JPWO2017098913A1 - 光走査装置、画像表示装置、および車両 - Google Patents

Abstract

光走査装置は、光ビームを出射する光源部と、光ビームを主走査方向と該主走査方向と直交する副走査方向とに二次元に偏向する光偏向部と、光偏向部による光ビームの二次元走査により画像を形成する画像形成部と、を有し、光偏向部と画像形成部の間における光ビームの光路中に、光偏向部への入射光、および、光偏向部からの偏向反射光を透過する平板が配置されていて、平板は副走査方向の断面内において画像形成部に対して傾斜している。これにより、不要光が侵入しても高コントラストの中間像を形成することができ、画像品質の良い虚像を安定して表示できる。

Description

本発明は、光走査装置、画像表示装置、および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少ない視線移動で視認できるように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、一般的に、ヘッドアップディスプレイ（以下「ＨＵＤ」という）と呼ばれている。

ＨＵＤは、移動体に関する情報に基づいて中間像を形成し、この中間像を運転者の視界に虚像として表示する。ＨＵＤにおける中間像の形成式は、いくつかの種類が知られている。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（以下、ＬＤとする）から出射されたレーザービームを二次元走査するレーザー走査方式、などである。パネル方式は、全画面発光を部分的に遮光して中間像を形成する。レーザー走査方式は、各画素に対して「発光」と「非発光」を割り当てることで中間像を形成する（例えば、特許文献１を参照）。

レーザー走査方式は、パネル方式に比べて高いコントラストの中間像を形成できる。中間像のコントラストを高くして虚像の視認性を高めるには、中間像を形成するレーザービーム以外の不要な光（以下「不要光」とする）が、中間像を形成する部分に到達しないことが望ましい。

また、レーザー走査方式において所望の位置に中間像を形成するには、ＬＤの発光タイミングを制御する必要がある。そのためにＬＤからのレーザービームで構成される走査光を検知する受光素子を用いる。受光素子に上記のような不要光が入射すると中間像の形成位置が乱れてしまい、中間像の画質を低下させる原因になる。

また、ＨＵＤにおいて表示される虚像は、背景の明るさによって視認性が低下することもある。そこで、虚像の背景の明るさとの関係で中間像の輝度を調整できると望ましい。

本発明は、不要光が侵入しても高コントラストの中間像を形成することができ、画像品質の良い虚像を安定して表示できる光走査装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光走査装置は、光ビームを出射する光源部と、前記光ビームを主走査方向と該主走査方向と直交する副走査方向とに二次元に偏向する光偏向部と、前記光偏向部による前記光ビームの二次元走査により画像を形成する画像形成部と、を有し、前記光偏向部と前記画像形成部の間における前記光ビームの光路中に、前記光偏向部への入射光、および、前記光偏向部からの偏向反射光を透過する平板が配置されていて、前記平板は前記副走査方向の断面内において前記画像形成部に対して傾斜している。

本発明によれば、不要光が侵入しても高コントラストの中間像を形成することができ、画像品質の良い虚像を安定して表示できる。

図１は、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。 図２は、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。 図３は、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。 図４は、上記画像表示装置に係る光走査手段の例を示す平面図である。 図５は、上記画像表示装置に係る中間像形成部の例を示す斜視図である。 図６は、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。 図７は、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。 図８は、本発明に係る光走査装置の実施形態における主走査方向断面の光学配置図である。 図９は、本発明に係る光走査装置の実施形態における副走査方向断面の光学配置図である。 図１０は、本発明に係る光走査装置の実施形態を説明する図である。 図１１は、本発明に係る光走査装置の実施形態の効果を説明する図である。 図１２は、本発明に係る光走査装置の別の実施形態における副走査方向断面の光学配置図である。 図１３は、本発明に係る光走査装置の別の実施形態の効果を説明する図である。 図１４は、本発明に係る光走査装置のさらに別の実施形態における副走査方向断面の光学配置図である。 図１５は、本発明に係る不要光を説明する図である。

以下、本発明に係る光走査装置、画像表示装置および車両の実施形態について、図面を参照しながら説明する。まず、光走査装置を備える画像表示装置の実施形態について説明する。

（実施形態）
［画像表示装置の概要］
図１に示すように、本発明に係る画像表示装置の実施形態であるＨＵＤ１は車両に搭載して用いる装置である。ＨＵＤ１は、車両の運転者３の視界内に対して、運転者３にとって有用な情報を虚像２として表示する。ここで、「運転者３にとって有用な情報」とは、運転者３の視界に存在する物体等に関連する情報や、車両の動作に関連する情報等を含む情報である。また、車両の動作の異常を報知する警報等に関連する情報も含むものとする。以下、本明細書の記載において、上記の「運転者３にとって有用な情報」を「情報」と表記することもある。

図１に示すＨＵＤ１の形態は、車両のフロントウインドシールドであるフロントガラス５０を光コンバイナ３２として用いる形態である。光コンバイナ３２は、後述する中間像２３１が投写されて、これを運転者３に向けて反射し、かつ、運転者３の視界に存在する環境や物体からの光（外部光）を透過する透過反射部材である。なお、光コンバイナ３２として、フロントガラス５０とは別体の透過反射型光学素子を用いてもよい。

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により、本発明に係る光走査装置である光走査部１００が構成される。

光走査部１００において中間像２３１が形成される。この中間像２３１は、光走査部１００において、観察光学系３０の一部を構成する凹面ミラー３１側に現れる。この中間像２３１を凹面ミラー３１が反射して光コンバイナ３２に投写する。光コンバイナ３２は、中間像２３１を運転者３が虚像２を視認可能に表示する。

［光源部１０の概要］
光源部１０は、中間像２３１を形成するための光束を出射する。虚像２をカラー画像にするのであれば、光源部１０からはカラー画像に必要な光の三原色に相当する光束が出射される。

［走査光学系２０の概要］
走査光学系２０は、光源部１０から出射された光束に基づいて、中間像２３１を形成する。走査光学系２０は、形成した中間像２３１を観察光学系３０に向けて出射する。なお、一般的な中間像２３１の外形は、長方形などである。

［観察光学系３０の概要］
観察光学系３０は、反射型光学素子である凹面ミラー３１と、光コンバイナ３２と、を有してなる。走査光学系２０において形成された中間像２３１は、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。拡大投写された中間像２３１は、光コンバイナ３２において運転者３に向けて反射される。

光コンバイナ３２で反射された中間像２３１は、運転者３の視覚において、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が表示する情報は、車両前方の情報、車両の動作に関連する情報、および、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である。

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二次元走査により生成される画像である。ここで、二次元走査とは、主走査方向と副走査方向の２つの方向の走査を合わせた走査である。また、主走査方向と副走査方向とは、中間像２３１の左右方向と上下方向に対応する。

中間像２３１の左右方向は、運転者３が虚像２を視認するときの左右方向として見える方向と同じ方向に相当する。同様に、中間像２３１の上下方向は、運転者３が虚像２を視認するときの上下方向として見える方向と同じ方向に相当する。中間像２３１の左右方向が主走査方向であって、上下方向が副走査方向である。

以下の説明において、中間像２３１を生成する際の主走査方向を「Ｘ方向」とし、副走査方向を「Ｙ方向」とする。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）は一致している。また、虚像２のＹ方向と車両のＹ´方向（上下方向）は一致している。一方、走査光学系２０において生成される中間像２３１のＸ方向（主走査方向）とＸ´方向（左右方向）は一致しない場合もある。同様に、中間像２３１のＹ方向（副走査方向）とＹ´方向（上下方向）も一致しない場合がある。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。

図１に示すように、凹面ミラー３１から光コンバイナ３２へ投写される画像光の入射領域の中心を入射領域中心３０３とする。図１に示すように入射領域中心３０３における接平面は、Ｘ´軸方向から見ると運転者３の視点と虚像２の中心（虚像中心３０５）とを結ぶ第１仮想軸３０４に対して傾斜している。なお、第１仮想軸３０４は、入射領域中心３０３を通過する軸である。走査光学系２０において形成される中間像２３１の中心と反射面中心３０７とを結ぶ第２仮想軸３０６を想定すると、図１に示すように、第２仮想軸３０６は、Ｘ´軸方向から見て、第１仮想軸３０４に対して傾斜している。また、第２仮想軸３０６をＹ´軸方向から見ると第１仮想軸３０４に対して傾斜している。

［光源部１０の構成］
次に、光源部１０の詳細な構成について図２を用いて説明する。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、後述する光走査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。半導体レーザー素子は、各々が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、各レーザー素子に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、各アパーチュアには、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］
図３に示すように、走査光学系２０は、第１光ビーム１０１を偏向するＭＥＭＳミラー２１と、透明平板２２と、中間像形成部である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によって偏向する光学系である。走査光学系２０において偏向された光ビームは、第２光ビーム１０２としてマイクロレンズアレイ２３に入射する。

図３に示すように、光源部１０からの第１光ビーム１０１がＭＥＭＳミラー２１に入射する途中において、透明平板２２を通過する。また、ＭＥＭＳミラー２１で偏向された第２光ビーム１０２がマイクロレンズアレイ２３に入射する途中においても透明平板２２を通過する。すなわち、ＭＥＭＳミラー２１に入射する光ビームもＭＥＭＳミラー２１から出射される光ビームも透明平板２２を通過する。

具体的には、ＭＥＭＳミラー２１は密閉された領域に配置されていて、その領域へのレーザー光の入射と、その領域からのレーザー光の出射は、透明平板２２を介して行われる。なお、透明平板２２やＭＥＭＳミラー２１などは、一体的なモジュールとして構成されている。

マイクロレンズアレイ２３は、ＭＥＭＳミラー２１において偏向された第２光ビーム１０２により、主走査方向と副走査方向からなる二次元で走査される。マイクロレンズアレイ２３に対する二次元走査によって中間像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。

［ＭＥＭＳミラー２１の説明］
ここで、ＭＥＭＳミラー２１について図４を用いて詳細に説明する。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ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）であって、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が、光源部１０から出射された第１光ビーム１０１を偏向して、マイクロレンズアレイ２３上を二次元走査する光偏向部である。

微小ミラー２１０は、第１光ビーム１０１を反射する反射面２１０１を備えている。この反射面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を実行できる。また、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を実行できる。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。

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形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として分割していて、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、互いに隣接するもの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には、それぞれ異なる反りが生ずる。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、第１光ビーム１０１を二次元的に偏向して第２光ビームにし、マイクロレンズアレイ２３を二次元的に走査する。

以上の構成を備えるＭＥＭＳミラー２１を用いることで、ＨＵＤ１は、Ｘ方向の軸を回転中心とする垂直方向（Ｙ方向）への光走査を低い電圧で行うことができる。一方、Ｙ方向の軸を回転中心とする水平方向（Ｘ方向）への光走査は、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う。

［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り、レンズ面とは反対側の平面が出射面になる。なお、マイクロレンズアレイ２３として用いる光学素子は、上記の例に限ることはなく、拡散板、透過スクリーン、反射スクリーンなどを採用してもよい。

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。

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において形成される中間像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を形成してもよい。

図５は、マイクロレンズアレイ２３を第２光ビーム１０２の入射方向から見た斜視図である。図５において点線で表した矩形は、中間像２３１の仮想的な輪郭を示している。ＭＥＭＳミラー２１によって二次元的に偏向された第１光ビーム１０１が第２光ビーム１０２として、図５に示すＬ１からＬ２に向かって主走査方向に走査する。次に、Ｌ１から副走査方向に一つ下がって主走査方向に走査する。最終的にはＬ３からＬ４に向かって主走査をして１フレームの中間像２３１が形成される。以上のように中間像２３１の横方向が主走査方向であって、これに直交する縦方向が副走査方向である。中間像２３１は、主走査方向と副走査方向を所定の時間（走査時間）において１フレームごとに形成される。１フレーム分の走査が終了すると、次のフレームの中間像２３１を走査時間内で形成するためにＬ１から主走査を開始する。

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）に形成される中間像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」で形成される。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。

中間像２３１は、マイクロレンズアレイ２３によって発散して出射されるので、運転者３の姿勢などによって運転者３の目の位置が変化しても、中間像２３１を虚像２として視認することができる。

［光走査部１００の制御系］
ここで、ＨＵＤ１が備える光走査部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ＨＵＤ１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。

［光走査部１００の機能構成］
次に、ＨＵＤ１が備える光走査部１００の機能構成について説明する。図７に示すように光走査部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を形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。

図１に戻る。ＨＵＤ１は光走査部１００が備える中間像形成部（マイクロレンズアレイ２３）を境界として、これよりも外側は、車両内の空間に繋がる構成になっている。虚像２の表示に影響を与える太陽光などの不要光５は、車両の外部から内部へ入射することがある。不要光５は、図１に例示したような太陽光のように車両上方から到達するものには限られず、様々な角度から到達する。

また、不要光５が観察光学系３０を通過してマイクロレンズアレイ２３に入射すると、マイクロレンズアレイ２３からＭＥＭＳミラー２１に対して不要光５が出射されるような状態になる。この場合、中間像２３１を形成する第２光ビーム１０２とは異なる光が中間像２３１に影響を与える状況になる。以上のように、不要光５は、中間像２３１のコントラストを低下させる原因になり、中間像２３１の画像品質を低下させる原因にもなる。

また、同様に、不要光５がマイクロレンズアレイ２３において中間像２３１を形成する位置を制御するための第２光ビーム１０２の検出をする同期信号センサに入射する場合も考えられる。この場合、同期信号センサにおいて検知される光量が不安定になり、検出すべきタイミングと異なるタイミングで同期信号を検知することになり、中間像２３１の画像品質を著しく低下させる原因になる。

［光走査部１００の第１実施形態］
次に、光走査部１００の実施形態について、より詳細に説明する。本実施形態に係る光走査部１００は、不要光５の影響による中間像２３１のコントラスト低下を防止するものである。また、本実施形態に係る光走査部１００は、中間像２３１を形成するための同期信号センサの誤動作を防止し、画像品質の良い中間像２３１を形成するものである。

図１５は、不要光５の影響を説明するための模式図であって、光走査部１００の副走査方向断面の例である。図１５に示すように、透明平板２２をマイクロレンズアレイ２３に対して平行に配置した場合を仮定する。図１５のような配置関係では、不要光５がマイクロレンズアレイ２３に再入射しやすい。ここで再入射とは、不要光５がマイクロレンズアレイ２３を通過して光走査部１００の内部に侵入した後に、散乱光となってマイクロレンズアレイ２３の入射面に対して入射することをいう。

マイクロレンズアレイ２３と透明平板２２が平行の場合、マイクロレンズアレイ２３により不要光５が散乱すると、その散乱光が透明平板２２やＭＥＭＳミラー２１で反射してマイクロレンズアレイ２３に再入射しやすくなる。すなわち、マイクロレンズアレイ２３と透明平板２２が平行の場合、中間像２３１の形成に悪影響を与える可能性が高くなる。

本実施形態に係る光走査部１００は、図８および図９に示すように、副走査断面内において透明平板２２をマイクロレンズアレイ２３に対して傾斜させることで、上記のような悪影響を防ぐ効果を有する。

図８は、主走査断面内における光走査部１００の光学的配置の例を示している。図９は、副走査断面内における光走査部１００の光学的配置の例を示している。図８に示すように、主走査断面内において、マイクロレンズアレイ２３と透明平板２２は平行している。ＭＥＭＳミラー２１が主走査方向において第２光ビーム１０２を偏向する広がり角度は、例えば５２ｄｅｇである。この場合、マイクロレンズアレイ２３の主走査方向の端部に第２光ビーム１０２を検知する同期信号センサを配置し、同期信号センサが第２光ビーム１０２を検知することで中間像２３１の位置を整えて、画像品質を向上させる。

図９に示すように、本実施形態に係る光走査部１００は、副走査断面内において、透明平板２２がマイクロレンズアレイ２３に対し角度αを形成するように傾斜して配置される。これによって、マイクロレンズアレイ２３から入射した不要光５があっても、それが透明平板２２で反射してマイクロレンズアレイ２３へ再入射することは、生じにくくなる。

本実施形態に係る光走査部１００における透明平板２２の傾斜方向は、透明平板２２の端部とマイクロレンズアレイ２３の端部を対角で結ぶ仮想の２本の線に基づいて規定される。上記の２本の仮想線のうち、一方の線は他方の線よりも透明平板２２の垂線と形成する角度が小さい。この一方の線と透明平板２２の垂線が形成する角度が大きくなるような方向に透明平板２２を傾斜させる。

本実施形態に係るマイクロレンズアレイ２３に対する透明平板２２の傾斜について、より詳細に説明する。図１０に示すように、副走査断面内におけるマイクロレンズアレイ２３の端部の一方を「端部Ａ」として、他方の端部を「端部Ｂ」とする。また、副走査断面内において、端部Ａと対角にある透明平板２２の端部を結ぶ仮想線を「第１仮想線２５１」とし、端部Ｂと対角にある透明平板２２の端部を結ぶ仮想線を「第２仮想線２５２」とする。

副走査断面内において、透明平板２２の両端部に仮想的な垂線２２１を設定した場合、第１仮想線２５１が垂線２２１と形成する角度は、第２仮想線２５２が垂線２２１と形成する角度よりも小さい。すなわち、光走査部１００は、第１仮想線２５１と垂線２２１が形成する角度が大きくなる方向Ｃに透明平板２２を傾斜させてある。言い換えると、光走査部１００は、透明平板２２をマイクロレンズアレイ２３との平行状態から離れる方向に傾斜させてある。

上記のように透明平板２２を傾斜させた場合の効果について図１１を用いて説明する。図１１に示すように不要光５の光路を仮定すると、マイクロレンズアレイ２３の端部Ａからの不要光５は、透明平板２２の端部で反射した場合、符号Ａ１または符号Ａ２に示す方向に向かうようになる。同様に、マイクロレンズアレイ２３の端部Ｂからの不要光５は、透明平板２２の端部で反射した場合、符号Ｂ１または符号Ｂ２に示す方向に向かうようになる。

図１０に示したように透明平板２２をマイクロレンズアレイ２３に対して傾斜させて配置すると、マイクロレンズアレイ２３から散乱した不要光５は透明平板２２で反射してもマイクロレンズアレイ２３には再入射しない状態になる。

透明平板２２をＣ方向（図１０参照）に傾斜させると、マイクロレンズアレイ２３の端部Ａから散乱した不要光５が透明平板２２の副走査断面における一方の端部で反射されたときの角度は、他方の端部で反射されたときの角度よりも大きい。これは、マイクロレンズアレイ２３の端部Ｂから散乱した不要光５においても同様である。散乱した不要光５が透明平板２２において反射された場合、副走査断面内において最もマイクロレンズアレイ２３の近くに至る光路は、符号Ａ１に相当する光路である。言い換えると、符号Ａ１よりもマイクロレンズアレイ２３の近くに反射する不要光５はなく、他の不要光５はマイクロレンズアレイ２３から離れる方向に反射する。

仮に、図１０に示した方向Ｃとは逆の方向に、透明平板２２を傾斜させた場合、透明平板２２で反射される不要光５の一部はマイクロレンズアレイ２３に戻るものも出てくる。不要光５がマイクロレンズアレイ２３に戻ると、その瞬間（そのフレーム）において中間像２３１の形成には寄与していないマイクロレンズアレイ２３の部分が明るくなる。このような状態が生ずると、本来は暗い部分が明るくなってしまい、中間像２３１のコントラストが低下する。

以上説明した第１実施形態に係る光走査部１００は、マイクロレンズアレイ２３の全領域からの散乱光が透明平板２２で反射されても、マイクロレンズアレイ２３に再入射せず、不要光５が中間像２３１に悪影響を与えることを防ぐことができる。これによって、高いコントラストを有する中間像２３１を形成することができる。

［光走査部１００の第２実施形態］
次に、本発明に係る光走査装置の別の実施形態について、図１２および図１３を用いて説明する。すでに説明をした実施形態と同様に、副走査断面内におけるマイクロレンズアレイ２３の端部の一方を「端部Ａ」とし、他方の端部を「端部Ｂ」とする。副走査断面内において、端部Ａと対角にある透明平板２２の端部を結ぶ仮想の線を「第１仮想線２５１」とし、端部Ｂと対角にある透明平板２２の端部を結ぶ仮想の線を、「第２仮想線２５２」とする。

本実施形態に係る光走査部１００は、副走査断面内における透明平板２２の傾斜方向が、すでに説明した実施形態とは異なる。すなわち、第２仮想線２５２が透明平板２２の垂線２２１と形成する角度が、第１仮想線２５１が透明平板２２の垂線２２１と形成する角度よりも小さくなるように、透明平板２２をマイクロレンズアレイ２３に対して傾斜させている。言い換えると、第２実施形態に係る光走査部１００では、透明平板２２の傾斜方向が、第２仮想線２５２と垂線２２１が形成する角度が大きくなる方向であって、透明平板２２をマイクロレンズアレイ２３との平行状態から離れる方向に設定されている。

上記のように透明平板２２を傾斜させると、第２仮想線２５２は、ＭＥＭＳミラー２１に入射する第１光ビーム１０１から遠い側の透明平板２２の端部、すなわち、マイクロレンズアレイ２３の端部Ｂと対角の位置にある端部を含む線になる。このように透明平板２２の傾斜方向を設定すると、透明平板２２を透過する光線（第１光ビーム１０１、第２光ビーム１０２）の透明平板２２への入射角を小さくすることができる。これによって、透明平板２２を小型にすることができ、また、透明平板２２の透過率を向上させることができる。

上記のように透明平板２２を傾斜させる効果について図１３を用いて説明する。図１３に示すように不要光５の光路を仮定すると、マイクロレンズアレイ２３の端部Ｂからの不要光５のうち、透明平板２２の一方の端部で反射したものがマイクロレンズアレイ２３に最も近づく光路をとるが、反射した不要光５がマイクロレンズアレイ２３に入射することはない。図１２及び図１３に示したように透明平板２２をマイクロレンズアレイ２３に対して傾斜させると、マイクロレンズアレイ２３から散乱した不要光５が透明平板２２で反射しても、マイクロレンズアレイ２３には再入射しにくくなる。

以上説明のとおり、本実施形態に係る光走査部１００は、マイクロレンズアレイ２３の全領域からの散乱光は、透明平板２２で反射したとしてもマイクロレンズアレイ２３に再入射することはなく、光源部１０が消灯しているときや、マイクロレンズアレイ２３上において中間像２３１が形成されていない部分への不要光５の入射を防ぐことができる。これによって、高コントラストの中間像２３１を形成することができる。

また、上記のように透明平板２２を透過する光ビーム（第１光ビーム１０１，第２光ビーム１０２）の透明平板２２に対する入射角を小さくすることにより、透明平板２２を小型にし、透過率を向上できる理由について、図１４を用いて説明する。

図１４に示すように、副走査断面内において、光源部１０からＭＥＭＳミラー２１へ入射する第１光ビーム１０１の入射角を１３ｄｅｇとし、ＭＥＭＳミラー２１の副走査断面内における振幅（ＭＥＭＳ振幅）が±５ｄｅｇとする。この場合、ＭＥＭＳミラー２１における副走査振幅中心に対して入射側は１３ｄｅｇになり、出射側は２３ｄｅｇになる（１３ｄｅｇ＋１０ｄｅｇ）。

マイクロレンズアレイ２３の中心がＭＥＭＳミラー２１の振幅の中心（ＭＥＭＳ振幅中心）のレーザー光到達位置と一致し、副走査方向に対称形状であれば、透明平板２２を上記のように傾けた傾け量は、ほぼ同一である。したがって、入射光側に透明平板２２を傾けたほうが透過する光線の入射角を小さく設定することができる。

つまり二次元走査するＭＥＭＳミラー２１においては、ＭＥＭＳミラー２１への入射光側に透明平板２２を傾ける方が、透明平板２２の小型化と透過率の向上という観点からより望ましい。

また、透明平板２２の傾きを低減することでＭＥＭＳミラー２１と透明平板２２との距離を縮めることができる。これによって、第１光ビーム１０１が透過する領域を小さくできる。すなわち、光走査部１００を小型して、製造コストを下げることもできる。

さらに、ＨＵＤ１は、虚像２の背景の明るさにより、中間像２３１をより明るくする必要がある。すなわち、虚像２の背景により、多くの光量を必要とするので、透明平板２２における光の透過率を下げることは望ましくない。しかし、本実施形態によれば、透過する光線（第１光ビーム１０１及び第２光ビーム１０２）の透明平板２２への入射角が低減され、透過率向上につながる。また、中間像２３１が形成されるマイクロレンズアレイ２３における第２光ビーム１０２の入射領域（中間像領域内）における輝度の偏差も小さくすることができ、虚像２の表示性能を向上させることができる。

以上説明をした第１実施形態または第２実施形態のそれぞれに係る光走査部１００は、レーザー走査方式であるから、中間像２３１の形成位置を制御するために、光源部１０の発光タイミングを制御するための信号を取得する必要がある。この制御信号の取得は、同期信号センサである受光素子２５による。受光素子は、図１０及び図１２に示すように副走査断面内に配置される。

受光素子２５は、副走査断面内で、マイクロレンズアレイ２３の中心に対して、透明平板２２の垂線とのなす角が小さい側の線が含むマイクロレンズアレイ２３の端部とは逆側の端部に配置されることが望ましい。

例えば、図１０に示す配置であれば、マイクロレンズアレイ２３の端部Ｂ側に受光素子２５を配置する。図１２に示す配置であれば、マイクロレンズアレイ２３の端部Ａ側に受光素子２５を配置する。これによって、マイクロレンズアレイ２３から散乱した不要光５が透明平板２２で反射した場合においても、受光素子２５に入射することを防ぐことができる。受光素子２５がマイクロレンズアレイ２３の外側、特に前記不要光５を逃がしている側に配置される場合は、透明平板２２の垂線を透明平板２２とマイクロレンズアレイ２３とのなす角が大きくなる方向に傾ける量をより大きく設定する必要が無い。

以上のように上記のいずれの実施形態に係る光走査部１００であっても、不要光５が受光素子２５への入射することを防止し、画像品質の低下を防ぐことができる。また、透明平板２２を無駄に大きく傾けることなく、透明平板２２を透過する光線の入射角を小さく設定することができる。これによって、透明平板２２を小型にし、透過率を向上させることができる。

また、上記のいずれの実施形態に係る光走査装置は、ＭＥＭＳミラー２１への入射光（第１光ビーム１０１）の透明平板２２に対する入射が垂直にならないように、透明平板２２には副走査方向において角度を持たせて配置する。仮に、透明平板２２における第１光ビーム１０１の入射が垂直になると、光源部１０に第１光ビーム１０１の反射光が戻る可能性がある。

光源部１０が第１光ビーム１０１の光量をモニタリングしていると、第１光ビーム１０１の光量が変動することで、光量制御が不安定になる。仮に、光量をモニタリングしていない光源部１０であっても、ＭＥＭＳミラー２１への入射光を分離して光量をモニタする光学系などを有する場合もある。いずれにおいても、透明平板２２によって第１光ビーム１０１が光源部１０側に戻ることは望ましくない。

そこで、上記のいずれの実施形態に係る光走査部１００のように、透明平板２２がＭＥＭＳミラー２１への入射光に対して副走査方向に角度を持つように配置すれば、光量を制御するセンサ等へ反射光を防ぐことができ、第１光ビーム１０１の光量を精度よく制御することができる。

以上のように、ＨＵＤ１は、虚像２の表示において、カラー表示の色の再現や背景の明るさに対する適正な輝度の設定を精度よく行うことができる。

［発明の効果］
以上説明したＨＵＤ１によれば、光源部１０からの第１光ビーム１０１を単一の反射面２１０１を持つＭＥＭＳミラー２１により二次元走査し、被走査面であるマイクロレンズアレイ２３において結像させて中間像２３１を形成する。この中間像２３１を形成するための光走査部１００において、ＭＥＭＳミラー２１の動作精度の向上や、画像品質向上を目的として配置される透明平板２２を、副走査断面内に所定の条件を満たすように配置する。ここで、所定の条件とは、透明平板２２の端部とマイクロレンズアレイ２３の端部を対角で結ぶ２本の線のうち、透明平板２２の垂線とのなす角が小さい側の線に対する透明平板２２の傾斜方向をいう。この傾斜方向とは、透明平板２２の垂線が透明平板２２とマイクロレンズアレイ２３とのなす角度が大きくなる方向である。

これによって、外部からマイクロレンズアレイ２３に至った不要光５がマイクロレンズアレイ２３によって発散したとしても、発散光が中間像２３１の形成時にマイクロレンズアレイ２３に再入射することを防ぐことができる。したがって、ＨＵＤ１は、高コントラストの中間像２３１を形成し、高コントラストの虚像２を表示することができる。また、中間像２３１の形成位置を制御するための同期信号が常に安定して取得でき、中間像２３１の画像品質を向上させることができる。

また、透明平板２２の垂線とのなす角が小さい側の線は、ＭＥＭＳミラー２１に入射する光ビーム（第１光ビーム１０１）から遠い側の透明平板２２端部を含む線とする。これによって、透明平板２２の小型化や透過率の確保が可能になる。

また、走査タイミングを決定する信号を得るための少なくとも１つの受光素子２５を、副走査断面内でマイクロレンズアレイ２３の中心に対し透明平板２２の垂線とのなす角が小さい側の線が含むマイクロレンズアレイ２３の端部と逆側に配置させる。これによって、不要光５の影響を受けずに安定的な画像形成が実現可能な光走査部１００を得ることができる。

また、上記のような光走査部１００を備えることで、高画質で小型のＨＵＤ１を得ることができる。

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 光走査部
１０１ 第１光ビーム
１０２ 第２光ビーム
１０３ 画像光
２１０ 微小ミラー
２３１ 中間像

特許第５０５０８６２号公報

Claims (7)

1. 光ビームを出射する光源部と、
   前記光ビームを主走査方向と該主走査方向と直交する副走査方向とに二次元に偏向する光偏向部と、
   前記光偏向部による前記光ビームの二次元走査により画像を形成する画像形成部と、を有し、
   前記光偏向部と前記画像形成部の間における前記光ビームの光路中に、前記光偏向部への入射光、および、前記光偏向部からの偏向反射光を透過する平板が配置されていて、
   前記平板は前記副走査方向の断面内において前記画像形成部に対して傾斜している、
   ことを特徴とする光走査装置。
2. 前記副走査方向の前記断面内において、
   前記平板の端部と前記画像形成部の端部を対角に結ぶ２本の仮想線のうち、
   前記平板の垂線と形成する角度が小さい方の仮想線に対して、
   前記平板の垂線が、前記平板と前記画像形成部と形成する角が大きくなる方向に前記平板は傾いている
   請求項１記載の光走査装置。
3. 前記仮想線は、前記光偏向部に入射する前記光ビームから遠い方にある前記平板の端部を含む線である、
   請求項２記載の光走査装置。
4. 前記画像形成部における前記二次元走査のタイミングを制御すための信号を取得する受光素子を備え、
   前記受光素子は、前記副走査方向の断面内において前記画像形成部の中心に対し前記仮想線を含む前記画像形成部の端部とは逆側に配置される、
   請求項２または３に記載の光走査装置。
5. 前記平板は、前記光偏向部への前記入射光に対し前記副走査方向に角度を有する、
   請求項１乃至４のいずれか一つに記載の光走査装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つに記載の光走査装置を備え、
   前記画像形成部において生成される中間像を虚像として表示する、
   画像表示装置。
7. 請求項６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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