JP2020154280A - 表示システム、移動体および光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光学的なノイズを抑制する実用的な表示システム、移動体および光学素子を提供すること。【解決手段】表示システム１は、光を発散させるスクリーン１５と、光源装置１１から射出された光を主走査方向および前記主走査方向に直する副走査方向に走査してスクリーン１５上に中間像ｉを形成する光偏向装置１３と、スクリーン１５から発散された発散光を投射して像を結像させる自由曲面ミラー３０と、を備え、中間像ｉに対する光偏向装置１３のミラーの有効径ａと、自由曲面ミラー３０が結像させる像（虚像４５）のサイズIと有効径ａの比ｃは、下記（式２）の条件を満たす。【数１】【選択図】図１８

Description

本発明は、表示システム、移動体および光学素子に関する。

車両等の移動体において、少ない視線移動で運転者（観察者）に各種情報（車両情報、警告情報、ナビゲーション情報等）を視認させるアプリケーションとして、ＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）等の表示装置が利用されている。

例えば、特許文献１は、ビーム径Ｄが、マイクロミラーアレイ又はマイクロレンズアレイを構成する２以上の構成要素のピッチＰの１倍以上、２倍未満であるヘッドアップディスプレイ装置を開示している。

本発明は、光学的なノイズを抑制する実用的な表示システム、移動体および光学素子を提供することを目的とする。

本発明に係る表示システム、移動体および光学素子は、光を発散させる光学素子と、光源から射出された光を主走査方向および主走査方向に直交する副走査方向に走査して光学素子上に中間像を形成する光偏向部と、光学素子から発散された発散光を投射して像を結像させる結像光学系と、を備え、中間像に対する光偏向部のミラーの有効径ａと、結像光学系が結像させる像のサイズと有効径ａの比ｃは、下記（式２）の条件を満たす。

本発明によれば、光学的なノイズを抑制する実用的な表示システム、移動体および光学素子を提供することができる。

実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。 実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。 実施形態に係る表示装置の機能構成の一例を示す図である。 実施形態に係る光源装置の具体的構成の一例を示す図である。 実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。 実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。 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。 光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。 二次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。 実施形態に係る表示システムにおける各構成要素の相対的な位置関係の一例を概略的に説明するための図である。 マイクロレンズアレイとアイボックスとの関係を説明するための概略図である。 中間像と虚像との関係を説明するための概略図である。 （ａ）（ｂ）比較例のマイクロレンズの形状とアイボックスの形状との関係を説明するための概略図である。 実施形態に係るマイクロレンズの形状とアイボックスの形状との関係を説明するための図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）実施形態に係るマイクロレンズアレイにおけるマイクロレンズの配列の一例を示す図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）横長ランダム配列レンズアレイの具体例を説明するための図である。 実施形態に係る表示システム１の各構成要素の位置関係を概略的に説明するための図である。 実施形態に係るビームスポット径／レンズ径の関係の一例を示す図である。 実施形態に係るミラー径とビームスポット径の関係の具体例を示す図である。 実施形態に係るマイクロレンズアレイの構造の一例を説明するための図である。 マイクロミラーアレイを説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

●実施形態●
●システム構成
図１は、実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。図１に示す表示システム１は、観察者３が視認する表示画像の解像度を下げることなく、表示画像の輝度の低下を抑制することができるシステムである。

表示システム１は、表示装置１０から投射される投射光を、透過反射部材に投射させることによって観察者３に表示画像を視認させる。表示画像は、観察者３の視界に虚像４５として重畳して表示する画像である。表示システム１は、例えば、車両、航空機もしくは船舶等の移動体、または操縦シミュレーションシステムもしくはホームシアターシステム等の非移動体に備えられる。本実施形態は、表示システム１が、移動体の一例である自動車に備えられた場合について説明する。なお、表示システム１の使用形態は、これに限られるものではない。

表示システム１は、例えば、フロントガラス５０を介して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、渋滞情報等の情報等）を、観察者３（運転者）に視認させる。この場合、フロントガラス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機能する。観察者３の視点位置からフロントガラス５０までの距離は、数十ｃｍ〜１ｍ程度である。

表示システム１は、表示装置１０、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０を備える。表示装置１０は、例えば、移動体の一例である自動車に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）である。表示装置１０は、自動車のインテリアデザインに準拠して任意の位置に配置される。表示装置１０は、例えば、自動車のダッシュボードの下方に配置されてもよく、ダッシュボード内に埋め込まれていてもよい。

表示装置１０は、光源装置１１、光偏向装置（光偏向部の一例）１３、スクリーン１５を備える。光源装置１１は、光源から射出されたレーザ光を、装置外部へ照射するデバイスである。光源装置１１は、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のレーザ光を合成したレーザ光を照射してもよい。光源装置１１から射出されたレーザ光は、光偏向装置１３の反射面に導かれる。光源装置１１は、光源として、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を有する。なお、光源は、これに限られず、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を有してもよい。

光偏向装置１３は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）等を利用してレーザ光の進行方向を変化させるデバイスである。光偏向装置１３は、例えば、直交する２軸に対して揺動する単一の微小なＭＥＭＳミラー、または１軸に対して揺動もしくは回転する２つのＭＥＭＳミラーからなるミラー系等の走査手段を利用して構成される。光偏向装置１３から射出されたレーザ光は、スクリーン１５に走査される。なお、光偏向装置１３は、ＭＥＭＳミラーに限られず、ポリゴンミラー等を用いて構成されてもよい。

スクリーン１５は、レーザ光を所定の発散角で発散させる機能を有する発散部材である。スクリーン１５は、例えば、ＥＰＥ（Ｅｘｉｔ Ｐｕｐｉｌ Ｅｘｐａｎｄｅｒ）の形態として、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）または拡散板等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子によって構成される。なお、スクリーン１５は、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の光学素子によって構成されてもよい。スクリーン１５は、光偏向装置１３から射出されたレーザ光がスクリーン１５上に走査されることによって、スクリーン１５上に二次元像である中間像４０を形成する。

ここで、表示装置１０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）または蛍光表示管（ＶＦＤ）等イメージングデバイスで中間像４０を形成する「パネル方式」と、光源装置１１から射出されたレーザ光を走査手段で走査して中間像４０を形成する「レーザ走査方式」がある。

本実施形態に係る表示装置１０は、後者の「レーザ走査方式」を採用する。「レーザ走査方式」は、各画素に対して発光または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。なお、表示装置１０は、投射方式として「パネル方式」を用いてもよい。

スクリーン１５から射出されたレーザ光（光束）によって、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０に投射された虚像４５は、中間像４０から拡大されて表示される。自由曲面ミラー３０は、フロントガラス５０の湾曲形状による画像の傾き、歪、位置ずれ等を相殺するように設計および配置されている。自由曲面ミラー３０は、所定の回転軸を中心として回転可能に設置されてもよい。これにより、自由曲面ミラー３０は、スクリーン１５から射出されたレーザ光（光束）の反射方向を調整し、虚像４５の表示位置を変化させることができる。

ここでは、自由曲面ミラー３０は、虚像４５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。表示装置１０は、虚像４５が観察者３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、自由曲面ミラー３０の集光パワーを設定する。なお、自由曲面ミラー３０は、凹面ミラーやその他集光パワーを有する素子であってもよい。自由曲面ミラー３０は、結像光学系の一例である。

フロントガラス５０は、レーザ光（光束）の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる機能（部分反射機能）を有する透過反射部材である。フロントガラス５０は、観察者３に前方の景色および虚像４５を視認させる半透過鏡として機能する。虚像４５は、例えば、車両情報（速度、走行距離等）、ナビゲーション情報（経路案内、交通情報等）、警告情報（衝突警報等）等を観察者３に視認させるための画像情報である。なお、透過反射部材は、フロントガラス５０とは別途設けられたフロントウインドシールド等であってもよい。フロントガラス５０は、反射部材の一例である。

虚像４５は、フロントガラス５０の前方の景色と重畳するように表示されてもよい。また、フロントガラス５０は、平面でなく、湾曲している。そのため、虚像４５の結像位置は、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の曲面によって決定される。なお、フロントガラス５０は、部分反射機能を有する個別の透過反射部材としての半透過鏡（コンバイナ）を利用してもよい。

このような構成により、スクリーン１５から射出されたレーザ光（光束）は、自由曲面ミラー３０に向けて投射され、フロントガラス５０によって反射される。観察者３は、フロントガラス５０で反射された光によって、スクリーン１５に形成された中間像４０が拡大された虚像４５を視認することができるようになる。

●ハードウエア構成
図２は、実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。なお、図２に示すハードウエア構成は、必要に応じて構成要素が追加または削除されてもよい。

表示装置１０は、表示装置１０の動作を制御するための制御装置１７を有する。制御装置１７は、表示装置１０の内部に実装された基板またＩＣチップ等のコントローラである。制御装置１７は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）１００１、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１００２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１００３、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１００４、Ｉ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１００５、バスライン１００６、ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０およびモータドライバ１０１２を含む。

ＦＰＧＡ１００１は、表示装置１０の設計者による設定変更が可能な集積回路である。ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０、およびモータドライバ１０１２は、ＦＰＧＡ１００１からの制御信号に応じて駆動信号を生成する。ＣＰＵ１００２は、表示装置１０全体を制御するための処理を行う集積回路である。ＲＯＭ１００３は、ＣＰＵ１００２を制御するプログラムを記憶する記憶装置である。ＲＡＭ１００４は、ＣＰＵ１００２のワークエリアとして機能する記憶装置である。Ｉ／Ｆ１００５は、外部装置と通信するためのインターフェースである。Ｉ／Ｆ１００５は、例えば自動車のＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等に接続される。

ＬＤ１００７は、例えば、光源装置１１の一部を構成する半導体発光素子である。ＬＤドライバ１００８は、ＬＤ１００７を駆動する駆動信号を生成する回路である。ＭＥＭＳ１００９は、光偏向装置１３の一部を構成し、走査ミラーを変位させるデバイスである。ＭＥＭＳコントローラ１０１０は、ＭＥＭＳ１００９を駆動する駆動信号を生成する回路である。モータ１０１１は、自由曲面ミラー３０の回転軸を回転させる電動機である。モータドライバ１０１２は、モータ１０１１を駆動する駆動信号を生成する回路である。

●機能構成
図３は、実施形態に係る表示装置の機能構成の一例を示す図である。表示装置１０により実現される機能は、車両情報受信部１７１、外部情報受信部１７２、画像生成部１７３および画像表示部１７４を含む。

車両情報受信部１７１は、ＣＡＮ等から自動車の情報（速度、走行距離等の情報）を受信する機能である。車両情報受信部１７１は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

外部情報受信部１７２は、外部ネットワークから自動車外部の情報（ＧＰＳからの位置情報、ナビゲーションシステムからの経路情報または交通情報等）を受信する機能である。外部情報受信部１７２は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像生成部１７３は、車両情報受信部１７１および外部情報受信部１７２により入力された情報に基づいて、中間像４０および虚像４５を表示させるための画像情報を生成する機能である。画像生成部１７３は、図２に示したＣＰＵ１００２の処理、およびＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像表示部１７４は、画像生成部１７３により生成された画像情報に基づいて、スクリーン１５に中間像４０を形成し、中間像４０を構成したレーザ光（光束）をフロントガラス５０に向けて投射して虚像４５を表示させる機能である。画像表示部１７４は、図２に示したＣＰＵ１００２、ＦＰＧＡ１００１、ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０およびモータドライバ１０１２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像表示部１７４は、制御部１７５、中間像形成部１７６および投影部１７７を含む。制御部１７５は、中間像４０を形成するために、光源装置１１および光偏向装置１３の動作を制御する制御信号を生成する。また、制御部１７５は、虚像４５を所定の位置に表示させるために、自由曲面ミラー３０の動作を制御する制御信号を生成する。

中間像形成部１７６は、制御部１７５によって生成された制御信号に基づいて、スクリーン１５に中間像４０を形成する。投影部１７７は、観察者３に視認させる虚像４５を形成するために、中間像４０を構成したレーザ光を、透過反射部材（フロントガラス５０等）に投射させる。

●光源装置
図４は、実施形態に係る光源装置１１の具体的構成に一例を示す図である。光源装置１１は、光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂ（以下、区別する必要のないときは、光源素子１１１とする。）、カップリング（コリメート）レンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ、アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂ、合成素子１１４，１１５，１１６、およびレンズ１１７を含む。光源装置１１は、光源の一例である。

３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂは、例えば、それぞれ単数または複数の発光点を有するＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）である。光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂは、互いに異なる波長λＲ，λＧ，λＢ（例えばλＲ＝６４０ｎｍ，λＧ＝５３０ｎｍ，λＢ＝４４５ｎｍ）のレーザ光（光束）を放射する。

放射された各レーザ光（光束）は、それぞれカップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂによりカップリング（平行光に）される。カップリングされた各レーザ（光束）は、それぞれアパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂにより整形される。アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂは、レーザ光（光束）の発散角等の所定の条件に応じた形状（例えば円形、楕円形、長方形、正方形等）を有する。

アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂにより整形された各レーザ光（光束）は、３つの合成素子１１４，１１５，１１６により合成される。合成素子１１４，１１５，１１６は、プレート状またはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じてレーザ光（光束）を反射または透過し、１つの光束に合成する。合成された光束は、光偏向装置１３に向けて集光する集光レンズ１１７を通り、光偏向装置１３に導かれる。

●光偏向装置
図５は、実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。光偏向装置１３は、半導体プロセスにより製造されるＭＥＭＳミラーであり、ミラー１３０、蛇行状梁部１３２、枠部材１３４、および圧電部材１３６を含む。光偏向装置１３は、走査部の一例である。

ミラー１３０は、光源装置１１から射出されたレーザ光をスクリーン１５側に反射する反射面を有する。光偏向装置１３は、ミラー１３０を挟んで一対の蛇行状梁部１３２を形成する。蛇行状梁部１３２は、複数の折り返し部を有する。折り返し部は、交互に配置される第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとから構成されている。蛇行状梁部１３２は、枠部材１３４に支持されている。圧電部材１３６は、隣接する第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとを接続するように配置されている。圧電部材１３６は、第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとに異なる電圧を印加し、梁部１３２ａ，１３２ｂのそれぞれに反りを発生させる。

これにより、隣接する梁部１３２ａ，１３２ｂは、異なる方向に撓む。ミラー１３０は、撓みが累積されることによって、左右方向の軸を中心として垂直方向に回転する。このような構成により、光偏向装置１３は、垂直方向への光走査が低電圧で可能となる。上下方向の軸を中心とした水平方向の光走査は、ミラー１３０に接続されたトーションバー等を利用した共振により行われる。

●スクリーン
図６は、実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。スクリーン１５は、光源装置１１の一部を構成するＬＤ１００７から射出されたレーザ光を結像させる。また、スクリーン１５は、所定の発散角で発散させる発散部材である。図６に示すスクリーン１５は、光を発散させるように湾曲する湾曲部が複数備えられる一例として六角形形状を有する複数のマイクロレンズ１５０（湾曲部の一形態としての凸形状部）が隙間なく配列されたマイクロレンズアレイ構造を有している。マイクロレンズ１５０のレンズ径（対向する２辺間の距離）は、２００μｍ程度である。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の形状を六角形とすることにより、複数のマイクロレンズ１５０を高密度で配列することができる。なお、本実施形態に係るマイクロレンズアレイ２００およびマイクロレンズ１５０の詳細は、後述する。

図７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７（ａ）において、スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０が整列して配置された光学板１５１によって構成される。光学板１５１上に入射光１５２が走査される場合、入射光１５２は、マイクロレンズ１５０により発散され、発散光１５３となる。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の構造により、入射光１５２を所望の発散角１５４で発散させることができる。マイクロレンズ１５０のレンズ径１５５は、入射光１５２の径１５６ａよりも大きくなるように設計される。これにより、スクリーン１５は、レンズ間での干渉を起こさずに、干渉ノイズの発生を抑制する。

図７（ｂ）は、入射光１５２の径１５６ｂが、マイクロレンズ１５０のレンズ径１５５の２倍大きい場合の発散光の光路を示す。入射光１５２は、二つのマイクロレンズ１５０ａ、１５０ｂに入射し、それぞれ発散光１５７，１５８を生じさせる。このとき、領域１５９において、二つの発散光が存在するため、光の干渉を生じうる。この干渉光が観察者の目に入った場合、干渉ノイズとして視認される。

以上を考慮して、干渉ノイズを低減するため、マイクロレンズ１５０のレンズ径１５５は、入射光の径１５６よりも大きく設計されることが好ましい。なお、図７は、凸面レンズの形態で説明したが、凹面レンズの形態においても同様の効果があるものとする。

●光偏向装置による光走査
図８は、光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。光源装置１１の各光源素子は、ＦＰＧＡ１００１によって発光強度や点灯タイミング、光波形が制御される。光源装置１１の各光源素子は、ＬＤドライバ１００８によって駆動され、レーザ光を射出する。各光源素子から射出され光路合成されたレーザ光は、図８に示すように、光偏向装置１３のミラー１３０によってα軸周り、β軸周りに二次元的に偏向され、ミラー１３０を介して走査光としてスクリーン１５に照射される。すなわち、スクリーン１５は、光偏向装置１３による主走査および副走査によって二次元走査される。

走査範囲は、光偏向装置１３によって走査しうる全範囲である。走査光は、スクリーン１５の走査範囲を、２〜４万Ｈｚ程度の速い周波数で主走査方向（Ｘ軸方向）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（Ｙ軸方向）に片道走査する。すなわち、光偏向装置１３は、スクリーン１５に対してラスタースキャンを行う。この場合、表示装置１０は、走査位置（走査光の位置）に応じて各光源素子の発光制御を行うことで、画素ごとの描画または虚像の表示を行うことができる。

一画面を描画する時間、すなわち１フレーム分の走査時間（二次元走査の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、主走査周期を２００００Ｈｚ、副走査周期を５０Ｈｚとした場合、１フレーム分の走査時間は、２０ｍｓｅｃとなる。

図９は、二次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。スクリーン１５は、図９に示すように、中間像４０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６１（有効走査領域）と、画像領域６１を取り囲むフレーム領域６２を含む。

走査範囲は、スクリーン１５における画像領域６１とフレーム領域６２の一部（画像領域６１の外縁近傍の部分）を併せた範囲とする。図９において、走査範囲における走査線の軌跡は、ジグザグ線によって示される。図９において、走査線の本数は、便宜上、実際よりも少なくしている。

スクリーン１５は、上述のように、マイクロレンズアレイ２００等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子で構成されている。画像領域６１は、矩形または平面である必要はなく、多角形または曲面であってもよい。また、スクリーン１５は、装置レイアウトに応じて、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光学素子とすることもできる。以下の説明において、本実施形態は、スクリーン１５がマイクロレンズアレイ２００によって構成されるものとして説明する。

スクリーン１５は、走査範囲における画像領域６１の周辺領域（フレーム領域６２の一部）に、受光素子を含む同期検知系６０を備える。図９において、同期検知系６０は、画像領域６１の−Ｘ側かつ＋Ｙ側の隅部に配置される。同期検知系６０は、光偏向装置１３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ＦＰＧＡ１００１に出力する。

●詳細●
続いて、図１０乃至図２４を用いて、本実施形態に係る表示装置１０の詳細な構成について説明する。まず、図１０乃至図１４を用いて、マイクロレンズ１５０とアイボックス４７との関係について説明する。

図１０は、実施形態に係る表示システムにおける各構成要素の相対的な位置関係の一例を概略的に説明するための図である。図１０は、便宜上、各構成要素がＸＺ平面上に平行に配置されているものとして説明するが、実際には、各構成要素の配置は、図１に示すように、必ずしもＸＺ平面に平行ではない。

光源装置１１によって合成された光束は、光偏向装置１３の点ａ１に入射し、光偏向装置１３によってスクリーン１５上に二次元走査される。スクリーン１５は、Ｘ軸方向（主走査方向）の幅Ｒの中間像４０を形成する。

＋Ｘ方向端部の中間像４０を形成する場合、光源装置１１から射出された光束が光偏向装置１３によって＋Ｘ方向に偏向され、中間像４０の一部は、点ｂ１に描画される。また、−Ｘ方向端部の中間像４０を形成する場合、光源装置１１から射出された光束が光偏向装置１３によって−Ｘ方向に偏向され、中間像４０の一部は、点ｃ１に描画される。なお、スクリーン１５上に描画される像は、制御装置１７の画像生成部１７３によって設定される。

スクリーン１５は、マイクロレンズアレイ２００によって構成される。スクリーン１５に走査された光束は、マイクロレンズアレイ２００を通過することによって、所定の発散角で発散される。図１０において、マイクロレンズアレイ２００から射出される光線は、発散光の中心光線を示す。マイクロレンズアレイ２００から射出される光束は、自由曲面ミラー３０へ入射する。自由曲面ミラー３０に対する光束の通過幅は、Ｑである。

この場合、＋Ｘ方向端部の像を形成する場合、発散光の中心光線は、自由曲面ミラー３０の点ｄ１に入射する。−Ｘ方向端部の像を形成する場合、発散光の中心光線は、自由曲面ミラー３０の点ｅ１に入射する。

自由曲面ミラー３０は、フロントガラス５０で発生する光学歪を低減するように面形状が設計されている。自由曲面ミラー３０を通過した光束は、その後フロントガラス５０に入射し、観察者３の基準アイポイントを含む少なくともアイリプス領域内の一点の視点に到達する。フロントガラス５０に入射した光束は、フロントガラス５０の面形状に応じて反射される。

例えば、図１に示した表示システム１において、観察者３（例えば、自動車を運転する運転者）は、フロントガラス５０によって反射された光の光路上のアイボックス（観察者３の目の近傍の領域）内において虚像４５を視認する。ここで、アイボックスは、観察者３が視点の位置の調整をすることなく虚像４５を視認可能な範囲である。具体的には、アイボックス４７は、自動車の運転者アイレンジ（ＪＩＳ Ｄ００２１）と同等かそれ以下である。アイボックス４７は、運転者が虚像４５を視認可能な領域として、座席に着座した運転者のアイポイントが存在可能な空間領域であるアイリプスに基づいて設定される。

続いて、図１１を用いて、スクリーン１５を構成するマイクロレンズアレイ２００とアイボックスの関係を説明する。図１１は、マイクロレンズアレイ２００と、アイボックス４７との関係を説明するための図である。図１１は、便宜上、マイクロレンズアレイ２００以降の光路上に位置する各構成要素を省略し、マイクロレンズアレイ２００から観察者３までを直線的に表現している。

図１１に示すマイクロレンズアレイ２００は、図８で示したように、二次元領域にアレイ状に配列されたマイクロレンズ１５０を有している。画像データの情報を含む入射光１５２は、マイクロレンズアレイ２００を構成する各マイクロレンズ１５０に入射される。観察者３は、各マイクロレンズ１５０から発散された発散光１５３を視認できる範囲（アイボックス４７）において、所定の情報を含む表示画像を視認することができる。

ここで、アイボックス４７のＹ軸方向（縦方向）は、自動車を運転する運転者等の観察者３の視線の鉛直方向である。一方で、アイボックス４７のＸ軸方向（横方向）は、観察者３の視線の鉛直方向に対して垂直な水平方向である。

さらに、マイクロレンズ１５０の曲率半径がＸ軸方向とＹ軸方向で一定である場合、マイクロレンズ１５０からの発散光１５３の形状すなわちアイボックス４７の形状は、マイクロレンズ１５０の形状と対応する。すなわち、マイクロレンズ１５０の形状は、アイボックス４７（視認範囲）の所望の形状に応じて、設計すればよい。

図１２は、中間像４０と虚像４５との関係を説明するための図である。中間像４０は、光偏向装置１３から射出されたレーザ光がスクリーン１５上で走査されることによって形成される画像である。虚像４５は、表示装置１０から投射される投射光を、フロントガラス５０で反射させることによって観察者３に視認させるための画像である。

スクリーン１５に形成された中間像４０は、拡大されてフロントガラス５０に向けて投射される。すなわち、中間像４０と虚像４５の形状は、相似関係にある。図１２の場合、例えば、幅Ｗおよび高さＨの虚像４５は、幅ｗおよび高さｈの中間像４０を拡大させた画像である。

続いて、図１３および図１４を用いて、マイクロレンズの形状とアイボックスの関係について説明する。以下は、マイクロレンズ１５０の曲率半径は、Ｘ軸方向とＹ軸方向で一定であるものとして説明する。図１３（ａ）、（ｂ）は、比較例に係るマイクロレンズの形状とアイボックスの形状の関係を説明するための概略図である。

図１３（ａ）は、平面視で正方形のマイクロレンズ１６０ａに入射した入射光１５２が、マイクロレンズ１６０ａによって発散され、発散された発散光１５３によってアイボックス４６ａが形成される様子を示す。アイボックス４６ａの形状は、図１１で説明したように、マイクロレンズ１６０ａの形状と一致するため、正方形となる。

図１３（ｂ）は、平面視で縦長の長方形のマイクロレンズ１６０ｂに入射された入射光１５２が、マイクロレンズ１６０ｂによって発散され、発散された発散光１５３によってアイボックス４６ｂが形成される様子を示す。アイボックス４６ａの形状は、図１３（ａ）と同様に、マイクロレンズ１６０ｂの形状と一致するため、縦長の長方形となる。

ここで、図１に示す表示システム１は、例えば、自動車等の移動体として用いられる場合、Ｘ軸方向が運転席から見て横方向、Ｙ軸方向が縦方向となる。この場合、表示装置１０は、フロントガラス５０前方に虚像４５として、例えば、ナビゲーション画像を表示する。観察者３である運転者は、表示された画像を運転席に居ながらフロントガラス５０前方から視線をほとんど動かさずに観察できる。このような場合、フロントガラス５０が横長であることから、虚像４５は、運転者から見て横長の画像が求められる。すなわち、マイクロレンズに形成される中間像４０および虚像４５は、Ｘ軸方向に画角の大きい画像であることが好ましい。

また、運転者（観察者３）が、左右斜め方向から表示画像を見た場合も、表示を認識できるように、表示画像の横方向（Ｘ軸方向）は、縦方向（Ｙ方向）に対して大きな視野角が要求される。このため、虚像４５のＸ軸方向（横方向）は、Ｙ軸方向（縦方向）に対して大きな発散角（非等方拡散）が要求される。すなわち、表示装置１０は、アイボックス４７のＸ軸方向（横方向）がＹ軸方向（縦方向）に対して大きい範囲として設定する必要がある。

しかしながら、図１３（ａ）、（ｂ）に示す比較例に係るアイボックス４６ａ、４６ｂのＸ軸方向（横方向）の長さは、Ｙ軸方向（縦方向）の長さと比較して等しいまたは短い。そのため、運転者（観察者３）の視点が動きやすい横方向における視認範囲を確保しようとすると、縦方向への視認範囲を拡大しなければならず、観察者３に視認させる画像の輝度が低下してしまう。

そこで、このような課題を解決するため、本実施形態に係る表示装置１０は、マイクロレンズアレイ２００を、マイクロレンズ１５０の長軸方向とアイボックス４７の長軸方向とを一致させるように配置している。図１４は、実施形態に係るマイクロレンズの形状とアイボックスの形状との関係を説明するための図である。本実施形態に係るマイクロレンズ１５０は、横長のアイボックス４７の形状に対応させた横長の形状である。図１４に示すように、マイクロレンズ１５０は、Ｘ軸方向（横方向）に長く、Ｙ軸方向（縦方向）に短い横長の長方形の形状を有している、このような形状のマイクロレンズ１５０を用いることで、表示装置１０は、マイクロレンズ１５０による発散光１５３によって形成されるアイボックス４７のＸ軸方向を、Ｙ軸方向よりも長くする（横長の形状）ことができる。

本実施形態に係るマイクロレンズ１５０およびアイボックス４７において、Ｘ軸方向（横方向）は、長軸方向であり、Ｙ軸方向（縦方向）は、短軸方向である。アイボックス４７の長軸方向は、観察者３の視線の鉛直方向である。一方で、アイボックス４７の短軸方向は、観察者３の視線の鉛直方向に対して垂直な水平方向である。マイクロレンズ１５０の長軸方向は、アイボックス４７の長軸方向における範囲に対応する発散光１５３が射出された方向である。

ここで、「マイクロレンズ１５０の長軸方向とアイボックス４７の長軸方向とが一致する」は、双方の長軸方向（軸方向）が厳密な平行関係を意味するのではなく、マイクロレンズ１５０から発散された発散光１５３の範囲または形状と、アイボックス４７の範囲または形状とを所定の光利用効率を維持させた範囲で一致させることを意味する。すなわち、マイクロレンズ１５０とアイボックス４７の長軸方向は、数度〜１０数度程度の所定の角度ずれがあってもよい。

このようにして、表示装置１０は、要求画角を満たす必要最小限の範囲に光を発散させ、光の利用効率を向上させることで、観察者３に視認させる画像の輝度を向上させることができる。マイクロレンズ１５０は、微細レンズの一例であり、マイクロレンズアレイ２００は、光学素子の一例である。

●マイクロレンズの配列
次に、マイクロレンズアレイ２００におけるレンズ配列について図１５を参照して説明する。図１５は、実施形態に係るマイクロレンズアレイにおけるマイクロレンズの配列の一例を示す図である。

図１５（ａ）〜（ｃ）に示すマイクロレンズアレイ２００は、図１４に示したように、Ｘ軸方向（横方向）の長さがＹ軸方向（縦方向）の長さよりも長いマイクロレンズ１５０が配列されることによって構成される。表示装置１０は、図１５（ａ）〜（ｃ）に示すマイクロレンズアレイ２００を用いることで、横長のアイボックス４７を形成することができる。

なお、図１４において、図１５（ａ）に示す平面視で横長の長方形のマイクロレンズ１５０ａが配列されたマイクロレンズアレイ２００ａを例に説明したが、それ以外のレンズ形状、レンズ配列のマイクロレンズアレイにおいても同様の議論が可能である。例えば、図１５（ｂ）、図１５（ｃ）に示す平面視で横長の六角形のマイクロレンズ１５０ｂ，１５０ｃが配列されたマイクロレンズアレイ２００ｂ，２００ｃにも本実施形態を適用することができる。

図１５（ｂ）に示すマイクロレンズアレイ２００ｂは、横長の六角形のマイクロレンズ１５０ｂを稠密に配列したものである。マイクロレンズ１５０ｂは、Ｘ軸方向（横方向）に平行な辺を持たない。すなわち、Ｘ軸方向（横方向）に配列するマイクロレンズ１５０ｂの上辺と下辺は、ジグザク状になる。マイクロレンズアレイ２００ｂの配列は、「ジグザグ型配列」と称する。

図１５（ｃ）に示すマイクロレンズアレイ２００ｃは、横長の六角形のマイクロレンズ１５２ｃを稠密に配列したものである。マイクロレンズ１５０ｃは、Ｘ軸方向（横方向）に平行な辺を有する。マイクロレンズアレイ２００ｃの配列は、「アームチェア型配列」と称する。また、「ジグザグ型配列」と「アームチェア型配列」を合わせて「ハニカム型配列」と称する。

ここで、マイクロレンズのレンズピッチを短くした場合、画像の解像度は高くなる。そのため、表示装置１０は、図１５（ｂ）または図１５（ｃ）に示した「ハニカム型配列」のマイクロレンズアレイ２００ｂ，２００ｃを用いることが好ましい。

また、図１３等で示したように、マイクロレンズ１５０のＸ軸方向（横方向）の長さは、高パワー描画点の点灯ドットピッチよりも短いことが好ましい。すなわち、高パワー描画点が隣接する距離は、マイクロレンズ１５０の長軸方向の長さよりも短い。これによって、各マイクロレンズ１５０に少なくとも１つの高パワー描画点を形成することができるので、表示装置１０は、各マイクロレンズ１５０における光量のムラを抑制することができるとともに、画像全体の輝度ムラを抑制することができる。

さらに、減光率を大きくするために消灯時間（ゼロパワー点の横幅）を大きくする場合、マイクロレンズ１５０の主走査方向のレンズ径を大きくする必要がある。観察者３に視認させる画像の解像度は、マイクロレンズ１５０の総数に依存し、マイクロレンズの総数が多いほど解像度が高くなる。そのため、各マイクロレンズ１５０を走査中に光源の光量を変化させることに加えて、副走査方向のレンズ径を主走査方向のレンズ径よりも小さくすることが好ましい。

図１５（ａ）〜（ｃ）に示すように、主走査方向のレンズ径が副走査方向のレンズ径よりも大きいマイクロレンズ１５０を有するマイクロレンズアレイ２００は、各マイクロレンズ１５０を走査中に光源の光量を変化させやすくなる。すなわち、各マイクロレンズ１５０上に高パワー描画点と低パワー描画点（もしくはゼロパワー点）を少なくとも１つずつ形成しやすくなる。これにより、表示装置１０は、輝度ムラおよび解像度の低下を抑制しつつ、減光率を高くすることができる。

また、横長のアイボックス４７における光利用効率を向上させるため、表示装置１０は、マイクロレンズアレイ２００を、光偏向装置１３による主走査方向とマイクロレンズ１５０の長軸方向とを一致させるように配置することが好ましい。そして、上述のように、副走査方向における走査線ピッチは、マイクロレンズ１５０のＹ軸方向（短軸方向）におけるレンズ径よりも短く、かつ副走査方向のビーム径よりも小さいことが好ましい。これによって、表示装置１０は、観察者３に視認させる画像のモアレを低減させることで、画質を向上させることができる。

さらに、モアレの低減効果を高めるため、表示装置１０は、図１５（ｂ）に示した「アームチェア型配列」のマイクロレンズアレイ２００ｂを用いることが好ましい。原理的にモアレは、走査線方向とレンズ頂点の配列方向が近い場合、走査線とレンズ配列方向の少しの偏差でモアレ縞形状が大きく変化する特性をもつ。これは画像面内で走査線形状が変化した場合、たとえば画像中央から画像周辺にかけてモアレ縞形状が変化し、画像の視認性を低下させてしまう。走査線方向とレンズ配列方向によるモアレ発生を考慮した場合、図１５（ｃ）に示すジグザグ型のマイクロレンズ１５０ｃは、走査線方向とレンズ頂点を結ぶレンズ配列方向が一致するため、走査線方向とレンズ配列方向の少しの角度偏差によって、モアレ周期が大きく変化し、モアレが発生しやすくなる。一方、図１５（ｂ）に示すアームチェア型のマイクロレンズ１５０ｂである場合、走査線方向とレンズ配列方向は一致しないため、走査線方向とレンズ配列方向の角度偏差が発生しても、モアレ縞形状の著しい変化せず、モアレは発生しない。

図１６は、横長のマイクロレンズを含むランダム配列レンズアレイ（以下、横長ランダム配列レンズアレイと称する）の具体例を説明するための図である。以下、本実施形態に係る横長のマイクロレンズ１５０を有するマイクロレンズアレイ２００は、横長ランダム配列レンズアレイと称する。図１６（ａ）に示す横長ランダム配列レンズアレイは、複数の長方形のマイクロレンズがマトリクス状に配列された周期配列レンズアレイをベースとした構造を有している。この周期配列レンズアレイの各マイクロレンズは、横長のアスペクト比を有し、ｘ＞ｙの関係が成立する。

図１６（ｂ）に示す横長ランダム配列レンズアレイは、複数の横長の六角形のマイクロレンズが「ジグザグ型配列」された周期配列レンズアレイをベースとした構造を有している。図１６（ｃ）に示される横長ランダム配列レンズアレイは、複数の横長の六角形のマイクロレンズが「アームチェア型配列」された周期配列レンズアレイをベースとした構造を有している。図１６（ａ）〜（ｃ）に示す横長ランダム配列レンズアレイは、レンズピッチおよびレンズ境界方向がランダム化され、ピッチの揃った干渉ノイズの発生を抑制できる。

図１７（ａ）（ｂ）は表示システム１の各構成要素の位置関係を概略的に説明するための図である。便宜上、各構成要素が同一平面上に配列されているものとして説明するが、実際には、各構成要素の配置は、図１に示すように必ずしも同一平面上に位置しているわけではない。

図１７（ａ）に示すように、光源素子１１１から照射されたレーザ光（光束）は、カップリングレンズ１１２によりカップリング（平行光に）される。カップリングされたレーザ光束は、アパーチャ１１３により整形され、光偏向装置１３に向けて集光する集光レンズ１１７を通り、光偏向装置１３に導かれる。

図１７（ａ）に示すように、光偏向装置１３とスクリーン１５の距離を短くした場合のスクリーン１５ａ上の表示画像（中間像）サイズをｉ１、長くした場合のスクリーン１５ｂ上の表示画像サイズをｉ２とする。ここで、図１７（ｂ）に示す観察者３の視点から視認する虚像Ｉの画角、および自由曲面ミラー３０の位置を固定されているものとする。

光偏向装置１３とスクリーン１５の距離を短くすると、光源素子１１１とスクリーン１５ａの距離が短くなる。この場合、スクリーン１５ａ上での像側ＮＡがおおきくなり、ビームスポット径を小さくすることができる。

一方で、光偏向装置１３とスクリーン１５の距離を長くすると、光源素子１１１とスクリーン１５ｂの距離が長くなる。この場合、スクリーン１５ｂ上での像側ＮＡが小さくなり、ビームスポット径が大きくなってしまう。

図１７（ｂ）に示すように、表示画像サイズｉ１の場合、観察光学系の倍率は高倍率となるため、観察者３の視点にて一定の解像度を得るためには、スクリーン１５ａのレンズピッチを小さくしておく必要がある。

一方、表示画像ｉ２の場合、観察光学系の倍率は低倍率となるため、スクリーン１５ｂのレンズピッチを大きくしておいても、観察者３の視点にて一定の解像度を得ることができる。また、小型化の観点では、表示装置１０、観察光学系のいずれも光路長が短くなるスクリーン１５ａの配置が有利といえる。

図１８は、ビームスポット径／レンズ径の関係の一例を示す図である。光偏向装置１３のミラーの有効径が１．２５ｍｍの場合のビームスポット径／レンズ径の関係図である。

図１７で示した依存性から、ビームスポット径／レンズ径は、虚像４５の画像サイズＩ、光偏向装置１３のミラーの有効径ａに依存し、以下の（式１）のような傾向を示す
Ｓ・・・入射光１５２の径１５６／マイクロレンズ１５０のレンズ径１５５
ａ・・・中間像ｉに対する光偏向装置１３のミラーの有効径（直径）
ｃ・・・虚像４５の副走査方向の画像サイズＩ／有効径ａ

そして、図７（ｂ）で示したように、ビームスポット径／レンズ径は２倍以下となることが望ましいので、（式１）に基づき、中間像ｉに対する光偏向装置１３のミラーの有効径ａと、虚像４５の画像サイズＩと有効径ａの比ｃは、以下の（式２）の関係となることが望しい

図１９は、ミラー径とビームスポット径の関係の具体例を示す図である。図１９（ａ）は光偏向装置１３のミラーの有効径が１．２５ｍｍ、図１９（ｂ）は光偏向装置１３のミラーの有効径が１．５ｍｍのビームスポット径／レンズ径の関係である。

それぞれ丸点が各光偏向装置１３のミラー条件におけるビームスポット径のシミュレーション結果であり、実線で（式１）のプロットを示す。

図１９（ａ）、図１９（ｂ）の条件において（式２）を満たすには、ｃ（画像サイズＩ／光偏向装置１３のミラーの有効径ａ）をそれぞれ１０〜３１ｍｍ、８〜４２ｍｍに設定する必要があることがわかる。

●マイクロレンズの製造方法
続いて、本実施形態に係るマイクロレンズアレイの製造方法について説明する。マイクロレンズアレイは、一般に、マイクロレンズアレイのレンズ面アレイの転写面を持つ金型を作製し、この金型を用いて、樹脂材料に金型面を転写して作製される。金型における転写面の形成は、切削やフォトリソグラフィ等を用いて形成することができる。また、樹脂材料への転写面の転写は、例えば、射出成形で行うことができる。このように、本実施形態に係るマイクロレンズは、例えば、横長のマイクロレンズのレンズ面の転写面を持つ金型を用いて、樹脂材料による射出成形によって生成される。

隣接するマイクロレンズの境界部における曲率半径を小さくすることは、境界幅を小さくすることにより実現できる。小さい境界幅は、隣接するマイクロレンズ面の形成する境界部の「尖鋭化」することにより実現できる。

マイクロレンズアレイ用の金型において、「隣接マイクロレンズ間の境界幅」の大きさを波長オーダまで小さくする工法は、異方性エッチングおよびイオン加工により各マイクロレンズの曲率半径を増加させ、境界部の非レンズ部分を除去する方法や、等方性ドライエッチングを用いて、隣接マイクロレンズ間の平坦面を除去する方法がある。これらの方法を用いることにより、隣接マイクロレンズ間の境界部を成す面の曲率半径が、十分に小さいマイクロレンズアレイを作製可能である。即ち、上に説明した被走査面素子は、複数のマイクロレンズが相互に近接して配列した構造を有するマイクロレンズアレイとして構成できる。

隣接するマイクロレンズの境界部をなす面の曲率半径ｒを６４０ｎｍよりも小さいマイクロレンズアレイとして形成することにより、Ｒ成分光の干渉性ノイズを防止できる。また、曲率半径ｒを５１０ｎｍよりも小さいマイクロレンズアレイとして形成すれば、Ｒ成分光とＧ成分光による干渉性ノイズを防止できる。隣接するマイクロレンズの境界部をなす面の曲率半径ｒを４４５ｎｍよりも小さいマイクロレンズアレイとして形成すれば、Ｒ、Ｇ、Ｂ成分光の干渉性ノイズを防止できる。

また、図２０に示すように、マイクロレンズアレイ２００は、アレイ構造全体で湾曲させた構造を持たせてもよい。この場合、マイクロレンズアレイ２００の湾曲方向（Ｘ軸方向）とマイクロレンズ１５０の長軸方向（Ｘ軸方向）とを対応させることが好ましい。これによって、表示装置１０は、マイクロレンズアレイ２００のサイズに変化させずに、マイクロレンズ１５０から射出される発散光１５３の発散角を要求画角に対して調整することができるので、光利用効率を向上させることができる。

また、表示装置１０は、マイクロレンズアレイ２００のレンズアレイ面を湾曲させることで、光走査素子（ＭＥＭＳミラー）とレンズアレイ面との光路長差を一定に保つことができる。レンズアレイ面に形成されるビーム径は、光路長によって決まるため、表示装置１０は、レンズアレイ面を湾曲させたほうがビーム径を一定に保つことができる。さらに、干渉ノイズは、レンズからビームがはみ出したことによる干渉が原因で発生するため、表示装置１０は、ビーム径を一定に保つことができる結果、干渉ノイズを低減でき、高画質化できる。

また、上記各実施形態において、被走査面素子として、マイクロレンズアレイ（微細凸レンズ構造を有する光学素子）の代わりに、マイクロミラーアレイ（湾曲部の一形態としての微細凸ミラー構造、すなわちアレイ状に配列された複数の凸形状部を有する光学素子）を採用することもできる。すなわち、上記実施形態を、マイクロレンズアレイをマイクロミラーアレイに置き換えて実施することができる。なお、湾曲部の他の形態として、マイクロミラーは凹形状部であってもよい。この場合、凹形状部の頂点位置は、凹形状部と相似形状の凸形状の頂点位置に対応する位置である。

図２１には、微細凸ミラー構造を有する光学素子としてのマイクロミラーアレイ３０００が一例として示されている。マイクロミラーアレイ３０００は、光を発散させるように湾曲する湾曲部が複数備えられる一例としてアレイ状に配列された複数の微細凸ミラー（マイクロミラー）３００１を有している。

微細凸ミラー３００１の大きさ３００１ａは、入射光１５２の径１５６ａよりも大きい。ここでは、入射光１５２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、径１５６ａは、光強度分布における光強度が「１／ｅ２」に低下する光束径方向距離である。

図２１では、径１５６ａは微細凸ミラー３００１の大きさ３００１ａに等しく描かれているが、径１５６ａが「微細凸ミラー３００１の大きさ３００１ａ」に等しい必要は無い。要は、微細凸ミラー３００１への入射光束が該微細凸ミラー３００１からはみ出さなければ良い。

図２１において、入射光１５２は、その全体が１個の微細凸ミラー３００１に入射し、発散角３００５をもつ拡散光束３００４に変換される。なお、「発散角」は、「拡散角」と呼ぶこともある。

図２１においては、拡散光束３００４は１つであり、干渉する光束が無いので、干渉性ノイズ（スペックルノイズ）は発生しない。発散角３００５の大きさは、微細凸ミラー３００１の形状により適宜設定できる。

●まとめ●
以上説明したように、本発明の一実施形態に係る表示システム１は、光を発散させるスクリーン１５（光学素子の一例）と、光源装置１１（光源の一例）から射出された光を主走査方向および前記主走査方向に直する副走査方向に走査してスクリーン１５上に中間像ｉを形成する光偏向装置１３（光偏向部の一例）と、スクリーン１５から発散された発散光を投射して像を結像させる自由曲面ミラー３０（結像光学系の一例）と、を備え、中間像ｉに対する光偏向装置１３のミラーの有効径ａと、自由曲面ミラー３０が結像させる像（虚像４５）のサイズIと有効径ａの比ｃは、下記（式２）の条件を満たす。

これにより、ビームスポット径／レンズ径を２倍以下にするための設計上の具体的な光学パラメータを規定することができるため、図７に示したように、干渉性ノイズ（光学ノイズ）を実用的に抑制することができる。

また、表示システム１は、光源素子１１１から射出された光を光偏向装置１３に向けて集光する集光レンズ１１７を備える。これにより、光偏向装置１３上での全系の倍率が下がるので、光偏向装置１３に安定してビームを供給できる。

スクリーン１５は、六角形形状をハニカム状に配列した構造を含むため、干渉性ノイズは、「３方向に分散」される。干渉性ノイズを生じさせるコヒーレント光の最大強度は一定であるため、分散される数が大きいほど「発生する干渉性ノイズのコントラスト」は弱められて視認され難く（目立ち難く）なる。

従って、境界部の曲率半径：ｒよりも小さい波長の成分による干渉性ノイズの発生を許容する場合には、スクリーン１５の配列は「ハニカム状配列」とするのがよい。なお、境界幅が前記波長：λＲより大きい場合には、Ｒ成分のコヒーレント光による干渉性ノイズも発生する。そのため、干渉性ノイズの観点からは四角形形状より、六角形形状でハニカム状に配列されている方が有利となる

さらに、ハニカム状に配列した構造が、ジグザグ型に配列した構造であることにより、Ｘ方向の実効画素ピッチ：Ｘ２が小さいので、画像表示におけるＸ方向の画素数を向上させることができる。

また、ハニカム状に配列した構造が、アームチェア型に配列した構造であることにより、Ｙ方向の実効画素ピッチ：Ｙ３が小さいので、画像表示におけるＹ方向の画素数を向上させることができる

スクリーン１５はマイクロレンズアレイであることにより、光線を折り返す必要がなく、車両レイアウト上有利になる場合がある

また、スクリーン１５は曲面形状であることにより、観察光学系で発生する歪を効果的に補正させる効果があり、歪の補正量分小型化につながる。

自由曲面ミラー３０が結像させる像は、水平方向の画素密度よりも垂直方向の画素密度の方が大きい。

観察者３が、左右斜め方向から虚像４５を見た場合にも、表示を認識できるように、水平方向には垂直方向に比べて大きな視野角が要求されることがある。この場合、拡大虚像の水平方向（Ｘ方向）には垂直方向（Ｙ方向）に比べて大きな拡散角（非等方な拡散）が要求される。従って、水平方向に比べ、垂直方向に画素密度が大きくし、画素表示用ビームを拡散させる拡散角を「２次元画像の横方向を縦方向よりも広く」するのが好ましい。このようにして、要求画角を満たす必要最小限の範囲に光を発散させ、光の利用効率を向上させ、表示画像の輝度を向上させることが可能である。

●補足●
なお、本発明の一実施形態に係る光学素子、表示システムおよび移動体について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到することができる範囲内で変更することができる。

また、本発明の一実施形態に係る表示装置は、ＨＵＤ装置に限られず、例えば、ヘッドマウントディスプレイ装置、プロンプタ装置、プロジェクタ装置であってもよい。例えば、本発明の一実施形態に係る表示装置をプロジェクタ装置に適用する場合、プロジェクタ装置を表示装置１０と同様に構成することができる。すなわち、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０を介した画像光を映写幕や壁面等に投影すればよい。なお、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０を介さずに、スクリーン１５を介した画像光を映写幕や壁面等に投影してもよい。

１ 表示システム
１０ 表示装置
１１ 光源装置（光源の一例）
１３ 光偏向装置（光偏向部の一例）
１５ スクリーン（光学素子の一例）
３０ 自由曲面ミラー（結像光学系の一例）
４５ 虚像
４７ アイボックス（視認範囲の一例）
５０ フロントガラス（反射部材の一例）
１５０ マイクロレンズ（微細レンズの一例）
２００ マイクロレンズアレイ（光学素子の一例）
３０００ マイクロミラーアレイ（光学素子の一例）

特開２０１７‐０７８８２７号公報

Claims (11)

1. 光を発散させる光学素子と、
   光源から射出された光を主走査方向および前記主走査方向に直交する副走査方向に走査して前記光学素子上に中間像を形成する光偏向部と、
   前記光学素子から発散された発散光を投射して像を結像させる結像光学系と、を備え、
   前記中間像に対する前記光偏向部のミラーの有効径ａと、前記結像光学系が結像させる像のサイズと前記有効径ａの比ｃは、下記（式２）の条件を満たす表示システム。
   
2. 光源から射出された光を光偏向部に向けて集光する集光レンズを備えた請求項１記載の表示システム。
3. 前記光学素子は、六角形形状をハニカム状に配列した構造を含む請求項１または２記載の表示システム。
4. 前記ハニカム状に配列した構造が、ジグザグ型に配列した構造である請求項３記載の表示システム。
5. 前記ハニカム状に配列した構造が、アームチェア型に配列した構造である請求項３または４記載の表示システム。
6. 前記光学素子はマイクロレンズアレイである請求項１〜５の何れか記載の表示システム。
7. 前記光学素子は曲面形状である請求項１〜６の何れか記載の表示システム。
8. 前記結像光学系が結像させる像は、水平方向の画素密度よりも垂直方向の画素密度の方が大きい請求項１〜７の何れか記載の表示システム。
9. 前記結像光学系から投射された投射光を反射して虚像を結像させる反射部材を備えた請求項１〜８の何れか記載の表示システム。
10. 請求項９記載の表示システムを備えた移動体であって、
    前記反射部材はフロントガラスである移動体。
11. 光を発散させる光学素子と、
    光源から射出された光を主走査方向および前記主走査方向に直交する副走査方向に走査して前記光学素子上に中間像を形成する光偏向部と、
    前記光学素子から発散された発散光を投射して像を結像させる結像光学系と、を備えた表示システムに用いられる光学素子であって、
    前記中間像に対する前記光偏向部のミラーの有効径ａと、前記結像光学系が結像させる像のサイズと前記有効径ａの比ｃが、下記（式２）の条件を満たすように配置される光学素子。