JP6645567B2 - 画像表示装置及び移動体及び被走査面素子 - Google Patents

Description

この発明は、画像表示装置及び移動体及び被走査面素子に関する。

この発明の被走査面素子は、自動車、列車、船舶、ヘリコプター、飛行機など各種の運転可能な移動体に搭載される「ヘッドアップディスプレイ装置」に用いることができる。

光ビームを走査して２次元画像を表示する２次元画像表示装置が、ヘッドアップディスプレイ装置等として提案され、実用化されつつある（特許文献１、２）。

このような２次元画像表示装置では、画像信号により強度変調される光ビームを、２次元偏向手段により２次元的に偏向させる。
そして、偏向された光ビームにより、被走査面素子を２次元的に走査し、被走査面素子に２次元画像を形成する。
形成された２次元画像を、虚像結像光学系により拡大虚像として結像させる。

そして、拡大虚像の結像位置よりも手前に設けた反射面素子により結像光束を観察部側へ反射させて観察する。

２次元画像形成に供する光ビームとしては、特許文献１、２に記載されたように、光エネルギ密度、指向性ともに高いレーザビームが好適である。

しかし、レーザビームはコヒーレントであるため、観察画像に、スペックル等の干渉によるノイズが観察画像に表れやすい。
このようなノイズを以下「干渉性ノイズ」と呼ぶ。典型的な干渉性ノイズは「干渉縞」である。

「干渉性ノイズ」は、観察画像の像質を損ない、その視認性を悪くする。

特許文献１は、干渉性ノイズを除去する方法として、以下の方法を開示している。
即ち、被走査面素子に、微小レンズ（凸シリンドリカルレンズ）を配列形成し、光走査するコヒーレントな光束の光束径を、微小レンズの配列ピッチよりも小さくする。

そして、光束が微小レンズの境界部を跨いで照射しないように、光束の走査に同期して、光束をパルス発光させ、光束が微小レンズにのみ入射するようにする。

別法としては、光束が微小レンズの境界部を照射しないように、境界部に遮光層を形成する。

これ等の方法は、干渉性ノイズの除去に有効である
しかし、光束の走査に同期して、光束をパルス発光させ、光束が微小レンズにのみ入射するようにするのは、光束を走査する部分の構成が複雑化する。

また、境界部に遮光層を形成する方法では、光束による連続走査が可能であるが、遮光部による遮光で、表示される２次元画像の明るさ（輝度）の低下を招来する。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものである。
即ち、この発明は、干渉性ノイズを軽減できる新規な画像表示装置の実現を課題とするものである。

この発明の画像表示装置は、光源部と、前記光源部からの光を偏向することにより前記光を走査する偏向手段と、前記光により走査される被走査面素子と、を備え、前記被走査面素子に照射された光を用いて画像を表示させる画像表示装置において、前記被走査面素子は、前記光源部からの光を発散光束に変換する複数の光学面が、相互に近接して配列された光学面構造を有し、隣接する前記光学面の境界部をなす面の曲率半径が、前記光の波長よりも小さいことを特徴とする。

この発明によれば、干渉性ノイズを軽減できる新規な画像表示装置を実現することができる。

光学面構造の光学面（例えばマイクロレンズ）の境界部をなす面の曲率半径が、画素表示用ビームの波長よりも小さいので、この境界部で画素表示用の光は拡散されない。

従って、境界部を透過したコヒーレントな光と、光学面で拡散された光束との干渉が有効に軽減され、干渉性ノイズを有効に軽減できる。

マイクロレンズアレイを被走査面素子として用いる画像表示装置の実施の１形態を説明するための図である。 凸レンズによる拡散と干渉性ノイズ発生を説明するための図である。 干渉性ノイズの除去を説明するための図である。 凸レンズの配列形態例を３例示す図である。 凸レンズの配列形態の他の例を５例示す図である。 凸レンズを説明するための図である。 被走査面素子の例を２例説明する図である。

以下、実施の形態を説明する。
図１は、マイクロレンズアレイを被走査面素子として用いる画像表示装置（以下「２次元画像表示装置」とも言う。）の実施の１形態を説明するための図である。

図１に即して説明する２次元画像表示装置は、２次元のカラー画像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であり、図１（ａ）に装置の全体を説明図的に示す。

図１（ａ）において、符号１００で示す部分は「光源部」であり、この光源部１００からカラー画像表示用の画素表示用ビームＬＣが放射される。

画素表示用ビームＬＣは、赤（以下「Ｒ」と表示する。）、緑（以下、「Ｇ」と表示する。）、青（以下「Ｂ」と表示する。）の３色のビームを１本に合成したビームである。

即ち、光源部１００は、例えば、図１（ｂ）の如き構成となっている。

図１（ｂ）において、符号ＲＳ、ＧＳ、ＢＳで示す「光源としての半導体レーザ」は、それぞれＲ、Ｇ、Ｂのレーザ光を放射する。

符号ＲＣＰ、ＧＣＰ、ＢＣＰで示すカップリングレンズは、半導体レーザＲＳ、ＧＳ、ＢＳから放射される各色のレーザ光の発散性を抑制する。

カップリングレンズＲＣＰ、ＧＣＰ、ＢＣＰにより発散性を抑制された各色レーザ光束は、アパーチュアＲＡＰ、ＧＡＰ、ＢＡＰにより光束径を規制される。

光束径を規制された各色レーザ光束はビーム合成プリズム１０１に入射する。
ビーム合成プリズム１０１は、Ｒ色光を透過させＧ色光を反射するダイクロイック膜Ｄ１と、Ｒ・Ｇ色光を透過させＢ光を反射するダイクロイック膜Ｄ２を有する。

従って、ビーム合成プリズム１０１からは、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色レーザ光束が１本の光束に合成されて射出する。

射出する光束は、レンズ１０２により所定の光束径の「平行ビーム」に変換される。
この「平行ビーム」が、画素表示用ビームＬＣである。

画素表示用ビームＬＣを構成するＲ、Ｇ、Ｂの各色レーザ光束は、表示するべき「２次元のカラー画像」の画像信号により強度変調されている。

即ち、半導体レーザＲＳ、ＧＳ、ＢＳは、図示されない駆動手段により、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分の画像信号により発光強度を変調される。

光源部１００から射出した画素表示用ビームＬＣは、２次元偏向手段６に入射し、２次元的に偏向される。
２次元偏向手段６は、この形態例では、微小なミラーを「互いに直交する２軸」を揺動軸として揺動するように構成されたものである。

即ち、２次元偏向手段６は具体的には、半導体プロセス等で微小揺動ミラー素子として作製されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）である。

２次元偏向手段は、この例に限らず、他の構成のもの、例えば、１軸の回りに揺動する微小ミラーを２個、揺動方向が互いに直交するように組み合わせたもの等でもよい。

上記の如く２次元的に偏向された画素表示用ビームＬＣは、凹面鏡７に入射し、「マイクロレンズアレイ」である被走査面素子８に向けて反射される。

凹面鏡７の光学作用は、２次元的に偏向されて入射する画素表示用ビームＬＣを反射し、反射された画素表示用ビームＬＣの向きを、一定方向に揃えることである。
即ち、凹面鏡７により反射された画素表示用ビームＬＣは、２次元偏向手段６による偏向に伴い平行移動しつつ被走査面素子８に入射し、被走査面素子を２次元的に走査する。

この２次元的な走査により、被走査面素子８に「カラーの２次元画像」が形成される。

勿論、各瞬間に表示されるのは「画素表示用ビームＬＣが、その瞬間に照射している画素のみ」である。

カラーの２次元画像は、画素表示用ビームＬＣによる２次元的な走査により「各瞬間に表示される画素の集合」として形成される。
被走査面素子８に、上記の如く形成された「カラーの２次元画像」を構成する光は、凹面鏡９に入射して反射される。

図１には示されていないが、被走査面素子８は後述する「凸レンズ構造」を有している。この凸レンズ構造と凹面鏡９とは、虚像結像光学系を構成する。

「虚像結像光学系」は、前記カラーの２次元画像の拡大虚像１２を結像させる。
拡大虚像１２の結像位置の手前側には、反射面素子１０が設けられ、拡大虚像１２を結像する光束を、観察者１１（図には観察者の目を示す。）の側へ反射する。

この反射光により、観察者１１は拡大虚像１２を視認できる。

図１（ａ）に示す如く、図の上下方向を「Ｙ方向」、図面に直交する方向を「Ｘ方向」とする。

図１（ａ）に示す場合には、Ｙ方向は通常、観察者１１にとって上下方向であり、この方向を「縦方向」と呼ぶ。

Ｘ方向は通常、観察者１１にとって左右方向であり、この方向を「横方向」と呼ぶ。

被走査面素子８は、上述の如く、凸レンズ構造を有している。
後述するように、凸レンズ構造は「凸レンズが、画素ピッチに近いピッチで密接して配列された」ものである。

そして、個々の凸レンズは、画素表示用ビームを拡散させる機能を持つ。
以下に、この拡散機能を簡単に説明する。

図１（ｃ）において、符号Ｌ１〜Ｌ４は、被走査面素子８に入射する４本の画素表示用ビームを示している。

これ等４本の画素表示用ビームＬ１〜Ｌ４は、被走査面素子８に形成される２次元画像の４隅に入射する画素表示用ビームであるとする。

これら４本の画素表示用ビームＬ１〜Ｌ４は、被走査面素子８を透過すると、ビームＬ１１〜Ｌ１４のように変換される。

仮に、画素表示用ビームＬ１〜Ｌ４で囲まれる４辺形形状の光束を、被走査面素子８に入射させると、この光束は「ビームＬ１１〜Ｌ１４で囲まれる発散性の光束」となる。

実際には、画素表示用ビームは、ある瞬間には被走査面素子８の特定部分に入射しており、凸レンズにより「発散性の光束」に変換される。

凸レンズのこの機能が「拡散機能」である。

「ビームＬ１１〜Ｌ１４で囲まれる発散性の光束」は、このように発散性光束に変換された画素表示用ビームを時間的に集合した結果である。

画素表示用ビームを拡散させるのは「反射面素子１０により反射された光束が、観察者１１の目の近傍の広い領域を照射する」ようにするためである。

上記拡散機能が無い場合には、反射面素子１０により反射された光束が「観察者１１の目の近傍の狭い領域」のみ照射する。

このため、観察者１１が頭部を動かして、目の位置が上記「狭い領域」から逸れると、観察者１１は拡大虚像１２を視認できなくなる。

上記のように、画素表示用ビームＬＣを拡散することにより、反射面素子１０による反射光束は、観察者１１の目の近傍の広い領域を照射する。

従って、観察者が「頭を少々動かし」ても、拡大虚像１２を確実に視認できる。

上記の如く、説明中の形態例において、被走査面素子８に入射する画素表示用ビームＬＣは平行ビームであるが、被走査面素子８を透過した後は発散性のビームとなる。

マイクロレンズアレイである被走査面素子８は、画素表示用ビームＬＣを拡散させる凸レンズが、画素ピッチに近いピッチで密接して配列された「凸レンズ構造」を有する。

凸レンズは「画素表示用ビームＬＣのビーム径」より大きい。

凸レンズを「画素表示用ビームＬＣのビーム径」より大きくするのは、干渉性ノイズの低減のためであり、以下これを、図２及び図３を参照して説明する。

図２（ａ）において、符号８０２は被走査面素子を示す。
被走査面素子８０２は、凸レンズ８０１を配列した凸レンズ構造を有する。

符号８０３で示す「画素表示用ビーム」の光束径８０７は、凸レンズ８０１の大きさよりも小さい。

即ち、凸レンズ８０１の大きさは、光束径８０７よりも大きい。
なお、説明中の形態例で、画素表示用ビーム８０３はレーザ光束であり、光束中心のまわりにガウス分布状の光強度分布をなす。
従って、光束径８０７は、光強度分布における光強度が「１／ｅ^２」に低下する光束半径方向距離である。
図２（ａ）では、光束径８０７は凸レンズ８０１の大きさに等しく描かれているが、光束径８０７が「凸レンズ８０１の大きさ」に等しい必要は無い。
凸レンズ８０１の大きさを食み出さなければよい。

図２（ａ）において、画素表示用ビーム８０３は、その全体が１個の凸レンズ８０１に入射し、発散角８０５をもつ拡散光束８０４に変換される。

なお、「発散角」は、以下において「拡散角」と呼ぶこともある。

図２（ａ）の状態では、拡散光束８０４は１つで、干渉する光束が無いので、干渉性ノイズは発生しない。

なお、拡散角８０５の大きさは、凸レンズ８０１の形状により適宜設定できる。

図２（ｂ）では、画素表示用ビーム８１１は、光束径が凸レンズの配列ピッチ８１２の２倍となっており、２個の凸レンズ８１３、８１４に跨って入射している。

この場合、画素表示用ビーム８１１は、入射する２つの凸レンズ８１３、８１４により２つの発散光束８１５、８１６のように拡散される。

２つの発散光束８１５、８１６は、領域８１７において重なり合い、この部分で互いに干渉して干渉性ノイズを発生する。

図３（ａ）は、画素表示用ビーム８２４が、被走査面素子８２１の２つの凸レンズ８２２、８２３に跨って入射している状態を示す。

画素表示用ビーム８２４の光束径は、凸レンズ８２２等の大きさに等しい。
この場合、凸レンズ８２２に入射したビーム部分は発散光束８２６となり、凸レンズ８２３に入射したビーム部分は発散光束８２７となって拡散される。

発散光束８２６と８２７とは、互いに遠ざかる方向へ拡散されるので、これらが相互に重なり合うことはなく、従って、この状態で干渉性ノイズは発生しない。

即ち、凸レンズにより拡散された光束の干渉による干渉性ノイズは、画素表示用ビーム８２４のビーム径を「凸レンズ８２２の大きさ以下」にすれば発生しない。

凸レンズの径と、被走査面素子に入射する画素表示用ビームのビーム径の具体的な数値例を例示する。

画素表示用ビームのビーム径を、例えば１５０μｍ程度に設定することは容易である。

この場合には、凸レンズ構造を構成する凸レンズの大きさは、上記１５０μｍ以上の大きさ、例えば、１６０μｍ、２００μｍ等に設定すれば良い。

図３（ａ）に示す被走査面素子８２１では、凸レンズ８２２、８２３・・は隙間なく配列されている。

従って、隣接する凸レンズ面の「境界部の幅（以下「境界幅」とも言う。）は０」である。
このため、凸レンズ８２２、８２３に、図の如く入射する画素表示用ビーム８２４から発生する発散光束は、発散光束８２６、８２７のみである。

しかしながら、実際に形成される凸レンズ構造では「隣接する凸レンズの境界幅が０となる」ことは無い。

即ち、図３（ｂ）に示す被走査面素子８３１のように、実際に形成される凸レンズ構造では、凸レンズ８３３、８３４の境界部８３５は「幅：０」とはならない。

凸レンズ８３３、８３４の境界部８３５は、微視的には曲面が滑らかに連続しており、境界部８３５には曲面が形成される。

このように境界部８３５に形成された曲面は、この部分に画素表示用ビームが入射すると、入射光部分に対して「レンズ面」として作用する。

従って、凸レンズ８３３、８３４に跨って入射する画素表示用ビーム８３２は、発散光束８３６、８３７とともに発散光束８３８も発生させる。

発散光束８３８は境界部８３５の曲面のレンズ作用により発生し、発散光束８３６、８３７と、領域８３９、８４０において重なり合って干渉し、干渉性ノイズを発生させる。

図３（ｃ）は、凸レンズ構造における「干渉性ノイズの軽減ないし防止」を説明するための図である。

凸レンズ構造において、凸レンズ８４１、８４２のレンズ面が緩やかに繋がった境界部８４３の曲面形状は、それ自体が「微小なレンズ面」をなしている。

境界部８４３の曲面形状の曲率半径を図の如く「ｒ」とする。

ここで、説明の簡単のため、凸レンズ構造に入射する画素表示用ビームを「波長：λの単色レーザ光束」とする。

境界部８４３の曲率半径：ｒが、画素表示用ビームの波長：λよりも大きい場合（ｒ＞λ）、曲率半径：ｒの曲面は、入射する画素表示用ビームに対してレンズ作用を及ぼす。

従ってこの場合、境界部８４３を通過するビーム成分は発散され、凸レンズ８４１、８４２により拡散された光束と重なり合って干渉し、干渉性ノイズを発生する。

一方、境界部８４３の曲率半径：ｒが、画素表示用ビームの波長：λより小さくなると、境界部８４３は画素表示用ビームに対して「サブ波長構造」となる。
周知の如く、サブ波長構造は「サブ波長構造よりも大きい波長の光」に対してはレンズ作用を生じない。
従って、波長：λより小さい曲率半径：ｒをもった境界部８４３は「レンズ」として作用せず、画素表示用ビームを直進的に透過させ、発散させることがない。

このため、境界部８４３を直進的に透過したビーム部分と、凸レンズ８４１、８４２により拡散された発散光束とは重なり合わず、干渉による干渉性ノイズは発生しない。

即ち、画素表示用ビームのビーム径：ｄ、波長：λ、凸レンズの大きさ：Ｄ、境界部をなす面の曲率半径：ｒの大小関係は、以下のように定めるのが良い。
Ｄ＞ｄ、λ＞ｒ

表示すべき２次元の拡大虚像がモノクロ画像である場合には、波長：λの単色のコヒーレント光により画素表示用ビームが形成される。
従って、上記の大小関係を満足することにより干渉性ノイズを抑制できる。

説明中の実施の形態のように、２次元のカラー画像（拡大虚像）を表示する場合、画素表示用ビームＬＣは、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のビームの合成されたものである。

これ等の３ビームの波長をλＲ（＝６４０ｎｍ）、λＧ（＝５１０ｎｍ）、λＢ（＝４４５ｎｍ）とすると、これらの大小関係は「λＲ＞λＧ＞λＢ」である。

従って、干渉性ノイズ防止の観点からすれば、上記境界部をなす面の曲率半径：ｒを、最短波長：λＢよりも小さく、例えば、４００ｎｍとすればよい。

しかし、最長波長：λＲよりも小さい曲率半径：ｒ（例えば６００ｎｍ）を設定すれば、画像表示ビームのＲ成分による干渉性ノイズを防止できる。

即ち、干渉性ノイズを有効に軽減させることができる。

「ｒ（例えば５００ｎｍ）＜λＧ」とすれば、画像表示ビームのＲ成分およびＧ成分の光による干渉性ノイズを防止できる。
画素表示用ビームＬＣが「Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のビームの合成されたもの」である場合、
干渉性ノイズは、これら３色の成分について独立に発生する。
そして、これら独立した３色の干渉性ノイズの「総体」が、視認される干渉性ノイズとなる。
従って、３色の干渉性ノイズのうち、１色でも干渉性ノイズが無くなれば、視認される干渉性ノイズは大幅に改善され、観察画像の画質向上に寄与する。
従って、干渉性ノイズの防止効果は、３色のうちで最も長波長のＲ成分のみでも効果があり、次いでＧ成分、Ｂ成分という順で「低減効果」が向上する。
したがって、最長波長：λＲよりも小さい曲率半径：ｒ（例えば６００ｎｍ）を設定すれば、干渉性ノイズの軽減上、一定の効果を達成できる。
干渉性ノイズの視認性は、波長やビーム径・マルチ／シングルモードなどでノイズ強度は変わるが、一般的にはＲ≒Ｇ＞Ｂの順で高い。
即ち、波長：λＢの光は人間の眼の視感度が低く、干渉性ノイズは目立ちにくい。
従って、波長：λＧよりも小さい曲率半径：ｒ（例えば５００ｎｍ）を設定すれば、視認性の比較的高い波長：λＲとλＧの光による干渉性ノイズを軽減できる。
視感度が低い波長：λＢの光による干渉性ノイズは発生しても、さほど目立たない。
勿論、波長：λＢよりも小さい曲率半径：ｒ（例えば４００ｎｍ）を設定すれば、上記の如く、干渉性ノイズを更に有効に軽減できる。

凸レンズ構造を構成する凸レンズの大きさは、上記の如く、１００μｍオーダであり、これは通常の「マイクロレンズ」として実現できる。

また、凸レンズを配列した凸レンズ構造は「マイクロレンズアレイ」として実現できる。

従って、以下、凸レンズを「マイクロレンズ」とも呼び、凸レンズ構造を「マイクロレンズアレイ」とも呼ぶこととする。

マイクロレンズアレイは、一般に、マイクロレンズアレイのレンズ面アレイの転写面を持つ金型を作製し、この金型を用いて、樹脂材料に金型面を転写して作製される。
金型における転写面の形成は、切削やフォトリソグラフィなどを用いて形成する方法が知られている。

また、樹脂材料への転写面の転写は、例えば「射出成形」で行うことができる。

隣接マイクロレンズの境界部における曲率半径を小さくすることは、境界幅を小さくすることにより実現できる。
小さい境界幅は、隣接マイクロレンズ面の形成する境界部を「尖鋭化」することにより実現できる。

マイクロレンズアレイ用の金型において、「隣接マイクロレンズ間の境界幅」の大きさを波長オーダまで小さくする工法は、種々の方法が知られている。

例えば、特許文献３は、異方性エッチングおよびイオン加工により各マイクロレンズの曲率半径を増加させ、境界部の非レンズ部分を除去する方法を開示している。

また、特許文献４は、等方性ドライエッチングを用いて、隣接マイクロレンズ間の平坦面を除去する方法を開示している。

例えば、これらの公知の方法を用いることにより、隣接マイクロレンズ間の境界部を成す面の曲率半径が、十分に小さいマイクロレンズアレイを作製可能である。
即ち、上に説明した被走査面素子は、複数のマイクロレンズが相互に近接して配列した構造を有するマイクロレンズアレイとして構成できる。
隣接するマイクロレンズの境界部をなす面の曲率半径：ｒを６４０ｎｍよりも小さいマイクロレンズアレイとして形成することにより、Ｒ成分光の干渉性ノイズを防止できる。
また、上記曲率半径：ｒを５１０ｎｍよりも小さいマイクロレンズアレイとして形成すれば、Ｒ成分光とＧ成分光による干渉性ノイズを防止できる。
隣接するマイクロレンズの境界部をなす面の曲率半径：ｒを４４５ｎｍよりも小さいマイクロレンズアレイとして形成すれば、Ｒ、Ｇ、Ｂ成分光の干渉性ノイズを防止できる。

上には、図１に示す２次元画像表示装置（ヘッドアップディスプレイ装置）について説明した。
２次元画像表示装置は、光源部と、該光源部からの光によって画像を形成するための画像形成素子と、前記画像を形成する光が照射される被走査面素子と、を備え、前記被走査面素子に照射された光を用いて画像を表示させる画像表示装置である。
被走査面素子は、複数のマイクロレンズが、相互に近接して配列されたマイクロレンズアレイ構造を有し、隣接するマイクロレンズの境界部をなす面の曲率半径：ｒが、前記光の波長：λよりも小さい。

図１に示す凹面鏡７は「２次元的に偏向されて入射する画素表示用ビームＬＣを反射し、反射された画素表示用ビームＬＣの向きを、一定方向に揃える機能」を持つ。
即ち、凹面鏡７は「２次元的に偏向された画素表示用ビームの偏向範囲を調整し、被走査面素子の走査範囲を規制する偏向範囲規制手段」として機能する。

このような偏向範囲規制手段は、２次元偏向手段６により２次元的に偏向された画素表示用ビームの偏向角がさほど大きくない場合には、省略することもできる。

次に、凸レンズ構造（マイクロレンズアレイ）における凸レンズ（マイクロレンズ）の配列形態の例を説明する。

マイクロレンズアレイおよびマイクロレンズに対する条件は上記の如くである。

即ち、「画素表示用ビームのビーム径より大きい凸レンズが、画素ピッチに近いピッチで密接して配列されて凸レンズ構造を構成」する。

この条件が満足されれば、マイクロレンズの配列は適宜で良いが、具体的な形態を３例、図４に示す。
図４（ａ）に形態例を示すマイクロレンズアレイ８７は、正方形形状のマイクロレンズ８７１１、８７１２・・等を正方行列状に配列したものである。

このような配列を「正方行列状配列」と呼ぶ。

ヘッドアップディスプレイ装置において表示される２次元画像（拡大虚像）の画素数は、マイクロレンズアレイにおけるマイクロレンズの配列周期で決定される。

図４（ａ）の配列の場合、Ｘ方向に隣接するマイクロレンズ８７１１、８７１２の中心間距離をＸ１とする。

また、図においてＹ方向に隣接するマイクロレンズ８７１１、８７２１の中心間距離をＹ１とする。これら、Ｘ１、Ｙ１を「１画素の実効サイズ」と見做すことができる。

「１画素の実効サイズ」を以下において「１画素の実効ピッチ」あるいは「実効画素ピッチ」とも呼ぶ。

図４（ｂ）に形態例を示すマイクロレンズアレイ８８は、正六角形形状のマイクロレンズ８８１１、８８２１・・を稠密に配列したものである。

この場合のマイクロレンズの配列では、配列されるマイクロレンズ８８１１等は、Ｘ方向に平行な辺を持たない。

即ち、Ｘ方向に配列するマイクロレンズの上辺・下辺は「ジグザク状」になるので、このような配列を「ジグザグ型配列」と呼ぶ。

図４（ｃ）に形態例を示すマイクロレンズアレイ８９は、正六角形形状のマイクロレンズ８９１１、８９２１・・を稠密に配列したものである。

この場合のマイクロレンズの配列では、配列されるマイクロレンズ８９１１等は、Ｘ方向に平行な辺を持っている。この場合の配列を「アームチェア型配列」と呼ぶ。
ジグザグ型配列とアームチェア型配列を合わせて「ハニカム型配列」と呼ぶ。

図４（ｃ）に示すアームチェア型配列は、図４（ｂ）に示すジグザグ型配列を、９０度回転させた配列である。
ジグザグ型配列では、マイクロレンズの配列では、図に示すＸ２を「Ｘ方向の実効画素ピッチ」、Ｙ２を「Ｙ方向の実効画素ピッチ」と見做すことができる。

アームチェア型配列では、図に示すＸ３を「Ｘ方向の実効画素ピッチ」、Ｙ３を「Ｙ方向の実効画素ピッチ」と見做すことができる。

図４（ｂ）で、実効画素ピッチ：Ｙ２は、マイクロレンズ８８２１の中心と、マイクロレンズ８８１１の右側の辺の中点との距離である。

図４（ｃ）で、実効画素ピッチ：Ｘ３は、マイクロレンズ８９１１の右側に接する２つのマイクロレンズの接する辺の中点とマイクロレンズ８９１１の中心との距離である。

ジグザク型配列においては、Ｘ方向の実効画素ピッチ：Ｘ２が小さいので、画像表示におけるＸ方向の分解能を向上させることができる。

また、アームチェア型配列においては、Ｙ方向の分解能を向上させることができる。

このように、マイクロレンズをハニカム型に配列することにより、実際のレンズ径よりも小さい画素を実効的に表現でき、実効画素数を向上させることが可能である。

上述の如く、被走査面素子の凸レンズ構造（マイクロレンズアレイ）において、隣接するマイクロレンズの境界部は、曲率半径：ｒを有する。

曲率半径：ｒは、例えば、画素表示用ビームのＲ成分の波長：λＲよりも小さい。

従って前述の如く、Ｒ成分のコヒーレント光の干渉による干渉性ノイズは防止される。

しかし、画素表示用ビームのＧ成分光の波長：λＧやＢ成分光の波長：λＢよりも、前記曲率半径：ｒが大きければ、これ等の光は境界部で拡散され、互いに干渉する。

従って、この干渉による干渉性ノイズは発生する。

この場合、図４（ａ）の「正方行列状配列」であると、境界部での発散（拡散）は、図のＸａ方向およびＹａ方向の２方向に生じ、それぞれが干渉性ノイズの原因となる。

これに対し、図４（ｂ）の配列だと、境界部での発散は、８Ａ、８Ｂ、８Ｃの３方向に起こる。また、図４（ｃ）の場合だと、９Ａ、９Ｂ、９Ｃの３方向に拡散する。

即ち、境界部での発散は、正方行列状配列では２方向、ハニカム状配列では３方向に生じる。

従って、干渉性ノイズの発生は、正方行列状配列では２方向的、ハニカム状配列では３方向的に生じる。

即ち、発生する干渉性ノイズは、正方行列状配列では「２方向に分散」されるのに対し、ハニカム状の配列では「３方向に分散」される。

干渉性ノイズを生じさせるコヒーレント光の最大強度は一定であるので、分散される数が大きいほど、発生する干渉性ノイズのコントラストは弱められて視認されにくくなる。

従って、「境界部の曲率半径：ｒよりも小さい波長の成分による干渉性ノイズ」の発生を許容する場合には、マイクロレンズの配列は「ハニカム状配列」とするのがよい。

図１（ａ）に即して説明したように、２次元の拡大虚像１２を結像する虚像結像光学系は、凹面鏡９とにより構成される。

即ち、個々のマイクロレンズで拡散された光束を便宜上「画素光束」と呼ぶと、この画素光束が凹面鏡９により当該画素の拡大虚像として結像される。
拡大虚像１２は、凹面鏡９により虚像として結像される拡大画素像の集合である。

凸レンズであるマイクロレンズに「アナモフィックな機能」を持たせると、拡散される画素光束の発散角を直交する２方向で異ならせることができる。

図６を参照すると、図６において符号８０は、被走査面素子８に形成されたマイクロレンズ（凸レンズ）の個々を説明図として楕円形状にして示している。
勿論、説明図であるから、マイクロレンズ相互の境界部の大きさは度外視されている。
図６におけるマイクロレンズ８０は、Ｘ方向のパワーがＹ方向のパワーよりも大きい場合を示している。
即ち、マイクロレンズ面の曲率は、Ｘ方向の曲率がＹ方向の曲率より大きい。

図の如く、画素表示用ビームＬＣがマイクロレンズ８０に入射すると、射出する発散ビーム（拡散ビーム）は、その光束断面ＦＸが「Ｘ方向に長い楕円形状」になる。

換言すれば、マイクロレンズ８０により拡散された画素光束の拡散角は、Ｘ方向の拡散角がＹ方向の拡散角より大きい。

即ち、観察者１１から見た拡大虚像１２は、その視野角がＸ方向において大きい。
図６には、説明図として、マイクロレンズ８０をＹ方向に長い縦長の楕円形状として示した。
マイクロレンズの形状は、例えば、後述の図５（ｂ）に示すマイクロレンズ９２１１等のように「Ｙ方向に長い縦長の６角形形状」であることもある。
この場合、Ｘ方向のパワーがＹ方向のパワーよりも大きい場合であれば、マイクロレンズ９２１１による拡散ビームの光束断面は「Ｘ方向に長い横長の６角形形状」となる。

上に説明したヘッドアップディスプレイ装置は、例えば、自動車等の車載用として用いることができ、Ｘ方向は「運転席から見て横方向」、Ｙ方向は「縦方向」である。

反射面素子１０は、この場合、自動車のフロントガラスである。
この場合、フロントガラス前方に拡大虚像１２として、例えば「ナビゲーション画像」を表示でき、観察者１１である運転者は、この画像を運転席に居ながら観察できる。

このような場合、表示される拡大虚像は「運転者の目の位置がＸ方向に移動しても確実に視認できる」ように、Ｘ方向に画角の大きい画像であることが一般に好ましい。

観測者である運転者が、左右斜め方向から表示画像を見た場合にも、表示を認識できるように、横方向には縦方向に比して大きな視野角が要求されるからである。
このため、長手方向（Ｘ方向）には短手方向（Ｙ方向）に比して大きな拡散角（非等方拡散）が要求されるのである。

従って、被走査面素子の凸レンズの光学面を、画素表示用ビームを拡散させる拡散角を「２次元画像の横方向を縦方向よりも広く」する光学面とするのが好ましい。

このようにして、ヘッドアップディスプレイの要求画角を満たす必要最小限の範囲に光を発散させ、光の利用効率を向上させ、表示画像の輝度を向上させることが可能である。

勿論、上記のような「非等方拡散」ではなく、縦方向と横方向で拡散角が等しい「等方拡散」とする場合も可能である。

凸レンズ（マイクロレンズ）は、そのレンズ面を「非球面」として形成できることが従来から知られている。

直上に説明したアナモフィックなレンズ面も「非球面」であるが、凸レンズのレンズ面をより一般的な非球面として形成でき、収差補正を行なうこともできる。

収差の補正により「拡散の強度ムラ」を低減することも可能である。

図４に示した凸レンズ構造（マイクロレンズアレイ）における個々の凸レンズ（マイクロレンズ）は、正方形もしくは正六角形であった。

凸レンズの形状はこのように正多角形である必要はなく、図４に示したマイクロレンズ形状を１方向に引き伸ばした形状でもよい。

この場合、正方形形状であったものは「長方形形状」となり、正六角形状であったものは、細長い変形六角形になる。

凸レンズ構造の実効画素ピッチは、図４（ａ）〜（ｃ）の配列では、Ｘ方向につきＸ１〜Ｘ３、Ｙ方向につきＹ１〜Ｙ３であった。
このように定められるＸ方向の実効画素ピッチを一般に「ＳＸ」、Ｙ方向の実効画素ピッチを一般に「ＳＹ」とするとき、両者の比：ＳＹ／ＳＸを「アスペクト比」と言う。

図４（ａ）の場合、アスペクト比は「Ｙ１／Ｘ１」であり、Ｘ１＝Ｙ１であるから、アスペクト比は１である。

図４（ｂ）の場合のアスペクト比は「Ｙ２／Ｘ２」であり、Ｙ２＞Ｘ１であるから、アスペクト比は１より大きい。

図４（ｃ）の場合のアスペクト比は「Ｙ３／Ｘ３」であり、Ｙ３＜Ｘ３であるから、アスペクト比は１よりも小さい。

図５（ａ）〜（ｅ）に示す凸レンズ構造では、実効画素ピッチを、図４の場合と同様にして以下の如くに定める。

即ち、Ｘ方向、Ｙ方向の実効画素ピッチは、図５の「Ｘ１１、Ｙ１１」、「Ｘ１２、Ｙ１２」、「Ｘ１３、Ｙ１３」である。

図５（ａ）の凸レンズ構造は、長方形形状の凸レンズ９１１１、９１１２、・・９１２１・・の正方行列状配列であり、アスペクト比は１よりも大きい。

図５（ｂ）〜（ｅ）に示す凸レンズ構造は、ハニカム型配列である。

図５（ｂ）〜（ｅ）に示すハニカム型配列では、アスペクト比「Ｙ１２／Ｘ１２」、「Ｙ１３／Ｘ１３」はいずれも１より大きい。

図５に示す凸レンズ構造の５例は何れも「凸レンズ」は、Ｙ方向の長さがＸ方向の長さよりも大きい。

このように「Ｙ方向の長さがＸ方向の長さより大きい形状の凸レンズ」の場合、凸レンズの形状として、Ｘ方向の曲率をＹ方向の曲率より大きくするのが容易である。

従って、前述した「Ｘ方向のパワーがＹ方向のパワーよりも大きくなる光学面」を実現しやすい。

例えば、図５（ａ）に示す例の場合、具体例として例えば、Ｘ１１＝１５０μｍ、Ｙ１１＝２００μｍ、アスペクト比＝２００／１５０＝４／３＞１を挙げることができる。

勿論、この場合には、画素表示用ビームのビーム径は１５０μｍよりも小さくする。

図５（ｂ）〜（ｄ）に示す凸レンズの配列は、何れもハニカム型配列であり、個々の凸レンズは「Ｙ方向に長い形状」となっている。

図５（ｂ）の配列は「ジグザグ型配列」であり、（ｃ）〜（ｅ）の配列は何れも「アームチェア型配列」である。

図５（ｂ）の「ジグザグ型の縦長ハニカム型配列」と、（ｃ）の「アームチェア型の縦長ハニカム配列」は何れも使用可能である。

しかし、図５（ｃ）の配列例は（ｂ）の配列例に対して以下の如き利点を有する。

即ち、（ｂ）の配列に比して、（ｃ）の配列では、凸レンズにおける「Ｘ方向とＹ方向のサイズの差」が小さく、縦横方向の実効画素サイズの差が小さくなる。

具体的な寸法を挙げる。
例えば、図５（ｂ）において、凸レンズ９２１１、９２１２等のＸ方向のレンズ径：Ｒ２ｘ＝１００μｍ、Ｙ方向のレンズ径：Ｒ２ｙ＝２００ｕｍとする。

このとき、Ｘ方向の実効画素ピッチ（＝Ｘ１２）は５０μｍ、Ｙ方向の実効画素ピッチ（＝Ｙ１２）は１５０μｍとなる。

同様に、図５（ｃ）において、凸レンズ９３１１、９３１２等の、Ｘ方向のレンズ径：Ｒ３ｘ＝１００μｍ、Ｙ方向のレンズ径：Ｒ３ｙ＝２００μｍとする。

このとき、Ｘ方向の実効画素ピッチ（＝Ｘ１３）は７５μｍ、Ｙ方向の実効画素ピッチ（＝Ｙ１３）＝１００μｍとなる。

従って、Ｘ、Ｙ方向の実効画素ピッチは、図５（ｃ）の配列のほうが（ｂ）の配列の場合よりも互いに近い値になる。

図５の（ｄ）と（ｅ）に示すハニカム型配列は、何れも、図５（ｃ）の配列のものとおなじ実効画素ピッチ：Ｘ１３、Ｙ１３をもつ。
図５（ｄ）においては、凸レンズ９４１１、９４２１等は、Ｘ方向に平行な上下の辺が短く、斜辺が長い。
また、図５（ｅ）においては、凸レンズ９５１１、９５２１等は、Ｘ方向に平行な上下の辺が長く、斜辺が短い。

これら図５（ｄ）、（ｅ）に示す配列においても、凸レンズ構造が縦長構造であることによるＸ、Ｙ方向の実効画素ピッチの均等化が可能である。
図５（ｃ）〜（ｅ）に示す如き「凸レンズの形状」は、例えば、発散光束の発散角制御のため、任意に選択することが可能である。
このように、凸レンズの縦長六角形の形状は、どのような辺の長さでも良い。

従って、アームチェア型の縦長ハニカム配列は、輝度及び実行画素数の向上に加え、Ｘ方向（横方向）、Ｙ方向（縦方向）の実効画素ピッチの差を小さくすることができる。

図１（ａ）に示したヘッドアップディスプレイ装置においては、画素表示用ビームＬＣは、被走査面素子８の凸レンズ構造に直交入射している。

しかし、画素表示用ビームの被走査面素子への入射形態は、このような「直交入射」に限らない。

例えば、光源部から反射面素子に到る光学素子の配列を工夫して、ヘッドアップディスプレイ装置をコンパクト化する場合には、図７（ａ）のような入射形態が考えられる。

即ち、図７（ａ）の例では、画素表示用ビームＬＣが、被走査面素子８に対して傾いて入射している。

凸レンズのレンズ面を「非球面」とするような場合、画素表示用ビームＬＣは、非球面の光軸に対して傾いて入射することになり、非球面の機能を生かせない場合もある。

このような場合には、図７（ｂ）の被走査面素子８ａのように、凸レンズＭＬのレンズ面光軸ＡＸを、被走査面素子８ａの基準面に対して直交方向から傾けるのが良い。

このようにして、レンズ面光軸ＡＸを画素表示用ビームＬＣの入射方向に平行、もしくはこれに近い方向とすることができる。

なお、被走査面素子８ａの基準面は、凸レンズＭＬがアレイ配列された面である。

このようにすることにより、光学系の小型化や、光の利用効率の向上が可能となり「凸レンズによる画素表示用ビームの発散の方向」を均質化することが可能である。

上に説明したヘッドアップディスプレイ装置は、上述の自動車への搭載に限らず、列車、船舶、ヘリコプター、飛行機など各種の、運転可能な移動体に搭載できる。

この場合、運転席前方のフロントガラスを反射面素子とすればよい。

勿論、ヘッドアップディスプレイ装置を、例えば「映画観賞用の２次元画像表示装置」として実施できることは言うまでも無い。

凸レンズ構造の凸レンズは、上記の如く画素表示用ビームを拡散させるものであるが、Ｘ、Ｙの２方向のうち、１方向のみの拡散を行なう場合も考えられる。

このような場合には、凸レンズのレンズ面として「凸シリンダ面」を用いることができる。

１００ 光源部
ＬＣ 画素表示用ビーム
６ ２次元偏向手段
７ 凹面鏡
８ 被走査面素子
９ 凹面鏡
１０ 反射面素子
１１ 観察者
１２ 拡大虚像

特開２００９−１２８６５９号公報 特開２０１０−１４５７４５号公報 特許第４２００２２３号公報 特許第５０１０４４５号公報

Claims (14)

1. 光源部と、
   前記光源部からの光を偏向することにより前記光を走査する偏向手段と、
   前記光により走査される被走査面素子と、を備え、
   前記被走査面素子に照射された光を用いて画像を表示させる画像表示装置において、
   前記被走査面素子は、前記光源部からの光を発散光束に変換する複数の光学面が、相互に近接して配列された光学面構造を有し、隣接する光学面の境界部をなす面の曲率半径が、前記光の波長よりも小さいことを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１記載の画像表示装置において、
   光源部は複数の光源を有し、
   前記複数の光源は、互いに異なる波長の光を放射するものであり、
   前記被走査面素子において、前記光学面構造における隣接する前記光学面の境界部の曲率半径が、前記複数の光の波長のうちの最長波長よりも小さいことを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１または２記載の画像表示装置において、
   前記偏向手段は、前記光源部からの光を画素表示用ビームとして２次元的に偏向させる２次元偏向手段であり、
   該２次元偏向手段により２次元的に偏向された前記画素表示用ビームの偏向範囲を調整し、前記被走査面素子の走査範囲を規制する偏向範囲規制手段を有することを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項１〜３の任意の１に記載の画像表示装置において、
   前記被走査面素子に形成された前記光学面構造の複数の前記光学面の個々が、画像表示用ビームを縦方向よりも横方向に広い拡散角で拡散させる光学面であることを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載の画像表示装置において、
   前記被走査面素子の有する個々の前記光学面が、長方形形状であり、正方行列状に配列されていることを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項１〜４の任意の１に記載の画像表示装置において、
   前記被走査面素子の有する個々の前記光学面が、六角形形状であり、ハニカム状に配列されていることを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項６記載の画像表示装置において、
   前記光学面の前記ハニカム状の配列が、ジグザグ型配列であることを特徴とする画像表示装置。
8. 請求項６記載の画像表示装置において、
   前記光学面の前記ハニカム状の配列が、アームチェア型配列であることを特徴とする画像表示装置。
9. 請求項５〜８の任意の１に記載の画像表示装置において、
   前記光学面の配列における、横方向の実効画素ピッチ：ＳＸ、縦方向の実効画素ピッチ：ＳＹの比であるアスペクト比：ＳＹ／ＳＸが１より大きいことを特徴とする画像表示装置。
10. 請求項１〜９の任意の１に記載の画像表示装置において、
    前記光学面構造の光学面は、レンズであり、前記レンズのレンズ面光軸が、前記被走査面素子の基準面に対して直交方向から傾いていることを特徴とする画像表示装置。
11. 請求項１〜１０の任意の１に記載の画像表示装置において、
    前記被走査面素子により発散光束に変換され拡散された光の拡散光により拡大虚像を結像させる虚像結像光学系と、
    前記拡大虚像の結像位置より手前に設けられ、前記拡大虚像を結像する結像光束を観察部側へ反射させる反射面素子と、を有する画像表示装置。
12. 請求項１１記載の画像表示装置において、
    運転席の前方に透明部材を備える移動体に搭載され、
    前記透明部材を反射面素子として用い、前記透明部材の前方で、且つ、前記運転席から観察可能な位置に拡大虚像を形成することを特徴とする画像表示装置。
13. 請求項１２記載の画像表示装置を備え、
    前記運転席の前方に備えられた前記透明部材を前記反射面素子として、前記運転席から観察可能な位置に前記拡大虚像を形成することを特徴とする移動体。
14. 光源からの光を被走査面素子に照射することで発散光束に変換された可視画像を表示させる画像表示装置に用いられる被走査面素子であって、
    前記光源からの光を発散光束に変換する複数の光学面が、相互に近接して配列された光学面構造を有し、隣接する前記光学面の境界部をなす面の曲率半径が、照射される前記光の波長よりも小さい被走査面素子。

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