WO2018180244A1 - 画像表示装置及びヘッドアップディスプレイ - Google Patents

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WO2018180244A1
WO2018180244A1 PCT/JP2018/008337 JP2018008337W WO2018180244A1 WO 2018180244 A1 WO2018180244 A1 WO 2018180244A1 JP 2018008337 W JP2018008337 W JP 2018008337W WO 2018180244 A1 WO2018180244 A1 WO 2018180244A1
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WO
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scanning
image
light beam
light
microlens
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/008337
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English (en)
French (fr)
Inventor
野本　貴之
彰 矢崎
Original Assignee
パイオニア株式会社
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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
    • B60K35/20—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor
    • B60K35/21—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor using visual output, e.g. blinking lights or matrix displays
    • B60K35/23—Head-up displays [HUD]
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an improvement in the visibility of an image displayed by an image display device that scans a light beam corresponding to an image signal.
  • Patent Document 1 proposes an image forming apparatus including a laser projector that uses a laser beam as a light source and projects an image formed by an array of a plurality of pixels, and a microlens array in which a plurality of microlenses are arrayed. Yes.
  • a microlens array is used, incident light can be appropriately dispersed and a necessary exit angle can be freely designed.
  • the pitch of each microlens is set so that the diffraction width of the light beam diffused by each microlens of the microlens array is equal to or smaller than the pupil diameter of the viewer. It is described that luminance unevenness caused by the peak value of the diffused diffracted light entering or not entering the pupil of the viewer is prevented.
  • Patent Document 2 in order to suppress the luminance unevenness, the pitch of each microlens is increased so that the diffraction width of the light beam diffused by each microlens is equal to or smaller than the pupil diameter of the viewer. It is disclosed. However, if this is applied when the pupil is closed (the surroundings are bright), the lens pitch of each microlens needs to be considerably increased, and in this case, the resolution of the image is greatly degraded. Has not been made.
  • the main object of the present invention is to provide an image display device and a head-up display capable of suitably suppressing luminance unevenness without causing a reduction in resolution.
  • an image display apparatus that scans a light beam corresponding to an image signal, wherein each of a plurality of regularly arranged optical elements diffuses the incident light beam; While scanning one image with the light beam having a spot diameter smaller than the arrangement interval between two adjacent optical elements of the plurality of optical elements, the optical elements in the scanned region of the diffusion unit A scanning section that scans the optical element a plurality of times, and the scanning section scans the light beam at different positions of the optical element for each scanning.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a head-up display.
  • a perspective view of a screen is shown. It is a figure which shows the outline
  • an image display device that scans a light beam corresponding to an image signal, wherein each of a plurality of regularly arranged optical elements diffuses the incident light beam. While scanning the one image with the light beam having a spot diameter smaller than the arrangement interval between the diffusing unit and two adjacent optical elements of the plurality of optical elements, A scanning section that scans each of the optical elements a plurality of times, and the scanning section scans the light beam at a different position of each of the optical elements for each scanning. According to this aspect, the image display apparatus can appropriately reduce luminance unevenness without causing a decrease in resolution.
  • the spot diameter is 0.8 times or less of the arrangement interval. According to this aspect, diffracted light generated by a plurality of regularly arranged optical elements overlaps in the vicinity of the viewpoint position, and luminance unevenness is suitably suppressed.
  • the scanning unit scans the scanned region of the diffusion unit with the light beam at a constant scanning pitch, and sets the constant scanning pitch to “Sc”.
  • the arrangement interval along the scanning pitch direction of two adjacent optical elements among the optical elements is “P”
  • the light beam is scanned to each of the optical elements while scanning the one image.
  • the image display device scans each optical element a uniform number of times, so that any portion of the image visually recognized by the observer is displayed with the same brightness, and uneven brightness is suitably suppressed. can do.
  • the scanning unit emits the light beam corresponding to one pixel group included in the image signal in the scanned region while scanning the one image.
  • the adjacent position is scanned a plurality of times.
  • the scanning unit scans the light beam corresponding to one pixel group included in the image signal on the one optical element while scanning the one image. And scanning a plurality of times. According to this aspect, color mixing in one optical element is eliminated, and an image can be visually recognized by an observer without impairing the color of the original image.
  • the scanning unit scans all the optical elements in which at least a part of the light beam exists in the scanned region while scanning the one image.
  • the light beam is scanned so as to be incident at least once.
  • the image display apparatus can diffuse light over a wide angle range without any gap, and can effectively suppress luminance unevenness depending on the viewing direction of the observer.
  • the scanning unit scans the scanning direction of the light beam in one direction or two opposite directions.
  • the image display apparatus can suitably reduce luminance unevenness without causing a decrease in resolution.
  • the scanning unit sets the scanning length of the light beam corresponding to one pixel included in the image signal to two adjacent optical elements among the plurality of optical elements.
  • the light beam is scanned so as to be equal to or greater than the arrangement interval along the scanning direction of the light beam. According to this aspect, it is possible to suitably suppress the narrowing of the range of light diffused by the diffusion unit due to the short scanning length.
  • the scanning unit scans the light beam to each of the plurality of optical elements the same number of times while scanning the one image. According to this aspect, it is possible to display any portion in the image visually recognized by the observer with the same luminance, and to appropriately suppress the luminance unevenness.
  • the head-up display includes any one of the image display devices described above, and displays a virtual image based on the light beam diffused by the diffusing unit. According to this aspect, the head-up display can cause the observer to visually recognize a virtual image in which luminance unevenness is suitably reduced without causing a decrease in resolution.
  • FIG. 1A is a schematic configuration diagram of a head-up display which is an embodiment of the image display device according to the present invention.
  • the head-up display is a system that allows a vehicle occupant including a windshield 25 and a dashboard 29 to visually recognize a virtual image, and mainly includes a light source unit 1, a screen 2, and a concave mirror 3.
  • the light source unit 1 has laser elements of red (R), green (G), and blue (B), and scans the screen 2 with the combined light of the laser modulated based on the image signal by the MEMS mirror. To do.
  • the screen 2 expands the exit pupil by widening the exit angle of the light irradiated from the light source unit 1.
  • the screen 2 is a microlens array in which a plurality of microlenses are arranged.
  • the light emitted from the screen 2 enters the concave mirror 3.
  • FIG. 2 shows a perspective view of the screen 2.
  • the screen 2 is formed with a microlens array 20 in which a plurality of microlenses are arranged.
  • the microlenses are arranged at intervals equal to the lens size with no gap.
  • the lens size of the microlens is equal in the horizontal direction (H direction) as the longitudinal direction and the vertical direction (V direction) as the short direction.
  • the lens size “P” indicates the lens size in the V direction.
  • the screen 2 is an example of the “diffusion part” in the present invention, and each microlens constituting the microlens array 20 is an example of the “optical element” in the present invention.
  • the concave mirror 3 reflects the laser light emitted from the screen 2 and reaches the windshield 25.
  • the concave mirror 3 reflects the laser light to enlarge the image indicated by the light.
  • the laser beam reflected by the concave mirror 3 is further reflected by the windshield 25 and reaches the eye position of the observer (also referred to as “eye point Pe”). Thereby, an observer visually recognizes a virtual image.
  • the configuration of the head-up display illustrated in FIG. 1A is an example, and a configuration to which the present invention can be applied is not limited thereto.
  • the screen 2 is a reflection type microlens array, and the reflection angle of the light emitted from the light source unit 1 is increased by the reflection type microlens array. In this case, the exit pupil may be enlarged.
  • a combiner that is a semi-transparent concave mirror is provided between the windshield 25 and the eye point Pe as in the head-up display shown in FIG. 1C, and the light source unit 1 and the screen 2 are appropriately arranged. Then, by reflecting the laser light with a combiner, the laser light from the light source unit 1 may reach the eye point Pe so that the driver can visually recognize the virtual image.
  • FIG. 3 is a diagram showing an overview of scanning of laser light onto the screen 2 in the present embodiment.
  • FIG. 3 shows a microlens array 20 in which microlenses for 3 rows and 5 columns are regularly arranged.
  • S indicates an irradiation region (that is, a spot) of laser light irradiated on the microlens array 20, and an arrow along the H direction indicates a trajectory (that is, a scanning line) along which the center of the spot S moves.
  • Sc corresponding to the interval between the arrows along the H direction indicates the scanning pitch
  • Sp corresponding to the diameter of the spot S indicates the spot size (spot diameter) in the V direction.
  • N indicates the number of times the spot S is scanned in one image with respect to one microlens (in the example of FIG. 3, twice).
  • the spot size Sp is set to be smaller than the lens size P, and the number of scans N for scanning the spot S in one image with respect to one microlens is two or more. Scanning is performed so that Thereby, as described later, luminance unevenness is suitably suppressed while suppressing a decrease in resolution.
  • the spot size Sp in this case is based on, for example, the full width at half maximum.
  • FIG. 4 (A) is a view of the screen 2 on which the diffracted light is diffused by the incidence of laser light as viewed from the side.
  • FIG. 4A when laser light is incident on the screen 2 on which the microlens array 20 is formed, diffraction occurs due to the periodic structure of the microlens array 20, and the light does not spread evenly.
  • the eye point Pe exists at the positions “Pe2” and “Pe3”, an image based on the target laser beam can be visually recognized, but the eye point Pe exists at the position “Pe1”. In this case, an image based on the target laser beam cannot be visually recognized. As a result, luminance unevenness occurs.
  • FIG. 4A when the eye point Pe exists at the positions “Pe2” and “Pe3”, an image based on the target laser beam can be visually recognized, but the eye point Pe exists at the position “Pe1”. In this case, an image based on the target laser beam cannot be visually recognized. As a result, luminance unevenness occurs.
  • FIG. 4B shows a diffracted light distribution on a virtual plane (also referred to as “virtual irradiation surface”) that is separated from the screen 2 by a distance equivalent to the eye point Pe when luminance unevenness occurs. As shown in FIG. 4B, in this case, a gap is generated between the diffracted lights.
  • a virtual plane also referred to as “virtual irradiation surface”
  • the diffracted light interval “ ⁇ ” shown in FIG. 4A satisfies the relationship expressed by the following equation and depends on the lens pitch “p” of the microlens.
  • sin ⁇ ⁇ / p “ ⁇ ” is the wavelength of the laser beam
  • the lens pitch p is substantially the same as the lens size P in this embodiment, and is an example of the “arrangement interval” in the present invention.
  • FIG. 4C shows a diffracted light distribution when the spot size Sp is reduced and the diffracted light on the virtual irradiation surface is increased.
  • the spot size Sp is made sufficiently small, the diffracted light overlaps each other and no gap is generated, so that uneven brightness is suitably suppressed.
  • the spot size Sp is smaller than the lens size P, there arises a problem that the emission direction of light emitted from the screen 2 is biased.
  • FIG. 5A shows a scanning position on the microlens array 20 when the microlens array 20 is scanned with a laser beam having a spot size Sp smaller than the lens size P, and an emission emitted from the irradiated microlens. It is the figure which showed the set with light distribution.
  • 5B to 5E show the microlens array 20 when the scanning position is shifted upward by a predetermined distance on the same microlens as the microlens scanned in FIG. 5A. It is the figure which showed the group of this scanning position, and the group of the emitted light distribution inject
  • the screen 2 when laser light having a spot size Sp smaller than the lens size P is incident on the microlens array 20, the screen 2 depends on the irradiation position of the laser light on the microlens. The emission direction of the light emitted from is changed. Therefore, when the number of scans N is set to one, as shown in any of FIGS. 5A to 5E, a deviation in the light emission direction occurs, and depending on the position of the eye, The observer cannot visually recognize the pixel corresponding to the microlens.
  • FIG. 5F shows the scanning position on the microlens array 20 when the scanning shown in FIGS. 5A to 5E is executed during the display period of one image, and the irradiated microlens. It is the figure which showed the pair with the emitted light distribution inject
  • one image here is one still image, and when the head-up display displays a moving image, one still image (so-called one frame) among a plurality of still images constituting the moving image. Image).
  • the lights emitted from the screen 2 are combined, and the emission light distribution is not biased.
  • the number of scans N it is possible to suitably suppress the deviation in the emission direction of the light emitted from the screen 2.
  • the scanning pitches Sc are set to be approximately equidistant. This will be described with reference to FIG.
  • FIG. 6A and 6B show a set of a scanning position on the microlens array 20 when the scanning pitch Sc is non-uniform and a distribution of emitted light emitted from the irradiated microlens.
  • the number of scans N is two, and two scanning lines passing through the same microlens are biased near the center of the microlens. In this case, the light emitted from the microlens has a high intensity near the center and a low intensity near the outer edge.
  • the number of scans N is two, and two scanning lines passing through the same microlens are biased near the upper end and the lower end of the microlens, respectively. In this case, the light emitted from the microlens has a low intensity near the center and a high intensity near the outer edge.
  • FIG. 6C is a diagram showing a set of a scanning position on the microlens array 20 when the scanning pitches Sc are substantially equidistant and a distribution of emitted light emitted from the irradiated microlenses.
  • the number of scans N is two, and the intervals in the V direction between adjacent scanning lines are substantially equal in the microlenses and between the microlenses.
  • the intensity of light emitted from the screen 2 does not vary, and light having a uniform intensity is distributed.
  • the scanning pitches Sc are set to be substantially equal intervals.
  • the number of scans N corresponding to the number of scan lines in one microlens row is set to be uniform for all the microlens rows.
  • the number of scans N is set to be an integer of 2 or more that satisfies the following expression (1).
  • N P / Sc Formula (1)
  • FIG. 7A is a diagram showing a set of the scanning position on the microlens array 20 and the distribution of the emitted light emitted from the irradiated microlens when the number of scans N is different between the microlens rows. is there.
  • the scanning lines are arranged so that the scanning pitches Sc are equally spaced, the number of scans N (3 times) for the upper microlens row and the number of scans N for the lower microlens row. (Twice) is different.
  • the intensity distribution of the emitted light is uniform, but the intensity of the light emitted through the upper microlens is higher than the intensity of the light emitted through the lower microlens. In this way, when the number of scans N differs depending on the lens array of the microlens, the brightness unevenness slightly occurs.
  • FIG. 7B shows a set of the scanning position on the microlens array 20 and the distribution of the emitted light emitted from the irradiated microlens when the number of scans N is the same between the microlens rows.
  • the scanning lines are arranged so that the scanning pitches Sc are equally spaced, and the number of scanning times N is the same (here, twice) in all the microlens rows.
  • the intensity of the emitted light is equal between the microlens rows.
  • luminance unevenness can be further reduced as compared with the example of FIG.
  • the number of scans N, the lens size P, and the scan pitch Sc are designed to satisfy the formula (1).
  • the expression (1) does not need to be strictly satisfied in all the microlenses, and the expression (1) may be satisfied when averaged with respect to the microlenses constituting the microlens array 20.
  • at least the microlens near the center that is particularly important for vision may satisfy at least the expression (1).
  • the spot size Sp preferably has a relationship represented by the following formula (2) so that the spot S is scanned over the entire region of one microlens. P / N ⁇ Sp Formula (2)
  • Equation (2) indicates that the product of the number of scans N and the spot size Sp is equal to or greater than the lens size P. Assuming that the scanning pitches Sc are equally spaced, Equation (2) is a necessary and sufficient condition for irradiating the entire region of the microphone lens with the laser light (that is, the spot S in FIG. 3).
  • the spot size Sp is set to be smaller than the lens size P, and therefore the spot size Sp is set to satisfy the following expression (3). Is done. P / N ⁇ Sp ⁇ P Formula (3)
  • FIG. 8A shows the scanning position on the microlens array 20 when scanning is performed based on the spot size Sp not satisfying the expression (2), and the distribution of the emitted light emitted from the irradiated microlens.
  • each microphone lens has a region where the spot S is not irradiated in the vicinity of the center, and in this case, the intensity of light emitted from each microlens is low near the center.
  • the spot size Sp is too small with respect to the lens size P, the emission angle per scan cannot be obtained sufficiently, and the emitted light of each microlens is not evenly distributed, resulting in slight brightness unevenness. become.
  • FIG. 8B shows the scanning position on the microlens array 20 when scanning is performed based on the spot size Sp satisfying the expression (2) (and the expression (3)), and the emission from the irradiated microlens. It is the figure which showed the group with the emitted light distribution to be performed.
  • the scanning pitches Sc are equally spaced and the spot size Sp satisfies the formula (2), all regions of each microlens are scanned with laser light spots. It will be. In this case, the distribution of light emitted from the microlens is a uniform distribution without unevenness.
  • the expression (2) does not have to be strictly satisfied, and the expression (2) may be satisfied when averaged in each microlens constituting the microlens array 20, and is particularly important in terms of the center. A nearby microlens may satisfy at least the expression (2).
  • the spot size Sp is preferably set to be 0.8 times the lens size P. That is, it is more preferable that the spot size Sp satisfies the following formula (4). P / N ⁇ Sp ⁇ 0.8P Formula (4)
  • FIG. 9A shows the diffracted light distribution on the virtual irradiation surface when the spot size Sp is set to be the same as the lens size P
  • FIG. 9B shows the spot size Sp of 0.8, which is the lens size P.
  • the diffracted light distribution on the virtual irradiation surface when set to double is shown.
  • each diffracted light overlaps only the adjacent diffracted light and the peripheral portion
  • each diffracted light is substantially different from any adjacent diffracted light. All areas overlap.
  • the spot size Sp is preferably set to be 0.8 times or less of the lens size P.
  • the number of scans N is set to an integer of 2 or more.
  • the spot size Sp can be reduced as the number of scanning times N increases. Note that the smaller the spot size Sp, the larger the size of the diffracted light on the virtual irradiation surface, and the diffracted lights on the virtual irradiation surface overlap each other, making the distribution of light emitted from the screen 2 more uniform. be able to.
  • FIG. 10 is a diagram showing an outline of scanning of laser light onto the screen 2 when the number of scans N is three. In the example of FIG. 10, the spot size Sp is smaller compared to the example of FIG. Thus, as the number of scans N increases, an image can be displayed with uniform luminance.
  • FIG. 11A shows a connection between the scanning position on the microlens array 20 and the light emitted from the microlens when the light source unit 1 scans each scanning line with laser light based on different image signals. It is the figure which showed the relationship with the pixel position to image.
  • FIGS. 11B and 11C show the scanning position on the microlens array 20 and the light emitted from the microlens when scanning is performed with laser light based on the same image signal for the number of scanning times N. It is the figure which showed the relationship with the pixel position which forms an image.
  • FIGS. 11A to 11C for convenience of explanation, scanning lines indicating scanning of laser light based on different image signals are indicated by different line types (solid line, one-dot chain line, broken line, two-dot chain line). ing.
  • the light source unit 1 applies laser to the microlens array 20 based on the image signal input to the light source unit 1 without performing image processing performed in FIGS. 11B and 11C described later.
  • the light is irradiated as it is.
  • laser light of an image signal indicated by a dashed scanning line also referred to as “dashed light”
  • laser light of an image signal indicated by a solid scanning line Also referred to as “solid line light”.
  • laser light of an image signal indicated by a one-dot chain line scanning line (also referred to as “one-dot chain line light”) and an image signal indicated by a two-dot chain line scanning line.
  • Laser beam (also referred to as “two-dot chain light”) is scanned.
  • the solid line light image is a two-dot chain line light. Displayed on the image.
  • the broken line light image is displayed on the one-dot chain line light image. That is, in the example of FIG. 11A, when the viewpoint position is on the upper side, an image based on the laser beam scanned below each microlens is displayed, and when the viewpoint position is on the lower side, each microlens is displayed. An image based on the laser beam scanned on the upper side is displayed.
  • the laser light is directly applied to the microlens array 20 based on the image signal input to the light source unit 1
  • different images are visually recognized depending on the viewpoint position.
  • pixel columns corresponding to adjacent scanning lines generally tend to display similar colors, even when the pixel columns are displayed as thinned out as in the example of FIG. It is unlikely to be a big visual problem. Therefore, even when an image signal is input based on FIG. 11A, an image can be displayed to the extent that an observer does not feel uncomfortable depending on the displayed image.
  • the light source unit 1 does not need to perform special image processing based on the input image signal, and only adjusts the spot size Sp and the like.
  • the laser beam based on the same image signal is scanned twice across the two microlens rows.
  • laser light (solid line light) based on the same image signal is scanned below the upper microlens array and above the lower microlens array.
  • the broken line light scans the upper side of the upper microlens row and the lower side of the microlens row (not shown) adjacent to the upper side
  • the alternate long and short dash line light scans the lower side of the lower microlens row and the lower side.
  • the upper side of the microlens row (not shown) adjacent to the lower side is scanned.
  • the viewpoint position is on the upper side (see the broken line frame 71)
  • the solid line light image is displayed on the one-dot chain line light image.
  • the viewpoint position is on the lower side (see the broken line frame 72)
  • the broken line light image is displayed on the solid line light image.
  • a pixel column for each scanning line (that is, a pixel corresponding to one row of an image signal) is an example of the “pixel group” in the present invention.
  • the solid line light is scanned on the upper microlens row by the number of scanning lines corresponding to the number of scanning times N (here, twice), and the lower microlens row is scanned by the number of scanning lines corresponding to the number of scanning times N. Scanned by chain light.
  • N the number of scanning lines corresponding to the number of scanning times
  • Scanned by chain light When the viewpoint position is on the upper side (see the broken line frame 71), the solid line light image is displayed on the one-dot chain line image, and when the viewpoint position is on the lower side (see the broken line frame 72), the solid line is similarly displayed. The light image is displayed on the one-dot chain light image.
  • the scan length in the H direction is set to a length at least equal to or larger than the lens size in the H direction. Note that the scan length in the H direction refers to the scan length of the light beam corresponding to the same pixel (pixel value).
  • FIG. 12A shows the scanning position on the microlens array 20 when the spot size in the H direction is smaller than the lens size in the H direction and the scan length is shorter than the lens size in the H direction. It is the figure which showed the group with the emitted light distribution inject
  • the emission light of the microlens is biased in the emission direction, and the range in which the emission light is irradiated Is narrow.
  • FIG. 12B shows the scanning position on the microlens array 20 when the spot size in the H direction is smaller than the lens size in the H direction and the scan length is longer than the lens size in the H direction. It is the figure which showed the group with the emitted light distribution inject
  • the entire region from the left end to the right end of the microlens is irradiated with the laser light. Therefore, in this case, since the emitted light of the target microlens spreads over a wide range without being biased, the occurrence of uneven brightness is suitably suppressed.
  • the scan length in the H direction is preferably set to a length that is at least equal to the lens size in the H direction.
  • the head-up display is an image display device that scans a light beam corresponding to an image signal, and includes a light source unit 1, a screen 2 on which a microlens array 20 is formed, Is provided.
  • a microlens array 20 In the microlens array 20, each of a plurality of regularly arranged microlenses diffuses an incident light beam.
  • the light source unit 1 is a microlens that configures the microlens array 20 while scanning one image with a light beam having a spot size smaller than the arrangement interval of two microlenses adjacent in the V direction among the plurality of microlenses. Each of these is scanned multiple times.
  • the head-up display can suitably suppress luminance unevenness without reducing resolution.
  • Modification 1 The light source unit 1 fixed the scanning direction in the H direction in one direction (in the example, the direction from left to right), and scanned the microlens array 20 in order from the top by a progressive method.
  • the scanning method to which the present invention is applicable is not limited to this.
  • FIG. 13A shows an example in which scanning (that is, reciprocating scanning) is performed in two opposite directions in the H direction.
  • scanning that is, reciprocating scanning
  • the upper side of the microlens row is scanned from left to right
  • the lower side of the microlens row is scanned from right to left.
  • the spot size Sp and the number of scans N so as to satisfy the conditions such as the expressions (1) and (3) described in the embodiment, it is possible to suitably suppress the luminance unevenness. it can.
  • FIG. 13B shows an example of scanning by the interlace method.
  • one frame image is a composite image of a plurality of (two in FIG. 13B) field images that are sequentially displayed.
  • one field image is generated by the laser beam corresponding to the solid scanning line, and another field image is generated by the laser beam corresponding to the broken scanning line.
  • each microlens of the microlens array 20 is scanned for each field image, and as a result, each microlens is scanned a plurality of times during one frame.
  • each microlens of the microlens array 20 is scanned for each subframe image, and as a result, one frame image is displayed.
  • luminance unevenness can be suitably suppressed by setting the spot size Sp as described in the embodiment.
  • the microlens array 20 may be formed on a surface opposite to the incident surface of the screen 2, or may be formed on both surfaces of the screen 2.
  • the microlens array 20 may be a reflective lens array having a reflective film on the lens array surface.

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Abstract

ヘッドアップディスプレイは、画像信号に対応する光ビームを走査する画像表示装置であって、光源部１と、マイクロレンズアレイ２０が形成されたスクリーン２と、を備える。マイクロレンズアレイ２０は、規則的に配列された複数のマイクロレンズの夫々が、入射する光ビームを拡散する。光源部１は、複数のマイクロレンズのうちのＶ方向に隣り合う二のマイクロレンズの配列間隔より小さいスポットサイズの光ビームを、一の画像を走査する間に、マイクロレンズアレイ２０を構成するマイクロレンズの各々に複数回走査する。

Description

画像表示装置及びヘッドアップディスプレイ
　本発明は、画像信号に対応する光ビームを走査する画像表示装置により表示される画像の視認性向上に関する。
　従来から、ヘッドアップディスプレイやレーザプロジェクタなどに、マイクロレンズアレイを用いたスクリーンを適用する技術が提案されている。このようなスクリーンを用いた場合、拡散板を用いる場合と比較して、スペックルノイズによる影響を抑制できるといったメリットがある。例えば特許文献１には、レーザ光を光源とし、複数画素の配列で形成される映像を投影するレーザプロジェクタと、複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイとを有する画像形成装置が提案されている。マイクロレンズアレイを用いた場合、入射された光を適切に分散させることができると共に、必要な射出角を自由に設計することができる。
　他方で特許文献２には、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズにより拡散された光束の回折幅が視認者の瞳孔径以下となるように、各マイクロレンズのピッチを設定することにより、各マイクロレンズで拡散された回折光のピーク値が視認者の瞳孔に入ったり入らなかったりすることに起因して発生する輝度ムラを防ぐことが記載されている。
特開２０１０－１４５７４５号公報 特開２０１３－０６４９８５号公報
　レーザスキャン型光源にマイクロレンズアレイを適用した場合、マイクロレンズアレイが有する個々のマイクロレンズの焦点を画素位置とするような像が形成される。この場合、当該光源はレーザであるため、可干渉性が高く、レンズアレイの周期構造により、いわゆる回折光として離散的にマイクロレンズアレイから射出する。言い換えると、本来均一であるべき拡散光に離散的なムラが生じ、その結果として観察した虚像に、輝度の明るい部分と暗い部分とが顕著に表れる、いわゆる輝度ムラが生じる場合がある。上記した特許文献１には、このような輝度ムラを抑制する手法などについては記載されていない。
　一方、特許文献２には、前記輝度ムラを抑制するために、各マイクロレンズにより拡散された光束の回折幅が視認者の瞳孔径以下となるように、各マイクロレンズのピッチを大きくすることが開示されている。しかし、瞳孔が閉じている(周囲が明るい)ときに当てはめると、各マイクロレンズのレンズピッチはかなり大きくする必要があり、その際には、画像の解像度が大きく劣化するが、その点についての考慮がなされていない。
　本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、解像度低下を伴うことなく輝度ムラを好適に抑制することが可能な画像表示装置及びヘッドアップディスプレイを提供することを主な目的とする。
　請求項に記載の発明では、画像信号に対応する光ビームを走査する画像表示装置であって、規則的に配列された複数の光学素子の夫々が、入射する前記光ビームを拡散する拡散部と、前記複数の光学素子のうちの隣り合う二の光学素子の配列間隔より小さいスポット径の前記光ビームを、一の画像を走査する間に、前記拡散部の被走査領域内の前記光学素子の各々に複数回走査する走査部と、を備え、前記走査部は、１回の前記走査毎に、前記光学素子の各々の異なる位置に前記光ビームを走査することを特徴とする。
ヘッドアップディスプレイの概略構成を示す。 スクリーンの斜視図を示す。 マイクロレンズアレイへのレーザ光の走査の概要を示す図である。 回折光の分布を説明する図である。 マイクロレンズから射出される光の分布を示す図である。 走査ピッチに関する条件を説明する図である。 走査回数の均一性に関する条件を説明する図である。 スポットサイズに関する好適な条件を説明する図である。 スポットサイズに関するさらに好適な条件を説明する図である。 １つマイクレンズに対する走査回数を３回とした場合のマイクロレンズアレイへのレーザ光の走査の概要を示す図である。 画像信号に関する条件を説明する図である。 水平方向のスキャン長に関する条件を説明する図である。 変形例に係る走査方式を説明する図である。
　本発明の１つの好適な実施形態では、画像信号に対応する光ビームを走査する画像表示装置であって、規則的に配列された複数の光学素子の夫々が、入射する前記光ビームを拡散する拡散部と、前記複数の光学素子のうちの隣り合う二の光学素子の配列間隔より小さいスポット径の前記光ビームを、前記一の画像を走査する間に、前記拡散部の被走査領域内の前記光学素子の各々に複数回走査する走査部と、を備え、前記走査部は、１回の前記走査毎に、前記光学素子の各々の異なる位置に前記光ビームを走査する。この態様により、画像表示装置は、解像度の低下を生じさせることなく、輝度ムラを好適に低減させることができる。
　上記画像表示装置の一態様では、前記スポット径は、前記配列間隔の０．８倍以下である。この態様により、規則的に配列された複数の光学素子により生成される回折光が視点位置付近で重なり合い、輝度ムラが好適に抑制される。
　上記画像表示装置の他の一態様では、前記走査部は、前記光ビームを一定の走査ピッチで前記拡散部の前記被走査領域に走査し、前記一定の走査ピッチを「Ｓｃ」、前記複数の光学素子のうちの隣り合う二の光学素子の前記走査ピッチ方向に沿った配列間隔を「Ｐ」としたとき、前記一の画像を走査する間に前記光学素子の各々に前記光ビームが走査される回数「Ｎ」は、Ｎ＝Ｐ／Ｓｃを満たす。この態様により、画像表示装置は、各光学素子に対して均一な回数の走査が行われるため、観察者が視認する画像内のどの部分においても同様の輝度で表示させて輝度ムラを好適に抑制することができる。
　上記画像表示装置の他の一態様では、前記走査部は、前記一の画像を走査する間に、前記画像信号に含まれる一の画素群に対応する前記光ビームを、前記被走査領域内の隣り合う位置に前記複数回走査する。この態様により、視点位置によって視認される画像が異なってしまうのを好適に抑制することができる。
　上記画像表示装置の他の一態様では、前記走査部は、前記一の画像を走査する間に、前記画像信号に含まれる一の画素群に対応する前記光ビームを、一の前記光学素子上に前記複数回走査する。この態様により、一の光学素子内での混色がなくなり、原画像の色を損なうことなく観察者に画像を視認させることができる。
　上記画像表示装置の他の一態様では、前記走査部は、前記一の画像を走査する間に、前記光ビームの少なくとも一部が、前記被走査領域内に存在する前記光学素子の各々の全ての領域に、少なくとも一回は入射するように前記光ビームを走査する。この態様では、画像表示装置は、広い角度範囲に隙間なく光を拡散させ、観察者の視認方向に依存する輝度ムラを効果的に抑制することができる。
　上記画像表示装置の他の一態様では、前記走査部は、前記光ビームの走査方向を、一の方向、または、対向する二方向に走査する。これらのいずれの走査方式であっても、画像表示装置は、解像度の低下を生じさせることなく、輝度ムラを好適に低減させることができる。
　上記画像表示装置の他の一態様では、前記走査部は、前記画像信号に含まれる一の画素に対応する前記光ビームの走査長を、前記複数の光学素子のうちの隣り合う二の光学素子の前記光ビームの走査方向に沿った配列間隔以上となるように前記光ビームを走査する。この態様により、走査長が短いことに起因して拡散部にて拡散される光の範囲が狭まるのを好適に抑制することができる。
　上記画像表示装置の他の一態様では、前記走査部は、前記一の画像を走査する間に、前記光ビームを、前記複数の光学素子の各々に同一回数走査する。この態様により、観察者が視認する画像内のどの部分においても同様の輝度で表示させ、輝度ムラを好適に抑制することができる。
　好適な例では、ヘッドアップディスプレイは、上記いずれか記載の画像表示装置を備え、前記拡散部により拡散された前記光ビームに基づき、虚像を表示する。この態様により、ヘッドアップディスプレイは、解像度の低下を生じさせることなく、かつ輝度ムラが好適に低減された虚像を観察者に視認させることができる。
　以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。
　［ヘッドアップディスプレイの構成］
　図１（Ａ）は、本発明における画像表示装置の一態様であるヘッドアップディスプレイの概略構成図である。ヘッドアップディスプレイは、ウィンドシールド２５及びダッシュボード２９を備える車両の搭乗者に虚像を視認させるシステムであって、主に、光源部１と、スクリーン２と、凹面鏡３と、を備える。
　光源部１は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色のレーザ素子を有し、画像信号に基づいて変調されたレーザの合成光を、ＭＥＭＳミラーでスクリーン２上に走査する。
　スクリーン２は、光源部１から光が照射された光の射出角を広げることで射出瞳を拡大する。スクリーン２は、複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイである。スクリーン２から出射された光は、凹面鏡３に入射する。図２は、スクリーン２の斜視図を示す。図２に示すように、スクリーン２には、複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイ２０が形成されている。マイクロレンズは、レンズサイズと等しい間隔で隙間なく配列されている。好適には、マイクロレンズのレンズサイズは、長手方向となる水平方向（Ｈ方向）及び短手方向となる垂直方向（Ｖ方向）において等しい。以後では、レンズサイズ「Ｐ」は、Ｖ方向におけるレンズサイズを指すものとする。スクリーン２は、本発明における「拡散部」の一例であり、マイクロレンズアレイ２０を構成する各マイクロレンズは、本発明における「光学素子」の一例である。
　図１（Ａ）において、凹面鏡３は、スクリーン２から出射されたレーザ光を反射し、ウィンドシールド２５へ到達させる。この場合、凹面鏡３は、レーザ光を反射することで、当該光が示す画像を拡大させる。凹面鏡３で反射されたレーザ光は、さらにウィンドシールド２５で反射され、観察者の目の位置（「アイポイントＰｅ」とも呼ぶ。）へ到達する。これにより、観察者は、虚像を視認する。
　なお、図１（Ａ）に示すヘッドアップディスプレイの構成は一例であり、本発明が適用可能な構成は、これに限定されない。例えば、図１（Ｂ）に示すヘッドアップディスプレイでは、スクリーン２が反射型のマイクロレンズアレイとなっており、当該反射型マイクロレンズアレイにより、光源部１から照射された光の射出角を広げることで射出瞳を拡大する構成であってもよい。他の例では、図１（Ｃ）に示すヘッドアップディスプレイのように、ウィンドシールド２５とアイポイントＰｅとの間に半透明の凹面鏡であるコンバイナを設け、光源部１とスクリーン２を適切に配置し、レーザ光をコンバイナで反射することで、光源部１のレーザ光をアイポイントＰｅへ到達させて虚像を運転者に視認させてもよい。
　［レーザ光の走査］
　次に、光源部１によるスクリーン２へのレーザ光の走査について説明する。
　（１）概要
　図３は、本実施例におけるスクリーン２へのレーザ光の走査の概要を示す図である。図３では、説明の便宜上、３行５列分のマイクロレンズが規則的に配列されたマイクロレンズアレイ２０が示されている。
　図３において、「Ｓ」は、マイクロレンズアレイ２０に照射されるレーザ光の照射領域（即ちスポット）を示し、Ｈ方向に沿った矢印は、スポットＳの中心が移動する軌道（即ち走査線）を示す。また、Ｈ方向に沿った矢印の間隔に相当する「Ｓｃ」は、走査ピッチを示し、スポットＳの直径に相当する「Ｓｐ」は、Ｖ方向におけるスポットサイズ（スポット径）を示す。また、「Ｎ」は、１つのマイクロレンズに対して１画像においてスポットＳが走査される回数（図３の例では２回）を示す。
　図３に示すように、本実施例では、スポットサイズＳｐは、レンズサイズＰ未満に設定されると共に、１つのマイクロレンズに対して１画像においてスポットＳが走査される走査回数Ｎが２回以上となるように走査が行われる。これにより、後述するように、解像度の低下を抑制しつつ、輝度ムラを好適に抑制する。この場合のスポットサイズＳｐは、例えば半値全幅を基準とする。
　以下では、スポットサイズＳｐをレンズサイズＰ未満に設定し、かつ、走査回数Ｎを２回以上とする妥当性について、図４及び図５を参照して説明する。
　図４（Ａ）は、レーザ光の入射により回折光が拡散されたスクリーン２を側面から観察した図である。図４（Ａ）に示すように、マイクロレンズアレイ２０が形成されたスクリーン２にレーザ光が入射した場合、マイクロレンズアレイ２０の周期構造により回折が生じ、光が均等に拡がらない。図４（Ａ）の例では、アイポイントＰｅが位置「Ｐｅ２」、「Ｐｅ３」に存在する場合に、対象のレーザ光に基づく画像を視認できるものの、アイポイントＰｅが位置「Ｐｅ１」に存在する場合には、対象のレーザ光に基づく画像を視認することができない。これにより、輝度ムラが生じることになる。図４（Ｂ）は、輝度ムラが生じているときのスクリーン２からアイポイントＰｅと同等の距離だけ離れた仮想的な平面（「仮想照射面」とも呼ぶ。）における回折光分布を示す。図４（Ｂ）に示すように、この場合、回折光の間には隙間が生じている。
　グレーティング法則により、図４（Ａ）に示す回折光間隔「θ」は、以下の式に示す関係を満たし、マイクロレンズのレンズピッチ「ｐ」に依存する。
　　　　　　　ｓｉｎθ＝λ／ｐ　　「λ」はレーザ光の波長
　従って、レンズピッチｐを広げると、回折光が密になり、輝度ムラが生じにくくなる。一方、マイクロレンズ１つあたり１画素に相当するため、レンズピッチｐの拡大は、表示される画像の解像度の劣化に直結する。レンズピッチｐは、本実施例ではレンズサイズＰと略同一であり、本発明における「配列間隔」の一例である。
　一方、スポットサイズＳｐを小さくするほど、仮想照射面での回折光が大きくなる。図４（Ｃ）は、スポットサイズＳｐを小さくして仮想照射面での回折光を大きくした場合の回折光分布を示す。図４（Ｃ）に示すように、スポットサイズＳｐを十分に小さくした場合、回折光が互いに重なり合い、隙間が生じていないため、輝度ムラが好適に抑制される。一方、スポットサイズＳｐをレンズサイズＰより小さくした場合、スクリーン２から射出される光の射出方向が偏るという問題が生じる。
　図５（Ａ）は、レンズサイズＰより小さいスポットサイズＳｐとなるレーザ光によりマイクロレンズアレイ２０を走査した際のマイクロレンズアレイ２０上での走査位置と、照射されたマイクロレンズから射出される射出光分布との組を示した図である。図５（Ｂ）～図５（Ｅ）は、図５（Ａ）で走査されるマイクロレンズと同一のマイクロレンズ上において走査位置を上方に所定距離ずつシフトさせたときのマイクロレンズアレイ２０上での走査位置と、照射されたマイクロレンズから射出される射出光分布との組を示した図である。
　図５（Ａ）～図５（Ｅ）に示すように、レンズサイズＰより小さいスポットサイズＳｐとなるレーザ光がマイクロレンズアレイ２０に入射した場合、マイクロレンズ上のレーザ光の照射位置によってスクリーン２から射出される光の射出方向が変化している。よって、走査回数Ｎを１回とした場合には、図５（Ａ）～図５（Ｅ）のいずれかに示されるように、光の射出方向の偏りが生じ、目の位置によっては対象のマイクロレンズに対応する画素を観察者が視認することができない。
　図５（Ｆ）は、１つの画像の表示期間中に図５（Ａ）～図５（Ｅ）に示す走査を実行した場合のマイクロレンズアレイ２０上での走査位置と、照射されたマイクロレンズから射出される射出光分布との組を示した図である。なお、ここでいう１つの画像とは、１枚の静止画像であり、ヘッドアップディスプレイが動画を表示する場合は、動画を構成する複数の静止画像のうちの１枚の静止画像（いわゆる１フレームの画像）を含む。この場合、１つの画像の表示期間中に１つのマイクロレンズに対して同一信号に基づくレーザ光の５本分の走査（即ち「Ｎ＝５」とした走査）が行われ、これにより１画素が形成される。この場合、図５（Ｆ）に示すように、スクリーン２から射出される光が合成され、射出光分布に偏りが生じていない。このように、走査回数Ｎを複数回とすることで、スクリーン２からの射出光の射出方向の偏りを好適に抑制することができる。
　（２）付加的条件
　スポットサイズＳｐをレンズサイズＰ未満にする条件、及び、走査回数Ｎを２回以上とする条件に加えて、具備することが好ましい他の付加的条件について説明する。
　（２－１）走査ピッチに関する条件
　好適には、走査ピッチＳｃは、略等間隔となるように設定される。これについて、図６を参照して説明する。
　図６（Ａ）、（Ｂ）は、走査ピッチＳｃが不均一である場合のマイクロレンズアレイ２０上での走査位置と、照射されたマイクロレンズから射出される射出光分布との組を示した図である。図６（Ａ）の例では、走査回数Ｎが２回となっており、かつ、同一のマイクロレンズを通過する２つの走査線がマイクロレンズの中心付近に偏っている。この場合、マイクロレンズから射出される光は、中心付近の強度が高くなり、外縁付近の強度が低くなる。また、図６（Ｂ）の例では、走査回数Ｎが２回となっており、かつ、同一のマイクロレンズを通過する２つの走査線がマイクロレンズの上端付近及び下端付近にそれぞれ偏っている。この場合、マイクロレンズから射出される光は、中心付近の強度が低くなり、外縁付近の強度が高くなる。
　図６（Ｃ）は、走査ピッチＳｃが略等間隔である場合のマイクロレンズアレイ２０上での走査位置と、照射されたマイクロレンズから射出される射出光分布との組を示した図である。図６（Ｃ）の例では、走査回数Ｎが２回となっており、かつ、マイクロレンズ内及びマイクロレンズ間において隣接する走査線間のＶ方向の間隔がいずれも実質的に等しい。この場合、スクリーン２から射出される光には強度のムラが生じず、均一な強度の光が分布する。以上を勘案し、好適には、走査ピッチＳｃは、略等間隔となるように設定されるとよい。
　（２－２）走査回数の均一性に関する条件
　好適には、一のマイクロレンズ列での走査線数に相当する走査回数Ｎは、全てのマイクロレンズ列に対して均一となるように設定される。言い換えると、走査回数Ｎは、以下の式（１）を満たす２以上の整数となるように設定される。
　　　　　　　Ｎ＝Ｐ／Ｓｃ　　式（１）
　上述の式（１）によれば、レンズサイズＰは、走査ピッチＳｃの整数倍となるため、走査線数は全てのマイクロレンズ列において均一となる。以下では、式（１）が示す条件の妥当性について説明する。
　図７（Ａ）は、走査回数Ｎがマイクロレンズ列間で異なる場合のマイクロレンズアレイ２０上での走査位置と、照射されたマイクロレンズから射出される射出光分布との組を示した図である。図７（Ａ）の例では、走査ピッチＳｃが等間隔となるように走査線が並んでいるものの、上段のマイクロレンズ列の走査回数Ｎ（３回）と下段のマイクロレンズ列の走査回数Ｎ（２回）とが異なっている。この場合、射出光の強度分布はそれぞれ均一になるものの、上段のマイクロレンズを介して射出される光の強度は、下段のマイクロレンズを介して射出される光の強度よりも高くなる。このように、マイクロレンズのレンズ列によって走査回数Ｎが異なる場合、輝度ムラが僅かに発生することになる。
　図７（Ｂ）は、走査回数Ｎがマイクロレンズ列間で同一となる場合のマイクロレンズアレイ２０上での走査位置と、照射されたマイクロレンズから射出される射出光分布との組を示した図である。図７（Ｂ）の例では、走査ピッチＳｃが等間隔となるように走査線が並んでおり、かつ、全てのマイクロレンズ列において走査回数Ｎが同一（ここでは２回）となっている。この場合、射出光の強度は、マイクロレンズ列間において等しい。この場合、図７（Ａ）の例と比較して、輝度ムラをさらに低減させることができる。
　以上を勘案し、好適には、走査回数Ｎ、レンズサイズＰ、走査ピッチＳｃは、式（１）を満たすように設計されるとよい。なお、式（１）は、全てのマイクロレンズにおいて厳密に満たされる必要はなく、マイクロレンズアレイ２０を構成するマイクロレンズに対して平均した場合に式（１）が満たされるものであってもよく、視覚上特に重要な中央付近のマイクロレンズにおいて少なくとも式（１）が満たされるものであってもよい。
　（２－３）スポットサイズに関する条件
　好適には、スポットサイズＳｐは、１つのマイクロレンズの全領域にスポットＳが走査されるように、以下の式（２）に示す関係を有することが好ましい。
　　　　　　　Ｐ／Ｎ≦Ｓｐ　　式（２）
　ここで、式（２）は、走査回数ＮとスポットサイズＳｐとの積がレンズサイズＰ以上となることを示す。走査ピッチＳｃが等間隔であると仮定した場合、式（２）は、マイクレンズの全領域にレーザ光（即ち図３のスポットＳ）が照射されるための必要十分条件となる。
　また、「（１）概要」のセクションで説明したように、スポットサイズＳｐは、レンズサイズＰ未満となるように設定されるため、スポットサイズＳｐは、以下の式（３）を満たすように設定される。
　　　　　　　Ｐ／Ｎ≦Ｓｐ＜Ｐ　　式（３）
　図８（Ａ）は、式（２）を満たさないスポットサイズＳｐに基づいて走査が行われる場合のマイクロレンズアレイ２０上での走査位置と、照射されたマイクロレンズから射出される射出光分布との組を示した図である。図８（Ａ）の例では、各マイクレンズは、中心付近においてスポットＳが照射されない領域が生じており、この場合の各マイクロレンズの射出光分布は、中央付近の強度が低くなる。このように、レンズサイズＰに対してスポットサイズＳｐが小さすぎると、１走査あたりの射出角が充分に得られず各マイクロレンズの射出光が均等に分布しないため、僅かに輝度ムラが生じることになる。
　図８（Ｂ）は、式（２）（及び式（３））を満たすスポットサイズＳｐに基づいて走査が行われる場合のマイクロレンズアレイ２０上での走査位置と、照射されたマイクロレンズから射出される射出光分布との組を示した図である。図８（Ｂ）の例では、走査ピッチＳｃが等間隔であり、かつ、スポットサイズＳｐが式（２）を満たすことから、各マイクロレンズは、全ての領域がレーザ光のスポットにより走査されることになる。この場合にマイクロレンズから射出される光の分布は、ムラがない均一な分布となっている。
　なお、式（２）が厳密に満たされる必要はなく、マイクロレンズアレイ２０を構成する各マイクロレンズにおいて平均した場合に式（２）が満たされるものであってもよく、視覚上特に重要な中央付近のマイクロレンズにおいて少なくとも式（２）が満たされるものであってもよい。
　式（２）に関する条件に加えて、輝度ムラを抑制するためのさらに好適な条件として、スポットサイズＳｐは、レンズサイズＰの０．８倍となるように設定されることが好ましい。即ち、スポットサイズＳｐは、以下の式（４）を満たすことがさらに好ましい。
　　　　　　　Ｐ／Ｎ≦Ｓｐ≦０．８Ｐ　　式（４）
　図９（Ａ）は、スポットサイズＳｐがレンズサイズＰと同一に設定された場合の仮想照射面での回折光分布を示し、図９（Ｂ）はスポットサイズＳｐがレンズサイズＰの０．８倍に設定された場合の仮想照射面での回折光分布を示す。図９（Ａ）では、各回折光は、隣接する回折光と周縁部分のみが重なり合っているのに対し、図９（Ｂ）では、各回折光は、隣接するいずれかの回折光と実質的に全ての領域が重なり合っている。なお、図９（Ｂ）では、他の回折光と重なっていない領域が僅かに存在するが、この領域は、視覚上無視できる程度に小さい面積となっている。従って、図９（Ｂ）の例では、観察者が視認する画像の輝度の均一性がより高くなっている。以上を勘案し、スポットサイズＳｐは、好適には、レンズサイズＰの０．８倍以下となるように設定されることが好ましい。
　（２－４）走査回数に関する条件
　「（１）概要」のセクションで説明したように、走査回数Ｎは、２以上の整数に設定される。また、式（２）を満たすようにスポットサイズＳｐを設計する場合、走査回数Ｎが大きいほど、スポットサイズＳｐを小さくすることが可能である。なお、スポットサイズＳｐが小さいほど仮想照射面での回折光のサイズは大きくなり、仮想照射面での回折光同士がより重なることになり、スクリーン２から射出された光の分布をより均一にすることができる。図１０は、走査回数Ｎを３回とした場合のスクリーン２へのレーザ光の走査の概要を示す図である。図１０の例では、走査回数Ｎを２回とした図３の例と比較して、スポットサイズＳｐが小さくなっている。このように、走査回数Ｎが多いほど、均等な輝度により画像を表示させることが可能となる。
　（２－５）画像信号に関する条件
　マイクロレンズアレイ２０を走査するレーザ光の画像信号に関する条件について説明する。
　図１１（Ａ）は、光源部１が各走査線に対して異なる画像信号に基づくレーザ光により走査を行う場合のマイクロレンズアレイ２０上での走査位置と、マイクロレンズから射出された光により結像する画素位置との関係を示した図である。また、図１１（Ｂ）、（Ｃ）は、走査回数Ｎだけ同一の画像信号に基づくレーザ光により走査を行う場合のマイクロレンズアレイ２０上での走査位置と、マイクロレンズから射出された光により結像する画素位置との関係を示した図である。なお、図１１（Ａ）～（Ｃ）では、説明の便宜上、異なる画像信号に基づくレーザ光の走査を示す走査線は、異なる線種（実線、一点鎖線、破線、二点鎖線）により示されている。
　図１１（Ａ）では、光源部１は、後述する図１１（Ｂ）、（Ｃ）において行われる画像処理を行うことなく、光源部１に入力された画像信号に基づきマイクロレンズアレイ２０にレーザ光をそのまま照射している。ここでは、上段のマイクロレンズ列には、上から順に、破線の走査線により示される画像信号のレーザ光（「破線光」とも呼ぶ。）と、実線の走査線により示される画像信号のレーザ光（「実線光」とも呼ぶ。）とが走査される。また、下段のマイクロレンズ列には、上から順に、一点鎖線の走査線により示される画像信号のレーザ光（「一点鎖線光」とも呼ぶ。）と、二点鎖線の走査線により示される画像信号のレーザ光（「二点鎖線光」とも呼ぶ。）とが走査される。この場合、図１１（Ａ）に示されるように、破線枠７１が示す上方の位置をアイポイントＰｅとした場合（即ち視点位置が上側の場合）には、実線光の画像が二点鎖線光の画像の上に表示される。また、破線枠７２が示す下方の位置をアイポイントＰｅとした場合（即ち視点位置が下側の場合）には、破線光の画像が一点鎖線光の画像の上に表示される。即ち、図１１（Ａ）の例では、視点位置が上側の場合に、各マイクロレンズの下側を走査したレーザ光に基づく画像が表示され、視点位置が下側の場合に、各マイクロレンズの上側を走査したレーザ光に基づく画像が表示される。
　このように、光源部１に入力された画像信号に基づきマイクロレンズアレイ２０にレーザ光をそのまま照射する態様では、視点位置によって異なる画像が視認される。一方、隣接する走査線に対応する画素列は一般的に類似する色を表示する傾向があるため、図１１（Ａ）の例のように画素列が間引きして表示される場合であっても視覚上大きな問題にはなりにくい。従って、図１１（Ａ）に基づく画像信号の入力によっても、表示する画像によっては観察者の違和感が生じない程度に画像を表示することができる。また、図１１（Ａ）の形態では、光源部１は、入力された画像信号に基づく特別な画像処理を行う必要がなく、スポットサイズＳｐ等の調整のみを行えばよい。
　次に、図１１（Ｂ）の場合について説明する。この場合、二列分のマイクロレンズ列に跨いで同一の画像信号に基づくレーザ光が２回走査されている。ここでは、上段のマイクロレンズ列の下側及び下段のマイクロレンズ列の上側に、同一画像信号に基づくレーザ光（実線光）が走査されている。同様に、破線光は、上段のマイクロレンズ列の上側及びこれと上方に隣接するマイクロレンズ列（不図示）の下側を走査し、一点鎖線光は、下段のマイクロレンズ列の下側及びこれと下方に隣接するマイクロレンズ列（不図示）の上側を走査する。このとき、視点位置が上側の場合（破線枠７１参照）には、実線光の画像が一点鎖線光の画像の上に表示される。また、視点位置が下側の場合（破線枠７２参照）には、破線光の画像が実線光の画像の上に表示される。
　このように、図１１（Ｂ）では、視点位置によって視認される画素がずれるものの、画素列の間引きや位置の入れ替えなどが生じない。よって、この態様によっても、輝度ムラを抑制しつつ、画像を好適に観察者に視認させることができる。なお、走査線ごとの画素列（即ち画像信号の一行分の画素）は、本発明における「画素群」の一例である。
　次に、図１１（Ｃ）の場合について説明する。この場合、同一のマイクロレンズ列内において同一の画像信号に基づくレーザ光が走査されている。ここでは、上段のマイクロレンズ列に、走査回数Ｎ（ここでは２回）に応じた走査線数だけ実線光が走査され、下段のマイクロレンズ列に、走査回数Ｎに応じた走査線数だけ一点鎖線光により走査される。そして、視点位置が上側の場合（破線枠７１参照）に、実線光の画像が一点鎖線光の画像の上に表示され、視点位置が下側の場合（破線枠７２参照）でも同様に、実線光の画像が一点鎖線光の画像の上に表示される。
　このように、図１１（Ｃ）では、視点位置によって視認される画素にずれが生じず、画素列の間引きや位置の入れ替えなども生じない。よって、この態様により、輝度ムラを抑制しつつ、画像を好適に観察者に視認させることができる。また、一般に、同一のマイクロレンズに異なる画像信号に基づくレーザ光が照射される場合、アイポイントＰｅによっては、同一マイクロレンズに入射するレーザ光に基づく混色が生じる。これに対し、図１１（Ｃ）では、同一のマイクロレンズ列内において同一の画像信号に基づくレーザ光が走査されるため、上述した混色の発生を好適に抑制することができる。
　（２－６）Ｈ方向のスキャン長に関する条件
　Ｈ方向のスポットサイズがＨ方向のレンズサイズより小さい場合には、Ｈ方向におけるスキャン長が短いときにスクリーン２から射出される光の偏りが発生する。以上を勘案し、好適には、Ｈ方向のスキャン長は、少なくともＨ方向のレンズサイズ以上の長さに設定されるとよい。なお、Ｈ方向のスキャン長とは、同一の画素（画素値）に対応する光ビームのスキャン長を指す。
　図１２（Ａ）は、Ｈ方向のスポットサイズがＨ方向のレンズサイズより小さい場合において、スキャン長がＨ方向のレンズサイズよりも短い場合のマイクロレンズアレイ２０上での走査位置と、照射されたマイクロレンズから射出される射出光分布との組を示した図である。図１２（Ａ）に示すように、この場合、マイクロレンズの右側領域がレーザ光により照射されないため、当該マイクロレンズの射出光には射出方向に偏りが生じ、かつ、射出光が照射される範囲が狭い。
　図１２（Ｂ）は、Ｈ方向のスポットサイズがＨ方向のレンズサイズより小さい場合において、スキャン長がＨ方向のレンズサイズよりも長い場合のマイクロレンズアレイ２０上での走査位置と、照射されたマイクロレンズから射出される射出光分布との組を示した図である。図１２（Ｂ）に示すように、この場合、マイクロレンズの左端から右端までの全領域がレーザ光により照射される。よって、この場合、対象となるマイクロレンズの射出光は、偏ることなく広範囲に広がるため、輝度ムラの発生等が好適に抑制される。このように、Ｈ方向のスキャン長は、少なくともＨ方向のレンズサイズ以上の長さに設定されるとよい。
　以上説明したように、本実施例に係るヘッドアップディスプレイは、画像信号に対応する光ビームを走査する画像表示装置であって、光源部１と、マイクロレンズアレイ２０が形成されたスクリーン２と、を備える。マイクロレンズアレイ２０は、規則的に配列された複数のマイクロレンズの夫々が、入射する光ビームを拡散する。光源部１は、複数のマイクロレンズのうちのＶ方向に隣り合う二のマイクロレンズの配列間隔より小さいスポットサイズの光ビームを、１画像を走査する間に、マイクロレンズアレイ２０を構成するマイクロレンズの各々に複数回走査する。これにより、ヘッドアップディスプレイは、解像度低下を伴うことなく輝度ムラを好適に抑制することが可能となる。
　［変形例］
　次に、上述の実施例に好適な変形例について説明する。以下に示す変形例は、組み合わせて上述の実施例に適用されてもよい。
　（変形例１）
　光源部１は、Ｈ方向の走査方向を一方向に固定（実施例では左から右への方向）し、かつ、プログレッシブ方式により上から順にマイクロレンズアレイ２０上を走査した。しかし、本発明が適用可能な走査方式はこれに限定されない。
　図１３（Ａ）は、Ｈ方向において対向する２方向で走査（即ち往復走査）を行う例を示す。図１３（Ａ）の例では、マイクロレンズ列の上側を左から右に向かって走査し、マイクロレンズ列の下側を右から左に向かって走査している。この場合であっても、実施例で説明した式（１）、式（３）等の条件を満たすようにスポットサイズＳｐや走査回数Ｎを設定することで、輝度ムラを好適に抑制することができる。
　図１３（Ｂ）は、インターレース方式により走査を行う例を示す。図１３（Ｂ）の例では、１つのフレーム画像は、順次表示される複数（図１３（Ｂ）では２つ）のフィールド画像の合成画像となる。図１３（Ｂ）では、実線の走査線に対応するレーザ光により１つのフィールド画像が生成され、破線の走査線に対応するレーザ光によりもう１つのフィールド画像が生成される。このように、図１３（Ｂ）では、フィールド画像ごとにマイクロレンズアレイ２０の各マイクロレンズが走査され、結果として１フレームの間に各マイクロレンズは複数回走査されている。このように、複数のサブフレーム画像により１つのフレーム画像を構成する場合であっても、サブフレーム画像ごとにマイクロレンズアレイ２０の各マイクロレンズが走査され、結果として１つのフレーム画像を表示する間に各マイクロレンズは複数回走査されることとなるため、実施例で説明したようにスポットサイズＳｐを設定することで、輝度ムラを好適に抑制することができる。
　（変形例２）
　マイクロレンズアレイ２０は、スクリーン２の入射面に形成されるのに代えて、スクリーン２の入射面と反対側の面に形成されていてもよく、スクリーン２の両面に形成されていてもよい。また、マイクロレンズアレイ２０は、レンズアレイ面に反射膜が施されている反射型レンズアレイであってもよい。
　１　光源部
　２　スクリーン
　３　凹面鏡
　２０　マイクロレンズアレイ

Claims (10)

  1. 　画像信号に対応する光ビームを走査する画像表示装置であって、
    　規則的に配列された複数の光学素子の夫々が、入射する前記光ビームを拡散する拡散部と、
    　前記複数の光学素子のうちの隣り合う二の光学素子の配列間隔より小さいスポット径の前記光ビームを、一の画像を走査する間に、前記拡散部の被走査領域内の前記光学素子の各々に複数回走査する走査部と、
    を備え、
    　前記走査部は、１回の前記走査毎に、前記光学素子の各々の異なる位置に前記光ビームを走査することを特徴とする画像表示装置。
  2. 　前記スポット径は、前記配列間隔の０．８倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
  3. 　前記走査部は、前記光ビームを一定の走査ピッチで前記拡散部の前記被走査領域に走査し、
    　前記一定の走査ピッチを「Ｓｃ」、前記複数の光学素子のうちの隣り合う二の光学素子の前記走査ピッチ方向に沿った配列間隔を「Ｐ」としたとき、前記一の画像を走査する間に前記光学素子の各々に前記光ビームが走査される回数「Ｎ」は、
    　　　　　　　Ｎ＝Ｐ／Ｓｃ
    を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
  4. 　前記走査部は、前記一の画像を走査する間に、前記画像信号に含まれる一の画素群に対応する光ビームを、前記被走査領域内の隣り合う位置に前記複数回走査することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の画像表示装置。
  5. 　前記走査部は、前記一の画像を走査する間に、前記画像信号に含まれる一の画素群に対応する前記光ビームを、一の前記光学素子上に前記複数回走査することを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
  6. 　前記走査部は、前記一の画像を走査する間に、前記光ビームの少なくとも一部が、前記被走査領域内に存在する前記光学素子の各々の全ての領域に、少なくとも一回は入射するように前記光ビームを走査することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の画像表示装置。
  7. 　前記走査部は、前記光ビームの走査方向を、一の方向、または、対向する二方向に走査することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の画像表示装置。
  8. 　前記走査部は、前記画像信号に含まれる一の画素に対応する前記光ビームの走査長を、前記複数の光学素子のうちの隣り合う二の光学素子の前記光ビームの走査方向に沿った配列間隔以上となるように前記光ビームを走査することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の画像表示装置。
  9. 　前記走査部は、前記一の画像を走査する間に、前記光ビームを、前記複数の光学素子の各々に同一回数走査することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の画像表示装置。
  10. 　請求項１乃至９のいずれか一項に記載の画像表示装置を備え、前記拡散部により拡散された前記光ビームに基づき、虚像を表示することを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
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