JP2017009744A - レンズアレイ及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像における粒状性の抑制と、虹色の多線ボケの抑制とを両立させる。
【解決手段】所定の基準面２０ａ−１に沿って複数の凸レンズ２１０が二次元的に規則配列されたレンズアレイ２０ａにおいて、複数の凸レンズ２１０の相互間で共通の基準姿勢２１０ａに対して、当該基準姿勢２１０ａにおける凸面の頂点ＴＰ１を回転中心とした傾き状態が、複数の凸レンズ２１０の相互間でばらつくように、複数の凸レンズ２１０が配列されていることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、画像表示装置におけるスクリーン等に利用されるレンズアレイ、及び、そのようなレンズアレイを有する画像表示装置に関する。

従来、車両の搭乗者に、フロントガラス越しに虚像を視認させる画像表示装置としてヘッドアップディスプレイ装置が知られている。そして、このような画像表示装置の一例として、画像を表す光を投射する光源と、光源が投射した光が照射される透光性のスクリーンと、を有し、そのスクリーンとしてレンズアレイを利用した画像表示装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このレンズアレイは、複数の凸レンズが所定の基準面に沿って二次元的に規則配列されたものである。

ここで、レンズアレイと似た構造を有するものとして、一眼レフカメラの焦点板等に利用される拡散板が知られている。拡散板は、ガラス板等の表面に粗面加工を施して微小な凹凸を設けたものである。このような拡散板をスクリーンに利用した場合、その表面における凸部あるいは凹部の大きさや配置が非常に不規則なものであるため、照射光の描く画像に、砂をまいたような粒状性が見られ、画像の見栄えを悪くすることがある。

これに対し、複数の凸レンズが二次元的に規則配列されたレンズアレイをスクリーンに利用した場合、レンズ配列の規則性故に、照射光の描く画像に上記のような粒状性がほとんど見られない。その一方で、そのレンズ配列の規則性に起因するレンズアレイの周期構造により回折光が生じて、画像に虹色の多線ボケが生じることがある。

そこで、レンズ配列の規則性はそのままに、各凸レンズにおける頂点の平面視方向の位置を、複数の凸レンズの相互間でばらつかせることが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２に記載の技術によれば、レンズ配列の規則性により画像における粒状性に対する抑制効果を担保しつつ、さらに、各凸レンズにおける頂点の位置を平面視方向にばらつかせることでレンズアレイの周期構造を崩して、回折光による虹色の多線ボケを抑制することができる。

特開平７−２７０７１１号公報 特許第２５０３４８５号公報

しかしながら、上記の特許文献２に記載の技術では、回折光による虹色の多線ボケを抑制するために各凸レンズにおける頂点の位置を平面視方向にばらつかせることで、やはり、レンズ配列の規則性自体も崩れる。このため、虹色の多線ボケをより抑制するために、各凸レンズにおける頂点の位置のばらつきの程度を大きくすると、今度は粒状性が抑制しきれなくなることがある。

そこで、本発明は、画像における粒状性の抑制と、虹色の多線ボケの抑制とを両立させることができるレンズアレイと、そのようなレンズアレイを有する画像表示装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、上記目的を解決するために、所定の基準面に沿って複数の凸レンズが二次元的に規則配列されたレンズアレイにおいて、前記複数の凸レンズの相互間で共通の基準姿勢に対して、当該基準姿勢における凸面の頂点を回転中心とした傾き状態が、前記複数の凸レンズの相互間でばらつくように、前記複数の凸レンズが配列されていることを特徴とするレンズアレイである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載のレンズアレイにおいて、前記複数の凸レンズが、二次元的にハニカム状に配列されていることを特徴とする。

請求項３に記載された発明は、上記目的を解決するために、画像を表す光を投射する光源と、該光源が投射した光が照射される透光性のスクリーンと、を有する画像表示装置において、前記スクリーンが、前記光源が投射した光と交差する基準面に沿って複数の凸レンズが二次元的に規則配列されたレンズアレイを有して構成され、前記複数の凸レンズの相互間で共通の基準姿勢に対して、当該基準姿勢における凸面の頂点を回転中心とした傾き状態が、前記複数の凸レンズの相互間でばらつくように、前記複数の凸レンズが配列されていることを特徴とする画像表示装置である。

請求項１、３に記載された発明によれば、複数の凸レンズの相互間では、基準姿勢に対する上記の傾き状態がばらついている。基準姿勢から凸レンズが傾くことで、凸面の頂点の位置が、基準姿勢のときの頂点から平面視方向にずれるとともに、基準面からの高さ方向にもずれる。そして、複数の凸レンズの相互間で傾き状態がばらついていることから、このようなずれ方も複数の凸レンズの相互間でばらつくこととなる。これにより、レンズアレイにおける各凸レンズの頂点の位置は、複数の凸レンズの相互間で平面視方向にばらつくだけでなく、その高さ方向にもばらつくこととなる。その結果、平面視方向のばらつきは粒状性を十分に抑制できる程度に抑えつつも、高さ方向のばらつきによりレンズアレイの周期構造を崩して、回折光による虹色の多線ボケを抑制することができる。このように、請求項１、３に記載された発明によれば、画像における粒状性の抑制と、虹色の多線ボケの抑制とを両立させることができる。また、各凸レンズの頂点の位置を平面視方向と高さ方向とにばらつかせるためのパラメータが、基準姿勢からの傾き状態という一パラメータで済むので、レンズアレイを設計する際に適当なばらつきを容易に設定することができる。尚、ここでいう傾き状態の中には、傾きゼロで凸レンズが基準姿勢を有する状態も含まれる。

また、請求項２に記載された発明によれば、ハニカム状の配列により複数の凸レンズを稠密に配列することができるので、レンズ密度の高いレンズアレイを得ることができる。

本発明の一実施形態にかかる画像表示装置を示す模式図である。 図１に示されているスクリーンが有するレンズアレイの一部を車内側から見た部分平面図である。 図２中のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 第２の凸レンズが基準姿勢から傾くことで、その凸面の頂点の位置が、基準姿勢のときの頂点からずれる様子を示す模式図である。

本発明の一実施形態に係る画像表示装置を、図１〜図４を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかる画像表示装置を示す模式図である。この図１に示されている画像表示装置は、車両の搭乗者に、フロントガラスＦ越しに虚像Ｉｍを視認させるヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置と呼ぶ）１である。ＨＵＤ装置１は、インストルメントパネルＩＰ内に配置される装置本体１０と、フロントガラスＦの車内側の表面に貼付される透光性のスクリーン２０と、を備えている。なお、図１における符号Ｅは、搭乗者（観察者）の目の位置であるアイポイントを示している。

装置本体１０は、画像を表す光Ｌを投射する光源１１と、光源１１が投射した光ＬをフロントガラスＦへと向かわせる反射ミラー１２と、を備えている。本実施形態では、光源１１として、ここでは特定はしないが、例えばＴＦＴＬＣＤ（薄膜トランジスタ液晶表示装置）やＶＦＤ（蛍光表示管）等の各種表示装置を用いることができる。光源１１が投射した光Ｌは、反射ミラー１２で反射され、インストルメントパネルＩＰの開口ＩＰａを通ってフロントガラスＦに照射される。この照射位置に、透光性のスクリーン２０が貼付されている。

このスクリーン２０は、車内側に凸面を向けた複数の凸レンズからなる後述のレンズアレイの車内側の表面に、透光性を残してメッキを施したハーフミラーとなっている。装置本体１０から、このスクリーン２０に照射された光Ｌは、スクリーン２０の表面で拡散されつつ反射され、搭乗者のアイポイントＥへと向かう。搭乗者は、この光を見ることで、光源１１で表示された画像を、フロントガラスＦ越しに虚像Ｉｍとして視認する。

図２は、図１に示されているスクリーンが有するレンズアレイの一部を車内側から見た部分平面図であり、図３は、図２中のＡ−Ａ断面を示す断面図である。これらの図におけるＸ方向は車両の幅方向であり、Ｙ方向はフロントガラスＦに沿った上下方向であり、Ｚ方向はフロントガラスＦに直交する方向である。

レンズアレイ２０ａは、基準面２０ａ−１に沿って複数の凸レンズ２１０が二次元的に規則配列されたものである。本実施形態では、基準面２０ａ−１は、フロントガラスＦの表面に沿った曲面となる。また、複数の凸レンズ２１０は、図２に示すように二次元的にハニカム状に配列されている。

ここで、複数の凸レンズ２１０のうち一部は、これら複数の凸レンズ２１０の相互間で共通の基準姿勢２１０ａを有する第１の凸レンズ２１１であり、他の一部は基準姿勢２１０ａから傾いた傾き姿勢を有する第２の凸レンズ２１２となっている。基準姿勢２１０ａは、図３の断面図に示されているように、凸面に対応する円弧の弦が、基準面２０ａ−１と略平行で、基準面２０ａ−１からの凸面の頂点ＴＰ１の高さが予め定められた高さとなる姿勢である。

第２の凸レンズ２１２が有する傾き姿勢は、基準姿勢２１０ａにおける凸面の頂点ＴＰ１を回転中心に基準姿勢２１０ａから傾いた姿勢となっている。そして、図３に示されているように、傾き姿勢を有する第２の凸レンズ２１２の相互間で、基準姿勢２１０ａからの傾きの程度が不規則に異なっている。これにより、レンズアレイ２０ａでは、基準姿勢２１０ａに対する傾き状態が複数の凸レンズ２１０の相互間でばらつくように、複数の凸レンズ２１０が配列されることとなっている。

図３には、傾き状態が、基準面２０ａ−１に対する法線２０ａ−２と、各第２の凸レンズ２１２の凸面に対応する円弧の弦に直交する線（以下、レンズ直交線と呼ぶ）２１２ａとがなす傾き角θで表わされている。尚、この図３では、Ｘ−Ｚ平面に沿った断面が示されているために、このＸ−Ｚ平面内での傾き成分のみが示されているが、第２の凸レンズ２１２の傾きは三次元的なものであり、その傾き角θには、当然にＹ−Ｚ平面内での傾き成分も含まれる。第２の凸レンズ２１２の相互間では、このような傾き角θが不規則に異なっている。

ここで、基準姿勢２１０ａを有する第１の凸レンズ２１１は、その頂点２１１ａが、基準姿勢２１０ａの頂点ＴＰ１と一致する。他方、第２の凸レンズ２１２は、基準姿勢２１０ａから傾くことで、その凸面の頂点２１２ｂの位置が、基準姿勢２１０ａのときの頂点ＴＰ１からずれる。

図４は、第２の凸レンズが基準姿勢から傾くことで、その凸面の頂点の位置が、基準姿勢のときの頂点からずれる様子を示す模式図である。この図４には、図３に示されている第２の凸レンズ２１２の１つについて、基準面２０ａ−１に対する法線２０ａ−２とレンズ直交線２１２ａとが傾き角θをなして傾いた様子が示されている。このように傾くことで、凸面の頂点２１２ｂの位置が、基準姿勢２１０ａのときの頂点ＴＰ１から平面視方向（図４の例ではＸ方向）にずれるとともに、基準面２０ａ−１からの高さ方向（Ｚ方向）にもずれる。

本実施形態のレンズアレイ２０ａでは、２つ以上の第２の凸レンズ２１２の相互間で傾き状態がばらついていることから、このようなずれ方も第２の凸レンズ２１２の相互間でばらつくこととなる。また、レンズアレイ２０ａでは、このような第２の凸レンズ２１２が、頂点２１１ａが基準姿勢２１０ａの頂点ＴＰ１と一致する第１の凸レンズ２１１とともに分散配置されている。これにより、レンズアレイ２０ａにおける各凸レンズ２１１，２１２の頂点２１１ａ，２１２ｂの位置は、図２に示されているように、複数の凸レンズ２１１，２１２の相互間で平面視方向（Ｘ−Ｙ方向）にばらつくだけでなく、図３に示されているように、その高さ方向（Ｚ方向）にもばらつくこととなる。

図１に示されているＨＵＤ装置１において、スクリーン２０が有するレンズアレイ２０ａにおけるレンズ配置の規則性がある程度以上に崩れると虚像Ｉｍに砂をまいたような粒状性が生じて見栄えが低下する。他方、レンズ配置が規則的であり過ぎると、その規則性に起因する周期構造により回折光が生じて、虚像Ｉｍに虹色の多線ボケが生じることがある。

これに対し、本実施形態によれば、各凸レンズ２１１，２１２の頂点２１１ａ，２１２ｂの位置の平面視方向のばらつきは粒状性を十分に抑制できる程度に抑えつつも、高さ方向のばらつきによりレンズアレイ２０ａの周期構造を崩して、回折光による虹色の多線ボケを抑制することができる。このように、本実施形態によれば、虚像Ｉｍにおける粒状性の抑制と、虹色の多線ボケの抑制とを両立させることができる。また、各凸レンズ２１１，２１２の頂点２１１ａ，２１２ｂの位置を平面視方向と高さ方向とにばらつかせるためのパラメータが、基準姿勢２１０ａからの傾き状態（具体的には、傾き角θ）という一パラメータで済むので、レンズアレイ２０ａを設計する際に適当なばらつきを容易に設定することができる。

また、本実施形態では、ハニカム状の配列により複数の凸レンズ２１１，２１２を稠密に配列することができるので、レンズ密度の高いレンズアレイ２０ａが実現されている。

尚、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明のレンズアレイ及び画像表示装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

例えば、上述した実施形態では、本発明にいう画像表示装置として、フロントガラスＦに貼付された透光性のスクリーン２０に、画像を表す光を照射するＨＵＤ装置１が例示されている。しかしながら、本発明にいう画像表示装置はこれに限るものではない。本発明にいう画像表示装置は、例えば、透光性のスクリーンの裏側から画像を表す光を照射し、視認者が、そのスクリーンを透過した光が描く画像を視認するというもの等であってもよい。

また、例えば、上述した実施形態では、本発明にいうレンズアレイの一例として、基準姿勢２１０ａを有する第１の凸レンズ２１１と、基準姿勢２１０ａから傾いた第２の凸レンズ２１２とが分散配置されたレンズアレイ２０ａが例示されている。しかしながら、本発明にいうレンズアレイはこれに限るものではない。本発明にいうレンズアレイは、例えば、基準姿勢から傾いた凸レンズのみで構成されたものであってもよい。

１ ＨＵＤ装置（画像形成装置の一例）
１１ 光源
２０ スクリーン
２０ａ レンズアレイ
２０ａ−１ 基準面
２１０ 凸レンズ
２１０ａ 基準姿勢
２１１ 第１の凸レンズ
２１１ａ，２１２ｂ，ＴＰ１ 頂点
２１２ 第２の凸レンズ
θ 傾き角

Claims (3)

1. 所定の基準面に沿って複数の凸レンズが二次元的に規則配列されたレンズアレイにおいて、
   前記複数の凸レンズの相互間で共通の基準姿勢に対して、当該基準姿勢における凸面の頂点を回転中心とした傾き状態が、前記複数の凸レンズの相互間でばらつくように、前記複数の凸レンズが配列されていることを特徴とするレンズアレイ。
2. 前記複数の凸レンズが、二次元的にハニカム状に配列されていることを特徴とする請求項１に記載のレンズアレイ。
3. 画像を表す光を投射する光源と、該光源が投射した光が照射される透光性のスクリーンと、を有する画像表示装置において、
   前記スクリーンが、前記光源が投射した光と交差する基準面に沿って複数の凸レンズが二次元的に規則配列されたレンズアレイを有して構成され、
   前記複数の凸レンズの相互間で共通の基準姿勢に対して、当該基準姿勢における凸面の頂点を回転中心とした傾き状態が、前記複数の凸レンズの相互間でばらつくように、前記複数の凸レンズが配列されていることを特徴とする画像表示装置。

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