JP2016031479A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示像の分解能を保ちつつ、ちらつきの発生を抑制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。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置は、表示像を透光部材に投影することで虚像を視認させる。ＨＵＤ装置は、表示像となる光束を出射する光出射部と、光出射部が出射した光束を透過させると共に、表示像を表示するスクリーン４０と、スクリーン４０に表示された表示像を表す光を透光部材に向けて反射させる反射部と、を備える。スクリーン４０は、入射した光束を複数の光束に分割して出射させると共に、複数の光束のうち少なくとも１つの光束を、入射した光束とは異なる角度で出射させるビームスプリッター４２と、入射した光束を回折作用により規則的に発散させて出射させるマイクロレンズアレイ４１と、を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

車両等の乗り物に搭載され、表示像を表す光を、スクリーンを介して所定の透光部材に投影することで、透光部材越しに表示像の虚像を表示するヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ；Head-Up Display）装置が提案されている。例えば、特許文献１には、レーザー光で表示像を生成すると共に、スクリーンにマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ；MicroLens Array）を用いたＨＵＤ装置が開示されている。

ところで、干渉性の高いレーザー光を規則性配列のＭＬＡに照射すると、その出射光は明暗の干渉パターンを生じさせる。干渉パターンの明暗のピッチが拡大すると、アイポイントによって視認者の瞳に入射する光量が変化するため、アイポイントの移動に伴い表示像がちらついて見えてしまう。この問題の解決を試みたものとして、特許文献２には、ＭＬＡを有するスクリーンにより拡散されて、視認者が表示像の虚像を視認可能な領域（アイボックス）に入射する光束幅が、視認者の瞳孔径以下となるように、ＭＬＡのレンズピッチを設定したＨＵＤ装置が開示されている。

特表２００７−５２３３６９号公報 特許第５３４４０６９号公報

ＭＬＡによって生じる干渉パターンの明暗のピッチは、通常はレンズピッチに依存する。そのため、ＨＵＤ装置の光学倍率を一定とした場合、干渉パターンの明暗のピッチを小さくするには、レンズピッチを大きくするしかない。したがって、特許文献２に開示されたように、アイボックスに入射する光束幅を視認者の瞳孔径以下とするには、実用的にはレンズピッチを拡大することになる。しかし、このようにレンズピッチを拡大すると、表示像のちらつきを低減可能である一方、表示像の光学的な分解能を低下させてしまう。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、表示像の分解能を保ちつつ、ちらつきの発生を抑制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、
表示像を透光部材に投影することで前記表示像の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記表示像となる光束を出射する光出射部と、
前記光出射部が出射した光束を透過させると共に、前記表示像を表示するスクリーンと、
前記スクリーンに表示された前記表示像を表す光を前記透光部材に向けて反射させる反射部と、を備え、
前記スクリーンは、
入射した光束を複数の光束に分割して出射させると共に、前記複数の光束のうち少なくとも１つの光束を、入射した光束とは異なる角度で出射させる光分割部と、
前記光分割部と対向し、入射した光束を回折作用により規則的に発散させて出射させる回折光学素子と、を有する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、表示像の分解能を保ちつつ、ちらつきの発生を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置の車両への搭載態様を示す模式図。 第１実施形態に係るＨＵＤ装置の概略構成図。 第１実施形態に係るＨＵＤ装置が備える合成レーザー光発生装置の概略構成図。 第１実施形態に係るＨＵＤ装置の制御系統を説明するためのブロック図。 第１実施形態に係る透過スクリーンの概略側面図。 第１実施形態におけるビームスプリッターとマイクロレンズとの関係を説明するための模式図。 第１実施形態に係るマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）の構成を説明するための概略平面図。 第１実施形態に係るＭＬＡによる回折光を説明するための模式図。 第１実施形態に係るビームスプリッターによる回折光を説明するための模式図。 第１実施形態に係る透過スクリーンによる回折光を説明するための模式図。 第２実施形態に係るビームスプリッターによる回折方向と、ＭＬＡによる回折角との関係を説明するための模式図。 第２実施形態に係る透過スクリーンによる回折光を説明するための模式図。 第３実施形態に係るビームスプリッターによる回折光を説明するための模式図。 第３実施形態に係る透過スクリーンによる回折光を説明するための模式図。 第４実施形態に係るビームスプリッターによる回折光を説明するための模式図。 第４実施形態に係る透過スクリーンによる回折光を説明するための模式図。 第５実施形態に係るビームスプリッターによる回折光を説明するための模式図。 第５実施形態に係る透過スクリーンによる回折光を説明するための模式図。 第６実施形態に係るＭＬＡの構成を説明するための概略平面図。 第６実施形態に係るＭＬＡによる回折光を説明するための模式図。 第６実施形態に係るビームスプリッターによる回折光を説明するための模式図。 第６実施形態に係る透過スクリーンによる回折光を説明するための模式図。 第７実施形態に係る透過スクリーンの概略側面図。 第８実施形態に係る透過スクリーンの概略側面図。 第９実施形態に係る透過スクリーンの概略側面図。

本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
第１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、生成した表示像Ｍ（図２参照）を表す光をウインドシールド３で反射させることにより、ユーザ（主に、車両２の運転者）に表示像Ｍの虚像Ｖを視認させるものである。ユーザが虚像Ｖを視認可能な領域は、アイボックス４として規定される。

表示像Ｍは、例えば、車両２に関する情報（自車だけでなく車外の情報も含む）を報知するための画像である。具体的には、表示像Ｍは、車速、エンジン回転数などの情報や、カーナビゲーションのための情報を示す画像等である。この表示像Ｍは、後述の制御部９０が車両２のＥＣＵ（Electronic Control Unit）などから取得した情報に基づいて表示される。

ＨＵＤ装置１は、図２に示すように、合成レーザー光発生装置１０と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スキャナ２０と、入射角制御レンズ３０と、透過スクリーン４０と、反射部５０と、ハウジング６０と、を備える。

合成レーザー光発生装置１０は、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色のレーザー光を合波して１本の合成レーザー光を出射する装置である。
合成レーザー光発生装置１０は、図３に示すように、レーザーダイオード（ＬＤ；Laser Diode）１１と、集光光学系１２と、ダイクロイックミラー１４，１５と、を備える。

ＬＤ１１は、赤色のレーザー光Ｒを発するＬＤ１１ｒと、緑色のレーザー光Ｇを発するＬＤ１１ｇと、青色のレーザー光Ｂを発するＬＤ１１ｂと、から構成される。

集光光学系１２は、ＬＤ１１ｒに対応する集光レンズ１２ｒと、ＬＤ１１ｇに対応する集光レンズ１２ｇと、ＬＤ１１ｂに対応する集光レンズ１２ｂと、から構成される。集光レンズ１２ｒは、ＬＤ１１ｒから出射されたレーザー光Ｒが、所望の位置に結像するように収差補正されたレンズであり、発散するレーザー光Ｒを収束光に変換する。集光レンズ１２ｇとＬＤ１１ｇとの対応関係、集光レンズ１２ｂとＬＤ１１ｂとの対応関係についても同様である。

ダイクロイックミラー１４，１５は、それぞれ、誘電体の多層膜等の薄膜が鏡面に形成された鏡で構成され、ＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々が出射したレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを反射又は透過させ、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを１本のレーザー光に合波する。

ダイクロイックミラー１４は、集光レンズ１２ｒと集光レンズ１２ｂとから出射される光の進行方向側に位置し、各々の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Ｂを透過させ、レーザー光Ｒを反射させる。このようにして、ダイクロイックミラー１４は、レーザー光ＲとＢを合波する。

ダイクロイックミラー１５は、集光レンズ１２ｇとダイクロイックミラー１４とから出射される光の進行方向側に位置し、各々の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、合波されたレーザー光Ｒ，Ｂを透過させ、レーザー光Ｇを反射させる。このようにして、ダイクロイックミラー１５は、レーザー光Ｒ，Ｂとレーザー光Ｇをさらに合波する。

以上の構成からなる合成レーザー光発生装置１０は、ＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々から出射されたレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを、１本の合成レーザー光として出射する。なお、合成レーザー光発生装置１０から出射される合成レーザー光を構成するレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの各々の偏光方向（電場振動方向）が一致するように、ＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々は調整されている。また、この偏光方向は、表示像Ｍを表す光が到達するウインドシールド３の反射率の偏光依存性を考慮して決定されている。

ＭＥＭＳスキャナ（ＭＥＭＳミラー）２０は、合成レーザー光発生装置１０が出射した合成レーザー光を走査して、透過スクリーン４０の上面に表示像Ｍを生成する。なお、ここで「上」とは、同図に示す両端矢印のように、ＨＵＤ装置１に対して、ウインドシールド３側の方向を言う。「下」は、その逆方向を言う。

入射角制御レンズ３０は、ＭＥＭＳスキャナ２０で走査されたレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの合成レーザー光を、走査位置に応じた入射角で透過スクリーン４０へ入射させる。入射角制御レンズ３０は、合成レーザー光の透過スクリーン４０への入射角を、透過スクリーン４０以降の光学系（反射部５０、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。

透過スクリーン４０は、入射角制御レンズ３０を透過した合成レーザー光（以下、レーザー光Ｌとも言う）を受けることで、表示像Ｍを表示する。ＭＥＭＳスキャナ２０で走査されたレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂが透過スクリーン４０上で結像することで、表示像Ｍが表示される。また、透過スクリーン４０の下面には、後述するカラーセンサ７０が設けられている。

透過スクリーン４０は、ＭＥＭＳスキャナ２０で走査されたレーザー光Ｌを透過・発散（拡散）させる。透過スクリーン４０で拡散されたレーザー光Ｌは、反射部５０（後述の平面ミラー５１）へと向かう。なお、透過スクリーン４０については、後に詳述する。

反射部５０は、透過スクリーン４０の上面に表示された表示像Ｍが、所望の位置に、所望の大きさで虚像Ｖとして結ばれるように、透過スクリーン４０とウインドシールド３との光路間に設けられる光学系である。反射部５０は、平面ミラー５１と拡大ミラー５２の２枚の鏡から構成される。

平面ミラー５１は、平面状の全反射ミラー等であり、透過スクリーン４０に表示された表示像Ｍを表す光（表示光）を受ける位置に配置され、表示光を拡大ミラー５２に向けて反射させる。

拡大ミラー５２は、凹面鏡等であり、平面ミラー５１からの表示光を、その凹面でウインドシールド３に向けて反射させる。これにより、結ばれる虚像Ｖは、透過スクリーン４０に表示されている表示像Ｍが拡大された大きさとなる。拡大ミラー５２による表示像Ｍの拡大倍率は、拡大ミラー５２の焦点距離（曲率半径）や、透過スクリーン４０と拡大ミラー５２間の距離で決まる。拡大ミラー５２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５２による拡大倍率は、表示像Ｍ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。

ハウジング６０は、例えば硬質樹脂から、上部開口の箱状に形成されている。ハウジング６０は、上記各部（合成レーザー光発生装置１０、ＭＥＭＳスキャナ２０、入射角制御レンズ３０、透過スクリーン４０、及び反射部５０）を収容する。ハウジング６０の開口部には、拡大ミラー５２からの表示光をウインドシールド３に向けて透過させる窓部６１が設けられている。窓部６１は、アクリル等の透光性樹脂から湾曲形状に形成されている。窓部６１の下面には、後述するライトセンサ８０が設けられている。

次に、図４を参照して、ＨＵＤ装置１の制御系統について説明する。ＨＵＤ装置１は、同図に示すように、カラーセンサ７０と、ライトセンサ８０と、制御部９０と、ＭＥＭＳドライバ１００と、を備える。

カラーセンサ７０は、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの光強度を検出し、検出した光強度のアナログデータを制御部９０に供給する。ライトセンサ８０は、外光強度を検出し、検出した外光強度のアナログデータを制御部９０に供給する。なお、本実施形態では、カラーセンサ７０が透過スクリーン４０の下面に設置され、ライトセンサ８０が窓部６１の下面に設置されているが、これらの設置場所は、検出光の強度が所定値以上検出可能な範囲であれば任意である。

制御部９０は、マイクロコントローラ（マイコン）９１、出力制御部９２、図示しない記憶部及びＤＡＣ（Digital to Analog Converter）を有する。ＤＡＣは、カラーセンサ７０及びライトセンサ８０の各々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９１に供給する。

マイコン９１は、ＨＵＤ装置１の各部の動作を制御する。記憶部には、表示像Ｍを表示するための画像データが予め記憶されており、マイコン９１は、この画像データを記憶部からＬＶＤＳ（Low Voltage Differential Signal）通信等で取得する。また、記憶部には、所定の動作プログラム、カラーセンサ７０が配置された位置を示す位置データ等が予め記憶されている。

マイコン９１は、動作プログラムを実行して以下のように各部の制御を行う。
例えば、マイコン９１は、制御データを生成し、生成した制御データを出力制御部９２に出力することで、出力制御部９２を介してＬＤ１１を駆動する。なお、制御データは、カラーセンサ７０からＤＡＣを介してマイコン９１が受信したレーザー光強度のデジタルデータに基づき生成される。例えば、この制御データは、ＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々が出射するレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの光強度を、ＬＶＤＳ通信で供給された画像データが含む映像信号が要求する強度にするためのデータである。また、マイコン９１は、ＭＥＭＳドライバ１００を介して、ＭＥＭＳスキャナ２０を駆動する。また、マイコン９１は、記憶部に記憶されている位置データを参照し、カラーセンサ７０の位置に応じたタイミングで出力制御部９２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９２は、マイコン９１の制御の下でＬＤ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの各々を駆動する駆動回路などから構成される。ＭＥＭＳドライバ１００は、マイコン９１の制御の下でＭＥＭＳスキャナ２０を駆動する駆動回路などから構成される。

ここで、ＨＵＤ装置１における虚像Ｖの表示機構を簡潔に述べると、下記のようになる。
制御部９０は、出力制御部９２を介して合成レーザー光発生装置１０に合成レーザー光を出射させると共に、ＭＥＭＳドライバ１００を介してＭＥＭＳスキャナ２０を駆動する。ＭＥＭＳスキャナ２０は、合成レーザー光発生装置１０からの合成レーザー光を透過スクリーン４０に向けて走査し、透過スクリーン４０上に表示像Ｍを生成する。
透過スクリーン４０に表示された表示像Ｍを表す光（表示光）は、反射部５０を介して、ウインドシールド３に向けて出射される。つまり、ＨＵＤ装置１は、ウインドシールド３に向けて表示光を出射する。
ＨＵＤ装置１が出射した表示光がウインドシールド３で反射されることで、図１に示すように、運転者から見てウインドシールド３の前方に、表示像Ｍの虚像Ｖが結ばれる。これにより、運転者は、視域であるアイボックス４において、表示像Ｍを虚像Ｖとして視認することができる。

（透過スクリーン４０）
ここからは、本実施形態に特有の透過スクリーン４０について詳細に説明する。
なお、ＨＵＤ装置１では、虚像Ｖとして視認される表示像Ｍは、視認者から見て横長の長方形状に設定されている（つまり、アイボックス４も同様の長方形状）。そして、表示像Ｍとなるレーザー光を透過・拡散させる透過スクリーン４０も、表示像Ｍ及びアイボックス４に対応して平面視で長方形状となっている。以下では、この長方形の短辺に沿う軸をｙ軸、長辺に沿う軸をｘ軸として、透過スクリーン４０の機能や形状を適宜説明する。

図２に示す透過スクリーン４０は、図５等に示すように、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）４１と、ＭＬＡ４１よりもレーザー光Ｌの入射側に位置するビームスプリッター４２と、を有する。

ＭＬＡ４１は、図７に示すように、例えばレンズサイズ１００μｍ程度のマイクロレンズ（ＭＬ）４１ａが、ｘ−ｙ平面の面内方向に配列されるようにして形成されている。同図に示すように、ＭＬ４１ａは、ｘ方向、ｙ方向にそれぞれｄ１、ｄ２のピッチで周期的に配列されている（ｄ１＞ｄ２）。ここで言うピッチとは、互いに隣り合うＭＬ４１ａのレンズ中心間の距離であり、以降、このピッチを「ＭＬＡ４１のピッチ」と呼ぶ。

なお、ＭＬＡ４１では矩形のＭＬ４１ａが格子状に周期的に配列されている。そして、ＭＬＡ４１は、隣り合うＭＬ４１ａ同士に生じる隙間が最小限となるように形成されているため、この隙間の大きさは無視できるものである。そのため、１つのＭＬ４１ａは、平面視で長辺がｄ１、短辺がｄ２の長方形状となる。

ここで、ＭＬＡ４１のピッチと、アイボックス４上に形成される回折パターンについて説明する。
本実施形態のＭＬＡ４１は、図８に示すように、ｘ方向（水平方向）に回折角θ１で、ｙ方向（垂直方向）に回折角θ２で、レーザー光Ｌを発散（拡散）させる。このときの回折角θ１，θ２は、ｎを回折次数として、下記の（数１）、（数２）式で表すことができる。

（数１）、（数２）式から分かるように、回折により生じるパターンは、ＭＬＡ４１への入射光の波長を一定とした場合、ＭＬＡ４１のピッチｄ１，ｄ２によって一義的に決定されることになる。ＭＬＡ４１のピッチｄ１，ｄ２を小さくすれば表示像Ｍの高精細化（虚像Ｖの高精細化と同義）を図ることができるが、この場合、回折角θ１，θ２が大きくなる。回折角θ１，θ２が大きくなると、アイボックス４に到達する光のうち、隣り合う回折次数を有する光同士の距離が大きくなる。
つまり、単にＭＬＡ４１のピッチを小さくすることで高精細化を図ろうとすれば、視認者の瞳に入射する光強度がアイポイントによって変化しやすくなるため、表示像Ｍのちらつきや、フルカラー表示時の虹色に色分離する現象（虹色現象）が顕著に表れてしまうことになる。

また、本実施形態では前述のように、ｄ１＞ｄ２の長方形レンズを用いることで、ＭＬＡ４１を出射した光の分布形状をアイボックス４と同様の長方形状とし、効率良くアイボックス４に光が到達するようにＨＵＤ装置１が構成されている。
この構成で、単にＭＬＡ４１のピッチを小さくすることで高精細化を図ろうとすれば、視認者から見て虚像Ｖとして視認される表示像Ｍの上下方向（ＭＬＡ４１の短手方向（ｙ方向）に対応）では、左右方向（ＭＬＡ４１の長手方向（ｘ方向）に対応）に比べて回折角が大きくなるため、特に、表示像のちらつきや、虹色現象が顕著に発生してしまう。
本願発明者は、ＭＬＡ４１の近傍に、次に説明するビームスプリッター４２を配設することで、この問題を回避できることを見出した。

ビームスプリッター４２は、透過型のビームスプリッターであり、偏光グレーティング、ブレーズド回折格子、ホログラム等から構成される。ビームスプリッター４２は、光の回折によって入射光束を分割して出射する機能を有していれば、これらの例示に限らず種々の光学部材を用いることが可能である。

ここでは、透過スクリーン４０の機能の理解を容易にするために、ビームスプリッター４２は偏光グレーティングにより構成されるものとする。また、第１実施形態では、ビームスプリッター４２は、図９に示すように、入射したレーザー光Ｌをｙ向のみに回折させる。

偏光グレーティングは、透光性基板（ガラス、樹脂などからなる）上にパターニングされた液晶ポリマーにより、回折を生じさせるものである。なお、この偏向グレーティングによる回折作用は、上記（数１）、（数２）と同様の式で説明することができる。

また、本実施形態では、偏光グレーティングからなるビームスプリッター４２に対し、直線偏光のレーザー光Ｌを入射させ、この入射光は、±１次光（＋ｙ方向，−ｙ方向の各々で回折次数が１次の光）の出射光として分割されるものとする。
これは、０次光、及び２次以上の高次の回折光が、±１次光に対して数％の強度となるビームスプリッター４２を用いることで、実質的に（近似的に）、ビームスプリッター４２からは、±１次光のみが出射されると見做すことができるためである。

また、ビームスプリッター４２は、入射した直線偏光の光を、±１次光として分割するだけでなく、±１次光をそれぞれ、右または左回転の円偏光として出射する。このように、ビームスプリッター４２からの出射光が円偏光であると、表示像Ｍ（虚像Ｖ）の視認者（主に車両２の運転者）が偏光サングラスをかけていても、表示輝度が低下しづらく、視認性を損なわないといった効果が期待できる。

ここで、透過スクリーン４０の作用について、図８〜図１０を参照して説明する。
ビームスプリッター４２に入射したレーザー光Ｌは、ビームスプリッター４２を透過し、図９に示すように、２つの光束に分割されて出射する。ビームスプリッター４２から出射された２つの光束は、直後に配置されたＭＬＡ４１に入射する。

ビームスプリッター４２での回折による±１次光は、各々、ＭＬＡ４１を透過すると共にＭＬＡ４１で回折する。
具体的には、ビームスプリッター４２からの＋１次光は、ＭＬＡ４１での回折を考えれば、その光軸に沿う光を０次光として、ＭＬＡ４１のｘ方向に回折角θ１で、ｙ方向に回折角θ２で回折する。ビームスプリッター４２からの−１次光は、ＭＬＡ４１での回折を考えれば、その光軸に沿う光を０次光として、ＭＬＡ４１のｘ方向に回折角θ１で、ｙ方向に回折角θ２で回折する。

ここで、透過スクリーン４０は、図１０に示すように、ビームスプリッター４２からの＋１次光がＭＬＡ４１によってさらに回折して形成される回折パターン（以下、「＋１次光による回折パターン」と言う）の中間（ｙ方向における中間）に、ビームスプリッター４２からの−１次光がＭＬＡ４１によってさらに回折して形成される回折パターン（以下、「−１次光による回折パターン」と言う）が入り込むように、構成されている。
なお、図１０では、＋１次光による回折パターンを「●」の集合で表し、−１次光による回折パターンを「○」の集合で表している。このような回折パターンは、分割されて出射される２つ光のなす角（＋１次光と−１次光とのなる角）が適切な値となるように設定されたビームスプリッター４２を用いることで実現される。

なお、−１次光による回折パターンは、必ずしも、＋１次光による回折パターンの丁度中間に入り込む必要はなく、これらの回折パターン同士が重ならなければよい。ただし、アイボックス４を通過して、視認者の瞳孔に入射する光強度の均一性を高めるには、略中間に回折パターンを入り込ませる方が好ましい。

このように透過スクリーン４０を構成することで、ＭＬＡ４１の短手方向（ｙ方向。視認者から見てアイボックス４の上下方向に対応）の回折角を見かけ上１／２に低減することができ、虚像Ｖとして視認される表示像Ｍのちらつきや、虹色現象を低減することができる。また、ＭＬＡ４１のピッチを小さくしても、ビームスプリッター４２を設けない場合に比べて、実質的に回折角が大きくなることを防ぐことができるため、表示像Ｍのちらつきを抑えつつ、表示像Ｍの高精細化が可能である。

ここで、ＭＬＡ４１とビームスプリッター４２との好適な配置関係について、図５、図６を用いて説明する。

ビームスプリッター４２とＭＬＡ４１とは別体とされ、密着もしくは離間して配置される。但し、ビームスプリッター４２の回折発現面４２ａと、ＭＬＡ４１（ＭＬ４１ａ）のレンズ面（ビームスプリッター４２に向く面）とが、なるべく近距離に配置されることが望ましい。
これは、ビームスプリッター４２は、入射光束を異なる角度で出射する２光束に分けることから、回折発現面４２ａとＭＬＡ４１のレンズ面との間の距離が開きすぎると、表示像Ｍの１画素に相当するレーザー光がＭＬＡ４１上の離れた２箇所に照射された後に拡散してしまうため、投射された表示像Ｍが二重になったり、ボケの原因となったりするからである。
したがって、両者を離間して配置する場合には、図６に示すように、ＭＬＡ４１のレンズ面上に照射される２光束（＋１次光と−１次光）の中心間距離が、ＭＬ４１ａの短手方向の幅以下（つまり、ＭＬＡ４１のピッチｄ２以下）となることが望ましい。このようにすれば、表示像Ｍに生じるおそれのあるボケ等を最小限に抑えることができる。

なお、ＭＬＡ４１のレンズ面に照射される２光束の中心間距離が、ＭＬ４１ａの短手方向の幅以下になるという条件を満たしていれば、ビームスプリッター４２の回折発現面４２ａがレーザー光の入射側に配置されてもよいし、ＭＬＡ４１のレンズ面がレーザー光の出射側（反射部５０側）に配置されてもよい。

以上が第１実施形態である。ここからは、透過スクリーン４０の種々の構成例を示す第２〜第９実施形態について順に説明する。なお、以下の実施形態は、透過スクリーン４０の構成以外は、第１実施形態に係るＨＵＤ装置１と同様である。

以下の実施形態は、透過スクリーン４０の一部構成（ビームスプリッター４２による光束の分割方向、分割光束数、ＭＬ４１ａの形状など）が各々異なるものの、透過スクリーン４０において、ビームスプリッター４２がレーザー光Ｌを分割し、ＭＬＡ４１がレーザー光Ｌを拡散するという主な機能は共通しているため、透過スクリーン４０の構成について第１実施形態と同じ符号を用いて説明する。
また、以下の実施形態は、透過スクリーン４０による見かけ上の回折角を低減することで、表示像Ｍのちらつき等を低減するという主な効果も同様であるため、第１実施形態と異なる箇所について主に説明する。

（第２実施形態）
第１実施形態との相違点はビームスプリッター４２を出射する回折光の回折方向である。第１実施形態ではビームスプリッター４２を出射する回折光の回折方向は、ＭＬＡ４１のｙ方向（図９参照）、すなわちｘ方向に対して方位角９０°であった。
一方、第２実施形態では、図１１に示すＭＬＡ４１の回折角θ１，θ２との関係を用いて、下記の（数３）式で表すことのできる角γ（ｘ方向に対しての方位角）の方向にビームスプリッター４２は、レーザー光Ｌを回折させる。

この（数３）式と図１１から分かるように、ｘ−ｙ平面上で考えれば、第２実施形態におけるビームスプリッター４２による回折方向は、ＭＬＡ４１により回折角θ１で回折する光と、回折角θ２で回折する光との対角線方向ということになる。
これを前提に、ビームスプリッター４２を出射した＋１次光と−１次光とのなす角を適切に設定することにより、図１２に示すように、＋１次光による回折パターンの中間（ｘ，ｙ方向の対角線方向における中間）に、−１次光による回折パターンを入り込ませることができる。なお、図１２では、＋１次光による回折パターンを「●」の集合で表し、−１次光による回折パターンを「○」の集合で表している。

なお、この場合も第１実施形態と同様に、−１次光による回折パターンと、＋１次光による回折パターンとが重ならなければよい。ただし、アイボックス４を通過して、視認者の瞳孔に入射する光強度の均一性を高めるには、略中間（前記の対角線方向における略中間）に回折パターンを入り込ませる方が好ましい。

このように透過スクリーン４０を構成することで、ｙ方向だけでなくｘ方向の回折パターンの密度が上昇するため、良好に表示像Ｍのちらつきや、虹色現象を低減することが可能である。

（第３実施形態）
第１及び第２実施形態では、ビームスプリッター４２の出射光として＋１次光と−１次光を用いたが、この限りではない。ビームスプリッター４２で幾つかに分割されて出射する光束のうち、所定の一光束がＭＬＡ４１を透過することによって形成される回折パターンの隙間を埋めるように、他の光束がＭＬＡ４１を透過することによって形成される回折パターンが入り込めば良い。つまり、このように回折パターンを入り込ませるために利用する、ビームスプリッター４２からの出射光の回折次数は問わない。また、ビームスプリッター４２からの出射光束は、少なくとも２光束であれば、一方がＭＬＡ４１を透過した後に形成する回折パターンが、他方がＭＬＡ４１を透過した後に形成する回折パターンを入り込ませることができ、回折パターンの密度を高めることができることが第１、第２実施形態の説明から分かるであろう。
例えば、図１３に示す第３実施形態に係るビームスプリッター４２のように、ｙ軸方向に沿って３光束を出射するようにしてもよい。こうすれば、透過スクリーン４０による回折パターンは、図１４に示すようになり、よりｙ方向の密度を高めることが可能である。なお、図１４では、０次光（つまり、入射するレーザー光Ｌの光軸に沿う光）による回折パターンを「黒塗りの三角形」の集合で表し、＋１次光による回折パターンを「●」の集合で表し、−１次光による回折パターンを「○」の集合で表している。

（第４実施形態）
第１〜第３実施形態では、ビームスプリッター４２が入射光束を１軸方向に回折させて出射させ、＋１次光と−１次光との分割光束を得たが、これに限られない。
図１５に示す第４実施形態に係るビームスプリッター４２のように、入射光束を２軸方向に回折させてもよい。
具体的には、第４実施形態に係るビームスプリッター４２は、ＭＬＡ４１に入射する光束として、０次光と、ｘ方向における１次光と、ｙ方向における１次光とを利用した例である。こうすれば、透過スクリーン４０による回折パターンは、図１６に示すようになり、ｘ、ｙの両方向における光密度を高めることが可能である。なお、図１６では、０次光による回折パターンを「黒塗りの三角形」の集合で表し、ｙ方向における１次光による回折パターンを「●」の集合で表し、ｘ方向における１次光による回折パターンを「○」の集合で表している。

（第５実施形態）
また、図１７に示す第５実施形態に係るビームスプリッター４２のように、出射光束の回折方向は３軸であってもよい。こうすれば、透過スクリーン４０による回折パターンは、図１８に示すようになり、ｘ−ｙ平面上における（アイボックス４の平面全域に渡って）光密度を高めることが可能である。なお、図１８では、０次光による回折パターンを「黒塗りの三角形」の集合で表し、ｙ方向における１次光による回折パターンを「●」の集合で表し、ｘ方向における１次光による回折パターンを「○」の集合で表し、ｘ−ｙ平面上でｘ軸及びｙ軸に対して傾斜する軸方向における１次光による回折パターンを「△」の集合で表している。

（第６実施形態）
以上の実施形態では、ＭＬＡ４１の微小レンズ（ＭＬ４１ａ）の形状が矩形の例を示したが、図１９に示す第６実施形態に係るＭＬＡ４１のように、ＭＬ４１ａがハニカム状に配列されていても良い。このとき、ＭＬ４１ａは、正六角形状で、互いに隣り合うＭＬ４１ａのレンズ中心間の距離ｄで、規則的に配列される。なお、ＭＬ４１ａは、正六角形状である必要はなく、縦横のアスペクト比が異なる六角形状であってもよい。このとき、ＭＬＡ４１が形成する回折パターンは、図２０に示すように、３軸の回折方向により形成されることになる。また、ＭＬＡ４１と組み合わせるビームスプリッター４２は、図２１に示すように、ＭＬＡ４１の回折方向と同様の３軸に設定されている。
こうすれば、透過スクリーン４０による回折パターンは、図２２に示すようになり、ｘ−ｙ平面上における（アイボックス４の平面全域に渡って）光密度を高めることが可能である。なお、図２２では、０次光（つまり、入射するレーザー光Ｌの光軸に沿う光）による回折パターンを「黒塗りの三角形」の集合で表し、３軸の各々における１次光による回折パターンを「●」の集合、「△」の集合、「○」の集合で表している（ビームスプリッター４２の回折方向も同様であるため、透過スクリーン４０に対応させて図２１でもこれらの記号を表した）。
なお、上記のようにビームスプリッター４２の回折方向（３軸方向の各々）を、ＭＬＡ４１の回折方向と一致させることが好ましいが、この限りではない。ビームスプリッター４２で分割されて出射する光束のうち、所定の一光束がＭＬＡ４１を透過することによって形成される回折パターンの隙間を埋めるように、他の光束がＭＬＡ４１を透過することによって形成される回折パターンが入り込めば、ビームスプリッター４２とＭＬＡ４１との回折方向は、少なくとも一部が異なっていても良い。また、例えばＭＬ４１ａを縦横のアスペクト比が異なる六角形とした場合には、ビームスプリッター４２の回折方向は、１軸もしくは２軸方向であってもよい。

（第７実施形態）
以上の実施形態では、ビームスプリッター４２とＭＬＡ４１とが別体である例を説明したが、これに限られない。例えば、図２３に示す第７実施形態に係る透過スクリーン４０のように、ビームスプリッター４２とＭＬＡ４１とが一体に構成されていてもよい。
この場合、例えばＭＬＡ４１のレンズ面とは反対側の面に、液晶ポリマーをパターニングすることでビームスプリッター４２の回折発現面４２ａを形成し、一体となったビームスプリッター４２とＭＬＡ４１によって透過スクリーン４０が構成される。同図に示すように、レーザー光Ｌの入射側に回折発現面４２ａが位置し、出射側にＭＬＡ４１のレンズ面が位置する。このようにした場合も、第１実施形態で説明したのと同様に、表示像Ｍがボケないようにするために、ビームスプリッター４２からＭＬＡ４１のレンズ面上に分割して到達する光束の中心間距離が、ＭＬＡ４１のピッチｄ２以下となることが望ましい。

（第８実施形態）
以上の実施形態では、レーザー光Ｌの入射側にビームスプリッター４２が位置し、出射側にＭＬＡ４１が位置する例を示したが、図２４に示す第８実施形態に係る透過スクリーン４０のように、両者の位置関係を逆にすることも可能である。
第８実施形態では、レーザー光Ｌの入射側にＭＬＡ４１が、出射側にビームスプリッター４２が配置される。また、ＭＬＡ４１のレンズ面とビームスプリッター４２の回折発現面４２ａとが互いに向き合うように構成されている。この配置の場合、ＭＬＡ４１のレンズ面と回折発現面４２ａとが離れすぎると、表示像Ｍがボケる虞がある。そのため、ＭＬＡ４１の後側焦点距離をｆとした場合に、ＭＬＡ４１のレンズ面と回折発現面４２ａとの間隔（距離）は、概ね５ｆ以内であることが好ましいと考えられる。また、逆に、ＭＬＡ４１のレンズ面と回折発現面４２ａとが近すぎると、回折発現面４２ａの回折作用が不十分になる虞がある。そのため、ＭＬＡ４１のレンズ面と回折発現面４２ａとの間隔（距離）は、２ｆ以上であることが好ましい。

（第９実施形態）
また、図２５に示す第９実施形態に係る透過スクリーン４０のように、ＭＬＡ４１とビームスプリッター４２を一体で構成すると共に、レーザー光Ｌの入射側にＭＬＡ４１を形成し、出射側にビームスプリッター４２の回折発現面４２ａを形成することも可能である。

以上に説明した透過スクリーン４０を備えるＨＵＤ装置１によれば、ＭＬＡ４１の回折角を見かけ上低減し、アイボックス４に到達する光強度の密度を高めることができるため、視認者の瞳に入射する光強度がアイポイントによって変化しづらくなる。これにより、表示像Ｍのちらつきや、虹色現象の発生を良好に低減することができる。また、表示像Ｍのちらつき等を抑制しつつ、ＭＬＡ４１のピッチを小さくすることができるため、表示像Ｍの光学的な分解能を向上することができる。したがって、以上に説明したＨＵＤ装置１によれば、表示像Ｍ（虚像Ｖ）の視認性を良好に保つことができる。これらの効果は、下記の構成により実現される。

ＨＵＤ装置１は、表示像Ｍをウインドシールド３（透光部材の一例）に投影することで表示像Ｍの虚像Ｖを視認させる。
ＨＵＤ装置１は、表示像Ｍとなる光束（レーザー光Ｌ）を出射する光出射部（合成レーザー光発生装置１０及びＭＥＭＳスキャナ２０）と、光出射部が出射した光束を透過させると共に、表示像Ｍを表示する透過スクリーン４０と、透過スクリーン４０に表示された表示像Ｍを表す光をウインドシールド３に向けて反射させる反射部５０と、を備える。
透過スクリーン４０は、入射した光束を複数の光束に分割して出射させると共に、前記複数の光束のうち少なくとも１つの光束を、入射した光束とは異なる角度で出射させるビームスプリッター４２（光分割部の一例）と、ビームスプリッター４２と対向し、入射した光束を回折作用により規則的に発散させて出射させるＭＬＡ４１（回折光学素子の一例）と、を有する。

一例として、ＭＬＡ４１を構成するＭＬ４１ａは、平面視で長辺と短辺を有する矩形状（長方形状）をなし、ビームスプリッター４２は、入射した光束を、少なくとも前記短辺に沿う方向（ｙ方向）に分割する。また、この場合において、ビームスプリッター４２は、ＭＬＡ４１よりも光出射部側に位置し、分割して出射させた複数の光束のうち、隣り合う光束の中心間距離がＭＬ４１ａのピッチｄ２以下であるようにしてもよい（図６参照）。
なお、図１１を参照して説明したように、ビームスプリッター４２によって光束が分割される方向が前記長方形の対角線方向である場合は、分割して出射された隣り合う光束の中心間距離がＭＬ４１ａの平面視における対角線の長さ以下であることが好ましい。

具体的には、ＨＵＤ装置１においてビームスプリッター４２がＭＬＡ４１よりも光出射部側の場合、ビームスプリッター４２からＭＬＡ４１へと入射する複数の光束のうち、所定の光束を第１の光束とし、第１の光束とは異なる光束を第２の光束とすると、ＭＬＡ４１で発散した第１の光束と、ＭＬＡ４１で発散した第２の光束とは、仮想面（例えば、アイボックス４の照射面）内において重ならない（図１０、図１２、図１３、図１６、図１８、図２２で示した例など）。

また、ＨＵＤ装置１においてＭＬＡ４１がビームスプリッター４２よりも光出射部側の場合、ＭＬＡ４１で発散してからビームスプリッター４２で分割された少なくとも２つの光束群同士は、仮想面（例えば、アイボックス４の照射面）内において重ならない（図２４や図２５で示した構成例）。

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、変形（構成要素の削除も含む）が可能である。

以上の説明では、ＭＬＡ４１が１面上に配列されたＭＬ４１ａから構成される例を示したが、向かい合う２面の各々に配列されたＭＬ４１ａから構成されていてもよい。つまり、回折光学素子は、向かい合う２つのＭＬＡ４１から構成されていてもよい。この場合、向かい合うＭＬＡ４１は、ＭＬ４１ａの焦点距離だけ隔てて配置される。このような構成とすることで、ＭＬＡ４１を出射した回折光の強度を均一化することができるため、虚像Ｖとして視認される表示像Ｍの見栄えを、より良好にすることができる。
また、以上の説明では、ＭＬ４１ａを四角形状、又は、ハニカム形状で配列した例を示したが、三角形状で配列することも可能である。
また、入射した光束を回折作用により規則的に発散させて出射させるものであれば、ＭＬＡ４１の代わりに、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element）等の回折光学素子を用いることも可能である。

また、以上で説明したビームスプリッター４２の回折方向はあくまで一例である。ある光束がＭＬＡ４１を透過することによって形成される回折パターンの隙間を埋めることができれば、ビームスプリッター４２の回折発現面４２ａで回折して出射する光の方向や角度は、任意である。

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原色で表示像Ｍを生成してもよいし、１つのＬＤでモノクロの表示像Ｍを生成してもよい。

また、ＨＵＤ装置１が搭載される乗り物の一例を車両（自動四輪車）としたが、これに限られない。ＨＵＤ装置１を、自動二輪車等の他の車両、建設機械、農耕機械、船舶、航空機、雪上バイク等に搭載することも可能である。

また、反射部５０は、平面ミラー５１、拡大ミラー５２の２枚の鏡から構成されたが、これに限られない、反射部５０を構成する鏡の形状・枚数は目的に応じて任意である。

また、表示像Ｍを投影する透光部材はウインドシールド３に限られない。透光部材は、ＨＵＤ装置１に専用のコンバイナであってもよい。

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 ＨＵＤ装置
２ 車両
３ ウインドシールド
４ アイボックス
１０ 合成レーザー光発生装置
１１（１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ） レーザーダイオード（ＬＤ）
２０ ＭＥＭＳスキャナ
４０ 透過スクリーン
４１ マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）
４１ａ マイクロレンズ（ＭＬ）
４２ ビームスプリッター
４２ａ 回折発現面
５０ 反射部
９０ 制御部
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 （合成）レーザー光
Ｍ 表示像
Ｖ 虚像

Claims (8)

1. 表示像を透光部材に投影することで前記表示像の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記表示像となる光束を出射する光出射部と、
   前記光出射部が出射した光束を透過させると共に、前記表示像を表示するスクリーンと、
   前記スクリーンに表示された前記表示像を表す光を前記透光部材に向けて反射させる反射部と、を備え、
   前記スクリーンは、
   入射した光束を複数の光束に分割して出射させると共に、前記複数の光束のうち少なくとも１つの光束を、入射した光束とは異なる角度で出射させる光分割部と、
   前記光分割部と対向し、入射した光束を回折作用により規則的に発散させて出射させる回折光学素子と、を有する、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記回折光学素子は、マイクロレンズを周期的に配列して構成される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に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記マイクロレンズは、平面視で長辺と短辺を有する矩形状をなし、
   前記光分割部は、入射した光束を、少なくとも前記短辺に沿う方向に分割する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記光分割部は、前記回折光学素子よりも前記光出射部側に位置し、
   分割して出射させた前記複数の光束のうち、隣り合う光束の中心間距離が前記マイクロレンズの平面視における対角線の長さ以下である、
   ことを特徴とする請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記光分割部は、前記回折光学素子とは別体であると共に、前記回折光学素子よりも前記光出射部側に位置し、
   前記光分割部の前記回折光学素子側には、入射した光束を回折作用によって前記複数の光束に分割させる回折発現面が形成されている、
   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. 前記光分割部と前記回折光学素子とは、一体であり、その前記光出射部側の面と前記光出射部とは反対側の面との一方は、入射した光束を回折作用によって前記複数の光束に分割させる前記光分割部の回折発現面として構成され、他方は、前記マイクロレンズが配列される面である、
   ことを特徴とする請求項２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。
7. 前記光分割部は、前記回折光学素子よりも前記光出射部側に位置し、
   前記光分割部から前記回折光学素子へと入射する前記複数の光束のうち、所定の光束を第１の光束とし、前記第１の光束とは異なる光束を第２の光束とすると、
   前記回折光学素子で発散した前記第１の光束と、前記回折光学素子で発散した前記第２の光束とは、仮想面内において重ならない、
   ことを特徴とする請求項１乃至６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。
8. 前記回折光学素子は、前記光分割部よりも前記光出射部側に位置し、
   前記回折光学素子で発散してから前記光分割部で分割された少なくとも２つの光束群同士は、仮想面内において重ならない、
   ことを特徴とする請求項１乃至３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。

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