WO2016017097A1 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

　車両に搭載され、ウインドシールドに画像を投影することにより、画像を視認領域において乗員により視認可能に虚像表示するＨＵＤ装置は、レーザ光束を発振する発振器と、レーザ光束の投射により画像が形成される投射領域（４０ａ）に凹凸を有するスクリーン部材（４０）と、レーザ光束をスクリーン部材（４０）に投射する投射光学系（２０）と、画像を拡大してウインドシールドに投影し、画像の光を視認領域に導く拡大光学系と、投射光学系（２０）の焦点距離を時間的に振動させるコントローラ（６０）とを備える。これにより、適切な視認領域を確保し、視認される画像の輝度ムラを抑制し、スペースの確保が容易となる。

Description

ヘッドアップディスプレイ装置 関連出願の相互参照

　本出願は、当該開示内容が参照によって本出願に組み込まれた、２０１４年７月３０日に出願された日本特許出願２０１４－１５５４８２号を基にしている。

　本開示は、移動体に搭載され、投影部材に画像を投影することにより、画像を視認領域において乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置を略称とする）に関する。

　従来、移動体に搭載され、投影部材に画像を投影することにより、画像を視認領域において乗員により視認可能に虚像表示するＨＵＤ装置が知られている。特許文献１に開示のＨＵＤ装置では、レーザ光束を発振する発振器と、凹凸を有し、画像を形成するスクリーン部材と、レーザ光束をスクリーン部材に投射し、投射光学系と、画像を拡大して投影領域に投影し、画像の光を視認領域に導く拡大光学系とを備えている。

特開２０１３－６４９８５号公報

　レーザ光束を発振する発振器を備えるＨＵＤ装置において、凹凸のないスクリーン部材を用いると、視認領域の広さを確保できない。しかし一方で、特許文献１の凹凸を有するスクリーン部材を用いると、視認領域の広さを得られるが、レーザ光束がスクリーン部材に投射されることによってスペックルパターンが発生し、視認される画像に輝度ムラが生ずる恐れがある。

　さらに、画像の光を拡大して視認領域に導く拡大光学系を用いると、スペックルパターンも拡大されて、輝度ムラはより顕著に視認されることとなってしまう。一方で画像の光を拡大しないで視認領域に導く光学系を用いると、視認される画像のサイズが小さくなる若しくはサイズの大きなスクリーン部材を用いなければならず、視認しやすいサイズの画像を虚像表示するＨＵＤ装置を移動体に搭載するためのスペースの確保が困難となる。

　本開示は、以上説明した点に鑑みてなされたものであって、その目的は、適切な視認領域を確保し、視認される画像の輝度ムラを抑制し、スペースの確保が容易なＨＵＤ装置を提供することにある。

　本開示は、移動体に搭載され、投影部材に画像を投影することにより、画像を視認領域において乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
　レーザ光束を発振する発振器と、
　レーザ光束の投射により画像が形成される投射領域に凹凸を有するスクリーン部材と、
　レーザ光束をスクリーン部材に投射する投射光学系と、
　画像を拡大して投影部材に投影し、画像の光を視認領域に導く拡大光学系と、
　投射光学系の焦点距離を時間的に振動させる可変焦点部とを備える。

　このような開示によると、レーザ光束を発振する発振器と、凹凸を有し、画像を形成するスクリーン部材と、レーザ光束をスクリーン部材に投射し、可変焦点部によって焦点距離（の大きさ）が時間的に振動される投射光学系と、画像を拡大して投影部材に投影することで、画像の光を視認領域に導く拡大光学系とを備える。これによれば、可変焦点部により投射光学系の焦点距離が投射方向に振動しながら、レーザ光束は、スペックルパターンが時間的に平均化された光として、凹凸を有するスクリーン部材に投射される。

　そして、スクリーン部材により形成される画像の光は、凹凸により拡散されて、拡大光学系により画像を拡大されながら視認領域に導かれる。したがって、適切な視認領域を確保し、視認される画像の輝度ムラを抑制し、視認しやすいサイズの画像を虚像表示するＨＵＤ装置を移動体に搭載するためのスペースの確保が容易なＨＵＤ装置を提供することができる。

第１実施形態におけるＨＵＤ装置の車両への搭載状態を示す模式図である。 第１実施形態におけるＨＵＤ装置の概略構成を示す模式図である。 第１実施形態における発振器、投射光学系、及びスクリーン部材を示す模式図。 第１実施形態における走査ミラーを模式的に拡大して示す平面図である。 第１実施形態における走査ミラー、及びそのスクリーン部材との関係を示す模式図である。 第１，３実施形態における投射光学系の焦点距離を説明するための模式図である。 第１実施形態におけるスクリーン部材を部分的に示す平面図である。 第１実施形態におけるスクリーン部材を部分的に示す図であって、図７のVIIIx－VIIIx線断面及びVIIIy－VIIIy線断面に対応する模式断面図である。 スペックルパターンを説明するための模式図である。 比較例における図５に対応する図である。 投射光学系の焦点距離が振動する場合及び振動しない場合の、振動成分の位相分布をシミュレーションした結果を示す模式図である。 第１実施形態において大きさΔを説明するための模式図である。 第１実施形態における湾曲面から射出される光の光路差について説明するための模式図である。 第１実施形態における湾曲面から射出される光の強度分布について説明するための模式図である。 第１実施形態における湾曲面から射出される光の重ね合わせについて説明するための模式図である。 第２実施形態におけるスクリーン部材を部分的に示す模式断面図である。 第３実施形態における図３に対応する図である。 変形例１における図７に対応する図である。 変形例２における図７に対応する図である。 変形例４の一例における図７に対応する図である。 変形例４の図２０とは別の一例における図７に対応する図である。

　以下、本開示の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。

　（第１実施形態）
　図１に示すように、本開示の第１実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置１００は、移動体の一種である車両１に搭載され、インストルメントパネル２内に収容されている。ＨＵＤ装置１００は、車両１の投影部材としてのウインドシールド３に画像を投影する。これにより、ＨＵＤ装置１００は、画像を視認領域４において車両１の乗員により視認可能に虚像表示する。すなわち、ウインドシールド３に反射される画像の光が、車両１の室内の乗員のアイポイント５に到達し、乗員が当該光を知覚する。そして、乗員は、虚像６として表示される各種画像を認識することができる。虚像６として表示される各種情報としては、例えば、車速、燃料残量等の車両状態値、又は道路情報、視界補助情報等の車両情報が挙げられる。

　車両１のウインドシールド３において、室内側の面は、画像が投影される投影面３ａを、湾曲する凹面状又は平坦な平面状等に形成している。また、ウインドシールド３は、室内側の面と室外側の面とで、各面を反射してできる虚像６を重ねるための角度差を有するものであってもよい。あるいは、ウインドシールド３は、室外側の面の反射による虚像６の輝度を抑制するために蒸着膜ないしはフィルム等を設けたものであってもよい。さらに、投影部材として、ウインドシールド３の代わりに、車両１と別体となっているコンバイナを車両１内に設置して、当該コンバイナに画像を投影するものであってもよい。

　視認領域４は、図２に示すように、虚像６としての画像が視認可能となる領域である。座席に着席した乗員のアイポイント５が存在可能な空間領域であるアイリプス５ａを考慮して、視認領域４が設定されている。例えば、本実施形態のように、アイリプス５ａを考慮して、十分な広さの視認領域４が設定されることで、乗員のアイポイント５が多少動いても、乗員は、虚像６としての画像を視認可能となる。

　ＨＵＤ装置１００は、図１，２に示すように、コントローラ６０、複数の発振器１０ａ，１０ｂ，１０ｃ、投射光学系２０、スクリーン部材４０、及び拡大光学系５０を備えている。ここで、３つの発振器１０ａ～ｃ、投射光学系２０により、レーザスキャナ７０が構成されている。

　コントローラ６０は、演算処理装置及びメモリ等から構成される制御回路である。図１，３等に示すように、コントローラ６０は、各発振器１０ａ～ｃ、投射光学系２０の走査ミラー３０、拡大光学系５０の凹面ミラー５２等と電気的に接続されている。

　３つの発振器１０ａ～ｃは、図３に示すように、互いに異なる色相のレーザ光を光束状に発振する。発振器１０ａは、例えばピーク波長が５６０ｎｍである緑色のレーザ光束を発振するようになっている。発振器１０ｂは、例えばピーク波長が６３５ｎｍである赤色のレーザ光束を発振するようになっている。発振器１０ｃは、例えばピーク波長が４５０ｎｍである青色のレーザ光束を発振するようになっている。

　ここで、各発振器１０ａ～ｃは、コントローラ６０と電気的に接続されている。各発振器１０ａ～ｃは、コントローラ６０からの電気信号に従って、レーザ光束を発振する。そして、各発振器１０ａ～ｃから発振される３色のレーザ光を加色混合することで、種々の色の再現が可能となる。各発振器１０ａ～ｃから発振された各レーザ光束は、それぞれ投射光学系２０の整形レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃに向かって伝播する。

　投射光学系２０は、レーザ光束をスクリーン部材４０に投射する光学系である。第１実施形態の投射光学系２０は、３つの整形レンズ２２ａ～ｃ、３つのダイクロイックフィルタ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ、集光レンズ２６、及び微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）の走査ミラー３０を有している。

　３つの整形レンズ２２ａ～ｃは、それぞれ対応する発振器１０ａ～ｃに対して、各レーザ光束の伝播方向に例えば５ｍｍの間隔をあけて配置されている。各整形レンズ２２ａ～ｃは、対応する発振器１０ａ～ｃからのレーザ光束を屈折させることにより、当該レーザ光束を整形する。

　３つのダイクロイックフィルタ２４ａ～ｃは、それぞれ対応する整形レンズ２２ａ～ｃに対して、各レーザ光束の伝播方向に例えば４ｍｍの間隔をあけて配置されている。各ダイクロイックフィルタ２４ａ～ｃは、対応する整形レンズ２２ａ～ｃを透過した各レーザ光束のうち、特定波長のレーザ光束を反射し、その他の波長のレーザ光束を反射する。具体的には、整形レンズ２２ａに対応するダイクロイックフィルタ２４ａは、緑色のレーザ光束を反射する。整形レンズ２２ｂに対応するダイクロイックフィルタ２４ｂは、赤色のレーザ光束を反射し、その他のレーザ光束を透過させる。整形レンズ２２ｃに対応するダイクロイックフィルタ２４ｃは、青色のレーザ光束を反射し、その他のレーザ光束を透過させる。

　ここで、ダイクロイックフィルタ２４ａによる反射後の緑色のレーザ光束の伝播方向には、ダイクロイックフィルタ２４ｂが例えば６ｍｍの間隔をあけて配置されている。また、ダイクロイックフィルタ２４ｂの反射後の赤色のレーザ光束の伝播方向には、ダイクロイックフィルタ２４ｃが例えば６ｍｍの間隔をあけて配置されている。これら配置形態により、ダイクロイックフィルタ２４ａによる反射後の緑色のレーザ光束が、ダイクロイックフィルタ２４ｂによる反射後の赤色のレーザ光束と混合される。また、緑色のレーザ光と赤色のレーザ光束とが、ダイクロイックフィルタ２４ｃを透過し、ダイクロイックフィルタ２４ｃを反射後の青色のレーザ光束と混合される。このようにして、３色のレーザ光を加色混合することができる。

　ダイクロイックフィルタ２４ｃによる透過後のレーザ光束の伝播方向には、集光レンズ２６が例えば４ｍｍの間隔をあけて配置されている。集光レンズ２６は、ダイクロイックフィルタ２４ｃ側が平面状、走査ミラー３０側が凸面状に形成されている平凸レンズである。集光レンズ２６は、ダイクロイックフィルタ２４ａ～ｃからのレーザ光束を集光する。集光レンズ２６を透過したレーザ光束は、走査ミラー３０に向かって伝播する。

　走査ミラー３０は、レーザ光束の投射方向を時間的に走査する走査部として機能するＭＥＭＳミラーである。具体的に、図４に示すように、走査ミラー３０は、外枠３０ａ、内枠３０ｂ、水平ねじれ棒３０ｃ、鉛直ねじれ棒３０ｄ、反射面３０ｅ、及び透過部３０ｇを有している。外枠３０ａは、走査ミラー３０の外側に位置する矩形状の枠であり、内枠３０ｂは、外枠と反射面との間に位置する矩形状の枠である。そして、外枠３０ａと内枠３０ｂの間には、方向ｘに沿った水平ねじれ棒３０ｃが２本形成されている。また、内枠３０ｂと反射面３０ｅの間には、方向ｙに沿った鉛直ねじれ棒３０ｄが２本形成されている。走査ミラー３０の中央に形成されている反射面３０ｅは、レーザ光束を反射するように、アルミニウムの金属蒸着等によって薄膜状に形成されている。反射面３０ｅの周囲において、外枠３０ａと内枠３０ｂの間及び内枠３０ｂと反射面３０ｅの間のうち、水平ねじれ棒３０ｃ及び鉛直ねじれ棒３０ｄが形成されていない部分は、レーザ光束が透過可能な透過部３０ｇが開口状に形成されている。

　このような走査ミラー３０は、コントローラ６０と電気的に接続されており、その走査信号に従って、水平ねじれ棒３０ｃ及び鉛直ねじれ棒３０ｄが別個にねじれる。これらのねじれにより、反射面３０ｅの向きを変えることができ、集光レンズ２６からのレーザ光束の投射方向を時間的に走査することが可能となっている。

　また、走査ミラー３０は、図５に示すように、コントローラ６０からの駆動信号により、その反射面３０ｅの曲率半径ＣＲＭが時間的に変動するようになっている。反射面３０ｅの曲率半径ＣＲＭの変動により、投射光学系２０の焦点距離ＦＬ（の大きさ）は時間的に振動する。念のため図６に模式的に示しておくが、本実施形態における投射光学系２０の焦点距離ＦＬは、発振器１０ａ～ｃ側から平行光束を入射させた場合の主点ＰＲＰと焦点ＦＣＰとの間の光軸に沿った長さとする。

　特に本実施形態では、集光レンズ２６からのレーザ光束は、図５に示すように、走査ミラー３０への入射時点においてそのスポットサイズＳＳが反射面３０ｅのサイズＳＲよりも大きい状態で入射する。そして、レーザ光束のうち反射面３０ｅの外縁３０ｆより外側に入射した光束は、透過部３０ｇによって走査ミラー３０を透過し、投射光学系２０外に射出される。すなわち、本実施形態の走査ミラー３０は絞りとしても機能している。

　このようにして、反射面３０ｅで反射されたレーザ光束は、その投射方向を時間的に走査されながら、スクリーン部材４０の投射領域４０ａに向かって投射される。具体的には、レーザ光束の投射方向は、複数の走査線ＳＬに沿った図３の矢印方向へ順次走査される。以上のコントローラによる制御の結果、投射領域４０ａにおいて、レーザ光束が投射される位置が移動していくと共に、レーザ光束が断続的にパルス投射されることで、画像が描画され、形成されることとなる。こうして投射領域４０ａに描画される画像は、例えば、方向ｘに４８０画素かつ方向ｙに２４０画素を有する画像として、投射領域４０ａに毎秒６０フレームのフレームレートで描画形成される。

　第１実施形態におけるスクリーン部材４０は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面にアルミニウムを蒸着させること等により形成された、反射型のスクリーンである。スクリーン部材４０は、投射領域４０ａに凹凸を有している。図７，８に詳細を示すが、スクリーン部材４０は、投射領域４０ａにおいて格子状に配列されて凹凸をなす複数の光学素子４２を有するマイクロミラーアレイとして形成されている。

　各光学素子４２は、共通の湾曲形態として凸面湾曲を呈する鏡面状の湾曲面４３をスクリーン部材４０の外表面に形成している。各光学素子４２において湾曲面４３は、曲率半径をＣＲとし、方向ｘ，ｙとの直交方向ｚのうち投射光学系２０の走査ミラー３０と向き合う側へ突出し、最突出点を面頂点４４としている。また、各方向ｘ，ｙにおいて隣接する光学素子４２同士は、それぞれの湾曲面４３の外縁（輪郭）を互いに重ねることで、相互間に境界４６を形成している。ここで、各光学素子４２の湾曲面４３については、方向ｚにおいて基準となる面頂点４４から境界４６（図８の断面では変曲点で示される）までのずれ量である深さを、光学素子４２におけるサグ量と定義する。なお、図７，８では、理解を容易にするために、一部の符号のみを付して示している。

　隣接する光学素子４２同士にて湾曲面４３の面頂点４４における高さは、相異なっている。換言すると、隣接する光学素子４２同士にて相異なるサグ量が、投射領域４０ａの全域において設定されている。サグ量としては、大小２種類のサグ量Ｓａ，Ｓｂが設定されており、大サグ量Ｓａの光学素子４２と小サグ量の光学素子４２とは、いずれの方向ｘ，ｙにおいても交互に配列されている。また、光学素子４２の素子幅として大素子幅Ｗａと小素子幅Ｗｂが設定されている。ここで、ピークピッチＰＰは、隣接光学素子４２の面頂点４４間の距離に対応している。

　上述の配列形態により、サグ量Ｓａ，Ｓｂの差ΔＳ、すなわち（Ｓａ－Ｓｂ）に応じて、方向ｚの段差を形成している。さらに、一光学素子４２内においても、曲率半径ＣＲである凸面湾曲を呈する湾曲面４３によって、方向ｚの高さが箇所により異なっている。この結果、スクリーン部材４０には、投射領域４０ａにおいて、凹凸が形成されることとなる。

　このようにしてスクリーン部材４０は、その凹凸をなす湾曲面４３を通じて拡散されたレーザ光束としての画像の光を、拡大光学系５０の凹面ミラー５２に向かって反射させる。

　拡大光学系５０は、図１，２に示すように、画像を拡大してウインドシールド３に投影し、画像の光を視認領域４に導く光学系である。ここで、本実施形態における拡大光学系５０は凹面ミラー５２を有しているが、その他に、平面状の反射面を有する平面ミラー、又は拡大レンズ等を追加して構成されていてもよい。

　凹面ミラー５２は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、反射面５２ａとしてアルミニウムを蒸着させること等により、形成されている。反射面５２ａは、凹面ミラー５２の中央が凹む凹面として、滑らかな曲面状に形成されている。そして、凹面ミラー５２は、画像の光をウインドシールド３に向けて反射する。このようにしてウインドシールド３により反射された画像の光は、視認領域４に到達する。

　また、凹面ミラー５２は、電気的に接続されたコントローラ６０からの揺動信号に従って、揺動駆動するようになっている。こうして凹面ミラー５２が揺動することで、虚像６の結像位置及び視認領域４が上下する。

　このようなＨＵＤ装置１００による視認領域４、及び虚像６として視認される画像について、以下に詳細に説明する。以下では、ｘ軸及びｙ軸からなるｘｙ平面に沿ってスクリーン部材４０（又はスクリーンＳＣＲ）が配置されているものとし、ｚ軸の負方向に向かってレーザ光束がスクリーン部材４０（又はスクリーンＳＣＲ）に投射されるものとして説明する。

　一般的に、図９に示すように、所定のスクリーンＳＣＲでの拡散後の光束の波面をＡ（ｘ，ｙ，０）とし、波面Ａを観測する点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）における波面Ｕ（Ｐ）は、キルヒホッフ・フレネルの回折式によれば、数式として以下の数３のように表現できる。

　なお、ｋは波数であり、ｑは点Ｓ１（ξ，η，０）から点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）までの距離である。

　ここで、点Ｓ０（０，０，０）から点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）までの距離ｄを用いて、数３の近似表現を求めると、数式として以下の数４のように表現できる。

　距離ｑをテイラー展開の１次の項まで取り出して、数４に代入すると、数式として以下の数５のように書ける。さらに、数５に基づいて、数式として数６，７のように表現できる。

　数６によると、観測される波面Ｕ（Ｐ）は、スクリーンＳＣＲ透過後の波面Ａ（ｘ，ｙ，０）に、振動成分Ｆ（ｘ，ｙ，ｄ，ｋ）をコンボリューションした形態で定式化される。数７に示された振動成分Ｆ（ｘ，ｙ，ｄ，ｋ）により、スクリーンＳＣＲの座標（ｘ，ｙ）を動かすと波面Ｕ（Ｐ）が変化することがわかる。

　本実施形態のように、画像が形成される投射領域４０ａに凹凸を有するスクリーン部材４０に、コヒーレンスが高いレーザ光束を入射させた場合、当該凹凸によりスペックルパターンが発生することとなる。

　ここで、図１０に示す比較例として、曲率半径が一定の反射面９３０ｅを有する走査ミラー９３０からレーザ光束が投射されるスクリーン部材９４０の座標（ｘ，ｙ）を時間的に振動させる。このような比較例では、スクリーン部材９４０の振動により振動成分Ｆ（ｘ，ｙ，ｄ，ｋ）が変化するので、スペックルパターンが変化することとなる。スペックルパターンを時間的に変化させることで、画像の光の輝度を時間的に平均化された状態で乗員に視認させることが可能となる。しかしながら、ＨＵＤ装置１００において走査ミラー３０等よりもスペースの占有率の高いスクリーン部材４０を動かすことは、車両１の限られたスペースに搭載される点を考慮すると、懸念材料が残る。

　そこで、図５に示すような本実施形態において、数７の距離ｄにスクリーン部材４０に対するレーザ光束のデフォーカス量ｄＳを対応させて考える。デフォーカス量ｄＳを時間的に振動させることによっても、波面変化としてスペックルパターンが時間的に変化することが考えられる。そして、画像の光を時間的に平均化された状態で乗員に視認させることが可能となる。

　なお、図５では、走査ミラー３０とスクリーン部材４０との配置は模式的に図示されている。また図５において、レーザ光束が３方向に図示されているが、レーザ光束の投射方向が走査された各瞬間を１図面にまとめて模式的に図示している。また図５では、レーザ光束の投射方向を細い実線で示す。

　図１１に数７の振動成分Ｆ（ｘ，ｙ，ｄＳ，ｋ）における位相の空間分布がプロットされている。これによれば、デフォーカス量ｄＳが一定の場合（実線グラフ）では位相が空間変化し、視認される画像おいてこの位相の空間分布に応じた輝度分布となることが示唆される。一方、本実施形態のようにデフォーカス量ｄＳが時間的に振動する場合（一点鎖線グラフ）では、位相の空間変化が抑制され、視認される画像においてこの位相の空間分布に応じた輝度分布となることが示唆される。

　特に第１実施形態では、上述のように、コントローラ６０の駆動信号によって走査ミラー３０の反射面３０ｅの曲率半径ＣＲＭが時間的に変動することで、投射光学系２０の焦点距離ＦＬは時間的に振動するようになる。投射光学系２０の焦点距離ＦＬの時間的振動により、スクリーン部材４０に対するレーザ光束のデフォーカス量ｄＳが時間的に振動する。

　レーザ光束が投射されるスクリーン部材４０の投射領域４０ａにおいて、デフォーカス量ｄＳの振動によりスペックルパターンを平滑化する領域（以下、平滑化領域と記載する）の半径をＲと定義する。すると、数７における振動成分Ｆ（ｘ，ｙ，ｄＳ，ｋ）の位相が－２π～＋２πの範囲を取るようにすればよい。したがって、デフォーカス量ｄＳは、数式として以下の数８の範囲に設定されることが好ましい。ここで、計算上、平滑化領域の中心を座標（ｘ，ｙ）＝（０，０）としている。なお、デフォーカス量ｄＳは、正の値をとる場合、投射領域４０ａよりも走査ミラー３０側にレーザ光束の焦点が位置することを意味し、負の値をとる場合はその逆である。

　一方、スクリーン部材４０の投射領域４０ａにおけるレーザ光束のスポット半径δは、デフォーカス量ｄＳを用いて、レイリーの式より、数式として以下の数９のようにと近似される。ここで、ＮＡは、レーザ光束を生成する光学系、すなわちレーザスキャナ７０を構成する発振器１０ａ～ｃ及び投射光学系２０の開口数として定義される。また、λはレーザ光束の波長である。

　次に、レーザ光束のスクリーン部材４０上のスポット半径δの視認限界に対応するスクリーン部材上の大きさをΔと定義する。Δ＞δに基づいた数式として示される以下の数１０が成立すれば、乗員は、視認領域４において１画素に対応するレーザ光束のスポットを視認できなくなる。さらに数１０を変形すると、数式として以下の数１１が得られる。

　ここで、平滑化領域の半径ＲがΔより大きいことが好ましいので、Δ＜Ｒより成立する数式として示される以下の数１２を解く。数１２より、数式として以下の数１３が得られる。

　したがって、本実施形態では、数１３を満足するように開口数ＮＡが設定されている。開口数ＮＡの設定のため、上述のように第１実施形態では、走査部であるＭＥＭＳの走査ミラー３０を絞りとして用いている。具体的には、反射面３０ｅのサイズＳＲがレーザ光束の反射面３０ｅへの入射時点におけるスポットサイズＳＳよりも小さいという条件の下、デフォーカス量ｄＳが最大値をとる場合においても数１３を満足するように反射面のサイズが設定される。

　図１２に示すように、具体的にΔは、画像の光が視認領域４に到達するまでの光路、すなわち拡大光学系５０及びウインドシールド３の配置等によって決まる。ここで、視認領域４内のアイポイント５から虚像６までの距離をＬＶとし、スクリーン部材４０から視認領域４までの結像系の結像倍率をＭＶとし、人間の分解能ＲＥとする。半径Δは、数式として以下の数１４のように表される。

特に本実施形態では、距離ＬＶが２ｍ、結像倍率ＭＶが６倍であるので、一般的な人間の視力１．０に対応する分解能ＲＥ＝１／６０を採用すると、Δは、５０μｍとなる。したがって、数１３において、レーザ光束の波長のうち最も視認される感度が高い緑色のレーザ光束の波長５６０ｎｍをλに代入すると、開口数ＮＡを０．０１８以下にすればよいことになる。特に本実施形態では、振動するデフォーカス量ｄＳが最大値をとるときに開口数ＮＡ＝０．０１８となるように設定している。

　また、Δ＞δの条件の下、数８に基づいて適切なデフォーカス量ｄＳの範囲を求めると、数式として以下の数１５が得られる。

そして、数１５の右辺に各値を代入すると、デフォーカス量ｄＳの絶対値は、２２３７μｍ以下に設定されていればよいことになり、特に本実施形態でも、そのような範囲となるように投射光学系２０の焦点距離ＦＬが時間的に振動するようになっている。投射光学系２０の焦点距離ＦＬは、周期的に振動しており、その振動周期は、上述の走査ミラー３０の操作におけるフレームレートとずれて設定されている。特に本実施形態では、振動周期は、フレームレートの整数倍以外に設定されており、例えば１／７０秒に設定されている。

　以上のように設定された投射光学系２０の焦点距離ＦＬの振動により、スペックルパターンは時間的に平均化される。そして、スクリーン部材４０の投射領域４０ａにて反射されるレーザ光束は、各光学素子４２の湾曲面４３に設定された曲率半径ＣＲＥに応じた拡散角にて、画像の光として拡散され、一画素に対応した光がそれぞれ幅をもって視認領域４に到達することとなる。

　走査ミラー３０により走査されるレーザ光束は、拡散後、画像の光として視認領域４内において光学素子４２の格子状の配列を原因とした干渉を生じる。ここで、隣接する各光学素子４２表面の湾曲面４３から反射角としての射出角θにて射出されることで干渉し合う光の光路差ΔＬは、例えば図１３の如く発生する。ここで、光路差ΔＬは、ｓｉｎθ≒θ［ｒａｄ］の近似の下、当該ΔＳより十分大きなピークピッチＰＰを用いて数式として下記の数１６，１７により表される。具体的に数１６は、大サグ量Ｓａの一光学素子４２と、その片側（例えば図１３の右側）に隣接する小サグ量Ｓｂの光学素子４２との間で成立する。また一方で数１７は、大サグ量Ｓａの一光学素子４２と、その逆側（例えば図１３の左側）に隣接する小サグ量Ｓｂの光学素子４２との間で成立する。

　さらに、光路差ΔＬが波長λ分変化する射出角θの角度差α、すなわち光同士の干渉によって発生する回折ピークの次数が１変化する射出角θの角度差αは、比較例の場合と同様に、ピークピッチＰＰを用いた数式として下記の数１８により表される。

　これら数１６～１８に基づいて、第１実施形態での光路差ΔＬが０，±λとなるとき、すなわち回折ピークの次数が０，±１となるときの強度分布を考えてみると、図１４の如く射出角θの角度差αに応じた強度分布となることがわかる。このような強度分布では、数１６，１８に従って大サグ量Ｓａの一光学素子４２が小サグ量Ｓｂの片側隣接素子４２との間で生じさせる回折ピークは、０に対して２・ΔＳ・α／λ分ずれた０次回折角θ０から±α毎の射出角θを、中心に生じる（実線グラフ）。また一方で、数１７，１８に従って大サグ量Ｓａの一光学素子４２が小サグ量Ｓｂの逆側隣接素子４２との間で生じさせる回折ピークは、０に対して－２・ΔＳ・α／λ分ずれた０次回折角－θ０から±α毎の射出角θを、中心に生じる（一点鎖線グラフ）。

　このように例えばΔＳ＝λ／８に設定された第１実施形態では、一光学素子４２がその両側の隣接素子４２との間で生じさせる回折光の回折ピークは、相異なる射出角θを中心に生じることで、互いにずれる。このずらし作用の結果、一光学素子４２がその両側の隣接素子４２との間で生じさせる回折ピークは、強度を強め合い難い。

　以上より、一光学素子４２が両側隣接素子４２との間で生じさせる回折光（二点鎖線グラフ）を重ね合わせた図１５の強度分布（実線グラフ）では、各回折ピークに対応する射出角θ（θ０，－θ０の各々から±α毎）と、その間の射出角θとで、強度差ΔＩが小さくなる。換言すると、サグ量差ΔＳの設定は、視認領域４内の各箇所において光の強度差を小さくすることを意味する。

　なお、第１実施形態では、コントローラ６０が「可変焦点部」を構成する。

　（作用効果）
　以上説明した第１実施形態の作用効果を以下に説明する。

　第１実施形態によると、レーザ光束を発振する発振器１０ａ～ｃと、凹凸を有し、画像を形成するスクリーン部材４０と、レーザ光束をスクリーン部材４０に投射し、コントローラ６０の駆動信号によって焦点距離ＦＬが時間的に振動される投射光学系２０と、画像を拡大してウインドシールド３に投影することで、画像の光を視認領域４に導く拡大光学系５０とを備える。これによれば、コントローラ６０の駆動信号により投射光学系２０の焦点距離ＦＬが投射方向に振動しながら、レーザ光束は、スペックルパターンが時間的に平均化された光として、凹凸を有するスクリーン部材に投射される。

　そして、スクリーン部材４０により形成される画像の光は、凹凸により拡散されて、拡大光学系５０により画像を拡大されながら視認領域４に導かれる。したがって、適切な視認領域４を確保し、視認される画像の輝度ムラを抑制し、視認しやすいサイズの画像を虚像表示するＨＵＤ装置を車両１に搭載するためのスペースの確保が容易なＨＵＤ装置１００を提供することができる。

　また、第１実施形態によると、投射光学系２０は、レーザ光束の投射方向を時間的に走査し、焦点距離ＦＬが周期的に振動する振動周期と、この走査のフレームレートとずれている。これによれば、レーザ光束の時間的な走査により、容易にスクリーン部材４０に画像を形成することができ、小さな平滑化領域にてスペックルパターンによる影響を容易に抑制することができる。さらに、フレームレートとずれている振動周期によって、確実にスペックルパターンが時間的に平均化された光として、凹凸を有するスクリーン部材４０に投射される。そして、スクリーン部材４０により形成される画像の光は、凹凸により拡散されて、拡大光学系５０により画像を拡大されながら視認領域に導かれることとなる。したがって、適切な視認領域４を確保し、視認される画像の輝度ムラを抑制し、スペースの確保が容易なＨＵＤ装置１００を提供することができる。

　また、第１実施形態によると、コントローラ６０の走査信号により微小電気機械システムの走査ミラー３０では、レーザ光束を反射する反射面３０ｅの向きが変わる。また、コントローラ６０は、駆動信号により反射面３０ｅの曲率半径ＣＲＭを時間的に変動させる。これによれば、反射面３０ｅが時間的に変動するので、走査ミラー３０と焦点距離ＦＬの振動とを共通の部材で実現できる。さらには、反射面３０ｅとスクリーン部材の投射箇所との位置関係が維持されたままなので、画像の画角の変動を抑制できる。

　また、第１実施形態によると、ＭＥＭＳの走査ミラー３０は、反射面３０ｅの周囲にレーザ光束を透過させる透過部３０ｇを形成している。これによれば、ＭＥＭＳの走査ミラー３０に形成された透過部３０ｇを利用して発振器１０ａ～ｃ及び投射光学系２０の開口数ＮＡを容易に設定できる。したがって、適切な視認領域４を確保し、視認される画像の輝度ムラを抑制し、視認しやすいサイズの画像を虚像表示するＨＵＤ装置を車両１に搭載するためのスペースの確保が容易なＨＵＤ装置１００を提供することができる。

　また、第１実施形態によると、スクリーン部材４０は、投射領域４０ａにおいて格子状に配列される複数の光学素子４２を有し、各光学素子４２は、凸面湾曲及び凹面湾曲のうち共通の湾曲形態を呈する鏡面状の湾曲面４３を、スクリーン部材４０の表面に形成し、当該湾曲面４３を通じてレーザ光束を拡散させる。これによれば、鏡面状の湾曲面４３によりスペックルパターンの影響を抑制しつつ、光学素子４２の配列及び曲率半径ＣＲＥを適切な視認領域４が得られるように設定可能となる。

　また、第１実施形態によると、隣接する光学素子４２同士にて湾曲面４３の面頂点４４における高さは、相異なる。これによれば、一光学素子４２がその両側の隣接光学素子４２との間で生じさせる回折光の回折ピークは、互いにずらされる。このずらし作用を利用して、視認領域４の各箇所間に生ずる輝度ムラを抑制できるので、より適切な視認領域４を確保することができる。

　また、第１実施形態によると、数式としての数１３が成立するように開口数ＮＡが設定されているので、視認される画像が拡大されても、スポット半径δは目視で視認されず、視認される画像の輝度ムラは目立たなくなる。

　また、第１実施形態によると、開口数ＮＡは、０．０１８以下である。これによれば、最も視認される感度が高い緑色のレーザ光束を発振する発振器１０ａを、標準的な結像倍率ＭＶのＨＵＤ装置１００に用いた場合に、視認される画像が拡大されても、スポット半径δは目視で視認されず、視認される画像の輝度ムラは目立たなくなる。

　また、第１実施形態によると、数式としての数１５が成立するようにデフォーカス量ｄＳの絶対値が設定されている。これによれば、投射光学系２０の焦点距離ＦＬが投射方向に振動しながら、レーザ光束は、時間的に平均化された光として凹凸を有するスクリーン部材４０に投射される。ここで、スポット半径δが目視で視認されないような範囲のデフォーカスにより、視認される画像の輝度ムラの抑制効果が高まる。

　また、第１実施形態によると、デフォーカス量ｄＳの絶対値は、２２３７μｍ以下である。これによれば、最も視認される感度が高い緑色のレーザ光束を発振する発振器１０ａを、標準的な結像倍率ＭＶのＨＵＤ装置１００に用いた場合に、スポット半径δが目視で視認されないような範囲のデフォーカスにより、視認される画像の輝度ムラを抑制効果が高まる。

　（第２実施形態）
　図１６に示すように、本開示の第２実施形態は第１実施形態の変形例である。第２実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。

　第２実施形態におけるスクリーン部材２４０は、例えば合成樹脂等を主体に形成された反射型のスクリーンである。スクリーン部材２４０は、投射領域２４０ａにおいてシボにより凹凸をなす拡散面２４８を有している。すなわち、投射領域２４０ａにおいて凹凸が形成されている。

　ここで、拡散面２４８におけるシボ状の微細な凹凸は、例えば、表面のエッチング加工によって無作為に形成されているが、表面へのコーティング材への塗布等によって形成されていてもよい。

　このようなスクリーン部材２４０は、その凹凸をなす拡散面２４８を通じて拡散された画像の光を、拡大光学系５０の凹面ミラー５２に向かって反射させる。

　以上説明した第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、コントローラ６０からの駆動信号により、投射光学系２０の焦点距離ＦＬが時間的に振動している。したがって、第１実施形態に準じた作用効果を奏することが可能となる。

　また、第２実施形態によると、スクリーン部材２４０は、投射領域２４０ａにおいてシボにより凹凸をなす拡散面２４８を有し、拡散面２４８を通じてレーザ光束を拡散させる。これによれば、シボ状のような凹凸により、製造容易に適切な視認領域４を確保することができる。

　（第３実施形態）
　図１７に示すように、本開示の第３実施形態は第１実施形態の変形例である。第３実施形態について、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。

　第３実施形態の投射光学系３２０は、第１実施形態と同様に、レーザ光束をスクリーン部材４０に投射する光学系である。第３実施形態の投射光学系３２０は、３つの整形レンズ２２ａ～ｃ、３つのダイクロイックフィルタ２４ａ～ｃ、集光レンズ２６、可変焦点レンズ３２８、及びＭＥＭＳの走査ミラー３３０を有している。このうち、３つの整形レンズ２２ａ～ｃ、３つのダイクロイックフィルタ２４ａ～ｃ、集光レンズ２６については第１実施形態と同様となっている。第３実施形態では、集光レンズ２６を透過したレーザ光束は、可変焦点レンズ３２８に向かって伝播する。

　ここで、第３実施形態のコントローラ３６０は、各発振器１０ａ～ｃ、走査ミラー３３０等に加えて、可変焦点レンズ３２８とも電気的に接続されている。

　第３実施形態における可変焦点レンズ３２８は、コントローラ３６０からの駆動信号により高導電性液体３２８ａと低導電性液体３２８ｂとの境界面３２８ｃが変動する液体レンズである。具体的に、可変焦点レンズ３２８は、円筒状の容器３２８ｄ内に、互いに屈折率の異なる、高導電性液体３２８ａとしての水溶液と、低導電性液体３２８ｂとしての油とを封止している。そして、コントローラ３６０からの駆動信号に応じた電圧が可変焦点レンズ３２８に印加されると、高導電性液体３２８ａと低導電性液体３２８ｂとの境界面３２８ｃの曲率半径ＣＲＢが変動する。つまり、レーザ光束が境界面３２８ｃの曲率半径ＣＲＢに応じて変動するレンズ焦点距離に従って屈折する。このようにレンズ焦点距離が変動する可変焦点レンズ３２８を用いることにより、投射光学系２０の焦点距離ＦＬ（図６も参照）は時間的に振動可能となる。

　走査ミラー３３０は、第１実施形態と同様に、レーザ光束の投射方向を時間的に走査する走査部として機能する走査ミラーである。ただし、第３実施形態の走査ミラー３３０は、その反射面３３０ｅを平面状に形成しており、曲率半径の変動機能を有していない。

　以上説明した第３実施形態においても、第１実施形態と同様に、コントローラ３６０からの駆動信号により、投射光学系３２０の焦点距離ＦＬが時間的に振動している。したがって、第１実施形態に準じた作用効果を奏することが可能となる。

　また、第３実施形態によると、投射光学系３２０の焦点距離ＦＬの振動に、パワーが変動する可変焦点レンズ３２８を用いる。これによれば、容易に投射光学系３２０の焦点距離ＦＬの時間的な振動を実現できる。したがって、適切な視認領域４を確保し、視認される画像の輝度ムラを抑制することができる。

　なお、第３実施形態では、コントローラ３６０が「可変焦点部」を構成する。

　（他の実施形態）
　以上、複数の実施形態について説明したが、本開示は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。

　具体的に、第１，３実施形態に関する変形例１としては、各光学素子４２の湾曲面４３は、凹面湾曲及び凸面湾曲のうち共通の湾曲形態を呈していればよい。この例として図１８に示すように、各光学素子４２は、湾曲形態として凹面湾曲を呈する鏡面状の湾曲面４３をスクリーン部材４０の外表面に形成していてもよい。

　第１，３実施形態に関する変形例２としては、図１９に示すように、隣接する光学素子４２同士において、互いに異なる曲率半径ＣＲＥａ，ＣＲＥｂを設定してもよく、また、同じ素子幅Ｗを設定してもよい。

　第１，３実施形態に関する変形例３としては、隣接する光学素子４２同士にて湾曲面４３の面頂点４４における高さは、実質的に一致していてもよい。

　第１，３実施形態に関する変形例４としては、図２０，２１に示すように、スクリーン部材４０は、透光性の合成樹脂ないしはガラス等からなる透過型のスクリーンであって、投射領域４０ａにおいて格子状に配列されて凹凸をなす複数の光学素子４２を有するマイクロレンズアレイとして形成されているものであってもよい。図２０に示す例では、走査ミラー３０側の入射側外表面４７ａに湾曲面４３が形成され、大サグ量Ｓａの光学素子４２の面頂点４４における厚さＴａと、小サグ量Ｓｂの光学素子４２の面頂点４４における厚さＴｂとが設定され、厚さの差がΔＴとなっている。一方、図２１に示す例では、拡大光学系５０側の射出側外表面４７ｂに湾曲面４３が形成されている。

　第２実施形態に関する変形例５としては、スクリーン部材２４０は、透光性の合成樹脂ないしはガラス等からなる透過型のスクリーンであって、表面にシボ加工が施されることにより、投射領域２４０ａにおいてシボにより凹凸をなす拡散面２４８を有しているものであってもよい。

　第１，２実施形態に関する変形例６としては、投射光学系２０は、走査ミラー３０の反射面３０ｅの周囲にレーザ光束を透過させるように構成されていなくてもよい。この例において、例えば投射光学系２０に別途絞りを設けてもよく、また、発振器１０ａ～ｃにて開口数ＮＡを制御するようにしてもよい。

　第１～３実施形態に関する変形例７としては、前述の数１３を満たすように開口数ＮＡを設定しなくてもよい。また、前述の数１５を満たすようにデフォーカス量ｄＳを設定しなくてもよい。

　第１～３実施形態に関する変形例８としては、発振器１０ａ～ｃは、可視光であれば他の波長のレーザ光束を発振するようにしてもよく、また、１色、２色又は４色以上のレーザ光束を用いて画像を形成してもよい。

　第１～３実施形態に関する変形例９としては、投射光学系２０の焦点距離ＦＬは、コントローラ６０の駆動信号により時間的に振動するものであれば、周期的に振動するものでなくてもよい。例えば、焦点距離がランダムに振動するようにしてもよい。

　第３実施形態に関する変形例１０としては、可変焦点レンズ３２８として、電圧により屈折率が変動する液晶レンズを用いてもよい。

　第１～３実施形態に関する変形例１１としては、投射光学系２０の光学要素と電気的に接続されたコントローラ６０以外のものにより「可変焦点部」を構成してもよい。

　第１～３実施形態に関する変形例１２としては、車両１以外の船舶ないしは飛行機等の各種移動体（輸送機器）に、本開示を適用してもよい。

 

Claims (12)

1. 　移動体（１）に搭載され、投影部材（３）に画像を投影することにより、前記画像を視認領域（４）において乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   　レーザ光束を発振する発振器（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）と、
   　前記レーザ光束の投射により前記画像が形成される投射領域（４０ａ，２４０ａ）に凹凸を有するスクリーン部材（４０，２４０）と、
   　前記レーザ光束を前記スクリーン部材に投射する投射光学系（２０，３２０）と、
   　前記画像を拡大して前記投影部材に投影し、前記画像の光を前記視認領域に導く拡大光学系（５０）と、
   　前記投射光学系の焦点距離（ＦＬ）を時間的に振動させる可変焦点部（６０，３６０）とを備えるヘッドアップディスプレイ装置。
2. 　前記投射光学系は、前記レーザ光束の投射方向を時間的に走査する走査部（３０，３３０）を有し、
   　前記可変焦点部が前記焦点距離を周期的に振動させる振動周期と、前記走査部の走査におけるフレームレートとは、ずれている請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 　前記走査部（３０）は、前記レーザ光束を反射する反射面（３０ｅ）の向きが変わる微小電気機械システムの走査ミラーであり、
   　前記可変焦点部（６０）は、前記反射面の曲率半径（ＣＲＭ）を時間的に変動させる請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 　前記走査ミラーは、前記反射面の周囲に前記レーザ光束を透過させる透過部（３０ｇ）を形成している請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 　前記スクリーン部材（４０）は、前記投射領域において格子状に配列されて凹凸をなす複数の光学素子（４２）を有し、
   　各前記光学素子は、凸面湾曲及び凹面湾曲のうち共通の湾曲形態を呈する鏡面状の湾曲面（４３）を、前記スクリーン部材の表面に形成し、当該湾曲面を通じて前記レーザ光束を拡散させる請求項１から４のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 　隣接する前記光学素子同士にて前記湾曲面の面頂点（４４）における高さは、相異なる請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
7. 　前記スクリーン部材（２４０）は、前記投射領域においてシボにより凹凸をなす拡散面（２４８）を有し、前記拡散面を通じて前記レーザ光束を拡散させる請求項１から４のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
8. 　前記発振器及び前記投射光学系の開口数をＮＡと定義し、前記レーザ光束の波長をλと定義し、前記レーザ光束の前記スクリーン部材上のスポット半径δの視認限界に対応する前記スクリーン部材上の大きさをΔと定義すると、以下の数１
   

   

   が成立する請求項１から７のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
9. 　前記開口数は、０．０１８以下である請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
10. 　前記発振器及び前記投射光学系の開口数をＮＡと定義し、前記レーザ光束の波長をλと定義し、前記レーザ光束が前記スクリーン部材に投射されたときのスポット半径δを目視で視認できない前記スクリーン部材上の大きさをΔと定義し、前記スクリーン部材に対する前記レーザ光束のデフォーカス量をｄＳと定義すると、以下の数２
    

    

    が成立する請求項１から９のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
11. 　前記デフォーカス量の絶対値は、２２３７μｍ以下である請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
12. 　前記可変焦点部（３６０）は、レンズ焦点距離が変動する可変焦点レンズ（３２８）を用いる請求項１から１１のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
    
     

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