(57)【要約】      （修正有）【課題】部品点数を増やすことなく、全体が明瞭な画像を得ることができる走査式プロジェクタを用いた表示装置を提供する。【解決手段】走査式プロジェクタ用透過型スクリーン２００であって、一方の面にマイクロレンズアレイ２０１が形成され、他方の面が単レンズ２０２形状となっており、入射面に形成されたマイクロレンズアレイにより入射角に応じた進行方向で拡散し、出射面に形成された単レンズの作用により、端部の拡散光ほど進行方向が変えられるので独立したレンズが不要となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査式プロジェクタ用透過型スクリーンであって、
一方の面にマイクロレンズアレイが形成され、
他方の面が単レンズ形状となっていることを特徴とする走査式プロジェクタ用透過型スクリーン。
【請求項２】
前記単レンズ形状は、凸レンズを形成していることを特徴とする請求項１に記載の走査式プロジェクタ用透過型スクリーン。
【請求項３】
前記単レンズ形状は、フレネルレンズを形成していることを特徴とする請求項１に記載の走査式プロジェクタ用透過型スクリーン。
【請求項４】
前記単レンズ形状は、凹レンズを形成していることを特徴とする請求項１に記載の走査式プロジェクタ用透過型スクリーン。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査式プロジェクタ用透過型スクリーンと走査式プロジェクタとを有する走査式プロジェクタシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査式プロジェクタ用透過型スクリーンに関する。
【背景技術】
【０００２】
走査式プロジェクタは、輝度変調されたＲＧＢ各色のレーザ光線を１本の光線に束ね、輝度変調と同期させてスクリーン上に走査させることで、スクリーン上に２次元画像を形成する。走査式プロジェクタは、２次元画像を投影する方式に比べ、高解像度化、小型化、低消費電力化が容易であるという特徴を有している。
【０００３】
このような特徴から、車載用のヘッドアップディスプレイに走査式プロジェクタを用いることが実用化されている。ここで、ヘッドアップディスプレイは、視線の先の背景に情報を重ねて表示する装置である。
【０００４】
図６は、走査式プロジェクタを用いた従来の車載用のヘッドアップディスプレイの構成例を模式的に示す図である。本図に示すようにヘッドアップディスプレイは、走査式プロジェクタ４００、透過型スクリーン３００、フィールドレンズ３１０、拡大鏡３２０、ウィンドシールド３３０により構成される。
【０００５】
透過型スクリーン３００は、透明あるいは半透明の部材で矩形状に形成されており、走査式プロジェクタ４００側の面には多数のマイクロレンズで構成されたマイクロレンズアレイ３０１が形成されている。これは、透過型スクリーン３００を透過する光線を広げることで、視野角を大きくするためである。
【０００６】
走査式プロジェクタ４００によって透過型スクリーン３００に映し出された画像（中間画像）は、フィールドレンズ３１０を介して拡大鏡３２０に入射する。そして、拡大鏡３２０で反射してウィンドシールド３３０に投影され、アイボックス内に位置する運転者の眼で認識される。なお、ウィンドシールド３３０ではなく、コンバイナと呼ばれる透過型スクリーン機構を別途設けて画像を投影する場合もある。
【０００７】
図７（ａ）に示すように、走査式プロジェクタ４００から射出される光は、所定の角度範囲を走査する。透過型スクリーン３００に入射した光はマイクロレンズアレイ３０１の作用により拡散するが、その拡散方向は透過型スクリーン３００への入射角の影響を受ける。すなわち、走査方向中心部分であれば、光が垂直に入射されるため垂直方向を中心に拡散するが、端部にいくほど入射角が大きくなり、拡散光の進行方向が外側に拡がっていく。このため、何らかの手当を施さないと、画像の端部において拡大鏡３２０に到達する光が減少し、アイボックス内で認識される画像の端部の輝度が低下することになる。
【０００８】
マイクロレンズの曲率を変更することで光の拡散範囲の調整を行なうことができるが、中心部と端部との輝度の不均一は解消できない。そこで、図７（ｂ）に示すようにフィールドレンズ３１０を透過型スクリーン３００の光出射側近傍に配置し、端部の拡散光の進行方向を内側に変えることが行なわれている。これにより、アイボックス内で全体が明瞭な画像を認識することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−１４５９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
走査式プロジェクタを用いた表示装置、特にヘッドアップディスプレイは、ウィンドシールド等に投影するため、投影を行なうプロジェクタ部は車のダッシュボード等に格納する必要がある。ダッシュボードにはハンドル等の運転機構や、メータ、警告灯等の表示機構等が配置されるため、プロジェクタ部は設置スペースに大きな制約がある。このため、走査式プロジェクタを用いた表示装置は、部品点数は少ないほど望ましい。
【００１１】
上述のように、マイクロレンズアレイが形成された透過型スクリーン３００の近傍にフィールドレンズ３１０を配置することで、全体が明瞭な画像を得ることができるが、その分部品点数が増えることになり、筐体サイズやコストアップの観点からは好ましくない。
【００１２】
そこで、本発明は、走査式プロジェクタを用いた表示装置において、部品点数を増やすことなく、全体が明瞭な画像を得ることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の走査式プロジェクタ用透過型スクリーンは、一方の面にマイクロレンズアレイが形成され、他方の面が単レンズ形状となっていることを特徴とする。
走査式プロジェクタから出射され、走査式プロジェクタ用透過型スクリーンに入射した光は、透過型スクリーン内部において、入射面に形成されたマイクロレンズアレイにより入射角に応じた進行方向で拡散する。すなわち、光が垂直に入射される中心部分であれば垂直方向を中心に拡散し、端部にいくほど拡散光の進行方向が外側に拡がっていく。拡散光は、走査式プロジェクタ用透過型スクリーンを出る際に、出射面に形成された単レンズの作用により、端部の拡散光ほど進行方向が変えられる。すなわち、本発明の走査式プロジェクタ用透過型スクリーンは、従来の透過型スクリーンと近傍に配置されたレンズとの機能を兼ね備えていることになる。このため、独立したレンズが不要となり、部品点数を減らすことができる。
前記単レンズ形状は、凸レンズを形成することができる。
これにより、端部の拡散光ほど進行方向が内側に変えられる。
このとき、前記単レンズ形状は、フレネルレンズを形成してもよい。
これにより、透過型スクリーンの厚さを薄くすることができる。
前記単レンズ形状は、凹レンズを形成することができる。
これにより、端部の拡散光ほど進行方向が外側に変えられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、走査式プロジェクタを用いた表示装置において、部品点数を増やすことなく、全体が明瞭な画像を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態の走査式プロジェクタシステムの構成を模式的に示す図である。
【図２】透過型スクリーンを説明する図である。
【図３】本実施形態の走査式プロジェクタシステムを車載用のヘッドアップディスプレイに適用した場合の構成を模式的に示す図である。
【図４】透過型スクリーンに組み合わせる単レンズとしてフレネルレンズを形成した場合を説明する図である。
【図５】透過型スクリーンに単レンズとして凹レンズを組み合わせた場合を示す図である。
【図６】走査式プロジェクタを用いた従来の車載用のヘッドアップディスプレイの構成例を模式的に示す図である。
【図７】フィールドレンズの機能について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の走査式プロジェクタシステム１０の構成を模式的に示す図である。走査式プロジェクタシステム１０は、車載用のヘッドアップディスプレイに好適に用いることができる。もちろん、他の表示装置に適用してもよい。本図に示すように、走査式プロジェクタシステム１０は、走査式プロジェクタ１００と透過型スクリーン２００とを備えている。
【００１７】
走査式プロジェクタ１００は、光源として赤色レーザ光源１１０Ｒ、緑色レーザ光源１１０Ｇ、青色レーザ光源１１０Ｂを備えており、各光源（１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂ）は、必要に応じて強度均一、コリメート等の処理を施してレーザ光を出射する。なお、各光源（１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂ）からの出射光は、図示しない画像処理装置の制御により画素単位で走査と同期して輝度変調される。
【００１８】
それぞれの出射光は、光源（１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂ）近傍の光軸上に配置された集光レンズ（１１２Ｒ、１１２Ｇ、１１２Ｂ）を通過して収束光となる。ＲＧＢ三色の収束光は走査式プロジェクタ１００内で１本の収束光に合成される。
【００１９】
本図の例では、緑色の収束光をダイクロイックミラー１１４Ｇで赤色の収束光に合波し、さらに青色の収束光をダイクロイックミラー１１４Ｂで合波することで、１本の合成光に合波している。１本の収束光への合成は他の方法であってもよい。なお、それぞれの集光レンズ（１１２Ｒ、１１２Ｇ、１１２Ｂ）は、各色の収束光が同じ位置で集光するように焦点距離と配置位置とが定められている。
【００２０】
合成光は、小型化のためミラー１２０で折り曲げられた後、高速２次元走査素子１３０で照射方向が制御され、２次元走査される。高速２次元走査素子１３０は、２次元走査タイプのＭＥＭＳミラーを用いることができるが、垂直走査用と水平走査用のＭＥＭＳミラーを組み合わせてもよい。高速２次元走査素子１３０としてガルバノミラーを用いてもよい。
【００２１】
ＭＥＭＳミラーは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）の技術で製作された光走査デバイスであり、可動式ミラーが走査方向に所定の回転軸１３０ａを中心とした所定角度の往復回転運動を行なう。回転軸１３０ａは機械的な軸により定められていてもよいし、明確な軸を有さずに仮想的に定められるものであってもよい。ＭＥＭＳミラーは、電磁タイプムービングコイル型、電磁タイプムービングマグネット型、静電型、ピエゾ型等種々の方式が提案されているが、いずれの方式を採用してもよい。
【００２２】
合成光の集光面には矩形状の透過型スクリーン２００が配置される。透過型スクリーン２００上では、画素毎に輝度変調されるＲＧＢ合成光が高速に走査されるため、目の残像効果により２次元画像が知覚される。
【００２３】
本実施形態において透過型スクリーン２００は、走査式プロジェクタ１００側の面にマイクロレンズアレイ２０１が形成されている。マイクロレンズアレイ２０１は、多数のマイクロレンズで構成される。そして、反対側の面には単レンズ２０２が形成されている。本図の例では、単レンズ２０２として凸レンズが形成されている。
【００２４】
このような構成により、透過型スクリーン２００に入射した光は、透過型スクリーン２００内部において、入射面に形成されたマイクロレンズアレイ２０１により入射角に応じた進行方向で拡散する。すなわち、光が垂直に入射される中心部分であれば垂直方向を中心に拡散し、端部にいくほど拡散光の進行方向が外側に拡がっていく。
【００２５】
拡散光は、透過型スクリーン２００を出る際に、出射面に形成された単レンズ２０２の凸レンズ作用により、端部の拡散光ほど進行方向が内側に変えられ、照射範囲が絞られる。すなわち、本実施形態の透過型スクリーン２００は、従来の透過型スクリーン３００と近傍に配置されたフィールドレンズ３１０との機能を兼ね備えていることになる。このため、フィールドレンズ３１０が不要となり、部品点数を減らすことができる。
【００２６】
図２（ａ）は、透過型スクリーン２００をマイクロレンズアレイ２０１が形成された入射面から見た図である。マイクロレンズの配列は一例であり、他の規則性で配列してもよい。図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＸ−Ｘ断面図である。単レンズ２０２として凸レンズが形成された面は、中央部が膨らんだ形状となっている。図２（ｃ）は、図２（ａ）におけるＹ−Ｙ断面図である。Ｙ−Ｙ断面図では、単レンズ２０２として凸レンズが形成された面に、膨らみはない。
【００２７】
このように、本例では長辺方向端部の拡散光の進行方向を変えるようにしているため、長辺方向について面が凸状となったシリンダ形状としている。これは、長辺方向の方が短辺方向よりも走査範囲が広く、端部における光の入射角がより大きくなるからである。
【００２８】
短辺方向の拡散光の進行方向を変える場合は、短辺方向に面が凸状となったシリンダ形状とすればよく、長辺、短辺両方とも拡散光の進行方向を変える場合には。長辺方向面、短辺方向面とも凸状となったトロイダル形状とすればよい。
【００２９】
図３は、本実施形態の走査式プロジェクタシステム１０を車載用のヘッドアップディスプレイに適用した場合の構成を模式的に示している。走査式プロジェクタ１００によって透過型スクリーン２００に入射した光は、入射面に形成されたマイクロレンズアレイ２０１により入射角に応じた進行方向で拡散するが、出射する際に出射面に形成された単レンズ２０２の凸レンズ作用により、端部ほど拡散光の進行方向が内側に変えられる。
【００３０】
このようにして透過型スクリーン２００に映し出された画像（中間画像）は、拡大鏡２２０に入射し、ウィンドシールド２３０に投影され、アイボックス内に位置する運転者の眼で認識される。
【００３１】
拡大鏡２２０には、透過型スクリーン２００の端部の光も十分入射するため、アイボックス内では全体が明瞭な画像を認識することができる。このとき、従来必要であったフィールドレンズが不要となるため、部品点数を増やすことなく、全体が明瞭な画像を得ることができる。
【００３２】
なお、透過型スクリーンに形成する単レンズはフレネルレンズとしてもよい。フレネルレンズとすることにより厚さを薄くすることができるため、さらに省スペース化を図ることができる。図４（ａ）は単レンズをフレネルレンズとした透過型スクリーン２６０の例を示している。本図に示すように、透過型スクリーン２６０は、一方の面にマイクロレンズアレイ２６１が形成され、他方の面に単レンズ２６２としてフレネルレンズが形成されている。
【００３３】
この場合、フレネルの立壁で発生する表示の欠損を防ぐために、ある１つのマイクロレンズから入射した光線群は、１つのフレネル面から出射することが好ましい。例えば、図４（ｂ）に示すように、光源Ｐ０を回転軸として出射される光線１から光線２の範囲の光線群が、マイクロレンズ２６１ａに入射する場合は、その光線群がフレネル面２６２ａから出射することが好ましい。
【００３４】
ここで、光源Ｐ０とマイクロレンズ２６１ａとの水平方向距離をＤ0、透過型スクリーン２６０の厚さをＤ1とし、光線１が入射するマイクロレンズ２６１ａの境界をＰ1、光線１が出射するフレネル面２６２ａの境界をＰ2、光線の出射角をθ0、マイクロレンズ２６１ａへの光線の入射角、出射角をそれぞれθ1（レンズ半径とレンズピッチから既知）、θ2とすると、Ｐ0とＰ1の垂直方向距離Ｓ0、Ｐ1とＰ2の垂直方向距離Ｓ1、Ｐ0とＰ2の垂直方向距離Ｓ2は、
Ｓ0＝Ｄ0ｔａｎθ0
Ｓ1＝Ｄ1ｔａｎθ2、ここで、θ2＝ｓｉｎ-1（（ｎ1／ｎ0）ｓｉｎθ1）
Ｓ2＝Ｓ0−Ｓ1
で算出することができる。ただし、ｎ0は、空気の屈折率であり、ｎ1は、透過型スクリーン２６０の材料の屈折率である。
【００３５】
Ｐ3、Ｐ4の位置も同様に算出することができるため、Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3、Ｐ4の各位置から１つのマイクロレンズ２６１ａと対になるフレネル面２６２ａとの位置関係を定めることができる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の透過型スクリーンは上記実施形態に限定されず、その要旨内で種々の変形が可能である。例えば、上述の例では、マイクロレンズアレイ形成面の反対側に単レンズとして凸レンズが形成されていたが、図５に示すように、透過型スクリーン２８０のマイクロレンズアレイ２８１形成面の反対側の面に単レンズ２８２として凹レンズを形成してもよい。この場合、端部の拡散光の進行方向が外側に変化することになる。光源からの光を広い範囲に照射する場合に効果的である。また、透過型スクリーンは、平面状に限られず、湾曲させてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０  走査式プロジェクタシステム
１００  走査式プロジェクタ
１１０  レーザ光源
１１２  集光レンズ
１１４  ダイクロイックミラー
１２０  ミラー
１３０  ２次元走査素子
２００  透過型スクリーン
２０１  マイクロレンズアレイ
２０２  単レンズ（凸レンズ）
２２０  拡大鏡
２３０  ウィンドシールド
２６０  透過型スクリーン
２６１  マイクロレンズアレイ
２６２  単レンズ（フレネルレンズ）
２８０  透過型スクリーン
２８１  マイクロレンズアレイ
２８２  単レンズ（凹レンズ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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