WO2016052359A1 - 画像光投影用スクリーンおよび表示システム - Google Patents

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WO2016052359A1
WO2016052359A1 PCT/JP2015/077198 JP2015077198W WO2016052359A1 WO 2016052359 A1 WO2016052359 A1 WO 2016052359A1 JP 2015077198 W JP2015077198 W JP 2015077198W WO 2016052359 A1 WO2016052359 A1 WO 2016052359A1
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lens array
image
microlens
ave
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PCT/JP2015/077198
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篤史 小柳
▲琢▼治 野村
浩司 宮坂
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旭硝子株式会社
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    • G02B2027/013—Head-up displays characterised by optical features comprising a combiner of particular shape, e.g. curvature

Definitions

  • the present invention relates to an image light projection screen that is a screen for projecting image light, and a display system such as a rear projector and a head-up display provided with the image light projection screen.
  • a rear projection projector (rear projector) and a head-up display (HUD) are known. Yes.
  • Each of these uses an image light projection screen for projecting the generated image light, a so-called transmission screen.
  • the rear projector uses a transmissive screen to recognize image light from the side facing the light source.
  • the HUD causes the image light transmitted through the transmission screen to be reflected by the combiner and recognizes the image light.
  • the screen In order for humans to be able to recognize image light projected on the screen, the screen needs to have a certain level of scattering ability with respect to incident light.
  • transmissive screens diffuse incident image light by providing random irregular shapes such as rubbed glass on the surface of the screen on which an image is projected.
  • Patent Document 1 includes a microlens array unit in which a plurality of unit lenses are two-dimensionally arranged in a matrix on at least one surface of a translucent substrate. The configuration is described.
  • Patent Document 2 discloses a random phase difference in which a plurality of first and second regions that are divided into two linearly polarized light components that are orthogonal to each other and emitted from the incident light are irregularly formed in a plane. A transmission screen with a layer is described.
  • the transmissive screen described in Patent Document 1 has a structure that imparts scattering power using a curved surface shape, the polarization direction of image light incident on the screen is not limited.
  • the transmissive screen described in Patent Document 1 is provided with a microlens array having a periodic structure, there is a problem that diffraction patterns and moire due to the periodic structure occur. Even if a diffraction pattern or moire occurs, a clear image cannot be reproduced.
  • the transmission type screen described in Patent Document 2 is provided such that the random retardation layer is inclined so that the slow axis is + 45 ° or ⁇ 45 ° with respect to the polarization direction of the image light incident as linearly polarized light.
  • the polarization direction of the incident image light must be controlled so as to have such an angular relationship.
  • a display device that irradiates image light or a function of controlling the polarization direction in the optical path until the irradiated image light reaches the screen must be added. This is not preferable.
  • the present invention is an image light projection screen in which the polarization direction of incident image light is not limited, and image light projection that can reduce not only speckle noise but also the cause of deterioration in image quality including diffraction patterns and moire.
  • the purpose is to provide a screen.
  • Another object of the present invention is to provide a display system including such an image light projection screen.
  • the screen for projecting image light includes a plurality of non-periodic lens array units regularly and at least two-dimensionally arranged in the image display area on the main surface without gaps, and each of the non-periodic lens array units is a curved surface.
  • the display system includes a light source that emits coherent light, an image light forming unit that modulates a light beam emitted from the light source according to image information to form image light, and image light on a predetermined screen surface.
  • An image projection apparatus having a projection optical system that magnifies and projects toward the screen, and a transmission screen, wherein the transmission screen is the image light projection screen described above.
  • an image light projection screen and a display system that can reduce the cause of lowering the image quality without limiting the polarization direction of the image light.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of an image light projection screen according to the first embodiment.
  • FIG. 1A is a schematic top view illustrating an example of the image light projection screen according to the first embodiment.
  • (B) is a schematic top view which shows the example of the aperiodic lens array unit 11.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the aperiodic lens array unit 11, wherein (a) is a schematic diagram of the aperiodic lens array unit 11 shown in FIG. 1 (b), and (b) is an aperiodic lens array.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the degree of variation of microlenses in the unit 11.
  • FIG. 1A is a schematic top view illustrating an example of the image light projection screen according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram which shows the example of the aperiodic lens array unit 11.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the aperiodic lens array unit 11, wherein (a) is a schematic diagram of the
  • FIG. 3 is an explanatory view showing an example of the standard pitch of the hexagonal aperiodic lens array unit 11, where (a) is an example of how to capture the L axis and the V axis, and (b) is ( It is an example which shows how to catch the L-axis and V-axis different from a).
  • FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an arrangement example of the aperiodic lens array unit 11.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an example of the surface shape of the aperiodic lens array unit 11.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of the height position of the apex of the microlens 111 in the aperiodic lens array unit 11.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example of the radius of curvature of the microlens 111 in the aperiodic lens array unit 11.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the scattering angle
  • FIG. 8A is a schematic diagram showing the state of light incident on the image light projection screen and light scattered and transmitted.
  • b) shows the light intensity distribution when the horizontal axis is the angle formed by the light beam toward the AA ′ cross section of (a) and the optical axis, with the point where the image light projection screen intersects the optical axis as the base point.
  • FIG. FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an example of a display system according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a configuration diagram illustrating a more detailed configuration example of the display system 1000.
  • FIG. 11 is a configuration diagram illustrating another example of the display system 1000.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing another example of the display system 1000.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating an example of an optical system of the display system 1000c.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view illustrating another example of the main body device in the display system 1000c.
  • FIG. 15 is a schematic cross-sectional view illustrating another example of the main body device in the display system 1000c.
  • FIG. 16 is a schematic top view showing the aperiodic lens array unit 11 in the image light projection screen 10 of the first embodiment.
  • FIG. 17 is an explanatory view collectively showing the closest distance between vertices of each microlens in the first embodiment.
  • FIG. 1A is a schematic top view illustrating an example of the image light projection screen 10 according to the first embodiment.
  • An image light projection screen 10 shown in FIG. 1A includes a plurality of aperiodic lens array units 11 regularly arranged in a two-dimensional manner so as to fill at least an image display area 13 for displaying an image on the main surface 12. I have. Note that filling the plane region, that is, the image display region 13 more specifically means that there is no gap at least in the region.
  • FIG. 1B is a schematic top view showing an example of the non-periodic lens array unit 11.
  • the gradation density corresponds to the height (or depth) of each region.
  • one non-periodic lens array unit 11 includes four or more vertices of curved microlenses 111 arranged in a non-periodic manner without gaps.
  • the vertices of at least four curved-surface microlenses 111 are arranged in a non-periodic manner without gaps.
  • the nearest distance among the vertices of the microlenses to the group of microlenses 111 included in the aperiodic lens array unit 11 is the latest. It is only necessary that one or more things with different contact distances are included. It is more preferable that the closest distances of all combinations of different microlenses 111 are different.
  • the number of vertices of the microlens included in the non-periodic lens array unit 11 is preferably 6 or more, and more preferably 10 or more, in order to reduce diffraction patterns and moire due to the periodic structure.
  • the number of vertices is preferably 100 or less, more preferably 50 or less, in order to reduce speckle noise due to the non-periodic structure.
  • the eight microlenses 111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f, 111g, and 111h are approximately 2 ⁇ along two orthogonal axes (X axis and Y axis in the figure). An example arranged in four columns is shown. However, the distance between the apexes of each microlens 111 is not constant and varies. The distance between the vertices is a distance between the vertices in the plan view of the XY plane in FIG. 1B, and the depth direction (Z direction) is not considered.
  • FIG. 1 (a) and 1 (b) show an aperiodic lens array unit 11 having a rectangular outer edge.
  • the shape of the outer edge of the aperiodic lens array unit 11 is a planar region. Any shape can be used as long as the shape can be filled without gaps. For example, it may be a hexagon. Moreover, even if it is a rectangle, not only a rectangle but a square and a rhombus may be sufficient.
  • the shape includes a rectangle or hexagon as a whole, but the shape of the side is a corrugated shape, and the side is not a straight line.
  • the outer edge shape of the aperiodic lens array unit 11 is preferably a quadrangle or hexagon that is a shape that fills the planar region only by a translation operation, but a shape that satisfies the planar region by a symmetric operation including a rotation operation or a mirroring operation (for example, , Triangle or trapezoid).
  • the portion has a flat surface shape, so that the light irradiated to the region passes straight without being diffused.
  • the structure becomes complicated and the light amount is lost, such as by forming a black mask for shielding the transmitted light corresponding to the flat region.
  • the non-periodic lens array unit 11 may include a part of the microlens 111 included in the other non-periodic lens array unit 11 at the outer edge portion.
  • the continuity of the curved surface shape of the microlens is maintained at the boundary when the aperiodic lens array unit 11 is two-dimensionally arranged.
  • the arrangement of the macro lens array on each side needs to have symmetry. However, this does not apply to the portion where the boundary of the aperiodic lens array unit 11 and the boundary of the microlens overlap. If the continuity of the lens shape is maintained at the boundary portion of the aperiodic lens array unit 11, the microlenses 111 may be randomly arranged inside (in the unit).
  • the variation in the arrangement of the microlenses 111 in the aperiodic lens array unit 11 is within a certain range. preferable.
  • the closest distance between the apexes of the microlens will be described as an index indicating the degree of variation in the planar arrangement.
  • one aperiodic lens array unit 11 includes the vertices of 15 microlenses.
  • the closest distances D1 to D15 between the vertices are calculated, and all the closest distances D1 to D15 between the respective vertices of the microlens are included within ⁇ 10% of the average D ave .
  • it is preferable. That is, it is preferable that the following conditional expression (1) is satisfied with all of n 1 to N (N is the number of vertices of the microlens included in the unit (N ⁇ 4)).
  • conditional expression (1) and conditional expression (2) it is sufficient if one or more different values of D1 to DN are included, and it is more preferable if they are all different.
  • condition (1) deviates greatly, that is, if the degree of variation becomes too large, speckle noise due to non-periodicity increases, which is not preferable.
  • FIG. 2A is a schematic diagram of the aperiodic lens array unit 11 shown in FIG. In FIG. 2A, shading corresponds to the height (or depth) of each region.
  • a bold broken line represents the boundary of the microlens 111.
  • a black circle represents the apex position of the microlens 111.
  • FIG. 2B is a diagram for explaining the variation of the microlenses 111 in the aperiodic lens array unit 11.
  • the alternate long and short dash line represents the standard pitch.
  • the lengths of any two axial directions (for example, the U-axis direction and the V-axis direction in the figure) of the non-periodic lens array unit 11 that intersect each other are Lu and Lv, respectively.
  • Lu the first standard pitch Pu
  • Lv / J the second standard pitch Pv.
  • each of the microlenses 111 is on the first direction between the apexes of two adjacent microlenses on the plus side and the minus side in the first direction.
  • the distances Du1 and Du2 are both within a deviation amount of ⁇ 10% with respect to the first standard pitch Pu, Du1 ⁇ Du2, and two adjacent in the second direction on the plus side and the minus side, respectively. It is preferable that both the distances Dv1 and Dv2 in the second direction between the apexes of the microlens are within ⁇ 10% of the second standard pitch Pv and Dv1 ⁇ Dv2.
  • each of the microlenses 111 satisfies all of the following conditional expression group (3).
  • Du1 may be, for example, the distance in the first direction between the apexes of the microlens and the microlens adjacent to the positive side of the first direction.
  • Du2 may be, for example, a distance in the first direction between the apexes of the microlens and the microlens adjacent to the minus side of the first direction.
  • Dv1 may be, for example, a distance in the second direction between the apexes of the microlens and another microlens adjacent to the plus side in the second direction.
  • Dv2 may be, for example, a distance in the second direction between the apexes of the microlens and another microlens adjacent to the minus side of the second direction.
  • the distance between vertices between two microlenses 111 adjacent along a certain axial direction is expressed as D ⁇ ⁇ ⁇ . .
  • ⁇ is a code for identifying the axial direction (U or V in the example of FIG. 2B).
  • ⁇ is a code for identifying the microlens 111 on the negative side in the axial direction (in the example of FIG. 2B, the alphabet at the end of the microlens code 111).
  • ⁇ is a code for identifying the microlens 111 on the plus side. For example, in the example shown in FIG.
  • the distance between the apex of the microlens 111a and the microlens 111b adjacent to the V-axis direction is denoted as Dv ab. This notation is the same when straddling units.
  • Dv ab the distance between the apex of the microlens 111a of micro lens 111d and other units that are adjacent to the V-axis direction.
  • conditional expression group (3) When the above conditional expression group (3) is applied to the example shown in FIG. 2B, for example, the following conditional group (4) is obtained.
  • these microlenses are arranged so as to satisfy all the conditional expression groups (4) shown below.
  • condition is symmetrical and there is no gap (filling rate 100%).
  • condition groups (3) and (4) an example is shown in which the deviation amount with respect to the standard pitch is within ⁇ 10%, but the deviation amount with respect to the standard pitch is more preferably within ⁇ 5%.
  • FIG. 2B when the outer edge shape of the aperiodic lens array unit 11 is a rectangle (inner angle is 90 degrees), the axes parallel to the two sides are the first axis and the second axis with the standard pitch.
  • the first axis and the second axis which are also the arrangement directions of the microlenses in the unit, need only intersect with each other, and need not be orthogonal axes.
  • FIGS. 3A and 3B are explanatory diagrams showing examples of standard pitches when the outer edge shape of the non-periodic lens array unit 11 is a hexagon, and FIGS. 3A and 3B. Is an example in which the U axis and the V axis are given differently. The various conditions shown above are the same for the hexagonal shape.
  • the number of vertices in one axial direction is preferably 10 or less.
  • the aperiodic lens array unit is located near the boundary position of the microlens so that the state of the arrangement of the microlenses in the aperiodic lens array unit 11 can be clearly understood.
  • 11 boundary positions are defined, but the boundary position of the unit is not limited to this.
  • the aperiodic lens array unit 11a is an example in which the boundary position is set so as to have the same structure as that of the aperiodic lens array unit 11 shown in FIG.
  • the aperiodic lens array unit 11b is an example in which a different boundary position is set.
  • the overall configuration does not change regardless of where it is divided.
  • the image light projection screen 10 of the present embodiment has a repetitive structure of a set of microlenses in which the image display area is aperiodically arranged without gaps.
  • a set of 2 ⁇ 4 rows of microlenses arranged aperiodically and without gaps in the axial direction (X-axis direction and Y-axis direction) parallel to the two sides forming the image display area. has a repeating structure.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an example of the surface shape of the non-periodic lens array unit 11.
  • FIG. 5 shows an example of the surface shape of a region in which non-periodic lens array units 11 each having approximately 2 ⁇ 4 rows of concave microlenses arranged in an aperiod as one unit are arranged in 2 ⁇ 3 rows.
  • the heights of the vertices of the microlenses 111 in the aperiodic lens array unit 11 do not match.
  • the microlens 111 group included in the non-periodic lens array unit 11 preferably includes one or more microlenses having different apex heights.
  • the height of the apex of the micro lens is a distance (height or depth) in the height direction from the reference plane set for the aperiodic lens array unit 11 to the apex of the micro lens. It is more preferable if they are all different.
  • the reference plane for example, if the least square plane of the image display area can be recognized, the least square plane is preferable.
  • the highest point of the three aperiodic lens array units 11 if it is concave, somewhere in the boundary between microlenses, if it is convex, any micro A plane formed by connecting the apexes of the lens may be used as a reference plane.
  • the variation between the microlenses is within a certain range.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of the height position of the apex of the microlens 111 in the aperiodic lens array unit 11.
  • the maximum amount of the apex height difference ⁇ h in each combination of the microlenses 111 is defined as the maximum difference ⁇ h max .
  • the optical path length (refractive index n ⁇ ⁇ h max ) of the maximum difference ⁇ h max is preferably 1 ⁇ or more.
  • ⁇ represents the wavelength of incident light.
  • the above-described condition may be satisfied for a predetermined wavelength among the wavelengths of incident light.
  • a wavelength of 532 nm or 530 nm band (more specifically, 510 nm to 550 nm) as a design wavelength as a green wavelength in the case of visible light, or a wavelength having a predetermined width (for example, 10 nm) near the center wavelength.
  • a belt may be targeted.
  • the maximum difference ⁇ h max is the highest vertex height (for example, h max in the figure) and the lowest vertex height (for example, in the figure) in the group of microlenses 111 included in the non-periodic lens array unit 11. It can also be said that the difference of h min ).
  • the curvature radii R of the microlenses 111 are substantially the same.
  • R1 ⁇ R2 ⁇ R3 ⁇ R4 ⁇ R5 ⁇ R6 is preferable.
  • R ave which is the average of the respective curvature radii R of the microlenses 111
  • each microlens Since the curved surface shape of each microlens affects the scattering angle, if the curvature radius is different for each microlens, the scattering angle is different for each microlens, and a scattering angle distribution is generated in the image display area. Since the scattering angle with respect to the incident beam is a superposition of scattered light from each microlens in the incident beam, the use of microlenses having the same radius of curvature makes it easier to control the light quantity distribution of the emitted light beam. For example, it becomes easy to control the amount of light in the scattering angle to be uniform regardless of the angle from the center of the image display area.
  • the microlenses 111 may all be convex, and the surface shape of the microlens 111 may be a spherical surface or an aspherical surface represented by a paraboloid or an elliptic function. Further, as the upper limit of the maximum difference ⁇ h max described above, it is easy to control the light amount distribution of the emitted light beam, for example, to easily control the light amount in the scattering angle regardless of the angle from the center of the image display region. Therefore , it is preferably within 10% of R ave . That is, it is preferable to satisfy the following conditional expression (7).
  • the index corresponding to the average pitch P of the microlenses 111 in the non-periodic lens array unit 11 can be applied.
  • P is preferably 2 times or less of the corresponding side length of the display pixel, more preferably 1 time or less, and 1/10 from the relationship of speckle noise suppression.
  • the above is preferable, and 1/5 or more is more preferable.
  • the length of the corresponding side may be a diagonal length if D ave and the same axial length if Pu and Pv. This is because if the average pitch P is too large, the resolution decreases.
  • a suitable display pixel has a pixel size of about 50 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the average pitch is preferably not more than twice the length of the corresponding side of the display pixel. Therefore, the upper limit of the average pitch P is preferably set in a range of 100 ⁇ m (corresponding to a display pixel of 50 ⁇ m) to 400 ⁇ m (corresponding to a display pixel of 200 ⁇ m). In particular, in the case of an image light projection screen for HUD, the upper limit of the average pitch P is more preferably set in the range of 50 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the lower limit of the average pitch P is preferably set in the range of 5 ⁇ m to 20 ⁇ m, and more preferably in the range of 10 ⁇ m to 40 ⁇ m. Further, the average pitch P can be set to 40 ° or less when the following conditional expression (8) is satisfied with R ave .
  • the optical characteristics of the screen have a certain level of scattering power for incident light.
  • the image light is diffused to some extent (a predetermined angle or more), particularly in the vertical direction and the left-right direction. Is required.
  • the required scattering power differs for each application.
  • the scattering angle is preferably 10 ° to 40 °.
  • the scattering angle is preferably 100 ° or more.
  • the amount of light in the scattering angle is uniform regardless of the angle because the brightness of the image does not change regardless of the angle at which the screen is viewed. That is, it is preferable because the viewing angle can be widened. Further, the horizontal scattering angle and the vertical scattering angle may not be the same depending on the viewing angle of the screen.
  • FIG. 8A is a schematic diagram showing the state of light incident on the image light projection screen 10 of this embodiment and light scattered and transmitted, and is sufficiently separated from the image light projection screen 10.
  • a cross section AA ′ perpendicular to the straight direction of incident light at a distance L is shown.
  • the distance L [mm] is a distance such that the thickness of the image light projection screen 10 can be ignored.
  • FIG. 8B shows the light intensity distribution when the horizontal axis represents the angle formed by the light beam traveling toward the AA ′ cross section with the point where the image light projection screen 10 intersects the optical axis as the base point.
  • the light amount distribution in a desired scattering angle on a predetermined projection surface formed by the scattered light emitted from the image light projection screen 10 is within ⁇ 20% with respect to the light amount at the center point, it is uniform. This is preferable. Therefore, it is preferable to design the radius of curvature of the microlens so that the light beam emitted from the image light projection screen 10 has such a light quantity distribution.
  • the period of the non-periodic lens array unit 11 is preferably 10 times or less of the diagonal length of the display pixel, and more preferably 5 times or less. This is because if it is too large, the advantage of the periodic structure is suppressed, and an interference pattern due to the random structure may occur.
  • the microlens 111 only needs to be made of translucent glass, resin, or the like.
  • the method for forming the lens shape on the glass surface include wet etching, a method for forming a lens-shaped resist pattern by gray scale exposure or registry flow, and then a method for dry etching the glass surface, and a method for press molding with a molding die. It is done.
  • a method for forming a lens shape using a resin, imprinting or the like may be mentioned on the surface of an injection molding or glass substrate.
  • an antireflection film such as a dielectric multilayer film may be formed on the front and back surfaces of the microlens of the image light projection screen 10 in order to suppress reflection of incident light.
  • the image light projection screen 10 of the present embodiment has a configuration in which microlens arrays having an aperiodic structure are periodically arranged, so that speckle noise caused by a random structure is suppressed.
  • the diffraction pattern and moire caused by the periodic structure can be reduced, and as a result, the deterioration of the image quality can be further suppressed.
  • Speckle noise is caused by glare that occurs due to random interference caused by non-periodic scattering plates. Therefore, the non-periodic lens, while suppressing the non-periodicity of each microlens of the non-periodic lens array unit 11, more specifically, the degree of variation in the two-dimensional arrangement and / or height direction within ⁇ 10%. By arranging the array units 11 periodically, speckle noise caused by non-periods can be reduced. Further, although diffraction patterns and moire are generated by regular interference with periodicity, since each microlens is arranged with nonperiodicity in each aperiodic lens array unit 11, the regularity is lost and diffraction occurs. Patterns and moire can be reduced.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an example of the display system of the present embodiment.
  • a display system 1000 shown in FIG. 9 includes an image projection device 100 and an image light projection screen 10.
  • the image light projection screen 10 may be the same as the image light projection screen 10 of the first embodiment.
  • the image projection apparatus 100 may be a general image projection apparatus.
  • the image projection apparatus 100 includes a light source, image light forming means (for example, a light valve) that modulates a light beam emitted from the light source according to image information to form image light, and the formed image light as predetermined.
  • image light forming means for example, a light valve
  • the projector may be a scanning type or a projection type.
  • the image light projection screen 10 is disposed on the front side (side on which the viewer is present) of the image projection apparatus 100, and projects image light projected from the back side to the front side. More specifically, the image light projection screen 10 emits image light incident from the back side while being refracted and diffused to the front side.
  • FIG. 10 is an example of a more detailed configuration diagram of the display system 1000.
  • a display system 1000a shown in FIG. 10 includes a scanning image projector 100a and an image light projection screen 10.
  • the image light projection screen 10 may be simply referred to as a screen 10.
  • the scanning image projector 100 a includes a 2D scan mirror 4 for scanning light on the display surface of the screen 10, and a light source optical system 6 that guides coherent light to the 2D scan mirror 4.
  • a configuration may be provided that includes a first scan mirror that scans light in the horizontal direction and a second scan mirror that scans light in the vertical direction.
  • a micromechanical mirror or the like formed by the MEMS technology is advantageous in terms of miniaturization.
  • a galvano mirror may be used as the first scan mirror and the second scan mirror described above, and one mirror may be a galvano mirror and the other mirror may be a micro mechanical mirror.
  • the light source optical system 6 includes, for example, at least one light source unit 1 that emits coherent light, a collimator lens 2 that converts light emitted from the light source unit 1 into parallel light, and parallel light emitted from the collimator lens 2. And a dichroic mirror 3 that guides the light to the 2D scan mirror 4.
  • the light source unit 1 that emits coherent light
  • laser light sources 1-R and 1-R corresponding to three colors of red, green, and blue using a semiconductor laser, a solid laser, or the like.
  • G, 1-B The lights emitted from the laser light sources 1-R, 1-G, and 1-B are condensed by the collimator lenses 2-R, 2-G, and 2-B so as to be substantially parallel light, and the dichroic mirror 3 -R, 3-G and 3-B are incident. Then, it is synthesized by the dichroic mirrors 3-R, 3-G, and 3-B, and is incident on the mirror surface of the 2D scan mirror 4 obliquely as three primary color laser beams.
  • substantially parallel light means that the divergence angle of the laser light is about 2 mrad or less.
  • the light reflected by the 2D scan mirror 4 reaches the screen 10.
  • the 2D scan mirror 4 is driven by a mirror control unit (not shown) and is rotated in the horizontal direction and the vertical direction according to a predetermined scanning frequency.
  • the normal direction of the light incident surface of the 2D scan mirror 4 changes with respect to the optical axis of the incident laser light.
  • the optical axis of the laser beam reflected by this surface also changes each time it is rotated. In this manner, the laser beam reflected by the 2D scan mirror 4 irradiates a predetermined partial area while scanning or moving on the screen surface, and a desired image is displayed on the entire screen surface of the screen 10.
  • the image projector 100 is not limited to the configuration shown in FIG. FIG. 11 is a configuration diagram showing another example of the display system 1000 of the present embodiment, and the configuration shown in FIG. 10 is that a scanning image projection device 100b is provided instead of the scanning image projection device 100a. Different.
  • the scanning image projection apparatus 100b includes a 2D scan mirror 4 for scanning light on the display surface of the screen 10, a light source optical system 6 including at least one light source unit 1 that emits coherent light, a polarization beam splitter 8, A quarter-wave plate 7 that changes the polarization direction of incident light.
  • the linearly polarized light emitted from the light source optical system 6 is reflected by the polarizing beam splitter 8, passes through the quarter wavelength plate 7, and becomes circularly polarized light, thereby forming a 2D scan mirror. 4 is incident on the mirror surface.
  • the light reflected by the 2D scan mirror 4 passes through the quarter-wave plate 7 again to be converted into linearly polarized light, and light in a polarization direction orthogonal to the light when entering the polarization beam splitter 8. And goes straight through the polarization beam splitter 8 and reaches the screen 10.
  • the display system 1000 may be a display system 1000c used as a HUD as shown in FIG.
  • a display system 1000c shown in FIG. 12 emits an image projection device 100 that magnifies and projects image light onto a predetermined screen surface, a box-shaped outer casing 300 that houses the image projection device 100, and the image projection device 100.
  • An image light projection screen 10 and a combiner 200 are provided as a transmissive screen for projecting image light.
  • the exterior casing 300 has an opening 301 formed on the front side (viewer side).
  • the image light projection screen 10 may be exposed through the opening 301 of the exterior housing 300 and project the image light projected from the back side to the front side.
  • the image light projection screen 10 does not necessarily have to be exposed (see FIG. 15 described later). That is, the image light projection screen 10 may be provided and projected in an optical path including the opening 301.
  • the combiner 200 displays a superimposed image and background by reflecting a part of the light from the image light projection screen 10 and transmitting a part of the external light.
  • the reflecting surface of the combiner 200 may be concave.
  • the reflecting surface of the combiner 200 is concave, the reflecting surface becomes a concave mirror and functions in the same manner as a convex lens. In such a case, it is seen from the viewer 201 that an image (more specifically, a virtual image 202) is enlarged and displayed through the combiner 200 (see FIG. 13).
  • the display system 1000c shown in FIG. 12 has the image projection apparatus 100 as a light source for the HUD.
  • the exterior casing 300 and each element in the exterior casing 300 may be collectively referred to as a main device.
  • the display system 1000 c may include a mirror 400 that guides image light emitted from the image projection apparatus 100 to the image light projection screen 10 as an element of the main body apparatus. Further, as shown in FIG. 15, the display system 1000c changes the direction of light emitted from the image light projection screen 10 and distorts it on the front side of the image light projection screen 10 as an element of the main device.
  • a field lens 500 for correction may be provided.
  • a lens or the like for efficiently transmitting light may be provided on the back side of the image light projection screen 10.
  • Example 1 Next, a first embodiment of the present invention will be described.
  • This example is an example of the image light projection screen 10 shown in FIG.
  • the screen 10 for projecting image light is non-periodic and free of gaps substantially along two orthogonal directions (X-axis direction and Y-axis direction in FIG. 1) parallel to the sides of the image-light projection screen 10. It has an image display area filled with a repeating structure of a set of 3 ⁇ 5 rows of arranged microlenses 111.
  • FIG. 16 is a schematic top view showing an example of the aperiodic lens array unit 11 in the image light projection screen 10 of the present embodiment. Also in FIG. 16, the bold broken line represents the boundary of the microlens 111, and the black circle represents the vertex position of the microlens 111.
  • the non-periodic lens array unit 11 of the present embodiment is rectangular, and includes 15 vertices of curved microlenses 111 arranged without gaps and non-periodically.
  • the vertices of 15 microlenses 111a to 111o are included.
  • the distance between the vertices of each microlens in the present embodiment is as follows.
  • the closest distance between the apexes of the microlenses in the non-periodic lens array unit 11 shown in FIG. 16 is
  • the image display area of the image light projection screen 10 of this example is filled with a repeating structure of one kind of aperiodic lens array unit having a rectangular outer edge shape. Therefore, the arrangement of the aperiodic lens array unit 11 shown in FIG. 16 is merely an example, and the overall configuration does not change regardless of where the unit is divided.
  • etching is performed for 100 ⁇ m on one side of the glass substrate by wet etching, and the image light projection screen 10 in which the radius of curvature of the concave surface is 100 ⁇ m is obtained.
  • a scattering angle of about 30 ° was obtained when light having a wavelength of 450 nm was incident on the obtained image light projection screen 10. In addition, since no diffraction pattern was generated, it was found that regular interference was suppressed by non-periodicity.
  • the first comparative example is a scattering plate having a random uneven structure on the surface. Specifically, it is a scattering plate obtained by treating one surface of a glass substrate with sand blasting, and has a characteristic of a scattering angle of about 15 ° due to a random uneven structure.
  • the image projected by installing the first example and the first comparative example as the image light projection screen is confirmed with respect to laser light having a wavelength of 532 nm.
  • the image light projection screen 10 of the first embodiment is used, deterioration in image quality due to speckle noise is suppressed, and a better image quality is obtained than when the diffusion plate of the first comparative example is used. It was.
  • the second comparative example is an example of an image light projection screen having a flat region in the image display region, that is, a microlens filling rate of less than 100%.
  • etching is performed for 42 ⁇ m on one side of the glass substrate by wet etching using the same molybdenum mask pattern as in the first embodiment.
  • an image light projection screen in which adjacent lens curved surfaces in the X-axis direction are not connected to each other and a curved surface is not formed remains with a width of about 15 ⁇ m, and the filling rate is not 100%.
  • the average radius of curvature of the microlenses in the unit is 42 ⁇ m.
  • the present invention is preferably applicable to any screen for projecting image light and any device (display system) using the screen.
  • SYMBOLS 10 Image light projection screen 11, 11a, 11b Aperiodic lens array unit 111, 111a, 111b, 111c, 111d, 111e, 111f, 111g, 111h Micro lens 12 Main surface 13 Image display area 100 Image projector 100a, 100b Scan Type image projector 1 light source 1-R, 1-G, 1-B laser light source 2 collimator lens 3 dichroic mirror 4 2D scan mirror 6 light source optical system 7 1 ⁇ 4 wavelength plate 8 polarizing beam splitter 1000, 1000a, 1000b, 1000c display system 201 viewer 202 virtual image 300 exterior housing 301 opening 200 combiner 400 mirror 500 field lens

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Abstract

　画像光投影用スクリーン（１０）は、主表面（１２）上に、規則的かつ少なくとも画像表示領域（１３）内において隙間なく２次元配列された複数の非周期レンズアレイユニット（１１）を備え、前記非周期レンズアレイユニット（１１）は各々、曲面形状のマイクロレンズであって、隙間なくかつ非周期に並べられたマイクロレンズの頂点を４個以上含むとともに、境界部分に位置するマイクロレンズの曲面形状の連続性が保たれる対称性を有するように構成されている。

Description

画像光投影用スクリーンおよび表示システム
　本発明は、画像光を投影するためのスクリーンである画像光投影用スクリーン、および該画像光投影用スクリーンを備えたリアプロジェクタやヘッドアップディスプレイ等の表示システムに関する。
　レーザーダイオード等のコヒーレントな光を発する光源を用いて画像光を生成し、スクリーンへの投射を行う投射型表示装置として、背面投射型プロジェクタ（リアプロジェクタ）やヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）が知られている。これらはいずれも、生成した画像光を投影するための画像光投影用スクリーン、いわゆる透過型スクリーンを用いる。例えば、リアプロジェクタは、透過型スクリーンを用いて光源と対向する側から画像光を認識させる。また、例えば、ＨＵＤは、透過型スクリーンを透過した画像光をコンバイナーで反射させて画像光を認識させる。
　ところで、人間がスクリーン上に投影される画像光を認識できるためには、スクリーンが、入射する光に対して一定レベルの散乱能を有している必要がある。
　このため、透過型スクリーンの多くは、画像を映し出すスクリーンの表面に擦りガラスのようなランダムな凹凸形状を設けるなどして入射する画像光を拡散させている。
　しかし、このような透過型スクリーンにレーザー光のようなコヒーレントな光が照射されると、スペックルパターンまたはスペックルノイズと呼ばれる、ランダム構造に起因したレーザー光の干渉模様が投影面上に発生し、クリアな画像を再現できない問題がある。
　透過型スクリーンによるスペックルノイズを低減する技術として、例えば、特許文献１には、透光性基板の少なくとも片面に、複数の単位レンズが２次元的にマトリクス配列されたマイクロレンズアレイ部を設けた構成が記載されている。
　また、特許文献２には、入射する光に対して互いに直交する２つの直線偏光成分に分割して射出する第１の領域および第２の領域を面内に不規則に複数形成したランダム位相差層を備えた透過型スクリーンが記載されている。
日本国特開２００５－０１７９１９号公報 日本国特開２００７－１９２９８９号公報
　特許文献１に記載された透過型スクリーンは、曲面形状を利用して散乱能を付与する構造であるので、スクリーンに入射する画像光の偏光方向は限定されない。しかし、特許文献１に記載の透過型スクリーンは、周期構造を持つマイクロレンズアレイを設けているため、周期構造に起因した回折パターンやモアレが発生する問題がある。なお、回折パターンやモアレが発生してもクリアな画像を再現できない。
　また、特許文献２に記載された透過型スクリーンは、ランダム位相差層が、直線偏光で入射する画像光の偏光方向に対して遅相軸が＋４５°もしくは－４５°で傾斜するように配備されなければならない。換言すると、そのような角度関係になるよう、入射する画像光の偏光方向を制御しなければならない。このような入射光の偏光方向が限定される構成は、画像光を照射する側の表示装置または照射された画像光がスクリーンに到達するまでの光路中に偏光方向を制御する機能を追加しなければならず、好ましくない。
　そこで、本発明は、入射する画像光の偏光方向が限定されない画像光投影用スクリーンであって、スペックルノイズだけでなく、回折パターンやモアレを含む画質品質を低下させる原因を低減できる画像光投影用スクリーンの提供を目的とする。また、本発明は、そのような画像光投影用スクリーンを備えた表示システムの提供を目的とする。
　本発明による画像光投影用スクリーンは、主表面上に、規則的かつ少なくとも画像表示領域内において隙間なく２次元配列された複数の非周期レンズアレイユニットを備え、非周期レンズアレイユニットは各々、曲面形状のマイクロレンズであって、隙間なくかつ非周期に並べられたマイクロレンズの頂点を４個以上含むとともに、境界部分に位置するマイクロレンズの曲面形状の連続性が保たれる対称性を有していることを特徴とする。
　また、本発明による表示システムは、コヒーレント光を発する光源と、光源から射出された光束を画像情報に応じて変調して画像光を形成する画像光形成手段と、画像光を所定のスクリーン面に向けて拡大投影する投影光学系とを有する画像投影装置と、透過型スクリーンとを備え、透過型スクリーンが、上記記載の画像光投影用スクリーンであることを特徴とする。
　本発明によれば、画像光の偏光方向を限定せずに、画質品質を低下させる原因を低減できる画像光投影用スクリーンおよび表示システムを提供できる。
図１は、第１の実施形態の画像光投影用スクリーンの例を示す模式図であって、（ａ）は、第１の実施形態の画像光投影用スクリーンの例を示す模式上面図であり、（ｂ）は、非周期レンズアレイユニット１１の例を示す模式上面図である。 図２は、非周期レンズアレイユニット１１の模式図であって、（ａ）は、図１（ｂ）に示す非周期レンズアレイユニット１１の模式図であり、（ｂ）は、非周期レンズアレイユニット１１内におけるマイクロレンズのばらつき具合を説明するための説明図である。 図３は、六角形の非周期レンズアレイユニット１１の標準ピッチの例を示す説明図であって、（ａ）は、Ｌ軸とＶ軸の捉え方の１例であり、（ｂ）は（ａ）と異なるＬ軸とＶ軸の捉え方を示す例である。 図４は、非周期レンズアレイユニット１１の配置例を示す説明図である。 図５は、非周期レンズアレイユニット１１の表面形状の例を示す斜視図である。 図６は、非周期レンズアレイユニット１１内におけるマイクロレンズ１１１の頂点の高さ位置の例を示す模式断面図である。 図７は、非周期レンズアレイユニット１１内におけるマイクロレンズ１１１の曲率半径の例を示す模式断面図である。 図８は、散乱角を説明するための説明図であって、（ａ）は、画像光投影用スクリーンに入射する光と、散乱して透過する光の様子を示した模式図であり、（ｂ）は、画像光投影用スクリーンと光軸とが交わる点を基点として（ａ）のＡ－Ａ’の断面へ向かう光線が光軸となす角度を横軸にしたときの光強度分布を示す図である。 図９は、第２の実施形態の表示システムの例を示す模式図である。 図１０は、表示システム１０００のより詳細な構成例を示す構成図である。 図１１は、表示システム１０００の他の例を示す構成図である。 図１２は、表示システム１０００の他の例を示す模式断面図である。 図１３は、表示システム１０００ｃの光学系の例を示す説明図である。 図１４は、表示システム１０００ｃにおける本体装置の他の例を示す模式断面図である。 図１５は、表示システム１０００ｃにおける本体装置の他の例を示す模式断面図である。 図１６は、第１の実施例の画像光投影用スクリーン１０における非周期レンズアレイユニット１１を示す模式上面図である。 図１７は、第１の実施例における各マイクロレンズの頂点間の最近接距離をまとめて示す説明図である。
実施形態１．
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）は、第１の実施形態の画像光投影用スクリーン１０の例を示す模式上面図である。図１（ａ）に示す画像光投影用スクリーン１０は、主表面１２の少なくとも画像を表示する画像表示領域１３を満たすように規則的に２次元配列された、複数の非周期レンズアレイユニット１１を備えている。なお、平面領域、すなわち画像表示領域１３を満たすとは、より具体的には、少なくとも該領域内において隙間がないことである。
　また、図１（ｂ）は、非周期レンズアレイユニット１１の例を示す模式上面図である。なお、図１（ｂ）において、グラデーション濃度は、各領域の高さ（または深さ）に対応している。図１（ｂ）に示すように、１つの非周期レンズアレイユニット１１は、隙間なくかつ非周期に並べられた、曲面形状のマイクロレンズ１１１の頂点を４個以上含む。換言すると、１つの非周期レンズアレイユニット１１内には、少なくとも４つの曲面形状のマイクロレンズ１１１の頂点が、隙間なくかつ非周期に並んでいる。より具体的には、非周期レンズアレイユニット１１内に平坦な領域がなく、かつ非周期レンズアレイユニット１１内に含まれるマイクロレンズ１１１群に、マイクロレンズの頂点同士のうち最も近い距離である最近接距離が異なるものが１つ以上含まれていればよい。なお、異なるマイクロレンズ１１１の組み合わせ全ての最近接距離が異なっていれば更に好ましい。
　また、非周期レンズアレイユニット１１に含まれるマイクロレンズの頂点数は、周期構造による回折パターンやモアレを低減するため６個以上が好ましく、１０個以上がより好ましい。また、該頂点数は、非周期構造によるスペックルノイズを低減するため１００個以下が好ましく、５０個以下がより好ましい。
　図１（ｂ）には、８個のマイクロレンズ１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ，１１１ｅ，１１１ｆ，１１１ｇ，１１１ｈが、直交する二軸（図ではＸ軸およびＹ軸）に沿うように略２×４列に並べられた例が示されている。ただし、マイクロレンズ１１１各々の頂点間の距離は一定でなく、ばらつきを有している。なお、頂点間の距離とは、図１（ｂ）でいうＸ－Ｙ平面の平面視における頂点間の距離であり、奥行き方向（Ｚ方向）は考慮しない。
　また、図１（ａ）および図１（ｂ）には、外縁の形状が四角形の非周期レンズアレイユニット１１が示されているが、非周期レンズアレイユニット１１の外縁の形状は、平面の領域を隙間なく埋めることができる形状であれば特に問わない。例えば、六角形であってもよい。また、四角形であっても、長方形に限らず正方形やひし形であってもよい。また、全体的には四角形や六角形であるが辺の形が波型など、辺が直線でないものも含まれる。また、非周期レンズアレイユニット１１の外縁形状は、並進操作のみによって平面領域を満たす形状である四角形または六角形が好ましいが、回転操作や鏡映操作を含む対称操作によって平面領域を満たす形状（例えば、三角形や台形）であってもよい。
　例えば、マイクロレンズ１１１間に隙間が生じていると、その部分は平坦な表面形状になるため、当該領域に照射した光は拡散されずに直進透過する。これを防止するためには、平坦な領域に対応して、透過光を遮蔽するブラックマスクなどを形成するなど、構造の複雑化および光量ロスを招くため、好ましくない。
　また、図１（ｂ）に示すように、非周期レンズアレイユニット１１は、その外縁部分において、他の非周期レンズアレイユニット１１に含まれるマイクロレンズ１１１の一部を含んでいてもよい。ただし、非周期レンズアレイユニット１１を平面領域に隙間なく配置する条件として、非周期レンズアレイユニット１１を２次元配列した際の境界部分において、マイクロレンズの曲面形状の連続性が保たれるよう、各辺上のマクロレンズアレイの配置に対称性を有している必要がある。ただし、非周期レンズアレイユニット１１の境界とマイクロレンズの境界とが重なる部分についてはこの限りでない。なお、非周期レンズアレイユニット１１の境界部分でレンズ形状の連続性が保たれていれば、その内側（ユニット内）はランダムにマイクロレンズ１１１を配置してもよい。
　なお、当該画像光投影用スクリーン１０を透過した先の光量分布のばらつきを抑制するために、非周期レンズアレイユニット１１内のマイクロレンズ１１１の配置のばらつきは、一定の範囲に収まっているのが好ましい。
　以下、平面配置におけるばらつきの程度を示す指標として、マイクロレンズの頂点間の最近接距離を用いて説明する。例えば、１つの非周期レンズアレイユニット１１内に、１５個のマイクロレンズの頂点が含まれているとする。このとき、各頂点間の最近接距離Ｄ１～Ｄ１５を計算し、それらの平均であるＤａｖｅに対して、マイクロレンズの各々の頂点間の最近接距離Ｄ１～Ｄ１５全てが±１０％以内に含まれていると好ましい。すなわち、以下に示す条件式（１）を、ｎ＝１～Ｎ（Ｎはユニット内に含まれるマイクロレンズの頂点数（Ｎ≧４））の全てで満たすのが好ましい。なお、条件式（１）および条件式（２）について、Ｄ１～ＤＮのうち、異なる値が１つ以上含まれていればよく、全て異なっていれば更に好ましい。
０．９×Ｄａｖｅ≦Ｄｎ≦１．１×Ｄａｖｅ　・・・（１）
　例えば、上記の条件式（１）から大きく外れた場合、すなわちばらつきの程度が大きくなりすぎた場合、非周期性によるスペックルノイズが大きくなるため好ましくない。
　なお、ばらつきに関する上記条件に関わらず、対称性を有し、かつ隙間がない（充填率１００％）条件は満たされているものとする。なお、平均に対するずれ量は±５％以内がより好ましい。すなわち、以下に示す条件式（２）を、ｎ＝１～Ｎ全てで満たすのがより好ましい。
０．９５×Ｄａｖｅ≦Ｄｎ≦１．０５×Ｄａｖｅ　・・・（２）
　また、非周期レンズアレイユニット１１内のマイクロレンズ１１１の配置のばらつきの程度は、次に示す標準ピッチを用いて評価してもよい。図２（ａ）は、図１（ｂ）に示す非周期レンズアレイユニット１１の模式図である。図２（ａ）において、網掛けは、各領域の高さ（または深さ）に対応している。また、太線の破線はマイクロレンズ１１１の境界を表している。また、黒丸はマイクロレンズ１１１の頂点位置を表している。
　また、図２（ｂ）は、非周期レンズアレイユニット１１内におけるマイクロレンズ１１１のばらつき具合を説明する図である。図２（ｂ）において、１点鎖線は標準ピッチを表している。
　ここで、標準ピッチは、非周期レンズアレイユニット１１の、交差する関係にある任意の２つの軸方向（例えば、図中のＵ軸方向とＶ軸方向）の長さをそれぞれＬｕ，Ｌｖとして、Ｌｕをとった領域においてＬｕの軸方向である第１軸方向に略平行に少なくともＭ個以上のマイクロレンズの頂点を有し、Ｌｖをとった領域においてＬｖの軸方向である第２軸方向に略平行に少なくともＪ個以上のマイクロレンズの頂点を有する設計とした場合の、Ｌｕ／ＭおよびＬｖ／Ｊに相当する。より具体的には、Ｌｕ／Ｍが第１の標準ピッチＰｕであり、Ｌｖ／Ｊが第２の標準ピッチＰｖである。なお、図２に示す例では、Ｍ＝２、Ｊ＝４である。
　このような標準ピッチに基づいて、非周期レンズアレイユニット１１内において、マイクロレンズ１１１の各々は、第１方向のプラス側およびマイナス側においてそれぞれ隣り合う２つのマイクロレンズの頂点間の第１方向上の距離Ｄｕ１およびＤｕ２がいずれも、第１の標準ピッチＰｕに対して±１０％以内のずれ量であるとともにＤｕ１≠Ｄｕ２であり、かつ第２方向のプラス側およびマイナス側においてそれぞれ隣り合う２つのマイクロレンズの頂点間の第２方向上の距離Ｄｖ１およびＤｖ２がいずれも、第２の標準ピッチＰｖに対して±１０％以内のずれ量であるとともにＤｖ１≠Ｄｖ２であると、好ましい。なお、ユニットの端に位置するために隣り合うマイクロレンズが１つしかない場合には、ユニットの対称性に基づき、非周期レンズアレイユニット１１の境界を跨いだ先の当該マイクロレンズと隣り合う、他の非周期レンズアレイユニット１１内のマイクロレンズの頂点との距離を用いればよい。
　すなわち、非周期レンズアレイユニット１１内において、マイクロレンズ１１１の各々が、以下に示す条件式群（３）を全て満たすのが好ましい。
０．９×Ｐｕ≦Ｄｕ１≦１．１×Ｐｕ
０．９×Ｐｕ≦Ｄｕ２≦１．１×Ｐｕ
０．９×Ｐｖ≦Ｄｖ１≦１．１×Ｐｖ
０．９×Ｐｖ≦Ｄｖ２≦１．１×Ｐｖ
Ｄｕ１≠Ｄｕ２
Ｄｖ１≠Ｄｖ２
　・・・（３）
　ここで、Ｄｕ１は、例えば当該マイクロレンズと略第１方向のプラス側に隣接しているマイクロレンズとの頂点間の第１方向上の距離であってもよい。また、Ｄｕ２は、例えば当該マイクロレンズと略第１方向のマイナス側に隣接しているマイクロレンズとの頂点間の第１方向上の距離であってもよい。また、Ｄｖ１は、例えば当該マイクロレンズと略第２方向のプラス側に隣接している他のマイクロレンズとの頂点間の第２方向上の距離であってもよい。また、Ｄｖ２は、例えば当該マイクロレンズと略第２方向のマイナス側に隣接している他のマイクロレンズとの頂点間の第２方向上の距離であってもよい。
　例えば、図２（ｂ）に示すように、ある軸方向に沿って隣接している２つのマイクロレンズ１１１間の頂点間の距離をＤ｛γ｝｛α｝｛β｝と表記するものとする。なお、｛γ｝には軸方向を識別する符号（図２（ｂ）の例では、ＵまたはＶ）が入る。また、｛α｝にはその軸方向のマイナス側にいるマイクロレンズ１１１を識別する符号（図２（ｂ）の例では、マイクロレンズの符号１１１の末尾のアルファベット）が入る。また、｛β｝には、プラス側にいるマイクロレンズ１１１を識別する符号が入る。例えば、図２（ｂ）に示す例において、Ｖ軸方向に隣接するマイクロレンズ１１１ａとマイクロレンズ１１１ｂとの頂点間の距離はＤｖａｂと表記される。なお、当該表記法はユニットを跨ぐ場合も同様である。例えば、図２（ｂ）に示す例において、Ｖ軸方向に隣接しているマイクロレンズ１１１ｄと他のユニットのマイクロレンズ１１１ａとの頂点間の距離はＤｖｄａと表記される。
　上記の条件式群（３）を、例えば図２（ｂ）に示す例に適用した場合には、以下に示す条件群（４）となる。換言すると、図２（ｂ）に示される非周期レンズアレイユニット１１の場合には、以下に示す条件式群（４）を全て満たすようにこれらマイクロレンズが配置されているのがより好ましい。
０．９×Ｐｖ≦Ｄｖａｂ≦１．１×Ｐｖ
０．９×Ｐｖ≦Ｄｖｂｃ≦１．１×Ｐｖ
０．９×Ｐｖ≦Ｄｖｃｄ≦１．１×Ｐｖ
０．９×Ｐｖ≦Ｄｖｄａ≦１．１×Ｐｖ
Ｄｖａｂ≠Ｄｖｂｃ
Ｄｖｂｃ≠Ｄｖｃｄ
Ｄｖｃｄ≠Ｄｖｄａ
０．９×Ｐｖ≦Ｄｖｅｆ≦１．１×Ｐｖ
０．９×Ｐｖ≦Ｄｖｆｇ≦１．１×Ｐｖ
０．９×Ｐｖ≦Ｄｖｇｈ≦１．１×Ｐｖ
０．９×Ｐｖ≦Ｄｖｈｅ≦１．１×Ｐｖ
Ｄｖｅｆ≠Ｄｖｆｇ
Ｄｖｆｇ≠Ｄｖｇｈ
Ｄｖｇｈ≠Ｄｖｈｅ
０．９×Ｐｕ≦Ｄｕａｅ≦１．１×Ｐｕ
０．９×Ｐｕ≦Ｄｕｂｆ≦１．１×Ｐｕ
０．９×Ｐｕ≦Ｄｕｃｇ≦１．１×Ｐｕ
０．９×Ｐｕ≦Ｄｕｄｈ≦１．１×Ｐｕ
０．９×Ｐｕ≦Ｄｕｅａ≦１．１×Ｐｕ
０．９×Ｐｕ≦Ｄｕｆｂ≦１．１×Ｐｕ
０．９×Ｐｕ≦Ｄｕｇｃ≦１．１×Ｐｕ
０．９×Ｐｕ≦Ｄｕｈｄ≦１．１×Ｐｕ
Ｄｕａｅ≠Ｄｕｅａ
Ｄｕｂｆ≠Ｄｕｆｂ
Ｄｕｃｇ≠Ｄｕｇｃ
Ｄｕｄｈ≠Ｄｕｈｄ
　・・・（４）
　なお、本例の場合も、ばらつきに関する上記条件に関わらず、対称性を有し、かつ隙間がない（充填率１００％）条件は満たされているものとする。また、上記条件群（３）および（４）では、標準ピッチに対するずれ量が±１０％以内を条件とする例を示したが、標準ピッチに対するずれ量も±５％以内がより好ましい。
　また、図２（ｂ）には、非周期レンズアレイユニット１１の外縁形状が、長方形（内角が９０度）の場合に、２辺と平行な軸を標準ピッチの第１軸および第２軸とする例が示されているが、ユニット内のマイクロレンズの配列方向でもある第１軸と第２軸とは、交差する関係であればよく、直交軸でなくてもよい。また、必ずしも非周期レンズアレイユニットの辺と平行でなくてもよい。図３（ａ）、図３（ｂ）は、非周期レンズアレイユニット１１の外縁形状が六角形の場合の標準ピッチの例を示す説明図であり、図３（ａ）と図３（ｂ）は、Ｕ軸とＶ軸の与え方が異なる例である。上記で示した各種条件は、六角形の場合も同様である。
　また、図２に示すように、交差する関係にある２つの軸方向である第１軸方向および第２軸方向の各々に略平行にマイクロレンズ１１１を並ばせる場合、非周期レンズアレイユニット１１が１つの軸方向において有する頂点数は２個以上１０個以下が好ましい。例えば、一方の軸方向において頂点数が１個しかない場合、図２（ｂ）の例でいうとＭ＝１の場合、非周期レンズアレイユニット１１内は、非周期ではあるが１×４列のマイクロレンズの組み合わせしかなくなる。そのため、そのような非周期レンズアレイユニット１１が周期的に繰り返されると、その軸方向（例えば、Ｕ軸方向）における周期性が強くなりすぎて好ましくない。なお、周期性が強くなりすぎると、周期構造による回折パターンやモアレが強く出るおそれがある。その一方で、１つの軸方向における頂点数が多すぎると、ユニット全体に含まれる頂点数も多くなって、非周期性が強くなりスペックルノイズが目立つおそれがあるため好ましくない。上述したように、非周期レンズアレイユニット１１全体に含まれるレンズアレイの頂点数が１００個以下となる目安として、１つの軸方向において有する頂点数は１０個以下が好ましい。
　また、図１（ｂ）および図２（ａ）に示す例では、非周期レンズアレイユニット１１内でのマイクロレンズの配列の様子がよくわかるようにマイクロレンズの境界位置付近に非周期レンズアレイユニット１１の境界位置が定められているが、ユニットの境界位置はこの限りではない。例えば、１種の非周期レンズアレイユニット１１が画像表示領域において周期的に配列される、すなわち繰り返し構造である場合、図４に示すように複数通りの境界位置の設定が可能である。図４において、非周期レンズアレイユニット１１ａは、図１（ｂ）に示した非周期レンズアレイユニット１１と同じ構造になるよう境界位置を設定した例である。また、非周期レンズアレイユニット１１ｂは、それとは違う境界位置を設定した例である。図４に示す例では、どこで区切っても全体構成は変わらない。
　なお、本実施形態の画像光投影用スクリーン１０は、画像表示領域が、非周期かつ隙間なく並ぶマイクロレンズの組の繰り返し構造を有しているとも言える。例えば、図４に示す例の場合、画像表示領域をなす２辺に平行な軸方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に非周期かつ隙間なく並べられた２×４列のマイクロレンズの組の繰り返し構造を有している。
　また、図５は、非周期レンズアレイユニット１１の表面形状の例を示す斜視図である。図５には、非周期に並べられた略２×４列の凹型のマイクロレンズを１つの単位とする非周期レンズアレイユニット１１が２×３列に配列された領域の表面形状の一例が示されている。図５に示すように、本実施形態の画像光投影用スクリーン１０は、非周期レンズアレイユニット１１内において、マイクロレンズ１１１の各々の頂点の高さが一致していないことが好ましい。より具体的には、非周期レンズアレイユニット１１内に含まれるマイクロレンズ１１１群に、マイクロレンズの頂点の高さが異なるものが１つ以上含まれていることが好ましい。ここで、マイクロレンズの頂点の高さは、非周期レンズアレイユニット１１に対して設定される基準平面から当該マイクロレンズの頂点までの高さ方向の距離（高さまたは深さ）とする。なお、全て異なっていれば更に好ましい。基準平面は、例えば、画像表示領域の最小二乗平面が認識可能であれば当該最小二乗平面が好ましい。また、最小二乗平面が認識困難である場合には、３つの非周期レンズアレイユニット１１の最も高い点（凹型であればマイクロレンズ間の境界部分のどこか、凸型であればいずれかのマイクロレンズの頂点）を結んでできる平面を、基準平面としてもよい。
　高さ方向においても、マイクロレンズ間のばらつきは一定の範囲内に収まっているのが好ましい。
　以下、高さ方向におけるばらつきの程度を示す指標として、マイクロレンズ１１１の各々の頂点の高さの差分Δｈを用いて説明する。図６は、非周期レンズアレイユニット１１内におけるマイクロレンズ１１１の頂点の高さ位置の例を示す模式断面図である。図６に示すように、非周期レンズアレイユニット１１内において、マイクロレンズ１１１の各々の組み合わせにおける頂点の高さの差分Δｈの最大量を最大差分Δｈｍａｘと定義する。本実施形態の非周期レンズアレイユニット１１は、この最大差分Δｈｍａｘの光路長（屈折率ｎ×Δｈｍａｘ）が、１λ以上が好ましい。ここで、λは入射光の波長を表す。
　対象波長が１つでない場合は、入射する光の波長のうち予め定めた波長に対して上記の条件を満たせばよい。例えば、可視光であれば緑波長として、５３２ｎｍまたは５３０ｎｍ帯（より具体的には５１０ｎｍ～５５０ｎｍ）を設計波長にするといったように、中心波長または中心波長近傍の所定幅（例えば、１０ｎｍ）の波長帯を対象にしてもよい。
　最大差分Δｈｍａｘの光路長が１λより小さいと回折パターンが発生しやすくなるおそれがある。なお、最大差分Δｈｍａｘは、非周期レンズアレイユニット１１内に含まれるマイクロレンズ１１１群における最も高い頂点の高さ（例えば、図中のｈｍａｘ）と最も低い頂点の高さ（例えば、図中のｈｍｉｎ）の差分ということもできる。
　また、図７に示すように、マイクロレンズ１１１の各々は、曲率半径Ｒが略一致している方が好ましい。図７に示す例では、Ｒ１≒Ｒ２≒Ｒ３≒Ｒ４≒Ｒ５≒Ｒ６が好ましい。より具体的には、マイクロレンズ１１１の各々の曲率半径Ｒの平均であるＲａｖｅに対して、マイクロレンズ１１１の各々の曲率半径Ｒがすべて±２０％の範囲内であれば好ましく、±１０％の範囲内であればさらに好ましい。すなわち、ユニット内に全ての含まれるマイクロレンズの曲率半径Ｒｎ、ただし、ｎ＝１～Ｎ（Ｎはユニット内に含まれるマイクロレンズの頂点数（Ｎ≧４））が、以下に示す条件式（５）を満たすと好ましく、以下に示す条件式（６）を満たすとさらに好ましい。各マイクロレンズの曲面形状が散乱角に影響を及ぼすため、マイクロレンズ毎に曲率半径が異なるとマイクロレンズ毎に散乱角が異なり、画像表示領域に散乱角分布が発生する。入射ビームに対する散乱角は入射ビーム中の各マイクロレンズによる散乱光の重ね合わせとなるため、曲率半径が同じマイクロレンズを用いることで、出射光束の光量分布の制御がしやすくなる。例えば、散乱角中の光量を画像表示領域中心からの角度によらず均一にするといった制御がしやすくなる。
０．８×Ｒａｖｅ≦Ｒｎ≦１．２×Ｒａｖｅ　・・・（５）
０．９×Ｒａｖｅ≦Ｒｎ≦１．１×Ｒａｖｅ　・・・（６）
　また、マイクロレンズ１１１は、全て凸型であってもよく、マイクロレンズ１１１の表面形状は、球面であってもよいし、放物面や楕円関数で表される非球面であってもよい。また、上述した最大差分Δｈｍａｘの上限としては、出射光束の光量分布の制御がしやすく、例えば、散乱角中の光量を画像表示領域中心からの角度によらず均一にするといった制御がしやすくなるため、Ｒａｖｅの１０％以内が好ましい。すなわち、以下に示す条件式（７）を満たすと好ましい。
０．１×Ｒａｖｅ≧Δｈｍａｘ　・・・（７）
　また、非周期レンズアレイユニット１１内におけるマイクロレンズ１１１の平均ピッチＰに相当する指標として、上記のＤａｖｅ、または標準ピッチＰｕおよびＰｖを適用できる。以下、これらの値を各々Ｐとおくと、Ｐは、表示画素の対応する辺の長さの２倍以下が好ましく、１倍以下であればより好ましく、スペックルノイズ抑制の関係から１／１０以上が好ましく、１／５以上がより好ましい。なお、対応する辺の長さは、Ｄａｖｅであれば対角の長さとし、ＰｕおよびＰｖであれば同じ軸方向の長さとすればよい。平均ピッチＰが大きすぎると解像度が低下するからである。例えば、ＨＵＤ用の画像光投影用スクリーンであれば、好適な表示画素は５０μｍ～２００μｍ程度の画素サイズである。上記のように、平均ピッチは、表示画素の対応する辺の長さの２倍以下が好ましい。よって、平均ピッチＰの上限は１００μｍ（５０μｍの表示画素に対応）～４００μｍ（２００μｍの表示画素に対応）の範囲に設定されることが好ましい。また、特にＨＵＤ用の画像光投影用スクリーンであれば、平均ピッチＰの上限は５０μｍ～２００μｍの範囲に設定されることがより好ましい。さらに、ＨＵＤ用の画像光投影用スクリーンであれば、平均ピッチＰの下限は、５μｍ～２０μｍの範囲に設定されることが好ましく、１０μｍ～４０μｍの範囲に設定されることがより好ましい。また、平均ピッチＰは、Ｒａｖｅとの間で、以下の条件式（８）を満たすと、散乱角を４０°以下とできる。
Ｒａｖｅ／Ｐ≧０．９　・・・（８）
　既に説明したように、人間がスクリーン上に投影される画像光を認識できるためには、スクリーンの光学特性として、入射する光に対して一定レベルの散乱能を有している必要がある。また、スクリーンは、リアプロジェクタに用いられる場合などは、スクリーン上に映像を結像させるためおよび視野角を広げるために、特に垂直方向および左右方向に映像光をある程度（所定角度以上）拡散させることが要求される。なお、必要とされる散乱能はアプリケーションごとに異なる。例えば、ヘッドアップディスプレイ用途であれば散乱角は１０°～４０°が好ましい。また、例えば、リアプロジェクタ用途であれば、散乱角は１００°以上が好ましい。また、散乱角中の光量が角度によらず均一になる方が、スクリーンを見る角度によらず画像の明るさが変わらないため好ましい。すなわち、視野角を広げられるため、好ましい。また、スクリーンの視野角に応じて水平方向の散乱角と垂直方向の散乱角は同じでなくてもよい。
　なお、散乱角は、当該画像光投影用スクリーン１０を透過した光の強度分布について半値全幅（ＦＷＨＭ）を満たす角度で定義される。散乱角については具体的に、図８（ａ）および図８（ｂ）を用いて説明する。図８（ａ）は、本実施形態の画像光投影用スクリーン１０に入射する光と、散乱して透過する光の様子を示した模式図であり、画像光投影用スクリーン１０から十分に離れた距離Ｌにおいて、入射する光の直進方向と直交する断面Ａ－Ａ’を示す。なお、距離Ｌ［ｍｍ］は、画像光投影用スクリーン１０の厚さを無視できる程度の距離である。図８（ｂ）は、画像光投影用スクリーン１０と光軸とが交わる点を基点としてＡ－Ａ’の断面へ向かう光線が光軸となす角度を横軸にしたときの光強度分布を示す図である。ここで、光強度の半値全幅となる角度を散乱角θ［°］とし、散乱角θとなるＡ－Ａ’の断面の拡散領域をＷ［ｍｍ］とすると、散乱角θと距離Ｌは、ｔａｎ（θ／２）＝Ｗ／２Ｌで与えられる。
　当該画像光投影用スクリーン１０から出射される散乱光により形成される所定の投影面上での所望の散乱角中の光量分布が、中心点の光量に対して±２０％以内であると、均一化でき好ましい。したがって、画像光投影用スクリーン１０からの出射光束がそのような光量分布となるように、マイクロレンズの曲率半径が設計されるのが好ましい。
　また、非周期レンズアレイユニット１１の周期は、表示画素の対角の長さの１０倍以下が好ましく、５倍以下がより好ましい。大きすぎると、周期構造による利点が抑えられてランダム構造に起因した干渉模様が生じるおそれがあるためである。
　また、マイクロレンズ１１１は、透光性を有するガラスや樹脂等により構成されていればよい。ガラス表面にレンズ形状を形成する方法としては、ウェットエッチングや、グレースケール露光やレジストリフローによりレンズ形状のレジストパターンを形成後、ガラス表面をドライエッチングする方法、成形型等によるプレス成形する方法が挙げられる。また、樹脂によるレンズ形状の形成方法として射出成形やガラス基板などの表面にインプリント等が挙げられる。さらに、画像光投影用スクリーン１０のマイクロレンズ表面および裏面に入射光の反射を抑制するため、誘電体多層膜等の反射防止膜を形成してもよい。
　以上のように、本実施形態の画像光投影用スクリーン１０は、非周期構造を有するマイクロレンズアレイを周期的に配列した構成となっているため、ランダム構造に起因するスペックルノイズを抑制しつつ、周期構造に起因する回折パターンやモアレを低減でき、その結果、画質の低下をより抑制できる。
　スペックルノイズは、非周期な散乱板によるランダムな干渉により発生するぎらつきが原因である。そこで、非周期レンズアレイユニット１１の各マイクロレンズの非周期性、より具体的には、２次元配置および／または高さ方向におけるばらつきの程度を、±１０％以内に抑制しながら、非周期レンズアレイユニット１１を周期的に配置することにより、非周期起因となるスペックルノイズを低減できる。また、回折パターンやモアレは周期性に伴う規則的な干渉により発生するが、各非周期レンズアレイユニット１１内に各マイクロレンズが非周期性をもって配置されていることから、規則性が崩れて回折パターンやモアレも低減できる。
実施形態２．
　次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図９は、本実施形態の表示システムの例を示す模式図である。図９に示す表示システム１０００は、画像投影装置１００と、画像光投影用スクリーン１０とを備える。なお、画像光投影用スクリーン１０は、第１の実施形態の画像光投影用スクリーン１０と同様でよい。
　画像投影装置１００は、一般的な画像投影装置でよい。例えば、画像投影装置１００は、光源と、光源から射出された光束を画像情報に応じて変調して画像光を形成する画像光形成手段（例えば、ライトバルブ）と、形成された画像光を所定のスクリーン面に向けて拡大投影する投影光学系とを備えた、いわゆるプロジェクタであってもよい。また、プロジェクタは走査型であっても投影型であってもよい。
　表示システム１０００において、画像光投影用スクリーン１０は、画像投影装置１００の前面側（視聴者がいる側）に配され、背面側から投影された画像光を前面側に投影する。より具体的には、画像光投影用スクリーン１０は、背面側から入射される画像光を、前面側に屈折拡散させながら射出する。
　図１０は、表示システム１０００のより詳細な構成図の例である。図１０に示す表示システム１０００ａは、走査型画像投影装置１００ａと画像光投影用スクリーン１０とを備える。以下、画像光投影用スクリーン１０を、単にスクリーン１０という場合がある。
　走査型画像投影装置１００ａは、スクリーン１０の表示面に光を走査するための２Ｄスキャンミラー４と、２Ｄスキャンミラー４にコヒーレント光を導く光源光学系６とを備える。２Ｄスキャンミラー４に代わり、横方向に光を走査させる第１スキャンミラーと、縦方向に光を走査させる第２スキャンミラーとを備える構成であってもよい。
　ここで、２Ｄスキャンミラー４は、ＭＥＭＳ技術により形成されるマイクロメカニカルミラーなどが小型化の点で有利である。また、上述の第１スキャンミラーと第２スキャンミラーにはガルバノミラーを用いてもよく、１つのミラーをガルバノミラー、他の１つのミラーをマイクロメカニカルミラーとしてもよい。
　また、光源光学系６は、例えば、コヒーレント光を発する少なくとも１つの光源部１と、光源部１から出射された光を平行光に変換するコリメータレンズ２と、コリメータレンズ２から出射される平行光を２Ｄスキャンミラー４に導くダイクロイックミラー３とを有していてもよい。
　図１０に示される走査型画像投影装置１００ａでは、コヒーレント光を発する光源部１として、例えば半導体レーザーや固体レーザーなどによる、赤、緑、青の３色に対応するレーザー光源１－Ｒ，１－Ｇ，１－Ｂを備える。レーザー光源１－Ｒ，１－Ｇ，１－Ｂから出射された光は、それぞれコリメータレンズ２－Ｒ，２－Ｇ，２－Ｂによって略平行光となるように集光されて、ダイクロイックミラー３－Ｒ，３－Ｇ，３－Ｂに入射する。そして、ダイクロイックミラー３－Ｒ，３－Ｇ，３－Ｂによって合成され、３原色レーザー光となって２Ｄスキャンミラー４のミラー面に斜めに入射する。ここで、略平行光とはレーザー光の拡がり角が約２ｍｒａｄ以下であることをいう。
　２Ｄスキャンミラー４で反射された光は、スクリーン１０に到達する。このとき、２Ｄスキャンミラー４は、不図示のミラー制御手段によって駆動され、所定の走査周波数に応じて水平方向および垂直方向に回動される。この回動により、２Ｄスキャンミラー４における光の入射面の法線方向が入射するレーザー光の光軸に対して変化する。すると、この面で反射したレーザー光の光軸も回動されるごとに変化する。このようにして、２Ｄスキャンミラー４で反射したレーザー光がスクリーン面上を走査すなわち移動しながら所定の部分領域を照射して、スクリーン１０のスクリーン面全体に所望の画像を表示させる。
　また、画像投影装置１００は、図１０に示す構成に限られない。図１１は、本実施形態の表示システム１０００の他の例を示す構成図であって、走査型画像投影装置１００ａに代えて、走査型画像投影装置１００ｂを備える点が図１０に示した構成と異なる。
　走査型画像投影装置１００ｂは、スクリーン１０の表示面に光を走査するための２Ｄスキャンミラー４と、コヒーレント光を発する少なくとも１つの光源部１を含む光源光学系６と、偏光ビームスプリッタ８と、入射する光の偏光方向を変化させる１／４波長板７とを備える。
　走査型画像投影装置１００ｂでは、光源光学系６から出射された直線偏光の光が、偏光ビームスプリッタ８で反射されて１／４波長板７を通過し、円偏光の光となって２Ｄスキャンミラー４のミラー面に入射する。
　その後、２Ｄスキャンミラー４で反射された光が、再度１／４波長板７を通過することにより、直線偏波に変換され、偏光ビームスプリッタ８に入射したときの光と直交する偏光方向の光となって偏光ビームスプリッタ８を直進し、スクリーン１０に到達する。
　また、表示システム１０００は、図１２に示すようなＨＵＤとして用いられる表示システム１０００ｃであってもよい。
　図１２に示す表示システム１０００ｃは、画像光を所定のスクリーン面に拡大投影する画像投影装置１００と、画像投影装置１００を収納する箱形状を有する外装筐体３００と、画像投影装置１００から出射される画像光を投影する透過型スクリーンとして画像光投影用スクリーン１０と、コンバイナ２００とを備える。
　本例において、外装筐体３００は、前面側（視認者側）に開口部３０１が形成されている。この構成において、画像光投影用スクリーン１０は、外装筐体３００の開口部３０１を介して露出し、背面側から投影された画像光を前面側に投影してもよい。なお、画像光投影用スクリーン１０は必ずしも露出してなくてもよい（後述の図１５参照）。すなわち、画像光投影用スクリーン１０は、開口部３０１を含む光路中に備えられて投影してもよい。
　コンバイナ２００は、画像光投影用スクリーン１０からの光の一部を反射して外光の一部を透過することにより画像と背景とを重ねて表示する。コンバイナ２００の反射面は、凹面形状でもよい。コンバイナ２００の反射面を凹面形状とすると、当該反射面が凹面ミラーとなって凸レンズと同様の働きをする。このような場合には、視認者２０１からは、コンバイナ２００を通して画像（より具体的には、虚像２０２）が遠方に拡大して表示されているように見える（図１３参照）。
　図１２に示す表示システム１０００ｃでは、ＨＵＤの光源として画像投影装置１００を有している。以下、外装筐体３００および外装筐体３００内の各要素を併せて本体装置と呼ぶ場合がある。
　また、図１４および図１５は、表示システム１０００ｃにおける本体装置の他の例を示す模式断面図である。図１４に示すように、表示システム１０００ｃは、本体装置の一要素として、画像投影装置１００から出射される画像光を画像光投影用スクリーン１０に導くミラー４００を備えていてもよい。また、図１５に示すように、表示システム１０００ｃは、本体装置の一要素として、画像光投影用スクリーン１０の前面側に、画像光投影用スクリーン１０から出射される光線の方向を変えたり歪みを補正するためのフィールドレンズ５００を備えていてもよい。また、図示省略しているが、この他にも、画像光投影用スクリーン１０の背面側に、光を効率よく伝搬するためのレンズ等を備えていてもよい。
実施例１．
　次に、本発明の第１の実施例を説明する。本例は、図１（ａ）に示される画像光投影用スクリーン１０の例である。
　本実施例の画像光投影用スクリーン１０は、当該画像光投影用スクリーン１０の辺に平行な直交する２軸方向（図１のＸ軸方向およびＹ軸方向）に略沿って非周期かつ隙間なく並べられた３×５列のマイクロレンズ１１１の組の繰り返し構造で満たされた画像表示領域を有する。図１６は、本実施例の画像光投影用スクリーン１０における非周期レンズアレイユニット１１の一例を示す模式上面図である。図１６においても、太線の破線はマイクロレンズ１１１の境界を表し、黒丸はマイクロレンズ１１１の頂点位置を表している。
　図１６に示すように、本実施例の非周期レンズアレイユニット１１は、長方形であって、隙間なくかつ非周期に並べられた、曲面形状のマイクロレンズ１１１の頂点を１５個含んでいる。図１６に示す例では、１５個のマイクロレンズ１１１ａ～１１１ｏの頂点を含んでいる。本実施例における各マイクロレンズの頂点間の距離は、次の通りである。すなわち、上述した表記方法を用いて、Ｘ軸方向で、Ｄｘａｂ＝Ｄｘｆｇ＝Ｄｘｋｌ＝１０４．９μｍ、Ｄｘｂｃ＝Ｄｘｇｈ＝Ｄｘｌｍ＝９４．９μｍ、Ｄｘｃｄ＝Ｄｘｈｉ＝Ｄｘｍｎ＝１０２．４μｍ、Ｄｘｄｅ＝Ｄｘｉｊ＝Ｄｘｎｏ＝９７．４μｍ、Ｄｘｅａ＝Ｄｘｊｆ＝Ｄｘｏｋ＝９９．９μｍ、またＹ軸方向で、Ｄｙａｆ＝Ｄｙｂｇ＝Ｄｙｃｈ＝Ｄｙｄｉ＝Ｄｙｅｊ＝８３．６μｍ、Ｄｙｆｋ＝Ｄｙｇｌ＝Ｄｙｈｍ＝Ｄｙｉｎ＝Ｄｙｊｏ＝８１．１μｍ、Ｄｙｋａ＝Ｄｙｌｂ＝Ｄｙｍｃ＝Ｄｙｎｄ＝Ｄｙｏｅ＝８６．１μｍである。図１６に示す非周期レンズアレイユニット１１内の各マイクロレンズの頂点間の最近接距離は、図１７の通りである。また、他の具体的なパラメータの値は次の通りである。
・ユニットのサイズ：Ｘ軸方向の長さ＝４９９．５μｍ（図１６のＬｘ）、Ｙ軸方向の長さ＝２５０．８μｍ（図１６のＬｙ）
・ユニット内のマイクロレンズの数：Ｘ軸方向の頂点数＝５、Ｙ軸方向の頂点数＝３、合計１５個
・ユニット内のマイクロレンズの頂点間の最近接距離の平均：Ｄａｖｅ＝８１．９μｍ
・ユニット内のマイクロレンズの頂点間の最近接距離のばらつきの範囲：８１．９μｍ±３％
・ユニット内のマイクロレンズの曲率半径の平均：Ｒａｖｅ＝１０４μｍ
・ユニット内のマイクロレンズの曲率半径のばらつきの範囲：１０４μｍ±１５％
・ユニット内のマイクロレンズの頂点の高さの最大差分：Δｈｍａｘ＝５μｍ
　なお、本例の画像光投影用スクリーン１０の画像表示領域は、外縁形状が長方形の１種の非周期レンズアレイユニットの繰り返し構造によって満たされている。したがって、図１６に示す非周期レンズアレイユニット１１の配置はあくまで一例であり、ユニットをどこで区切っても全体構成は変わらない。
　また、本実施例の画像光投影用スクリーン１０は、次のようにして作製される。まず、屈折率ｎ＝１．５３のガラス基板の一方の表面にウェットエッチング用のマスクとしてモリブデン膜を５０ｎｍの膜厚で形成する。次に、成膜したモリブデン膜の上に、レジストを塗布し、フォトリソグラフィ、エッチング加工により、図１６に示す非周期レンズアレイユニット１１の周期構造、すなわちＸ軸方向およびＹ軸方向に非周期かつ隙間なく並べられた３×５列のマイクロレンズの組の繰り返し構造に対応した開口部を有するモリブデンマスクパターンを形成する。
　その後、ウェットエッチングによりガラス基板の片面で１００μｍ分エッチングを行い、凹曲面部の曲率半径が１００μｍとなる画像光投影用スクリーン１０を得る。
　得られた画像光投影用スクリーン１０に波長４５０ｎｍの光を入射することにより約３０°の散乱角が得られた。また、回折パターンが発生していないことから非周期性により規則的な干渉が抑制されていることが分かった。
比較例１．
　次に、第１の実施例の第１の比較例を説明する。第１の比較例は、表面にランダムな凹凸構造を有する散乱板である。具体的には、ガラス基板の一方の表面を、サンドブラストで処理することにより得られた散乱板であって、ランダムな凸凹構造により約１５°の散乱角となる特性を有する。
　画像光投影用スクリーンを用いる表示システムにおいて、波長５３２ｎｍのレーザ光に対して、画像光投影用スクリーンとして第１の実施例および第１の比較例を設置して投影される画像を確認する。第１の実施例の画像光投影用スクリーン１０を用いた場合にはスペックルノイズによる画質の低下が抑制されており、第１の比較例の拡散板を用いた場合よりも良好な画質が得られた。
比較例２．
　次に、第１の実施例の第２の比較例を説明する。第２の比較例は、画像表示領域内に平坦な領域を有する、すなわちマイクロレンズの充填率が１００％未満の画像光投影用スクリーンの例である。
　本比較例では、第１の実施例と同様のモリブデンマスクパターンを用いてウェットエッチングによりガラス基板の片面で４２μｍ分エッチングを行う。すると、Ｘ軸方向において隣接するレンズ曲面どうしがつながらず曲面を形成しない部分が約１５μｍの幅で残り、充填率が１００％とならない画像光投影用スクリーンが形成される。なお、ユニット内マイクロレンズの曲率半径の平均は４２μｍとなる。
　このような画像光投影用スクリーンを表示システムで用いると、レンズ面が形成されていない平坦な領域では、入射する光が散乱されず直進光として透過する。その結果、０°方向の光量が入射光量の約３５％と非常に大きくなり、画像光を投影するスクリーンとしては不向きである。
　本出願は、２０１４年９月３０日出願の日本特許出願、特願２０１４－２００９８７に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明は、画像光を投影するためのスクリーンおよび該スクリーンを用いる装置（表示システム）であれば、好適に適用可能である。
　１０　画像光投影用スクリーン
　１１、１１ａ、１１ｂ　非周期レンズアレイユニット
　１１１、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅ、１１１ｆ、１１１ｇ、１１１ｈ　マイクロレンズ
　１２　主表面
　１３　画像表示領域
　１００　画像投影装置
　１００ａ、１００ｂ　走査型画像投影装置
　１　光源部
　１－Ｒ、１－Ｇ、１－Ｂ　レーザー光源
　２　コリメータレンズ
　３　ダイクロイックミラー
　４　２Ｄスキャンミラー
　６　光源光学系
　７　１／４波長板
　８　偏光ビームスプリッタ
　１０００、１０００ａ、１０００ｂ、１０００ｃ　表示システム
　２０１　視認者
　２０２　虚像
　３００　外装筐体
　３０１　開口部
　２００　コンバイナ
　４００　ミラー
　５００　フィールドレンズ

Claims (15)

  1. 　主表面上に、規則的かつ少なくとも画像表示領域内において隙間なく２次元配列された複数の非周期レンズアレイユニットを備え、
    　前記非周期レンズアレイユニットは各々、曲面形状のマイクロレンズであって、隙間なくかつ非周期に並べられたマイクロレンズの頂点を４個以上含むとともに、境界部分に位置するマイクロレンズの曲面形状の連続性が保たれる対称性を有している
    　ことを特徴とする画像光投影用スクリーン。
  2. 　前記画像表示領域は、外縁形状が四角形または六角形の１種の非周期レンズアレイユニットの繰り返し構造によって満たされている
    　請求項１に記載の画像光投影用スクリーン。
  3. 　前記非周期レンズアレイユニットの各々において、当該非周期レンズアレイユニットに含まれるマイクロレンズの各々の頂点間の最近接距離をＤｎ（ただし、ｎ＝１～マイクロレンズの頂点数）、これらの平均をＤａｖｅとしたとき、各Ｄｎが、０．９×Ｄａｖｅ≦Ｄｎ≦１．１×Ｄａｖｅを満たす
    　請求項１または請求項２に記載の画像光投影用スクリーン。
  4. 　前記非周期レンズアレイユニットは各々、基準平面からレンズ曲面の頂点までの高さ方向の距離である頂点の高さが異なるマイクロレンズを含み、
    　前記非周期レンズアレイユニットの各々において、各マイクロレンズ間の頂点の高さの差分の最大量である最大差分Δｈｍａｘの光路長が、少なくとも一つの対象波長であるλ以上である
    　請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の画像光投影用スクリーン。
  5. 　前記マイクロレンズは、凹形状である
    　請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の画像光投影用スクリーン。
  6. 　前記マイクロレンズは、凸形状である
    　請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の画像光投影用スクリーン。
  7. 　前記非周期レンズアレイユニットの各々において、当該非周期レンズアレイユニットに含まれるマイクロレンズの各々の曲率半径をＲｎ（ただし、ｎ＝１～マイクロレンズの頂点数）、これらの平均をＲａｖｅとしたとき、各Ｒｎが、０．８×Ｒａｖｅ≦Ｒｎ≦１．２×Ｒａｖｅを満たす
    　請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載の画像光投影用スクリーン。
  8. 　前記非周期レンズアレイユニットの各々において、当該非周期レンズアレイユニットに含まれるマイクロレンズの各々の曲率半径の平均をＲａｖｅとすると、各マイクロレンズ間の頂点の高さの差分の最大量である最大差分Δｈｍａｘが、０．１×Ｒａｖｅ≧Δｈｍａｘを満たす
    　請求項１から請求項７のうちのいずれか１項に記載の画像光投影用スクリーン。
  9. 　前記非周期レンズアレイユニットに含まれるマイクロレンズの各々の頂点間の最近接距離の平均をＤａｖｅとしたとき、前記Ｄａｖｅが、表示画素の対角線の長さの２倍以下である
    　請求項１から請求項８のうちのいずれか１項に記載の画像光投影用スクリーン。
  10. 　前記非周期レンズアレイユニットの、交差する関係の任意の２つの軸方向における長さをそれぞれＬｕ，Ｌｖとし、前記Ｌｕをとった領域において前記Ｌｕの軸方向である第１軸方向に沿って並ぶマイクロレンズの頂点の数をＭ、前記Ｌｖをとった領域において前記Ｌｖの軸方向である第２軸方向に沿って並ぶマイクロレンズの頂点の数をＪとしたときのＬｕ／Ｍを第１の標準ピッチＰｕ、Ｌｖ／Ｊを第２の標準ピッチＰｖとするとき、前記第１の標準ピッチＰｕおよび前記第２の標準ピッチＰｖが、表示画素の対応する軸方向の長さの２倍以下である
    　請求項１から請求項９のうちのいずれか１項に記載の画像光投影用スクリーン。
  11. 　前記非周期レンズアレイユニットに含まれるマイクロレンズの各々の頂点間の最近接距離の平均をＤａｖｅとし、前記マイクロレンズの各々の曲率半径の平均をＲａｖｅとするとき、Ｒａｖｅ／Ｄａｖｅ≧０．９を満たす
    　請求項１から請求項１０のうちのいずれか１項に記載の画像光投影用スクリーン。
  12. 　前記非周期レンズアレイユニットの周期は、表示画素の対角の長さの１０倍以下である
    　請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項に記載の画像光投影用スクリーン。
  13. 　散乱角が１０°～４０°の範囲である
    　請求項１から請求項１２のうちのいずれか１項に記載の画像光投影用スクリーン。
  14. 　コヒーレント光を発する光源と、前記光源から射出された光束を画像情報に応じて変調して画像光を形成する画像光形成手段と、前記画像光を所定のスクリーン面に向けて拡大投影する投影光学系とを有する画像投影装置と、
    　透過型スクリーンとを備え、
    　前記透過型スクリーンが、請求項１～１３のいずれか１項に記載の画像光投影用スクリーンである
    　ことを特徴とする表示システム。
  15. 　ヘッドアップディスプレイであって、
    　前記画像投影装置を収納する箱形状の外装筐体を備え、
    　前記外装筐体は、前面側に開口部が形成されており、
    　前記透過型スクリーンは、前記開口部を含む光路中に配されており、背面側から投影された前記画像光を前面側に投影する
    　請求項１４に記載の表示システム。
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