特許 7091667 表示装置、物体装置、画像形成ユニット及び表示方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-20

(45)【発行日】2022-06-28

(54)【発明の名称】表示装置、物体装置、画像形成ユニット及び表示方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/01 20060101AFI20220621BHJP

   G02B 26/10 20060101ALI20220621BHJP

   B60K 35/00 20060101ALI20220621BHJP

【ＦＩ】

G02B27/01

G02B26/10 104Z

G02B26/10 C

B60K35/00 A

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2018004108

(22)【出願日】2018-01-15

(65)【公開番号】P2018156061

(43)【公開日】2018-10-04

【審査請求日】2020-09-16

(31)【優先権主張番号】P 2017053554

(32)【優先日】2017-03-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(72)【発明者】

【氏名】田辺 啓之

(72)【発明者】

【氏名】岸 由美子

(72)【発明者】

【氏名】稲本 慎

【審査官】鈴木 俊光

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－００３８０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１１７２７８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－１５３３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０３２９７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２０６５６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０１６１１９１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／０１

Ｇ０２Ｂ ２６／１０

Ｂ６０Ｋ ３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源部と、
前記光源部からの光を２次元的に偏向する光偏向器と、
前記光偏向器を介した光により主走査方向及び副走査方向に２次元走査される、複数の光学素子を含む光学素子アレイと、
前記光学素子アレイを介した光を投射する投光部と、を備え、
前記光学素子アレイ上における副走査方向のビームスポット径及び前記光学素子アレイにおける副走査方向の前記光学素子の配列ピッチは、前記光学素子アレイ上における走査線ピッチ以上であり、前記ビームスポット径をWbeam、前記配列ピッチをPlens、前記走査線ピッチをPscan、副走査方向の画素密度をYcpd、モアレ周波数をfmoire、モアレコントラストをCmoireとしたとき、
fmoire=Ycpd(Plens-Pscan)/2Pscan、
Cmoire=-0.9×Wbeam/Pscan+1.5、
0.5/｛5.05×exp(-0.138×fmoire)×［1.0-exp(-0.1×fmoire)］｝≧Cmoireが成立することを特徴とする表示装置。

【請求項2】

前記光学素子の副走査方向の幅は、前記走査線ピッチ以上であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。

【請求項3】

前記配列ピッチをPlens、前記走査線ピッチをPscan、
当該表示装置の副走査方向の画素密度をYcpdとしたとき、
fmoire=Ycpd(Plens-Pscan)/2Pscanで求められるモアレ周波数fmoireが10cpd以上となるようにYppd、Plens、Pscanが設定されていることを特徴とする請求項１～２のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項4】

前記ビームスポット径をWbeam、前記配列ピッチをPlens、前記走査線ピッチをPscan、当該表示装置の副走査方向の画素密度をYcpdとしたとき、
fmoire=Ycpd(Plens-Pscan)/2Pscanで求められるモアレ周波数fmoireが10cpd未満となり、かつCmoire=-0.9×Wbeam/Pscan+1.5で求められるモアレコントラストCmoireが0.5以下となるようにYcpd、Plens、Pscan、Wbeamが設定されていることを特徴とする請求項１～２のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項5】

前記光学素子アレイにおける主走査方向に互いに隣接する前記光学素子の光学中心は、副走査方向にずれていることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項6】

前記複数の光学素子それぞれは、平面視六角形状であり、
前記複数の光学素子は、ハニカム状に配列されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項7】

前記光学素子アレイ上における主走査方向のビームスポット径及び前記光学素子アレイにおける主走査方向の前記光学素子の配列ピッチは、前記光学素子アレイ上における主走査方向に隣接するビームスポットの中心間隔以上であることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項8】

前記光学素子の主走査方向の幅は、前記中心間隔以上であることを特徴とする請求項７に記載の表示装置。

【請求項9】

透過反射部材が設けられた物体と、
前記物体に搭載され、前記透過反射部材に光を投射する請求項１～８のいずれか一項に記載の表示装置と、を備える物体装置。

【請求項10】

前記物体は、移動体であることを特徴とする請求項９に記載の物体装置。

【請求項11】

複数の光学素子を含む光学素子アレイを主走査方向及び副走査方向に２次元走査して画像を形成する画像形成ユニットにおいて、
前記光学素子アレイ上における副走査方向のビームスポット径及び前記光学素子アレイにおける副走査方向の前記光学素子の配列ピッチは、前記光学素子アレイ上における走査線ピッチ以上であり、前記ビームスポット径をWbeam、前記配列ピッチをPlens、前記走査線ピッチをPscan、副走査方向の画素密度をYcpd、モアレ周波数をfmoire、モアレコントラストをCmoireとしたとき、
fmoire=Ycpd(Plens-Pscan)/2Pscan、
Cmoire=-0.9×Wbeam/Pscan+1.5、
0.5/｛5.05×exp(-0.138×fmoire)×［1.0-exp(-0.1×fmoire)］｝≧Cmoireが成立する
ことを特徴とする画像形成ユニット。

【請求項12】

請求項１１に記載の画像形成ユニットと、
前記画像形成ユニットからの前記画像を形成する光を投射する投光部と、を備える表示装置。

【請求項13】

複数の光学素子を含む光学素子アレイを主走査方向及び副走査方向に２次元走査して画像を形成し、該画像を形成した光を投射して画像を表示する表示方法であって、
前記光学素子アレイ上における副走査方向のビームスポット径及び前記光学素子アレイにおける前記光学素子の副走査方向の配列ピッチが前記光学素子アレイ上における走査線ピッチ以上となり、前記ビームスポット径をWbeam、前記配列ピッチをPlens、前記走査線ピッチをPscan、副走査方向の画素密度をYcpd、モアレ周波数をfmoire、モアレコントラストをCmoireとしたとき、
fmoire=Ycpd(Plens-Pscan)/2Pscan、
Cmoire=-0.9×Wbeam/Pscan+1.5、
0.5/｛5.05×exp(-0.138×fmoire)×［1.0-exp(-0.1×fmoire)］｝≧Cmoireが成立するように前記光学素子アレイを２次元走査することを特徴とする表示方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、表示装置、物体装置、画像形成ユニット及び表示方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光により複数の光学素子を含む光学素子アレイを主走査方向及び副走査方向に２次元走査して画像を形成し、該画像を形成した光を投射する装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

特許文献１に開示されている装置では、光学素子の配列と走査線ピッチに起因するモアレの発生を抑制することに関して改善の余地があった。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明は、光源部と、前記光源部からの光を２次元的に偏向する光偏向器と、前記光偏向器を介した光により主走査方向及び副走査方向に２次元走査される、複数の光学素子を含む光学素子アレイと、前記光学素子アレイを介した光を投射する投光部と、を備え、前記光学素子アレイ上における副走査方向のビームスポット径及び前記光学素子アレイにおける副走査方向の前記光学素子の配列ピッチは、前記光学素子アレイ上における走査線ピッチ以上であり、前記ビームスポット径をWbeam、前記配列ピッチをPlens、前記走査線ピッチをPscan、副走査方向の画素密度をYcpd、モアレ周波数をfmoire、モアレコントラストをCmoireとしたとき、fmoire=Ycpd(Plens-Pscan)/2Pscan、Cmoire=-0.9×Wbeam/Pscan+1.5、0.5/｛5.05×exp(-0.138×fmoire)×［1.0-exp(-0.1×fmoire)］｝≧Cmoireが成立することを特徴とする表示装置である。

【発明の効果】

【0005】

本発明によれば、光学素子の配列と走査線ピッチに起因するモアレの発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】一実施形態のＨＵＤ装置の概略構成を示す図である。

【図2】ＨＵＤ装置の制御系のハードウェア構成を示すブロック図である。

【図3】ＨＵＤ装置の機能ブロック図である。

【図4】ＨＵＤ装置の光源装置について説明するための図である。

【図5】ＨＵＤ装置の光偏向器について説明するための図である。

【図6】光偏向器のミラーと走査範囲の対応関係を示す図である。

【図7】２次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。

【図8】図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、マイクロレンズアレイにおいて入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。

【図9】スクリーンの構成例を示す図（その１）である。

【図10】スクリーンの構成例を示す図（その２）である。

【図11】図１１（Ａ）～図１１（Ｄ）は、レンズ配列が互いに異なるマイクロレンズアレイを有するスクリーンを示す図である。

【図12】主走査方向に延びる縞模様からなるモアレの抑制について説明するための図である。

【図13】レーザ光のマイクロレンズへの入射位置と該マイクロレンズ上の点像強度の関係について説明するための図である。

【図14】図１４（Ａ）～図１４（Ｃ）は、ビームスポット径／走査線ピッチが互いに異なる３パターンにおいて副走査方向に隣接する２つのビームスポットが部分的に重なる場合のビーム強度の分布を示すグラフである。

【図15】ビームスポット径／走査線ピッチと、モアレコントラストの関係を示すグラフである。

【図16】図１６（Ａ）はＶＴＦ曲線を示すグラフであり、図１６（Ｂ）は運転者に不快感を与えないモアレ周波数とモアレコントラストの限界値を示すグラフである。

【図17】図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）は、モアレコントラストの制御の実施例について説明するための図である。

【図18】図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）は、レンズ配列が非平行配列の光学素子アレイの実施例について説明するための図である。

【図19】図１９（Ａ）～図１９（Ｃ）は、走査線形状が互いに異なる３パターンの走査について説明するための図である。

【図20】図２０（Ａ）～図２０（Ｃ）は、それぞれ図１９（Ａ）～図１９（Ｃ）の走査線形状に倣った微細光学素子の配列例を示す図である。

【図21】副走査方向に延びる縞模様からなるモアレの抑制について説明するための図である。

【図22】図１１（Ｄ）のレンズ配列のマクロレンズアレイを走査して得られた描画画像を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

［概要］
以下に、一実施形態のＨＵＤ装置１００について図面を参照して説明する。なお、「ＨＵＤ」は「ヘッドアップディスプレイ」の略称である。

【0008】

図１には、本実施形態のＨＵＤ装置１００の全体構成が概略的に示されている。

【0009】

《ＨＵＤ装置の全体構成》
ところで、ヘッドアップディスプレイの投射方式は、液晶パネル、ＤＭＤパネル（デジタルミラーデバイスパネル）、蛍光表示管（ＶＦＤ）のようなイメージングデバイスで中間像を形成する「パネル方式」と、レーザ光源から射出されたレーザビームを２次元走査デバイスで走査し中間像を形成する「レーザ走査方式」がある。特に後者のレーザ走査方式は、全画面発光の部分的遮光で画像を形成するパネル方式とは違い、各画素に対して発光／非発光を割り当てることができるため、一般に高コントラストの画像を形成することができる。

【0010】

そこで、ＨＵＤ装置１００では「レーザ走査方式」を採用している。無論、投射方式として上記「パネル方式」を用いることもできる。

【0011】

ＨＵＤ装置１００は、一例として、車両に搭載され、該車両のフロントウインドシールド５０（図１参照）を介して該車両の操縦に必要なナビゲーション情報（例えば車両の速度、進路情報、目的地までの距離、現在地名称、車両前方における物体（対象物）の有無や位置、制限速度等の標識、渋滞情報などの情報）を視認可能にする。この場合、フロントウインドシールド５０は、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材としても機能する。以下では、ＨＵＤ装置１００がフロントウインドシールド５０を備える、車両としての自動車に搭載される例を、主に説明する。

【0012】

ＨＵＤ装置１００は、図１に示されるように、光源装置１１、光偏向器１５及び走査ミラー２０を含む光走査装置１０と、スクリーン３０と、凹面ミラー４０とを備え、フロントウインドシールド５０に対して画像を形成する光（画像光）を照射することにより、視認者Ａ（ここでは自動車の乗員である運転者）の視点位置から虚像Ｉを視認可能にする。つまり、視認者Ａは、光走査装置１０によりスクリーンに形成（描画）される画像（中間像）を、フロントウインドシールド５０を介して虚像Ｉとして視認することができる。

【0013】

ＨＵＤ装置１００は、一例として、自動車のダッシュボードの下方に配置されており、視認者Ａの視点位置からフロントウインドシールド５０までの距離は、数十ｃｍから精々１ｍ程度である。

【0014】

ここでは、凹面ミラー４０は、虚像Ｉの結像位置が所望の位置になるように、一定の集光パワーを有するように既存の光学設計シミュレーションソフトを用いて設計されている。

【0015】

ＨＵＤ装置１００では、虚像Ｉが視認者Ａの視点位置から例えば１ｍ以上かつ３０ｍ以下（好ましくは１０ｍ以下）の位置（奥行位置）に表示されるように、凹面ミラー４０の集光パワーが設定されている。

【0016】

なお、通常、フロントウインドシールドは、平面でなく、僅かに湾曲している。このため、凹面ミラー４０とフロントウインドシールド５０の曲面により、虚像Ｉの結像位置が決定される。

【0017】

光源装置１１では、画像データに応じて変調されたＲ,Ｇ,Ｂの３色のレーザ光が合成される。３色のレーザ光が合成された合成光は、光偏向器１５の反射面に導かれる。偏向手段としての光偏向器１５は、半導体製造プロセス等で作製された２軸のＭＥＭＳスキャナであり、直交する２軸周りに独立に揺動可能な単一の微小ミラーを含む。光源装置１１、光偏向器１５の詳細は、後述する。

【0018】

光源装置１１からの画像データに応じた光（合成光）は、光偏向器１５で偏向され、走査ミラー２０で折り返されてスクリーン３０に照射される。そこで、スクリーン３０が光走査され該スクリーン３０上に中間像が形成される。すなわち、光偏向器１５と走査ミラー２０を含んで光走査系が構成される。なお、凹面ミラー４０は、フロントウインドシールド５０の影響で中間像の水平線が上または下に凸形状となる光学歪み要素を補正するように設計、配置されることが好ましい。

【0019】

スクリーン３０を介した光は、凹面ミラー４０でフロントウインドシールド５０に向けて反射される。フロントウインドシールド５０への入射光束の一部はフロントウインドシールド５０を透過し、残部の少なくとも一部は視認者Ａの視点位置に向けて反射される。この結果、視認者Ａはフロントウインドシールド５０を介して中間像の拡大された虚像Ｉを視認可能となる、すなわち、視認者から見て虚像Ｉがフロントウインドシールド５０越しに拡大表示される。

【0020】

なお、フロントウインドシールド５０よりも視認者Ａの視点位置側に透過反射部材としてコンバイナを配置し、該コンバイナに凹面ミラー４０からの光を照射するようにしても、フロントウインドシールド５０のみの場合と同様に虚像表示を行うことができる。

【0021】

《ＨＵＤ装置の制御系のハードウェア構成》
図２には、ＨＵＤ装置１００の制御系のハードウェア構成を示すブロック図が示されている。ＨＵＤ装置１００の制御系は、図２に示されるように、ＦＰＧＡ６００、ＣＰＵ６０２、ＲＯＭ６０４、ＲＡＭ６０６、Ｉ／Ｆ６０８、バスライン６１０、ＬＤドライバ６１１１、ＭＥＭＳコントローラ６１５を備えている。

【0022】

ＦＰＧＡ６００は、画像データに応じてＬＤドライバ６１１１を介して後述するＬＤを動作させ、ＭＥＭＳコントローラ６１５を介して光偏向器１５を動作させる。ＣＰＵ６０２は、ＨＵＤ装置１００の各機能を制御する。ＲＯＭ６０４は、ＣＰＵ６０２がＨＵＤ装置１００の各機能を制御するために実行する画像処理用プログラムを記憶している。ＲＡＭ６０６は、ＣＰＵ６０２のワークエリアとして使用される。Ｉ／Ｆ６０８は、外部コントローラ等と通信するためのインターフェイスであり、例えば、自動車のＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等に接続される。

【0023】

《ＨＵＤ装置の機能ブロック》
図３には、ＨＵＤ装置１００の機能を示すブロック図が示されている。ＨＵＤ装置１００は、図３に示されるように、車両情報入力部８００、外部情報入力部８０２、画像データ生成部８０４及び画像描画部８０６を備えている。車両情報入力部８００には、ＣＡＮ等から車両の情報（速度、走行距離、対象物の位置、外界の明るさ等の情報）が入力される。外部情報入力部８０２には、外部ネットワークから車両外部の情報（例えば自動車に搭載されたカーナビからのナビ情報等）が入力される。画像データ生成部８０４は、車両情報入力部８００、外部情報入力部８０２等から入力される情報に基づいて、描画すべき画像の画像データを生成し、画像描画部８０６に送信する。画像描画部８０６は、制御部８０６０を備え、受信した画像データに応じた画像を描画する。画像データ生成部８０４及び制御部８０６０は、ＦＰＧＡ６００によって実現される。画像描画部８０６は、ＦＰＧＡ６００に加えて、ＬＤドライバ６１１１、ＭＥＭＳコントローラ６１５、光走査装置１０、スクリーン３０、凹面ミラー４０等によって実現される。

【0024】

《光源装置の構成》
図４には、光源装置１１の構成が示されている。光源装置１１は、図４に示されるように、単数あるいは複数の発光点を有する複数（例えば３つの）の発光素子１１１Ｒ、１１１Ｂ、１１１Ｇを含む。各発光素子は、ＬＤ（レーザダイオード）であり、互いに異なる波長λＲ、λＧ、λＢの光束を放射する。例えばλＲ＝６４０ｎｍ、λＧ＝５３０ｎｍ、λＢ＝４４５ｎｍである。以下では、発光素子１１１ＲをＬＤ１１１Ｒ、発光素子１１１ＧをＬＤ１１１Ｇ、発光素子１１１ＢをＬＤ１１１Ｂとも表記する。ＬＤ１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂから放射された波長λＲ、λＧ、λＢの光束は、対応するカップリングレンズ１１２Ｒ、１１２Ｇ、１１２Ｂにより後続の光学系にカップリングされる。カップリングされた光束は、対応するアパーチャ部材１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂにより整形される。各アパーチャ部材の開口形状は、光束の発散角等に応じて円形、楕円形、長方形、正方形等、様々な形状とすることができる。その後、対応するアパーチャ部材で整形された光束は、合成素子１１５により光路合成される。合成素子１１５は、プレート状あるいはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じて光束を反射／透過し、１つの光路に合成する。合成された光束は、レンズ１１９により光偏向器１５の反射面に導かれる。レンズ１１９は、光偏向器１５側に凹面が向くメニスカスレンズである。

【0025】

《光偏向器の構成》
図５には、光偏向器１５の構成が示されている。光偏向器１５は、半導体プロセスにて製造された２軸のＭＥＭＳスキャナであり、図５に示されるように、反射面を有するミラー１５０と、α軸方向に並ぶ複数の梁を含み、隣り合う２つの梁が折り返し部を介して蛇行するように接続された一対の蛇行部１５２とを有する。各蛇行部１５２の隣り合う２つの梁は、梁Ａ（１５２ａ）、梁Ｂ（１５２ｂ）とされ、枠部材１５４に支持されている。複数の梁には、複数の圧電部材１５６（例えばＰＺＴ）が個別に設けられている。各蛇行部の隣り合う２つの梁の圧電部材に異なる電圧を印加することで、該蛇行部の隣り合う２つの梁が異なる方向に撓み、それが蓄積されて、ミラー１５０がα軸周り（＝垂直方向）に大きな角度で回転することになる。このような構成により、α軸を中心とした垂直方向の光走査が、低電圧で可能となる。一方、β軸を中心とした水平方向では、ミラー１５０に接続されたトーションバーなどを利用した共振による光走査が行われる。

【0026】

ＨＵＤ装置１００からは、瞬間的にはレーザビーム径に相当する点像しか投射されないが、非常に高速に走査させるため、一フレーム画像内では十分に人間の目に残像が残っている。この残像現象を利用することで、視認者には、あたかも「表示エリア」に像を投射させているように知覚される。実際には、スクリーンに映った像が、凹面ミラー４０とフロントウインドシールド５０によって反射されて視認者に「表示エリア」において虚像として知覚される。このような仕組みであるので、像を表示させない場合は、ＬＤの発光を停止すれば良い。つまり、「表示エリア」において虚像が表示される箇所以外の箇所の輝度を実質０にすることが可能となる。

【0027】

すなわち、ＨＵＤ装置１００による虚像の結像位置は、該虚像を結像可能な所定の「表示エリア」内の任意の位置となる。この「表示エリア」は、ＨＵＤ装置の設計時の仕様で決まる。

【0028】

このように、「レーザ走査方式」を採用したことにより、表示したい部分以外では、表示の必要がないためＬＤを消灯したり、光量を低下させたりするなどの措置を取ることができる。

【0029】

これに対して、例えば液晶パネル及びＤＭＤパネルのようなイメージングデバイスで中間像を表現する「パネル方式」では、パネル全体を照明する必要があるため、画像信号としては非表示とするために黒表示であったとしても、液晶パネルやＤＭＤパネルの特性上、完全には０にし難い。このため、黒部が浮き上がって見えることがあったが、レーザ走査方式ではその黒浮きを無くすことが可能となる。

【0030】

ところで、光源装置１１の各発光素子は、ＦＰＧＡ６００によって発光強度や点灯タイミング、光波形が制御され、ＬＤドライバ６１１１によって駆動され、光を射出する。各発光素子から射出され光路合成された光は、図６に示されるように、光偏向器１５によってα軸周り、β軸周りに２次元的に偏向され、走査ミラー２０（図１参照）を介して走査光としてスクリーン３０に照射される。すなわち、走査光によりスクリーン３０が２次元走査される。なお、図６では、走査ミラー２０の図示が省略されている。

【0031】

走査光は、スクリーン３０の走査範囲を、２～４万Ｈｚ程度の速い周波数で主走査方向に振動走査（往復走査）しつつ、数十Ｈｚ程度の遅い周波数で副走査方向に片道走査する。すなわち、第１の周波数で主走査方向について、かつ、該第１の周波数より低い第２の周波数で副走査方向について、ラスタースキャンが行われる。この際、走査位置（走査光の位置）に応じて各発光素子の発光制御を行うことで画素毎の描画、虚像の表示を行うことができる。

【0032】

１画面を描画する時間、すなわち１フレーム分の走査時間（２次元走査の１周期）は、上記のように副走査周期が数十Ｈｚであることから、数十ｍｓｅｃとなる。例えば主走査周期２００００Ｈｚ、副走査周期を５０Ｈｚとすると、１フレーム分の走査時間は２０ｍｓｅｃとなる。

【0033】

スクリーン３０は、図７に示されるように、画像が描画される（画像データに応じて変調された光が照射される）画像領域３０ａ（有効走査領域）と、該画像領域を取り囲むフレーム領域３０ｂとを含む。

【0034】

ここで光偏向器１５によって走査しうる全範囲を「走査範囲」と呼ぶ。ここでは、走査範囲は、スクリーン３０における画像領域３０ａとフレーム領域３０ｂの一部（画像領域３０ａの外縁近傍の部分）を併せた範囲とされている。図７には、走査範囲における走査線の軌跡がジグザグ線によって示されている。図７においては、走査線の本数を、便宜上、実際よりも少なくしている。

【0035】

走査範囲における画像領域３０ａの周辺領域（フレーム領域３０ｂの一部）には、受光素子を含む同期検知系６０が設置されている。以下では、スクリーン３０の主走査方向をＸ方向とし、副走査方向をＹ方向として説明する。ここでは、同期検知系６０は、画像領域の－Ｘ側かつ＋Ｙ側の隅部の＋Ｙ側に配置されている。

【0036】

同期検知系６０は、光偏向器１５の動作を検出して、走査開始タイミングや走査終了タイミングを決定するための同期信号をＦＰＧＡ６００に出力する。

【0037】

スクリーン３０の画像領域３０ａは、例えばマイクロレンズアレイ等の光拡散効果を持つ透過型の素子で構成されている。画像領域は、矩形、あるいは平面である必要はなく、多角形や曲面であっても構わない。また、スクリーン３０は、光拡散効果を持たない平板や曲板であっても良い。また、画像領域は、装置レイアウトによっては例えばマイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の素子とすることもできる。

【0038】

ここで、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）を参照して、スクリーン３０の画像領域に用いられるマイクロレンズアレイにおける拡散と干渉性ノイズ発生について説明する。
図８（Ａ）において、符号８５２はマイクロレンズアレイを示す。マイクロレンズアレイ８５２は、微細凸レンズ８５１を配列した微細凸レンズ構造を有する。符号８５３で示す「画素表示用ビーム」の光束径８５７は、微細凸レンズ８５１の大きさよりも小さい。すなわち、微細凸レンズ８５１の大きさ８５６は、光束径８５７よりも大きい。なお、説明中の形態例で、画素表示用ビーム８５３はレーザ光束であり、光束中心のまわりにガウス分布状の光強度分布をなす。従って、光束径８５７は、光強度分布における光強度が「１／ｅ^２」に低下する光束半径方向距離である。
図８（Ａ）では、光束径８５７は微細凸レンズ８５１の大きさ８５６に等しく描かれているが、光束径８５７が「微細凸レンズ８５１の大きさ８５６」に等しい必要は無い。微細凸レンズ８５１の大きさ８５６を食み出さなければよい。
図８（Ａ）において、画素表示用ビーム８５３は、その全体が１個の微細凸レンズ８５１に入射し、発散角８５５をもつ拡散光束８５４に変換される。なお、「発散角」は、以下において「拡散角」と呼ぶこともある。
図８（Ａ）の状態では、拡散光束８５４は１つで、干渉する光束が無いので、干渉性ノイズは発生しない。なお、発散角８５５の大きさは、微細凸レンズ８５１の形状により適宜設定できる。
図８（Ｂ）では、画素表示用ビーム８１１は、光束径が微細凸レンズの配列ピッチ８１２の２倍となっており、２個の微細凸レンズ８１３、８１４に跨って入射している。この場合、画素表示用ビーム８１１は、入射する２つの微細凸レンズ８１３、８１４により２つの発散光束８１５、８１６のように拡散される。２つの発散光束８１５、８１６は、領域８１７において重なり合い、この部分で互いに干渉して干渉性ノイズを発生する。

【0039】

以下、スクリーン３０の構成について詳細に説明する。図９及び図１０には、スクリーン３０の構成例が示されている。

【0040】

スクリーン３０は、複数の微細光学素子３００が整列して配置された光学板３０１からなる。光学板３０１上を入射光束３０２が走査するとき、光束は微細光学素子３００により発散され、発散光３０３となる。微細光学素子３００の構造により、入射光束を所望の発散角３０４で発散させることが可能である。

【0041】

なお、図９は凸面レンズアレイの形態で記述しているが、凹面レンズアレイ、その他反射型のマイクロミラーアレイ（凸面、凹面を含む）においても同様の効果があるものとする。

【0042】

スクリーン３０は、微細光学素子３００が隙間なく配列されたアレイ構造を有しており、光走査装置１０からのレーザ光（走査光）を所望の発散角で発散させる。微細光学素子３００は、幅が２００ｕｍ程度のマイクロレンズもしくはマイクロミラーであり、平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）が六角形である。六角形であることにより、微細光学素子３００を最密に配列することができる（図１１（Ｃ）、図１１（Ｄ）参照）。以下の説明では、「マイクロレンズ」を適宜「レンズ」とも呼び、「マイクロミラー」を適宜「ミラー」とも呼ぶ。

【0043】

なお、微細光学素子３００として、平面形状が、六角形に限らず、四角形（図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）参照）や三角形のものを採用することもできる。なお、図１１（Ａ）～図１１（Ｃ）において、P_lensは副走査方向のレンズピッチ（レンズの配列ピッチ）を表し、W_Xはレンズの主走査方向の幅を表し、W_Yはレンズの副走査方向の幅を表す。

【0044】

また、本実施形態においては、微細光学素子３００が規則正しく並んだ構造を例にとって説明しているが、これに限らず、微細光学素子３００の光学中心を幾何学中心からずらして（偏心させて）不規則な配列とした偏心配列とすることもできる。偏心配列を採用した場合は、各微細光学素子３００は互いに異なる形状となる。

【0045】

図１２には、スクリーン３０上の走査経路とビームスポットの関係が示されている。以下では、微細光学素子３００がマイクロレンズである場合、すなわちスクリーン３０が光学素子アレイとしてのマイクロレンズアレイを有する場合について説明する。図１２では、図１１（Ａ）のレンズ配列（正方配列）が採用されている。図１２において、符号３２１、３０２は、それぞれ走査線、ビームスポットを示す。ここでは、走査線３２１は、ジグザグ線であるが、その他の形状でも良い。

【0046】

ここで、図１２において、マイクロレンズアレイの主走査方向（Ｘ方向）の端（より詳細には主走査方向の端にあるレンズの外側の端）における副走査方向（Ｙ方向）に隣接する走査線の間隔のうち大きい方を「走査線ピッチP_scan」と定義する（図１２参照）。図１２ではP_scanは一定である。なお、「走査線」は、マイクロレンズアレイ上における走査ビーム（走査光）の軌跡であり、ここでは概ね主走査方向に延びる走査線を意味する。走査線ピッチは「走査線間隔」とも呼ばれる。

【0047】

なお、図１２では、走査線がジグザグ線（互いに非平行）なので「走査線ピッチ」を上記のようにマイクロレンズアレイ上で隣接する走査線の間隔が最大となる主走査方向の位置における隣接する走査線の間隔で定義しているが、例えばマイクロレンズアレイを互いに平行な走査線で走査するときには、隣接する走査線の間隔が一定なので「走査線ピッチ」は「隣接する走査線の間隔」と一義的に決まる。

【0048】

また、図１２には、一例として、正弦波振動で走査した光走査経路が示されているが、例えばリサージュ走査を行う場合も走査線ピッチP_scanを同様に定義できるので、本発明の適用範囲内となる。

【0049】

また、マイクロレンズアレイ上における副走査方向のビームスポット径をW_beam、副走査方向のレンズピッチ（マイクロレンズの配列ピッチ）をP_lensとする。

【0050】

ところで、複数の微細光学素子が規則的に配列されたマイクロレンズアレイ上を一定の走査線ピッチで走査すると、微細光学素子の配列と走査線ピッチに起因するモアレ（主走査方向に延びる縞模様）が発生し、スクリーン上に描画される画像（中間像）の品質が低下し、ひいてはＨＵＤ装置による表示像である虚像の品質が低下してしまう。以下では、特に断りがない限り、「モアレ」は主走査方向に延びる縞模様を意味する。

【0051】

そこで、発明者らは、ＨＵＤ装置の表示像である虚像の品質の低下を抑制すべく、モアレの発生を抑制する技術を開発した。以下に、この技術の詳細について説明する。なお、ビームスポットは実際には互いに時間的にずれて形成されるものであるが、その時間的なずれは前述のとおり非常に小さいため、以下では時間的なずれが生じていないものとして説明する。

【0052】

ここで、一般的にモアレの縞の間隔（ピッチ）であるモアレピッチP_moireは、次の（１）式で表される。

【数1】

上記（１）式の単位を画素密度に換算すると、次の（２）式のようになる。

【数2】

さらに、ＨＵＤ装置の画素密度を考慮して、モアレの縞の周波数であるモアレ周波数f_moireを画角に換算して表すと、次の（３）式のようになる。

【数3】

【0053】

発明者らは、実験により、W_beam≧P_scanかつP_lens≧P_scanを満たす場合、すなわち各マイクロレンズ上において、副走査方向に隣接する走査ビームが一定以上の重なり部分を有することにより、モアレの発生を抑制できることを見出した。なお、P_lens≧P_scanの場合には、各マイクロレンズ上を少なくとも１つの走査線が横切る（通過する）ように走査することができる（例えば図１２参照）。また、W_beam≧P_scanの場合には、副走査方向に隣接する走査ビームが部分的に重なるように走査することができる。

【0054】

以下に、W_beam≧P_scanかつP_lens≧P_scanを満たす場合に副走査方向のモアレの発生を抑制できる理由について説明する。

【0055】

まず、P_lensとP_scanとの関係、すなわち副走査方向のレンズピッチと走査線ピッチとの関係におけるモアレについて説明する。
図１３には、マイクロレンズアレイのマイクロレンズ８０１への光束８０３の入射位置とマイクロレンズ８０１上の点像強度の関係が示されている。マイクロレンズ８０１において光学中心は幾何学中心に一致しているものとする。

【0056】

光束８０３は、一般的にレーザ光特有のガウシアン分布の強度プロファイルを持ち、光束の中心の強度が高く、該中心から遠ざかるほど強度が低下する。

【0057】

ここで、マイクロレンズ８０１を通過した光束８０３をマイクロレンズ８０１の正面から観察する場合を考える。

【0058】

図１３におけるＡのようにマイクロレンズ８０１に対して実線のビーム強度の光束が入射された場合、マイクロレンズ８０１の中心と光束の中心が略一致するため、マイクロレンズ８０１上の点像強度は大きくなる。

【0059】

一方、図１３におけるＢのようにマイクロレンズ８０１に対して破線のビーム強度の光束が入射された場合、マイクロレンズ８０１の中心と光束の中心が大きくずれマイクロレンズ８０１の中心を通る光束の強度はガウシアン分布の裾となるため、マイクロレンズ８０１上の点像強度は小さくなる。すなわち、マイクロレンズ８０１上の点像強度は、図１３においてＡよりもＢの方が小さくなる。

【0060】

以上の説明から明らかなように、マイクロレンズへ入射される光束の中心とマイクロレンズの中心のずれが大きくなるほど、マイクロレンズ上の点像強度が小さくなる。

【0061】

そこで、各マイクロレンズの中心に複数のビームスポットの重なり部分が位置するようにマイクロレンズアレイを走査する。これにより、該マイクロレンズ上の点像強度の低下を抑制することができ、ひいてはマイクロレンズアレイ全体として輝度ムラの低減を図ることができる。

【0062】

次に、W_beamとP_scanとの関係、すなわち副走査方向のビームスポット径と走査線ピッチとの関係によって決まるモアレコントラストについて図１４を参照して説明する。以下では、副走査方向のビームスポット径を、特に断りがない限り、単に「ビームスポット径」と呼ぶ。

【0063】

ここでは、中心が副走査方向に走査線ピッチ分だけ離間する２つのビームスポットを重ね合わせる場合を考える。図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）には、それぞれビームスポット径／走査線ピッチが１．０、１．５、２．０の場合が示されている。図１４では、２つのビームスポットの強度をf1、f2、重ね合わせたビームスポットの強度をf1+f2としている。

【0064】

図１４（Ａ）～図１４（Ｃ）から分かるように、走査線ピッチに対して、ビームスポット径が大きくなるほど、モアレコントラスト（２つのビームスポットの強度の谷間の深さ）は小さくなる。ここでは、モアレコントラストは、図１４（Ａ）の例が最大であり、図１４（Ｃ）の例が最小である。

【0065】

そこで、モアレコントラストを小さくするために、ビームスポット径／走査線ピッチ≧１、すなわちW_beam≧P_scanとすることが好ましい。

【0066】

ここで、モアレコントラストC_moireを、隣接する２つの走査線とビームプロファイルによって形成される強度プロファイルの中で、走査線上の強度：I_maxと２つの走査線の中間位置での強度：I_minを用いて、次の（４）式のように表すことができる。

【数4】

【0067】

図１５に示されるように、モアレコントラストC_moireをビームスポット径W_beamと走査線ピッチP_scanの比で表して、線形近似を取ると、次の（５）式のようになる。なお、図１５では、ｘが横軸、ｙが縦軸である。

【数5】

【0068】

上記（５）式より、W_beam≧P_scanの場合にC_moire≦0.6となり、モアレコントラストを十分に小さくできることが分かる。

【0069】

図１６は、空間周波数（モアレ周波数）に対するコントラスト感度（モアレコントラストの感度）の関係を説明する図である。文献(Kenji Kagitani,Makoto Hino and Susumu ImakawaAdvanced Technology Development Center, Ricoh Co., Ltd. Yokohama, JapanImage Noise Evaluation Method for Color Hardcopy)によると、空間周波数に対するコントラスト感度の式はVTF(Visual Transfer Function)曲線として次の（６）式で表される。

【数6】

なお、上記（６）式における「f」は、f_moireを略記したものである。

【0070】

上記（６）式で表されるVTF曲線は、図１６（Ａ）に示されるように周波数ピーク（モアレ周波数のピーク）でのコントラスト感度で規格化している。そこで、周波数ピークにおいて、発生するモアレコントラストの視認性の限界値を設定することで、モアレ周波数とモアレコントラストによるモアレ視認性の限界値を設定することを試みた。

【0071】

その方法として、コントラスト感度が最大となる周波数ピークにおいて、モアレコントラストの異なる縞の視認性の官能評価を実施したところ、モアレコントラストが0.5以下であれば、縞を視認できるが不快ではないレベルとなることがわかった。そこで、許容し得るモアレコントラストの値0.5に対してVTF曲線の式の逆数を取って規格化する。すなわち、図１６（Ｂ）に示されるように縦軸を規格化コントラストとすると、モアレ周波数とモアレコントラストの限界曲線は、次の（７）式のように表される。

【数7】

なお、上記（７）式における「f」は、f_moireを略記したものである。

【0072】

以上から、モアレ周波数とモアレコントラストで設定される、運転者（視認者）に不快感を感じさせないモアレは、次の（８）式と図１６（Ｂ）で表される。

【数8】

図１６（Ｂ）において、曲線の下側の範囲が運転者に不快感を与えない範囲となる。

【0073】

なお、上記（７）式、（８）式では、C_maxを0.5としているが、C_maxが0.6以下であれば、敏感な運転者を除いて、不快感をほとんど感じないことが分かっている。

【0074】

次に、モアレコントラストを制御する実施例について、図１７を参照して説明する。
図１７（Ａ）の（Ａ－１）～（Ａ－３）は、ビーム径が互いに異なる３種類の走査ビームでそれぞれ走査線ピッチが一定となるように同一の平板上を走査したときの３つの描画画像を示している。走査ビームのビーム径は（Ａ－１）＜（Ａ－２）＜（Ａ－３）の関係にあり、描画画像の明るさは（Ａ－１）＜（Ａ－２）＜（Ａ－３）の関係にある。

【0075】

図１７（Ａ）の（Ａ－４）～（Ａ－６）は、ビーム径が互いに異なる３種類の走査ビームでそれぞれ走査線ピッチが一定となるように同一のマイクロレンズアレイ上を走査したときの３つの描画画像を示している。走査ビームのビーム径は（Ａ－１）＜（Ａ－２）＜（Ａ－３）の関係にある。
図１７（Ａ）の（Ａ－４）～（Ａ－６）から分かるように、走査線ピッチが一定の条件下では、ビーム径が大きくなるにつれ、描画画像のコントラストが低下する（輝度均一性が高くなる）。従って、ビーム径が大きくなるほど、モアレコントラストは低下する（輝度均一性が高くなる）。
結果として、視認性の高さは（Ａ－４）＜（Ａ－５）＜（Ａ－６）となる。

【0076】

図１７（Ｂ）の（Ｂ－１）～（Ｂ－３）は、ビーム径が一定の走査ビームで走査線ピッチが一定となるようにそれぞれ同一の平板上を走査したときの３つの描画画像を示している。

【0077】

図１７（Ｂ）の（Ｂ－４）～（Ｂ－６）は、ビーム径が一定の走査ビームで走査線ピッチが一定となるようにそれぞれ副走査方向のレンズピッチが互いに異なる３種類のマイクロレンズアレイ上を走査したときの３つの描画画像を示している。
図１７（Ｂ）の（Ｂ－４）～（Ｂ－６）から分かるように、ビーム径及び走査線ピッチが一定であるため、レンズピッチが大きくなるほど、横切る（通過する）走査線の数が増加するレンズが増える（暗部となるレンズが少なくなる）。従って、原理的に、レンズピッチ≧走査線ピッチの場合には、全てのレンズを走査線が通過するため、モアレコントラストは低下する（輝度均一性が高くなる。）
結果として、視認性の高さは（Ｂ－４）＜（Ｂ－５）＜（Ｂ－６）となる。

【0078】

図２２には、図１１（Ｄ）のレンズ配列（ハニカム型配列）のマイクロレンズアレイをW_beam≧P_scanかつP_lens≧P_scanを満たすように走査した場合の描画画像が示されている。図２２より、描画画像においてモアレの発生が抑制されていることが分かる。

【0079】

次に、レンズ配列が非平行配列であるマイクロレンズアレイについて、図１８を参照して説明する。ここで、「非平行配列」とは、主走査方向に並ぶ複数のレンズの中心を通る線が非平行なレンズ配列をいう。

【0080】

図１８（Ａ）に示されるマイクロレンズアレイでは、主走査方向に並ぶ複数のレンズの中心が主走査方向の中央に関して対称となる曲線線上（副走査方向の一側に凸の曲線上、言い換えると図１８（Ａ）の紙面下側に凸の曲線上）にある。また、副走査方向に並ぶ複数（図１８（Ａ）では５つ）の曲線ＳＬ１～ＳＬ５の曲率が副走査方向に関して単調に変化している。すなわち、ＳＬ１の曲率＞ＳＬ２の曲率＞ＳＬ３の曲率＞ＳＬ４の曲率＞ＳＬ５の曲率となっている。曲線ＳＬ１～ＳＬ５を、それぞれ走査線と見做すこともできる。また、主走査方向の中央において副走査方向に並ぶ複数のレンズの中心は直線（ＳＳ４）上にあるが、主走査方向の中央以外の位置において副走査方向に並ぶ複数のレンズの中心は曲線上（主走査方向の中央側とは反対側に凸の曲線上）にある。

【0081】

図１８（Ａ）において、符号ＳＳ１は、レンズｍ１１、ｍ２１、ｍ３１、ｍ４１、ｍ５１の中心を通り、曲線ＳＬ１～ＳＬ５に直交する曲線を示す。符号ＳＳ２は、レンズｍ１２、ｍ２２、ｍ３２、ｍ４２、ｍ５２の中心を通り、曲線ＳＬ１～ＳＬ５に直交する曲線を示す。符号ＳＳ３は、レンズｍ１３、ｍ２３、ｍ３３、ｍ４３、ｍ５３の中心を通り、曲線ＳＬ１～ＳＬ５に直交する曲線を示す。符号ＳＳ４は、レンズｍ１４、ｍ２４、ｍ３４、ｍ４４、ｍ５４の中心を通り、曲線ＳＬ１～ＳＬ５に直交する直線を示す。符号ＳＳ５は、レンズｍ１５、ｍ２５、ｍ３５、ｍ４５、ｍ５５の中心を通り、曲線ＳＬ１～ＳＬ５に直交する曲線を示す。符号ＳＳ６は、レンズｍ１６、ｍ２６、ｍ３６、ｍ４６、ｍ５６の中心を通り、曲線ＳＬ１～ＳＬ５に直交する曲線を示す。符号ＳＳ７は、レンズｍ１７、ｍ２７、ｍ３７、ｍ４７、ｍ５７の中心を通り、曲線ＳＬ１～ＳＬ５に直交する曲線を示す。

【0082】

図１８（Ａ）では、レンズサイズ（レンズ径）が一定ではないが、走査線ピッチP_scan、レンズピッチP_lensを前述のように定義することができる。また、ここでは、走査線ピッチ及びレンズピッチは、いずれも一定である。よって、図１８（Ａ）に示されるマイクロレンズアレイをW_beam≧P_scanかつP_lens≧P_scanを満たすように走査することにより、モアレの発生を抑制することができる。

【0083】

図１８（Ｂ）に示されるマイクロレンズアレイでは、主走査方向に並ぶ複数のレンズの中心が主走査方向の中央に関して対称な副走査方向の一側（図１８（Ｂ）の紙面下側）に凸の曲線上にあり、副走査方向に並ぶ複数（図１８（Ｂ）では５つ）の曲線ＳＬ１～ＳＬ５の曲率が副走査方向に関して一定となっている。すなわち、曲線ＳＬ１～ＳＬ５の曲率が同一になっている。曲線ＳＬ１～ＳＬ５を、それぞれ走査線と見做すこともできる。また、主走査方向の任意の位置において副走査方向に並ぶ複数のレンズの中心は同一直線上にある。

【0084】

図１８（Ｂ）において、符号ＳＳ１は、レンズｍ１１、ｍ２１、ｍ３１、ｍ４１、ｍ５１の中心を通り、曲線ＳＬ１～ＳＬ５に直交する直線を示す。符号ＳＳ２は、レンズｍ１２、ｍ２２、ｍ３２、ｍ４２、ｍ５２の中心を通り、曲線ＳＬ１～ＳＬ５に直交する直線を示す。符号ＳＳ３は、レンズｍ１３、ｍ２３、ｍ３３、ｍ４３、ｍ５３の中心を通り、曲線ＳＬ１～ＳＬ５に直交する直線を示す。符号ＳＳ４は、レンズｍ１４、ｍ２４、ｍ３４、ｍ４４、ｍ５４の中心を通り、曲線ＳＬ１～ＳＬ５に直交する直線を示す。符号ＳＳ５は、レンズｍ１５、ｍ２５、ｍ３５、ｍ４５、ｍ５５の中心を通り、曲線ＳＬ１～ＳＬ５に直交する直線を示す。符号ＳＳ６は、レンズｍ１６、ｍ２６、ｍ３６、ｍ４６、ｍ５６の中心を通り、曲線ＳＬ１～ＳＬ５に直交する直線を示す。符号ＳＳ７は、レンズｍ１７、ｍ２７、ｍ３７、ｍ４７、ｍ５７の中心を通り、曲線ＳＬ１～ＳＬ５に直交する直線を示す。

【0085】

図１８（Ｂ）でも、走査線ピッチP_scan、レンズピッチP_lensを前述のように定義することができる。また、ここでは、レンズサイズ（レンズ径）、走査線ピッチ及びレンズピッチは、いずれも一定である。よって、図１８（Ｂ）に示されるマイクロレンズアレイをW_beam≧P_scanかつP_lens≧P_scanを満たすように走査することにより、モアレの発生を抑制することができる。

【0086】

さらに、レンズ配列が図１８とは異なる非平行配列のマイクロレンズアレイについて、図１９、図２０を参照して説明する。

【0087】

図１９（Ａ）～図１９（Ｃ）において、光学板３０１上で横方向に延びる線が走査線３０１１であり、縦方向に延びる線が各走査線に直交する線３０１２である。

【0088】

図１９（Ａ）では、マイクロレンズアレイ上の各走査線３０１１は、副走査方向の一側（図１９（Ａ）の紙面下側）に凸となるように湾曲する、主走査方向（Ｘ方向）の中央（ｙ軸）に関して対称な曲線となっている。図１９（Ａ）でも、走査線ピッチP_scanを前述のように定義することができる。ここでは、走査線ピッチは一定となっている。

【0089】

図１９（Ｂ）では、マイクロレンズアレイ上の副走査方向（ｙ方向）の中央の走査線３０１１は主走査方向（ｘ方向）に平行な直線であり、その他の走査線３０１１は副走査方向の中央（ｘ軸）に向けて凸となるように湾曲する、主走査方向（Ｘ方向）の中央（ｙ軸）に関して対称な曲線となっている。図１９（Ｂ）でも、走査線ピッチP_scanを前述のように定義することができる。ここでは、走査線ピッチは一定となっている。

【0090】

図１９（Ｃ）では、マイクロレンズアレイ上の副走査方向（ｙ方向）の中央の走査線３０１１は主走査方向（ｘ方向）に平行な直線であり、その他の走査線３０１１は主走査方向（ｘ方向）の一側（図１９（Ｃ）の紙面左側）から他側（図１９（Ｃ）の紙面右側）にかけてｘ軸に徐々に近づくように傾斜する直線となっている。図１９（Ｃ）でも、走査線ピッチP_scanを前述のように定義することができる。ここでは、走査線ピッチは一定となっている。

【0091】

また、図２０（Ａ）～図２０（Ｃ）には、それぞれ図１９（Ａ）～図１９（Ｃ）に示される走査線により走査されるマイクロレンズアレイのレンズ配列例（非平行配列）が示されている。図２０（Ａ）～図２０（Ｃ）でも、レンズピッチP_lensを前述のように定義することができる。また、図２０（Ａ）～図２０（Ｃ）では、いずれも副走査方向のレンズピッチが一定である。よって、図２０（Ａ）～図２０（Ｃ）に示されるマイクロレンズアレイをW_beam≧P_scanかつP_lens≧P_scanを満たすように走査することにより、モアレの発生を抑制することができる。

【0092】

以上、主走査方向に延びる縞模様からなるモアレの発生を抑制することに関して説明を進めてきたが、同様の原理で副走査方向に延びる縞模様からなるモアレが発生し得る。

【0093】

そこで、図２１に示されるように、マイクロレンズアレイ上における主走査方向のビームスポット径をWX_beam,、主走査方向に隣接するビームスポット３０２のピッチ（中心間隔）をPX_scan、主走査方向のレンズピッチ（レンズの配列ピッチ）をPX_lensとしたとき、WX_beam≧PX_scanかつPX_lens≧PX_scanが満たされること、すなわち各レンズ上で主走査方向に隣接するビームスポット３０２が一定以上の重なり部分を有することが好ましい。これにより、主走査方向に延びる縞模様からなるモアレの発生を抑制する場合と同様の原理で、副走査方向に延びる縞模様からなるモアレの発生を抑制することができる。また、微細光学素子３００の副走査方向の幅をWX_lensとしたときに、WX_lens≧PX_scanであることが好ましい。なお、図２１では、WX_lens＝PX_lensである。

【0094】

なお、以上のような、スクリーン３０が光学素子アレイとしてのマイクロレンズアレイを有する場合についての議論は、スクリーン３０が光学素子アレイとしてのマイクロミレーアレイを有する場合についても妥当する。スクリーン３０がマイクロミラーアレイを有する場合には、ＨＵＤ装置の光学系のレイアウトを図１のレイアウトから変更する必要がある。例えば走査ミラー２０を省略し、光偏向器１５と凹面ミラー４０との間の光路上にマイクロミラーアレイを配置しても良いし、走査ミラー２０の代わりに光偏向器１５で偏向された光を平行光とするレンズを配置し、該レンズと凹面ミラー４０との間にマイクロミラーアレイを配置しても良い。

【0095】

以上説明した本実施形態のＨＵＤ装置１００は、第１の観点からすると、複数の微細光学素子３００（光学素子）を含む光学素子アレイを光により主走査方向及び副走査方向に２次元走査して画像を形成する、光走査装置１０を含む画像形成ユニットと、該画像形成ユニットからの画像を形成する光を投射する凹面ミラー４０（投光部）とを備える表示装置であって、光学素子アレイ上における副走査方向のビームスポット径及び光学素子アレイにおける副走査方向の微細光学素子３００の配列ピッチは、光学素子アレイ上における走査線ピッチ以上であることを特徴とする表示装置である。ここで、「走査線ピッチ」は、走査線が互いに非平行である場合には光学素子アレイ上における隣接する走査線の間隔が最大となる主走査方向の位置における隣接する走査線の間隔を意味し、走査線が互いに平行である場合には隣接する走査線の間隔を意味する。

【0096】

また、本実施形態のＨＵＤ装置１００は、第２の観点からすると、光源装置１１（光源部）と、該光源装置１１からの光を２次元的に偏向する光偏向器１５と、該光偏向器１５を介した光により主走査方向及び副走査方向に２次元走査される、複数の微細光学素子３００（光学素子）を含む光学素子アレイと、光学素子アレイを介した光を投射する凹面ミラー４０（投光部）と、を備え、光学素子アレイ上における副走査方向のビームスポット径及び光学素子アレイにおける副走査方向の微細光学素子３００の配列ピッチは、光学素子アレイ上における走査線ピッチ以上であることを特徴とする表示装置である。

【0097】

本実施形態のＨＵＤ装置１００によれば、微細光学素子３００の配列と走査線ピッチに起因するモアレ（主走査方向に延びる縞模様）の発生を抑制することができる。

【0098】

また、微細光学素子３００の副走査方向の幅は、走査線ピッチ以上であることが好ましい。この場合、各微細光学素子３００上を複数の走査線を横切らせることができ、該微細光学素子３００上の輝度を向上させることができ、ひいては光学素子アレイ全体での輝度ムラを低減できる。

【0099】

また、ビームスポット径をW_beam、配列ピッチをP_lens、走査線ピッチをP_scan、ＨＵＤ装置１００の副走査方向の画素密度をY_cpd，、モアレ周波数をf_moire、モアレコントラストをC_moireとしたとき、f_moire=Y_cpd(P_lens-P_scan)/2P_scan、C_moire=-0.9×W_beam/P_scan+1.5、0.5/{5.05×exp(-0.138×f_moire)×［1.0-exp(-0.1×f_moire)］}≧C_moireが成立することが好ましい。

【0100】

また、配列ピッチをP_lens、走査線ピッチをP_scan、ＨＵＤ装置１００の副走査方向の画素密度をY_cpd,としたとき、f_moire=Y_cpd(P_lens-P_scan)/2P_scanで求められるモアレ周波数f_moireが10cpd以上となるようにY_ppd、P_lens、P_scanが設定されていても良い。

【0101】

また、ビームスポット径をW_beam、配列ピッチをP_lens、走査線ピッチをP_scan、ＨＵＤ装置１００の副走査方向の画素密度をY_cpd，としたとき、f_moire=Y_cpd(P_lens-P_scan)/2P_scanで求められるモアレ周波数f_moireが10cpd未満となり、かつC_moire=-0.9×W_beam/P_scan+1.5で求められるモアレコントラストC_moireが0.5以下となるようにY_cpd、P_lens、P_scan、W_beamが設定されていても良い。

【0102】

また、光学素子アレイにおける主走査方向に互いに隣接する任意の組の微細光学素子３００の光学中心は、副走査方向にずれていることが好ましい（図１１（Ｄ）、図１８～図２０参照）。

【0103】

この場合、副走査方向に隣接するレンズの境界が副走査方向にずれているので、副走査方向のモアレの発生を更に抑制することが可能となる。

【0104】

また、複数の微細光学素子３００それぞれは平面視六角形状であり、複数の微細光学素子３００はハニカム状に配列されていることが好ましい（図１０、図１１（Ｃ）、（Ｄ）、図２０参照）。

【0105】

また、光学素子アレイ上における主走査方向のビームスポット径及び光学素子アレイにおける微細光学素子３００の主走査方向の配列ピッチは、光学素子アレイ上における主走査方向に隣接するビームスポットの中心間隔以上であることが好ましい。

【0106】

この場合、微細光学素子３００の配列と主走査方向に隣接するビームスポットの中心間隔に起因するモアレ（副走査方向に延びる縞模様）の発生を抑制することができる。

【0107】

また、微細光学素子３００の主走査方向の幅は、上記中心間隔以上であることが好ましい。この場合、各微細光学素子３００上に主走査方向に隣接する複数のビームスポットの重なり部分を位置させることができ、該微細光学素子３００上の輝度を向上させることができ、ひいては光学素子アレイ全体での輝度ムラを低減できる。

【0108】

また、フロントウインドシールド５０（透過反射部材）が設けられた車両（物体）と、車両に搭載され、フロントウインドシールド５０に光を投射するＨＵＤ装置１００と、を備える車両装置（物体装置）によれば、運転者（視認者）に有用な情報を高品質な画質で提供することができる。

【0109】

また、本実施形態の表示方法は、複数の微細光学素子３００（光学素子）を含む光学素子アレイ（光学素子アレイ）を光により主走査方向及び副走査方向に２次元走査して画像を形成し、該画像を形成した光を投射して画像を表示する表示方法であって、光学素子アレイ上における副走査方向のビームスポット径及び光学素子アレイにおける微細光学素子３００の副走査方向の配列ピッチが光学素子アレイ上における走査線ピッチ以上となるように光学素子アレイを２次元走査することを特徴とする表示方法である。

【0110】

この場合、微細光学素子３００の配列と走査線ピッチに起因するモアレの発生を抑制することができる。

【0111】

なお、上記実施形態のＨＵＤ装置１００では、平坦なスクリーン３０が用いられているが、例えば主走査方向に沿って射出側に凸となるように湾曲したスクリーンを用いても良い。この場合、走査ミラー２０を省略して光偏向器１５で偏向された光を直接スクリーンに導く構成を採用したり、走査ミラー２０として平面鏡を用いても（図１では走査ミラー２０は凹面鏡）、光偏向器１５からスクリーンまでの光路長をスクリーンの面内方向で略一定にすることができる。

【0112】

上記実施形態のＨＵＤ装置において、「投光部」は、凹面ミラー４０（凹面鏡）から構成されているが、これに限らず、例えば、凸面鏡から構成されても良いし、曲面鏡（凹面鏡や凸面鏡）と、該曲面鏡とスクリーン３０との間に配置された折り返しミラーとを含んで構成されても良い。

【0113】

また、上記実施形態では、光源としてＬＤ（端面発光レーザ）を用いているが、例えば面発光レーザ等の他のレーザ等を用いても良い。

【0114】

また、上記実施形態では、ＨＵＤ装置は、カラー画像に対応するように構成されているが、モノクロ画像に対応するように構成されても良い。

【0115】

また、透過反射部材は、車両のフロントウインドシールドに限らず、例えばサイドウインドシールド、リアウインドシールド等であっても良く、要は、透過反射部材は、虚像を視認する視認者が搭乗する車両に設けられ、該視認者が車両の外部を視認するための窓部

【0116】

また、上記実施形態では、ＨＵＤ装置は、例えば自動車に搭載されるものを一例として説明したが、要は、車両、航空機、船舶、ロボット等の移動体に搭載されるものであることが好ましい。例えば、本発明の「物体装置」に用いられる車両としては、４輪の自動車に限らず、自動二輪車、自動三輪車等であっても良い。この場合、透過反射部材としてのウインドシールドもしくはコンバイナを装備する必要がある。また、車両の動力源としては、例えばエンジン、モータ、これらの組み合わせ等が挙げられる。

【0117】

また、本発明の表示装置は、ＨＵＤ装置に限らず、例えばプロジェクタ装置、プロンプタ装置、ヘッドマウントディスプレイ装置等の画像（虚像を含む）表示する装置にも適用可能である。

【0118】

すなわち、本発明の表示装置は、要は、移動体、人体、静止物体（運搬可能な物体や恒常的に設置されている物体を含む）等の物体に装着もしくは搭載されるものであれば良い。

【0119】

例えば本発明の表示装置をプロジェクタ装置に適用する場合には、ＨＵＤ装置１００の光学系を転用することができる。具体的には、光源装置１１から射出され、光偏向器１５、スクリーン３０を介した光を直接、映写幕、テーブル、壁、床、天井等の被投影対象に投影しても良いし、上記スクリーン３０を介した光をレンズやミラーを含む光学系を介して上記被投影対象に投影しても良い。

【0120】

また、上記実施形態に記載した具体的な数値、形状等は、一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

【0121】

以下に、発明者らが、上記実施形態を発案するに至った思考プロセスについて説明する。

【0122】

従来、マイクロレンズアレイを光により走査することで中間像を形成する走査型のＨＵＤ装置において、マイクロレンズ径とビーム径を適切に制御することでコヒーレンス性の高いレーザ光による干渉ノイズを低減する技術が知られている。

【0123】

例えば、特許文献１（特開２０１４‐１７０２１３号公報）に開示されているＨＵＤ装置は、スクリーン部材上に格子状に配列された隣接する光学素子同士にて、湾曲面の面頂点から相互間の境界までのサグ量を相異ならせることで、コヒーレンス性の高いレーザ光による干渉ノイズを低減している。

【0124】

しかし、格子状配列により規則性をもった光学素子パターン上に、光走査部によって描画された走査線間隔（走査線ピッチ）が一定である場合に、光学素子パターンの間隔と走査線間隔に起因したモアレが発生してしまい、画質が低下することが懸念される。

【0125】

そこで、発明者らは、微細光学素子の配列ピッチ、走査線ピッチ、ビームスポット径を適切に制御することでモアレを抑制することができるＨＵＤ装置を提供することを目的として上記実施形態を発案するに至った。

【符号の説明】

【0126】

１１…光源装置（光源部）、１５…光偏向器、３０…スクリーン（光学素子アレイを含む部材）４０…凹面ミラー（投光部）、５０…フロントウインドシールド（透過反射部材）、１００…ＨＵＤ装置（表示装置）、３００…微細光学素子（光学素子）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0127】

【文献】特開２０１４‐１７０２１３号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】