JP2018163359A - Optical element and head-up display - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザプロジェクタの光学スクリーンに関する。 The present invention relates to an optical screen of a laser projector.
ヘッドアップディスプレイ(以下、「HUD」とも記す。)は、液晶ディスプレイの画面やレーザプロジェクタで投影されたスクリーン上の画像(実像)を、運転者の視界前方に置かれたコンバイナと呼ばれるハーフミラーによって虚像として運転者に視認させる装置である。これにより運転者は前方を見たまま視線を下げることなく計器類やナビゲーション情報等を景色に重畳した状態で視認することができる。 A head-up display (hereinafter also referred to as “HUD”) is an image (real image) projected on a screen of a liquid crystal display or a laser projector by a half mirror called a combiner placed in front of the driver's field of view. It is a device that allows the driver to visually recognize it as a virtual image. As a result, the driver can view the instrument, navigation information, and the like superimposed on the scenery without looking down while looking forward.
レーザプロジェクタを用いたHUDでは、光源からのレーザ光を光学スクリーンに投射して、運転者に虚像として視認させる画像を生成する。レーザプロジェクタを用いたHUDの光学スクリーンに関連する先行技術として特許文献1、2が挙げられる。 In HUD using a laser projector, laser light from a light source is projected onto an optical screen to generate an image that is visually recognized by the driver as a virtual image. Patent Documents 1 and 2 are cited as prior arts related to an HUD optical screen using a laser projector.
特許文献1は、光学スクリーンを構成する光学素子が曲面を有する複数の光学素子部を備え、光学素子により拡散された光束の回折幅が視認者の瞳孔径以下となるように光学素子部のピッチを設定する手法を記載している。 Patent Document 1 includes a plurality of optical element portions in which an optical element constituting an optical screen has a curved surface, and the pitch of the optical element portion is set so that the diffraction width of the light beam diffused by the optical element is equal to or smaller than the pupil diameter of the viewer. The method of setting is described.
特許文献2は、スペックルノイズがレンズの縁により発生するものと考え、レンズの縁にレーザ光が当たらないように、レーザ光の径よりもレンズピッチを大きくする手法を記載している。 Patent Document 2 describes a technique in which speckle noise is considered to be generated by the edge of the lens, and the lens pitch is made larger than the diameter of the laser light so that the laser light does not strike the edge of the lens.
特許文献1では、光学素子を構成する光学素子部のピッチの設定において、光学素子に入射するレーザ光の入射NA(開口数)を考慮していない。また、ピッチの設定において視認者の瞳孔径を基準としているが、視認者の位置の変化、特に前後方向の位置の変化により見え方が変わってしまうという課題を有する。 In Patent Document 1, in setting the pitch of the optical element portion constituting the optical element, the incident NA (numerical aperture) of the laser light incident on the optical element is not taken into consideration. Further, although the viewer's pupil diameter is set as a reference in setting the pitch, there is a problem that the appearance changes due to a change in the position of the viewer, particularly a change in the position in the front-rear direction.
特許文献2では、レンズの縁にレーザ光が当たらないようにしているため、レンズ全体を有効に利用できていないという課題を有する。 In Patent Document 2, since the laser beam is prevented from hitting the edge of the lens, there is a problem that the entire lens cannot be effectively used.
本発明が解決しようとする課題としては、上記のものが例として挙げられる。本発明は、どのような視点位置でも虚像全体を確実に見ることが可能な光学素子を提供することを目的とする。 Examples of the problems to be solved by the present invention include those described above. An object of the present invention is to provide an optical element that can reliably see the entire virtual image at any viewpoint position.
請求項に記載の発明は、レーザ光源より入射するレーザ光を拡散する光学素子であって、マイクロレンズアレイ又は回折格子を備え、前記マイクロレンズアレイ又は回折格子のピッチは、前記レーザ光の入射開口数及び前記レーザ光の波長に基づき、前記光学素子から射出する回折光の分布が均一となるように定められていることを特徴とする。 The invention described in claim is an optical element that diffuses laser light incident from a laser light source, and includes a microlens array or a diffraction grating, and a pitch of the microlens array or diffraction grating is an incident aperture of the laser light. The distribution of diffracted light emitted from the optical element is determined to be uniform based on the number and the wavelength of the laser light.
本発明の好適な実施形態は、レーザ光源より入射するレーザ光を拡散する光学素子であって、マイクロレンズアレイ又は回折格子を備え、前記マイクロレンズアレイ又は回折格子のピッチは、前記レーザ光の入射開口数及び前記レーザ光の波長に基づき、前記光学素子から射出する回折光の分布が均一となるように設定されている。 A preferred embodiment of the present invention is an optical element that diffuses laser light incident from a laser light source, and includes a microlens array or a diffraction grating, and the pitch of the microlens array or diffraction grating is the incidence of the laser light. Based on the numerical aperture and the wavelength of the laser light, the distribution of the diffracted light emitted from the optical element is set to be uniform.
上記の光学素子は、例えば光学スクリーンとして使用され、レーザ光源から入射するレーザ光を拡散して出力する。光学素子は、マイクロレンズアレイ又は回折格子を備え、そのピッチは、前記レーザ光の入射開口数及び前記レーザ光の波長に基づき、前記光学素子から射出する回折光の分布が均一となるように設定されている。これにより、視点位置に拘わらず、また、後段に配置される光学系に依存せず、光学素子からの射出光の光量分布を均一とすることができる。 The optical element is used as an optical screen, for example, and diffuses and outputs laser light incident from a laser light source. The optical element includes a microlens array or a diffraction grating, and the pitch is set so that the distribution of the diffracted light emitted from the optical element is uniform based on the incident numerical aperture of the laser light and the wavelength of the laser light. Has been. Thereby, the light quantity distribution of the emitted light from the optical element can be made uniform regardless of the viewpoint position and without depending on the optical system arranged in the subsequent stage.
上記の光学素子の一態様では、前記光学素子はマイクロレンズアレイ又は回折格子であり、前記マイクロレンズアレイ又は回折格子に照射された前記レーザ光のスポット径に基づき、前記マイクロレンズアレイ又は回折格子のピッチが前記スポット径以下の大きさである。これにより、所望の仕様に設計されたマイクロレンズ自体の性能を発揮することができる。 In one aspect of the above optical element, the optical element is a microlens array or a diffraction grating, and the microlens array or the diffraction grating is formed on the basis of the spot diameter of the laser light applied to the microlens array or the diffraction grating. The pitch is smaller than the spot diameter. Thereby, the performance of the microlens itself designed to a desired specification can be exhibited.
好適な例では、前記ピッチをp、前記入射開口数をNAinc、前記波長をλとすると、前記ピッチpは、 In a preferred example, when the pitch is p, the incident numerical aperture is NAinc, and the wavelength is λ, the pitch p is
を満足する。 Satisfied.
また、他の好適な例では、前記レーザ光は赤色、緑色、青色の3色のレーザ光を含み、前記ピッチをp、前記入射開口数をNAinc、前記赤色のレーザ光の波長をλRED、前記青色のレーザ光の波長をλBLUEとすると、前記ピッチpは、 In another preferable example, the laser beam includes laser beams of three colors of red, green, and blue, the pitch is p, the incident numerical aperture is NAinc, and the wavelength of the red laser beam is λ RED , When the wavelength of the blue laser light is λ BLUE , the pitch p is
を満足する。 Satisfied.
本発明の他の好適な実施形態では、ヘッドアップディスプレイは、レーザ光源と、上記の光学素子により構成され、前記レーザ光源から射出したレーザ光を照射する光学スクリーンと、前記光学スクリーンから射出されたレーザ光を反射するコンバイナと、を備える。 In another preferred embodiment of the present invention, a head-up display includes a laser light source, the optical element described above, an optical screen that emits laser light emitted from the laser light source, and the optical screen emitted from the optical screen. And a combiner that reflects the laser light.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施例]
図1は、本発明の実施例に係るHUDの構成を示す。HUDは、レーザプロジェクタ10と、コンバイナ5と、を備える。運転者に視認させるべき画像を構成するレーザ光がレーザプロジェクタ10から射出され、凹面鏡であるコンバイナ5により反射され、運転者の視点に到達する。これにより、運転者がその画像を虚像として視認する。
[Example]
FIG. 1 shows a configuration of a HUD according to an embodiment of the present invention. The HUD includes a
レーザプロジェクタ10は、レーザ光源11と、光学スクリーン12と、MEMSミラー13とを備える。レーザ光源11は、R(赤)、G(緑)、B(青)の3色のレーザ光源を備え、運転者に視認させるべき画像に対応するRGBのレーザ光Lを射出する。図3(a)に示すように、光学スクリーン12は、複数のマイクロレンズ(以下、単に「レンズ」とも呼ぶ。)12xを配列したレンズアレイにより構成される。
The
図2は、レーザ光Lを光学スクリーン12上にスキャンする様子を示す。レーザ光源11から射出されたレーザ光Lは、MEMSミラー13により光学スクリーン12上でスキャンされる。これにより、運転者に視認させるべき画像が光学スクリーン12上に描画される。
FIG. 2 shows how the laser beam L is scanned on the
本実施例では、どんな視点位置であっても、運転者が虚像全体を確実に見ることができるようにするため、光学スクリーン12を構成するレンズアレイのレンズピッチpを、レンズアレイ上に集光するレーザ光(入射光)の入射NA(開口数)と、レーザ光の波長とに基づいて定める点に特徴を有する。具体的には、光学スクリーン12を構成するレンズアレイのレンズピッチpを、以下の式(1)を満足するように決定する。
In this embodiment, the lens pitch p of the lens array constituting the
ここで、レンズピッチpは、図3(a)に示すように、レンズアレイを構成する複数のレンズ12xのうち、隣接するレンズ12xの中心間の距離pとして定義される。また、入射NAは、図3(b)に示すように、光学スクリーン12に入射する入射光Lの広がりを示す角θを用いて「入射NA=sinθ」と与えられる。
Here, as shown in FIG. 3A, the lens pitch p is defined as a distance p between the centers of
以下、式(1)について説明する。図4(a)は、理想的な光学スクリーンを用いた場合の射出光を示す。理想的な光学スクリーンは入射光を均一に拡散させるため、射出光においては1画素分のレーザスポットが均等に広がる。よって、どの視点位置でも入射光による画像を同じように見ることができる。 Hereinafter, Formula (1) is demonstrated. FIG. 4A shows the emitted light when an ideal optical screen is used. Since an ideal optical screen diffuses incident light uniformly, the laser spot for one pixel spreads uniformly in the emitted light. Therefore, an image by incident light can be viewed in the same way at any viewpoint position.
図4(b)は、光学スクリーンとしてレンズアレイを用いた場合の射出光を示す。レンズアレイを使用すると、レンズアレイを構成するマイクロレンズの周期構造により回折が生じ、射出光が均等に広がらない。そのため、視点位置によって、画像が見えるときと見えないときとがある。 FIG. 4B shows emitted light when a lens array is used as the optical screen. When the lens array is used, diffraction occurs due to the periodic structure of the microlens constituting the lens array, and the emitted light does not spread evenly. Therefore, depending on the viewpoint position, there are cases where an image can be seen and where it cannot be seen.
図5(a)はレンズアレイのレンズピッチpを示し、図5(b)はレンズアレイから射出する回折光の分布を示す。グレーティング法則により、レンズアレイから射出する回折光の間隔はレンズ周期に依存する。例えば、図5(a)に示すレンズピッチpのレンズアレイを用いた場合、回折光の間隔は(2/√3)・(λ/p)となる。 FIG. 5A shows the lens pitch p of the lens array, and FIG. 5B shows the distribution of diffracted light emitted from the lens array. According to the grating law, the interval of the diffracted light emitted from the lens array depends on the lens period. For example, when a lens array having a lens pitch p shown in FIG. 5A is used, the interval of diffracted light is (2 / √3) · (λ / p).
一方、スカラー回折理論により、個々の回折光の大きさは、入射光の入射NAで決まる。具体的に、図6(a)に示すように入射NAが大きいときは、回折光の大きさ(角度θ)は大きくなる。また、図6(b)に示すように入射NAが小さいときは、回折光の大きさ(角度θ’)は小さくなる。 On the other hand, according to the scalar diffraction theory, the size of each diffracted light is determined by the incident NA of the incident light. Specifically, as shown in FIG. 6A, when the incident NA is large, the magnitude (angle θ) of the diffracted light becomes large. Further, as shown in FIG. 6B, when the incident NA is small, the magnitude (angle θ ′) of the diffracted light is small.
以上より、図7に示すように、入射NAを大きくして回折光の隙間を埋めれば、回折光がほぼ均一に分布した射出光が得られる。即ち、回折光の大きさが回折光の間隔以上となる条件で、即ち以下の式(2)の関係が成立するときに、射出光の光量(輝度)分布が均一な、ほぼ理想的な光学スクリーンを得ることができる。 As described above, as shown in FIG. 7, when the incident NA is increased to fill the gap of the diffracted light, the emitted light in which the diffracted light is distributed almost uniformly can be obtained. That is, under the condition that the size of the diffracted light is greater than or equal to the interval of the diffracted light, that is, when the relationship of the following expression (2) is established, the light quantity (brightness) distribution of the emitted light is uniform and almost ideal You can get a screen.
また、射出光においては図8(b)に示すような射出NAも重要な設計要素である。射出NAが小さすぎると視点範囲が狭くなり、大きすぎると虚像の輝度が足りなくなる。システムの仕様に合った射出NAを得るためには、さらに以下の条件(A)が求められる。 In the emitted light, the emission NA as shown in FIG. 8B is also an important design element. If the emission NA is too small, the viewpoint range becomes narrow, and if it is too large, the brightness of the virtual image becomes insufficient. In order to obtain an injection NA that meets the system specifications, the following condition (A) is further required.
(A)入射光のスポットはレンズ単体の径より大きい必要がある。これは、入射光を個々のレンズの全面に入射させないと、レンズ単体の性能を十分に発揮できないからである。よって、図8(a)に示すように、入射光Lの直径をレンズ12xの直径よりも大きくする。ここで、レーザ光のスポット径としてエアリーディスクの直径(r=1.22λ/NA)を利用すると、以下の式(3)が成立することが必要である。
(A) The spot of incident light needs to be larger than the diameter of a single lens. This is because the performance of a single lens cannot be fully exhibited unless incident light is incident on the entire surface of each lens. Therefore, as shown in FIG. 8A, the diameter of the incident light L is made larger than the diameter of the
以上の式(2)、(3)より、式(1)が成立するときに、射出光の光量分布が均一となり、かつ、所望の射出NAを得ることができる。 From the above formulas (2) and (3), when the formula (1) is established, the light quantity distribution of the emitted light becomes uniform and a desired emission NA can be obtained.
なお、式(1)にはレーザ波長のパラメータが含まれている。レーザ光源11からのレーザ光をRGBのカラーのレーザ光とする場合、レーザ波長は赤>緑>青の関係を有するので、以下の式(4)が得られる。ここで、λREDは赤色レーザ光の波長であり、λBLUEは青色レーザ光の波長である。
Equation (1) includes a laser wavelength parameter. When the laser light from the
次に、上記の式(4)を満足する数値例を検討する。一例として、レーザ光の入射NA=0.003とする。式(4)の赤色レーザ光の波長λRED=0.638nmとすると、レンズピッチp≧約123μmとなる。また、式(4)の青色レーザ波長λBLUE=0.450nmとすると、レンズピッチp≦約183μmとなる。よって、射出光を均一にするための光学スクリーン12のレンズピッチp=123〜183μmとなる。
Next, a numerical example satisfying the above equation (4) will be examined. As an example, the incident NA of laser light is set to 0.003. Assuming that the wavelength λ RED of the red laser light of formula (4) is 0.638 nm, the lens pitch p ≧ about 123 μm. Further, when the blue laser wavelength λ BLUE in Expression (4) is 0.450 nm, the lens pitch p ≦ about 183 μm. Accordingly, the lens pitch p of the
以上のように、上記の式(1)又は(4)を満足するようにレンズピッチpを設定することにより、視点位置に拘わらず、また、光学スクリーン12の後段に配置される光学系(例えばコンバイナなど)に依存せず、光学スクリーン12からの射出光の光量分布を均一にすることができる。
As described above, by setting the lens pitch p so as to satisfy the above formula (1) or (4), an optical system (for example, disposed at the rear stage of the
なお、回折光は理想的には隙間なく並ぶのが良いが、実際には隣接する回折光の間に隙間があるか、又は、隣接する回折光の一部が相互に重なることになり、このような隙間又は重なりの部分は厳密には均一ではない。しかし、人間の眼は点ではなく、ある程度の広がりを持って対象物を視認するので、このような微小な隙間や重なりは視覚上平均されて認識されるため、実際には人間の眼には均一に見えることになる。本発明では、この意味で回折光は均一であるとしている。 Ideally, the diffracted light should be arranged without a gap, but in reality, there is a gap between adjacent diffracted lights, or some of the adjacent diffracted lights overlap each other, and this Such gaps or overlapping portions are not strictly uniform. However, since the human eye is not a point, and it looks at the target object with a certain extent, such small gaps and overlaps are visually averaged and recognized. It will look uniform. In the present invention, the diffracted light is assumed to be uniform in this sense.
(変形例)
上記の実施例では、光学スクリーン12を透過型に構成しているが、光学スクリーン12を反射型に構成してもよい。図9は、反射型の光学スクリーン12Rの例を示す。反射型の光学スクリーン12Rは、透過型の光学スクリーン12のレンズアレイの曲面上に反射膜12aを形成して作製される。レンズアレイに入射したレーザ光は、レンズアレイ上の反射膜12aにより反射される。光学スクリーンを反射型にすることにより、HUD内の部品配置の自由度を高めることができる。
(Modification)
In the above embodiment, the
また、上記の光学スクリーン12では、レンズアレイを構成する個々のレンズ12xが六角形であるが、本発明の適用はこれには限られない。即ち、個々のレンズ12xを四角形や他の多角形としてもよい。
In the
また、上記の光学スクリーン12では、レンズアレイの全ての方向のピッチが同じでなくてもよい。例えば、レンズ12xが縦又は横方向につぶれた形状の六角形であっても、縦方向のレンズピッチと横方向のレンズピッチの両方が式(1)、(4)を満足すれば、射出光の光量分布を均一にすることができる。また、隣接するレンズ12xの間に間隔があっても構わない。
In the
[他の実施例]
上記の実施例では、光学スクリーン12をレンズアレイにより構成しているが、本発明の適用はこれには限定されない。光学スクリーンは周期配列を有すればよく、例えば回折格子を用いてもよい。図10は、回折格子を用いた光学スクリーン22の構成を示す。図10(a)は光学スクリーン22の斜視図であり、図10(b)は光学スクリーン22の平面図である。回折格子を用いた光学スクリーン22も入射光を回折して射出する。この際、上述した式(1)、(4)を満足するように格子ピッチpを設定することにより、レンズアレイの実施例と同様に、射出光の光量分布を均一にすることができる。
[Other embodiments]
In the above embodiment, the
5 コンバイナ
10 レーザプロジェクタ
11 レーザ光源
12、22 光学スクリーン
12x マイクロレンズ
13 MEMSミラー
5
Claims (1)
マイクロレンズアレイ又は回折格子を備え、
前記マイクロレンズアレイ又は回折格子のピッチpは、前記レーザ光の入射開口数をNAinc、前記レーザ光の波長をλとすると、
Comprising a microlens array or diffraction grating,
The pitch p of the microlens array or diffraction grating is NAinc for the incident numerical aperture of the laser beam and λ for the wavelength of the laser beam.
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