JP2019174809A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルノイズを低減する画像表示装置を提供することを目的とする。【解決手段】レーザ光を走査する走査ミラー１２７と、走査されたレーザ光により画像が形成されるスクリーン１２３と、スクリーン１２３を透過したレーザ光により画像の虚像を生成する虚像光学系と、走査されたレーザ光をスクリーン１２３に向かわせるｆ−θレンズ１２４とを備える。走査ミラー１２７は、第１走査の走査速度を第２走査よりも速くする。虚像光学系は、スクリーンに形成される画像よりも大きな虚像を生成する。ｆ−θレンズ１２４は、スクリーン１２３の受光面に対してレーザ光を垂直に入射させる。スクリーン１２３は、第１走査と平行方向にレンズピッチを有するレンチキュラーレンズで構成される。レンチキュラーレンズは、レンズピッチがスクリーン１２３の受光面近傍におけるレーザ光のビーム直径よりも大きい。【選択図】図６

Description

本発明は、画像表示装置に関し、たとえばハーフミラー等を介して虚像を表示させる形態に好適なものである。

近年、ガラス表面での表面反射（或いはハーフミラー）と自由曲面ミラーなどとを組み合わせた虚像光学系により、空間上に映像を表示させる画像表示装置の開発が進んできている。

特に乗用車等の移動体に搭載されているヘッドアップディスプレイと称される画像表示装置への応用が期待されている。たとえば、乗用車に搭載されるヘッドアップディスプレイでは、画像情報により変調された光がウインドシールド（フロントガラス）に向けて投射され、その反射光が運転者の目に照射される。これにより、運転者は、ウインドシールドの前方に、画像の虚像を見ることができる。たとえば、車速や外気温等が、虚像として表示される。最近では、ナビゲーション画像や、実在する通行人を運転者に対して注意喚起する画像を虚像として表示することも検討されている。

上記ヘッドアップディスプレイでは、光源として、半導体レーザ等のレーザ光源が用いられ得る。この構成では、映像信号に応じてレーザ光が変調されつつ、レーザ光がスクリーンを走査する。スクリーンでは、レーザ光が拡散され、運転者の目に照射される光の領域が広げられる。これにより、運転者が多少頭を動かしても、目が照射領域から外れなくなり、運転者は、良好かつ安定的に画像（虚像）を見ることができる。

レーザ光源を用いることで、レーザビームをスクリーン上に走査させる光学系を小型化できる上、大きな光学倍率を有する虚像光学系と組み合わせることで、より小さな本体寸法であるにもかかわらず大きな虚像を表示することができるため、ヘッドアップディスプレイの搭載車種を増やす効果が期待されている。

しかしながら、このように光源としてレーザ光源を用いると、レーザ光のコヒーレント性により干渉ノイズ、いわゆるスペックルノイズが発生し、ギラギラした表示画像となり視認しづらくなるという問題が生じる。

スペックルノイズという課題に対し、多くの技術者が低減策を考案し、これまでにいくつかの方法を提案している。

例えば、特許文献１には、マイクロレンズアレイに偏向回転コーティングが施されており、レンズの寸法をビーム直径以上とするスペックルノイズ低減方法が記載されている。

また、特許文献２には、六方格子状のマイクロレンズアレイを２枚対向配置し、２枚目マイクロレンズアレイの角度をずらしたスクリーンを構成し、スペックルノイズを低減する構成が記載されている。

特許文献３には、格子状に配列される複数の光学素子部のピッチが眼球の瞳径以下となるようにレンズピッチを決定することでスペックルノイズを低減する構成が記載されている。

特許文献４には、スクリーン振動でスペックルノイズを除去する手法を提案しており、
なおかつスポットサイズが、スポットサイズ＜スクリーン移動量＜π×スポットサイズ２÷（２×レーザ波長）の関係を満足する時、スペックルノイズが低減されると記載されている。

特開２００８−２６６１６号公報 国際公開第２０１２／１１７４９５号 特開２０１３−６４９８５号公報 国際公開第２００９／０１９９７３号

しかしながら、これまでの構成ではいくつかの課題があることがわかった。例えば、上記特許文献１や特許文献３の構成では、虚像光学系の倍率が大きくなったときに、表示された映像が粗くなったり、表示した映像の中心部ではスペックルノイズが除去できているが、周辺部では除去し切れていなかったりするという課題が確認された。

一方、上記特許文献２の構成では、２つのマイクロレンズアレイの位置関係を厳密に調整する必要があった。また、スペックルノイズを抑制する位置に２つのマイクロレンズアレイを配置すると、表示画像の解像度が低下する、映像にボケが発生し鮮明さに欠けるという課題が確認された。

上記特許文献４の構成でも、周辺輝度など映像を視認する環境によりスペックルノイズの低減効果が変わってしまうという問題が確認された。

また、上記特許文献４の構成では、スクリーンを機械的に揺動させるため、映像が一時的にデフォーカス状態となり、ボケが発生し鮮明さに欠ける上、機械的可動部を設ける事により信頼性が低下するという課題が確認された。

かかる課題に鑑み、本発明は、表示画像の解像度の低下を抑制しつつ、スペックルノイズを低減する画像表示装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、レーザ光を出射する光源と、前記光源から出射された前記レーザ光を走査する走査部と、前記走査部で走査された前記レーザ光により画像が形成されるスクリーンと、前記スクリーンを透過した前記レーザ光により前記画像の虚像を生成する虚像光学系と、前記走査部で走査された前記レーザ光を前記スクリーンに向かわせるスクリーン入射角補正光学系と、を備え、前記走査部は、少なくとも、第１走査と、前記第１走査と異なる走査方向の第２走査を行い、前記第１走査の走査速度を前記第２走査の走査速度よりも大きくし、前記虚像光学系は、前記スクリーンに形成される画像よりも大きな虚像を生成し、前記スクリーン入射角補正光学系は、前記スクリーンの受光面に対して前記レーザ光を垂直に入射させ、前記スクリーンは、前記レーザ光が入射する光軸上に、前記第１走査の走査方向に平行な方向の第１のレンズピッチを有する第１レンズと、前記第２走査の走査方向に平行な方向の第２のレンズピッチを有する第２レンズと、を有し、前記第１のレンズピッチと前記虚像光学系の光学倍率は、次式を満たすことを特徴とする画像表示装置である。

ここで、Ｐｘは前記第１レンズのｘ軸方向のピッチ、Ｄは前記レーザ光のビーム直径、Ａは前記虚像光学系の光学倍率である。

本願の画像表示装置によれば、画像の表示部位に関わらず表示画像の解像度の低下を抑制しつつ、スペックルノイズを低減する画像表示装置を提供することができる。

本発明の実施の形態における画像表示装置の使用形態を模式的に示す図 従来の画像表示装置を示す図 従来の画像表示装置における各種評価指標を比較した図 従来の画像表示装置における各種評価指標を比較した図 従来の画像表示装置における画素の照明状態を示した図 本発明の実施の形態における画像表示装置の構造を示す図 本発明の実施の形態におけるスクリーンの構成図 本発明の実施の形態の画像表示装置における各種評価指標を比較した図 虚像光学系の光学倍率と各種評価指標を比較した図 本発明の実施の形態におけるスクリーンの構成図 本発明の実施の形態におけるスクリーンの構成図

以下、本発明の実施の形態にかかる画像表示装置について、図面を参照しながら説明する。便宜上、各図には、適宜、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸を付記している。なお、図面で同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態における画像表示装置１２０の使用形態を模式的に示す図である。図１（ａ）は、車両１０１の側方から車両１０１の内部を透視した模式図、図１（ｂ）は、車両１０１の内部から走行方向前方を見た図である。図１（ｃ）は、画像表示装置１２０の内部構成を示す図である。なお、本実施の形態は、車載用のヘッドアップディスプレイに本発明を適用したものである。

図１（ａ）に示すように、画像表示装置１２０は、車両１０１のダッシュボード１１１の内部に設置される。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、画像表示装置１２０は、映像信号により変調されたレーザ光を、ウインドシールド１１２の下側の運転席寄りに配置された投射領域１１３に投射する。レーザ光は、投射領域１１３で反射され、運転者１０２の目の位置周辺の横長の領域（アイボックス領域）に照射される。これにより、運転者１０２の前方の視界に、虚像として所定の画像１３０が表示される。運転者１０２は、ウインドシールド１１２の前方の景色上に、虚像である画像１３０を重ね合わせて見ることができる。すなわち、画像表示装置１２０は、虚像である画像１３０をウインドシールド１１２の投射領域１１３の前方の空間に結像させる。

図１（ｃ）に示すように、画像表示装置１２０は、走査光学モジュール１２１と、虚像光学系１２２と、スクリーン１２３と、スクリーン入射角補正光学系としてテレセントリックｆ−θレンズ（以下、ｆ−θレンズ１２４と記す）とを備える。走査光学モジュール１２１は、赤色、青色、緑色を発するレーザ光源としてレーザ光源１２５ａ，レーザ光源１２５ｂ，レーザ光源１２５ｃを有し、映像信号により変調されたレーザ光が出射される。各レーザ光源から発せられたレーザ光は、合波ミラー１２６ａ，合波ミラー１２６ｂ，合波ミラー１２６ｃを介して、同軸なレーザビームとして成形され、走査ミラー１２７へ照射される。

その後、レーザビームは、走査ミラー１２７でｆ−θレンズ１２４を介してスクリーン１２３上を走査される。走査ミラーは、２０ｋＨｚ程度の共振周波数で往復運動する軸（便宜的に高速軸と呼ぶ）と、画像のフレームレート（実施例の場合６０Ｈｚ）で往復運動する軸（便宜的に低速軸と呼ぶ）の二つの回転軸を有している。

以後、本実施の形態において高速軸に沿った方向をｘ軸、低速軸に沿った方向をｙ軸として説明を進める。なお、本実施の形態におけるｘ軸は第１走査の走査方向に相当し、ｙ軸は第２走査の走査方向に相当する。また、ｘ軸はｙ軸に直交し、ｘ軸方向の走査速度はｙ軸方向の走査速度よりも速い。

虚像光学系１２２は、曲面状の反射面１２２ａと、平面状の反射面１２２ｂとを有する。走査光学モジュール１２１から出射されたレーザ光は、ｆ−θレンズ１２４、スクリーン１２３を経由して、虚像光学系１２２でウインドシールド１１２に向けて反射される。ウインドシールド１１２で反射されたレーザ光は、運転者１０２の目１０２ａに照射される。走査光学モジュール１２１の光学系と虚像光学系１２２は、ウインドシールド１１２の前方に虚像による画像１３０が所定の大きさで表示されるように設定されている。

ここで、画像表示装置１２０にｆ−θレンズ１２４を設けてスクリーン１２３を特定の構造とすることで、画像１３０の表示品質を向上させることができる。このとき、虚像光学系１２２の拡大倍率を４〜３０倍とすることで画像１３０の表示品質をさらに向上させることができる。

また、虚像光学系１２２の光学倍率を大きくするほど、より小さな画像表示装置１２０を用いて画像１３０を生成することができるため、搭載スペースが限られた車両にも画像表示装置１２０が搭載可能になる。

なお、本実施の形態では、ウインドシールドを通して虚像を観察するウインドシールド型のヘッドアップディスプレイへ展開した場合における実施例で説明したが、コンバイナと呼ばれる光学部品を通して虚像を観察するコンバイナ型と呼ばれるヘッドアップディスプレイへ展開も可能である。

また、本実施の形態では、圧電材料による歪みを与える効果や、電磁的な力、静電気を用いた所謂ＭＥＭＳ構造を用いた往復ミラーを用いた光学構成になっているが、レーザ光を操作する形態であれば、ポリゴンミラーやガルバノミラーを用いることも可能である。

さらに、虚像光学系１２２の光学倍率を大きくするほど、より小さな画像表示装置１２０を用いて画像１３０を生成することができる。その結果、搭載スペースが限られた車両にも画像表示装置１２０が搭載可能になるという効果が得られる。

次に、スクリーンにマイクロレンズアレイを用いた従来の画像表示装置について説明を
行う。

図２は、従来の画像表示装置を示す図である。図２（ａ）は、従来の画像表示装置の構成を示す図である。図２（ｂ）は、マイクロレンズアレイを用いたスクリーン２０１を示す図である。図２（ｃ）は、スクリーン２０１を拡大した図であり、レンズの構造とレンズピッチＰｘ，Ｐｙとの関係性を示す。

従来構成では、スクリーン２０１を照明する照明光学系として、本発明の実施形態のｆ−θレンズ１２４ではなく、一般的な集光レンズ２０２を設けている。また、スクリーンとして、本発明の実施形態のスクリーン１２３ではなく、マイクロレンズアレイを用いたスクリーン２０１を設けている。

また、マイクロレンズアレイは、ｘ方向、ｙ方向に対して格子構造の非球面凸レンズが集積した構造である。ここで、レンズピッチＰｘは高速軸に沿った方向のｘ軸方向のレンズピッチであり、レンズピッチＰｙは低速軸に沿った方向のｙ軸方向のレンズピッチである。

図３は、従来の画像表示装置における各種評価指標を比較した図である。なお、図３における各種評価指標とは、レンズピッチ（Ｐｘ）、レーザビームのビーム直径（Ｄ）、スペックルコントラスト（Ｃｓ）である。

この図３は、図２（ａ）の構成において、虚像光学系１２２の光学倍率を４倍とした時に、スクリーン２０１を照明するレーザビームのビーム直径Ｄ(半値全幅：ＦＷＨＭ値)でレンズピッチ（Ｐｘ）を除算した値と、画像表示品質を表す指標の一つであるスペックルコントラスト（Ｃｓ）との関係を実験的に調べた結果をプロットしたものである。なお、スペックルノイズとは、レーザ光の干渉性が要因で表示画像上に輝点が多数発生し、画像１３０を見る人（本願の場合は運転者）にギラギラした印象を与えるノイズである。また、スペックルコントラストとは、この輝点と画像の暗い部分との差違を示す評価指標である。ここで、図３に示すレーザビーム直径（Ｄ）は、集光レンズ２０２で集光されるビームウエストの位置すなわちスクリーン２０１（マイクロレンズアレイ）の受光面近傍での値を指している。

図３に示すように、レンズピッチ（Ｐｘ）をレーザビームのビーム直径（Ｄ）で除算した値が大きくなるほど、スペックルノイズが低減されることが明らかとなった。スペックルノイズが目立たなくなる指標として、スペックルコントラスト値が１０％を下回ることが挙げられる。レンズピッチ（Ｐｘ）がレーザビームのビーム直径（Ｄ）に等しいとき、スペックルコントラスト値が９．５％となり、ギラツキ感が目立たない画像となった。さらに、レンズピッチ（Ｐｘ）がレーザビームのビーム直径（Ｄ）の１．５倍を上回るとき、スペックルコントラストが６％を下回るようになり、レーザ光を照明として用いない場合（ＬＥＤやランプ光源）と遜色のない値が得られることがわかった。

ところが、表示された画像１３０の中心部と外周部とでスペックルノイズによるギラツキ感の改善状況が異なる場合があることが初めて明らかになった。さらに、虚像光学系１２２の光学倍率によっても同様にギラツキ感の改善状況が大きく変わることがわかった。この関係性を示したものが図４である。

図４は、従来の画像表示装置における各種評価指標を比較した図である。なお、図４にける各種評価指標とは、レンズピッチ（Ｐｘ）、レーザビームのビーム直径（Ｄ）、スペックルコントラスト（Ｃｓ）、表示粗さである。図４（ａ）は、虚像光学系１２２の光学倍率を４倍にしたときの各種評価指標を比較した図である。また、図４（ｂ）は、虚像光
学系１２２の光学倍率を２０倍にしたときの各種評価指標を比較した図である。

図４（ｃ）は、画像表示領域４０１を９分割した領域を示した図であり、中心部とは、５の領域を示し、外周部とはそれ以外の領域を示す。

図４（ａ）に示す虚像光学系１２２の光学倍率が４倍の場合では、中心部（５の領域）と比較して外周部（この場合、１，３、７、９の領域）のスペックルコントラスト値が大きくなっていることに加え、外周部では表示が間引かれたようになり、表示粗さが粗くなっているように見える事がわかった。この場合、スペックルノイズのギラツキ感の観点でも、画像の表示粗さの観点でも成立するのは、レンズピッチ（Ｐｘ）をレーザビームのビーム直径（Ｄ）で除算した値が１．０の時だけ、条件を緩和しても、１．１５までとなる。この現象は、虚像光学系１２２の光学倍率を大きくするとさらに顕著となることがわかった。

また、図４（ｂ）に示す虚像光学系１２２の光学倍率が２０倍の場合では、ギラツキ感を認識できなくなるのは、レンズピッチ（Ｐｘ）をレーザビームのビーム直径（Ｄ）で除算した値が１．２５倍以上の時であるが、この場合画素が粗くなり、別の観点で表示品質が低下することがわかった。よって、光学倍率２０倍の場合は、ギラツキ感の観点でも、画像の表示粗さの観点でも成立する、レンズピッチ（Ｐｘ）をレーザビームのビーム直径（Ｄ）で除算した値が存在しないという結果になる。

なぜこのような結果になるのか、光線追跡を用いて調査した結果を図５に示す。

図５は、従来の画像表示装置における画素の照明状態を示した図である。図５（ａ）はスクリーン２０１の中央部の様子を模式的に示した図であり、図５（ｂ）はスクリーン２０１の周辺部の様子を模式的に示した図である。

図５（ａ）に示すスクリーン２０１の中央部では、レーザビームは、レーザビーム５０１ａ、レーザビーム５０１ｂ、レーザビーム５０１ｃの順に、スクリーン２０１上のレンズ部５０２を移動していく。このとき、結像部にレーザビームが集光（結像）されて画像が形成されるが、レーザビームの移動と共に結像位置も移動し、１つの画素５０４（点線部）に対して、その点線部領域内をビームが移動しながら照明されることがわかった。そのため、スクリーン２０１の中央部では、図５の照明領域５０５ａに示すように１つの画素５０４の全面が均等に照射されることがわかる。

次に、図５（ｂ）に示すスクリーン２０１の周辺部では、レーザビームは、レーザビーム５０１ｄ、レーザビーム５０１ｅ、レーザビーム５０１ｆの順に、スクリーン２０１上のレンズ部５０２を移動していく。その際、レーザビーム５０１ｄ、レーザビーム５０１ｅ、レーザビーム５０１ｆのそれぞれが、レンズ部５０２に対して斜めに入射する。そのため、図５（ａ）に示すスクリーン２０１の中央部の時と比較して、レーザビームの集光位置（結像位置）が１つの画素５０４に対して、その点線領域内の片側領域にかたよってしまう。その結果、照明領域５０５ｂが１つの画素５０４の一部だけの領域になってしまい、画素５０４の全面を均一に照明できてないことがわかった。

以上のことから、ギラツキ感（スペックルノイズ）の改善状況が画像１３０の中央部と周辺部で異なるのは、画像１３０の周辺部に相当するスクリーン２０１の周辺部では１画素あたりのビームの動きが小さいため、光路の変化が小さく干渉性を下げる効果が小さくなるためであるとわかった。さらに、スクリーン周辺部で画像が粗くなるのは、スクリーン周辺部では画素を均一に照明できなくなるためであるということがわかった。

虚像光学系１２２の光学倍率が大きくなると、レーザビームで照明されない領域が拡大されて、照明されず暗くなる画素の一部がさらに目立ってしまうため、画素に対する照明されない領域の存在許容度が低くなるということがわかった。

実験検討の結果、このような状況を改善するためには、高速に走査する方向であるｘ軸方向については、常にレンズに対して略垂直となるようにレーザビームを入射させることが重要である。そのため、スクリーンに対するレーザビームの許容入射角度は、ｘ軸方向に対して±１．５°であることが望ましい。

そこで、本実施の形態では、図１に記載のスクリーン１２３に対してレーザビームを垂直に入射させるためにスクリーン入射角補正光学系（ｆ−θレンズ１２４）を設けた構成としている。

図６は、本発明の実施の形態における画像表示装置の構造を示す図である。走査光学モジュール１２１と、ｆ−θレンズ１２４と、スクリーン１２３とを組み合わせた構成を示す構成図である。

走査光学モジュール１２１から出射されたレーザビーム６０１は、ｆ−θレンズ１２４によりスクリーン１２３に対して垂直に入射するように調整される。その際、ｆ−θレンズ１２４は、その集光点６０２がスクリーン１２３におけるレンズ面の受光面近傍となるように配置される。

さらに、走査光学モジュール１２１がレーザビームを走査する際、高速軸方向のレンズピッチが特に重要であると言うことが実験の結果で明らかになったため、スクリーン１２３にはレンチキュラーレンズシートを使用した。

なお、本実施の形態では、レーザビーム６０１のビーム直径（Ｄ）が重要な要件となり、レンズピッチ（Ｐｘ）の寸法に対して、レーザビーム６０１のビーム直径（Ｄ）が小さい方が望ましいため、レーザビーム６０１をより集光しやすくするために走査ミラー１２７の有効ミラー直径は０．８ｍｍ以上であることが望ましい。また、有効ミラー直径が大きくなるに従いミラー部の重量増加しミラーの振れ角が小さくなるため、有効ミラー直径は１．５ｍｍ以下であることが望ましい。よって、走査ミラー１２７の有効ミラー直径は０．８ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることがより望ましい。

図７は、本発明の実施の形態におけるスクリーンの構成図であり、スクリーン１２３としてレンチキュラーレンズ７０１を用いたものである。図７（ａ）はレンチキュラーレンズを用いたスクリーンを示す図である。図８（ｂ）はレンチキュラーレンズ７０１を拡大した図である。

レンチキュラーレンズ７０１は、片側の主平面にレンズ面７０１ａを有し、高速軸方向すなわちｘ軸方向のみにレンズピッチＰｘを持つ構造である。図６に示すスクリーン１２３に対して、図７に示すレンチキュラーレンズ７０１を適用した場合、レンチキュラーレンズ７０１に入射するレーザビーム６０１をｆ−θレンズ１２４で垂直入射させつつ集光する構成となる。この場合の実験結果を図８に示す。

図８は、本発明の実施の形態の画像表示装置における各種評価指標を比較した図である。なお、各種評価指標とは、レンズピッチ（Ｐｘ）をレーザビームのビーム直径（Ｄ）で除算した値、スペックルコントラスト、表示粗さである。図８（ａ）は、虚像光学系１２２の光学倍率を４倍にしたときの各種指標を比較した図である。また、図８（ｂ）は、虚像光学系１２２の光学倍率を２０倍にしたときの各種指標を比較した図である。ここで、
レーザビーム直径（Ｄ）は、ｆ−θレンズ１２４で集光されるビームウエストの位置すなわちスクリーン１２３の受光面近傍での値を示している。

図８（ａ）に示す虚像光学系１２２の光学倍率が４倍の場合では、レンズピッチ（Ｐｘ）をレーザビームのビーム直径（Ｄ）で除算した値が１．０〜２．０の範囲で、スクリーン１２３の中央部、周辺部ともスペックルコントラストを１０％以下に抑制できている上、表示粗さも良好な結果が得られた。

また、虚像光学系１２２の光学倍率が２０倍の場合では、レンズピッチ（Ｐｘ）をレーザビームのビーム直径（Ｄ）で除算した値が１．０〜１．２５の範囲で、スクリーン１２３の中央部、周辺部ともスペックルコントラストを１０％以下に抑制できる上、表示粗さも良好な結果が得られ、レンズピッチ（Ｐｘ）の選択許容度を拡大できるという結果が得られた。

なお、本実施の形態では１画素がレーザビームで均一に照明されることが重要となるため、画像表示装置が図６に示す構成の場合、１画素に対して、赤、青、緑のレーザ光源のうち少なくとも１色が１回点灯する点灯方式をとることが望ましい。

また、本実施の形態では、レーザビーム６０１のビーム直径が重要な要件となることから、画像表示装置が図６に示す構成の場合、レーザ光源１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃは、横モードがシングルモードであることがより望ましい。

図９は、虚像光学系の光学倍率と各種評価指標を比較した図である。図９（ａ）は、虚像光学系１２２の光学倍率と、１画素毎の照明Ｆｉｌｌ−Ｆａｃｔｏｒの関係を示す図である。横軸は虚像光学系１２２の光学倍率であり、縦軸は１画素毎の照明Ｆｉｌｌ−Ｆａｃｔｏｒである。また、図９（ｂ）は虚像光学系１２２の光学倍率と、レンズピッチ（Ｐｘ）をレーザビームのビーム直径（Ｄ）で除算した値の関係を示す図である。横軸は虚像光学系１２２の光学倍率であり、縦軸はレンズピッチをレーザビームのビーム直径（Ｄ）で除算した値である。

図８に示した表示粗さに関して、画像の表示領域における１つの画素５０４の面積に対して、レーザビームが照明できる照明領域の面積の最小値をＦｉｌｌ−Ｆａｃｔｏｒとして表現した場合、図９（ａ）に示す図で表すことができる。図９（ａ）では、虚像光学系の光学倍率が４倍から３０倍の時、映像表示が荒れないＦｉｌｌ−Ｆａｃｔｏｒの領域をハッチング部で示している。１つの画素５０４の全領域をレーザビームで照明することができる場合にＦｉｌｌ−Ｆａｃｔｏｒは１となり、荒れのない映像が表示可能となる。

光学倍率が低い時、例えば４倍の場合では、１画素の面積に対して６割弱が照明できていれば、映像の荒れは観測されないので、Ｆｉｌｌ−Ｆａｃｔｏｒは０．５６から１．０の範囲とすることができる。虚像光学系１２２の光学倍率が大きくなるにつれ、スクリーン１２３上の結像面が拡大されるため、照明されない領域も人の目で観測可能となる。その結果、必要なＦｉｌｌ−Ｆａｃｔｏｒは大きくなり、光学倍率３０倍の時は１画素の面積に対して、Ｆｉｌｌ−Ｆａｃｔｏｒは０．９５から１．０とほぼ全面を照明できていなければならないという結果となった。

以上の結果を、虚像光学系の光学倍率と、レンズピッチ（Ｐｘ）をレーザビームのビーム直径（Ｄ）で除算した値の上限との関係を図９（ｂ）に示す。ここで、レンズピッチ（Ｐｘ）をレーザビームのビーム直径（Ｄ）で除算した値の上限は、スペックルコントラストと映像荒れ（Ｆｉｌｌ−Ｆａｃｔｏｒ）の観点で有効な数値である。

レンズピッチ（Ｐｘ）をレーザビームのビーム直径（Ｄ）で除算した値が１．０未満の場合、スペックルノイズによるギラツキ感が発生する。一方、レンズピッチ（Ｐｘ）をレーザビームのビーム直径（Ｄ）で割った値の上限は、図９（ａ）のＦｉｌｌ−Ｆａｃｔｏｒから決まる値であるため、両方を考慮した場合、図９（ｂ）のハッチング部が有効範囲であることが明らかになった。

以上の結果から、光学倍率４倍の虚像光学系を用いる場合、スペックルコントラスト、映像荒れの観点で有効なレンズピッチ（Ｐｘ）をレーザビーム直径の関係（Ｄ）は１．０以上２．０以下の範囲であり、光学倍率３０倍の場合、有効なレンズピッチ（Ｐｘ）をレーザビームのビーム直径（Ｄ）で除算した値は１．０〜１．０２の間しかないということがわかる。

上限値を近似的に式で表した場合、式（１）で表現できる事が明らかとなった。

また、図９（ｂ）に示すハッチング領域を示した領域は、式（２）で表現できることがわかった。

なお、式（１）および式（２）において、Ｐｘはｘ軸方向のレンズピッチ（μｍ）、Ｄはレーザビームのビーム直径（μｍ）、Ａは光学倍率（倍）であり、この式が適用可能な虚像光学系１２２の光学倍率Ａは４≦Ａ≦３０の範囲である。

以上の結果、式（２）を用いて、スペックルノイズと映像荒れの観点で、有効な光学倍率（Ａ）は４≦Ａ≦３０の範囲であることを示したが、２５倍以上では、レンズピッチ（Ｐｘ）に対するレーザビームのビーム直径（Ｄ）の許容度が非常に狭くなる。特に、３０倍を超えた場合、レンズピッチ（Ｐｘ）とレーザビームのビーム直径（Ｄ）をほぼ一致させる必要があることから、製造時の設計尤度も含めて光学倍率Ａの適用範囲を４≦Ａ≦２５にすることがより望ましい。

なお、本実施の形態では、レンチキュラーレンズ７０１のレンズ面７０１ａからレーザビームを入射しているが、ギラツキ感や映像荒れという観点では、レンズ面７０１ａの反対側に位置する平面側の方向から入射しても同様の効果が得られることを確認している。一方で、外部の光が迷光となり、コントラストが低下する等の課題も発生するため、この点を考慮すると本実施の形態と同様にレンチキュラーレンズ７０１のレンズ面７０１ａからレーザビームを入射する方がより望ましい。

また、本実施の形態では、レーザビームの形状が略円形と想定して式（１）および式（２）の関係式を定義しているが、レーザビームの形状が楕円形の場合は、ｘ軸方向のレンズピッチ（Ｐｘ）に対しては、レーザビームのｘ軸方向におけるビーム直径（Ｄｘ）を使った記述で置き換えて表すことができ、レーザビームのｙ軸方向におけるレンズピッチ（Ｄｙ）を使った記述に置き換えて表すことができる。

さらに、本実施の形態では、レンチキュラーレンズ７０１を用いたスクリーン１２３の構成について示したが、レンチキュラーレンズを直角に交差させたクロスレンチキュラー構成のスクリーンを用いることも可能である。この場合、表示画像のｙ軸方向の視野角を広くすることができ、さらに視認性を向上できるという利点を有する。

図１０は、本発明の実施の形態におけるスクリーンの構成図であり、スクリーン１２３をクロスレンチキュラー構成で形成したものである。図１０（ａ）は、クロスレンチキュラー構成のスクリーンを示す図である。図１０（ｃ）は、クロスレンチキュラースクリーン１０００を拡大した図である。

クロスレンチキュラー構成で形成されたクロスレンチキュラースクリーン１０００は、そのスクリーン表面１００１がレンズ構造を有するだけでなく、スクリーン裏面１００２にもレンズ構造を有する。クロスレンチキュラースクリーン１０００は、それぞれｘ軸方向にＰｘ、ｙ軸方向にＰｙのピッチを有する。ここで、ｘ軸は高速軸に平行な軸であり、ｙ軸は低速軸に平行な軸である。ｙ軸方向のレンズピッチＰｙについては、レーザビームのビーム直径（Ｄ）との間にスペックルノイズに関する相関は見られないため、レンズピッチの下限側が拡大され、以下の範囲でなめらかな映像となることが確認できた。

なお、この式が適用可能な虚像光学系１２２の光学倍率は４≦Ａ≦３０の範囲である。

ＰｘとＰｙの周期を持つマイクロレンズアレイにしても、同様の効果が得られるが、画面内の輝度ムラを抑制するために２枚重ねにする必要がある。輝度ムラ抑制の効果を得るには、それぞれのマイクロレンズアレイの間隔を合わせ込む必要があるため製造が難しく、表示がぼけてしまう場合があるという欠点があるため、クロスレンチキュラー構成の方が適している。

なお、クロスレンチキュラー構成の場合、ｘ方向のレンズピッチ（Ｐｘ）とｙ方向のレンズピッチ（Ｐｙ）との関係が、Ｐｘ≧Ｐｙとなるとき、よりなめらかな映像となることが確認できた。

また、クロスレンチキュラー構成のスクリーンに代えて、ｙ軸方向のレンズ構造をルーバー（庇）構造とすることで、表示画像のコントラストを向上させることができる。レンチキュラーレンズとルーバー構造とを組み合わせたスクリーンの構成図を図１１に示す。

図１１は、本発明の実施の形態におけるスクリーンの構成図であり、レンチキュラーレンズとルーバー構造を組み合わせてスクリーンを形成したものである。

レンチキュラーレンズとルーバー構造を組み合わせて形成されたスクリーン１１００は、スクリーン表面１００１がレンチキュラーレンズで構成され、スクリーン裏面１００２がルーバー構造で構成される。

図１１に示すスクリーン１１００は、高速軸（ｘ軸）方向がレンチキュラーレンズの構造であり、レンズピッチも式（１）で表されるレンズピッチの範囲となっている。一方、
Ｐｙはルーバー間ピッチの下限側が、レンチキュラーレンズを使った場合と同様に拡大され式（２）に記載の範囲とすることが可能となる。

ルーバー構造は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムにくさび上の溝を形成し、溝をカーボンで充填した光吸収体１００３を有する構造となっている。このような構造とすることで、スクリーン上に垂直に入射したレーザビームに対しては、ＰＥＴ材料に対する光の進入角度が浅いため表面反射により拡散効果を得ることができる。そして、スクリーン１１００の出射側から進入する太陽光などの外光に対しては、くさび面に対する光の進入角度が深くなるためＰＥＴ材料表面での表面反射が劣勢となり、光がカーボン材料側に進入する。その結果、進入した外光はカーボン材料で吸収され、スクリーン表面での反射が抑制されるため、明所コントラストを向上させることができ、表示品質をさらに向上させることができる。なお、空隙部の充填材料はカーボン材料以外の光を吸収する材料を採用することができる。

ルーバー構造を用いた場合も、クロスレンチキュラー構成の場合と同様に、ｘ軸方向のレンズピッチ（Ｐｘ）とｙ軸方向のレンズピッチ（Ｐｙ）との関係が、Ｐｘ≧Ｐｙとなるとき、なめらかな映像となることが確認できた。

外光による明所コントラスト低下を抑制する対策として、先行例で提案されているマイクロレンズアレイとアパーチャーアレイとを組み合わせて使用した場合、マイクロレンズアレイとアパーチャーアレイとの間隔調整の精度が必要となる。マイクロレンズアレイとアパーチャーアレイの組み合わせは、干渉パターンが発生する原因となっていたため、本実施の形態のようにレンチキュラーレンズと直交する形に配置することで、コントラストを向上させながら、干渉縞、ギラツキ等を抑えた映像表示が可能になる。

一方、ルーバー構造とマイクロレンズアレイを組み合わせて使用する際、モアレと呼ばれる干渉縞が発生し除去ができないため、本実施の形態のようにレンチキュラーレンズと直交する形に配置する必要がある。

ルーバー構造を用いた場合もクロスレンチキュラー構成の場合と同様に、ｘ軸方向のレンズピッチとｙ軸方向のレンズピッチとの関係が、Ｐｘ≧Ｐｙとなるとき、よりなめらかな映像となることが確認できた。

なお、本実施の形態に述べた構成は構成例であり、図面に例示した態様以外の構成においても実施可能であることは言うまでもない。

本発明は、表示画像の解像度の低下を抑制しつつ、スペックルノイズを低減するので、レーザ光源を用いた画像表示装置などに適応可能である。

１０１ 車両
１０２ 運転者
１０２ａ 目
１１１ ダッシュボード
１１２ ウインドシールド
１１３ 投射領域
１２０ 画像表示装置
１２１ 走査光学モジュール
１２２ 虚像光学系
１２２ａ，１２２ｂ 反射面
１２３ スクリーン
１２４ ｆ−θレンズ
１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃ レーザ光源
１２６ａ，１２６ｂ，１２６ｃ 合波ミラー
１２７ 走査ミラー
１３０ 画像
２０１ スクリーン
２０２ 集光レンズ
４０１ 画像表示領域
５０１ａ、５０１ｂ，５０１ｃ レーザビーム
５０１ｄ，５０１ｅ，５０１ｆ レーザビーム
５０２ レンズ部
５０５ａ，５０５ｂ 照明領域
６０１ レーザビーム
６０２ 集光点
７０１ レンチキュラーレンズ
７０１ａ レンズ面
１０００ クロスレンチキュラースクリーン
１００１ スクリーン表面
１００２ スクリーン裏面
１００３ 光吸収体
１１００ スクリーン

Claims (4)

1. レーザ光を出射する光源と、
   前記光源から出射された前記レーザ光を走査する走査部と、
   前記走査部で走査された前記レーザ光により画像が形成されるスクリーンと、
   前記スクリーンを透過した前記レーザ光により前記画像の虚像を生成する虚像光学系と、
   前記走査部で走査された前記レーザ光を前記スクリーンに向かわせるスクリーン入射角補正光学系と、を備え、
   前記走査部は、少なくとも、第１走査と、前記第１走査と異なる走査方向の第２走査を行い、前記第１走査の走査速度を前記第２走査の走査速度よりも大きくし、
   前記虚像光学系は、前記スクリーンに形成される画像よりも大きな虚像を生成し、
   前記スクリーン入射角補正光学系は、前記スクリーンの受光面に対して前記レーザ光を垂直に入射させ、
   前記スクリーンは、前記レーザ光が入射する光軸上に、前記第１走査の走査方向に平行な方向の第１のレンズピッチを有する第１レンズと、前記第２走査の走査方向に平行な方向の第２のレンズピッチを有する第２レンズと、を有し、前記第１のレンズピッチと前記虚像光学系の光学倍率は、次式を満たすことを特徴とする画像表示装置。
   ここで、Ｐｘは前記第１レンズの第１のレンズピッチ、Ｄは前記レーザ光のビーム直径、Ａは前記虚像光学系の光学倍率である。
2. 前記第１のレンズピッチをＰｘ、前記第２レンズの前記第２のレンズピッチをＰｙとしたとき、Ｐｘ≧Ｐｙであることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１のレンズあるいは、第２のレンズの少なくとも一方がレンチキュラーレンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
4. 前記第１走査の走査方向と前記第２走査の走査方向とが直交することを特徴とする請求項１及至３に記載の画像表示装置。