JP2017097268A - 画像表示装置および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロレンズを用いて生成された中間像に生ずるモアレを少なくし、中間像の画質を向上させ、虚像の視認性を向上させる表示画像作成装置を提供する。
【解決手段】 レーザー光を出射する光源部と、レーザー光を二次元に偏向する光偏向手段と、光偏向手段において偏向されたレーザー光を用いた主走査方向と副走査方向からなる二次元走査により中間像を生成する中間像生成部と、を有し、中間像における１フレーム分を生成する際に二次元走査は２回行われ、１フレーム分を生成する際の二次元走査に係る走査線の位相は、二次元走査における１回目の走査と２回目の走査で互いにずれている、画像作成装置による。
【選択図】図１２

Description

本発明は、画像表示装置および同装置を備える車両に関するものである。

車両、航空機、船舶などの移動体に搭載される装置であって、操縦者（運転者）が当該移動体を操縦する際に有用な情報を表示する画像表示装置が知られている。このような画像表示装置は、ヘッドアップディスプレイ（以下「ＨＵＤ」という）と呼ばれる。なお、「移動体の操縦に関連する情報」とは、当該移動体の操縦者の視界に現れる物体等に関連する情報や、当該移動体を安全に、かつ快適に操縦するために有用な情報等を含み、移動体の動作状態を報知する警報等も含まれるものとする。

ＨＵＤは、上記の情報を運転者の視界に虚像にして表示し、操縦者の視線の移動を少なくしても確実に上記の情報を視認できるようにする。ＨＵＤは、上記の情報を含む画像を中間像として生成し、この中間像を観察光学系に投写して虚像を表示する。

ＨＵＤが中間像を生成する方式は、数種類知られている。例えば、液晶等のイメージングデバイスを用いるパネル方式や、レーザーダイオードから出射されたレーザービームを二次元走査デバイスにより走査するレーザー走査方式などが知られている。上記のパネル方式は、全画面発光を部分的に遮光して中間像を生成する方式である。レーザー走査方式は、各画素に対し「発光」と「非発光」を割り当てることで中間像を生成する方式である。一般的に、パネル方式よりもレーザー走査方式の方が高いコントラストの中間像を生成できると言われている。

レーザー走査方式では、中間像を生成するためにマイクロレンズアレイ（以下、ＭＬＡと表記する）を用いることがある。マイクロレンズアレイは、微小なサイズのレンズ（マイクロレンズ）を周期的に配列した光学素子である。このマイクロレンズをレーザービームにより二次元走査すると、出射面側には一定方向に強め合った回折光による回折パターンやモアレ縞などの干渉パターン（干渉縞）が生じることがある。このような干渉パターン等は、中間像の画質を低下させる原因になる。したがって、上記のような干渉パターン等が生ずると虚像による情報の視認性が低下する。上記のような干渉パターン等の発生を防ぐには、マイクロレンズの形状等を工夫すればよいことが知られている（特許文献１を参照）。

また、ＭＬＡによるモアレの発生には、マイクロレンズのピッチと、マイクロレンズにおける走査線のピッチも関係する。したがって、ＭＬＡを用いたレーザー走査方式を用いるＨＵＤにおいて中間像の画質と虚像の視認性を向上させるには、走査線とマイクレンズアレイとの関係においてさらに改善する余地がある。

本発明は、マイクロレンズを用いて生成された中間像に生ずるモアレを少なくし、中間像の画質を向上させて、虚像の視認性を向上させる画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、レーザー光を出射する光源部と、前記レーザー光を二次元に偏向する光偏向手段と、前記光偏向手段において偏向された前記レーザー光を用いた主走査方向と副走査方向からなる二次元走査により中間像を生成する中間像生成部と、を有し、前記中間像における１フレーム分を生成する際に前記二次元走査は２回行われ、前記１フレーム分を生成する際の二次元走査に係る走査線の位相は、前記二次元走査における１回目の走査と２回目の走査で互いにずれている、ことを主な特徴とする。

本発明によれば、マイクロレンズを用いて生成された中間像に生ずるモアレを少なくし、中間像の画質を向上させて、虚像の視認性を向上させることができる

本発明に係る画像表示装置の実施形態の例を示す構成図である。 上記画像表示装置に係る光源部の例を示す構成図である。 上記画像表示装置に係る走査光学系の例を示す構成図である。 上記画像表示装置に係る光偏向手段の例を示す平面図である。 上記画像表示装置に係る中間像生成部の例を示す斜視図である。 上記画像表示装置のハードウェア構成の例を示すブロック図である。 上記画像表示装置の機能構成の例を示す機能ブロック図である。 上記中間像生成部を主走査方向から見た図であって、走査用光ビームの入射状態の例を示す図である。 上記中間像生成部を主走査方向から見た図であって、走査用光ビームの入射状態の別の例を示す図である。 上記中間像生成部を走査用光ビームの入射面側から見た図であって、マイクロレンズと走査線との関係の例を示す図である。 上記光偏向手段に印加される駆動電圧の例を示すグラフである。 上記中間像生成部を走査用光ビームの入射面側から見た図であって、マイクロレンズと走査線との関係の別の例を示す図である。 上記光偏向手段に印加される駆動電圧の別の例を示すグラフである。 上記光偏向手段と上記中間像生成部との関係の例を主走査方向から見た光学配置図である 上記画像表示装置に係る走査光学系の別の例を示す構成図である。

●画像表示装置の概要●
以下、本発明に係る画像表示装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係るＨＵＤ１を車両に搭載した場合を例に用いて、以下説明する。図１に示すように、ＨＵＤ１は、光源部１０と、走査光学系２０と、観察光学系３０と、を備えている。光源部１０と走査光学系２０を合わせて画像生成部１００とする

ＨＵＤ１は、操縦者である車両の運転者３の視界に、運転者３にとって有用な情報を虚像２として表示する画像表示装置である。「運転者３にとって有用な情報」とは、運転者３の視界に現れる物体等に関連する情報や、車両を安全かつ快適に運転するために有用な情報等を含み、車両の動作に関する警報等も含まれるものとする。なお、本明細書において、「運転者３にとって有用な情報」を単に「情報」と表記することもある。

ＨＵＤ１は、画像生成部１００において生成された中間像２３１を、観察光学系３０に投写して虚像２として表示する。運転者３は、観察光学系３０を構成する光コンバイナ３２に投写された中間像２３１を虚像２として視認する。図１に示すように、ＨＵＤ１における光コンバイナ３２として、車両のフロントガラス５０を用いこともできる。フロントガラス５０は透過反射部材の一種である。フロントガラス５０は、投写された中間像２３１を運転者３に向けて反射するとともに、運転者３の視界に存在する物体や周囲環境からの光（外部光）を透過する。したがって、運転者３は、車両の前方に存在する種々の物と虚像２とを同時に視認できる状態になる。なお、以下において説明するＨＵＤ１の構成は、フロントガラス５０とは別体の透過反射型光学素子を設置して、光コンバイナ３２として用いてもよい。

次に、ＨＵＤ１を構成する各部の説明をする。

●光源部１０の概要
光源部１０は、中間像２３１の生成に用いるレーザー光を出射するレーザー光源である。中間像２３１をカラー画像にし、虚像２において表示する情報をカラーにするならば、光源部１０から出射される光束をカラー画像に必要な光の三原色に相当する光束にすればよい。

●走査光学系２０の概要
走査光学系２０は、光源部１０から出射されたレーザー光を二次元に偏向し中間像生成部を二次元走査する。中間像生成部は後述するマイクロレンズアレイ２３である。したがって、走査光学系２０は光源部１０からのレーザー光を用いて二次元走査をし、中間像２３１を生成する。ここで中間像２３１は、虚像２で表される所定の情報を含む画像である。

●観察光学系３０の概要
走査光学系２０において生成された中間像２３１は、観察光学系３０の反射光学素子である凹面ミラー３１において拡大されて、光コンバイナ３２に投写される。光コンバイナ３２に拡大投写された中間像２３１は、運転者３に向けて反射される。

光コンバイナ３２が反射した中間像２３１は、運転者３にとって光コンバイナ３２の物理的な位置とは異なる位置（運転者３から離れる方向の位置）に虚像２として視認される。すでに説明したとおり、虚像２に表示される情報は、車両の動作に関連する情報等であって、例えば、車両の速度や走行距離、行き先表示等のナビゲーション情報等も含む。

なお、運転者３の視点は、単に基準となる視点位置（基準アイポイント）を示している。運転者３の視点範囲は、車両の運転者アイレンジ（ＪＩＳ Ｄ００２１）と同等かそれ以下である。

ここで、本実施形態の説明に係る「方向」について定義する。中間像２３１は、走査光学系２０において実行される主走査と副走査からなる二次元走査により生成される画像である。中間像２３１を生成するときの主走査の方向を「Ｘ方向」とし、副走査の方向を「Ｙ方向」とする。本実施例では、運転者３が視認する虚像２の横方向を、中間像２３１における主走査方向（Ｘ方向）とし、虚像２の縦方向を、中間像２３１における副走査方向（Ｙ方向）とする。そして、虚像２における横方向を説明するときは、物理的な方向が相違しても、中間像２３１における主走査方向に対応するものとして「Ｘ方向」と表記する。また、虚像２におけるＹ方向を説明するときも、物理的な方向が相違しても、中間像２３１における副走査方向に対応するものとして「Ｙ方向」と表記する。

また、図１に示すように、ＨＵＤ１を車両に搭載した場合、車両の進行方向を「Ｚ´方向」、車両の左右方向を「Ｘ´方向」、車両の上下方向を「Ｙ´方向」とする。この場合、虚像２から運転者３へ向かう方向（車両の後退方向）を＋Ｚ´方向とし、運転者３の視線方向（車両の前進方向）を−Ｚ´方向とする。また、運転者３の右方向（紙面奥方向）を＋Ｘ´方向とし、運転者３の左方向を−Ｘ´方向（紙面手前方向）とする。また、運転者３の上方向を＋Ｙ´方向とし、運転者３の下方向を−Ｙ´方向とする。

図１において、虚像２のＸ方向と車両のＸ´方向（左右方向）は一致する。また、虚像２のＹ方向と車両のＹ´方向（上下方向）は一致する。一方、走査光学系２０にて生成される中間像２３１に係るＸ方向（主走査方向）と車両に係るＸ´方向（左右方向）は必ずしも一致するものではない。同様に、中間像２３１に係るＹ方向（副走査方向）と車両に係るＹ´方向（上下方向）も必ずしも一致するものではない。これは、走査光学系２０における光学素子の配置や向き、走査光学系２０と観察光学系３０との光学的な配置によって中間像２３１の主走査方向と副走査方向の物理的な向きがＸ’軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸と必ずしも直交するとは限らないからである。

●光源部１０の構成
次に、光源部１０が備える構成について、図２を用いて詳細に説明する。光源部１０は、虚像２をカラー画像にするために光の三原色に対応する光ビームを１本に合成して出射する。以下の説明では、光源部１０から出射されて、後述する光偏向手段に向かう光ビームを第１光ビーム１０１とする。

光源部１０は、例えば半導体レーザー素子を３つ備えている。３つの半導体レーザー素子は、光の三原色の各色に対応する光源素子である。第１レーザー素子１１０は、赤色（Ｒ）のレーザー光を出射するレーザー素子である。第２レーザー素子１２０は、緑色（Ｇ）のレーザー光を出射するレーザー素子である。第３レーザー素子１３０は、青色（Ｂ）のレーザー光を出射するレーザー素子である。

なお、光源部１０のレーザー素子として、端面発光レーザーと呼ばれるレーザーダイオード（ＬＤ）や面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を用いることもできる。また、半導体レーザー素子に代えてＬＥＤ素子を用いることもできる。

光源部１０は、各レーザー素子の他に、各レーザー素子から出射されたレーザー光の発散性を抑止するカップリングレンズを備えている。また、各カップリングレンズからの各レーザー光の光束径を規制して整形するアパーチャを備えている。また、光源部１０は、各アパーチャで整形された各色のレーザー光束を合成して出射するビーム合成プリズム１４０と、レンズ１５０と、を備えている。

各色のレーザー素子に対応するカップリングレンズを、第１カップリングレンズ１１１、第２カップリングレンズ１２１、第３カップリングレンズ１３１、とする。

各レーザー素子に対応するアパーチャを、第１アパーチュア１１２、第２アパーチュア１２２、第３アパーチュア１３２、とする。

ビーム合成プリズム１４０は、赤色のレーザー光を透過させて緑色のレーザー光を反射する第１ダイクロイック膜１４１と、赤色と緑色のレーザー光を透過させて青色のレーザー光を反射する第２ダイクロイック膜１４２と、を有する。

レンズ１５０は、ビーム合成プリズム１４０が出射した光ビームを所望の集光状態のビームに変換する。

第１レーザー素子１１０から出射される光束（レーザー光）の波長λＲは、例えば６４０ｎｍである。第２レーザー素子１２０から出射される光束（レーザー光）の波長λＧは、例えば５３０ｎｍである。第３レーザー素子１３０から出射される光束（レーザー光）の波長λＢは、例えば４４５ｎｍである。

第１レーザー素子１１０から出射された赤色レーザー光は、第１カップリングレンズ１１１と第１アパーチュア１１２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した赤色レーザー光は、第１ダイクロイック膜１４１を通過して直進する。

第２レーザー素子１２０から出射された緑色レーザー光は、第２カップリングレンズ１２１と第２アパーチュア１２２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した緑色レーザー光は、第１ダイクロイック膜１４１で反射して、赤色レーザー光と同方向（第２ダイクロイック膜１４２の方向）へ向かう。

第３レーザー素子１３０から出射された青色レーザー光は、第３カップリングレンズ１３１と第３アパーチュア１３２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した青色レーザー光は、第２ダイクロイック膜１４２で反射して、赤色レーザー光及び緑色レーザー光と同方向へ向かう。

以上のようにして、ビーム合成プリズム１４０から赤色レーザー光と緑色レーザー光と青色レーザー光が合成された光ビームが出射される。

ビーム合成プリズム１４０から出射された光ビームは、レンズ１５０によって「所望の集光状態のビーム」である第１光ビーム１０１に変換される。第１光ビーム１０１は、赤色レーザー光と緑色レーザー光と青色レーザー光が１本のレーザー光束として合成されたものである。

第１光ビーム１０１に含まれるＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色レーザー光束は、表示対象である「二次元のカラー画像」に係る画像信号に応じて強度変調される。または、表示対象である「二次元のカラー画像」に係る当該画像情報を示す画像データに応じて強度変調される。このレーザー光束の強度変調は、各色の半導体レーザーを直接変調する方式（直接変調方式）でも良いし、各色の半導体レーザーから出射されたレーザー光束を変調する方式（外部変調方式）でも良い。

なお、各アパーチュアは、各レーザー素子から出射された光束の発散角等に応じて、円形、楕円形、長方形、正方形等の様々な形状のものを用いればよい。また、レンズ１５０は、後述するＭＥＭＳミラー２１に向かって凹面をなすメニスカスレンズである。

●走査光学系２０の構成
走査光学系２０は、図３に示すように、ＭＥＭＳミラー２１と、マイクロレンズアレイ２３と、を有してなる。走査光学系２０は、光源部１０から出射された第１光ビーム１０１をＭＥＭＳミラー２１で偏向した第２光ビーム１０２をマイクロレンズアレイ２３に入射する光学系である。マイクロレンズアレイ２３において、入射した第２光ビーム１０２による主走査と副走査からなる二次元の走査がされて中間像２３１が生成される。生成された中間像２３１に係る画像光１０３は、マイクロレンズアレイ２３の出射面から出射されて観察光学系３０に向かう。

なお、走査光学系２０は、図１８に示すように、ＭＥＭＳミラー２１とマイクロレンズアレイ２３との間に平面ミラー２２を設けてもよい。

●ＭＥＭＳミラー２１の説明
ＭＥＭＳミラー２１について詳細に説明する。ＭＥＭＳミラー２１は、光源部１０から出射された第１光ビーム１０１を二次元で偏向して第２光ビーム１０２にし、この第２光ビーム１０２をマイクロレンズアレイ２３に入射させて中間像２３１を生成するための走査を制御する。ＭＥＭＳミラー２１は、半導体プロセス等で微小揺動ミラー素子として製造された微小電気機械素子（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）である。

図４に示すように、ＭＥＭＳミラー２１は、中央部分に微小ミラー２１０を備えている。この微小ミラー２１０の反射面２１０１が光偏向手段に相当する。

微小ミラー２１０は、第１光ビーム１０１を二次元的に偏向させる反射面２１０１を備える。反射面２１０１は、２つの軸を中心として回動するように構成されている。反射面２１０１をＹ方向の軸周りで回動させると、第２光ビーム１０２の進行方向はＸ方向に対して変化する。したがって、反射面２１０１をＹ方向の軸周りで回動させると中間像２３１を生成するための主走査になる。反射面２１０１をＸ方向の軸周りで回動させると、第２光ビーム１０２の進行方向はＹ方向に対して変化する。したがって、反射面２１０１をＸ方向の軸周りで回動させると中間像２３１を生成するための副走査になる。すなわち、図４におけるＸ方向が主走査方向に対応し、Ｙ方向が副走査方向に対応する。

ＭＥＭＳミラー２１は、主走査方向に関しては正弦波振動を、副走査方向に関しては鋸波振動をすることで、マイクロレンズアレイ２３を二次元的に偏向走査する。

微小ミラー２１０のＸ方向の両側には、複数の折り返し部により蛇行して生成された一対の蛇行状梁部１５２が配置されている。蛇行状梁部１５２は、折り返されて隣接する梁のそれぞれを第１梁部１５２ａと第２梁部１５２ｂとして分割されていて、それぞれに圧電部材１５６を備える。ここで用いられる圧電部材１５６は、例えばＰＺＴである。

第１梁部１５２ａと第２梁部１５２ｂに印加される電圧は、互いに隣接する梁に対して独立して印加される。これら独立して印加される電圧は、互いに異なる電圧値である。互いに異なる電圧が印加された第１梁部１５２ａと第２梁部１５２ｂは、それぞれにおいて度合いの異なる反りを生ずる。反りの方向は印加電圧によって決まる。すなわち、隣接する第１梁部１５２ａと第２梁部１５２ｂ同士は互いに異なる方向に撓む。なお、蛇行状梁部１５２は、枠部材１５４に支持されている。

上記の撓みが蓄積されることで微小ミラー２１０は、Ｘ方向の軸周りで反射面２１０１の向きをＸ方向に対して変化させるように回動する。第１光ビーム１０１が反射面２１０１のＸ方向の軸周りの回動によって反射されて第２光ビーム１０２としてマイクロレンズアレイ２３をＹ方向に走査する。

ＭＥＭＳミラー２１の副走査方向に関する鋸波波動は、上記の印加電圧により制御される。以上の構成を備えるＭＥＭＳミラー２１を用いることで、第２光ビーム１０２がマイクロレンズアレイ２３を二次元走査することができる。なお、ＭＥＭＳミラー２１の駆動電圧と二次元走査との関係の詳細は後述する。

以上の構成を備えるＭＥＭＳミラー２１は、Ｘ方向の軸を中心とするＹ方向（副走査方向）への走査を低い電圧で行うことができる。一方、Ｙ方向の軸を中心とするＸ方向（主走査方向）への走査は、微小ミラー２１０に接続されたトーションバーなどを利用した共振により行なわれる。

●マイクロレンズアレイ２３の説明
次に、マイクロレンズアレイ２３について詳細に説明する。マイクロレンズアレイ２３は、微細な凸レンズが二次元的に配列されているレンズ面が入射面であって、レンズ面の反対側の平面が出射面になる。図５は、マイクロレンズアレイ２３を入射面側から見た斜視図である。図５に示すように、レンズ面に入射した第２光ビーム１０２は、出射面から拡散して出射される。ＭＥＭＳミラー２１による走査は、例えば、主走査方向が高速で走査されて、副走査方向が低速で走査されるラスタースキャンである。

図５において点線で表した矩形は、中間像２３１が生成される領域の外形を示していて、この点線の内側の領域が中間像２３１を生成するための有効な走査領域（有効走査領域２３２）に相当する。なお、中間像２３１はマイクロレンズアレイ２３の出射面側に現れが、説明の便宜上、図５において中間像２３１を入射面側に表現している。

ＭＥＭＳミラー２１によって二次元に偏向された第２光ビーム１０２は、マイクロレンズアレイ２３を主走査方向（Ｘ方向）と副走査方向（Ｙ方向）に走査する。例えば、図５に示すＬ１からＬ２に向かう走査をして、次にＬ２から副走査方向に一つ下がった位置から反対方向に向かう走査をする。さらに、Ｌ１から２つ下がった位置から主走査方向に走査し、これを繰り返しながら、最終的にはＬ４に至るまでの二次元走査を行う。この二次元走査によって１フレームに相当する中間像２３１が生成される。１フレームに相当する中間像２３１が生成された後は、次のフレーム相当の中間像２３１の生成をするための走査をＬ１から開始する。

マイクロレンズアレイ２３において各瞬間（フレームレートごと）に生成される中間像２３１は、「第２光ビーム１０２が、その瞬間に照射している画素のみ」で生成される。したがって、「カラーの二次元画像である中間像２３１」は、第２光ビーム１０２によって二次元的に走査される各瞬間に表示される画素の集合である。

すでに説明したように、ＨＵＤ１が備える光源部１０から出射される第１光ビーム１０１はカラー対応のものである。したがって、マイクロレンズアレイ２３において生成される中間像２３１はカラー画像である。なお、マイクロレンズアレイ２３においてモノクロの中間像２３１を生成してもよい。

なお、図５に例示したマイクロレンズアレイ２３の外形は、主走査方向（Ｘ方向）に湾曲するように表されているが、本実施形態に係るマイクロレンズアレイ２３はこれに限るものでない。マイクロレンズアレイ２３の外形は、主走査方向と副走査方向ともに平面であってもよい。

●画像生成部１００の制御系
ここで、ＨＵＤ１が備える画像生成部１００の動作を制御する制御系の構成について説明する。図６に示すように画像生成部１００は、ＦＰＧＡ６００と、ＣＰＵ６０２と、ＲＯＭ６０４と、ＲＡＭ６０６と、Ｉ／Ｆ６０８と、バスライン６１０と、ＬＤドライバ６１１１と、ＭＥＭＳコントローラー６１５と、を有してなる。

ＦＰＧＡ６００は、ＬＤドライバ６１１１やＭＥＭＳコントローラー６１５により、光源部１０とＭＥＭＳミラー２１を動作させる。ＣＰＵ６０２は、ＨＵＤ１が備える上記の各ハードウェアの動作を制御するプロセッサである。ＲＯＭ６０４は、ＣＰＵ６０２がＨＵＤ１の各機能を制御するために実行する画像処理用プログラムを記憶する半導体メモリである。ＲＡＭ６０６は、ＣＰＵ６０２が各ハードウェアの制御処理を実行する際にワークエリアとして使用する半導体メモリである。

Ｉ／Ｆ６０８は、ＨＵＤ１を外部コントローラー等と接続する接点である。Ｉ／Ｆ６０８を介して、例えば、ＨＵＤ１をＣＡＮ(Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ)等に接続させる。これによって、ＨＵＤ１は、ＣＡＮを介して接続される他の外部コントローラー等と通信をしながら動作することができる。

●画像生成部１００の機能構成
次に、ＨＵＤ１が備える画像生成部１００の機能構成について説明する。図７に示すように画像生成部１００は、車両情報入力部８００と外部情報入力部８０２と、画像情報生成部８０４と、表示画像形成部８０６と、を有してなる。

車両情報入力部８００は、Ｉ／Ｆ６０８を介して接続されている他の外部コントローラー等からの情報（例えば、当該車両の走行速度や走行距離など）を取得する。

外部情報入力部８０２は、Ｉ／Ｆ６０８を介して接続されている他の外部コントローラー等からの情報（例えば、ＧＰＳによる位置情報、ナビゲーション装置からの交通情報など）を取得する。

画像情報生成部８０４は、車両情報入力部８００と外部情報入力部８０２から入力される情報に基づいて虚像２（図１参照）の元になる中間像２３１を生成するための情報を生成する処理を実行する。

表示画像形成部８０６は、制御部８０６０を備えている。制御部８０６０は、画像情報生成部８０４が生成した情報に基づいて、光源部１０や走査光学系２０の動作を制御する。この制御機能によって、フロントガラス５０に投写される中間像２３１が生成される。以上の機能ブロックの動作によって、運転者３の視点において虚像２が視認される状態を作り出すことができる。

●マイクロレンズアレイ２３と第２光ビーム１０２と関係
ここで、マイクロレンズアレイ２３の構造と、第２光ビーム１０２との関係性について説明する。図８は、マイクロレンズアレイ２３を主走査方向（＋Ｘ方向）から見た図である。マイクロレンズアレイ２３は、微細な凸レンズからなるマイクロレンズ２３５が主走査方向（Ｘ方向）と副走査方向（Ｙ方向）に配列されて構成されている。すなわち、マイクロレンズアレイ２３においてマイクロレンズ２３５は、二次元的に配列されている。マイクロレンズ２３５の一つ一つのレンズ面がマイクロレンズアレイ２３の入射面であって、マイクロレンズ２３５に入射した光は、中間像２３１の各画素に相当する。

通常、第２光ビーム１０２がマイクロレンズ２３５に入射するときのビームスポット径２３５１は、マイクロレンズ２３５の配列のピッチであるレンズピッチ２３５２と同等の大きさである。

中間像２３１の解像度を高めるには、レンズピッチ２３５２をできるだけ狭くすることが望ましい。レンズピッチ２３５２を狭くするとビームスポット径２３５１を小さくする必要がある。しかし、ビームスポット径２３５１を狭くするには、製品におけるロバスト性を考慮しなければならず、設計や加工が難しくなる。したがって、ビームスポット径２３５１は、設計や加工の困難性が生じない程度の大きさ、例えば１００μｍ程度にする。なお、マイクロレンズ２３５の曲率半径を所望の値にすることで、マイクロレンズアレイ２３からの画像光１０３が出射されるときの発散角８０５を設定できる。

仮に、ビームスポット径２３５１は変えずに、副走査方向（Ｙ方向）のレンズピッチ２３５２を狭くすると、図９に示すように２光束干渉が生ずる。図９は、ビームスポット径２３５１をレンズピッチ２３５２の２倍程度にした場合を例示している。図９に示すように、第２光ビーム１０２がマイクロレンズアレイ２３の２つのマイクロレンズ２３５に同時に入射すると、これらの発散光束１０３１、１０３２が出射される。この場合、出射面側の領域１０３３において２つの発散光束１０３１、１０３２が同時に存在するので、２光束干渉が生ずる。２光束干渉が観察者の目に入ると、スペックルとして視認される。スペックルが生ずると虚像２の品質を低下させることになる。

以上のように、マイクロレンズアレイ２３が備えるマイクロレンズ２３５のレンズピッチ２３５２と、ビームスポット径２３５１との関係は、中間像２３１の画質に影響を与える。したがって、マイクロレンズ２３５のレンズピッチ２３５２と第２光ビーム１０２による走査線２３７のピッチとの関係は、虚像２における情報の視認性に影響を与える。

図１０は、マイクロレンズアレイ２３を入射面側から見た例を示す模式図である。図１０を用いて、第２光ビーム１０２による二次元走査と有効走査領域２３２との関係を説明する。なお、図１０においてマイクロレンズ２３５と有効走査領域２３２の大きさの関係は、正確な縮尺を用いて表現したものではなく、模式的に例示したものである。

走査線２３７は、第２光ビーム１０２によるマイクロレンズアレイ２３上の主走査と副走査の軌跡の例を表している。図１０に示すように、走査線２３７は、走査開始位置２３８から主走査方向と副走査方向の２次元走査を行い走査終了位置２３９に至る軌跡である。走査線２３７が走査開始位置２３８から走査終了位置２３９に至る範囲が走査領域２３４である。走査線２３７は、走査領域２３４を隅々までカバーする一筆書きのような軌跡を描く。

走査線２３７は、主走査方向の一往復において、同じ並びに配列されているマイクロレンズ２３５を通過する。すなわち、マイクロレンズアレイ２３に対する二次元走査において、一行に配列されているマイクロレンズ２３５に対する主走査方向の走査を往復してから副走査方向に遷移し、これを走査終了位置２３９まで繰り返す。

走査線２３７における走査開始位置２３８から走査終了位置２３９までの副走査方向における幅の中点を副走査方向の振幅中心２３３とする。

図１１は、ＭＥＭＳミラー２１の動作を制御する駆動電圧の時間変位の例を示している。すでに説明したとおり、ＭＥＭＳミラー２１は、微小ミラー２１０の主走査方向の動作は共振によるものであり、微小ミラー２１０の副走査方向の動作は駆動電圧の大きさにより制御される。図１１に示すように、ＭＥＭＳミラー２１への駆動電圧は、「Ｖｄ」に相当する電圧から時間経過とともに所定の傾きをもって直線的に減少してゼロになるように制御される。

駆動電圧がＶｄからゼロに変位するまでの時間に、ＭＥＭＳミラー２１の反射面２１０１は、マイクロレンズアレイ２３の走査開始位置２３８から走査終了位置２３９に対応する位置に向けて、その向きを変化させる。なお、駆動電圧がＶｄから次のＶｄになるまでの時間が中間像２３１の走査周期（１フレーム）になる。

上記の駆動電圧の制御に応じて第２光ビーム１０２は、マイクロレンズアレイ２３の入射面を走査していく。これによって走査線２３７は、ｓｉｎカーブを描くようになる。そのため、副走査方向における走査線２３７の間隔は、有効走査領域２３２の中央部分と周辺部分では異なる。すなわち、走査線２３７の副走査方向の間隔は、有効走査領域２３２の中央部分では比較的一定の間隔]となり粗密は生じにくく、有効走査領域２３２の周辺部分では走査線２３７の間隔に粗密が生じやすい。そして、走査線２３７の副走査方向の間隔に粗密があると、マイクロレンズ２３５のレンズピッチ２３５２との関係でモアレが発生しやすくなる。

本実施形態に係るＨＵＤ１は、１フレーム分の中間像２３１を生成するときに、上記の二次元走査を２回行う。その際、１フレーム分の中間像２３１を生成する際に１回目の二次元走査と２回目の二次元走査において、上記のように、走査線２３７の副走査方向における間隔に粗密が生ずると、モアレの発生度合いが強まる。この場合、有効走査領域２３２の隅に対応する部分には、より強くモアレが発生する。そこで、本実施形態に係るＨＵＤ１は、１フレーム当たりの中間像２３１を生成するときに１回目の走査と２回目の走査に係る走査開始位置２３８をずらして、異なる位置になるようにする。

例えば、図１２に示すように、１回目の走査に係る第１走査線２３７−１の走査開始位置２３８を第１走査開始位置２３８−１とし、走査終了位置２３９を第１走査終了位置２３９−１とする。同様に、２回目の走査に係る第２走査線２３７−２の走査開始位置２３８を第２走査開始位置２３８−２とし、走査終了位置２３９を第２走査終了位置２３９−２とする。

第１走査開始位置２３８−１と第２走査開始位置２３８−２が互いに異なる位置になるように、ＭＥＭＳミラー２１に印加する駆動電圧を制御すれば、第１走査線２３７−１と第２走査線２３７−２の位相がずれる。第１走査線２３７−１と第２走査線２３７−２の位相を図１２に示すようにずらすと、有効走査領域２３２の走査線２３７の密度（走査線密度）を高めることができる。そして、中間像２３１のモアレの発生を防ぐことができる。特に、走査線２３７の間隔に粗密が生じやすい主走査の周辺部分におけるモアレの発生を防ぐことができる。

より詳細に説明する。例えば、ＭＥＭＳミラー２１において微小ミラー２１０の主走査方向の動作を与える共振周波数を１８ｋＨｚとし、微小ミラー２１０に対して副走査方向の動作を与える駆動電圧の周波数を６０Ｈｚとする。この場合、３００周期分の走査線２３７が走査領域２３４内に描けることになる。すなわち、中間像２３１の１フレームを生成するための走査線２３７の往復回数は３００往復になる。

ここで、マイクロレンズアレイ２３の副走査方向の大きさを３０ｍｍとする。この場合、副走査方向における走査線２３７の間隔は５０μｍになる。マイクロレンズ２３５の副走査方向のピッチであるレンズピッチ２３５２が１００μｍ程度であると仮定する、中間像２３１の主走査方向の周辺では、レンズピッチ２３５２の値と走査線２３７の間隔とが近くなり、人間の眼に視認しやすい周波数のモアレが発生しやすくなる。これに対して、上記のように１フレームの中間像２３１を生成する際に２回走査するならば、第１走査線２３７−１と第２走査線２３７−２による中間像２３１の主走査方向の周辺部における走査線間隔は２５μｍになる。以上のように、複数回の走査で中間像２３１の１フレームを生成するようにＭＥＭＳミラー２１を制御すれば、走査線密度が上がり、モアレの発生を低下させることができる。すなわち、ＨＵＤ１における虚像２の視認性を向上させることができる。

なお、２回の二次元走査に係る第１走査線２３７−１と第２走査線２３７−２の位相のズレは、１／４周期であればよい。これによって、走査線間隔を均等にし、副走査方向の濃度むらを抑えることができて、中間像２３１の副走査方向の周辺部におけるモアレを効果的に防ぐことができる。

ここで、図１２に示したように、中間像２３１の１フレーム分を生成するにあたって２回の走査するためのＭＥＭＳミラー２１の制御について図１３を用いて説明する。図１３は、１フレーム相当の中間像２３１を生成する際にＭＥＭＳミラー２１に印加される駆動電圧の時間変位の例を示すグラフである。

まず、１回目の走査において、所定の大きさの駆動電圧（Ｖｄ）をＭＥＭＳミラー２１に印加する。これによって、微小ミラー２１０は反射面２１０１の副走査方向の向きを変えて、第１走査ビーム１０２−１が第１走査開始位置２３８−１に入射されるようにする。

駆動電圧がＶｄから減少してゼロに至る間に、駆動電圧の値に応じて微小ミラー２１０が向きを変える。これによって、第１走査ビーム１０２−１は、共振による主走査と駆動電圧の大きさの変化に応じた副走査を行う。

次に、２回目の走査を開始するに当たり、１回目の走査を開始する時の駆動電圧（Ｖｄ）に対してバイアス電圧（Ｖｂ）を加える。したがって、２回目の走査は、ＭＥＭＳミラー２１に「Ｖｄ＋Ｖｂ」からなる駆動電圧が印加されて開始する。すでに説明したとおり、微小ミラー２１０の副走査方向の変位は駆動電圧の大きさに応じる。駆動電圧がＶｄの場合と、Ｖｄ＋Ｖｂの場合では走査開始位置２３８の副走査方向における位置が異なる。２回目の走査は、駆動電圧がＶｄ＋ＶｂからＶｂに至るまでの時間において行われる。

ここで、振幅中心２３３のずれについて説明する。図１４は、ＭＥＭＳミラー２１とマイクロレンズアレイ２３を主走査方向から見た光学配置図である。なお、図１４は、ＭＥＭＳミラー２１とマイクロレンズアレイ２３のみを簡略化して表している。第１光ビーム１０１がＭＥＭＳミラー２１において偏向走査される場合、１回目の走査に係る第２光ビーム１０２を第１走査ビーム１０２−１とし、２回目の走査に係る第２光ビーム１０２を第２走査ビーム１０２−２とする。

すでに説明とおり、第１走査ビーム１０２−１と第２走査ビーム１０２−２は、マイクロレンズアレイ２３における走査開始位置２３８が副走査方向において異なる。第１走査ビーム１０２−１と第２走査ビーム１０２−２は、それぞれ異なる走査開始位置２３８から二次元走査を開始して、それぞれ異なる走査終了位置２３９において二次元走査を終了する。

図１４に示すように、第１走査ビーム１０２−１に係る第１走査開始位置２３８−１と第１走査終了位置２３９−１の副走査方向における幅を振幅として見た場合、第１走査ビーム１０２−１に係る振幅中心２３３は、第１振幅中心２３３−１に相当する。同様に、第２走査ビーム１０２−２に係る第２走査開始位置２３８−２と第２走査終了位置２３９−２の副走査方向における幅を振幅として見ると、第２走査ビーム１０２−２に係る振幅中心２３３は、第２振幅中心２３３−２に相当する。

ＨＵＤ１は、中間像２３１を生成する際に二次元走査を２回行い、１フレーム分を生成する。ＨＵＤ１は、１回目と２回目の二次元走査における振幅中心２３３をずらすようにＭＥＭＳミラー２１を制御する。振幅中心２３３を二次元走査毎でずらせば、上記にて説明したとおり、中間像２３１のモアレの発生を防ぐことができる。特に、主走査の周辺部分におけるモアレの発生を防ぐことができる。

本実施形態に係るＨＵＤ１は、車両に搭載することができる（図１参照）。この場合、虚像２が表示される状態における背景の輝度に応じて、虚像２の輝度を変化させることが望ましい。具体的には、虚像２の輝度を下げる方が望ましい場合がある。虚像２の輝度を下げるには、中間像２３１の輝度を下げればよい。

以下、本実施形態に係るＨＵＤ１において、中間像２３１の輝度を下げる方法の例について説明する。中間像２３１の輝度を下げるには、１フレーム分の中間像２３１における第２光ビーム１０２の照射時間を短くすればよい。例えば、光源部１０を制御して、第１光ビーム１０１の出射をパルス制御にし、中間像２３１を構成する画素に相当するドットの間隔を空けて中間像２３１を生成すればよい。すなわち、中間像２３１を生成するときに、いわゆるドット間引きによって生成することで、中間像２３１を原稿することができる。

また、本実施形態に係るＨＵＤ１は、図１０に示すように、走査領域２３４内の走査線２３７は、主走査方向を往復するが、往路の間だけ第１光ビーム１０１を出射し、復路に相当する間は第１光ビーム１０１を出射しないように制御する。これによって、所謂ライン間引きを行うことができるので、中間像２３１で輝度を半分に低下させることができる。

また、中間像２３１の１フレームを構成する２回の二次元走査のうち、走査回数を間引くことで減光することができる。あるいは、ドット間引きや、ライン間引き、２回走査のうちの１回の走査間引き、などを組み合わせることで、中間像２３１の減光率を適宜制御することもできる。

以上説明したＨＵＤ１は、中間像２３１の１フレームを生成するときに２回の走査を行う。また、１回目の走査と２回目の走査における走査開始位置２３８が異なる位置に制御する。これによって、各回の走査線２３７の位相が互いにずれて、中間像２３１の走査線２３７の副走査方向の密度を増すことができ、モアレの発生を抑えることができる。特に、主走査の周辺部分におけるモアレの発生を防ぐことができる。

また、中間像２３１の１フレーム相当を生成する際に１回目の二次元走査と２回目の二次元走査の開始タイミングを１／４周期ずらす。これによって、中間像２３１の走査線２３７の副走査方向の密度を増すことができ、モアレの発生を抑えることができる。特に、主走査の周辺部分におけるモアレの発生を防ぐことができる。

また、２回走査における走査開始位置２３８を、１／４周期ずらしたり、走査線２３７の副走査方向のおける振幅中心２３３をずらしたりすることでも、同様の効果を得ることができる。

ＨＵＤ１は、走査線２３７の位相をずらす制御をＭＥＭＳミラー２１の副走査方向の動作を規定する駆動電圧におけるバイアス成分を異ならせることにより行う。すなわち、２回走査で１フレーム相当の中間像２３１を生成する際に１回目の駆動電圧と２回目の駆動電圧におけるバイアス電圧を異なる電圧値に設定する。これによって、走査線２３７の副走査方向における振幅中心を変更することができ、中間像２３１のモアレの発生を抑えることができる。特に、主走査の周辺部分におけるモアレの発生を防ぐことができる。

１ ＨＵＤ
１０ 光源部
２０ 走査光学系
２１ ＭＥＭＳミラー
２３ マイクロレンズアレイ
１００ 画像生成部
１０１ 第１光ビーム
１０２ 第２光ビーム
２１０ 微小ミラー
２３１ 中間像
２３２ 有効走査領域
２３３ 振幅中心
２３４ 走査領域
２３５ マイクロレンズ
２３７ 走査線
２３８ 走査開始位置
２３９ 走査終了位置

特開２０１５−１６９８０４号公報

Claims (11)

1. レーザー光を出射する光源部と、
   前記レーザー光を二次元に偏向する光偏向手段と、
   前記光偏向手段において偏向された前記レーザー光を用いた主走査方向と副走査方向からなる二次元走査により中間像を生成する中間像生成部と、を有し、
   前記中間像における１フレーム分を生成する際に前記二次元走査は２回行われ、
   前記１フレーム分を生成する際の二次元走査に係る走査線の位相は、前記二次元走査における１回目の走査と２回目の走査で互いにずれている、ことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記走査線の位相のずれは、１／４周期である、
   請求項１記載の画像表示装置。
3. レーザー光を出射する光源部と、
   前記レーザー光を二次元に偏向する光偏向手段と、
   前記光偏向手段において偏向された前記レーザー光を用いた主走査方向と副走査方向からなる二次元走査により中間像を生成する中間像生成部と、を有し、
   前記中間像における１フレーム分を生成する際に前記二次元走査は２回行われ、
   前記１フレーム分を生成する際の二次元走査に係る走査線の前記副走査方向の開始位置は、前記二次元走査における１回目の走査と２回目の走査で互いにずれている、
   ことを特徴とする画像表示装置。
4. 前記１回目の走査と前記２回目の走査に係る前記副走査方向の走査の開始タイミングは、１／４周期ずれている、
   請求項３記載の画像表示装置。
5. レーザー光を出射する光源部と、
   前記レーザー光を二次元に偏向する光偏向手段と、
   前記光偏向手段において偏向された前記レーザー光による主走査方向と副走査方向の二次元走査により中間像を生成する中間像生成部と、を有し、
   前記中間像における１フレーム分を生成する際に前記二次元走査は２回行われ、
   前記１フレーム分を生成する際の二次元走査に係る走査線の前記副走査方向の振幅中心は、前記二次元走査における１回目の走査と２回目の走査で互いにずれている、
   ことを特徴とする画像表示装置。
6. 前記光偏向手段は駆動電圧の大きさに応じて前記副走査方向に係る前記偏向の量が変化し、
   １回目の前記二次元走査に係る前記駆動電圧と２回目の前記二次元走査に係る前記駆動電圧は、バイアス成分は異なる、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の画像表示装置。
7. 前記光源部は、前記レーザー光を出射する時間をパルス制御により制御する、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示装置。
8. 前記二次元走査の各回に応じて前記中間像生成部における前記主走査方向の走査回数を間引く、
   請求項１乃至７のいずれかに記載の画像表示装置。
9. 前記中間像生成部の後段には透過反射部材を含む観察光学系が配置されていて、
   前記中間像を前記透過反射部材に投写して虚像を表す、
   請求項１乃至８のいずれかに記載の画像表示装置。
10. 前記中間像生成部はマイクロレンズアレイである、
    請求項１乃至９のいずれかに記載の画像表示装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の画像表示装置を備え、
    前記中間像を運転者に虚像として示す、
    ことを特徴とする車両。
    
    

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