これに限られない。例えば、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）にそれぞれ示される比較例２及び変形例１のように、レンズアレイとして、−Ｚ方向から見て外形が六角形の複数のマイクロレンズがハニカム状に配列されたものが採用されても良い。

図７（Ａ）には、ハニカム構造のレンズアレイに対して、走査手段による２次元走査のみを行った場合のレーザ光の移動軌跡が示されている。このように、複数のマイクロレンズが格子状に配列されていないレンズアレイの場合であっても、マイクロレンズの副走査方向の中央部を多くのビームが通る領域と、マイクロレンズの副走査方向の一端部又は他端部を多くのビームが通る領域が生じることが分かる。

一方、図７（Ｂ）に示される変形例１のように、ハニカム構造のレンズアレイ１４０に対して、偏向素子により副走査方向（Ｘ軸方向）の移動量の調整を行ってレーザ光を主走査方向（Ｙ軸方向）に移動させることで、該レーザ光を主走査方向に並ぶ複数のマイクロレンズ１４０ａの副走査方向の中央部を通るように移動させることができ、観察者の視野内に半透明部材１２を介して均一な明るさの虚像を表示することができる。

また、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）にそれぞれ示される比較例３及び変形例２のような、−Ｚ方向から見て外形が四角形の複数のマイクロレンズをそれぞれが含むレンズ列が主走査方向にマイクロレンズ半個分ずれた状態で配列されているレンズアレイにおいても、比較例３のような走査手段による２次元走査のみでは画像に明度ムラが発生することになる。このため、変形例２のように、レーザ光をレンズアレイ２４０の主走査方向に並ぶ複数のマイクロレンズ２４０ａの副走査方向の中央部で主走査方向に移動させることが効果的である。

以上の説明から分かるように、各マイクロレンズの形状が如何なる形状であっても、上記実施形態のように走査手段３０及び偏向素子２０の動作を組み合わせることが有効である。

また、上記実施形態及び各変形例では、主走査方向がＹ軸方向とされ、かつ副走査方向がＸ軸方向とされているが、これに限られない。例えば、主走査方向がＸ軸方向とされ、かつ副走査方向がＹ軸方向とされても良い。この場合、偏向素子は、レーザ光を、主走査対応方向（Ｘ軸）に直交するＹＺ平面内で偏向することが好ましい。

また、上記実施形態及び各変形例では、走査手段及び偏向素子によって、各レンズ列上の副走査方向の中央部を主走査方向に往復移動させているが、片道移動させても良い。この場合、レーザ光がレンズアレイの＋Ｙ側及び−Ｙ側に入射されるときに、該レーザ光を偏向素子によってＸＺ平面内で偏向することが好ましい。

また、上記実施形態及び各変形例では、走査手段として、互いに直交する２軸周りに搖動可能なＭＥＭＳミラーを含むスキャナが用いられたが、これに限らない。例えば、図９に示されるように、１軸周りに搖動可能なＭＥＭＳミラーを含むスキャナを複数組み合わせても良い。また、例えば、１軸周りに搖動可能なガルバノミラーを含むスキャナ、１軸周りに回転可能なポリゴンミラーを含むスキャナなどを適宜組み合わせても良い。

また、上記実施形態及び各変形例では、偏向手段として電気光学効果を有する偏向素子２０が用いられているが、共振動作などでないランダムな偏向が行えるものであればこれに限らない。例えば、音響光学効果を用いたＡＯ偏向素子、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラーなどを用いても良い。

また、上記実施形態及び各変形例における光源装置１５の構成は、適宜変更可能である。例えば、上記実施形態及び各変形例では、光源として、３つのレーザダイオードが用いられたが、２つ以下又は４つ以上用いられても良い。そして、レーザダイオードの数に応じて、ダイクロイックミラーの数を適宜変更しても良い。なお、レーザダイオードを１つ用いる場合には、ダイクロイックミラーは、必要ない。また、ダイクロイックミラーに代えて、光合成プリズムを用いても良い。

また、上記実施形態及び各変形例では、各レーザダイオードに対応してコリメートレンズが設けられているが、設けなくても良い。

また、光源装置は、ダイクロイックミラーＤＭ３と偏向素子２０との間のレーザ光の光路上に例えば集光レンズ等を有していても良い。

また、上記実施形態及び各変形例では、レンズアレイ上に形成された画像の虚像を、半透明部材１２を介して視認させることとしているが、これに代えて、例えば車両等のフロントガラスを介して視認させることとしても良い。

１０…ヘッドアップディスプレイ（画像表示装置）、１１…画像形成装置、１２…半透明部材、１５…光源装置、２０…偏向素子（偏向手段）、３０…走査手段、４０…レンズアレイ、４０ａ…マイクロレンズ、８８…分極反転部、ＬＤ１〜ＬＤ３…レーザダイオード（光源）、ＤＭ１〜ＤＭ３…ダイクロイックミラー（光合成手段）。

特開２００９−１２８６５９号公報

Claims (10)

1. 画像情報に応じて変調されたレーザ光を射出する、少なくとも１つの光源を含む光源装置と、
   前記光源装置からのレーザ光の光路上に配置された、複数のマイクロレンズを含むレンズアレイと、
   前記光源装置と前記レンズアレイとの間のレーザ光の光路上に配置され、該レーザ光で前記レンズアレイを主走査方向及び副走査方向に走査する走査手段と、
   前記光源装置と前記走査手段との間のレーザ光の光路上に配置され、該レーザ光を前記主走査方向に対応する方向に直交する面内で偏向可能な偏向手段と、を備え、前記レンズアレイ上に画像を形成する画像形成装置。
2. 前記レンズアレイは、前記主走査方向に並ぶ複数の前記マイクロレンズをそれぞれが含み、前記副走査方向に並ぶ複数のレンズ列を有することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記偏向手段は、前記走査手段を介したレーザ光が前記レンズ列の前記副走査方向の中央部を通過するように該レーザ光を偏向することを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記偏向手段は、前記走査手段を介したレーザ光が前記レンズアレイ上における前記主走査方向の有効走査領域外に入射されるとき、該レーザ光を偏向す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画像形成装置。
5. 前記走査手段は、前記偏向手段を介したレーザ光で前記レンズアレイを前記主走査方向に高速で往復走査し、前記副走査方向に低速で片道走査す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画像形成装置。
6. 前記複数のマイクロレンズそれぞれは、前記レンズアレイ上に表示される画像の１画素に対応し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画像形成装置。
7. 前記走査手段は、少なくとも１軸周りに揺動するＭＥＭＳミラーを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の画像形成装置。
8. 前記偏向手段におけるレーザ光が伝搬する領域は、電気光学効果を有する材料で形成され、電圧が印加されることにより、該レーザ光が偏向されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の画像形成装置。
9. 前記少なくとも１つの光源は、複数の光源であり、
   前記複数の光源は、互いに波長が異なる複数のレーザ光を射出し、
   前記光源装置は、前記複数の光源からの複数のレーザ光を合成する光合成手段を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の画像形成装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の画像形成装置と、
    前記画像形成装置のレンズアレイを介したレーザ光の光路上に配置された半透明部材と、を備え、前記レンズアレイ上に形成された画像の虚像を、前記半透明部材を介して視認可能に表示する画像表示装置。