JP2018156062A - 表示装置、物体装置及び表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像の輝度むらを抑制しつつ画像の輝度を調整することができる表示装置を提供する。【解決手段】 ＨＵＤ装置は、光源（例えばＬＤ）からの光により複数の光学素子（例えばマイクロレンズ）を含む光学素子アレイ（例えばマイクロレンズアレイ）を走査して画像を形成し、該画像を形成した光を投射する表示装置において、各光学素子の走査中に光源の出力を可変な制御部８０６０を備える表示装置である。この場合、画像の輝度むらを抑制しつつ画像の輝度を調整可能な表示装置を提供することができる。【選択図】図２０

Description

本発明は、表示装置、物体装置及び表示方法に関する。

従来、光により複数の光学素子を含む光学素子アレイを走査して画像を形成し、該画像を形成する光を投射して画像を表示する装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に開示されている装置では、画像の輝度むらを抑制しつつ画像の輝度を調整することに関して改善の余地があった。

本発明は、光源からの光により複数の光学素子を含む光学素子アレイを走査して画像を形成し、該画像を形成した光を投射する表示装置において、各光学素子の走査中に前記光源の出力を可変な制御部を備えることを特徴とする表示装置である。

本発明によれば、画像の輝度むらを抑制しつつ画像の輝度を調整することができる。

一実施形態のＨＵＤ装置の概略構成を示す図である。 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。 ＨＵＤ装置の機能ブロック図である。 ＨＵＤ装置の光源装置について説明するための図である。 ＨＵＤ装置の光偏向器について説明するための図である。 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。 ２次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。 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。 マイクロレンズアレイ上の走査線について説明するための図である。 マイクロレンズアレイ上のビームスポットについて説明するための図である。 マイクロレンズにおける光束の入射位置と該マイクロレンズ上の点像強度の関係を示す図である。 光源を一定の出力で連続点灯したときのマイクロレンズアレイ上の点像強度分布について説明するための図である。 各マイクロレンズを走査中に高出力モードと低出力モードを実行したときのマイクロレンズアレイ上の点像強度分布について説明するための図である。 間引き点灯を実施したときのマイクロレンズアレイ上の点像強度分布について説明するための図である。 図１５（Ａ）〜図１５（Ｆ）は、出力パターンの具体例について説明するための図である。 間引き周期とレンズ周期とモアレの関係について説明するための図である。 図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）は、入射光束の有効径と隣接する高パワー描画点の間隔の関係について説明するための図である。 変形例の光源装置の構成を示す図である。 図１９（Ａ）〜図１９（Ｆ）は、マイクロレンズの配列及びマイクロレンズのアスペクト比について説明するための図である。 画像描画部の制御部の構成例を示すブロック図である。 表示処理について説明するためのフローチャートである。 図２２（Ａ）〜図２２（Ｆ）は、出力パターンの他の例について説明するための図（その１）である。 図２３（Ａ）〜図２３（Ｆ）は、出力パターンの他の例について説明するための図（その２）である。

［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。

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。

《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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

《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。

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。

《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。

《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。

《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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

上記干渉ノイズが視認者の目に入ると、スペックルとして視認される。例えば画素表示用ビーム８１１の光束径（入射光束径）が100umのとき、微細凸レンズ８５１の配列ピッチ８１２（レンズ配列周期）を典型的には110umや、150um、200umといったように、入射光束径＜レンズ配列周期の関係が成立するように選択すれば、微細凸レンズ８５１間での干渉性ノイズの発生を抑制することができる。以下では、微細凸レンズ８５１を適宜「マイクロレンズ８５１」とも呼ぶ。また、マイクロレンズを適宜「レンズ」とも呼ぶ。マイクロレンズアレイ８５２を構成する複数のマイクロレンズ８５１は、マイクロレンズアレイ８５２に描画される画像を構成する複数の画素に１対１で対応する。

ところで、ＨＵＤ装置においては、晴天下の路面上、トンネル内、夜間の路面上など、あらゆる背景輝度の環境下で虚像の視認性を確保する必要がある。そのため、背景輝度に応じて数cd/m²〜10000cd/m²といった非常に大きなダイナミックレンジで、虚像の輝度を調整する必要がある。

ここで、マイクロレンズアレイ上に画像を描画する光束（走査光）の光量を全てのマイクロレンズに対して一律に最大値に設定すると、すなわちマイクロレンズアレイ上を走査するときに光源（例えばＬＤ、以下同様）を最大出力（定格出力）で点灯させると、虚像の輝度を最大にすることができる。

そこで、マイクロレンズアレイ上を走査するときに、光源の出力を最大出力以下で調整することにより、虚像の輝度を調整することができる。すなわち、虚像の輝度調整は、主として減光（走査光の光量を最大値から低減させること）により行うことができる。

次に、マイクロレンズアレイ８５２上の走査線について図９を参照して説明する。
光偏向器１５を介した光束は、マイクロレンズアレイ８５２上を２次元走査する。
マイクロレンズアレイ８５２の長辺方向（Ｘ方向）を主走査方向、短辺方向（Ｙ方向）を副走査方向とすると、光束は主走査方向に高速で偏向され、副走査方向に低速で偏向される。
主走査方向に関しては、マイクロレンズアレイ８５２上で往復走査が繰り返し行われ、往復走査毎の往路８２１と復路８２２で光源が点灯される。

走査線は、マイクロレンズアレイ８５２における各マイクロレンズ８５１上を通過し、該マイクロレンズ８５１を通過した光束は発散光束となる。このとき観察者がマイクロレンズアレイ８５２上を目視すると、各マイクロレンズ８５１からの発散光束が眼に届くので、該マイクロレンズ８５１上に点像が見える。この点像がマイクロレンズ８５１の個数分、配置されることで、観察者はマイクロレンズアレイ８５２上に画像を視認することができる。

以下では、各マイクロレンズ８５１が平面視正方形のものであることを前提として説明を進めるが、後述するように、平面視四角形や平面視六角形、アスペクト比（縦横比）の異なるレンズなど、平面視でどのような外形のレンズであっても同様の議論が成立する。

次に、マイクロレンズアレイ８５２上の描画点について図１０を参照して説明する。
画像描画部８０６の制御部８０６０は、マイクロレンズアレイ８５２上を光束により走査する際、画像データ生成部８０４からの画像データに基づいて光源毎（色毎）の変調信号を生成し、該変調信号をＬＤドライバ６１１１に出力して、各光源の発光強度を高速に変調する。変調信号の周波数である変調周波数（以下では「クロック周波数」とも呼ぶ）が高ければ高いほど、マイクロレンズアレイ８５２上に微細なパターンを描画することができる。瞬間に描画される点８３１の間の、最小の描画幅８３２（隣接する２つの点８３１の中心間隔）は、クロック周波数と走査線の描画速度の関係から決定される。なお、変調信号がハイレベル（１）のときに光源が点灯され、ローレベル（０）のときに光源が消灯される。なお、光源毎（色毎）の変調信号の強度は、画像データの画素毎の色情報に占める各色（赤又は緑又は青）の割合に依存する。

以下では、変調信号がハイレベルのときに光源から射出される光束によりマイクロレンズアレイ８５２上に描画（形成）される点を「描画点」と呼ぶ。描画点の中心間隔が小さければ小さいほど、微細なパターンを描くことができる。「描画点」は「ビームスポット」とも呼ばれる。

次に、マイクロレンズ８５１における光束の入射位置と該マイクロレンズ８５１上の点像強度の関係について図１１を参照して説明する。ここでは、マイクロレンズ８５１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。

画素表示用ビーム８５３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。

ここで、マイクロレンズ８５１を通過した画素表示用ビーム８５３をマイクロレンズ８５１の正面から観察する場合を考える。

図１１におけるＡのようにマイクロレンズ８５１に対して実線のビーム強度の画素表示用ビーム８５３が入射された場合、マイクロレンズ８５１の中心と入射光束の中心が略一致するため、マイクロレンズ８５１上の点像強度は大きくなる。

一方、図１１におけるＢのようにマイクロレンズ８５１に対して破線のビーム強度の画素表示用ビーム８５３が入射された場合、マイクロレンズ８５１の中心と入射光束の中心が大きくずれマイクロレンズ８５１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８５１上の点像強度は小さくなる。すなわち、マイクロレンズ８５１上の点像強度は、図１１においてＡよりもＢの方が小さくなる。

以上の説明から明らかなように、マイクロレンズ８５１へ入射される光束の中心と該マイクロレンズ８５１の中心のずれが大きくなるほど、該マイクロレンズ８５１上の点像強度が小さくなる。

そこで、各マイクロレンズ８５１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とにより、該マイクロレンズ８５１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。

次に、マイクロレンズアレイ上を走査したときの点像強度分布について、図１２を参照して説明する。ここでは、説明を簡単にするために、マイクロレンズアレイの主走査方向の１列（主走査方向に並ぶ複数のマイクロレンズ８５１から成るレンズ列であって往路８２１に対応するレンズ列）における点像強度分布について説明する。

すべての描画点を同一強度で光らせた場合、走査線上で隣り合う描画点８７３の中心間隔（以下では「描画点ピッチ」や「ビームスポットピッチ」とも呼ぶ）が十分狭い場合には、各マイクロレンズの中心付近を光束が通過する瞬間が必ず存在する。具体的には、主走査方向のマイクロレンズの配列ピッチよりも描画点ピッチのほうが小さければ、各マイクロレンズの中心付近を光束が通過する瞬間が必ず存在することとなる。これにより、各マイクロレンズに少なくとも１つの描画点が形成されるため、輝度ムラを抑制することが可能となる。

次に、マイクロレンズアレイ上を走査するときに高出力モード（例えば光源を最大出力で点灯するモード）と低出力モード（例えば光源を最大出力未満の出力で点灯するモード）を少なくとも１回ずつ含む出力パターンで光源を繰り返し点灯させる場合の点像強度分布について説明する。ここで、「高出力モード」は光源を相対的に高い出力で点灯するモードを意味し、「低出力モード」は光源を相対的に低い（高出力モードよりも低い）出力で点灯するモードを意味する。「高出力モード」を、光源を最大出力未満の出力で点灯するモードとしても良い。

なお、ＲＧＢの３色に対応する３つの光源からの光を合成して所望の色光（画像データの画素毎の色情報に応じた光）を生成するためには、各光源（各色）の出力レベルを調整する必要があるため、白色の色光を生成するとき以外は、画像データの画素毎の色情報に占める各色の割合に応じて高出力モードと低出力モードの出力レベルを光源間で異ならせる必要がある。すなわち、ある画素ＡにおけるＲＧＢの各色の出力レベルは、以下のようになる。
画素Ａの各色の出力レベル＝画素Ａの各色の画素データ×出力モード（例えば、高出力モードまたは低出力モード）に応じた出力レベル
所望の色光を生成してカラー画像を形成する場合においても、画像が微細でなく単純なものであって、画像に対して描画点が十分確保できるならば、高出力モードと低出力モードを繰り返しつつカラー画像を形成しても、観察者にカラー画像を視認させるには特に不都合は生じない。以下、説明の単純化のため、色光調整のための出力レベル調整については言及せず、高出力モード及び低出力モード（点灯モード及び消灯モード）による出力パターンにのみ言及するものとする。

図１３には、この出力パターンの一例として、高出力モードと低出力モードを１回ずつ含む出力パターンで光源を繰り返し点灯させることにより、図１２に示される複数の描画点８７３を高出力モードと低出力モードで交互に描画する例が示されている。高出力モードで描画される描画点（図１３において白抜きの描画点）を描画点８７３Ｈと表記し、低出力モードで描画される描画点（図１３において黒塗りの描画点）を描画点８７３Ｌと表記する。以下では、高出力モードで描画される描画点を「高パワー描画点」とも呼び、低出力モードで描画される描画点を「低パワー描画点」とも呼ぶ。図１３では、高パワー描画点と低パワー描画点が部分的に重なっている。

図１３の出力パターンを繰り返すと、すべての描画点を一律に高出力モードで描画する場合に比べて、周期的に低出力モードで光源を点灯するため、マイクロレンズアレイへ照射される総光量は減少し、ひいては虚像の輝度を低減することができる。

さらに、図１３の例では、マイクロレンズの主走査方向の配列ピッチよりも高パワー描画点のピッチが小さくなるように、走査条件及びレンズ配列に工夫を凝らしている。これにより、各マイクロレンズに少なくとも１つの高パワー描画点が形成される。そのため、各マイクロレンズにおける光量ムラを抑制することができ、ひいては画像全体の輝度ムラを抑制することができる。

次に、間引き点灯時のレンズ上の点像強度分布について説明する。ここで「間引き点灯」とは、低出力モードを消灯モード（光源を消灯させるモード）で置き換えた出力パターン、すなわち高出力モード（点灯モード）と消灯モードを少なくとも１回ずつ含む出力パターンで光源を繰り返し点灯させることを意味する。図１４には、高出力モードと消灯モードを１回ずつ含む出力パターンで光源を繰り返し点灯させる例が示されている。図１４において、符号８７４が付された小さな白丸は、消灯モードが行われるタイミングを示しており、以下では、便宜上「ゼロパワー点」とも呼ぶ。

すなわち、図１４の出力パターンで描画したときの総描画点数は、図１３の出力パターンで描画したときの総描画点数の１／２個になるため、図１４の出力パターンでは図１３の出力パターンに対して虚像の輝度は低減する。このように、低出力モードに代えて消灯モードを行うことで、減光率（輝度低減率）を大きくすることが可能となる。

なお、高出力モードと消灯モードを繰り返す形態においても、描画点ピッチが十分に小さければ（例えばマイクロレンズの主走査方向の幅＞描画点ピッチであれば）、各マイクロレンズに対して少なくとも１つの描画点が形成されるため、図１１を用いて説明したような点像強度の変動を抑制することが可能である。すなわち、１つのマイクロレンズが走査される間に、高出力モードと消灯モードが少なくとも１回以上繰り返されるようにすれば、各マイクロレンズに対して少なくとも１つの描画点が形成される。これにより、画像の輝度ムラを抑制できる。

ここで、高出力モードと低出力モード（もしくは消灯モード）の回数の比率を変化させることで減光率を変化させることができる。この手法を用いると、減光率が互いに異なる複数の出力パターンを得ることができる。

そこで、減光率が互いに異なる複数の出力パターンの具体例について図１５を参照して説明する。図１５には、減光率が互いに異なる６つの出力パターンに対応する６つの描画点配列及び６つの変調信号が示されている。ここでは、各出力パターンにおいて高出力モードでの出力レベルは最大出力であり、低出力モードでの出力レベルは出力パターン間で等しいものとする。

図１５（Ａ）に示されるように、高パワー描画点と低パワー描画点を交互に配置すると、すなわち１回の高出力モードと１回の低出力モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度（光源を最大出力で連続点灯したときの輝度、以下同様）からの減光率を最大で略５０％にすることができる。

図１５（Ｂ）に示されるように、高パワー描画点とゼロパワー点を交互に配置すると、すなわち１回の高出力モードと１回の消灯モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を５０％にすることができる。

図１５（Ｃ）に示されるように、高パワー描画点を１点配置した後、低パワー描画点を２点連続して配置することを繰り返すと、すなわち１回の高出力モードと連続する２回の低出力モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を最大で略６６％にすることができる。

図１５（Ｄ）に示されるように、高パワー描画点を１点配置した後、ゼロパワー点を２点連続して配置することを繰り返すと、すなわち１回の高出力モードと連続する２回の消灯モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を略６６％にすることができる。

図１５（Ｅ）に示されるように、高パワー描画点を１点配置した後、低パワー描画点を３点連続して配置することを繰り返すと、すなわち１回の高出力モードと連続する３回の低出力モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を最大で略７５％にすることができる。

図１５（Ｆ）に示されるように、高パワー描画点を１点配置した後、ゼロパワー点を３点連続して配置することを繰り返すと、すなわち１回の高出力モードと連続する３回の消灯モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を７５％にすることができる。

以上の説明から分かるように、出力パターンにおける高出力モードと低出力モード（もしくは消灯モード）の組み合わせ方により、減光率を変化させることができ、低パワー描画点やゼロパワー点の数が多いほど、減光率を大きくすることができる。低パワー描画点やゼロパワー点の数が増えるほど、輝度ムラは生じやすくなるが、いずれの場合であっても高パワー描画点の間隔をマイクロレンズのレンズ径以下とすることで、輝度ムラの発生を抑制することが可能である。なお、図１５では、隣接する描画点や、隣接する描画点とゼロパワー点が重なり部分を持たないように記載されているが、実際には重なり部分を持つことが好ましい。

なお、上記では、１回の高出力モードと、１回の低出力モード（もしくは消灯モード）や、連続する２回もしくは３回の低出力モード（もしくは消灯モード）で構成される出力パターンを例にとって説明したが、１回の高出力モードと、連続する４回以上の低出力モード（もしくは消灯モード）で構成される出力パターンを用いても良い。

また、連続する複数回の高出力モードと、１回もしくは連続する複数回の低出力モード（もしくは消灯モード）で構成される出力パターンを用いても良い（図２２（Ａ）〜図２２（Ｄ）参照）。

図２２（Ａ）に示されるように、高パワー描画点を２点連続して配置した後、低パワー描画点を２点連続して配置すると、すなわち連続する２回の高出力モードと連続する２回の低出力モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を最大で略５０％にすることができる。

図２２（Ｂ）に示されるように、高パワー描画点を２点連続して配置した後、ゼロパワー点を２点連続して配置すると、すなわち連続する２回の高出力モードと連続する２回の消灯モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を５０％にすることができる。

図２２（Ｃ）に示されるように、低パワー描画点を１点配置した後、高パワー描画点を３点連続して配置すると、すなわち１回の低出力モードと連続する３回の高出力モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を最大で略２５％にすることができる。

図２２（Ｄ）に示されるように、ゼロパワー点を１点配置した後、高パワー描画点を３点連続して配置すると、すなわち１回の消灯モードと連続する３回の高出力モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を２５％にすることができる。

また、高出力モードと低出力モードと消灯モードを組み合わせた出力パターンを用いても良い。

例えば、図２２（Ｅ）に示されるように、高パワー描画点、低パワー描画点及びゼロパワー点を１点ずつ連続して配置すると、すなわち１回の高出力モードと１回の低出力モードと１回の消灯モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を最大で略６８％にすることができる。

また、低出力モードと消灯モードを組み合わせた出力パターンを用いても良い。

例えば、図２２（Ｆ）に示されるように、ゼロパワー点及び低パワー描画点を交互に配置すると、すなわち１回の消灯モードと１回の低出力モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を最大で略９９％にすることができる。

例えば、図２３（Ａ）に示されるように、高パワー描画点を２点連続して配置した後、低パワー描画点を１点配置すると、すなわち連続する２回の高出力モードと１回の低出力モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を最大で略３３％にすることができる。

例えば、図２３（Ｂ）に示されるように、高パワー描画点を３点連続して配置した後、低パワー描画点を１点配置すると、すなわち連続する３回の高出力モードと１回の低出力モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を最大で略２５％にすることができる。

例えば、図２３（Ｃ）に示されるように、低パワー描画点を２点連続して配置した後、高パワー描画点を３点連続して配置すると、すなわち連続する２回の低出力モードと連続する３回の高出力モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を最大で略４０％にすることができる。

例えば、図２３（Ｄ）に示されるように、低パワー描画点を１点配置し、高パワー描画点を１点配置し、低パワー描画点を１点配置し、高パワー描画点を２点連続して配置すると、すなわち１回の低出力モードと１回の高出力モードと１回の低出力モードと連続する２回の高出力モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を最大で略４０％にすることができる。この場合、図２３（Ｃ）の場合と、減光率（出力パターンにおける高パワー描画点の数と低パワー描画点の数の比）は同じであるが、出力パターンにおける高パワー描画点と低パワー描画点の配列が異なっている。

例えば、図２３（Ｅ）に示されるように、低パワー描画点を３点連続して配置した後、高パワー描画点を２点連続して配置すると、すなわち連続する３回の低出力モードと連続する２回の高出力モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を最大で略６０％にすることができる。

例えば、図２３（Ｆ）に示されるように、低パワー描画点を１点配置し、高パワー描画点を１点配置し、低パワー描画点を２点連続して配置し、高パワー描画点を１点配置すると、すなわち１回の低出力モードと１回の高出力モードと連続する２回の低出力モードと１回の高出力モードで構成される出力パターンで光源を繰り返し点灯させると、最大輝度からの減光率を最大で略６０％にすることができる。この場合、図２３（Ｅ）の場合と、減光率（出力パターンにおける高パワー描画点の数と低パワー描画点の数の比）は同じであるが、出力パターンにおける高パワー描画点と低パワー描画点の配列が異なっている。

また、上記以外にも任意の組み合わせが可能である。例えば、高出力モードと低出力モード（もしくは消灯モード）の順番は適宜変更可能である。

また、画像内（１フレーム内）において異なる複数の出力パターンを用いて複数の減光率を持たせることも可能である。

また、図１５や図２２に示される各出力パターンから、高出力モード及び低出力モードの少なくとも一方の出力レベルが互いに異なる複数の出力パターンを得ることも可能である。

いずれにしても、各レンズを走査中に高出力モードと低出力モード（もしくは消灯モード）を少なくとも１回ずつ実行し、該レンズ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つずつ形成することが好ましい。そして、出力パターンを繰り返し実行する際、各出力パターン（出力パターン一単位）を１つのマイクロレンズに対応させることが好ましい。

以上の説明から分かるように、高出力モードと低出力モードと消灯モードの少なくとも２つを適宜組み合わせることにより、任意の減光率の出力パターンを得ることができる。

次に、間引き周期とレンズ周期（主走査方向のレンズの配列ピッチ）に起因して発生するモアレについて、図１６を参照して説明する。「間引き周期」とは、間引き点灯時の点灯周期（点灯モードの周期）や、消灯周期（消灯モードの周期）や、描画点ピッチ（主走査方向に隣接する描画点の中心間隔）や、ゼロパワー点のピッチ（主走査方向に隣接するゼロパワー点の中心間隔）を意味する。

図１６において、描画点８７３と描画点８７３の間の暗領域８７４（ゼロパワー点）の幅が大きくなると、画像上の輝度ムラが生じやすくなる。

一般的に、間引き周期とレンズ周期を正確に一致させることはできず、図１６に示されるようにゼロパワー点とレンズとは異なる周期で配置される。このとき、レンズ中心と描画点との位置関係は、各レンズで連続的に変化していく。レンズ中心と描画点がずれると、図１１を用いて説明したとおり、点像強度の低下が生じる。その結果、間引き周期とレンズ周期が空間的なうなりを生じ、図１６下図のように点像の輝度が主走査方向に長周期パターンとして視認されてしまう。この現象が、間引き周期とレンズ周期に起因して発生するモアレ（以下では単に「モアレ」とも呼ぶ）である。特に、マイクロレンズに少なくとも１つの描画点が形成されず、マイクロレンズ同士の境界部にビームが照射される箇所では、部分的な輝度低下が生じ、全体としてモアレのパターンが視認されやすくなってしまう。

元々の間引き周期がレンズ１個程度の幅であっても、モアレにより、レンズ数個〜数十個にわたる長周期のパターンに拡大されて生じるため、人間の眼に非常に判別されやすく、画像の視認性を下げてしまう。

従って、モアレを抑制するためには、前述の通り、マイクロレンズアレイを走査するときに、各マイクロレンズに少なくとも１つの描画点が形成されるように光源を点灯させるのが好ましい。

次に、レンズへの入射光束径（ビームスポット径）と描画点ピッチ（主走査方向のビームスポットピッチ）の関係について図１７を参照して説明する。

減光に伴う輝度ムラは、入射光束径によっても変化し、入射光束径が大きいほど輝度ムラは抑制される。

ここで、入射光束径を、光束のピーク強度の1/e²となる直径（以下では「有効径」とも呼ぶ）で定義する。発明者らの官能評価結果により、輝度ムラ（図１７（Ａ）の部分的に重なる２つの高パワー描画点のビーム強度の谷間の深さ）がピーク強度の0.5倍以下であれば、輝度ムラの周期によらず輝度ムラが官能的に許容されるレベルであることがわかった。

図１７（Ｂ）には、有効径と隣接する高パワー描画点の間隔（中心間隔）の比と、輝度ムラとの関係を数値計算した結果が示されている。図１７（Ｂ）から、生じる輝度ムラをピーク強度の0.5倍以下にするためには、入射光束径（有効径）を隣接する高パワー描画点の間隔の1.2倍以上とすればよいことが分かる。これにより、輝度ムラを許容レベルとすることができる。

次に、変形例の光源装置１１´について図１８を参照して説明する。

光源装置１１´は、図１８に示されるように、光源としての３つのＬＤ（ＬＤ１〜ＬＤ３）と、ＬＤ１〜ＬＤ３からそれぞれ射出された光をカップリングするカップリングレンズＣＬ１〜ＣＬ３と、カップリングレンズＣＬ１〜ＣＬ３を介した光をそれぞれ整形するアパーチャ部材ＡＰ１〜ＡＰ３と、アパーチャ部材ＡＰ１で整形された光を反射するミラーＭと、該ミラーＭで反射された光とアパーチャ部材ＡＰ２で整形された光の光路上に配置された光路合成素子としてのプリズムＱ１と、プリズムＱ１を介した光とアパーチャ部材ＡＰ３で整形された光の光路上に配置された光路合成素子としてのプリズムＱ２と、プリズムＱ２を介した光を透過光と反射光に分岐するプリズムＱ３と、プリズムＱ３からの反射光を集光するレンズＬ及びレンズＬを介した光を受光する受光素子としてのＰＤ（フォトダイオード）を含む光量検知部と、を備えている。プリズムＱ３からの透過光は、光偏向器１５へ導かれ、画像描画に用いられる。

一般的に、光源は温度によって波長や光量が変化してしまう。よって、任意の温度で輝度や色を生成しても、それを一定に保つことはできない。そこで、変形例では、各光源の動作中に光量を制御するために、図１８のように各光源からの光を分岐素子（ここではプリズムＱ３）で分岐し、一方の分岐光を光偏向器１５へ導き、他方の分岐光を受光素子（ここではＰＤ）へ導いて現在の光量をモニタリングする。各光源の光量のモニタリングは、スクリーン３０に画像描画しない間、すなわちフレーム領域３０ｂを走査するときや連続するフレームの合間に各光源を順次点灯させて行うことが好ましい。

本実施形態のように、高出力モードと低出力モードを周期的に行う場合や、点灯と消灯を周期的に行う場合、通常の連続点灯に比べて光源の応答波形が崩れるため、想定と異なる光量の変化が生じる場合がある。その結果、減光の際、画像輝度が想定とずれたり、色ずれが生じたりしやすい。

この問題を解決するため、減光の際は、ＰＤに光束を入射させる際も、描画光（走査光）を生成する際と同じように高出力モードと低出力モード（もしくは消灯モード）を周期的に繰り返すようにし、現在の動作モード（高出力モードや低出力モード）での光量を正確に検知するようにする。その結果、画像描画を行う際の減光時にも、輝度、色ズレが生じにくくなる。

なお、受光素子としては、ＰＤの他、フォトトンジスタ、ＡＰＤ（アバランシフォトダイオード）等を用いることも可能である。

次に、マイクロレンズアレイにおけるレンズ配列例及びレンズの主副比（アスペクト比）について図１９を参照して説明する。

以上では、図１９（Ａ）に示される平面視正方形のレンズが正方配列されたマイクロレンズアレイを例にとって説明したが、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１９（Ｂ）、図１９（Ｃ）に示される平面視六角形のレンズがハニカム配列されたマイクロレンズアレイや、図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）、図１９（Ｃ）のレンズのアスペクト比をそれぞれ変更した図１９（Ｄ）、図１９（Ｅ）、図１９（Ｆ）に示されるマイクロレンズアレイにも本発明を適用可能である。

特に、図１９（Ｄ）、図１９（Ｅ）、図１９（Ｆ）に示されるように、主走査方向の幅が、副走査方向の幅よりも大きい横長のレンズを持つマイクロレンズアレイであれば、各レンズを走査中に光源の光量を変化させ易くなる、すなわち各レンズ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つずつ形成し易くなる。

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）を大きくする場合には、その分レンズの主走査方向の幅を大きくする必要がある。
一方で、各レンズを走査中に光源の光量を変化させることに加えて輝度むらを抑制するために、該レンズの副走査方向の幅を小さくすることが好ましい。具体的には、各レンズの副走査方向の幅を、主走査方向の幅よりも小さくすることが好ましい。これにより、輝度ムラを抑制しつつ、減光率を高くすることができる。

以下に、本実施形態のＨＵＤ装置１００の画像描画部８０６の制御部８０６０の構成例について図２０を参照して説明する。

制御部８０６０は、図２０に示されるように出力パターン選択部８０６０ａと、変調信号生成部８０６０ｂとを含む。

ここで、ＲＯＭ６０４やＲＡＭ６０６により実現される記憶部６０５には、例えば図１５や図２２に示されるような減光率が互いに異なる９個の出力パターンＰ１、Ｐ２、・・・、Ｐ８、Ｐ９（番号が大きくなるほど減光率が高くなる）と減光率０すなわち最大出力で連続点灯する出力パターンＰ０を、段階的に設定された１０個の明るさ範囲に個別に対応させたテーブルが予め格納されている。１０個の明るさ範囲のうち最も明るい範囲（例えば晴天の路面上を想定した範囲）が出力パターンＰ０に対応し、最も暗い範囲（例えば夜間の路面上やトンネル内を想定した範囲）が出力パターンＰ９に対応する。すなわち、１０個の明るさ範囲と１０個の出力パターンは、明るさの順に１対１で対応している。ここでは、出力パターンの最大輝度に対する減光率は、Ｐ１が１０％、Ｐ２が２０％、Ｐ３が３０％、Ｐ４が４０％、Ｐ５が５０％、Ｐ６が６０％、Ｐ７が７０％、Ｐ８が８０％、Ｐ９が９０％である。なお、出力パターンと明るさ範囲の数は、上記（１０個ずつ）に限らず、要は、少なくとも２つずつであれば良い。

出力パターン選択部８０６０ａは、車両情報入力部８００からの車両周辺の明るさ情報を取得し、記憶部６０５に格納された上記テーブルを参照し、１０個の出力パターンから、取得した明るさ情報に対応する出力パターンを選択し、選択した出力パターンを変調信号生成部８０６０ｂに送信する。なお、車両情報入力部８００は、例えば車両に設けられた照度センサ等から車両周辺の明るさ情報を取得する。

変調信号生成部８０６０ｂは、画像データ生成部８０４からの画像データと、出力パターン選択部８０６０ａからの出力パターンに基づいて光源毎（色毎）の変調信号を生成し、該変調信号をＬＤドライバ６１１１に出力する。この際、出力パターンの高出力モードと低出力モードの出力レベルに、画像データの画素毎の色情報に占める各色の割合を乗じることにより、色毎の変調信号を生成する。

ＬＤドライバ６１１１は、各変調信号の強度に応じた電流値を持つ、変調周波数と同一周波数の駆動電流を対応する光源に印加して該光源を点灯させる。

次に、本実施形態のＨＵＤ装置１００で実施される表示処理について、図２１を参照して説明する。図２１のフローチャートは、制御部８０６０によって実行される処理アルゴリズムに対応している。

最初のステップＳ１では、変調信号生成部８０６０ｂが、画像データ生成部８０４から画像データを取得する。なお、画像データ生成部８０４は、ＨＵＤ装置１００が搭載される車両の電気系統がＯＮになったときに画像データの生成を開始する。

次のステップＳ２では、出力パターン選択部８０６０ａが、車両情報入力部８００から車両周辺の明るさ情報を取得する。

次のステップＳ３では、出力パターン選択部８０６０ａが、取得した明るさ情報に応じて出力パターンを選択する。具体的には、記憶部６０５に格納された上記テーブルを参照して、取得した明るさ情報に対応する出力パターンを選択し、変調信号生成部８０６０ｂに送信する。

次のステップＳ４では、変調信号生成部８０６０ｂが、取得した画像データ及び受信した出力パターンを用いて光源毎の変調信号を生成する。

次のステップＳ５では、各光源を駆動する。具体的には、変調信号生成部８０６０ｂが、生成した光源毎の変調信号をＬＤドライバ６１１１に出力し、該光源を駆動する。これにより、各光源から、画像データ及び出力パターンに応じた強度のパルス光が同期して射出される。この結果、所望の解像度（装置仕様の規定値）及び明るさのカラーの虚像が表示エリア内に表示される。

次のステップＳ６では、処理を終了するか否かを判断する。具体的には、ＨＵＤ装置１００が搭載される車両の電気系統がＯＮからＯＦＦになったときに処理を終了し、フローを終了させる。ＨＵＤ装置１００が搭載される車両の電気系統がＯＮのままのときは処理を継続させ、ステップＳ１に戻す。

なお、図２１において、ステップＳ２、Ｓ３を実行した後にステップＳ１を実行しても良い。

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、光源（例えばＬＤ）からの光により複数の光学素子（例えばマイクロレンズ）を含む光学素子アレイ（例えばマイクロレンズアレイ）を走査して画像を形成し、該画像を形成した光を投射する表示装置において、各光学素子の走査中に光源の出力を可変な制御部８０６０を備える表示装置である。なお、「光源の出力を可変」は、光源の出力を変更可能であることを意味し、該変更には、光源の出力を０に下げることや０から上げることも含む。また、本明細書中、「画像」は、適宜、虚像を含む意味でも用いられている。

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（例えばＬＤ）と、光源からの光を偏向する光偏向器１５と、光偏向器１５を介した光により走査される、複数の光学素子（例えばマイクロレンズ）を含む光学素子アレイ（例えばマイクロレンズアレイ）と、光学素子アレイを介した光を投射する投光部（たとえば凹面ミラー４０）と、光偏向器１５を介した光による各光学素子の走査中に光源の出力を可変な制御部８０６０と、を備える表示装置である。

本実施形態のＨＵＤ装置１００によれば、各光学素子の走査中に光源の出力を変更できるので、すなわち１つの光学素子を走査する間に光源の出力を変更できるので、画像の輝度むらを抑制しつつ画像の輝度を調整することができる

また、制御部８０６０は、各光学素子の走査中に光源の出力を変化させる際、光源の出力を相対的に高くする高出力モード及び光源の出力を相対的に低くする低出力モードをそれぞれ少なくとも１回ずつ各光学素子の走査中に実行することが好ましい。

この場合、各光学素子上に高パワー描画点と低パワー描画点が少なくとも１つずつ形成されるので、輝度むらを抑制しつつ画像の輝度を調整できる。

また、光学素子アレイ上に高出力モードで主走査方向に並べて形成される複数のビームスポットのうち隣接する２つのビームスポットの中心間隔は、各光学素子の主走査方向の幅よりも小さいことが好ましい。

換言すると、各光学素子上に高出力モードで少なくとも１つのビームスポットが形成されることが好ましい。

また、制御部８０６０は、高出力モード及び低出力モードをそれぞれ少なくとも１回ずつ含む出力パターンを繰り返し実行することが好ましい。この場合、制御が簡単である。

また、例えば、出力パターンは、高出力モード及び低出力モードをそれぞれ１回ずつ含むことが好ましい。この場合、制御が極めて簡単である。

また、出力パターンは、高出力モードを１回含み、低出力モードを複数回含んでいても良い。この場合、減光率を高くすることができる。

また、出力パターンは、複数の明るさ範囲に対応して複数あり、制御部８０６０は、周囲の明るさ情報を取得し、複数の出力パターンのうち、取得した明るさ情報に応じた出力パターンを繰り返し実行することが好ましい。この場合、画像の輝度を周囲の明るさに応じた適切な高さに調整することができる。なお、視認性を向上するために、画像の輝度は、周囲の明るさが明るいほど高くすることが好ましい。結果として、ＨＵＤ装置１００が搭載される車両周辺の明るさによらず、視認性の良い虚像を表示することができる。

また、ＨＵＤ装置１００は、光源からの光の光量を検知する光量検知部を更に備え、光量検知部は、出力パターンの繰り返し周期の整数倍の周期で光量を検知することが好ましい。

この場合、例えばスクリーン３０を１回走査するのに（１フレームの画像を描画するのに）出力パターンをｍ回実行する場合には、出力パターンの周期をＴとして、周期ｍ×Ｔで各光源の光量検知を行うことにより、画像が描画されないときに（フレーム領域３０ｂが走査されるときや、連続するフレームの合間に）光源の光量を検知することができる。

また、低出力モードは、光源の出力を０にするモードであっても良い。すなわち、低出力モードは、広義には、消灯モードを含むと解釈することができる。低出力モードが消灯モードである場合には、高出力モードは、広義には、点灯モードと呼ぶことができる。

また、制御部８０６０は、各光学素子の走査中に光源の出力を変化させる際、各光学素子上で複数のビームスポットが走査方向に並ぶように光源の点灯タイミングを制御しても良い。

また、複数のビームスポットのうち任意の一のビームスポットは、少なくとも１つの他のビームスポットと部分的に重なり、一のビームスポットと他のビームスポットの重なり部分が、当該光学素子の光学中心上に位置することが好ましい。

この場合、複数のビームスポットの重なり部分が当該光学素子の光学中心上に位置することが好ましい。詳述すると、少なくとも１つの高パワー描画点と少なくとも１つの低パワー描画点の重なり部分や、複数の高パワー描画点の重なり部分や、複数の低パワー描画点の重なり部分が当該光学素子の光学中心上に位置することが好ましい。この場合、各画素の輝度ムラを抑制できる。

また、複数のビームスポットのうち単一のビームスポット（高パワー描画点もしくは低パワー描画点）が、当該光学素子の光学中心上に位置していても良い。

また、制御部８０６０は、各光学素子の走査中に光源の出力を変化させる際、各光学素子上に単一のビームスポット（高パワー描画点もしくは低パワー描画点）が位置するように光源の点灯タイミングを制御しても良い。

また、単一のビームスポット（高パワー描画点もしくは低パワー描画点）は、当該光学素子の光学中心上に位置することが好ましい。該単一のビームスポットの中心付近が当該光学素子の光学中心上に位置することが更に好ましい。

また、制御部８０６０は、主走査方向に隣接するビームスポットの中心間隔の差が光学素子アレイの主走査方向における中央部（以下では「主走査中央部」とも呼ぶ）と端部（以下では「主走査端部」とも呼ぶ）とで小さくなるように光源の点灯タイミングを制御することが好ましい。詳述すると、光偏向器１５の特性上、主走査端部を走査するときは主走査中央部を走査するときよりも走査速度が遅くなるので、一定のクロック周波数（変調周波数）で光源を点灯させると、主走査方向のビームスポットの間隔が主走査中央部よりも主走査端部の方が狭くなる。このため、主走査中央部の輝度よりも主走査端部の輝度の方が高くなる。すなわち、主走査方向に輝度のバラツキが生じる。

そこで、主走査端部を走査するときのクロック周波数を、主走査中央部を走査するときのクロック周波数よりも高くすることにより、主走査方向の輝度のバラツキを抑制できる。

また、各ビームスポットの走査方向の有効径（1/e²）は、走査方向に隣接するビームスポットの中心間隔の１．２倍よりも大きいことが好ましい。この場合、ミクロな輝度偏差が低減され、モアレや画像のざらつきを低減することができる。ここでの走査方向に隣接するビームスポットは、高パワー描画点であることが好ましい。

また、光学素子は、主走査方向の幅が、副走査方向（走査方向に直交する方向）の幅よりも大きいことが好ましい。この場合、各光学素子上に複数の描画点や、少なくとも１つの描画点及び少なくとも１つのゼロパワー点を含む複数の点を容易に形成することができる。すなわち、光源を駆動するためのクロック周波数（変調周波数）の選択の自由度が高くなる。

また、本実施形態のＨＵＤ装置１００は、第３の観点からすると、光源からの光により複数の光学素子アレイを含む光学素子アレイを走査して画像を形成し、該画像を形成した光を投射する表示装置において、各光学素子の走査中に前記光源の点灯／消灯を切り替え可能な制御部と、を備える表示装置である。

この場合、各光学素子の走査中に光源の点灯／消灯を切り替えることができるので、すなわち光学素子１つを走査する間に光源の点灯／消灯を切り替えることができるので、画像の輝度むらを抑制しつつ画像の輝度を調整することができる。

また、本実施形態のＨＵＤ装置１００と、該ＨＵＤ装置１００が搭載される車両（物体）と、を備える車両装置によれば、車両が走行する環境の変化（例えば天候変化、昼夜、構造物への出入り時等）によらず、運転者（視認者）に有用な情報を視認性良く提供することができる。

また、本実施形態の表示方法は、複数の光学素子を含む光学素子アレイを走査光により走査し、光学素子アレイを介した光を投射して画像を表示する表示方法において、走査光による各光学素子の走査中に走査光の光量を変化させることを特徴とする表示方法である。なお、「走査光の光量を変化させること」には、走査光の光量を０に下げることや０から上げることも含まれる。

本実施形態の表示方法によれば、各光学素子の走査中に走査光の光量を変化させるので、すなわち１つの光学素子を走査する間に走査光の光量を変化させるので、画像の輝度むらを抑制しつつ画像の輝度を調整することができる。

なお、上記実施形態では、光学素子としてのマイクロレンズを複数含むマイクロレンズアレイを例にとって説明したが、マイクロレンズアレイに代えて、光学素子としてのマイクロミラーを複数含むマイクロミラーアレイを用いる場合にも、同様の議論が成立する。マイクロミラーアレイを用いる場合には、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で偏向された光を略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。

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。

また、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。

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。

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。

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材（ウインドシールド）であることが好ましい。

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。

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）を表示する装置にも適用可能である。

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や、単独で用いられるものであっても良い。

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、スクリーン３０を介した光をレンズやミラーを介して上記被投影対象に投影しても良い。

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。

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。

従来、光によりマイクロレンズアレイ上を走査することで中間像を形成するレーザ走査型ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ等の表示装置において、輝度の調整、特に減光をおこなう目的で、画像データを構成する画素を所定の規則で表示させないように画素を間引く制御方法（間引き方法）が知られている（例えば特許文献１参照）。

しかし、特許文献１等に開示されている従来の間引き方法においては、間引きにより描画点が形成されないマイクロレンズが生じ、画像に輝度むらが生じる懸念がある。すなわち、従来の間引き方法では、画像の輝度むらを抑制しつつ画像の輝度を調整することが困難であった。

そこで、発明者らは、画像の輝度むらを抑制しつつ画像の輝度を調整できるＨＵＤ装置を実現すべく、上記実施形態を発案するに至った。

１５…光偏向器、３０…スクリーン３０（光学素子アレイを有する部材）、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）、１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂ…発光素子（光源）、８０６０…制御部。

特開２０１４−１３２２８６号公報

Claims (20)

1. 光源からの光により複数の光学素子を含む光学素子アレイを走査して画像を形成し、該画像を形成した光を投射する表示装置において、
   各光学素子の走査中に前記光源の出力を可変な制御部を備えることを特徴とする表示装置。
2. 光源と、
   前記光源からの光を偏向する光偏向器と、
   前記光偏向器を介した光により走査される、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、
   前記光偏向器を介した光による各光学素子の走査中に前記光源の出力を可変な制御部と、を備える表示装置。
3. 前記制御部は、前記走査中に前記光源の出力を変化させる際、前記光源の出力を相対的に高くする高出力モード及び前記光源の出力を相対的に低くする低出力モードを少なくとも１回ずつ前記走査中に実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
4. 前記光学素子アレイ上に前記高出力モードで走査方向に並べて形成されるビームスポットのうち隣接する２つのビームスポットの中心間隔は、各光学素子の走査方向の幅よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
5. 各光学素子上に前記高出力モードで少なくとも１つのビームスポットが形成されることを特徴とする請求項３又は４に記載の表示装置。
6. 前記制御部は、前記高出力モード及び前記低出力モードを少なくとも１回ずつ含む出力パターンを繰り返し実行することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の表示装置。
7. 前記出力パターンは、前記高出力モード及び前記低出力モードを１回ずつ含むことを特徴とする請求項６に記載の表示装置。
8. 前記出力パターンは、前記高出力モードを１回含み、前記低出力モードを複数回含むことを特徴とする請求項６に記載の表示装置。
9. 前記出力パターンは、複数の明るさ範囲に対応して複数あり、
   前記制御部は、周囲の明るさ情報を取得し、前記複数の出力パターンのうち、取得した明るさ情報に応じた出力パターンを繰り返し実行することを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の表示装置。
10. 前記低出力モードは、前記光源の出力を０にするモードであることを特徴とする請求項３〜９のいずれか一項に記載の表示装置。
11. 前記光源からの光の光量を検知する光量検知部を更に備え、
    前記光量検知部は、前記出力パターンの繰り返し周期の整数倍の周期で前記光量を検知することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の表示装置。
12. 前記制御部は、前記走査中に前記光源の出力を変化させる際、各光学素子上で複数のビームスポットが走査方向に並ぶように前記光源の点灯タイミングを制御することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の表示装置。
13. 前記複数のビームスポットのうち任意の一のビームスポットは、少なくとも１つの他のビームスポットと部分的に重なり、
    前記一のビームスポットと前記他のビームスポットの重なり部分が、当該光学素子の光学中心上に位置することを特徴とする請求項１２に記載の表示装置。
14. 前記複数のビームスポットのうち単一のビームスポットが、当該光学素子の光学中心上に位置することを特徴とする請求項１２に記載の表示装置。
15. 前記制御部は、走査方向に隣接するビームスポットの中心間隔の差が前記光学素子アレイの走査方向における中央部と端部とで小さくなるように前記光源の点灯タイミングを制御することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の表示装置。
16. 各ビームスポットの走査方向の有効径は、走査方向に隣接するビームスポットの中心間隔の１．２倍よりも大きいことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の表示装置。
17. 前記光学素子は、走査方向の幅が、走査方向に直交する方向の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の表示装置。
18. 光源からの光により複数の光学素子を含む光学素子アレイを走査して画像を形成し、該画像を形成した光を投射する表示装置において、
    各光学素子の走査中に前記光源の点灯／消灯を切り替え可能な制御部と、を備える表示装置。
19. 請求項１〜１８のいずれか一項に記載の表示装置と、
    前記表示装置が搭載される物体と、を備える物体装置。
20. 複数の光学素子を含む光学素子アレイを走査光により走査し、前記光学素子アレイを介した光を投射して画像を表示する表示方法において、
    前記走査光による各光学素子の走査中に前記走査光の光量を変化させることを特徴とする表示方法。