WO2017179655A1 - 透過スクリーン及びレーザー走査型表示装置 - Google Patents

透過スクリーン及びレーザー走査型表示装置 Download PDF

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WO2017179655A1
WO2017179655A1 PCT/JP2017/015129 JP2017015129W WO2017179655A1 WO 2017179655 A1 WO2017179655 A1 WO 2017179655A1 JP 2017015129 W JP2017015129 W JP 2017015129W WO 2017179655 A1 WO2017179655 A1 WO 2017179655A1
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WO
WIPO (PCT)
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light
substrate
laser light
display image
laser
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/015129
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English (en)
French (fr)
Inventor
俊 関谷
中原　剛
Original Assignee
日本精機株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R11/00—Arrangements for holding or mounting articles, not otherwise provided for
    • B60R11/02—Arrangements for holding or mounting articles, not otherwise provided for for radio sets, television sets, telephones, or the like; Arrangement of controls thereof
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/54—Accessories
    • G03B21/56—Projection screens
    • G03B21/60—Projection screens characterised by the nature of the surface
    • G03B21/62—Translucent screens

Definitions

  • the present invention relates to a transmission screen and a laser scanning display device.
  • a head-up display device (hereinafter referred to as a HUD device) that irradiates a driver with a virtual image corresponding to a display image by irradiating light representing a display image on a windshield or the like has been proposed. ing.
  • the HUD device described in Patent Document 1 includes a liquid crystal panel, a light source, and an illumination optical system that uniformly irradiates the liquid crystal panel with light from the light source and collects light in a viewer's eye box.
  • a liquid crystal panel for example, the HUD device described in Patent Document 1
  • a light source for example, the HUD device described in Patent Document 1
  • an illumination optical system that uniformly irradiates the liquid crystal panel with light from the light source and collects light in a viewer's eye box.
  • the display image M displayed on the screen in the housing of the HUD device is passed through the optical system. Visible.
  • the light intensity in the eye box Eb is substantially constant.
  • the light intensity outside the range of the eye box Eb gradually decreases as the viewpoints P1 to P3 move away from the eye box Eb.
  • the display light related to the display image M is blocked by the part 160a of the housing of the HUD device, as indicated by the dashed arrow A1 in FIG.
  • the visible area of the display image M gradually decreases. Therefore, when the viewpoints P1 to P3 are separated from the eye box Eb, there is little discomfort for the viewer.
  • the HUD device described in Patent Document 2 includes a synthetic laser light generator 110 that emits synthetic laser light, and a MEMS (Micro Electro Mechanical System) scanner that scans the synthetic laser light. 120, a transmission screen 141 that forms a display image M by scanning with a synthetic laser beam, a field lens 130 that changes the traveling direction of light around the display image M, and a display image from the transmission screen 141. And a reflection member 152 that reflects the display light representing M toward the eye box Eb.
  • a microlens array (MLA) screen is used as the transmission screen 141, and the beam diameter of the laser light projected is set smaller than the lens pitch.
  • JP 2012-203176 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-25959
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a transmission screen and a laser scanning display device with improved visibility.
  • a transmissive screen is a transmissive screen that receives light related to a display image and displays the display image, and a base material, and is closer to the light incident side than the base material.
  • a microlens array having microlenses arranged in a matrix when viewed from the thickness direction of the base material, and located on the light incident side of the base material, in the thickness direction of the base material
  • a transmittance adjusting layer having a transmittance adjusting element arranged in a matrix located facing the microlens, and the transmittance adjusting element as viewed from the thickness direction of the base material. It forms so that the transmittance
  • a laser scanning display device includes the transmission screen, a laser light generation device that emits laser light, and directs the laser light from the laser light generation device to the transmission screen. And a scanning unit that displays the display image on the transmissive screen.
  • visibility can be improved in a transmission screen and a laser scanning display device.
  • (A) which concerns on one Embodiment of this invention is a top view of a gray scale matrix layer
  • (b) is a graph which shows the distribution of the transmittance
  • (A) is a graph which shows intensity distribution of the emitted light from the transmissive screen in the eye box which concerns on one Embodiment of this invention
  • (b) is intensity distribution of the emitted light from the transmissive screen in the eye box which concerns on a comparative example. It is a graph which shows.
  • HUD head-up display
  • the HUD device 1 is provided in the dashboard of the vehicle 2 and emits light L representing the generated display image M toward the windshield 3 that is a projection member.
  • the viewer (mainly the driver) receives the light L representing the display image M reflected on the windshield 3 in the eyebox 4 that is the viewing area, so that the display is superimposed on the actual scene seen through the windshield 3.
  • the virtual image W corresponding to the image M can be visually recognized.
  • the HUD device 1 includes a laser scanning display device 5, a relay optical system 50, a control unit 70, and a housing 60.
  • the laser scanning display device 5 includes a synthetic laser light generator 10, a MEMS (Micro Electro Mechanical System) scanner 20 that is an example of a scanning unit, a field lens 30, and a transmission screen 40.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • the housing 60 is formed in a box shape from a light shielding resin or the like.
  • the housing 60 has a penetrating opening 60 a formed at a position facing the windshield 3.
  • a curved plate-like window 61 is attached to the opening 60 a of the housing 60.
  • the window 61 is made of a translucent resin such as acrylic so that the light L representing the display image M is transmitted.
  • Each component of the HUD device 1 is accommodated in the housing 60.
  • the combined laser beam generator 10 combines the laser beams R, G, and B of the three primary colors of R (red), G (green), and B (blue) under the control of the control unit 70 to combine one.
  • Laser light C is emitted toward the MEMS scanner 20.
  • the combined laser light generator 10 includes a laser diode (LD) group 11, a condenser lens group 12, a light combining unit 14, and a light control unit 19.
  • LD laser diode
  • the LD group 11 includes a red LD 11r that emits red laser light R, a green LD 11g that emits green laser light G, and a blue LD 11b that emits blue laser light B.
  • the condensing lens group 12 includes three condensing lenses 12r, 12g, and 12b that convert the laser beams B, R, and G, which are divergent light beams emitted from the LDs 11r, 11g, and 11b, into refracting lights by refracting them. Composed.
  • the condenser lens 12r is installed in the optical path of the red laser light R emitted from the red LD 11r
  • the condenser lens 12g is installed in the optical path of the green laser light G emitted from the green LD 11g
  • the condenser lens 12b is It is installed in the optical path of the blue laser light B emitted from the blue LD 11b.
  • the convergent light from each of the condensing lenses 12r, 12g, and 12b has a substantially minimum beam diameter on the transmission screen 40.
  • the light control unit 19 adjusts the amount of laser light after transmission, and includes a first polarizing plate 15, a liquid crystal element 16, and a second polarizing plate 17, as shown in FIG. .
  • the first polarizing plate 15 is installed in the optical path of each light R, G, B.
  • the first polarizing plate 15 transmits only the light along the transmission axis among the laser beams R, G, and B.
  • the liquid crystal element 16 includes a liquid crystal layer and an electrode (not shown).
  • the liquid crystal element 16 can change the directions of the polarization axes of the laser beams R, G, and B by changing the arrangement of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer according to the voltage applied to the electrodes.
  • the second polarizing plate 17 is installed in the optical path of the synthetic laser beam C from the photosynthesis unit 14.
  • the transmission axis of the second polarizing plate 17 is orthogonal to the transmission axis of the first polarizing plate 15.
  • the windshield 3 has a higher reflectance of the S-polarized wave than the P-polarized wave. For this reason, considering the visibility of the virtual image W, it is desirable that the windshield 3 is irradiated with light having a high ratio of the S-polarized component. Therefore, in this example, the transmission axis of the second polarizing plate 17 is set to coincide with the direction of the S polarization component of the windshield 3.
  • the photosynthesis unit 14 generates the synthesized laser beam C by substantially aligning the optical axes Ia of the laser beams R, G, and B.
  • the light combining unit 14 includes dichroic mirrors 14r, 14g, and 14b.
  • Each of the dichroic mirrors 14r, 14g, and 14b is made of a dielectric multilayer film having a different refractive index.
  • the red dichroic mirror 14r reflects only the wavelength region of the red laser light R and transmits light in other wavelength regions.
  • the dichroic mirror for green 14g reflects only the wavelength region of the green laser light G and transmits light in other wavelength regions.
  • the blue dichroic mirror 14b reflects only the wavelength region of the blue laser light B and transmits light in other wavelength regions.
  • the dichroic mirrors 14r, 14g, and 14b are arranged so that their reflected lights coincide with each other to generate the combined laser beam C.
  • the aperture member 18 is installed in the optical path of the synthetic laser light C that has passed through the second polarizing plate 17, and is provided with an opening (aperture) that is slightly larger than the mirror diameter of the MEMS scanner 20 described later. ing.
  • the aperture member 18 shapes the synthetic laser light C according to the mirror of the MEMS scanner 20. Thereby, the occurrence of vignetting in the mirror of the MEMS scanner 20 is prevented.
  • the MEMS scanner 20 includes a mirror surface 20a and is configured to be capable of vibrating the mirror surface 20a.
  • the MEMS scanner 20 may be a piezo type, an electromagnetic type, or an electrostatic type.
  • the MEMS scanner 20 performs scanning while reflecting the synthetic laser light C emitted from the synthetic laser light generator 10 toward the transmission screen 40 by vibrating the mirror surface 20a. As a result, a display image M is generated on the upper surface of the transmissive screen 40.
  • the field lens 30 is provided between the MEMS scanner 20 and the transmission screen 40 and makes the synthetic laser light C scanned by the MEMS scanner 20 enter the transmission screen 40 at an incident angle corresponding to the scanning position.
  • the field lens 30 is configured to optimize the incident angle of the synthetic laser light C on the transmission screen 40 according to the characteristics of the optical system (the relay optical system 50 and the windshield 3) after the transmission screen 40. .
  • the MEMS scanner 20 Based on the control by the control unit 70, the MEMS scanner 20 reciprocates the synthetic laser light C along the main scanning direction H extending in the longitudinal direction of the rectangular plate-shaped transmission screen 40, as shown in FIG.
  • the transmissive screen 40 is moved along the sub-scanning direction V extending in the short direction.
  • the scanning locus 500 forms a substantially sine wave along the sub-scanning direction V from the scanning start position Ya to the scanning end position Yb.
  • the scanning start position Ya and the scanning end position Yb are respectively located at two corners of the transmission screen 40 located on the diagonal line.
  • the MEMS scanner 20 Based on the control by the control unit 70, the MEMS scanner 20 returns the synthetic laser light C from the scanning end position Yb to the scanning start position Ya after the synthetic laser light C reaches the scanning end position Yb.
  • the control unit 70 switches the display image M indicating numbers or symbols on the transmission screen 40 by switching between an ON state in which the synthetic laser light C is irradiated during scanning and an OFF state
  • the transmission screen 40 receives the synthetic laser beam C scanned by the MEMS scanner 20 on the back surface thereof, and displays the display image M on the surface thereof (the surface opposite to the MEMS scanner 20). Specifically, the transmission screen 40 enlarges the exit pupil (Exit Pupil) of the synthetic laser light C incident from the MEMS scanner 20 to display the display image M, and the display light L representing the display image M is the relay optical system 50. It is emitted toward A specific configuration of the transmission screen 40 will be described later.
  • the relay optical system 50 is provided between the light path between the transmission screen 40 and the windshield 3, and specifically includes a plane mirror 51 and a magnifying mirror 52.
  • the plane mirror 51 is a planar total reflection mirror or the like, and reflects the light L representing the display image M transmitted through the transmission screen 40 toward the enlargement mirror 52.
  • the magnifying mirror 52 is a concave mirror or the like, and reflects the reflected light toward the windshield 3 by reflecting the display light L from the flat mirror 51 on the concave surface.
  • the transmission screen 40 includes a glass substrate 45, a grayscale matrix layer 43 positioned on the incident side of the synthetic laser beam C in the substrate 45, and a synthetic laser beam in the grayscale matrix layer 43.
  • the base material 45 has, for example, a rectangular plate shape.
  • the microlens array 41 includes a plurality of microlenses 41a arranged in a matrix when viewed from the thickness direction.
  • the microlenses 41a have a lens size of about 100 ⁇ m, for example, and are arranged with a pitch dH1 in the main scanning direction H and with a pitch dV1 in the sub-scanning direction V.
  • the pitch dH1 in the main scanning direction H is larger than the pitch dV1 in the vertical direction, that is, a relationship of dH1> dV1 is established.
  • the microlens array 41 is formed such that gaps and steps generated between adjacent microlenses 41a are minimized.
  • the pitch of the microlens array 41 is the distance between the lens centers of the adjacent microlenses 41a.
  • the black matrix layer 44 is formed of a material that absorbs visible light, and includes a plurality of openings 44a arranged in a matrix when viewed from the thickness direction, as shown in FIG. 6B.
  • the plurality of openings 44a are provided corresponding to the microlenses 41a of the microlens array 41, and are formed so as to penetrate the black matrix layer 44 in the thickness direction.
  • the plurality of openings 44a are periodically arranged at a pitch dHA in the main scanning direction H and at a pitch dVA in the sub-scanning direction V.
  • the plurality of openings 44a are formed by a photolithography technique or the like.
  • the pitch of the black matrix layer 44 is the distance between the centers of the adjacent openings 44a.
  • the black matrix layer 44 is an example of an aperture array.
  • the pitch dHA in the main scanning direction H is larger than the pitch dVA in the sub-scanning direction V, that is, a relationship of dHA> dVA is established. Further, the pitch dHA of the black matrix layer 44 in the main scanning direction H is slightly larger than the pitch dH1 of the microlens array 41 in the main scanning direction H, that is, the relationship dHA> dH1 is established.
  • the opening 44a of the black matrix layer 44 is formed so that the size thereof is about 1/5 to 1/10 of the lens size of the microlens 41a when viewed from the thickness direction of the black matrix layer 44.
  • the black matrix layer 44 is formed of a material that absorbs visible light, such as a black resist used in a liquid crystal panel, for example.
  • the region other than the opening 44a of the black matrix layer 44 functions as the light shielding portion 44b. Therefore, most of the laser light reaching the black matrix layer 44 is absorbed by the light shielding portion 44b except for the light that passes through the opening 44a.
  • the microlens array 41 and the black matrix layer 44 are arranged at an interval of the focal length f of the microlens 41a in the thickness direction thereof.
  • the microlens 41a positioned at the center of the microlens array 41 when the microlens array 41 is viewed from the thickness direction is the same as the center of the opening 44a positioned at the center of the black matrix layer 44 when viewed from the thickness direction.
  • the microlens array 41 and the black matrix layer 44 are installed so that the optical axis Ax passes.
  • the condensing point P of the synthetic laser light C by the microlens array 41 is located at the center of each opening 44a.
  • each laser light R, G, B emitted from the LD group 11 is efficiently converted into light L representing the display image M. be able to. Even when external light entering from the outside of the HUD device 1 propagates in the reverse direction of the optical path of the laser light, most of the external light is absorbed by the light shielding portion 44 b of the black matrix layer 44. Therefore, external light reflection is significantly reduced.
  • the gray scale matrix layer 43 includes a plurality of gray scale elements 43a arranged in a matrix.
  • Each gray scale element 43a is formed in a rectangular shape as seen from the thickness direction of the gray scale matrix layer 43, as shown in FIG.
  • the longitudinal direction in each gray scale element 43a is defined as the X direction, and the short direction is defined as the Y direction.
  • the X direction coincides with the main scanning direction H, and the Y direction coincides with the sub scanning direction V.
  • each grayscale element 43a is approximately 100% in the central region of each grayscale element 43a in the X direction and the Y direction, and gradually decreases as the distance from the central region increases.
  • Each gray scale element 43a is formed with a gray scale so that the density of black increases as the distance from the central region increases in order to realize the above-described transmittance distribution.
  • the pitch of the gray scale matrix layer 43 is substantially the same as the pitch of the microlens array 41. That is, each gray scale element 43 a of the gray scale matrix layer 43 is positioned to face each micro lens 41 a of the micro lens array 41.
  • the gray scale matrix layer 43 is an example of a transmittance adjusting layer
  • the gray scale element 43a is an example of a transmittance adjusting element.
  • the manufacturing method of the transmission screen 40 includes a first step of forming the gray scale matrix layer 43 and the black matrix layer 44 on the front and back surfaces of the substrate 45 by photolithography, and the substrate 45 on which both matrix layers 43 and 44 are formed. And a second step of forming the microlens array 41.
  • a light absorption type black resist is formed on each of the front and back surfaces of the substrate 45.
  • the desired transmittance distribution described above is realized by adjusting the thickness of the black resist.
  • a black resist having a predetermined thickness is applied on the substrate 45 to form the gray scale matrix layer 43, and then exposed through a pre-designed gray scale photomask, and then suitable for the black resist.
  • the base material 45 in which both the matrix layers 43 and 44 were formed is post-baked.
  • the above-described desired transmittance distribution is realized by adjusting the irradiation intensity of UV (UltraViolet) light so that the film thickness of the black resist after development is set to a desired thickness.
  • the microlens array 41 is formed on the base material 45 on which both the matrix layers 43 and 44 that have passed through the first step are formed.
  • the microlens array 41 is formed by, for example, UV imprint. Specifically, after a UV curable resin is applied to the gray scale matrix layer 43, an imprint mold made of, for example, a transparent material is pressed onto the UV curable resin. The contact surface in contact with the UV curable resin in the imprint mold is formed in a shape corresponding to the microlens array 41. Thereby, the shape of the contact surface of the imprint mold is transferred to the UV curable resin. The UV curable resin is irradiated with UV light in a state where the imprint mold is in close contact with the UV curable resin. Thereby, the UV curable resin is cured and the microlens array 41 is formed. As described above, the transmission screen 40 is manufactured through the first and second steps.
  • FIG. 8 shows the intensity distribution of the emitted light from the transmission screen 40 based on the eye box 4 in the present embodiment.
  • the intensity of the emitted light is substantially constant in the region corresponding to the eye box 4 in the X direction and the Y direction.
  • the intensity of the emitted light gradually decreases as the viewpoint position moves away from the eye box 4.
  • the intensity distribution of the emitted light shown in FIG. 8 is substantially the same as the transmittance distribution for one grayscale element 43a shown in FIG. Therefore, an ideal light intensity distribution in the eye box 4 can be realized by adjusting the intensity distribution of the gray scale element 43a.
  • a skirt width Wa is set on each side of the width W of the eye box 4 in the X direction.
  • the base width Wa is an area where the light intensity decreases from 100% to 0% as the distance from the eye box 4 increases.
  • the base width Wa is set based on an average inter-pupil distance. Since the interpupillary distance is generally about 60 mm to 65 mm, it is desirable to set the skirt width Wa before and after that. By setting the base width Wa in this way, it is possible to suppress the difference in the intensity of light received by both eyes from increasing. Thereby, for example, the range in which the virtual image W is viewed with only one eye is reduced. Therefore, the visibility of the virtual image W is improved.
  • the intensity distribution range H of the emitted light in the X direction is 240 mm including the base width Wa.
  • the pitch in the X direction of the microlens array 41 is 100 um
  • the transmittance distribution for one grayscale element 43a is set so that the center of about 50 um is set to 100% transmittance, and about 25 um on both sides is set.
  • the intensity distribution range H changes depending on the lens curvature radius of the microlens array 41 and the magnification of the display image M by the relay optical system 50, the parameters are actually optimized. Necessary.
  • the transmission screen 40 that receives the light related to the display image M and displays the display image M is positioned on the light incident side of the base material 45 and the base material 45, and is viewed from the thickness direction of the base material 45.
  • the gray scale element 43a is formed so that the light transmittance decreases as the distance from the center of the gray scale element 43a increases as viewed from the thickness direction of the substrate 45.
  • the intensity of light emitted from the transmission screen 40 can be gradually reduced as the viewpoint position moves away from the eye box 4.
  • visibility can be improved.
  • this makes it difficult for the viewer to feel the narrowness of the eye box 4 because the display image M is suppressed from disappearing suddenly when the viewpoint is moved.
  • visibility can be improved because one eye is located in the eye box 4 and the other eye is prevented from being located outside the eye box 4.
  • the gray scale element 43a is colored so that the density of black increases as it moves away from the center of the gray scale element 43a when viewed from the thickness direction of the base material 45, thereby reducing the light transmittance. Formed as follows. According to this configuration, it is possible to easily adjust the light transmittance through the black density in the gray scale element 43a, and thus the light intensity distribution emitted from the transmission screen 40.
  • the transmission screen 40 is located on the light emission side of the base material 45, has an opening 44a that is positioned facing the microlens 41a, and includes a black matrix layer 44 made of a material that absorbs visible light.
  • the transmissive screen 40 the virtual image W that is easily generated in the double microlens array in which the microlens array is formed on each of the emission side and the incident side of the base material 45 is displayed in a rectangular frame. The frame appearance that looks like this can be suppressed, and the contrast of the display image M can be improved.
  • the laser scanning display device 5 includes a transmission screen 40, a synthetic laser light generator 10 that emits laser light R, G, and B, and laser light R, G, and B from the synthetic laser light generator 10. And a MEMS scanner 20 that displays the display image M on the transmissive screen 40 by scanning toward the transmissive screen 40. According to this configuration, the laser scanning display device 5 with high visibility can be realized by employing the transmission screen 40 as described above.
  • the transmission screen 40 according to the above embodiment has an advantageous effect compared to the comparative example in which the gray scale matrix layer 43 is omitted from the transmission screen 40. Specifically, in the comparative example, as shown in the experimental result of FIG.
  • peaks Pe are generated on both sides of the intensity distribution of the emitted light from the transmission screen 40. There was unevenness. For this reason, in the comparative example, when the viewer's viewpoint reaches the position corresponding to each peak Pe, the viewer receives strong light, which is not preferable from the viewpoint of display quality.
  • the transmissive screen 40 according to the embodiment as shown in the experimental result of FIG. 9A, the intensity distribution of the light emitted from the transmissive screen 40 is substantially uniform by reducing the peak Pe. Become.
  • the transmission screen 40 includes the black matrix layer 44.
  • the transmission matrix 40 may include a microlens array in place of the black matrix layer 44.
  • the transmission screen is configured as a double microlens array.
  • the gray scale element 43a is formed on the base material 45 so as to be integrated with the base material 45.
  • the gray scale element 43a may be configured as a separate member from the base material 45. This separate member is located on the incident side of the microlens array 41 formed on the substrate 45.
  • the gray scale element 43 a is located between the base material 45 and the microlens array 41.
  • the microlens array 41 may be formed on the substrate 45, and the gray scale element 43a may be formed on the microlens array 41.
  • the gray scale element 43a may have a shape corresponding to the curved surface of the microlens array 41.
  • the gray scale matrix layer 43 and the black matrix layer 44 are formed using a light absorption type material, but may be formed using a reflection type material.
  • a coating layer for adjusting the reflectance may be formed on the substrate 45 using a coating agent for adjusting the reflectance.
  • the transmittance of the gray scale matrix layer 43 has been linearly changed from 100% to 0%, but may be changed stepwise. Further, the transmittance of the gray scale matrix layer 43 only needs to decrease as the distance from the center thereof increases, and does not necessarily change from 100% to 0%.
  • the gray scale matrix layer 43 and the black matrix layer 44 are formed on the base material 45 by photolithography, but may be formed by a printing method such as inkjet.
  • the microlens array 41 is configured by arranging rectangular microlenses 41a in a lattice shape, but the shape of the microlens may be square, Hexagonal microlenses may be arranged in a honeycomb shape.
  • the gray scale element 43a of the gray scale matrix layer 43 is formed in the same shape as this micro lens array.
  • the HUD device 1 is mounted on the vehicle.
  • the HUD device 1 is not limited to being mounted on the vehicle, but may be applied to a HUD device mounted on a vehicle such as an airplane or a ship. Further, the HUD device 1 may project the light L representing the display image M on a dedicated combiner instead of the windshield 3.
  • the laser scanning display device 5 may be applied to devices other than HUD devices, and may be applied to display devices such as projectors used indoors or outdoors.
  • the present invention is used in a transmissive screen that displays an image on the surface by receiving laser light, and a laser scanning display device using the transmissive screen.
  • the present invention is applied to a display device or a head-up display device mounted on a vehicle. can do.
  • SYMBOLS 1 HUD apparatus 2 ... Vehicle 3 ... Windshield 4 ... Eye box 10 ... Synthetic laser beam generator 11 ... LD group 11r ... Red LD 11g ... Green LD 11b ... Blue LD DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Condensing lens group 12r, 12g, 12b ... Condensing lens 13 ... Polarization axis conversion element 14 ... Photosynthesis part 14r, 14g, 14b ... Dichroic mirror 15 ... 1st polarizing plate 16 ... Liquid crystal element 17 ... 2nd polarization

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Abstract

視認性を向上させた透過スクリーン及びレーザー走査型表示装置を提供する。表示画像に係る光を受けて表示画像を表示する透過スクリーン（４０）は、基材（４５）と、基材（４５）よりも光の入射側に位置し、基材（４５）の厚さ方向から見てマトリクス状に配置されたマイクロレンズ（４１ａ）を有するマイクロレンズアレイ（４１）と、基材（４５）よりも光の入射側に位置し、基材（４５）の厚さ方向においてマイクロレンズ（４１ａ）に対向して位置するマトリクス状に配置されたグレースケールエレメント（４３ａ）を有するグレースケールマトリクス層（４３）と、を備える。グレースケールエレメント（４３ａ）は、基材（４５）の厚さ方向から見て、グレースケールエレメント（４３ａ）の中央から離れるにつれて光の透過率が低くなるように形成される。

Description

透過スクリーン及びレーザー走査型表示装置
　本発明は、透過スクリーン及びレーザー走査型表示装置に関する。
　従来から、表示装置の一例として、表示画像を表す光をフロントガラス等に照射して、表示画像に応じた虚像を運転者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置と呼ぶ）が提案されている。
　例えば、特許文献１に記載のＨＵＤ装置は、液晶パネルと、光源と、その光源からの光を液晶パネルに均一に照射することで光を視認者のアイボックス内に集める照明光学系と、を備える。
　この種のＨＵＤ装置において、図１０に示すように、視認者の視点Ｐ１がアイボックスＥｂ内にあるとき、上記ＨＵＤ装置の筐体内のスクリーン上に表示される表示画像Ｍが光学系を介して視認可能となる。アイボックスＥｂ内における光強度は略一定である。また、アイボックスＥｂの範囲外における光強度は、視点Ｐ１～Ｐ３がアイボックスＥｂから離れるにつれて序々に小さくなる。
　また、視認者の視点Ｐ１～Ｐ３がアイボックスＥｂから離れていくと、図１０の破線の矢印Ａ１に示すように、表示画像Ｍに係る表示光がＨＵＤ装置の筐体の一部１６０ａに遮断されることで、表示画像Ｍのうち視認可能なエリアが徐々に小さくなる。よって、視点Ｐ１～Ｐ３がアイボックスＥｂから離れる際、視認者にとって違和感が少ない。
　また、特許文献２に記載のＨＵＤ装置は、図１１（ａ）に示すように、合成レーザー光を出射する合成レーザー光発生装置１１０と、合成レーザー光を走査するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スキャナ１２０と、合成レーザー光が走査されることで表示画像Ｍを結像する透過スクリーン１４１と、表示画像Ｍの周辺部の光の進行方向を変化させるフィールドレンズ１３０と、透過スクリーン１４１からの表示画像Ｍを表す表示光をアイボックスＥｂに向けて反射させる反射部材１５２と、を備える。このＨＵＤ装置では、透過スクリーン１４１としてマイクロレンズアレイ（Micro Lens Array；ＭＬＡ）スクリーンを用い、そのレンズピッチよりも投射されるレーザー光のビーム径を小さく設定する。これにより、レーザー光同士が干渉することが抑制されて、斑点模様であるスペックルや干渉縞の発生を抑制できる。
特開２０１２－２０３１７６号公報 特開２０１５－２５９７７号公報
　特許文献２に記載のＨＵＤ装置において、マイクロレンズアレイに合成レーザー光が照射された場合、図１１（ｂ）に示すように、視点Ｐ１～Ｐ３がアイボックスＥｂの内と外との間を移動したとき光強度の変化が急峻である。これにより、アイボックスＥｂから視点が外れると途端に表示画像Ｍが見えなくなるため、視点を動かした際、表示画像Ｍが突然に消えるといった違和感を視認者に与えるおそれがあり、視認性に改善の余地があった。
　本発明は、上記実状を鑑みてなされたものであり、視認性を向上させた透過スクリーン及びレーザー走査型表示装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る透過スクリーンは、表示画像に係る光を受けて前記表示画像を表示する透過スクリーンであって、基材と、前記基材よりも前記光の入射側に位置し、前記基材の厚さ方向から見てマトリクス状に配置されたマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、前記基材よりも前記光の入射側に位置し、前記基材の厚さ方向において前記マイクロレンズに対向して位置するマトリクス状に配置された透過率調整エレメントを有する透過率調整層と、を備え、前記透過率調整エレメントは、前記基材の厚さ方向から見て、前記透過率調整エレメントの中央から離れるにつれて前記光の透過率が低くなるように形成される。
　上記目的を達成するため、本発明に係るレーザー走査型表示装置は、前記透過スクリーンと、レーザー光を照射するレーザー光発生装置と、前記レーザー光発生装置からの前記レーザー光を前記透過スクリーンに向けて走査することで前記透過スクリーンに前記表示画像を表示させる走査部と、を備える。
　本発明によれば、透過スクリーン及びレーザー走査型表示装置において、視認性を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置を搭載した車両を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の構成を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る合成レーザー光発生装置の構成を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る走査軌跡を示すスクリーンの平面図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロレンズアレイの側面図である。 本発明の一実施形態に係る（ａ）はマイクロレンズアレイの平面図であって、（ｂ）はブラックマトリクス層の平面図である。 本発明の一実施形態に係る（ａ）はグレースケールマトリクス層の平面図であり、（ｂ）はグレースケールエレメントの平面図及びグレースケールエレメントにおける光の透過率の分布を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るアイボックスにおける透過スクリーンからの出射光の強度分布を示すグラフである。 （ａ）は本発明の一実施形態に係るアイボックスにおける透過スクリーンからの出射光の強度分布を示すグラフであり、（ｂ）は比較例に係るアイボックスにおける透過スクリーンからの出射光の強度分布を示すグラフである。 背景技術に係る表示画像からアイボックスまでの光の進行を示す概略図及びアイボックスにおける光の強度分布を示すグラフである。 背景技術に係る（ａ）及び（ｂ）は合成レーザー光発生装置からアイボックスまでの光の進行を示す概略図及びアイボックスにおける光の強度分布を示すグラフである。
　以下、本発明の一実施形態に係る透過スクリーン及びレーザー走査型表示装置を備えたヘッドアップディスプレイ（Head-Up Display；ＨＵＤ）装置について添付図面を参照しつつ説明する。
　ＨＵＤ装置１は、図１に模式的に示すように、車両２のダッシュボード内に設けられ、生成した表示画像Ｍを表す光Ｌを投射部材であるウインドシールド３に向けて射出する。視認者（主に運転者）は、その視域であるアイボックス４において、ウインドシールド３に反射した表示画像Ｍを表す光Ｌを受けることで、ウインドシールド３を介して見える実景に重畳した表示画像Ｍに対応した虚像Ｗを視認可能となる。
　（ＨＵＤ装置の全体構成）
　ＨＵＤ装置１は、図２に示すように、レーザー走査型表示装置５と、リレー光学系５０と、制御部７０と、ハウジング６０と、を備える。また、レーザー走査型表示装置５は、合成レーザー光発生装置１０と、走査部の一例である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、を備える。
　ハウジング６０は、遮光性樹脂等によって箱状に形成されている。ハウジング６０には、そのウインドシールド３に対向する位置に、貫通した開口部６０ａが形成されている。ハウジング６０の開口部６０ａには、湾曲板状の窓部６１が取り付けられている。窓部６１は、表示画像Ｍを表す光Ｌが透過するようにアクリル等の透光性樹脂からなる。ハウジング６０の内部には、ＨＵＤ装置１の各構成が収納されている。
　（合成レーザー光発生装置の構成）
　合成レーザー光発生装置１０は、制御部７０による制御のもと、Ｒ（レッド），Ｇ（グリーン），Ｂ（ブルー）の三原色のレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを合波して１本の合成レーザー光ＣをＭＥＭＳスキャナ２０に向けて出射する。詳しくは、合成レーザー光発生装置１０は、図３に示すように、レーザーダイオード（Laser Diode；ＬＤ）群１１と、集光レンズ群１２と、光合成部１４と、調光部１９とを備える。
　ＬＤ群１１は、赤色レーザー光Ｒを発する赤色ＬＤ１１ｒと、緑色レーザー光Ｇを発する緑色ＬＤ１１ｇと、青色レーザー光Ｂを発する青色ＬＤ１１ｂとから構成される。
　集光レンズ群１２は、各ＬＤ１１ｒ,１１ｇ，１１ｂから出射された発散光である各レーザー光Ｂ，Ｒ，Ｇを屈折させることで収束光に変換する３つの集光レンズ１２ｒ、１２ｇ、１２ｂから構成される。集光レンズ１２ｒは、赤色ＬＤ１１ｒから出射される赤色レーザー光Ｒの光路に設置され、集光レンズ１２ｇは、緑色ＬＤ１１ｇから出射される緑色レーザー光Ｇの光路に設置され、集光レンズ１２ｂは、青色ＬＤ１１ｂから出射される青色レーザー光Ｂの光路に設置される。各集光レンズ１２ｒ、１２ｇ、１２ｂからの収束光は、透過スクリーン４０上でほぼ最小ビーム径となる。
　調光部１９は、透過後のレーザー光の光量を調整するものであり、図３に示すように、第１の偏光板１５と、液晶素子１６と、第２の偏光板１７と、を備える。
　具体的には、第１の偏光板１５は、各光Ｒ，Ｇ，Ｂの光路に設置される。第１の偏光板１５は、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂのうち透過軸に沿った光のみを透過させる。
　液晶素子１６は、何れも図示しない液晶層及び電極を備える。液晶素子１６は、この電極への印加電圧に応じて、液晶層の液晶分子の配列が変化することにより、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの偏光軸の向きを変化させることができる。
　第２の偏光板１７は、光合成部１４からの合成レーザー光Ｃの光路に設置されている。第２の偏光板１７の透過軸は、第１の偏光板１５の透過軸と直交する。ここで、ウインドシールド３は、Ｐ偏光波よりＳ偏光波の反射率が高い。このため、虚像Ｗの視認性を考慮すると、ウインドシールド３には、Ｓ偏光成分の割合の高い光を照射することが望まれる。よって、本例では、第２の偏光板１７の透過軸は、ウインドシールド３のＳ偏光成分の方向と一致するように設定されている。
　光合成部１４は、各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの光軸Ｉａを概ね揃えることで合成レーザー光Ｃを生成する。詳しくは、光合成部１４は、ダイクロイックミラー１４ｒ、１４ｇ、１４ｂから構成される。各ダイクロイックミラー１４ｒ、１４ｇ、１４ｂは、屈折率のそれぞれ異なる誘電体の多層膜からなる。赤用ダイクロイックミラー１４ｒは、赤色レーザー光Ｒの波長領域のみを反射し、他の波長領域の光を透過させる。緑用ダイクロイックミラー１４ｇは、緑色レーザー光Ｇの波長領域のみを反射し、他の波長領域の光を透過させる。青用ダイクロイックミラー１４ｂは、青色レーザー光Ｂの波長領域のみを反射し、他の波長領域の光を透過させる。各ダイクロイックミラー１４ｒ、１４ｇ、１４ｂは、それらの反射光が一致して合成レーザー光Ｃを生成するように配置されている。
　絞り部材１８は、図３に示すように、第２の偏光板１７を通過した合成レーザー光Ｃの光路に設置され、後述するＭＥＭＳスキャナ２０のミラー直径よりわずかに大きな開口（アパーチャ）が設けられている。絞り部材１８は、合成レーザー光ＣをＭＥＭＳスキャナ２０のミラーに合わせて整形する。これにより、ＭＥＭＳスキャナ２０のミラーにおけるケラレの発生を防止する。
　ＭＥＭＳスキャナ２０は、図２に示すように、ミラー面２０ａを備え、そのミラー面２０ａを振動可能に構成される。ＭＥＭＳスキャナ２０は、ピエゾ型、電磁型及び静電型の何れが採用されてもよい。ＭＥＭＳスキャナ２０は、ミラー面２０ａを振動させることで、合成レーザー光発生装置１０が出射した合成レーザー光Ｃを透過スクリーン４０に向けて反射させつつ走査する。これにより、透過スクリーン４０の上面に表示画像Ｍが生成される。
　フィールドレンズ３０は、ＭＥＭＳスキャナ２０と透過スクリーン４０との間に設けられるとともに、ＭＥＭＳスキャナ２０で走査された合成レーザー光Ｃ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Ｃ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（リレー光学系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構成されている。
　ＭＥＭＳスキャナ２０は、制御部７０による制御に基づき、図４に示すように、合成レーザー光Ｃを、長方形板状の透過スクリーン４０の長手方向に延びる主走査方向Ｈに沿って往復運動させつつ、透過スクリーン４０の短手方向に延びる副走査方向Ｖに沿って移動させる。これにより、走査軌跡５００は、走査開始位置Ｙａから走査終了位置Ｙｂまで副走査方向Ｖに沿って略正弦波をなす。走査開始位置Ｙａ及び走査終了位置Ｙｂは、対角線上に位置する透過スクリーン４０の２つの角部にそれぞれ位置する。ＭＥＭＳスキャナ２０は、制御部７０による制御に基づき、合成レーザー光Ｃが走査終了位置Ｙｂに達した後に、合成レーザー光Ｃをその走査終了位置Ｙｂから走査開始位置Ｙａまで戻す。制御部７０は、走査中に合成レーザー光Ｃが照射されたオン状態と合成レーザー光Ｃが照射されないオフ状態との間で切り替えることで、数字又は記号等を示す表示画像Ｍを透過スクリーン４０に生成する。
　透過スクリーン４０は、その背面にＭＥＭＳスキャナ２０が走査した合成レーザー光Ｃを受けて、その表面（ＭＥＭＳスキャナ２０と反対側の面）に表示画像Ｍを表示する。詳しくは、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Ｃの射出瞳（Exit Pupil）を拡大して表示画像Ｍを表示し、その表示画像Ｍを表す表示光Ｌはリレー光学系５０に向けて出射される。透過スクリーン４０の具体的構成については後述する。
　リレー光学系５０は、図２に示すように、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、具体的には平面ミラー５１及び拡大ミラー５２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を透過した表示画像Ｍを表す光Ｌを拡大ミラー５２に向かって反射させる。
　拡大ミラー５２は、凹面鏡等であり、平面ミラー５１からの表示光Ｌ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に向かって反射させる。
　（透過スクリーンの具体的構成）
　透過スクリーン４０は、図５に示すように、ガラス製の基材４５と、基材４５における合成レーザー光Ｃの入射側に位置するグレースケールマトリクス層４３と、グレースケールマトリクス層４３における合成レーザー光Ｃの入射側に位置するマイクロレンズアレイ４１と、基材４５における合成レーザー光Ｃの出射側に位置するブラックマトリクス層４４と、を備える。
　基材４５は例えば長方形板状をなす。
　マイクロレンズアレイ４１は、図６（ａ）に示すように、その厚さ方向から見て、マトリクス状に配列された複数のマイクロレンズ４１ａを備える。マイクロレンズ４１ａは、例えばレンズサイズが１００μｍ程度であって、主走査方向ＨにピッチｄＨ１で、副走査方向ＶにピッチｄＶ１で配列されている。本実施形態では、主走査方向ＨのピッチｄＨ１が垂直方向のピッチｄＶ１より大きい、すなわちｄＨ１＞ｄＶ１の関係が成立する。マイクロレンズアレイ４１は、隣り合うマイクロレンズ４１ａ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。マイクロレンズアレイ４１のピッチとは、互いに隣接するマイクロレンズ４１ａのレンズ中心間の距離である。
　ブラックマトリクス層４４は、可視光を吸収する材料から形成されるとともに、図６（ｂ）に示すように、その厚さ方向から見てマトリクス状に配列された複数の開口部４４ａを備える。複数の開口部４４ａは、上記マイクロレンズアレイ４１のマイクロレンズ４１ａに対応して設けられ、ブラックマトリクス層４４をその厚さ方向に貫通するように形成される。複数の開口部４４ａは、主走査方向ＨにピッチｄＨＡで、副走査方向ＶにピッチｄＶＡで周期的に配列されている。複数の開口部４４ａは、フォトリソグラフィ技術等により形成されるものである。ブラックマトリクス層４４のピッチとは、互いに隣接する開口部４４ａの中心間の距離である。ブラックマトリクス層４４はアパーチャアレイの一例である。
　本実施形態では、主走査方向ＨのピッチｄＨＡは、副走査方向ＶのピッチｄＶＡより大きい、すなわちｄＨＡ＞ｄＶＡの関係が成立する。また、ブラックマトリクス層４４の主走査方向ＨのピッチｄＨＡは、マイクロレンズアレイ４１の主走査方向ＨのピッチｄＨ１よりも僅かに大きく、すなわちｄＨＡ＞ｄＨ１の関係が成立する。
　ブラックマトリクス層４４の開口部４４ａは、ブラックマトリクス層４４の厚さ方向から見て、その大きさがマイクロレンズ４１ａのレンズサイズの１／５～１／１０程度となるように形成されている。ブラックマトリクス層４４は、上述のように、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。このため、ブラックマトリクス層４４の開口部４４ａ以外の領域は遮光部４４ｂとして機能する。よって、ブラックマトリクス層４４に到達したレーザー光のうち、開口部４４ａを通過する光以外は、遮光部４４ｂでその大部分が吸収される。
　マイクロレンズアレイ４１及びブラックマトリクス層４４は、図５に示すように、それらの厚さ方向において、マイクロレンズ４１ａの焦点距離ｆの間隔だけ隔てて配置されている。マイクロレンズアレイ４１を厚さ方向から見てマイクロレンズアレイ４１の中央に位置するマイクロレンズ４１ａと、同厚さ方向から見てブラックマトリクス層４４の中央に位置する開口部４４ａの中心とを同一の光軸Ａｘが通過するように、マイクロレンズアレイ４１及びブラックマトリクス層４４が設置されている。また、マイクロレンズアレイ４１による合成レーザー光Ｃの集光点Ｐが各開口部４４ａの中心に位置する。このように合成レーザー光Ｃは、ブラックマトリクス層４４の開口部４４ａに集光されるため、ＬＤ群１１が出射した各レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを効率良く表示画像Ｍを表す光Ｌとすることができる。また、ＨＵＤ装置１の外部から侵入する外光がレーザー光の光路を逆方向に伝搬した場合であっても、その外光の大部分がブラックマトリクス層４４の遮光部４４ｂに吸収される。そのため、外光反射は大幅に低減される。
　グレースケールマトリクス層４３は、図７（ａ）に示すように、マトリクス状に配置された複数のグレースケールエレメント４３ａを備える。各グレースケールエレメント４３ａは、図７（ｂ）に示すように、グレースケールマトリクス層４３の厚さ方向から見て長方形で形成されている。各グレースケールエレメント４３ａにおける長手方向をＸ方向と規定し、短手方向をＹ方向と規定する。Ｘ方向は主走査方向Ｈに一致し、Ｙ方向は副走査方向Ｖに一致する。
　各グレースケールエレメント４３ａの透過率は、Ｘ方向及びＹ方向において、各グレースケールエレメント４３ａの中央領域においてほぼ１００％となり、その中央領域から離れるにつれて徐々に低下する。各グレースケールエレメント４３ａは、上記透過率の分布を実現するべく、中央領域から離れるにつれて黒の濃度が高くなるようにグレースケールが形成されている。
　グレースケールマトリクス層４３のピッチは、マイクロレンズアレイ４１のピッチと略同一である。すなわち、グレースケールマトリクス層４３の各グレースケールエレメント４３ａはマイクロレンズアレイ４１の各マイクロレンズ４１ａに対向して位置する。
　なお、グレースケールマトリクス層４３は透過率調整層の一例であり、グレースケールエレメント４３ａは透過率調整エレメントの一例である。
　（透過スクリーン４０の製造方法）
　ここでは、透過スクリーン４０の製造方法について説明する。
　透過スクリーン４０の製造方法は、基材４５の表裏面にフォトリソグラフィによりグレースケールマトリクス層４３及びブラックマトリクス層４４を形成する第１の工程と、両マトリクス層４３，４４が形成された基材４５にマイクロレンズアレイ４１を形成する第２の工程と、を備える。
　第１の工程におけるフォトリソグラフィは、半導体製造プロセスで用いられるフォトリソグラフィと同様の手法が用いられる。
　第１の工程においては、まず、基材４５の表裏面それぞれに光吸収型のブラックレジストが形成される。このブラックレジストの膜厚が調整されることで上述した所望の透過率分布を実現する。例えば、グレースケールマトリクス層４３を形成するべく、所定の厚さのブラックレジストを基材４５上に塗布した後、あらかじめ設計されたグレースケールフォトマスクを介して露光し、その後、そのブラックレジストに適した現像液にて現像し、さらにリンス液にて現像を止める。そして、その両マトリクス層４３，４４が形成された基材４５をポストベークする。露光する際、ＵＶ（UltraViolet）光の照射強度を調整することで、現像後のブラックレジストの膜厚を所望の厚さとすることで、上述した所望の透過率分布が実現される。
　第２の工程においては、第１の工程を経た両マトリクス層４３，４４が形成された基材４５にマイクロレンズアレイ４１を形成する。マイクロレンズアレイ４１は、例えばＵＶインプリントによって形成される。具体的には、グレースケールマトリクス層４３にＵＶ硬化樹脂を塗布した後、そのＵＶ硬化樹脂に、例えば透明材料からなるインプリント用モールドがプレスされる。インプリント用モールドにおけるＵＶ硬化樹脂に接触する接触面は、マイクロレンズアレイ４１に対応した形状で形成されている。これにより、インプリント用モールドの接触面の形状がＵＶ硬化樹脂に転写される。そして、インプリント用モールドがＵＶ硬化樹脂に密着した状態で、ＵＶ硬化樹脂にＵＶ光が照射される。これにより、ＵＶ硬化樹脂が硬化し、マイクロレンズアレイ４１が形成される。
　以上、第１及び第２の工程を経て透過スクリーン４０が製造される。
　（実験結果）
　図８には、本実施形態における、アイボックス４を基準とした透過スクリーン４０からの出射光の強度分布が示されている。同図に示すように、Ｘ方向及びＹ方向におけるアイボックス４に対応する領域においては出射光の強度が略一定となる。出射光の強度は、アイボックス４から視点位置が離れるにつれて徐々に低下していく。
　図８に示す出射光の強度分布は、上記図７（ｂ）で示したグレースケールエレメント４３ａの１個分の透過率分布と略同等となる。このため、グレースケールエレメント４３ａの強度分布を調整することで、アイボックス４における理想的な光の強度分布を実現することができる。
　例えば、Ｘ方向の出射光の強度分布を例にとって説明する。Ｘ方向のアイボックス４の幅Ｗの両側にはそれぞれ裾野幅Ｗａが設定されている。裾野幅Ｗａは、アイボックス４から離れるにつれて光の強度が１００％から０％に減少する領域である。この裾野幅Ｗａは、平均的な瞳間距離に基づき設定される。一般的に瞳孔間距離が６０ｍｍ～６５ｍｍ程度であるため、裾野幅Ｗａをその前後に設定することが望ましい。このように裾野幅Ｗａを設定することで、両目が受ける光の強度の差が大きくなることが抑制される。これにより、例えば、一方の目のみで虚像Ｗを視認する範囲が低減する。従って、虚像Ｗの視認性が向上する。
　例えば、Ｘ方向のアイボックス４の幅Ｗが１２０ｍｍであり、裾野幅Ｗａが６０ｍｍである場合、Ｘ方向の出射光の強度分布範囲Ｈは裾野幅Ｗａも含め２４０ｍｍとなる。一方、マイクロレンズアレイ４１のＸ方向のピッチを１００ｕｍとすれば、グレースケールエレメント４３ａの１個分の透過率分布は、中央の約５０ｕｍを透過率１００％に設定し、両サイドの約２５ｕｍをその中央から離れるにつれて透過率１００％から０％に低下させることで、上述の出射光強度分布を略実現することができる。
　なお、より詳細には、マイクロレンズアレイ４１のレンズ曲率半径やリレー光学系５０による表示画像Ｍの拡大倍率にも依存して強度分布範囲Ｈは変化するため、実際にはこれらパラメータの最適化も必要となる。
　（効果）
　以上、説明した一実施形態によれば、以下の効果を奏する。
　（１）表示画像Ｍに係る光を受けて表示画像Ｍを表示する透過スクリーン４０は、基材４５と、基材４５よりも光の入射側に位置し、基材４５の厚さ方向から見てマトリクス状に配置されたマイクロレンズ４１ａを有するマイクロレンズアレイ４１と、基材４５よりも光の入射側に位置し、基材４５の厚さ方向においてマイクロレンズ４１ａに対向して位置するマトリクス状に配置されたグレースケールエレメント４３ａを有するグレースケールマトリクス層４３と、を備える。グレースケールエレメント４３ａは、基材４５の厚さ方向から見て、グレースケールエレメント４３ａの中央から離れるにつれて光の透過率が低くなるように形成される。
　この構成によれば、透過スクリーン４０からの出射光の強度をアイボックス４から視点位置が離れるにつれて徐々に低下させていくことができる。これにより、アイボックス４から視点が外れると途端に表示画像Ｍが見えなくなることが抑制されるため、視認性を向上させることができる。
　また、これにより、視点を動かした際、表示画像Ｍが突然に消えることが抑制されることから、視認者はアイボックス４の狭さを感じづらい。さらに一方の目がアイボックス４内に位置し他方の目がアイボックス４外に位置することが抑制されることからも、視認性を向上させることができる。
　（２）グレースケールエレメント４３ａは、基材４５の厚さ方向から見て、グレースケールエレメント４３ａの中央から離れるにつれて、黒の濃度が高くなるように着色されることで光の透過率が低くなるように形成される。
　この構成によれば、グレースケールエレメント４３ａにおける黒の濃度を通じて容易に光の透過率、ひいては透過スクリーン４０からの出射光強度分布を調整することができる。
　（３）透過スクリーン４０は、基材４５よりも光の出射側に位置し、マイクロレンズ４１ａに対向して位置する開口部４４ａが形成され、可視光を吸収する材料からなるブラックマトリクス層４４を備える。
　この構成によれば、透過スクリーン４０では、基材４５の出射側及び入射側のそれぞれにマイクロレンズアレイが形成されたダブルマイクロレンズアレイにおいて生じ易かった虚像Ｗが長方形の枠内に表示されているように見える枠見えを抑制すること、並びに表示画像Ｍのコントラストを改善することができる。
　（４）レーザー走査型表示装置５は、透過スクリーン４０と、レーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを照射する合成レーザー光発生装置１０と、合成レーザー光発生装置１０からのレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを透過スクリーン４０に向けて走査することで透過スクリーン４０に表示画像Ｍを表示させるＭＥＭＳスキャナ２０と、を備える。
　この構成によれば、上記のような透過スクリーン４０を採用することで、視認性の高いレーザー走査型表示装置５を実現することができる。
　（５）上記実施形態に係る透過スクリーン４０は、その透過スクリーン４０からグレースケールマトリクス層４３を省略した比較例に比べて有利な効果を奏する。具体的には、当該比較例においては、図９（ｂ）の実験結果に示すように、透過スクリーン４０からの出射光の強度分布の両サイドにピークＰｅが生じるため、出射光の強度分布に不均一が生じていた。このため、当該比較例においては、各ピークＰｅに相当する位置に視認者の視点が到達すると、視認者は強い強度の光を受けるため、表示品位の観点から好ましくなかった。一方、上記実施形態に係る透過スクリーン４０においては、図９（ａ）の実験結果に示すように、透過スクリーン４０からの出射光の強度分布は、上記ピークＰｅが低減されることで略均一となる。
（変形例）
　なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
　上記施形態では、透過スクリーン４０は、ブラックマトリクス層４４を備えていたが、このブラックマトリクス層４４に代えてマイクロレンズアレイを備えていてもよい。この場合、透過スクリーンは、ダブルマイクロレンズアレイとして構成される。
　上記実施形態においては、グレースケールエレメント４３ａは、基材４５と一体となるように基材４５上に形成されていたが、グレースケールエレメント４３ａを基材４５と別部材として構成してもよい。この別部材は、基材４５上に形成されるマイクロレンズアレイ４１の入射側に位置する。
　また、上記実施形態においては、グレースケールエレメント４３ａは、基材４５とマイクロレンズアレイ４１との間に位置していた。しかし、基材４５上にマイクロレンズアレイ４１を形成し、グレースケールエレメント４３ａをそのマイクロレンズアレイ４１上に形成してもよい。この場合、グレースケールエレメント４３ａはマイクロレンズアレイ４１の曲面に応じた形状をなしていてもよい。
　上記実施形態においては、グレースケールマトリクス層４３及びブラックマトリクス層４４は、光吸収型の材料を用いて形成されていたが、反射型の材料を用いて形成されてもよい。この場合、例えば、反射率調整用のコーティング剤を用いて反射率調整用のコーティング層を基材４５に形成してもよい。
　上記実施形態においては、グレースケールマトリクス層４３の透過率は、１００％から０％にリニアに変化していたが、ステップ状に変化してもよい。また、グレースケールマトリクス層４３の透過率は、その中央から離れるにつれて低下して行けばよく、必ずしも１００％から０％まで変化しなくてもよい。
　上記実施形態においては、グレースケールマトリクス層４３及びブラックマトリクス層４４は、基材４５上にフォトリソグラフィにより形成されていたが、インクジェット等の印刷法で形成されていてもよい。
　上記実施形態では、マイクロレンズアレイ４１は、長方形形状のマイクロレンズ４１ａが格子状に配列されて構成されていたが、マイクロレンズの形状は正方形であってもよく、また、マイクロレンズアレイ４１は、六角形形状のマイクロレンズがハニカム状に配列されて構成されてもよい。このマイクロレンズアレイの形状と同形状にグレースケールマトリクス層４３のグレースケールエレメント４３ａが形成される。
　上記実施形態では、ＨＵＤ装置１は車載されていたが、車載用に限らず、飛行機、船等の乗り物に搭載されるＨＵＤ装置に適用してもよい。また、ＨＵＤ装置１は、表示画像Ｍを表す光Ｌを、ウインドシールド３ではなく、専用のコンバイナに投射してもよい。レーザー走査型表示装置５はＨＵＤ装置以外に適用されてもよく、屋内または屋外で使用されるプロジェクタ等の表示装置に適用してもよい。
　本発明は、レーザー光を受けて表面に画像を表示する透過スクリーンと、この透過スクリーンを用いたレーザー走査型表示装置に用いられ、例えば、車両に搭載される表示装置やヘッドアップディスプレイ装置に適用することができる。
１…ＨＵＤ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群
１１ｒ…赤色ＬＤ
１１ｇ…緑色ＬＤ
１１ｂ…青色ＬＤ
１２…集光レンズ群
１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ…集光レンズ
１３…偏光軸変換素子
１４…光合成部
１４ｒ，１４ｇ，１４ｂ…ダイクロイックミラー
１５…第１の偏光板
１６…液晶素子
１７…第２の偏光板
１８…絞り部材
２０…ＭＥＭＳスキャナ
３０…フィールドレンズ
４０…透過スクリーン
４１…マイクロレンズアレイ
４１ａ…マイクロレンズ
４３…グレースケールマトリクス層（透過率調整層）
４３ａ…グレースケールエレメント（透過率調整エレメント）
４４…ブラックマトリクス層（アパーチャアレイ）
４４ａ…開口部
４４ｂ…遮光部
４５…基材
５０…リレー光学系
Ｒ…赤色レーザー光
Ｇ…緑色レーザー光
Ｂ…青色レーザー光
Ｃ…合成レーザー光
Ｗ…虚像

Claims (4)

  1. 　表示画像に係る光を受けて前記表示画像を表示する透過スクリーンであって、
    　基材と、
    　前記基材よりも前記光の入射側に位置し、前記基材の厚さ方向から見てマトリクス状に配置されたマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、
    　前記基材よりも前記光の入射側に位置し、前記基材の厚さ方向において前記マイクロレンズに対向して位置するマトリクス状に配置された透過率調整エレメントを有する透過率調整層と、を備え、
    　前記透過率調整エレメントは、前記基材の厚さ方向から見て、前記透過率調整エレメントの中央から離れるにつれて前記光の透過率が低くなるように形成される、
    　ことを特徴とする透過スクリーン。
  2. 　前記透過率調整エレメントは、前記基材の厚さ方向から見て、前記透過率調整エレメントの中央から離れるにつれて、黒の濃度が高くなるように着色されることで前記光の透過率が低くなるように形成される、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の透過スクリーン。
  3. 　前記基材よりも前記光の出射側に位置し、前記マイクロレンズに対向して位置する開口部が形成され、可視光を吸収又は反射する材料からなるアパーチャアレイを備える、
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の透過スクリーン。
  4. 　請求項１から３のいずれか一項に記載の透過スクリーンと、
    　レーザー光を照射するレーザー光発生装置と、
    　前記レーザー光発生装置からの前記レーザー光を前記透過スクリーンに向けて走査することで前記透過スクリーンに前記表示画像を表示させる走査部と、を備える、
    　ことを特徴とするレーザー走査型表示装置。
PCT/JP2017/015129 2016-04-15 2017-04-13 透過スクリーン及びレーザー走査型表示装置 WO2017179655A1 (ja)

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