JPWO2017159443A1 - スクリーン部材及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

画像表示光が照射されるスクリーン部材において、光を屈折又は反射させる光学面を有し、前記光学面の部分曲率の絶対値は、一方向に関して変化し、少なくとも１つの位置で極小値をとることを特徴とするスクリーン部材。

Description

本発明は、スクリーン部材、画像表示装置及び物体装置に関する。

近年、画像表示光が照射されるスクリーン部材の開発が盛んに行われている。

例えば、特許文献１には、複数の光学素子部（レンズやミラー）がアレイ状に設けられたスクリーン部材が開示されている。

特許５３１０８１０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているスクリーン部材では、視野範囲を確保しつつ視認性を向上させることに関して改善の余地があった。

本発明は、画像表示光が照射されるスクリーン部材において、光を屈折又は反射させる光学面を有し、前記光学面の部分曲率の絶対値は、一方向に関して変化し、少なくとも１つの位置で極小値をとることを特徴とするスクリーン部材である。

本発明によれば、視野範囲を確保しつつ視認性を向上させることができる。

一実施形態のＨＵＤ装置の概略構成を示す図である。 ＨＵＤ装置の制御系のハードウェア構成を示すブロック図である。 ＨＵＤ装置の機能ブロック図である。 ＨＵＤ装置の光源装置について説明するための図である。 ＨＵＤ装置の光偏向器について説明するための図である。 光偏向器のミラーと走査範囲の対応関係を示す図である。 ２次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。 マイクロレンズアレイＭＬＡの一部を抜き出して示す平面図である。 マイクロレンズアレイＭＬＡの作用について説明するための図である。 マイクロレンズアレイにレーザ光を照射したときにスペックルが生じる例を説明するための図である。 マイクロレンズの非球面化について説明するための図である。 非球面レンズＡＬ１の球面レンズに対するＸ方向及び／又はＹ方向の曲率分布を示すグラフである。 非球面レンズＡＬ２の球面レンズに対するＸ方向及び／又はＹ方向の曲率分布を示すグラフである。 非球面レンズＡＬの部分曲率の絶対値がＸ方向又はＹ方向の一方に関して極小値をとらない例（その１）を示す図である。 非球面レンズＡＬの部分曲率の絶対値がＸ方向又はＹ方向の一方に関して極小値をとらない例（その２）を示す図である。 非球面レンズＡＬの部分曲率の絶対値がＸ方向又はＹ方向の一方に関して極小値をとらない例（その３）を示す図である。 非球面レンズＡＬの部分曲率の絶対値がＸ方向又はＹ方向の一方に関して極小値をとらない例（その４）を示す図である。 非球面レンズＡＬと球面レンズの発散プロファイルを示すグラフである。 球面レンズの発散プロファイルを示す図である。 球面レンズの水平方向の発散強度の角度分布を示す図である。 球面レンズの垂直方向の発散強度の角度分布を示す図である。 非球面レンズＡＬの発散プロファイルを示す図である。 非球面レンズＡＬの水平方向の発散強度の角度分布を示す図である。 非球面レンズＡＬの垂直方向の発散強度の角度分布を示す図である。 平面視で光学中心が幾何学中心に一致するマイクロレンズアレイの平面図である。 平面視で光学中心が幾何学中心からランダムにずれているマイクロレンズアレイ（その１）の平面図である。 平面視で光学中心が幾何学中心からランダムにずれているマイクロレンズアレイ（その２）の平面図である。 平面視で光学中心が幾何学中心からランダムにずれているマイクロレンズアレイ（その３）の平面図である。 平面視で光学中心が幾何学中心からランダムにずれているマイクロレンズアレイ（その４）の平面図である。 平面視で光学中心が幾何学中心からランダムにずれているマイクロレンズアレイ（その５）の平面図である。 平面視で光学中心が幾何学中心からランダムにずれているマイクロレンズアレイ（その６）の平面図である。 平面視で光学中心が幾何学中心からランダムにずれているマイクロレンズアレイ（その７）の平面図である。 非球面レンズＡＬ３の球面レンズに対するＸ方向及び／又はＹ方向の曲率分布を示す図である。

以下に、一実施形態の画像表示装置としてのＨＵＤ装置１００について図面を参照して説明する。なお、「ＨＵＤ」は「ヘッドアップディスプレイ」の略称である。

図１には、本実施形態のＨＵＤ装置１００の全体構成が概略的に示されている。
《ＨＵＤ装置の全体構成》
ところで、ヘッドアップディスプレイの投射方式は、液晶パネル、ＤＭＤパネル（デジタルミラーデバイスパネル）、蛍光表示管（ＶＦＤ）のようなイメージングデバイスで中間像を形成する「パネル方式」と、レーザ光源から射出されたレーザビームを２次元走査デバイスで走査し中間像を形成する「レーザ走査方式」がある。特に後者のレーザ走査方式は、全画面発光の部分的遮光で画像を形成するパネル方式とは違い、各画素に対して発光／非発光を割り当てることができるため、一般に高コントラストの画像を形成することができる。

そこで、ＨＵＤ装置１００では「レーザ走査方式」を採用している。無論、投射方式として上記「パネル方式」を用いることもできる。

ＨＵＤ装置１００は、一例として、車両、航空機、船舶等の移動体に搭載され、該移動体のフロントウインドシールド５０（図１参照）を介して該移動体の操縦に必要なナビゲーション情報（例えば移動体の速度、進行方向、目的地までの距離、現在地名称、移動体前方における物体の有無や位置、制限速度等の標識、渋滞情報などの情報）を視認可能にする。この場合、フロントウインドシールド５０は、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材としても機能する。以下では、ＨＵＤ装置１００がフロントウインドシールド５０を備える、車両の一種である自動車に搭載される例を、主に説明する。

ＨＵＤ装置１００は、図１に示されるように、光源装置１１、光偏向器１５及び走査ミラー２０を含む光走査装置１０と、スクリーン３０と、凹面ミラー４０とを備え、フロントウインドシールド５０に対して画像表示光を照射することにより、視認者Ａ（ここでは自動車の乗員である運転者）の視点位置から虚像Ｉを視認可能にする。つまり、視認者Ａは、光走査装置１０によりスクリーン３０に形成（描画）される画像（中間像）を、フロントウインドシールド５０を介して虚像Ｉとして視認することができる。

ＨＵＤ装置１００は、一例として、自動車のダッシュボードの下方に配置されており、視認者Ａの視点位置からフロントウインドシールド５０までの距離は、数十ｃｍから精々１ｍ程度である。

ここでは、凹面ミラー４０は、虚像Ｉの結像位置が所望の位置になるように、一定の集光パワーを有するように既存の光学設計シミュレーションソフトを用いて設計されている。

ＨＵＤ装置１００では、虚像Ｉが視認者Ａの視点位置から１ｍ以上かつ１０ｍ以下（好ましくは６ｍ以下）の位置（奥行位置）に表示されるように、凹面ミラー４０の集光パワーが設定されている。

なお、通常、フロントウインドシールドは、平面でなく、僅かに湾曲している。このため、凹面ミラー４０とフロントウインドシールド５０の曲面により、虚像Ｉの結像位置が決定される。

光源装置１１では、画像データに応じて変調されたＲ,Ｇ,Ｂの３色のレーザ光が合成される。３色のレーザ光が合成された合成光は、光偏向器１５の反射面に導かれる。光偏向器１５は、半導体製造プロセス等で作製された２軸のＭＥＭＳスキャナであり、直交する２軸周りに独立に揺動可能な単一の微小なミラー１５０（図５参照）を含む。光源装置１１、光偏向器１５の詳細は、後述する。

光源装置１１からの画像データに応じた光（画素表示光）は、光偏向器１５で偏向され、走査ミラー２０で折り返されてスクリーン３０に照射される。そこで、スクリーン３０が光走査され該スクリーン３０上に中間像が形成される。なお、凹面ミラー４０は、フロントウインドシールド５０の影響で中間像の水平線が上または下に凸形状となる光学歪み要素を補正するように設計、配置されることが好ましい。

スクリーン３０を介した光は、凹面ミラー４０でフロントウインドシールド５０に向けて反射される。フロントウインドシールド５０への入射光束の一部はフロントウインドシールド５０を透過し、残部の少なくとも一部は視認者Ａの視点位置に向けて反射される。この結果、視認者Ａはフロントウインドシールド５０を介して中間像の拡大された虚像Ｉを視認可能となる、すなわち、視認者から見て虚像Ｉがフロントウインドシールド５０越しに拡大表示される。

なお、フロントウインドシールド５０よりも視認者Ａの視点位置側に透過反射部材としてコンバイナを配置し、該コンバイナに凹面ミラー４０からの光を照射するようにしても、フロントウインドシールド５０のみの場合と同様に虚像表示を行うことができる。
《ＨＵＤ装置の制御系のハードウェア構成》
図２には、ＨＵＤ装置１００の制御系のハードウェア構成を示すブロック図が示されている。ＨＵＤ装置１００の制御系は、図２に示されるように、ＦＰＧＡ６００、ＣＰＵ６０２、ＲＯＭ６０４、Ｉ／Ｆ６０８、バスライン６１０、ＬＤドライバ６１１１、ＭＥＭＳコントローラ６１５を備えている。

ＦＰＧＡ６００は、画像データに応じてＬＤドライバ６１１１を介して後述するＬＤを動作させ、ＭＥＭＳコントローラ６１５を介して光偏向器１５を動作させる。ＣＰＵ６０２は、ＨＵＤ装置１００の各機能を制御する。ＲＯＭ６０４は、ＣＰＵ６０２がＨＵＤ装置１００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している。ＲＡＭ６０６は、ＣＰＵ６０２のワークエリアとして使用される。Ｉ／Ｆ６０８は、外部コントローラ等と通信するためのインターフェイスであり、例えば、自動車のCAN（Controller Area Network）等に接続される。
《ＨＵＤ装置の機能ブロック》
図３には、ＨＵＤ装置の機能を示すブロック図が示されている。ＨＵＤ装置は、図３に示されるように、車両情報入力部８００、外部情報入力部８０２、画像データ生成部８０４及び画像描画部８０６を備えている。車両情報入力部８００には、ＣＡＮ等から車両の情報（速度、走行距離、対象物までの距離、外界の明るさ等の情報）が入力される。外部情報入力部８０２には、外部ネットワークから車両外部の情報（ＧＰＳからのナビ情報等）が入力される。画像データ生成部８０４は、車両情報入力部８００及び外部情報入力部８０２から入力される情報に基づいて、描画すべき画像の画像データを生成し、ＦＰＧＡ６００に送る。画像描画部８０６は、制御部８０６０を備え、該制御部８０６０は、ＦＰＧＡ６００に画像描画を開始もしくは終了させるための制御信号を送信する。
《光源装置》
図４には、光源装置１１の構成が示されている。光源装置１１は、図４に示されるように、単数あるいは複数の発光点を有する複数の発光素子１１１Ｒ、１１１Ｂ、１１１Ｇを含む。各発光素子は、ＬＤ（レーザダイオード）であり、互いに異なる波長λＲ、λＧ、λＢの光束を放射する。例えばλＲ＝６４０ｎｍ、λＧ＝５３０ｎｍ、λＢ＝４４５ｎｍである。ＬＤ１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂから放射された波長λＲ、λＧ、λＢの光束は、対応するカップリングレンズ１１２Ｒ、１１２Ｇ、１１２Ｂにより後続の光学系にカップリングされる。カップリングされた光束は、対応するアパーチャ部材１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂにより整形される。各アパーチャ部材の開口形状は、光束の発散角等に応じて円形、楕円形、長方形、正方形等、様々な形状とすることができる。その後、対応するアパーチャ部材で整形された光束は、合成素子１１５により光路合成される。合成素子１１５は、プレート状あるいはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じて光束を反射／透過し、１つの光路に合成する。合成された光束は、レンズ１１９により光偏向器１５の反射面に導かれる。レンズ１１９は、光偏向器１５側に凹面が向くメニスカスレンズである。
《光偏向器》
図５には、光偏向器１５の構成が示されている。光偏向器１５は、半導体プロセスにて製造された２軸のＭＥＭＳスキャナであり、図５に示されるように、反射面を有するミラー１５０と、Ｘ軸方向に並ぶ複数の梁を含み、隣り合う２つの梁が折り返し部を介して蛇行するように接続された一対の蛇行部１５２とを有する。各蛇行部１５２の隣り合う２つの梁は、梁Ａ（１５２ａ）、梁Ｂ（１５２ｂ）とされ、枠部材１５４に支持されている。複数の梁には、複数の圧電部材１５６（例えばＰＺＴ）が個別に設けられている。各蛇行部の隣り合う２つの梁の圧電部材に異なる電圧を印加することで、該蛇行部の隣り合う２つの梁が異なる方向に撓み、それが蓄積されて、ミラー１５０がα軸周り（＝垂直方向）に大きな角度で回転することになる。このような構成により、α軸を中心とした垂直方向の光走査が、低電圧で可能となる。一方、β軸を中心とした水平方向では、ミラー１５０に接続されたトーションバーなどを利用した共振による光走査が行われる。
《光走査、虚像表示》
ＨＵＤ装置１００からは、瞬間的にはレーザビーム径に相当する点像しか投射されないが、非常に高速に走査させるため、一フレーム画像内では十分に人間の目に残像が残っている。この残像現象を利用することで、運転者には、あたかも「表示エリア」に像を投射させているように知覚される。実際には、スクリーンに映った像が、凹面ミラー４０とフロントウインドシールド５０によって反射されて運転者に「表示エリア」において虚像として知覚される。このような仕組みであるので、像を表示させない場合は、ＬＤの発光を停止すれば良い。つまり、「表示エリア」において虚像が表示される箇所以外の箇所の輝度を実質０にすることが可能となる。

すなわち、ＨＵＤ装置１００による虚像の結像位置は、該虚像を結像可能な所定の「表示エリア」内の任意の位置となる。この「表示エリア」は、ＨＵＤ装置の設計時の仕様で決まる。

このように、「レーザ走査方式」を採用したことにより、表示したい部分以外では、表示の必要がないためＬＤを消灯したり、光量を低下させたりするなどの措置を取ることができる。

これに対して、例えば液晶パネル及びＤＭＤパネルのようなイメージングデバイスで中間像を表現する「パネル方式」では、パネル全体を照明する必要があるため、画像信号としては非表示とするために黒表示であったとしても、液晶パネルやＤＭＤパネルの特性上、完全には０にし難いため、黒部が浮き上がって見えることがあったが、レーザ走査方式ではその黒浮きを無くすことが可能となる。

ところで、光源装置１１の各発光素子は、ＦＰＧＡ６００によって発光強度や点灯タイミング、光波形が制御され、ＬＤドライバ６１１１によって駆動され、光を射出する。各発光素子から射出され光路合成された光は、図６に示されるように、光偏向器１５によってＸ軸周り、Ｙ軸周りに２次元的に偏向され、走査ミラー２０（図１参照）を介して走査光としてスクリーン３０に照射される。すなわち、走査光がスクリーン３０上で２次元走査される。なお、図６では、走査ミラー２０の図示が省略されている。

ここで、図７に示されるように、スクリーン３０における画像描画領域（「有効走査領域」とも呼ぶ）の周辺領域に、走査光検出部６０が設けられている。走査光検出部６０は、光偏向器１５の動作を検出するために設けられ、信号領域に光が照射されることで走査タイミング（ビームの走査位置）を検出し、環境や経時変化に伴う光偏向器１５の特性変化を制御して一定の画質を保つために用いられる。走査光検出部６０としては、例えばフォトダイオードやフォトトランジスタ等の光検出器を利用可能である。

走査光検出部６０の出力信号は、ＦＰＧＡ６００に送られる。ＦＰＧＡ６００は、走査光検出部６０の出力信号と画像データに基づいて色毎の変調信号（パルス信号）を生成し、ＬＤドライバ６１１１に送る。ＬＤドライバ６１１１は、色毎の変調信号に応じた駆動電流を該色に対応する発光素子に印加する。これにより、画像データに応じたカラー画像（中間像）がスクリーン３０に描画される。

走査光は、走査範囲内に設置されるスクリーン３０上を、２〜４万Ｈｚ程度の速い周波数で主走査方向（Ｘ方向）に振動走査（往復走査）されつつ、数十Ｈｚ程度の遅い周波数で副走査方向（Ｙ方向）に片道走査される。すなわち、ラスタースキャンが行われる。この際、走査位置（走査光の位置）に応じて各発光素子の発光制御を行うことで画素毎の描画、虚像の表示を行うことができる。なお、図７においては、走査線の本数を、便宜上、実際よりも少なくしている。

「走査範囲」は、光偏向器１５によって走査しうる全範囲を示す。ここでは、画像描画領域は、長方形とされているが、走査特性によっては台形や扇形に歪む場合もある。特に光偏向器１５で偏向された光をスクリーン３０に直接照射する場合は歪むことは不可避である。

ここで、レーザ走査型ＨＵＤでは、背景に重畳して画像表示するため、表示画像の輝度は背景の輝度に対して適切な値にする必要がある。

そして、車載用ＨＵＤは、時間帯や天候等による周辺環境（例えばトンネルへの出入り、路面状況など）のような明暗の変化がある環境での使用が想定されるため、表示画像の輝度のダイナミックレンジは広いことが求められる。また、車載用ＨＵＤでは、必要に応じて画像の表示／非表示を切り替えるなど、画面中の表示面積の移り変わりが大きい。

以上のような使用態様、使用環境を考慮すると、ＨＵＤにおいて、周辺環境の明るさによらず、表示画像（虚像）の輝度（明るさ）を十分に確保することは、視認性を向上するうえで極めて重要である。特に、周辺環境が明るい場合において視認性を向上させるためには、輝度の上限の向上が要求される。

そこで、本実施形態のＨＵＤ装置１００では、スクリーン３０の構造に工夫を凝らしている。以下、スクリーン３０について詳細に説明する。
《スクリーン》
スクリーン３０は、一例として図８に示されるように、微細凸レンズであるマイクロレンズ３００が隙間なく配列されたマイクロレンズアレイ構造を入射側の面の画像描画領域に有する。各マイクロレンズ３００は、光源装置１１から射出され光偏向器１５、走査ミラー２０を介したレーザ光（画素表示光）を所望の発散角で発散させる（図９Ａ参照）。なお、図８のＸＹＺ３次元直交座標系では、Ｘ方向が水平方向であり、Ｚ方向が各マイクロレンズの光軸方向である。「マイクロレンズの光軸」は、該マイクロレンズの光学中心と焦点を通る直線を意味する。

ここで、「画素表示光」は「画像表示光」の画素毎の光である。画像表示光を構成する複数の画素表示光は、マイクロレンズアレイ構造の複数のマイクロレンズ３００に１対１で対応する。すなわち、各画素表示光は、略全部が、対応するマイクロレンズ３００の有効径の範囲に入射される。

マイクロレンズ３００は、例えば幅が数百ｕｍ程度の平面視六角形の外形を有している。マイクロレンズ３００は、外形が六角形であることにより、最密に配列することができる。なお、マイクロレンズ３００の外形として、六角形に限らず、四角形や三角形を採用することもできる。

すなわち、スクリーン３０は、２次元配置された複数のマイクロレンズ３００を含むマイクロレンズアレイＭＬＡ（マイクロレンズアレイ構造）が入射側の面（ＸＹ平面に平行な＋Ｚ側の面）に形成された光学板３０１からなる（図９Ａ参照）。スクリーン３０は、例えば樹脂製やガラス製である。ここでは、複数のマイクロレンズ３００は、ＸＹ平面に沿って２次元配置されている。

図９Ａに示されるように、光学板３０１上を入射光束３０２が走査するとき、光束はマイクロレンズ３００により発散され、発散光３０３となる。マイクロレンズ３００の構造により、入射光束を所望の発散角３０４で発散させることが可能である。

通常、マイクロレンズアレイのレンズ配列周期３０５は、入射光束の径３０６よりも大きくなるように設計される。これにより、レンズ間での干渉が起きず、スペックルは生じない。

図９Ｂは、入射光束３１１の径が、マイクロレンズアレイのレンズ配列周期３１２の２倍大きい場合の発散光の光路を示す。入射光束３１１は二つのレンズ３１３、３１４に同時入射し、それぞれ発散光束３１５、３１６を生じる。このとき、領域３１７においては、２つの発散光束が同時に存在するため、光の干渉を生じうる。この干渉光束が観察者の目に入ると、スペックルとして視認される。

以上を考慮し、本実施形態では、スペックルを低減するため、マイクロレンズアレイＭＬＡのレンズ配列周期３０５は入射光束の径３０６よりも大きく設計されている。例えば、入射光束の径３０６が１００ｕｍのとき、レンズ配列周期３０５は１１０ｕｍ、１５０ｕｍ、２００ｕｍ等に設計される。なお、図９は凸レンズの形態で記述しているが、凹レンズにおいても同様の効果があるものとする。

次に、マイクロレンズの非球面化について、図１０を参照して説明する。図１０には、球面レンズを含むマイクロレンズアレイ及び非球面レンズを含むマイクロレンズアレイそれぞれの２つのマイクロレンズの光軸を含む断面が重ねて示されている。図１０において、実線が球面（曲率Ｃｓ）を示し、破線が非球面（部分曲率（ＣＸ、ＣＹ））を示している。球面レンズでは曲率が一定値をとるが、非球面レンズでは場所によって曲率の値が異なる。なお、ＣＸ、ＣＹは、それぞれＸ方向の部分曲率、Ｙ方向の部分曲率を表す。図面において「Ｃ」はＣＸ、ＣＹの少なくとも一方を表している。

図１１Ａ及び図１１Ｂには、本実施形態のマイクロレンズアレイＭＬＡのマイクロレンズ３００として用いられる非球面レンズＡＬの具体例である非球面レンズＡＬ１、ＡＬ２の部分曲率ＣＸ及び／又は部分曲率ＣＹの、球面レンズの曲率Ｃｓに対する曲率分布が示されている。図１１Ａ及び図１１Ｂでは、各レンズの幾何学中心を一致させており、該幾何学中心をＸ軸、Ｙ軸の原点としている。なお、以下では、非球面レンズＡＬにおいて、平面視で（Ｚ軸方向から見て）光学中心と幾何学中心が一致すること（光軸が幾何学中心を通ること）を前提に説明を進める。

非球面レンズＡＬは、部分曲率ＣＸ、ＣＹの絶対値の少なくとも一方が、レンズ面と光軸の交点（「レンズ面の中央」もしくは「レンズ中央」とも呼ぶ）を含む領域（「レンズ中央領域」とも呼ぶ）で極小値をとるように変化している。なお、レンズ中央領域の大きさは、ＨＵＤ装置１００の光学設計（例えば観察者のアイボックスの大きさや位置）により決まる。

原理的には、部分曲率の絶対値が小さいほど、発散光束の密度が上がり、輝度が向上する。すなわち、レンズ面の部分曲率の絶対値がレンズ中央付近で極小値をとるように非球面レンズＡＬを設計することで、発散光束の密度が上がり、輝度が向上する。

非球面レンズＡＬ１において、レンズ面の曲率分布を示す曲線（破線）は、極小値を持つ下に凸の曲線である（図１１Ａ参照）。非球面レンズＡＬ２において、レンズ面の曲率分布を示す曲線（破線）は、極小値とその両側に変曲点を持つ曲線である（図１１Ｂ参照）。

ＨＵＤ装置１００では、表示画像の輝度を向上させるために、レンズ面における画素表示光の略全部が入射されるレンズ中央領域での輝度を向上することが重要であり、図１１Ａ、図１１Ｂのように画素表示光がほとんど入射されないレンズ周辺領域（有効径内におけるレンズ中央領域の周辺の領域）の振る舞いの違いによらず効果がある。

このような効果は、レンズ面の部分曲率の絶対値がＸ方向及びＹ方向の双方向で極小値をとる場合は無論、Ｘ方向及びＹ方向の一方で極小値をとり他方で極小値をとらない場合（図１２Ａ乃至図１２Ｄの破線参照）にも、得られる。

ここで、部分曲率ＣＸ、ＣＹの絶対値がいずれも極小値をとる場合には、極小値をとる点が一致するため、Ｘ軸、Ｙ軸に関する対称性の観点から、レンズ中央で極小値をとることが好ましいが、レンズ中央からＸ方向及びＹ方向の少なくとも一方にずれた点で極小値をとっても良い。

なお、非球面レンズＡＬにおいて、Ｚ方向に直交する方向のうちＸ方向及びＹ方向以外の方向に関するレンズ面の部分曲率の絶対値は、極小値をとっても良いし、極小値をとらなくても良い。但し、レンズ面の部分曲率の絶対値がＸ方向及びＹ方向のいずれに関しても極小値をとる場合（極小値をとる点が一致する場合）は、Ｚ方向に直交する全ての方向に関して同一点で極小値をとると考えられる。

図１３には、球面レンズと本実施形態の非球面レンズＡＬの発散プロファイルがグラフにて示されている。すなわち、図１３は、各レンズを通過後の光の発散強度の角度依存性を示す。

図１３において、破線が球面レンズの発散プロファイル、実線が本実施形態の非球面レンズＡＬの発散プロファイルを模式的に示している。両者とも±３０ｄｅｇ程度の領域に発散するよう基準の曲率が設計されているが、非球面レンズＡＬではレンズ中央にて部分曲率の絶対値が極小値をとるように設計されているため、特にレンズ中央の発散光束密度が高くなり輝度を格段に向上させることができている。

要するに、レンズの曲率分布を視認範囲における所望の領域と対応する特定の領域で部分曲率の絶対値が極小値を取るように設定することで、レンズに入射した光束はこれまで通り視認範囲に届くが、部分曲率の絶対値が極小値を取る領域に入射した光束はその周辺と比較して発散角が狭くなるために光線密度が増加する。

上記の議論は、Ｘ方向及びＹ方向の少なくとも一方でレンズ面の部分曲率の絶対値が極小値を持てば、輝度向上効果がある。

図１４Ａ乃至図１４Ｃには、比較例の平面形状が六角形のマイクロレンズ（球面レンズ）を通過後の光の発散強度の角度分布が示されている。図１５Ａ乃至図１５Ｃには、本実施形態の平面形状が六角形のマイクロレンズ（非球面レンズＡＬ）を通過後の光の発散強度の角度分布が示されている。図１４Ａ乃至図１４Ｃと図１５Ａ乃至図１５Ｃを比較すると、発散強度の変化はいずれも滑らかであるが、発散強度のピークは図１５Ａ乃至図１５Ｃの方が著しく高いことが分かる。

レンズ面のＸ方向、Ｙ方向のいずれの部分曲率の絶対値もレンズ中央領域にて極小、すなわちマイクロレンズ３００の頂点（レンズ中央）を含む領域内で極小になっていれば、輝度を格段に向上させることが可能である。

上記の議論は、マイクロレンズの配列によらず成立する。つまり、図１６Ａ乃至図１６Ｈのように、様々なレンズ配列において、マイクロレンズの頂点（レンズ中央）を含む領域内で部分曲率の絶対値が極小となれば、輝度向上に効果がある。

また、図１６Ｄ乃至図１６Ｈのように、非球面レンズＡＬのアスペクト比が異なる場合であっても、部分曲率の絶対値が所望の領域において極小値になるように設定できる。このため、上述した部分曲率の絶対値が極小値をとることによる効果を得ることができる。また、これらのレンズ外径は、レンズのアスペクト比をビーム径と合わせることで干渉を低減したり、縦横の発散角を制御するために選択することが可能である。

また、各非球面レンズＡＬにおいて、平面視で各非球面レンズＡＬの光学中心が幾何学中心からランダム（不規則）にずれている場合（図１６Ｂ乃至図１６Ｈの＋マークの位置に頂点がずれている場合）にも、レンズ中央領域内で部分曲率の絶対値に極小値を持たせることが可能である。この場合、上述した輝度向上の効果に加えて、非球面レンズＡＬの光学中心の配列が非周期的になるため、位相の揃った干渉縞やモアレが生じにくい。

なお、図１６Ｂ乃至図１６Ｈのような、ランダム偏心配列を採用した場合は、各非球面レンズＡＬを互いに異なる形状とすることもできる。

本実施形態のマイクロレンズアレイＭＬＡは、既知の方法によって技術的に実現可能である。マイクロレンズアレイＭＬＡは金型を用いた射出成形にて作製される。例えば、金型の各レンズ形状を切削にて非球面に削りだす方法や、金型の曲面をフォトリソグラフィー及びドライエッチングプロセスで作成する際に、マスク設計やガス流量調整による選択比調整によって作製することが可能である。

以上説明した本実施形態のスクリーン３０は、第１の観点からすると、画像表示光が照射されるスクリーン部材において、レンズ面（光を屈折させる光学面）を有するマイクロレンズ３００（光学素子部）を一側（入射側）に複数備え、レンズ面の部分曲率の絶対値は、マイクロレンズ３００の光軸に直交する面（ＸＹ平面）内で互いに直交するＸ方向、Ｙ方向（２つの方向）の少なくとも一方向に関して、少なくとも１つの位置で極小値をとるように変化している。

この場合、レンズ面の部分曲率の絶対値が極小値をとる領域に入射された光の発散を抑制でき、該光の輝度を向上できる。また、少なくとも極小値をとる所定領域において、極小値をとる位置からレンズ面の外縁に向かって部分曲率の絶対値が徐々に大きくなるため、光の発散度合いを制御でき、視野範囲が狭くなるのを抑制できる。

この結果、視野範囲を確保しつつ視認性を向上させることができる。

詳述すると、本実施形態では、マイクロレンズアレイＭＬＡの各マイクロレンズ３００に関して、レンズ面内で部分曲率に分布をもたせることで、発散プロファイルを変化させる。分布のもたせ方は、視認範囲における所望の領域と対応するレンズ面内の特定の領域において部分曲率の絶対値を小さく設定する。つまり、特定の領域で曲率分布が極小値を取るように設定する。これにより、マイクロレンズ３００に入射した光束はこれまで通り視認範囲に届くが、部分曲率の絶対値が極小値を取る領域に入射した光束はその周辺の領域と比較して発散角が狭くなるために光線密度が増加し輝度が向上する。この結果、視認性を向上させることができる。

要するに、本実施形態によれば、全体の視認範囲を確保しつつ、特に所望の領域で視認性を向上させることができる。

一方、特許文献１には、主視認範囲の輝度を確保したまま副視認範囲を設ける目的で、「主視認領域に対応する曲率」＜「副視認領域に対応する曲率」とする方法が開示されている。

しかしながら、特許文献１では、レンズ面が中央の一定部分と周辺の一定部分を含む曲率分布を有しているため、中央の一定部分と周辺の一定部分との境界（特許文献１の図８参照）、もしくは中央の一定部分と周辺の一定部分を繋ぐ線形変化部分と、中央の一定部分や周辺の一定部分との境界（特許文献１の図１０参照）で輝度が急激に変化し、視認性に違和感が生じてしまう。そして、線形変化部分がある場合でも、中央の一定部分での輝度を高めるために、中央の一定部分と周辺の一定部分の差を大きくするほど、中央の一定部分や周辺の一定部分と、線形変化部分との境界での輝度の変化が急減になり、視認性の違和感も大きくなる。すなわち、特許文献１では、視認範囲を確保しつつ視認性を向上させることに関して改善の余地があった。

また、例えば球面レンズにおいて、レンズ中央領域での輝度をマイクロレンズ３００と同等に高めるために曲率を一律に小さくすると、必要な視野角（視野範囲）が得られなくなる。

また、レンズ面の部分曲率の絶対値は、マイクロレンズ３００のレンズ面と光軸の交点を含む領域内で極小値をとることが好ましい。

この場合、画素表示光を主光線が上記交点を含む領域に入射するようにレンズ面に照射することで、該画素表示光の輝度を格段に向上できる。

また、レンズ面の部分曲率の絶対値は、Ｘ方向、Ｙ方向のいずれに関しても、極小値をとるように変化することが好ましい。

この場合、レンズ面の略全域において、輝度向上効果を得ることができる。

また、レンズ面の部分曲率の絶対値は、Ｘ方向、Ｙ方向のいずれに関しても、上記交点で極小値をとることが好ましい。

この場合、上記交点を含む領域での輝度を更に向上させることができる。

また、Ｘ方向、Ｙ方向に関するレンズ面の部分曲率の絶対値の平均は、互いに異なっていても良い。

この場合、Ｘ方向、Ｙ方向に関する発散角を個別に制御でき、光利用効率を向上させることができる。例えば、大きい視野角が要求される水平方向の視野角を増大させ、かつ大きい視野角が要求されない鉛直方向の視野角を減少させるために、Ｘ方向の発散角を大きくし、かつＹ方向の発散角を小さくすることが考えられる。この場合、Ｘ方向及びＹ方向の発散角の双方を増大もしくは減少させる場合に比べて、光利用効率を向上させることができる。

また、レンズ面の部分曲率の絶対値は、上記少なくとも一方向に関する任意の位置で微分可能となるように変化することが好ましい。

この場合、曲率が急激に変化しないため、視認性の違和感を抑制できる。

また、レンズ面の部分曲率の絶対値の、上記少なくとも一方向（極小値をとる方向）に関する極小値の数は１つであって、レンズ面の部分曲率の絶対値の、少なくとも一方向（極小値をとる方向）に関する、極小値をとる位置以外の任意の位置での微分値は、０以外であっても良い。

この場合、レンズ面の部分曲率の絶対値を極小値の一側で単調減少させ他側で単調増加させることができ、好適な発散プロファイル（図１３参照）を実現できる。

また、レンズ面の部分曲率の絶対値は、上記少なくとも一方向（極小値をとる方向）に関して曲線状に変化することが好ましい。

この場合、レンズ面の部分曲率の絶対値を上記少なくとも一方向で滑らかに変化させることができ、ひいては輝度を滑らかに変化させることができる。この結果、レンズ面の上記少なくとも一方向の全域で視認性の違和感を抑制できる。

また、レンズ面の部分曲率の絶対値は、上記少なくとも一方向（極小値をとる方向）において、マイクロレンズ３００の光軸に関して略線対称となるように変化することが好ましい。

この場合、上記少なくとも一方向における発散プロファイルをマイクロレンズ３００の光軸に関して軸対称にすることができ、上記少なくとも一方向における光軸の一側と他側の発散特性及び輝度特性を同等にすることができる。

なお、レンズ面の部分曲率の絶対値は、上記少なくとも一方向（極小値をとる方向）において、マイクロレンズ３００の光軸に関して略線対称となるように変化しなくても良い。この場合であっても、極小値を持つことによる上記効果を得ることができる。

また、マイクロレンズ３００は、平面視で光学中心が幾何学中心からランダム（不規則）にずれていても良い。

この場合、位相の揃った干渉縞の発生を抑制でき、ひいては視認性の低下を抑制できる。

また、本実施形態のＨＵＤ装置１００（画像表示装置）は、画像情報に応じて変調された光（画素表示光）を射出する光源装置１１（光源部）と、該光源装置１１からの光（画素表示光）により画像表示光を生成する光偏向器１５（画像表示光生成素子）と、画像表示光が照射されるスクリーン３０と、を備えている。

この場合、視認性を向上可能なＨＵＤ装置を提供できる。

また、画素表示光（画像表示光の画素毎の光）は、スクリーン３０のマイクロレンズ３００のレンズ面と光軸の交点を含む領域に入射されることが好ましい。

この場合、視認性を格段に向上可能なＨＵＤ装置を提供できる。

また、光源装置１１は、半導体レーザを含むことが好ましい。

この場合、マイクロレンズアレイＭＬＡによりレーザ光特有のスペックルを抑制しつつ、半導体レーザによる高出力化により輝度の向上を図ることができる。

また、ＨＵＤ装置１００は、スクリーン３０を介した光（画像表示光）をフロントウインドシールド５０（透過反射部材）に投射する凹面ミラー４０（投光部）を更に備えるため、スクリーン３０を介した光をフロントウインドシールド５０の所定領域に照射することができる。

また、ＨＵＤ装置１００と、該ＨＵＤ装置１００が搭載される移動体と、を備える移動体装置によれば、移動体の搭乗者に視認性の良い表示画像を提供できる。

また、本実施形態のスクリーン３０は、第２の観点からすると、画像表示光が照射されるスクリーン部材において、レンズ面（光を屈折させる光学面）を有するマイクロレンズ３００（光学素子部）を一側（入射側）に複数備え、レンズ面の部分曲率の絶対値は、マイクロレンズ３００の光軸に直交する面（ＸＹ平面）内で互いに直交するＸ方向、Ｙ方向（２つの方向）の少なくとも一方向に関して、少なくとも、マイクロレンズ３００のレンズ面と光軸の交点を含む領域内において、該領域内の所定位置（例えば極小値をとる位置）からレンズ面の外縁に向けて徐々に大きくなっている。

この場合、レンズ面の部分曲率の絶対値が極小値をとる領域に入射された光の発散を抑制でき、該光の輝度を向上できる。また、少なくとも極小値をとる所定領域において、極小値をとる位置からレンズ面の外縁に向かって部分曲率の絶対値が徐々に大きくなるため、光の発散度合いを制御でき、視野範囲が狭くなるのを抑制できる。

この結果、視野範囲を確保しつつ視認性を向上させることができる。

また、レンズ面の曲率は、上記少なくとも一方向に関して曲線状に変化していることが好ましい。

この場合、レンズ面の部分曲率を上記少なくとも一方向で滑らかに変化させることができ、ひいては輝度を滑らかに変化させることができる。この結果、レンズ面の上記少なくとも一方向の全域で視認性の違和感を抑制できる。

なお、マイクロレンズ３００（非球面レンズＡＬ）の球面に対するＸ方向及び／又はＹ方向の曲率分布は、上記実施形態で説明したものに限定されず、適宜変更可能である。

例えば、図１７に示される非球面レンズＡＬ３の曲率分布（破線）のように極小値とその両側に極大値を持つ曲線であっても良い。非球面レンズＡＬ３の曲率分布も、上記非球面レンズＡＬ１、ＡＬ２と同様にレンズ中央領域で極小値をとっているため、画素表示光がほとんど入射されないレンズ周辺領域の振る舞いの違いによらず効果がある。また、非球面レンズＡＬのＸ方向の曲率分布及びＹ方向の曲率分布の少なくとも一方は、極小値を複数持っても良い。

また、上記実施形態では、スクリーン３０としてマイクロレンズアレイＭＬＡを含む透過型のスクリーンについて説明したが、反射型のスクリーンにおいても同一の原理より同様の効果が得られる。なお、反射型のスクリーンは、例えば微細凸面鏡又は微細凹面鏡から成るマイクロミラー（光を反射させる光学面を有する光学素子部）がアレイ状に複数配置されたマイクロミラーアレイを入射側に形成することで実現できる。マイクロミラーアレイは、上述したマイクロレンズアレイＭＬＡの作製方法と同様の方法で作製された複数の凸部もしくは凹部がアレイ状に形成された基材（例えば樹脂製やガラス製）の凸部もしくは凹部に対して、鏡面加工や、反射膜の真空蒸着やスパッタリングを行うことで作製が可能である。なお、「マイクロミラーの光軸」は、該マイクロミラーの光学中心と焦点を通る直線を意味する。

このように、本発明のスクリーン部材は、例えばＨＵＤ装置１００等の画像表示装置の装置レイアウトによって、透過型、反射側のいずれを選択することもできる。

また、上記実施形態では、透過型のスクリーンは、入射側にマイクロレンズとして微細凸レンズを有しているが、これに代えて、微細凹レンズを有していても良い。スクリーンの入射側に微細凹レンズを設けることは、例えばガラス板を直接エッチングすること等により実現できる。

また、上記実施形態では、スクリーン３０は、入射側にマイクロレンズアレイを有しているが、これに代えて又は加えて、出射側にマイクロレンズアレイを有していても良い。この場合、出射側の各マイクロレンズとして、凹レンズ、凸レンズのいずれを用いても良い。また、この場合、レンズ面の部分曲率の絶対値がＸ方向、Ｙ方向の少なくとも一方で極小値をとることが好ましい。また、この場合、Ｘ方向、Ｙ方向でレンズ面の部分曲率の平均値が異なっていても良い。

また、上記実施形態では、画像表示光生成素子として光偏向器１５（２軸のＭＥＭＳスキャナ）を用いているが、１軸周りに揺動可能な微小ミラーを含むＭＥＭＳスキャナを２つ組み合わせたものを用いても良い。また、単一もしくは２つのスキャナとして、ＭＥＭＳスキャナに代えて、例えばガルバノスキャナを用いても良い。

また、上記実施形態では、画像表示光生成素子として光偏向器が用いられているが、これに代えて、例えば液晶パネル、ＤＭＤパネル、蛍光表示管等のイメージングデバイスを用いても良い。

また、スクリーン３０の画像描画領域は、平面でなく曲面であっても構わない。すなわち、マイクロレンズアレイやマイクロミラーアレイは、全体として湾曲した形状であっても良い。

また、上記実施形態において、少なくとも１つのマイクロレンズやマイクロミラーの光軸がＸＹ平面（マイクロレンズやマイクロミラーの配列面）に対して傾斜していても良い。

また、上記実施形態では、投光部は、凹面ミラー４０から構成されているが、これに限らず、例えば、凸面鏡から構成されても良い。

また、上記実施形態では、走査ミラー２０を有しているが、有していなくても良い。すなわち、光偏向器１５で偏向された光を、光路を折り返さずに、スクリーン３０に直接照射もしくは凸面レンズを介して照射するようにしても良い。また、走査ミラー２０として平面鏡を用いても良い。

また、上記実施形態では、光源としてＬＤ（端面発光レーザ）を用いているが、例えばＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）等の他のレーザ等を用いても良い。

また、透過反射部材は、移動体のフロントウインドシールドに限らず、例えばサイドガラス、リアガラス等であっても良く、要は、透過反射部材は、移動体に設けられ、移動体の搭乗者が該移動体の外部を視認するための窓部材（ウインドシールド）であることが好ましい。

また、上記実施形態では、画像表示装置（ＨＵＤ装置）は、例えば車両、航空機、船舶等の移動体に搭載用のものとして説明したが、要は、物体に搭載されるものであれば良い。なお、「物体」は、移動体の他、恒常的に設置されるものや運搬可能なものを含む。

また、本発明の画像表示装置は、移動体に搭載されるＨＵＤ装置のみならず、利用者が画像や虚像を観察することを目的とした例えばヘッドマウントディスプレイ装置、プロンプタ装置、プロジェクタ装置等の電子機器に適用可能である。

例えば、プロジェクタ装置に適用する場合には、該プロジェクタ装置をＨＵＤ装置１００と同様に構成することができる。すなわち、凹面ミラー４０を介した画像表示光を映写幕や壁面等に投影すれば良い。なお、凹面ミラー４０を設けずにスクリーン３０を介した画像表示光を映写幕や壁面等に投影しても良い。また、凹面ミラー４０の代わりに自由曲面ミラーを設けても良い。

また、上記各実施形態に記載した具体的な数値、形状等は、一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更である。

以下に、発明者らが、上記実施形態を発案するに至った思考プロセスを説明する。

従来、画像情報に応じて変調されたレーザ光を複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイ上に照射して画像を形成し、形成された画像の虚像を、透過反射部材を介して視認可能にするヘッドアップディスプレイにおいて、マイクロレンズの曲率を制御することで、発散角を任意に制御して視認範囲を調節することが知られている。

しかし、従来のマイクロレンズアレイは、マイクロレンズの形状が球面か、または単純な回転楕円面のため、発散角を決めると発散プロファイルは一意に決まり、発散角を広げるほど輝度が低下する。このため必要な視認範囲を維持しようと発散角を定めると、運転者の標準的な姿勢における視点位置での輝度が減少し、晴天時など輝度が必要な状況でも画像を視認できなくなるといった問題があった。

そこで、発明者らは、各マイクロレンズの部分曲率を、球面から特定の偏差を与えて非球面化することにより、発散プロファイルの分布を変化させて一定の視認範囲を確保し、かつ特定領域の輝度向上を達成するために、上記実施形態を発案した。

本国際特許出願は、２０１６年３月１６日に出願した日本国特許出願第２０１６−０５１８１１号に基づきその優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１６−０５１８１１号の全内容を参照によりここに援用する。

１１ 光源装置（光源部）
１５ 光偏向器（画像表示光生成素子）
３０ スクリーン（スクリーン部材）
４０ 凹面ミラー（投光部）
５０ フロントウインドシールド（透過反射部材）
１００ ＨＵＤ装置（画像表示装置）
３００ マイクロレンズ（光学素子部）
１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂ 発光素子（光源）

Claims (21)

1. 画像表示光が照射されるスクリーン部材において、
   光を屈折又は反射させる光学面を有し、
   前記光学面の部分曲率の絶対値は、一方向に関して変化し、
   少なくとも１つの位置で極小値をとることを特徴とするスクリーン部材。
2. 前記光学面を有する光学素子部が、少なくとも一側に複数備えられていることを特徴とする請求項１に記載のスクリーン部材。
3. 前記部分曲率の絶対値は、前記光学面と前記光学素子部の光軸の交点を含む所定領域内で前記極小値をとることを特徴とする請求項２に記載のスクリーン部材。
4. 前記部分曲率の絶対値は、前記光学素子部の光軸に直交する面内の互いに直交する２つの方向のいずれに関しても、前記極小値をとることを特徴とする請求項３に記載のスクリーン部材。
5. 前記部分曲率の絶対値は、前記２つの方向のいずれに関しても、前記交点で極小値をとることを特徴とする請求項４に記載のスクリーン部材。
6. 前記２つの方向に関する前記曲率の平均は、互いに異なることを特徴とする請求項４または５に記載のスクリーン部材。
7. 前記曲率は、前記一方向に関する任意の位置で微分可能となるように変化していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のスクリーン部材。
8. 前記部分曲率の絶対値の、前記一方向に関する前記極小値の数は１つであり、
   前記部分曲率の絶対値の、前記一方向に関する、前記極小値をとる位置以外の任意の位置での微分値は、０以外であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のスクリーン部材。
9. 前記部分曲率は、前記一方向に関して曲線状に変化することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のスクリーン部材。
10. 前記部分曲率は、前記一方向において、前記光軸に関して略線対称となるように変化することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のスクリーン部材。
11. 前記光学素子部は、平面視で光学中心が幾何学中心から不規則にずれていることを特徴とする請求項２から１０のいずれか一項に記載のスクリーン部材。
12. 前記光学素子部は、マイクロレンズ又はマイクロミラーであることを特徴とする請求項２から１１のいずれか一項に記載のスクリーン部材。
13. 画像情報に応じて変調された光を射出する光源部と、
    前記光源部からの光により画像表示光を生成する画像表示光生成素子と、
    生成された前記画像表示光が照射される請求項１〜１２のいずれか一項に記載のスクリーン部材と、を備える画像表示装置。
14. 前記画像表示光の画素毎の光は、前記スクリーン部材の光学素子部の光学面と光軸の交点を含む所定領域に入射されることを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置。
15. 前記画像表示光生成素子は、前記光源からの光を偏向する光偏向器を含むことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の画像表示装置。
16. 前記光源部は、半導体レーザを含むことを特徴とする請求項１３から１５のいずれか一項に記載の画像表示装置。
17. 前記スクリーン部材を介した光を透過反射部材に向けて投光する投光部を更に備えることを特徴とする請求項１３から１６のいずれか一項に記載の画像表示装置。
18. 請求項１３から１７のいずれか一項に記載の画像表示装置と、
    前記画像表示装置が搭載される物体と、を備える物体装置。
19. 前記物体は、移動体であることを特徴とする請求項１８に記載の物体装置。
20. 画像表示光が照射されるスクリーン部材において、
    光を屈折又は反射させる光学面を有し、
    前記光学面の部分曲率の絶対値は、一方向に関して変化し、少なくとも、前記光学面と前記光軸の交点を含む領域内において、該領域内の所定位置から前記光学面の外縁に向けて徐々に大きくなっていることを特徴とするスクリーン部材。
21. 前記部分曲率は、前記一方向に関して曲線状に変化していることを特徴とする請求項２０に記載のスクリーン部材。