WO2016072372A1 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

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WO2016072372A1
WO2016072372A1 PCT/JP2015/080878 JP2015080878W WO2016072372A1 WO 2016072372 A1 WO2016072372 A1 WO 2016072372A1 JP 2015080878 W JP2015080878 W JP 2015080878W WO 2016072372 A1 WO2016072372 A1 WO 2016072372A1
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sub
scanning
light
scan
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PCT/JP2015/080878
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俊 関谷
高橋　祐一
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日本精機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a head-up display device that allows a viewer to visually recognize a virtual image together with a landscape.
  • a head-up display device (hereinafter referred to as a HUD device) using a semiconductor laser as a light source is disclosed in Patent Document 1, for example.
  • the HUD device includes a semiconductor laser that outputs laser light, a scanning unit that generates an image by deflecting the laser light emitted from the semiconductor laser in a two-dimensional direction, and a laser beam scanned by the scanning unit. And a relay optical system that directs the image light emitted from the screen to the transmission / reflection surface.
  • speckle a spot pattern generated in an image generated by a HUD device using laser light.
  • Speckle is caused by high coherence of laser light, and is generated when laser light diffused by a screen interferes with each other and light intensity is generated.
  • speckles are remarkably generated in a diffusion plate having a diffusion material inside, a frost type diffusion plate that diffuses light by unevenness on the surface, and the like.
  • speckle is generated, there is a problem that the resolution of the image is lowered due to the speckled pattern and the visibility is lowered.
  • Patent Document 2 discloses a double microlens array (DMLA) configured by arranging a microlens array (MLA) in a double manner. Is disclosed for use in a screen of a HUD device. When DMLA is used in this manner, the generation of speckle can be reduced because the laser light is diverged by the refraction action of the microlens group.
  • DMLA double microlens array
  • Laser light emitted from a semiconductor laser is usually elliptical and its intensity distribution is approximately Gaussian. Therefore, in the HUD device described in Patent Document 2, the laser light is shaped into the same shape as an MLA single lens. The laser beam intensity distribution is converted into a top hat intensity distribution by a lens or the like.
  • the top hat interference pattern is arranged without gaps throughout the eyebox, and a light distribution with no difference in light intensity between the interference patterns is realized. Is done. Therefore, if the viewer's pupil is in the eye box, the amount of light incident on the pupil does not change even if the position of the pupil moves, so that a viewer can visually recognize a display image of good quality.
  • the interference pattern due to MLA and laser light will not be dense on the eyebox, resulting in uneven brightness and color unevenness of the display image.
  • an object of the present invention is to provide a head-up display device that can generate a display image in which luminance unevenness is suppressed.
  • the head-up display device includes a light source that emits laser light, and a scanning unit that two-dimensionally scans the laser light in a main scanning direction and a sub-scanning direction different from the main scanning direction.
  • a lens array screen having a plurality of micro lenses arranged periodically, diffusing the laser light scanned by the scanning unit and directing the laser beam to a viewing region, and controlling the light source and the scanning unit
  • a control unit that generates a display image on the array screen, wherein the control unit scans in the sub-scanning direction while performing high-speed scanning in the main scanning direction, and the first scan on the lens array screen.
  • a second scan for scanning a position shifted in the sub-scanning direction from the first scan.
  • the present invention can generate a display image with reduced luminance unevenness.
  • a head-up display device (hereinafter referred to as a HUD device) of the present invention will be described based on the attached drawings.
  • the HUD device 1 As shown in FIG. 1, the HUD device 1 according to the present embodiment is provided in the dashboard of the vehicle 2, and displays an image light 600 representing a display image M (see FIG. 2) generated on a transmission screen 40 described later.
  • This is a device that allows the driver to visually recognize a virtual image W (display image) of the display image M representing vehicle information by reflecting the light with the shield 3.
  • the driver visually recognizes the display image M as a virtual image W in the eyebox 4 that is the viewing area.
  • the virtual image W in FIG. 1 is schematically shown in order to facilitate sensory understanding. The same applies to the display image M in FIG.
  • the HUD device 1 shown in FIG. 1 includes a synthetic laser light generation device 10, a MEMS (Micro Electro Mechanical System) scanner 20, a field lens 30, a transmission screen 40, a relay optical unit 50, and the like. And a housing 60.
  • the synthetic laser beam generator 10 is a device that emits a single synthetic laser beam 500 by adjusting the optical axes of the laser beams B, R, and G emitted from the light sources 11b, 11r, and 11g described later.
  • the light source 11, the condensing optical unit 12, and the optical axis adjustment unit 13 are provided.
  • the light source 11 includes a blue light source 11b that emits blue laser light B, a red light source 11r that emits red laser light R, and a green light source 11g that emits green laser light G.
  • the light sources 11b, 11r, and 11g are arranged so that the polarization directions (electric field vibration directions) of the laser beams B, R, and G coincide with each other when emitted as the synthetic laser beam 500.
  • the condensing optical unit 12 converts the laser beams B, R, and G, which are divergent light emitted from the light source 11, into convergent light, and a lens whose aberration has been corrected so as to be condensed on the lower surface of a transmission screen 40 described later. And is composed of a blue condensing lens 12b, a red condensing lens 12R, and a green condensing lens 12G arranged on the optical paths of the laser beams B, R, and G emitted from the light sources 11b, 11r, and 11g, respectively.
  • the laser beams B, R, and G emitted from the light source 11 have a substantially Gaussian light intensity distribution (not shown) and are condensed by the condensing optical unit 12 and reach the transmission screen 40.
  • the light 500 (respective laser beams B, R, and G) can be regarded as having a light intensity distribution 710 of approximately Gaussian.
  • the optical axis adjustment unit 13 substantially aligns the optical axes of the laser beams B, R, and G, and directs the laser beam B toward the MEMS scanner 20 as the synthetic laser beam 500, and reflects only the wavelength region of the red laser beam R.
  • the dichroic mirror 13R and a second dichroic mirror 13G that reflects only the wavelength region of the green laser light G are configured.
  • the MEMS scanner 20 scans the synthetic laser light 500 emitted from the synthetic laser light generator 10 and generates a display image M on the surface side of the transmission screen 40. As shown in FIG. 4, the MEMS scanner 20 performs sub-scanning in a sub-scanning direction V substantially orthogonal to the main scanning direction H while performing main scanning a plurality of times in the main scanning direction H, thereby transmitting a transmission screen 40 described later. A display image M is generated above.
  • the field lens 30 causes the synthetic laser beam 500 scanned by the MEMS scanner 20 to be incident on the transmission screen 40 at an incident angle corresponding to the scanning position.
  • the field lens 30 is formed and arranged so as to optimize the incident angle of the synthetic laser light 500 on the transmission screen 40 according to the characteristics of the optical system (relay optical unit 50, windshield 3) after the transmission screen 40. Has been.
  • the transmissive screen 40 includes a microlens array (hereinafter referred to as MLA) 41 and an aperture array 42 arranged on the front side of the MLA 41, and displays a display image M on the surface side.
  • the transmission screen 40 enlarges the exit pupil (Exit Pupil) of the synthetic laser light 500 incident from the MEMS scanner 20 and emits the image light 600 toward the relay optical unit 50.
  • the transmissive screen 40 will be described with reference to FIGS. 5A is a plan view of the MLA 41, and FIG. 5B is a plan view of the aperture array 42.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the transmission screen 40, and is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • the MLA 41 has a plurality of microlenses (hereinafter referred to as ML) 41a in its surface, and each of these ML41a is dH1 in the main scanning direction H and in the sub-scanning direction V. It is formed so as to be arranged periodically at a pitch of dV1.
  • dH1> dV1 is satisfied, and the ML 41a is periodically arranged in a rectangular lattice shape so that gaps and steps generated between adjacent MLs 41a are minimized.
  • the pitch is a distance between the lens centers of the ML 41a adjacent to each other.
  • the laser light emitted from the transmission screen 40 can efficiently illuminate the eye box 4 with a rectangular shape.
  • the pitch dV1 in the sub-scanning direction V is set to a size corresponding to approximately one pixel.
  • the rectangular microlenses are arranged in a lattice shape, but the lens shape may be square. Further, hexagonal microlenses may be arranged in a honeycomb shape.
  • the aperture array 42 has a plurality of openings 42 a periodically arranged with a pitch dHA in the main scanning direction H and a pitch dVA in the sub-scanning direction V.
  • the pitch is a distance between the centers of the openings 42a adjacent to each other.
  • the pitch of the aperture array 42 is slightly larger than the pitch of the MLA 41, and dHA> dH1.
  • the aperture 42a of the aperture array 42 is formed so as to be adjusted to be about 1/5 to 1/10 of the lens size of the ML 41a.
  • a region other than the opening 42a of the aperture array 42 is a light shielding portion 42b as illustrated.
  • the light shielding part 42b is formed of a material that absorbs visible light, such as a black resist used in a liquid crystal panel, for example. That is, in the aperture array 42, the area other than the opening 42a on both surfaces is the surface of the light shielding part 42b. Therefore, most of the laser light that has reached the aperture array 42 is absorbed by the light shielding portion 42b except for the light that passes through the opening 42a.
  • the MLA 41 and the aperture array 42 are arranged at the center of the aperture array 42 so that their surfaces are parallel to each other and on the optical axis AX of the ML 41a positioned at the center of the MLA 41. It arrange
  • ML41a located in the center part of MLA41 means ML41a in the position irradiated with the light of the center of the laser beam scanned by the MEMS scanner 20.
  • the MLA 41 and the aperture array 42 are configured such that each of the plurality of openings 42a of the aperture array 42 and each of the plurality of micro lenses 41a of the MLA 41 are paired with each other, and the laser beams R, G, It is formed and arranged so that the center of the opening 42a is located at the condensing point P of B.
  • the transmission screen 40 is configured as described above, the laser light collected by the MLA 41 just passes through the opening 42 a of the aperture array 42. For this reason, the laser beam emitted from the light source 11 can be efficiently used as the light representing the display image M.
  • most of the external light that propagates in the reverse direction of the optical path of the laser light in the HUD device 1 shown in FIG. 2 and reaches the transmission screen 40 is absorbed by the light shielding portion 42 b of the aperture array 42. Therefore, external light reflection is greatly reduced.
  • the light shielding part 42b is not provided, the external light diffusely reflected by the transmissive screen 40 follows the optical path of the HUD device 1 and reaches the eyes of the viewer.
  • the transmissive screen 40 is superimposed on the display image and floats in a white frame shape, the visibility is deteriorated.
  • the laser light that has reached the transmission screen 40 most of the light other than the image light 600 (that is, light representing the display image M) that passes through the openings 42 a of the aperture array 42 is mostly shielded from the aperture array 42. It is absorbed by the part 42b. Therefore, the internal reflection of the laser light within the transmissive screen 40 can also be reduced.
  • the aperture array 42 is formed on the transmission screen 40, but the MLA 41 alone may be used.
  • the relay optical unit 50 is provided between the light path between the transmissive screen 40 and the windshield 3, and the display image M displayed on the front surface of the transmissive screen 40 is connected to the desired position as a virtual image W with a desired size.
  • the relay optical unit 50 includes two mirrors, a plane mirror 51 and a concave mirror 52.
  • the plane mirror 51 is a planar total reflection mirror or the like, and reflects the image light 600 representing the display image M displayed on the transmission screen 40 toward the concave mirror 52.
  • the concave mirror 52 is a concave mirror or the like, and emits reflected light toward the windshield 3 by reflecting the image light 600 reflected by the flat mirror 51 on the concave surface. As a result, the size of the virtual image W to be joined becomes the size of the enlarged display image M.
  • the housing 60 has an opening of a predetermined size on the upper side and is formed in a box shape from a hard resin or the like, and the synthetic laser light generator 10 and the MEMS scanner 20 are disposed at predetermined positions inside the housing 60.
  • the field lens 30, the transmission screen 40, the relay optical unit 50, and the like are housed.
  • a window 61 is attached to the opening of the housing 60.
  • the HUD device 1 includes an LD control unit 100, a MEMS control unit 200, and a controller unit 300 that controls the LD control unit 100 and the MEMS control unit 200, as shown in FIG.
  • These control units are mounted on, for example, a printed circuit board (not shown) disposed in the housing 60.
  • These control units may be arranged outside the HUD device 1 and electrically connected to the HUD device 1 (light sources 11r, 11g, 11b, MEMS scanner 20, etc.) by wiring.
  • the LD control unit 100 includes a driver IC or the like that drives the light sources 11b, 11r, and 11g. Under the control of the controller unit 300 (based on the LD drive signal from the display control unit 340), the light sources 11b, 11r. , 11g are driven by a PWM method or a pulse amplitude modulation (PAM) method.
  • PWM pulse amplitude modulation
  • the MEMS control unit 200 includes a driver IC or the like that drives the MEMS scanner 20, and drives the MEMS scanner 20 under the control of the controller unit 300 (based on a scanning control signal from the display control unit 340).
  • the MEMS control unit 200 resonates the MEMS scanner 20 in the main scanning direction H with a sinusoidal main scanning driving signal (main scanning driving voltage). Further, the MEMS control unit 200 vibrates the MEMS scanner 20 in the sub-scanning direction V by a sub-scanning drive signal (sub-scanning driving voltage).
  • the MEMS control unit 200 acquires the shake position of the piezo element that moves the mirror of the MEMS scanner 20 for each time, calculates feedback data based on this, and outputs the feedback data to the display control unit 340 described later.
  • the feedback data output from the MEMS control unit 200 includes the number n of main scanning lines, the scanning start position Ya, the display start position (not shown), the display end position (not shown), and the scan end position as shown in FIG.
  • Scan position detection data relating to the scanning position by the MEMS scanner 20 such as Yb, measured main resonance frequency data that is a resonance frequency when the MEMS scanner 20 is actually resonated in the main scanning direction H, and the MEMS scanner 20 in the sub-scanning direction V And actually measured sub-resonance frequency data, which is a resonance frequency when actually resonating.
  • the controller unit 300 includes a microcontroller, an FPGA (Field Programmable Gate Array), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), and the like, and includes an input processing unit 310, a memory control unit 320, a frame buffer 330, a display control unit 340, By controlling the LD (light source 11r, light source 11g, light source 11b) and the MEMS scanner 20 via the LD control unit 100 and the MEMS control unit 200 based on the image signal input from the vehicle ECU 5, the image signal An image M based on the above is generated on the transparent screen 40.
  • the control unit of the present invention includes the LD control unit 100, the MEMS control unit 200, and the controller unit 300.
  • the input processing unit 310 inputs an image signal from the vehicle ECU 5, processes the data, and puts it into a format suitable for processing in the controller unit 300.
  • the memory control unit 320 stores the frame data converted by the input processing unit 310 in the frame buffer 330, respectively.
  • the frame buffer 330 is configured by a volatile memory such as a DRAM or SRAM, a rewritable nonvolatile memory such as a flash memory, or the like.
  • the memory control unit 320 further retrieves frame data from the frame buffer 330 and outputs it to the display control unit 340 upon receiving a command from the display control unit 340.
  • the display control unit 340 is a buffer memory in the display control unit 340. 341 is stored.
  • the display control unit 340 executes the program data stored in advance, thereby outputting an LD drive signal to the LD control unit 100 and further outputting a scanning control signal to the MEMS control unit 200, whereby the light source
  • the display image M is generated on the transmissive screen 40 by controlling the 11r, 11g, 11b and the MEMS scanner 20.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between the transmissive screen 40 and the synthetic laser light 500 and the light intensity distribution 710 (720) of the synthetic laser light 500.
  • FIG. 9 shows image light emitted from the transmissive screen 40.
  • FIG. It is a figure for demonstrating 600 light distribution intensity distribution 810 (820).
  • the combined laser light 500 converted into the convergent light by the condensing optical unit 12 is condensed so as to have a substantially minimum beam diameter at the position where it enters the MLA 41.
  • This beam diameter is a diffraction limit determined by the beam diameter in the condensing optical unit 12 and the distance from the condensing optical unit 12 to the MLA 41.
  • the beam diameter in the main scanning direction H of the combined laser beam 500 incident on the transmission screen 40 is denoted as DH and the beam diameter in the sub-scanning direction V is denoted as DV.
  • the beam diameter DH (DV) in the description of the present embodiment is a position where the intensity of the combined laser beam 500 is 1 / e 2 (13.5%) with respect to the peak intensity in the main scanning direction H (sub-scanning direction V). Up to is defined as the diameter.
  • the beam diameter DH in the main scanning direction H is smaller than the pitch dH1 of the MLA 41 in the main scanning direction H, and the light intensity distribution 710 in the main scanning direction H can be regarded as approximately Gaussian.
  • the image light 600 refracted by the ML 41 a of the MLA 41 diverges through the opening 42 a of the aperture array 42 and travels toward the eye box 4.
  • the light distribution intensity distribution 810 in the main scanning direction H of the image light 600 irradiated to the eye box 4 behaves almost like Gaussian as shown in FIG.
  • the beam diameter DH in the main scanning direction H smaller than the pitch dH1 of the MLA 41, it becomes difficult for the combined laser light 500 to be incident across the plurality of ML 41a, so that the image light 600 emitted from the MLA 41 is the eye box 4 It is difficult to produce interference fringes.
  • the light source 11 is driven for about 10 nsec in order to form one pixel of the display image M (scan one ML 41a).
  • the MEMS scanner 20 continuously scans in the main scanning direction H, the combined laser light 500 moves by approximately one ML 41 a in the main scanning direction H within the driving period of the light source 11. Then, the peak of the light distribution intensity distribution 810 in the main scanning direction H of the image light 600 emitted from the transmission screen 40 is shifted in the eye box 4.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the position in the main scanning direction H of the synthetic laser beam 500 incident on the ML 41a and the light distribution intensity distribution 810 in the main scanning direction H in the eyebox 4. ), (B) and (g), (c) and (h), (d) and (i), and (e) and (j), respectively.
  • the synthetic laser beam 500 scans one MLA 41 in the main scanning direction H as shown in FIGS. 10A to 10E, as shown in FIGS. 10F to 10J, respectively.
  • Different light distribution intensity distributions 810 (811, 812, 813, 814, 815) are obtained.
  • FIG. 11 When these different light distribution intensity distributions 810 are integrated over the time required to scan one ML 41a, as shown in FIG. 11, a substantially uniform distribution that can be regarded as approximately Top-Hat in the entire main scanning direction H of the eye box 4.
  • a light intensity distribution 810 can be formed.
  • the beam diameter DV in the sub-scanning direction V is smaller than the pitch dV1 of the MLA 41 in the sub-scanning direction V, and the light intensity distribution 720 in the sub-scanning direction V can be regarded as approximately Gaussian.
  • the image light 600 refracted by the ML 41 a of the MLA 41 diverges through the opening 42 a of the aperture array 42 and travels toward the eye box 4.
  • the light distribution intensity distribution 820 in the sub-scanning direction V of the image light 600 irradiated on the eye box 4 behaves almost like Gaussian as shown in FIG.
  • the beam diameter DV in the sub-scanning direction V smaller than the pitch dV1 of the MLA 41, it becomes difficult for the combined laser light 500 to be incident across the plurality of ML 41a, so that the image light 600 emitted from the MLA 41 is the eye box 4 It is difficult to produce interference fringes.
  • the scanning lines on the transmissive screen 40 are not parallel to the main scanning direction H but are formed as oblique scanning lines with respect to the transmissive screen 40. (See FIG. 4). Specifically, during one line scanning in the main scanning direction H, the movement is made in the sub-scanning direction V by approximately one ML 41a. Therefore, during one line scanning in the main scanning direction H, as shown in FIGS. 12A, 12B, and 12C, the position of the synthetic laser light 500 scanned by the ML 41a in the sub scanning direction V is different. 12 (f), (g), and (h), the peak position of the light distribution intensity distribution 820 in the sub-scanning direction V is shifted.
  • the HUD device 1 of the present invention it is possible to suppress variations in the light distribution intensity distribution 820 in the sub-scanning direction V in the eyebox 4 caused by sub-scanning by using the scanning method described below.
  • FIG. 13 shows the time transition of the sub-scanning position Y.
  • FIG. 14 is a plan view of the transmission screen 40 illustrating a state in which the synthetic laser light 500 is scanned on the transmission screen 40.
  • FIG. 15 is a diagram showing a light distribution intensity distribution 820 in the sub-scanning direction V in the eyebox 4 when the present invention is applied.
  • the frame F for drawing the display image M is composed of three subframes SF, that is, a first subframe SF1, a second subframe SF2, and a third subframe SF3, as shown in FIG.
  • Each sub-frame SF scans the display area 40a and generates a display image M (first actual scanning period SF1a, first actual scanning period SF2a, third actual scanning period SF3a), and display.
  • a blanking period in which the image M is not generated (a first blanking scanning period SF1b, a second blanking scanning period SF2b, and a third blanking scanning period SF3b).
  • the frame F is set to be less than 1/60 second (the time resolution of the human eye) which is equal to or higher than the critical fusion frequency (60 Hz) at which a human can visually recognize flicker. That is, the first subframe SF1, the second subframe SF2, and the third subframe SF3 constituting the frame F are set to less than 1/180 seconds (180 Hz or more).
  • the display control unit 340 starts main scanning and sub-scanning of the MEMS scanner 20 from the first scanning start position Y1a, and at the timing when the scanning position approaches the display area 40a, the light sources 11r, 11g and 11b are turned on based on the drawing data of the first subframe SF1 stored in the buffer memory 341, and the display image M is drawn.
  • the display control unit 340 changes the scanning position of the MEMS scanner 20 from the first scanning end position Y1b in the first blanking scanning period SF1b. Move to the second scanning start position Y2a (an example of first scanning).
  • the display control unit 340 starts main scanning and sub-scanning of the MEMS scanner 20 from the second scanning start position Y2a, and at the timing when the scanning position approaches the display area 40a, the light source 11r. , 11g, and 11b are turned on based on the drawing data of the second subframe SF2 stored in the buffer memory 341, and the display image M is drawn.
  • the display control unit 340 changes the scanning position of the MEMS scanner 20 from the second scanning end position Y2b in the second blanking scanning period SF2b. Move to 3 scan start position Y3a (an example of second scan).
  • the display control unit 340 starts main scanning and sub-scanning of the MEMS scanner 20 from the third scanning start position Y3a, and at the timing when the scanning position approaches the display area 40a, the light sources 11r, 11g and 11b are turned on based on the drawing data of the third subframe SF3 stored in the buffer memory 341, and the display image M is drawn.
  • the display control unit 340 changes the scanning position of the MEMS scanner 20 from the third scanning end position Y3b in the third blanking scanning period SF3b. Move to one scanning start position Y1a (an example of third scanning).
  • the second scan start position Y2a is a position shifted from the first scan start position Y1a by a predetermined value in the sub-scanning direction V direction
  • the third scan start position Y3a is the sub-scan from the second scan start position Y2a.
  • the position is shifted by a predetermined value in the direction V.
  • the shift width P in the sub scanning direction V direction from the first scanning start position Y1a to the third scanning start position Y3a is preferably set smaller than the pitch dVA of the MLA 41 in the sub scanning direction V.
  • the drawing data of the first subframe SF1, the drawing data of the second subframe SF2, and the drawing data of the third subframe SF3 are the same drawing data, and the first subframe SF1 and the second subframe.
  • the same display image M is generated on the transmissive screen 40 in SF2 and the third subframe SF3.
  • the ML 41a has a combined laser beam 500 having different positions in the sub-scanning direction V by a plurality of sub-frames (first sub-frame SF1, second sub-frame SF2, third sub-frame SF3) in one frame. Can be incident. Therefore, the light distribution intensity distribution 820 in the sub-scanning direction V in the eye box 4 is obtained by averaging the light distribution intensity distributions 820 having peaks at different positions as shown in FIGS. 12 (a), 12 (b) and 12 (c).
  • the light distribution intensity distribution 820a can be made substantially uniform in the sub-scanning direction V as shown in FIG.
  • the light distribution intensity distribution 820 in the sub-scanning direction V in the eyebox 4 is substantially uniformed by using three subframes SF in one frame.
  • the number is arbitrary.
  • the light distribution intensity distribution 820 in the sub-scanning direction V may be made uniform in two subframes SF or four or more subframes SF.
  • the frame F is divided into sub-frames SF, and the scanning position is shifted in the sub-scanning direction V between these sub-frames SF. It may be shifted.
  • drawing data in a plurality of scans in which the scan position is shifted in the sub-scanning direction V is the same drawing data.
  • the drawing data is not limited, and different drawing data may be used.
  • the main scanning is performed while performing the sub-scanning.
  • the sub-scanning drive signal may be adjusted so that the scanning lines on the transmission screen 40 are substantially parallel to the main scanning direction H.
  • the sub-scanning drive signal may be a signal that changes stepwise with respect to time.
  • one scanning line in the main scanning direction H does not necessarily need to scan one lens row of the MLA 41, and scanning may be performed across two lens rows adjacent in the main scanning direction H. Further, scanning may be performed across the lens rows adjacent in the main scanning direction H between the subframes SF.
  • the transmissive screen (the transmissive screen 40) is used to diffuse the display image M, but a reflective screen may be applied.
  • the transmissive screen 40 is configured by combining one MLA 41 and one aperture array 42.
  • the transmissive screen 40 is a Dual Micro Lens Array including two microlens arrays. You may comprise. With such a configuration, the light distribution intensity distribution 810 in the main scanning direction H and the light distribution intensity distribution 820 in the sub-scanning direction V in the eye box 4 can be made more uniform.
  • the Dual Micro Lens Array can be configured such that the convex surfaces of the two microlens arrays face each other outward, or the convex surfaces of the two microlens arrays face each other. Various known dual micro lenses are also available. The Lens Array can be applied.
  • the conceptual diagram which shows the mounting aspect to the vehicle of the HUD apparatus which concerns on one Embodiment of this invention.
  • the schematic block diagram of the HUD apparatus which concerns on the said embodiment.
  • combination laser beam generator in the said embodiment. It is a figure which shows the scanning aspect on the transmissive screen in the said embodiment.
  • the conceptual diagram which shows the relationship between the beam diameter on the transmission screen in the said embodiment, and the pitch of MLA.
  • the light distribution intensity distribution in the main scanning direction in the eye box by the HUD device of the embodiment The light distribution intensity distribution in the main scanning direction in the eye box generated by the scanning in the main scanning direction and the scanning in the main scanning direction in the embodiment.
  • the figure showing the time transition of the subscanning position in the HUD apparatus of the said embodiment The figure for demonstrating the aspect of the scanning line scanned for every sub-frame of the said embodiment.
  • the present invention relates to a head-up display device for visually recognizing a virtual image superimposed on a real scene, and is suitable, for example, as a display device that is installed in a dashboard of a vehicle and emits image light to a windshield of the vehicle.

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Abstract

　実景に虚像を重ねて視認させるヘッドアップディスプレイ装置に関し、輝度ムラを抑制した表示像を生成する。　ＭＥＭＳスキャナ２０は、主走査方向Ｈとこの主走査方向Ｈと概ね直交する副走査方向Ｖとに合成レーザー光５００を二次元的に走査し、コントローラユニット３００は、主走査方向Ｈに高速走査しながら副走査方向Ｖに走査をして透過スクリーン４０上に表示画像Ｍを生成する第一の走査と、透過スクリーン４０上の第一の走査よりも副走査方向Ｖにずらした位置を走査する第二の走査を行わせる。

Description

ヘッドアップディスプレイ装置
　本発明は、視認者に風景とともに虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。
　半導体レーザーを光源としたヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置）が、例えば特許文献１に開示されている。このＨＵＤ装置は、レーザー光を出力する半導体レーザーと、この半導体レーザーから出射されたレーザー光を二次元方向に偏向することで画像を生成する走査部と、走査部により走査されたレーザー光を拡散した画像光として出射するスクリーンと、スクリーンから出射された画像光を透過反射面に向けるリレー光学系と、を備える。
　一般的に、レーザー光を用いたＨＵＤ装置が生成する画像は、スペックルと呼ばれる斑点模様が生じる。スペックルは、レーザー光の干渉性の高さに起因するものであり、スクリーンで拡散されたレーザー光同士が干渉し、光の強弱が発生することによって生じる。例えば、内部に拡散材を有する拡散板や表面の凹凸によって光を拡散するフロスト型拡散板等においてスペックルが顕著に発生する。スペックルが生じると、斑点模様により画像の解像度が低下し、視認性が低下するという問題があった。
　このような問題を解決するものとして、特許文献２には、マイクロレンズアレイ（Ｍｉｃｒｏ　Ｌｅｎｓ　Ａｒｒａｙ；ＭＬＡ）を二重に配置することによって構成される二重マイクロレンズアレイ（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｍｉｃｒｏ　Ｌｅｎｓ　Ａｒｒａｙ；ＤＭＬＡ）をＨＵＤ装置のスクリーンに用いる技術が開示されている。このようにＤＭＬＡを用いると、マイクロレンズ群の屈折作用によってレーザー光を発散させるため、スペックルの発生を低減することができる。
　しかしながら、ＭＬＡをスクリーンと用いて、スペックルを低減させるためには、レーザー光の工夫も必要とされる。半導体レーザーから出射されるレーザー光は、通常、楕円形であり、その強度分布は略ガウシアンであるため、特許文献２に記載のＨＵＤ装置では、レーザー光をＭＬＡの単レンズと同形状の形状に整形し、さらにレーザー光の強度分布をレンズなどによってトップハット強度分布に変換している。
　このようなレーザー光の整形，強度分布変換と、ＭＬＡとの組み合わせによって、トップハットの干渉パターンがアイボックス全域に隙間なく配置されるとともに、干渉パターン間の光強度差がない配光分布が実現される。ゆえに、視認者の瞳がアイボックス内であれば、瞳の位置が移動しても瞳内に入射する光量は変化しないため、良好な品位の表示像を視認者に視認させることができる。
特開平７－２７０７１１号公報 特表２００７－５２３３６９号公報
しかしながら、上記のようなビームの整形や強度分布変換が適切に行われないと、ＭＬＡとレーザー光による干渉パターンがアイボックス上で密にならず、表示像の輝度ムラや色ムラを生じることとなる。また、実際には上記のようなビームの整形や強度分布変換を適切に行なった場合であっても、アイボックス全域で干渉パターン間の隙間を完全になくすのは困難であり、瞳の位置が移動することで、瞳に入射する光量が変化してしまい、表示像の輝度ムラや色ムラを生じてしまうという問題があった。
　そこで本発明は、前述の課題を鑑みて、輝度ムラを抑制した表示像を生成することができるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。
　本発明は、前記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
　すなわち、第１の発明におけるヘッドアップディスプレイ装置は、レーザー光を出射する光源と、主走査方向と前記主走査方向とは異なる副走査方向とに前記レーザー光を二次元的に走査する走査部と、周期的に配置された複数の微小レンズを有し、前記走査部が走査する前記レーザー光を拡散して視認領域に向けるレンズアレイスクリーンと、前記光源と前記走査部を制御することで前記レンズアレイスクリーンに表示画像を生成する制御部と、を備え、前記制御部は、前記主走査方向に高速走査しながら前記副走査方向に走査する第一の走査と、前記レンズアレイスクリーン上の前記第一の走査よりも前記副走査方向にずらした位置を走査する第二の走査と、を行わせるものである。
　本発明は、輝度ムラを抑制した表示像を生成することができる。
　以下、添付の図面に基づいて、本発明のヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置と記載）の第一実施形態について説明する。
　本実施形態に係るＨＵＤ装置１は、図１に示すように、車両２のダッシュボード内に設けられ、後述する透過スクリーン４０に生成した表示画像Ｍ（図２参照）を表す画像光６００をウインドシールド３で反射させることにより、運転者に車両情報を表す表示画像Ｍの虚像Ｗ（表示像）を視認させる装置である。運転者は、視域であるアイボックス４において、表示画像Ｍを虚像Ｗとして視認する。なお、図１の虚像Ｗは、感覚的な理解を容易にするため、模式的に示したものである。図２の表示画像Ｍも同様である。
　図１に示すＨＵＤ装置１は、図２に示すように、合成レーザー光発生装置１０と、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）スキャナ２０と、フィールドレンズ３０と、透過スクリーン４０と、リレー光学部５０と、ハウジング６０と、を備える。
　合成レーザー光発生装置１０は、後述する各光源１１ｂ，１１ｒ，１１ｇが出射する各レーザー光Ｂ，Ｒ，Ｇの光軸を調整して１本の合成レーザー光５００を出射する装置であり、図３に示すように、光源１１と、集光光学部１２と、光軸調整部１３と、を備える。
　光源１１は、図３に示すように、青色レーザー光Ｂを発する青色光源１１ｂと、赤色レーザー光Ｒを発する赤色光源１１ｒ、緑色レーザー光Ｇを発する緑色光源１１ｇ、から構成される。各光源１１ｂ，１１ｒ，１１ｇは、合成レーザー光５００として出射される際に、各レーザー光Ｂ，Ｒ，Ｇの偏光方向（電場振動方向）が一致するように配設される。
　集光光学部１２は、光源１１から出射された発散光である各レーザー光Ｂ，Ｒ，Ｇを収束光に変換し、後述する透過スクリーン４０の下面に集光するように収差補正されたレンズであり、各光源１１ｂ，１１ｒ，１１ｇから出射される各レーザー光Ｂ，Ｒ，Ｇの光路上にそれぞれ配置される青色集光レンズ１２ｂ，赤色集光レンズ１２Ｒ，緑色集光レンズ１２Ｇから構成される。光源１１から出射される各レーザー光Ｂ，Ｒ，Ｇは、略ガウシアンの光強度分布（図示しない）を有しており、集光光学部１２により集光されて透過スクリーン４０に到達する合成レーザー光５００（各レーザー光Ｂ，Ｒ，Ｇ）も同様に略ガウシアンの光強度分布７１０を有するとみなすことができる。
　光軸調整部１３は、各レーザー光Ｂ，Ｒ，Ｇの光軸を概ね揃えて、合成レーザー光５００としてＭＥＭＳスキャナ２０に向けるものであり、赤色レーザー光Ｒの波長領域のみを反射する第一ダイクロイックミラー１３Ｒと、緑色レーザー光Ｇの波長領域のみを反射する第二ダイクロイックミラー１３Ｇと、から構成される。
　図２に戻って、ＭＥＭＳスキャナ２０は、合成レーザー光発生装置１０が出射した合成レーザー光５００を走査して、透過スクリーン４０の表面側に表示画像Ｍを生成する。ＭＥＭＳスキャナ２０は、図４に示すように、主走査方向Ｈに複数回の主走査をしながら、主走査方向Ｈと概ね直交する副走査方向Ｖに副走査することで、後述する透過スクリーン４０上に表示画像Ｍを生成する。
　フィールドレンズ３０は、ＭＥＭＳスキャナ２０で走査された合成レーザー光５００を、走査位置に応じた入射角で透過スクリーン４０へ入射させる。フィールドレンズ３０は、合成レーザー光５００の透過スクリーン４０への入射角を、透過スクリーン４０以降の光学系（リレー光学部５０、ウインドシールド３）の特性に合わせて最適化するように形成され、配置されている。
　透過スクリーン４０は、図６に示すように、マイクロレンズアレイ（以下、ＭＬＡ）４１と、ＭＬＡ４１の前面側に配置されるアパーチャアレイ４２と、から構成され、表面側に表示画像Ｍを表示する。透過スクリーン４０は、ＭＥＭＳスキャナ２０から入射した合成レーザー光５００の射出瞳（Ｅｘｉｔ　Ｐｕｐｉｌ）を拡大し、画像光６００としてリレー光学部５０に向けて出射する。
　ここで、透過スクリーン４０について、図５，６を用いて説明する。
　図５（ａ）は、ＭＬＡ４１の平面図であり、図５（ｂ）は、アパーチャアレイ４２の平面図である。また、図６は、透過スクリーン４０の断面図であり、図４におけるＡ－Ａ断面図である。
　ＭＬＡ４１は、図５（ａ）に示すように、その面内に複数のマイクロレンズ（以下、ＭＬと記載）４１ａを有し、これらＭＬ４１ａ各々が、主走査方向ＨにｄＨ１、副走査方向ＶにｄＶ１のピッチで周期的に配列するようにして形成されるものである。本実施形態ではｄＨ１＞ｄＶ１であり、ＭＬ４１ａは、長方形の格子状に周期的に配列され、隣り合うＭＬ４１ａ同士に生じる隙間や段差が最小限となるように形成されている。ここでのピッチとは、互いに隣接するＭＬ４１ａのレンズ中心間の距離である。このような長方形形状のレンズアレイとすることで透過スクリーン４０を出射したレーザー光はアイボックス４を長方形形状で効率良く照明することができる。本実施形態では、副走査方向ＶのピッチｄＶ１を略１画素に相当するサイズとする。
　本実施形態では長方形形状のマイクロレンズが格子状に配列されるとしたが、レンズの形状は正方形としてもよい。また、六角形形状のマイクロレンズをハニカム状に配列していてもよい。
　アパーチャアレイ４２は、図５（ｂ）に示すように、その面内に、主走査方向ＨにピッチｄＨＡ、副走査方向ＶにピッチｄＶＡで周期的に配列された複数の開口部４２ａをする。ここでのピッチとは、互いに隣接する開口部４２ａの中心間の距離である。
　本実施形態ではＭＬＡ４１と同様、ｄＨＡ＞ｄＶＡである。また、アパーチャアレイ４２のピッチは、ＭＬＡ４１のピッチよりも僅かに大きく、ｄＨＡ＞ｄＨ１であるとする。
　アパーチャアレイ４２の開口部４２ａは、その大きさがＭＬ４１ａのレンズサイズの１／５～１／１０程度となるように調整して形成されている。アパーチャアレイ４２の開口部４２ａ以外の領域は、図示するように、遮光部４２ｂである。遮光部４２ｂは、例えば液晶パネルに用いられるブラックレジストのような可視光を吸収する材料から形成されている。つまり、アパーチャアレイ４２において、その両面共に開口部４２ａ以外の領域は、遮光部４２ｂの表面となっている。そのため、アパーチャアレイ４２に到達したレーザー光のうち、開口部４２ａを通過する光以外は、遮光部４２ｂでその大部分が吸収される。
　ＭＬＡ４１とアパーチャアレイ４２とは、図６に示すように、互いの有する面が平行になるように、且つ、ＭＬＡ４１の中心部に位置するＭＬ４１ａの光軸ＡＸ上に、アパーチャアレイ４２の中心部に位置する開口部４２ａの中心が位置するように配置される。また、両者は、ＭＬ４１ａの焦点距離ｆの間隔だけ隔てて配置されている。なお、ＭＬＡ４１の中心部に位置するＭＬ４１ａとは、ＭＥＭＳスキャナ２０によって走査されたレーザー光の中心の光に照射される位置にあるＭＬ４１ａをいう。また、ＭＬＡ４１とアパーチャアレイ４２とは、アパーチャアレイ４２の複数の開口部４２ａの各々とＭＬＡ４１の複数のマイクロレンズ４１ａの各々とが互いに対を成すように、且つ、ＭＬＡ４１によるレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの集光点Ｐに開口部４２ａ中心が位置するように、形成され、配置される。
　透過スクリーン４０は、以上のように構成されるため、ＭＬＡ４１で集光されたレーザー光は、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａをちょうど通過する。このため、光源１１が出射したレーザー光を効率良く表示画像Ｍを表す光とすることができる。その一方、図２に示すＨＵＤ装置１におけるレーザー光の光路を逆に伝搬し、透過スクリーン４０に到達する外光は、その大部分がアパーチャアレイ４２の遮光部４２ｂに吸収される。そのため、外光反射は、大幅に低減される。遮光部４２ｂを有さない場合、透過スクリーン４０で拡散反射した外光がＨＵＤ装置１の光路をたどり視認者の眼に届くことになる。このとき、透過スクリーン４０が表示像に重なって白い枠状に浮かび上がるため、視認性を悪化させることとなる。
　また、透過スクリーン４０に到達したレーザー光のうち、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａを通過する画像光６００（つまり、表示画像Ｍを表す光）以外の光は、その大部分がアパーチャアレイ４２の遮光部４２ｂに吸収される。そのため、透過スクリーン４０内でのレーザー光の内部反射も低減できる。
　本実施形態では透過スクリーン４０にアパーチャアレイ４２を形成することとしたが、ＭＬＡ４１単独としてもよい。
　リレー光学部５０は、透過スクリーン４０とウインドシールド３との光路間に設けられ、透過スクリーン４０の前面に表示された表示画像Ｍが、所望の位置に所望の大きさで、虚像Ｗとして結ばれるように光補正する光学系である。リレー光学部５０は、平面ミラー５１と凹面ミラー５２の２枚の鏡から構成される。
　平面ミラー５１は、平面状の全反射ミラー等であり、透過スクリーン４０に表示された表示画像Ｍを表す画像光６００を凹面ミラー５２に向かって反射する。
　凹面ミラー５２は、凹面鏡等であり、平面ミラー５１で反射された画像光６００を凹面で反射させることで、反射光をウインドシールド３に向かって出射する。これにより、結ばれる虚像Ｗの大きさは、表示画像Ｍが拡大された大きさのものになる。
　ハウジング６０は、上方に所定の大きさの開口部を有して、箱状に、硬質樹脂等から形成されるものであり、その内部の所定の位置に合成レーザー光発生装置１０、ＭＥＭＳスキャナ２０、フィールドレンズ３０、透過スクリーン４０、リレー光学部５０などを収納する。また、ハウジング６０の開口部には、窓部６１が取り付けられる。
　次に、図７を参照して、ＨＵＤ装置１の制御系統について説明する。
　ＨＵＤ装置１は、上記したものの他、図７に示すように、ＬＤ制御部１００と、ＭＥＭＳ制御部２００と、ＬＤ制御部１００とＭＥＭＳ制御部２００とを制御するコントローラユニット３００と、を備える。これらの制御部は、例えば、ハウジング６０内に配設されたプリント回路板（図示せず）に実装されている。また、これらの制御部は、ＨＵＤ装置１の外部に配設され、配線によりＨＵＤ装置１（光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ、ＭＥＭＳスキャナ２０等）と電気的に接続されていてもよい。
　ＬＤ制御部１００は、光源１１ｂ，１１ｒ，１１ｇを駆動するドライバＩＣ等からなり、コントローラユニット３００の制御のもとで（表示制御部３４０からのＬＤ駆動信号に基づいて）、各光源１１ｂ，１１ｒ，１１ｇを、ＰＷＭ方式、又は、パルス振幅変調（Ｐｕｌｓｅ　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ＰＡＭ）方式により駆動する。
　ＭＥＭＳ制御部２００は、ＭＥＭＳスキャナ２０を駆動するドライバＩＣ等からなり、コントローラユニット３００の制御のもとで（表示制御部３４０からの走査制御信号に基づいて）、ＭＥＭＳスキャナ２０を駆動する。ＭＥＭＳ制御部２００は、正弦波状の主走査駆動信号（主走査駆動電圧）により、ＭＥＭＳスキャナ２０を主走査方向Ｈに共振させる。また、ＭＥＭＳ制御部２００は、副走査駆動信号（副走査駆動電圧）により、ＭＥＭＳスキャナ２０を副走査方向Ｖに振動させる。
　ＭＥＭＳ制御部２００は、ＭＥＭＳスキャナ２０のミラーを動かすピエゾ素子の時間ごとの振れ位置を取得し、これに基づいてフィードバックデータを算出し、このフィードバックデータを後述する表示制御部３４０へ出力する。
　ＭＥＭＳ制御部２００から出力されるフィードバックデータは、図４に示すような、主走査ライン数ｎと、走査開始位置Ｙａ，表示開始位置（図示しない），表示終了位置（図示しない），走査終了位置ＹｂなどＭＥＭＳスキャナ２０による走査位置に関する走査位置検出データと、ＭＥＭＳスキャナ２０を主走査方向Ｈに実際に共振させた際の共振周波数である実測主共振周波数データと、ＭＥＭＳスキャナ２０を副走査方向Ｖに実際に共振させた際の共振周波数である実測副共振周波数データと、を含むデータである。
　コントローラユニット３００は、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）などからなり、入力処理部３１０と、メモリ制御部３２０と、フレームバッファ３３０と、表示制御部３４０と、を備え、車両ＥＣＵ５から入力される画像信号に基づき、ＬＤ制御部１００及びＭＥＭＳ制御部２００を介して、ＬＤ（光源１１ｒ、光源１１ｇ、光源１１ｂ）及びＭＥＭＳスキャナ２０を制御することで、画像信号に基づく画像Ｍを透過スクリーン４０上に生成させる。なお、本発明の制御部は、ＬＤ制御部１００とＭＥＭＳ制御部２００とコントローラユニット３００とで構成される。
　入力処理部３１０は、車両ＥＣＵ５から画像信号を入力し、そのデータを処理して、コントローラユニット３００内の処理に適した形式にする。
　メモリ制御部３２０は、入力処理部３１０にて変換されたフレームデータを、フレームバッファ３３０にそれぞれ記憶させる。フレームバッファ３３０は、ＤＲＡＭやＳＲＡＭなどの揮発性メモリやフラッシュメモリなどの書き換え可能な不揮発性メモリなどで構成される。
　メモリ制御部３２０は、さらに表示制御部３４０からの命令があり次第、フレームバッファ３３０からフレームデータを取り出して表示制御部３４０に出力して、表示制御部３４０は、表示制御部３４０内のバッファメモリ３４１に記憶させる。
　表示制御部３４０は、予め記憶されたプログラムデータを実行することで、ＬＤ制御部１００に対してＬＤ駆動信号を出力し、さらにＭＥＭＳ制御部２００に対して走査制御信号を出力することで、光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ及びＭＥＭＳスキャナ２０を制御して透過スクリーン４０上に表示画像Ｍを生成させる。
　以上が、本実施形態に係るＨＵＤ装置１の構成である。
　次に、本実施形態の透過スクリーン４０に到達する合成レーザー光５００の形状と光強度分布７１０（７２０）及び合成レーザー光５００が透過スクリーン４０を通過した画像光６００の配光強度分布８１０（８２０）について図８、図９を用いて説明する。図８は、透過スクリーン４０と合成レーザー光５００との関係及び合成レーザー光５００の光強度分布７１０（７２０）を説明するための図であり、図９は、透過スクリーン４０から出射される画像光６００の配光強度分布８１０（８２０）を説明するための図である。
集光光学部１２で収束光に変換された合成レーザー光５００は、ＭＬＡ４１に入射する位置でほぼ最小ビーム径となるように集光される。このビーム径は集光光学部１２におけるビーム径と、集光光学部１２からＭＬＡ４１までの距離と、により決定される回折限界である。なお、透過スクリーン４０に入射する合成レーザー光５００の主走査方向Ｈのビーム径をＤＨ、副走査方向Ｖのビーム径をＤＶと記して、以下の説明を行う。本実施形態の説明におけるビーム径ＤＨ（ＤＶ）は、合成レーザー光５００の主走査方向Ｈ（副走査方向Ｖ）のピーク強度に対し、１／ｅ２（１３．５％）の強度となる位置までを径と規定している。
（主走査について）
　主走査方向Ｈのビーム径ＤＨは、図８に示すように、ＭＬＡ４１の主走査方向ＨのピッチｄＨ１よりも小さく、その主走査方向Ｈにおける光強度分布７１０は、略ガウシアンと見なせる。ＭＬＡ４１のＭＬ４１ａによって屈折した画像光６００は、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａを通過して発散し、アイボックス４に向かう。アイボックス４に照射された画像光６００の主走査方向Ｈの配光強度分布８１０は、図９に示すように、概ねガウシアンのようにふるまう。主走査方向Ｈのビーム径ＤＨを、ＭＬＡ４１のピッチｄＨ１よりも小さくすることで、合成レーザー光５００が複数のＭＬ４１ａを跨いで入射されにくくなるため、ＭＬＡ４１から出射される画像光６００はアイボックス４で干渉縞を生じにくい。
　本実施形態の主走査では、表示画像Ｍの１画素を形成する（１つのＭＬ４１ａを走査する）ために、１０ｎｓｅｃ程度、光源１１を駆動する。その間もＭＥＭＳスキャナ２０は、連続的に主走査方向Ｈに走査するため、合成レーザー光５００が、光源１１の駆動期間内で主走査方向ＨにＭＬ４１ａの略１個分だけ移動する。すると、透過スクリーン４０から出射される画像光６００の主走査方向Ｈにおける配光強度分布８１０のピークが、アイボックス４内でシフトしていく。
　図１０は、ＭＬ４１ａに入射する合成レーザー光５００の主走査方向Ｈにおける位置と、アイボックス４における主走査方向Ｈにおける配光強度分布８１０との関係を示す図であり、（ａ）と（ｆ）、（ｂ）と（ｇ）、（ｃ）と（ｈ）、（ｄ）と（ｉ）、（ｅ）と（ｊ）がそれぞれ対応している。合成レーザー光５００が、図１０（ａ）から（ｅ）に示すように、１つのＭＬＡ４１を主走査方向Ｈに走査していくと、図１０（ｆ）から（ｊ）に示すような、それぞれ異なる配光強度分布８１０（８１１、８１２，８１３，８１４，８１５）が得られる。これら異なる配光強度分布８１０を、ＭＬ４１ａを１個分走査する時間で積分すると、図１１に示すように、アイボックス４の主走査方向Ｈの全域で略Ｔｏｐ－Ｈａｔとみなせる、概ね均一な配光強度分布８１０を形成することができる。
（副走査について）
　副走査方向Ｖのビーム径ＤＶは、図８に示すように、ＭＬＡ４１の副走査方向ＶのピッチｄＶ１よりも小さく、その副走査方向Ｖの光強度分布７２０は、略ガウシアンと見なせる。ＭＬＡ４１のＭＬ４１ａによって屈折した画像光６００は、アパーチャアレイ４２の開口部４２ａを通過して発散し、アイボックス４に向かう。アイボックス４に照射された画像光６００の副走査方向Ｖにおける配光強度分布８２０は、図９に示すように、概ねガウシアンのようにふるまう。副走査方向Ｖのビーム径ＤＶを、ＭＬＡ４１のピッチｄＶ１よりも小さくすることで、合成レーザー光５００が複数のＭＬ４１ａを跨いで入射されにくくなるため、ＭＬＡ４１から出射される画像光６００はアイボックス４で干渉縞を生じにくい。
　ＭＥＭＳスキャナ２０は、副走査しながら主走査しているため、透過スクリーン４０上の走査線は、主走査方向Ｈと平行にならずに、透過スクリーン４０に対して斜めの走査線として形成される（図４参照）。具体的には、主走査方向Ｈに１ライン走査する間に、ＭＬ４１ａの概ね１個分だけ副走査方向Ｖに移動する。そのため、主走査方向Ｈに１ライン走査する間に、図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、ＭＬ４１ａに走査される合成レーザー光５００の副走査方向Ｖの位置が異なり、図１２（ｆ），（ｇ），（ｈ）に示すように、副走査方向Ｖにおける配光強度分布８２０のピーク位置がシフトしてしまう。すると、アイボックス４内の所定の位置から虚像Ｗを視認すると、主走査方向Ｈに並ぶ画素で、明瞭に視認できる画素と、視認できない画素とが混在し、虚像Ｗの視認性が低下してしまう。本発明のＨＵＤ装置１によれば、以下に説明する走査方法を用いることで、副走査によって生じるアイボックス４における副走査方向Ｖの配光強度分布８２０のばらつきを抑制することができる。
　これより、本発明のＭＥＭＳスキャナ２０の走査方法について、図１３乃至図１５を用いて説明する。図１３は、副走査位置Ｙの時間推移を示す。図１４は、透過スクリーン４０上に合成レーザー光５００が走査される様子を図示した透過スクリーン４０の平面図である。また、図１５は、本発明を適用した場合のアイボックス４における副走査方向Ｖの配光強度分布８２０を示す図である。
　本実施形態において、表示画像Ｍを描画するフレームＦは、図１３に示すように、第１サブフレームＳＦ１，第２サブフレームＳＦ２，第３サブフレームＳＦ３の３つのサブフレームＳＦで構成される。また、それぞれのサブフレームＳＦは、表示エリア４０ａを走査し、表示画像Ｍを生成する実走査期間（第１実走査期間ＳＦ１ａ，第１実走査期間ＳＦ２ａ，第３実走査期間ＳＦ３ａ）と、表示画像Ｍを生成しない帰線期間（第１帰線走査期間ＳＦ１ｂ，第２帰線走査期間ＳＦ２ｂ，第３帰線走査期間ＳＦ３ｂ）とで構成される。
　なお、フレームＦは、ヒトがちらつきを視認できる臨界融合周波数（６０Ｈｚ）以上の１／６０秒（人の目の時間分解能）未満に設定される。すなわち、フレームＦを構成する第１サブフレームＳＦ１、第２サブフレームＳＦ２、第３サブフレームＳＦ３は、１／１８０秒未満（１８０Ｈｚ以上）に設定される。
　まず、第１サブフレームＳＦ１において、表示制御部３４０は、第１走査開始位置Ｙ１ａからＭＥＭＳスキャナ２０の主走査及び副走査を開始させ、走査位置が表示エリア４０ａに差し掛かるタイミングで、光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを、バッファメモリ３４１に記憶された第１サブフレームＳＦ１の描画データに基づき点灯制御させ、表示画像Ｍを描画する。次に、表示制御部３４０は、ＭＥＭＳスキャナ２０の走査位置が非表示エリア４０ｂに移動した場合、第１帰線走査期間ＳＦ１ｂにおいて、ＭＥＭＳスキャナ２０の走査位置を、第１走査終了位置Ｙ１ｂから第２走査開始位置Ｙ２ａに移動させる（第一の走査の一例）。
　続いて、第２サブフレームＳＦ２において、表示制御部３４０は、第２走査開始位置Ｙ２ａからＭＥＭＳスキャナ２０の主走査及び副走査を開始させ、走査位置が表示エリア４０ａに差し掛かるタイミングで、光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを、バッファメモリ３４１に記憶された第２サブフレームＳＦ２の描画データに基づき点灯制御させ、表示画像Ｍを描画する。次に、表示制御部３４０は、ＭＥＭＳスキャナ２０の走査位置が非表示エリア４０ｂに移動した場合、第２帰線走査期間ＳＦ２ｂにおいて、ＭＥＭＳスキャナ２０の走査位置を、第２走査終了位置Ｙ２ｂから第３走査開始位置Ｙ３ａに移動させる（第二の走査の一例）。
　さらに、第３サブフレームＳＦ３において、表示制御部３４０は、第３走査開始位置Ｙ３ａからＭＥＭＳスキャナ２０の主走査及び副走査を開始させ、走査位置が表示エリア４０ａに差し掛かるタイミングで、光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを、バッファメモリ３４１に記憶された第３サブフレームＳＦ３の描画データに基づき点灯制御させ、表示画像Ｍを描画する。次に、表示制御部３４０は、ＭＥＭＳスキャナ２０の走査位置が非表示エリア４０ｂに移動した場合、第３帰線走査期間ＳＦ３ｂにおいて、ＭＥＭＳスキャナ２０の走査位置を、第３走査終了位置Ｙ３ｂから第１走査開始位置Ｙ１ａに移動させる（第三の走査の一例）。
　なお、第２走査開始位置Ｙ２ａは、第１走査開始位置Ｙ１ａから副走査方向Ｖ方向に所定の値だけシフトした位置であり、第３走査開始位置Ｙ３ａは、第２走査開始位置Ｙ２ａから副走査方向Ｖ方向に所定の値だけシフトした位置である。第１走査開始位置Ｙ１ａから第３走査開始位置Ｙ３ａまでの副走査方向Ｖ方向へのシフト幅Ｐは、ＭＬＡ４１の副走査方向ＶのピッチｄＶＡより小さく設定することが望ましい。
　また、第１サブフレームＳＦ１の描画データと、第２サブフレームＳＦ２の描画データと、第３サブフレームＳＦ３の描画データとは、同じ描画データであり、第１サブフレームＳＦ１と、第２サブフレームＳＦ２と、第３サブフレームＳＦ３とで同じ表示画像Ｍを透過スクリーン４０上に生成する。
　斯かる走査方法により、ＭＬ４１ａは、１フレーム中に、複数のサブフレーム（第１サブフレームＳＦ１，第２サブフレームＳＦ２，第３サブフレームＳＦ３）による副走査方向Ｖに位置の異なる合成レーザー光５００を入射することができる。したがって、アイボックス４における副走査方向Ｖの配光強度分布８２０は、図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すような異なる位置にピークを持つ配光強度分布８２０を時間平均した、図１５に示すような副走査方向Ｖ方向で概ね均一な配光強度分布８２０ａとすることができる。この走査方法においては、主走査方向Ｈのビーム径ＤＨを、ＭＬＡ４１のピッチｄＨ１よりも小さくすることで、合成レーザー光５００が複数のＭＬ４１ａを跨いで入射されにくくなるため、スペックルと干渉縞を低減し、視認者が視認する虚像Ｗの画素毎の輝度ムラを抑制することができる。
　なお、本発明は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。
　上記実施形態では、１フレーム中に３つのサブフレームＳＦを用いて、アイボックス４における副走査方向Ｖの配光強度分布８２０を実質的に均一化することとしたが、均一化に用いるサブフレーム数は任意である。２つのサブフレームＳＦまたは４つ以上のサブフレームＳＦで副走査方向Ｖにおける配光強度分布８２０の均一化を行ってもよい。
　また、上記実施形態では、フレームＦをサブフレームＳＦに分割し、これらサブフレームＳＦ間で走査位置を副走査方向Ｖにずらしていたが、連続するフレームＦ間で操作位置を副走査方向Ｖにずらしてもよい。
　また、上記実施形態では、走査位置を副走査方向Ｖにずらした複数の走査（第一の走査と第二の走査と第三の走査）における描画データを、同じ描画データとしたが、これに限られず、異なる描画データを用いてもよい。
　また、上記実施形態では、副走査しながら主走査をしていたが、透過スクリーン４０上の走査線が主走査方向Ｈと概ね平行になるように、副走査駆動信号を調整してもよい。例えば、副走査駆動信号を、時間に対して段階的に変化させる信号としてもよい。
　また、主走査方向Ｈの１つの走査線は必ずしもＭＬＡ４１の１つのレンズ行を走査している必要はなく、主走査方向Ｈに隣り合う２つのレンズ行にまたがって走査してよい。また、サブフレームＳＦ間で主走査方向Ｈに隣り合うレンズ行にまたがって走査してもよい。
　また、上記実施形態では、表示画像Ｍを拡散するものを透過型のスクリーン（透過スクリーン４０）としたが、反射型のスクリーンを適用してもよい。
　また、上記実施形態では、透過スクリーン４０を、１つのＭＬＡ４１と、１つのアパーチャアレイ４２との組み合わせで構成したものを説明したが、透過スクリーン４０を、２つのマイクロレンズアレイからなるＤｕａｌ　Ｍｉｃｒｏ　Ｌｅｎｓ　Ａｒｒａｙで構成してもよい。斯かる構成により、アイボックス４における主走査方向Ｈの配光強度分布８１０，副走査方向Ｖの配光強度分布８２０をより均一にすることができる。なお、Ｄｕａｌ　Ｍｉｃｒｏ　Ｌｅｎｓ　Ａｒｒａｙの構成としては、２つのマイクロレンズアレイの凸面をそれぞれ外側に向けるものや、２つのマイクロレンズアレイの凸面を向かい合わせにするものなどが考えられ、公知の様々なＤｕａｌ　Ｍｉｃｒｏ　Ｌｅｎｓ　Ａｒｒａｙを適用することができる。
本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の車両への搭載態様を示す概念図。 上記実施形態に係るＨＵＤ装置の概略構成図。 上記実施形態における合成レーザー光発生装置の概略構成図。 上記実施形態における透過スクリーン上の走査態様を示す図である。 （ａ）ＭＬＡの拡大平面図。（ｂ）アパーチャアレイの拡大平面図。 図４の透過スクリーンの側面視における概略断面図。 上記実施形態に係るＨＵＤ装置の制御系統を説明するためのブロック図。 上記実施形態における透過スクリーン上のビーム径とＭＬＡのピッチの関係を示す概念図。 上記実施形態のＨＵＤ装置によるアイボックスにおける主走査方向の配光強度分布。 上記実施形態における主走査方向の走査とこの主走査方向の走査によって生じるアイボックスにおける主走査方向の配光強度分布。 上記実施形態のアイボックスにおける時間平均した主走査方向の配光強度分布を示した図。 上記実施形態における副走査方向の走査とこの副走査方向の走査によって生じるアイボックスにおける副走査方向の配光強度分布。 上記実施形態のＨＵＤ装置における副走査位置の時間推移を表す図。 上記実施形態のサブフレーム毎に走査される走査線の態様を説明するための図。 上記実施形態のアイボックスにおける時間平均した副走査方向の配光強度分布を示した図。
　本発明は、実景に虚像を重ねて視認させるヘッドアップディスプレイ装置に関し、例えば、車両のダッシュボード内に設置され、画像光を車両のウインドシールドへ出射する表示装置として好適である。
　　　１　　ＨＵＤ装置（ヘッドアップディスプレイ装置）
　　　２　　車両
　　　３　　ウインドシールド
　　　４　　アイボックス
　　１０　　合成レーザー光発生装置
　　１１　　ＬＤ（１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ）
　　１２　　集光光学系（１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ）
　　１３　　光軸調整部（１３ｒ，１３ｇ）
　　２０　　ＭＥＭＳスキャナ
　　３０　　フィールドレンズ
　　４０　　透過スクリーン（レンズアレイスクリーン）
　　４１　　ＭＬＡ（マイクロレンズアレイ）
　　４１ａ　　マイクロレンズ（微小レンズ）
　　４２　　アパーチャアレイ
　　４２ａ　　開口部
　　４２ｂ　　遮光部
　　５０　　リレー光学部
　　５１　　平面ミラー
　　５２　　拡大ミラー
　１００　　　ＬＤ制御部（制御部）
　２００　　　ＭＥＭＳ制御部（制御部）
　３００　　　コントローラユニット（制御部）
　３１０　　　入力処理部
　３２０　　　メモリ制御部
　３３０　　　フレームバッファ
　３４０　　　表示制御部
　５００　　　合成レーザー光
　６００　　　画像光
　７１０　　　主走査方向の光強度分布
　７２０　　　副走査方向の光強度分布
　８１０　　　主走査方向の配光強度分布
　８２０　　　副走査方向の配光強度分布
　　　Ｒ　　赤色レーザー光
　　　Ｇ　　緑色レーザー光
　　　Ｂ　　青色レーザー光
　　　Ｍ　　表示画像
　　　Ｗ　　虚像

Claims (6)

  1. 　レーザー光を出射する光源と、
    　主走査方向と前記主走査方向とは異なる副走査方向とに前記レーザー光を二次元的に走査する走査部と、
    　周期的に配置された複数の微小レンズを有し、前記走査部が走査する前記レーザー光を拡散して視認領域に向けるレンズアレイスクリーンと、
    　前記光源と前記走査部を制御することで前記レンズアレイスクリーンに表示画像を生成する制御部と、を備え、
    　前記制御部は、前記主走査方向に高速走査しながら前記副走査方向に走査する第一の走査と、
    　前記レンズアレイスクリーン上の前記第一の走査よりも前記副走査方向にずらした位置を走査する第二の走査と、を行わせる、ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  2. 　前記第一の走査と、前記第二の走査とは、同じ前記表示画像を生成する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  3. 　前記微小レンズの前記副走査方向におけるピッチは、前記レーザー光の前記副走査方向の径よりも大きい、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  4. 　前記制御部は、前記第一の走査と、前記第二の走査とを、人の目の時間分解能以内に行わせる、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  5. 　前記微小レンズは、前記主走査方向と前記副走査方向に沿うように二次元的に配置された矩形状のレンズであり、
    　前記制御部は、前記走査部が前記主走査方向に１ライン走査する間に、走査位置を前記副走査方向に前記微小レンズのピッチと同じ距離だけ移動させる、
    ことを特徴する請求項１乃至４のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  6. 　前記第一の走査と前記第二の走査との前記副走査方向におけるずれは、前記微小レンズの前記副走査方向のピッチよりも小さい、
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
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