JP2014235268A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックル、輝度ムラのない表示画像を簡易な構成で表示するヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置１００は、レーザー光Ｌを出射するレーザー光源部１０と、レーザー光源部１０が出射したレーザー光Ｌを走査する走査部２０と、走査部２０に走査されたレーザー光Ｌが入射する、複数のマイクロレンズが配列された第１のマイクロレンズアレイ４０と、を備える。第１のマイクロレンズアレイ４０の水平方向のピッチが、第１のマイクロレンズアレイ４０に入射するレーザー光Ｌの水平方向のビーム径よりも大きく、第１のマイクロレンズアレイ４０の垂直方向のピッチが、第１のマイクロレンズアレイ４０に入射するレーザー光Ｌの垂直方向のビーム径以下である。【選択図】図２

Description

本発明はヘッドアップディスプレイ装置に関する。

車両の運転者が運転中に視線を動かさずに、速度等の車両情報（表示画像）を読み取れるようにするために、車両のフロントガラスの前方に車両情報が表示されているかのように、車両情報をフロントガラスに投影するヘッドアップディスプレイ装置の開発が進められている。

ヘッドアップディスプレイ装置が表示画像を投影するため光源として、半導体レーザーを用いたヘッドアップディスプレイ装置が特許文献１に開示されている。このヘッドアップディスプレイ装置は、半導体レーザーと走査系とスクリーンとを備え、半導体レーザーが出射したレーザー光をスクリーンに向けて走査し、表示画像を生成する。

レーザー光を光源とするヘッドアップディスプレイ装置では、スペックルによって、表示画像の視認性が低下する。スペックルは、拡散したレーザー光の干渉によって生じる。

スペックルを低減したヘッドアップディスプレイ装置として、特許文献２に開示されたヘッドアップディスプレイ装置が知られる。このヘッドアップディスプレイ装置では、二重に配置されたマイクロレンズアレイが用いられる。二重に配置されたマイクロレンズアレイは、拡散剤、表面凹凸によらず、マイクロレンズの屈折作用によってレーザー光を発散するので、スペックルの発生を低減できる。

特開平７−２７０７１１号公報 特表２００７−５２３３６９号公報

特許文献２に記載のヘッドアップディスプレイ装置では、レーザー光のビーム形状、ビームの強度分布などが所定の条件から逸脱すると、表示画像の輝度ムラ、色ムラが生じる。簡易な光学系を用いて、ビーム形状等の条件を満たした場合には光利用効率が低下するので、ビーム形状等の条件を満たすために複雑な光学系が必要となる。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、スペックル、輝度ムラのない表示画像を簡易な構成で表示す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、
レーザー光を出射するレーザー光源部と、
前記レーザー光源部が出射したレーザー光を走査する走査部と、
前記走査部に走査されたレーザー光が入射する、複数のマイクロレンズが配列された第１のマイクロレンズアレイと、を備え、
前記第１のマイクロレンズアレイの水平方向のピッチが、前記第１のマイクロレンズアレイに入射するレーザー光の水平方向のビーム径よりも大きく、
前記第１のマイクロレンズアレイの垂直方向のピッチが、前記第１のマイクロレンズアレイに入射するレーザー光の垂直方向のビーム径以下である、
ことを特徴とする。

本発明によれば、スペックル、輝度ムラのない表示画像を簡易な構成で表示することができる。

本発明の実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１に係るレーザー光源部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るアパーチャの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る赤色レーザー光のビーム断面形状、ビーム断面の強度分布の変化を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る第１のマイクロレンズアレイの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係るアパーチャアレイの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る第１のマイクロレンズアレイ、アパーチャアレイの配置とレーザー光の光路を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る第１のマイクロレンズアレイ、アパーチャアレイの配置とレーザー光の光路を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る第１のマイクロレンズアレイに入射したレーザー光のビーム断面形状、ビーム断面の強度分布を示す図である。 Ｅｙｅｂｏｘ上で形成される干渉縞を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る、垂直方向において干渉縞の明部を形成する干渉したレーザー光（赤色）を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係るＥｙｅｂｏｘ上でのレーザー光のビーム断面における垂直方向の強度分布を示す図である。 レーザー光が水平方向に１画素分移動する場合におけるＥｙｅｂｏｘ上でのレーザー光のビーム断面における水平方向の強度分布の変化を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るＥｙｅｂｏｘ上でのレーザー光のビーム断面における水平方向の強度分布を示す図である。 第２のマイクロレンズアレイの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態２に係る第１のマイクロレンズアレイと第２のマイクロレンズアレイの配置を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る組み立てられた第１のマイクロレンズアレイと第２のマイクロレンズアレイの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態２に係る組み立てられた第１のマイクロレンズアレイと第２のマイクロレンズアレイの構成を示す模式図である。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について、図１〜図１６を参照して説明する。

図１に本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００の概略を示す。本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００は、図１に示すように、車両２００のダッシュボード内に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置１００は、出射部１０１から表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光を車両２００のフロントガラス２０１へ出射する。フロントガラス２０１に反射された表示光は、観察者の眼１に達する。観察者はフロントガラス２０１に反射された表示光が表す表示画像Ｍの虚像（フロントガラス２０１に投影された虚像）Ｖを、視域であるＥｙｅｂｏｘ３において視認する。観察者はフロントガラス２０１を通して、表示画像Ｍが遠方にあるように認識する。

図２は、ヘッドアップディスプレイ装置１００の車両２００（図１）における上下方向の断面の概略を示す。ヘッドアップディスプレイ装置１００は、図２に示すように、筐体１０２内に配置されたレーザー光源部１０と、走査部２０と、屈折部３０と、第１のマイクロレンズアレイ４０と、アパーチャアレイ４５とを備える。また、ヘッドアップディスプレイ装置１００は、平面ミラー５１と、拡大ミラー５２とを備える。

レーザー光源部１０から出射したレーザー光Ｌは、走査部２０に入射する。走査部２０は入射したレーザー光Ｌを走査する。ここで、レーザー光Ｌの進行方向をＺ軸、観察者の眼の左右方向をＸ軸（水平方向）、Ｘ軸とＺ軸に垂直な方向をＹ軸（垂直方向）とする。走査部２０は、レーザー光Ｌを走査することによって、表示画像Ｍを第１のマイクロレンズアレイ４０の上に描画する。

走査部２０が走査したレーザー光Ｌは、屈折部３０に入射する。屈折部３０は、レーザー光Ｌの第１のマイクロレンズアレイ４０への入射角度を制御する。屈折部を出射したレーザー光Ｌは、第１のマイクロレンズアレイ４０に入射する。

第１のマイクロレンズアレイ４０は、入射したレーザー光Ｌを発散する。第１のマイクロレンズアレイ４０は、表示画像Ｍを表示する透過スクリーンとして機能する。
第１のマイクレンズアレイ４０を出射したレーザー光Ｌ（表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光）は、アパーチャアレイ４５を通過する。アパーチャアレイ４５は、筐体１０２内の迷光、筐体１０２外から入射した光などを吸収し、また表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光を均一化する。

アパーチャアレイ４５を通過したレーザー光Ｌ（表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光）は、平面ミラー５１、拡大ミラー５２の順に反射され、筐体１０２の出射部１０１から出射する。出射部１０１から出射したレーザー光Ｌ（表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光）はフロントガラス２０１に入射する。フロントガラス２０１は入射したレーザー光Ｌ（表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光）を反射する。反射されたレーザー光Ｌ（表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光）は観察者の眼１に達する。

ヘッドアップディスプレイ装置１００の具体的な構成について説明する。

（レーザー光源部）
図３は、レーザー光源部１０の構成を示す。レーザー光源部１０は、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）のレーザー光を合波して、レーザー光Ｌを出射する。レーザー光源部１０は、赤色レーザー光を出射するレーザーダイオード（赤色ＬＤ）１１ｒ、緑色レーザー光を出射するレーザーダイオード（緑色ＬＤ）１１ｇ、青色レーザー光を出射するレーザーダイオード（青色ＬＤ）１１ｂとを備える。また、赤色ＬＤ１１ｒ、緑色ＬＤ１１ｇ、青色ＬＤ１１ｂが出射したレーザー光のそれぞれを集光する集光レンズ１２ｒ、１２ｇ、１２ｂと、それぞれのレーザー光のビーム形状を整形するアパーチャ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂが、各ＬＤから出射されるレーザー光の光路上に配置される。さらに、レーザー光源部１０は、赤色ＬＤ１１ｒ、緑色ＬＤ１１ｇ、青色ＬＤ１１ｂが出射したレーザー光を合波するダイクロイックミラー１４、１５を備える。

赤色ＬＤ１１ｒと集光レンズ１２ｒとアパーチャ１３ｒとから構成される光学系（赤色レーザー光学系）を例に、赤色ＬＤ１１ｒ、集光レンズ１２ｒ、アパーチャ１３ｒとレーザー光のビーム断面形状、ビーム断面の強度分布について、説明する。
赤色ＬＤ１１ｒは、出射した赤色レーザー光のビーム断面形状が垂直方向に長軸を有する楕円状となるように、配置される。
赤色ＬＤ１１ｒから出射した赤色レーザー光は、集光レンズ１１ｒに入射する。集光レンズ１１ｒは、赤色ＬＤ１１ｒから出射した赤色のレーザー光が所定の位置に集光するように、収差補正されたレンズである。すなわち、集光レンズ１２ｒは、赤色ＬＤ１１ｒから出射されたレーザー光を発散光から収束光に変換する。

集光レンズ１２ｒから出射した赤色レーザー光は、アパーチャ１３ｒに入射する。アパーチャ１３ｒは開口部１３ｒａを有する（図４）。アパーチャ１３ｒは金属板等から構成される。開口部１３ｒａは、例えば、水平方向に長い長方形である。なお、開口部１３ｒａの形状は長方形に限られるものではなく、集光レンズ１２ｒから出射した赤色レーザー光の垂直方向の端部を遮蔽し、水平方向を遮蔽しない（垂直方向のビーム形状のみを整形する）ものであればよい。
開口部１３ｒａの大きさは、赤色ＬＤ１１ｒから出射される赤色レーザー光の波長、後述する第１のマイクロレンズアレイ４０のピッチから、後述する所定の開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ：ＮＡ）となるように決定する。

図５は、赤色ＬＤ１１ｒから出射した赤色レーザー光のビーム断面形状、ビーム断面の強度分布の変化を示す図である。
赤色ＬＤ１１ｒを出射した赤色レーザー光のビーム断面形状は、前述したように、垂直方向に長軸を有する楕円状である（図５：a１）。また、赤色ＬＤ１１ｒを出射した赤色レーザー光のビーム断面の強度分布は、水平方向、垂直方向ともに略ガウス分布と見なされる（図５：ａ２、ａ３）。

集光レンズ１２ｒに入射した赤色レーザー光は、収束光として集光レンズ１２ｒから出射する。この場合、集光レンズ１２ｒから出射した赤色レーザー光のビーム断面形状は、垂直方向に長軸を有する楕円状のままである（図５：ｂ１）。また、集光レンズ１２ｒから出射した赤色レーザー光のビーム断面の強度分布も、水平方向、垂直方向ともに略ガウス分布のままである（図５：ｂ２、ｂ３）。

集光レンズ１２ｒから出射した赤色レーザー光は、アパーチャ１３ｒに入射し、開口部１３ｒａを通過する。この場合、開口部１３ｒａは、集光レンズ１２ｒから出射した赤色レーザー光の垂直方向の端部を遮蔽し、水平方向を遮蔽しないので、開口部１３ｒａを通過した赤色レーザー光のビーム断面形状は、垂直方向に長軸を有する楕円形状の上下部分が切り落とされた形状となる（図５：ｃ１）。開口部１３ｒａを通過した赤色レーザー光のビーム断面における水平方向の強度分布は、開口部１３ｒａが水平方向を遮蔽しないので、略ガウス分布のままである（図５：ｃ２）。一方、開口部１３ｒａを通過した赤色レーザー光のビーム断面における垂直方向の強度分布は、開口部１３ｒａが垂直方向の端部を遮蔽するので、ガウス分布の両端部分が失われ、略均一な略トップハット形状の分布と見なされる（図５：ｃ３）。

緑色ＬＤ１１ｇと集光レンズ１２ｇとアパーチャ１３ｇとから構成される光学系と青色ＬＤ１１ｂ、集光レンズ１２ｂ、アパーチャ１３ｂから構成される光学系においても、上述した赤色レーザー光学系と同様の構成を有し、各色のレーザー光のビーム断面形状、ビーム断面の強度分布も赤色レーザー光学系と同様である。

ダイクロイックミラー１４、１５は、誘電体多層膜等の薄膜が鏡面に形成されたミラーである。ダイクロイックミラー１４は、アパーチャ１３ｒを通過した赤色レーザー光とアパーチャ１３ｂを通過した青色レーザー光の光路上に、所定の角度で配置される。ダイクロイックミラー１４は、青色レーザー光を透過し、赤色レーザー光を反射する。したがって、アパーチャ１３ｒを通過した赤色レーザー光とアパーチャ１３ｂを通過した青色レーザー光が合波される。

ダイクロイックミラー１５は、ダイクロイックミラー１４から出射したレーザー光（赤色レーザー光と青色レーザー光とが合波されたレーザー光）とアパーチャ１３ｇを通過した緑色レーザー光の光路上に、所定の角度で配置される。ダイクロイックミラー１５は、合波された赤色、青色レーザー光を透過し、緑色レーザー光を反射する。したがって、アパーチャ１３ｇを通過した緑色レーザー光も合波される。赤色、緑色、青色レーザー光を合波したレーザー光（レーザー光Ｌ）がダイクロイックミラー１５から出射する。

以上のように、レーザー光源部１０は、赤色、緑色、青色レーザー光を合波したレーザー光Ｌを出射する。レーザー光Ｌのビーム断面形状、ビーム断面の強度分布は、各色のレーザー光のビーム断面形状、ビーム断面の強度分布が同一であるので、各色のレーザー光のビーム断面形状、ビーム断面の強度分布と同一になる。すなわち、レーザー光Ｌのビームの断面形状は、垂直方向に長軸を有する楕円形状の上下部分が切り落とされた形状となる。また、レーザー光Ｌのビーム断面における水平方向の強度分布は略ガウス分布であり、垂直方向の強度分布は略トップハット形状の分布である。

なお、赤色ＬＤ１１ｒと緑色ＬＤ１１ｇと青色ＬＤ１１ｂは、合波され、ダイクロイックミラー１５から出射する場合に、各色のレーザー光の偏光方向が一致するように配置され、偏光方向はフロントガラス２０１の反射率依存性等から決定される。

（走査部）
走査部２０は、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）スキャナから構成される。ＭＥＭＳスキャナ（走査部）２０は、レーザー光源部１０が出射したレーザー光Ｌの光路上に配置される。
ＭＥＭＳスキャナ（走査部）２０は、レーザー光源部１０から出射したレーザー光Ｌを走査することによって、表示画像Ｍを描画し、生成する。ＭＥＭＳスキャナ（走査部）２０は、水平方向に１０ｎ秒程度の間、連続的にＭＥＭＳスキャナのミラー面を傾斜させることによって、表示画像Ｍの１画素を形成する。

（屈折部）
屈折部３０は凸レンズ等で構成される。屈折部３０は、走査部２０が走査したレーザー光Ｌの光路上に配置される。屈折部３０は走査部２０が走査したレーザー光Ｌを、走査位置に応じた入射角（第１のマイクロレンズアレイ４０の法線とレーザー光Ｌとのなす角度）で第１のマイクロレンズアレイ４０に入射するよう、走査部２０が走査したレーザー光Ｌを屈折させる。

（第１のマイクロレンズアレイ）
第１のマイクロレンズアレイ４０は、図６に示すように、面内の水平方向にｄＨ１、垂直方向にｄＶ１のピッチで周期的に配列された複数のマイクロレンズ４０ａを有する。また、複数のマイクロレンズ４０ａは、マイクロレンズ４０ａ同士の間隔、段差等が最小となるよう形成される。ここで、マイクロレンズアレイ（マイクロレンズ）のピッチとは、隣接するマイクロレンズの中心間の距離である。本実施の形態においては、水平方向のピッチｄＨ１が垂直方向のピッチｄＶ１以上であるものとする（ｄＨ１≧ｄＶ１）。例えば、第１のマイクロレンズアレイ４０においては、水平方向に長い長方形のマイクロレンズ４０ａが、マイクロレンズ４０ａ同士の間隔、段差等が最小となるよう、周期的に配列される。
また、本実施の形態では、第１のマイクロレンズアレイ４０の水平方向のピッチｄＨ１が、表示画像Ｍの１画素の大きさに相当する。

第１のマイクロレンズアレイ４０は、第１のマイクロレンズアレイ４０の中心に位置するマイクロレンズ４０ａの光軸ＡＸと、ＭＥＭＳスキャナ（走査部）２０のミラー面が傾斜していない状態（静止した状態）においてミラー面が反射したレーザー光Ｌのビーム断面の中心とが一致するように、配置される。

第１のマイクロレンズアレイ４０に入射したレーザー光Ｌは、マイクロレンズ４０ａによって一旦収束され、発散する。第１のマイクロレンズアレイ４０は、走査部２０が第１のマイクロレンズアレイ４０上に表示画像Ｍを描画するレーザー光Ｌを発散するので、表示画像Ｍを表示する透過スクリーンとして機能する。第１のマイクロレンズアレイ４０から出射する、発散されたレーザー光Ｌについては、後述する。

（アパーチャアレイ）
アパーチャアレイ４５は、図７に示すように、面内の水平方向、垂直方向に、周期的に配列された複数の開口部４５ａを有する。各開口部４５ａは、第１のマイクロレンズアレイ４０における各マイクロレンズ４０ａと対をなす。アパーチャアレイ４５はフォトリソグラフィ技術等によって作製される。アパーチャアレイ４５における開口部４５ａ以外の領域は遮光部４５ｂである。遮光部４５ｂは、可視光を吸収する。

図８は、第１のマイクロレンズアレイ４０、アパーチャアレイ４５の配置とレーザー光Ｌの光路を示す。アパーチャアレイ４５は、アパーチャアレイ４５の中心に位置する開口部４５ａの中心が、第１のマイクロレンズアレイ４０の中心に位置するマイクロレンズ４０ａの光軸ＡＸ上に位置するように、配置される。また、アパーチャアレイ４５と第１のマイクロレンズアレイ４０とは、第１のマイクロレンズアレイ４０におけるマイクロレンズ４０ａの焦点距離ｆを隔てて、配置される。

アパーチャアレイ４５の開口部４５ａの大きさは、第１のマイクロレンズアレイ４０におけるマイクロレンズ４０ａの大きさの１／５〜１／１０程度である。また、アパーチャアレイ４５の開口部４５ａは、水平方向にｄＨＡ、垂直方向にｄＶＡのピッチで配列される。ここで、アパーチャアレイ（開口部）のピッチとは、隣接する開口部の中心間の距離である。本実施の形態では、第１のマイクロレンズアレイ４０と同様に、水平方向のピッチｄＨＡが垂直方向のピッチｄＶＡ以上であるものとする（ｄＨＡ≧ｄＶＡ）。また、アパーチャアレイ４５の水平方向のピッチｄＨＡは、第１のマイクロレンズアレイ４０の水平方向のピッチｄＨ１以上であり、アパーチャアレイ４５の垂直方向のピッチｄＶＡは、第１のマイクロレンズアレイ４０の垂直方向のピッチｄＶ１以上である（ｄＨＡ≧ｄＨ１、ｄＶＡ≧ｄＶ１）。

本実施の形態では、第１のマイクロレンズアレイ４０の中心に位置するマイクロレンズ４０ａの光軸ＡＸと、ＭＥＭＳスキャナ（走査部）２０のミラー面が傾斜していない状態（静止した状態）においてミラー面が反射したレーザー光Ｌのビーム断面の中心とが一致するように配置されるので、ＭＥＭＳスキャナ（走査部）２０が走査したレーザー光Ｌが第１のマイクロレンズアレイ４０に入射する入射角度（第１のマイクロレンズアレイ４０の法線とレーザー光Ｌとのなす角度）は、第１のマイクロレンズアレイ４０の中心よりも周辺部の方が大きくなる。したがって、アパーチャアレイ４５のピッチを第１のマイクロレンズアレイ４０のピッチ以上とする（ｄＨＡ≧ｄＨ１、ｄＶＡ≧ｄＶ１）ことによって、第１のマイクロレンズアレイ４０における各マイクロレンズ４０ａによって集光されたレーザー光Ｌの集光点Ｐとアパーチャアレイ４５の各開口部４５ａの位置を合わせる。これにより、各マイクロレンズ４０ａによって集光されたレーザー光Ｌが、高効率でアパーチャアレイ４５の各開口部４５ａを通過する（図９）。

一方、アパーチャアレイ４５の遮光部４５ｂは、可視光を吸収する。したがって、筐体１０２の外部から筐体１０２内に入射した外光、第１のマイクロレンズアレイ４０内での内部反射光等は、アパーチャアレイ４５の遮光部４５ｂによって、吸収される。したがって、ヘッドアップディスプレイ装置１００は、外光反射、レーザー光Ｌの内部反射を低減し、第１のマイクロレンズアレイ４０から出射するレーザー光Ｌを均一化して、表示品位の高い表示画像Ｍの虚像Ｖを表示できる。

（平面ミラー、拡大ミラー）
平面ミラー５１は平面状の全反射ミラーである。アパーチャアレイ４５の開口部４５ａを通過したレーザー光Ｌ（表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光）の光路上に配置される。平面ミラー５１は、表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光を拡大ミラー５２へ反射する。
拡大ミラー５２は、例えば、凹面鏡である。拡大ミラー５２は、平面ミラー５１が反射した表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光の光路上に配置され、表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光をフロントガラス２０１へ反射する。拡大ミラー５２は凹面鏡であるので、表示画像Ｍの虚像Ｖは表示画像Ｍが拡大された虚像となる。

拡大ミラー５２に反射された表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光は出射部１０１から出射する。出射部１０１から出射した表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光は、フロントガラス２０１に反射され、フロントガラス２０１の前方に表示画像Ｍの虚像Ｖが結ばれる。したがって、車両２００の観察者等は、視域であるＥｙｅｂｏｘ３において、表示画像Ｍを虚像Ｖとして視認することができる。

（制御部）
ヘッドアップディスプレイ装置１００は、更に制御部６０を備える。制御部６０は、マイコン６１、出力制御部６２、図示しないＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）等から構成される（図１０）。ＤＡＣは、カラーセンサ７０、ライトセンサ７５から受信したアナログデータをデジタルデータに変換し、マイコン６１に供給する。

カラーセンサ７０は、例えば、第１のマイクロレンズアレイ４０のレーザー光Ｌが入射する面に設けられ（図２）、レーザー光Ｌにおける赤色、緑色、青色それぞれの光強度を検出する。カラーセンサ７０は、検出した光強度のアナログデータをＤＡＣに供給する。カラーセンサ７０の設置位置は、光強度が所定の範囲内で検出される位置であれば任意である。
ライトセンサ７５は、例えば、出射部１０１の周辺部に設けられる（図２）。ライトセンサ７５は、外光強度を検出する。ライトセンサ７５は、検出した外光強度のアナログデータをＤＡＣに供給する。ライトセンサ７５の設置位置は、外光強度が所定の範囲内で検出される位置であれば任意である。

マイコン６１は、ヘッドアップディスプレイ装置１００における種々の動作を制御する。マイコン６１は、表示画像Ｍを表示するための画像データを図示しない記憶部からＬＶＤＳ（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｉｇｎａｌ）通信等によって取得する。記憶部には、所定の動作プログラム、カラーセンサ７０が設置された位置を示す位置データ等が予め記憶される。

例えば、マイコン６１は、記憶されている動作プログラムに基づいて、以下のように、ヘッドアップディスプレイ装置１００の動作を制御する。
ａ）マイコン６１は制御データを生成する。マイコン６１は生成した制御データを出力制御部６２に出力することによって、出力制御部６２を介して赤色、緑色、青色ＬＤ１１ｒ、１１ｇ、１１ｂを駆動する。ここで生成される制御データは、カラーセンサ７０から受信し、ＤＡＣによって変換されたレーザー光Ｌにおける各色の光強度のデジタルデータに基づいて生成される。制御データは、赤色、緑色、青色ＬＤ１１ｒ、１１ｇ、１１ｂが出射する各色のレーザー光の光強度を、表示画像Ｍを表示するための画像データに基づく映像信号が要求する強度にするための制御データ等である。
ｂ）マイコン６１は、ＭＥＭＳドライバ８０を介して、ＭＥＭＳスキャナ（走査部）２０を駆動する。
ｃ）マイコン６１は、所定のタイミング等で、出力制御部６２に制御データを供給し、カラーセンサ７０から光強度のデータを取得する。

出力制御部６２は、マイコン６１から供給された制御データに基づいて、赤色、緑色、青色ＬＤ１１ｒ、１１ｇ、１１ｂのそれぞれの出力を制御し、赤色、緑色、青色ＬＤ１１ｒ、１１ｇ、１１ｂを駆動する。

（第１のマイクロレンズアレイから出射するレーザー光）
第１のマイクロレンズアレイ４０に入射したレーザー光Ｌは、マイクロレンズ４０ａによって、集光される。第１のマイクロレンズアレイ４０に入射するレーザー光Ｌのビーム径は、レーザー光源部１０のアパーチャ１３ｒの開口部１３ｒａの大きさ、アパーチャ１３ｇの開口部の大きさ、アパーチャ１３ｂの開口部の大きさと、アパーチャ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂと第１のマイクロレンズアレイ４０との距離によって決定される。マイクロレンズ４０ａによって集光されたレーザー光Ｌは、アパーチャアレイ４５の開口部４５ａを通過して、発散する。発散したレーザー光Ｌは、平面ミラー５１、拡大ミラー５２、フロントガラス２０１を介して、Ｅｙｅｂｏｘ３を照明する。

本実施の形態において、第１のマイクロレンズアレイ４０に入射するレーザー光Ｌは、図１１に示すように、水平方向のビーム径Ｄｒｈが第１のマイクロレンズアレイ４０の水平方向のピッチｄＨ１よりも小さく、垂直方向のビーム径Ｄｒｖが第１のマイクロレンズアレイ４０の垂直方向のピッチｄＶ１以上となるように、第１のマイクロレンズアレイ４０に照射される（Ｄｒｈ＜ｄＨ１、Ｄｒｖ≧ｄＶ１）。ここで、レーザー光のビーム径は、ビームのピーク強度に対して、強度が１／ｅ^２（１３．５％）となる位置で規定されるレーザー光のビームの直径である。

（垂直方向）
レーザー光Ｌの垂直方向のビーム径Ｄｒｖは第１のマイクロレンズアレイ４０の垂直方向のピッチｄＶ１以上であり、マイクロレンズ４０ａはマイクロレンズ４０ａ同士の間隔、段差等が最小となるよう形成されているので、レーザー光Ｌは、垂直方向において、複数のマイクロレンズ４０ａに入射する。垂直方向において、複数のマイクロレンズ４０ａに入射したレーザー光Ｌは、各マイクロレンズ４０ａに対応するアパーチャアレイ４５の開口部４５ａを通過し、発散してＥｙｅｂｏｘ３を照明する。発散したレーザー光Ｌは、垂直方向において複数のマイクロレンズ４０ａに入射したため、垂直方向において、第１のマイクロレンズアレイ４０の周期性とレーザー光Ｌの可干渉性によって、干渉する。このような場合、一般に、干渉によってＥｙｅｂｏｘ３上には、干渉縞が形成される（図１２）。

図１３は、垂直方向において、干渉縞の明部を形成する干渉したレーザー光Ｌ（赤色）を説明するための図である。図１４は、本実施の形態におけるＥｙｅｂｏｘ３上でのレーザー光Ｌのビーム断面における垂直方向の強度分布を示す。なお、図１３においては、簡略化のために、走査部２０、平面ミラー５１、拡大ミラー５２などを省略している。
本実施の形態においては、レーザー光源部１０におけるアパーチャ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂと第１のマイクロレンズアレイ４０との距離などを最適化することによって、Ｅｙｅｂｏｘ３上の干渉縞における明部を形成する干渉したレーザー光Ｌのビーム径を拡大あるいは縮小し、Ｅｙｅｂｏｘ３上の干渉縞における明部と明部との間隔を密にする。すなわち、明部を形成する干渉したレーザー光Ｌの回折角θｄと発散角φとを略同一にする（図１３）。具体的には、第１のマイクロレンズアレイ４０に入射するレーザー光Ｌの収束角ηと明部を形成する干渉したレーザー光Ｌの発散角φは同一とみなすことができるので、収束角η（アパーチャ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂのＮＡ）と明部を形成する干渉したレーザー光Ｌの回折角θｄとが略同一になるように、アパーチャ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂと第１のマイクロレンズアレイ４０との距離、第１のマイクロレンズアレイ４０の垂直方向のピッチｄＶ１を選択する。例えば、緑色レーザー光の場合、第１のマイクロレンズアレイ４０の垂直方向のピッチｄＶ１＝５０μｍに対して、アパーチャ１３ｇのＮＡ＝０．００５が選択される。

また、明部を形成する干渉したレーザー光Ｌのビーム断面における垂直方向の強度分布は、レーザー光源部１０を出射したレーザー光Ｌと同様に、略トップハット形状の分布と見なすことができる。

したがって、本実施の形態においては、アパーチャ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂと第１のマイクロレンズアレイ４０との距離、第１のマイクロレンズアレイ４０の垂直方向のピッチｄＶ１を選択し、Ｅｙｅｂｏｘ３上の干渉縞における明部と明部との間隔を人間の瞳の最小径（２ｍｍ）以下にすることによって、Ｅｙｅｂｏｘ３内で観察者等の瞳が垂直方向に移動した場合であっても、輝度ムラ、色ムラを抑制することができる（図１４）。

（水平方向）
レーザー光Ｌの水平方向のビーム径Ｄｒｈは、図１１に示すように、第１のマイクロレンズアレイ４０のピッチｄＨ１よりも小さい。また、レーザー光Ｌのビーム断面における水平方向の強度分布は、ガウス分布のままである。レーザー光Ｌの水平方向のビーム径Ｄｒｈは、第１のマイクロレンズアレイ４０のピッチｄＨ１よりも小さいので、水平方向ではレーザー光Ｌの干渉は生じない。

水平方向において、マイクロレンズ４０ａに入射したレーザー光Ｌは、各マイクロレンズ４０ａに対応するアパーチャアレイ４５の開口部４５ａを通過し、発散してＥｙｅｂｏｘ３を照明する。Ｅｙｅｂｏｘ３においても、レーザー光Ｌのビーム断面における水平方向の強度分布は、ガウス分布のままである。

本実施の形態では、ＭＥＭＳスキャナ（走査部）２０は、水平方向に１０ｎ秒程度の間、連続的にＭＥＭＳスキャナのミラー面を傾斜させ、表示画像Ｍの１画素を形成する。したがって、第１のマイクロレンズアレイ４０に入射したレーザー光Ｌは、１画素を形成するために、水平方向にマイクロレンズ４０ａの１つ分移動する。この場合、レーザー光Ｌが水平方向に移動する間に、レーザー光Ｌのビーム断面における水平方向の強度分布もＥｙｅｂｏｘ３内で移動する（図１５）。レーザー光Ｌがマイクロレンズ４０ａ１つ分（１画素分）移動する時間で、図１５に示すような、水平方向におけるビーム断面の強度分布を積分すると、Ｅｙｅｂｏｘ３の水平方向において略トップハット形状の強度分布を得ることができる（図１６）。したがって、本実施の形態においては、Ｅｙｅｂｏｘ３内で観察者等の瞳が水平方向に移動した場合であっても、輝度ムラ、色ムラを抑制することができる。

以上のように、本実施の形態においては、アパーチャ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂ、アパーチャアレイ４５を用いた簡易な構成で、Ｅｙｅｂｏｘ３内の水平方向、垂直方向ともに輝度ムラ、色ムラを抑制したレーザー光Ｌ（表示画像Ｍの虚像Ｖを表す表示光）が照射される。また、本実施の形態においては、アパーチャ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂによるレーザー光Ｌの遮蔽は垂直方向に限定されるので、光損失が少なく、光利用効率が高い。さらに、本実施の形態においては、第１のマイクロレンズアレイ４０によって、レーザー光Ｌを発散するので、スッペックルの発生を抑制することができる。
したがって、車両２００の観察者等は、スッペックル、輝度ムラ、色ムラのない表示画像Ｍの虚像Ｖを視認できる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について、図１７〜図２０を参照して説明する。本実施の形態においては、実施の形態１におけるアパーチャアレイ４５に代えて、第２のマイクロレンズアレイ９０を備える。その他の構成は、実施の形態１と同様である。
第２のマイクロレンズアレイ９０は、面内に水平方向、垂直方向に配列された複数のマイクロレンズ９０ａを有する（図１７）。第２のマイクロレンズアレイ９０は、第２のマイクロレンズアレイ９０の中心に位置するマイクロレンズ９０ａの光軸が、第１のマイクロレンズアレイ４０の中心に位置するマイクロレンズ４０ａの光軸ＡＸと一致するように配置される。また、第２のマイクロレンズアレイ９０は、マイクロレンズ９０ａのレンズ曲面が第１のマイクロレンズアレイ４０におけるマイクロレンズ４０ａの焦点に位置するように、隔てて配置される（図１８）。

第２のマイクロレンズアレイ９０において、マイクロレンズ９０ａは、面内の水平方向にｄＨ２、垂直方向にｄＶ２のピッチで配列される。第２のマイクロレンズアレイ９０における水平方向、垂直方向のピッチｄＨ２、ｄＶ２は、それぞれ実施の形態１におけるアパーチャアレイ４５の水平方向、垂直方向のピッチｄＨＡ、ｄＶＡに相当する。すなわち、第２のマイクロレンズアレイ９０の水平方向のピッチｄＨ２は、第１のマイクロレンズアレイ４０の水平方向のピッチｄＨ１以上であり、第２のマイクロレンズアレイ９０の垂直方向のピッチｄＶ２は、第１のマイクロレンズアレイ４０の垂直方向のピッチｄＶ１以上である（ｄＨ２≧ｄＨ１、ｄＶ２≧ｄＶ１）。これにより、第１のマイクロレンズアレイ４０における各マイクロレンズ４０aが集光したレーザー光Ｌは、第２のマイクロレンズアレイ９０の各マイクロレンズ９０ａによって高効率、均一に発散する。

本実施の形態では、第１のマイクロレンズアレイ４０における各マイクロレンズ４０ａの焦点に、第２のマイクロレンズアレイ９０の各マイクロレンズ９０ａのレンズ曲面が配置されているので、レーザー光Ｌを均一に発散することができ、Ｅｙｅｂｏｘ３の照度分布を均一にすることができる。その他の効果は、実施の形態１と同様である。

第１のマイクロレンズアレイ４０と第２のマイクロレンズアレイ９０とは、一体であっても、別体であってもよい。例えば、図１９に示すように、別体として作製した第１のマイクロレンズアレイ４０と第２のマイクロレンズアレイ９０とを支持部材９１によって、組み立ててもよい。第１のマイクロレンズアレイ４０の各マイクロレンズ４０ａの凸面と第２のマイクロレンズアレイ９０の各マイクロレンズ９０ａの凸面を対向して配置してもよい（図２０（ａ））。また、第１のマイクロレンズアレイ４０の各マイクロレンズ４０ａの凸面と第２のマイクロレンズ９０の各マイクロレンズ９０ａの凸面を、同一の方向に配置してもよい（図２０（ｂ））。なお、第１のマイクロレンズアレイ４０と第２のマイクロレンズアレイ９０との間は、空気層であってよし、第１、第２のマイクロレンズアレイ４０、９０の屈折率と異なる屈折率を有する材料で満たされていてもよい。さらに、別体として作製した第１のマイクロレンズアレイ４０と第２のマイクロレンズアレイ９０とを、第１、第２のマイクロレンズアレイ４０、９０と略同一の屈折率を有する透光性の接着剤等で密着させてもよい。

上記実施の形態で説明したヘッドアップディスプレイ装置１００によれば、
スペックル、輝度ムラのない表示画像を簡易な構成で表示するヘッドアップディスプレイ装置１００を提供できる。これは、以下の構成によって実現される。

ヘッドアップディスプレイ装置１００は、
レーザー光Ｌを出射するレーザー光源部１０と、
レーザー光源部１０が出射したレーザー光Ｌを走査する走査部２０と、
走査部２０に走査されたレーザー光Ｌが入射する、複数のマイクロレンズ４０ａが配列された第１のマイクロレンズアレイ４０と、を備え、
第１のマイクロレンズアレイ４０の水平方向のピッチｄＨ１が、第１のマイクロレンズアレイ４０に入射するレーザー光Ｌの水平方向のビーム径Ｄｒｈよりも大きく、
第１のマイクロレンズアレイ４０の垂直方向のピッチｄＶ１が、第１のマイクロレンズアレイ４０に入射するレーザー光Ｌの垂直方向のビーム径Ｄｒｖ以下である。

第１のマイクロレンズアレイ４０の水平方向のピッチｄＨ１は、第１のマイクロレンズアレイ４０の垂直方向のピッチｄＶ１以上であってもよい。

第１のマイクロレンズアレイ４０から出射したレーザー光Ｌが入射する、複数の開口部４５ａが配列されたアパーチャアレイ４５を備え、
アパーチャアレイ４５の水平方向のピッチｄＨＡは、第１のマイクロレンズアレイ４０の水平方向のピッチｄＨ１以上であり、
アパーチャアレイ４５の垂直方向のピッチｄＶＡは、第１のマイクロレンズアレイ４０の垂直方向のピッチｄＶ１以上であってもよい。

第１のマイクロレンズアレイ４０から出射したレーザー光Ｌが入射する、複数のマイクロレンズ９０ａが配列された第２のマイクロレンズアレイ９０を備え、
第２のマイクロレンズアレイ９０の水平方向のピッチｄＨ２は、第１のマイクロレンズアレイ４０の水平方向のピッチｄＨ１以上であり、
第２のマイクロレンズアレイ９０の垂直方向のピッチｄＶ２は、第１のマイクロレンズアレイ４０の垂直方向のピッチｄＶ１以上であってもよい。

レーザー光源部１０が出射するレーザー光Ｌは、水平方向において略ガウス分布の強度分布を有し、垂直方向において略トップハット形状の強度分布を有してもよい。

走査部２０と第１のマイクロレンズアレイ４０との間に配置され、走査部２０が走査したレーザー光Ｌを第１のマイクロレンズアレイ４０に出射する屈折部３０を備え、
屈折部３０が出射したレーザー光Ｌの第１のマイクロレンズアレイ４０の法線に対する角度は、第１のマイクロレンズアレイ４０の中心よりも第１のマイクロレンズアレイ４０の端部の方が大きくてもよい。

レーザー光源部１０における集光レンズ１２ｒ、１２ｇ、１２ｂは、曲面形状として、トロイダル等の非球面形状を有してもよい。集光レンズ１２ｒ、１２ｇ、１２ｂが非球面形状を有することによって、アパーチャ１３ｒ、１３ｇ、１３ｂを通過する各色のレーザー光におけるビーム断面の強度分布を最適化することができる。また、第１のマイクロレンズアレイ４０に入射するレーザー光Ｌのビーム径を最適化できる。

第１のマイクロレンズアレイ４０とアパーチャアレイ４５は、一体であっても、別体であってもよい。

出射部１０１にアクリル樹脂等で構成された窓部材が配置されてもよい。窓部材は、湾曲形状に成形され、出射部１０１に容着等によって取り付けられる。窓部材は、拡大ミラー５２によって反射されたレーザー光Ｌを透過する。

以上の説明では、本発明の理解を容易にするために、重要でない公知の技術的事項の説明を適宜省略した。

１ 観察者の眼
３ Ｅｙｅｂｏｘ３
１０ レーザー光源部
１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ レーザーダイオード
１２ｒ、１２ｇ、１２ｂ 集光レンズ
１３ｒ、１３ｇ、１３ｂ アパーチャ
１３ｒａ アパーチャの開口部
１４ ダイクロイックミラー
１５ ダイクロイックミラー
２０ 走査部（ＭＥＭＳスキャナ）
３０ 屈折部
４０ 第１のマイクロレンズアレイ
４０ａ 第１のマイクロレンズアレイにおけるマイクロレンズ
４５ アパーチャアレイ
４５ａ アパーチャアレイの開口部
４５ｂ アパーチャアレイの遮光部
５１ 平面ミラー
５２ 拡大ミラー
６０ 制御部
６１ マイコン
６２ 出力制御部
７０ カラーセンサ
７５ ライトセンサ
８０ ＭＥＭＳドライバ
９０ 第２のマイクロレンズアレイ
９０ａ 第２のマイクロレンズアレイにおけるマイクロレンズ
９１ 支持部材
１００ ヘッドアップディスプレイ装置
１０１ 出射部
１０２ 筐体
２００ 車両
２０１ フロントガラス
ｄＨ１ 第１のマイクロレンズアレイの水平方向のピッチ
ｄＶ１ 第１のマイクロレンズアレイの垂直方向のピッチ
ｄＨ２ 第２のマイクロレンズアレイの水平方向のピッチ
ｄＶ２ 第２のマイクロレンズアレイの垂直方向のピッチ
ｄＨＡ アパーチャアレイの水平方向のピッチ
ｄＶＡ アパーチャアレイの垂直方向のピッチ
Ｄｒｈ レーザー光の水平方向のビーム径
Ｄｒｖ レーザー光の垂直方向のビーム径
ＡＸ 第１のマイクロレンズアレイの中心に位置するマイクロレンズの光軸
ｆ 第１のマイクロレンズアレイにおけるマイクロレンズの焦点距離
Ｌ レーザー光
Ｍ 表示画像
Ｐ 集光点
Ｖ 虚像
θｄ 明部を形成する干渉したレーザー光の回折角
φ 明部を形成する干渉したレーザー光の発散角
η レーザー光の収束角

Claims (6)

1. レーザー光を出射するレーザー光源部と、
   前記レーザー光源部が出射したレーザー光を走査する走査部と、
   前記走査部に走査されたレーザー光が入射する、複数のマイクロレンズが配列された第１のマイクロレンズアレイと、を備え、
   前記第１のマイクロレンズアレイの水平方向のピッチが、前記第１のマイクロレンズアレイに入射するレーザー光の水平方向のビーム径よりも大きく、
   前記第１のマイクロレンズアレイの垂直方向のピッチが、前記第１のマイクロレンズアレイに入射するレーザー光の垂直方向のビーム径以下である、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記第１のマイクロレンズアレイの水平方向のピッチは、前記第１のマイクロレンズアレイの垂直方向のピッチ以上である、
   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。
3. 前記第１のマイクロレンズアレイから出射したレーザー光が入射する、複数の開口部が配列されたアパーチャアレイを備え、
   前記アパーチャアレイの水平方向のピッチは、前記第１のマイクロレンズアレイの水平方向のピッチ以上であり、
   前記アパーチャアレイの垂直方向のピッチは、前記第１のマイクロレンズアレイの垂直方向のピッチ以上である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記第１のマイクロレンズアレイから出射したレーザー光が入射する、複数のマイクロレンズが配列された第２のマイクロレンズアレイを備え、
   前記第２のマイクロレンズアレイの水平方向のピッチは、前記第１のマイクロレンズアレイの水平方向のピッチ以上であり、
   前記第２のマイクロレンズアレイの垂直方向のピッチは、前記第１のマイクロレンズアレイの垂直方向のピッチ以上である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記レーザー光源部が出射するレーザー光は、水平方向において略ガウス分布の強度分布を有し、垂直方向において略トップハット形状の強度分布を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記走査部と前記第１のマイクロレンズアレイとの間に配置され、前記走査部が走査したレーザー光を前記第１のマイクロレンズアレイに出射する屈折部を備え、
   前記屈折部が出射したレーザー光の前記第１のマイクロレンズアレイの法線に対する角度は、前記第１のマイクロレンズアレイの中心よりも前記第１のマイクロレンズアレイの端部の方が大きい、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

Images