JP2019144470A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、太陽光が表示光の光軸と同じ方向から直接外光としてヘッドアップディスプレイのスクリーンに入射した場合においても、反射外光が表示光と重なって表示画像の視認性を低下させることを抑制し、視認性が良好な表示画像を投影することができるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置において、映像を投影する透過型スクリーンとして出射光の角度強度をコントロールできるマイクロレンズアレイを用いた場合に、太陽光が映像光と最も重複し易い方向から透過型スクリーンに入射しても、拡散反射光が表示画像と重ならないように、マイクロレンズの傾斜角度に合わせて、映像光の光軸に対し、透過型スクリーンを傾けることによって、視認性の低下を抑制することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に用いられる透過型スクリーンの配置方法に関する。

従来から、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）やレーザプロジェクタなどに、マイクロレンズアレイ(ＭＬＡ)を用いた拡散板をスクリーンとして適用する技術が提案されている。マイクロレンズアレイを用いた場合、乳半板やすりガラスなどの拡散板を用いる場合と比較して、マイクロレンズの形状を制御することで拡散光を必要な角度に出射して効率的に光を利用することや、スペックルノイズ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用いた拡散板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拡散させることができると共に、必要な拡散角を自由に設計することができる。

また、ＨＵＤ装置では、フロントガラスの外部から太陽光等の外光が入射する場合がある。この場合には、入射した外光はスクリーンよって反射され、反射外光が表示光と重畳して表示画像の視認性を低下させる、いわゆる「ウォッシュアウト」が生じることがある。

下記特許文献２には、透過型スクリーンの法線を表示光の光軸に対して一定角度に傾けて配置することで、前記表示光の光軸に沿って前記出射面に到達する外光を、表示光の光軸に沿った方向とは異なる方向に反射させることにより、
外光反射による視認性の低下を抑制し、視認性が良好な表示画像を投影することができるヘッドアップディスプレイ装置が提案されている。

特開２０１０−１４５７４５号公報 特開２０１４−１４９４０５号公報

特許文献２に記載されているＨＵＤ装置では、請求項１に表示光の光軸に沿ってスクリーンに到達する外光を光軸に沿った方向とは異なる方向に反射することが述べられているが、マイクロレンズの形状やスクリーンの設置方法等について具体的な手法が述べられていない。また特許文献２の請求項２には具体的なスクリーンを設置する角度範囲等が述べられているが、反射外光のピーク強度に対して５０％以下の強度として、そのときの拡散角度の半角をθ’としており、この拡散反射光の５０％以上の強度の角度範囲の光が表示光と重ならないことで表示品位を高めている。しかし表示光の光軸と同じ方向から直接入射した太陽光が透過型スクリーンで拡散反射されて表示光と重なった場合には、外光の強度が非常に強いために半値角５０％よりも強度が小さな光が表示光と重なった場合にも、表示画像の視認性を著しく損なってしまう課題があった。また外光が入射してウオッシュアウトを発生させる原因となる光に関して、それを解決するためのスクリーンの中央付近の条件が記載されているが、最もウオッシュアウトが発生し易いスクリーンの端部に入射する光について考慮されていない。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、太陽光が表示光の光軸と同じ方向から直接外光としてヘッドアップディスプレイのスクリーンに入射した場合においても、反射外光が表示光と重なって表示画像の視認性を低下させることを抑制し、視認性が良好な表示画像を投影することができるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、
表示画像を構成する表示光を出射する表示光出射手段（ＰＧＵ）と、前記表示光を受光する受光面と、該受光した表示光を拡散光として出射する出射面とを有する透過型スクリーンを備え、前記透過型スクリーンは、受光面に複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイが形成され、出射面に平滑な面を有しており、当該透過型スクリーンの法線と前記表示光の光軸の成す角度はθtであり、前記θtは下記数式（１）を満たすこと特徴とするヘッドアップディスプレイ装置である。
ｎ→透過型スクリーン材料の基準波長d線(587.56nm)での屈折率
α→透過型スクリーンの垂直方向においてＰＧＵ側から見た時の画角
θv→透過型スクリーンの垂直方向の断面において基材主面とマイクロレンズの斜面が成す最大角度

また、別の本発明は、表示画像を構成する表示光を出射する表示光出射手段（ＰＧＵ）と、前記表示光を受光する受光面と、該受光した表示光を拡散光として出射する出射面とを有する透過型スクリーンを備え、前記透過型スクリーンは、前記出射面に複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイが形成され、前記受光面に平滑な面を有しており、当該透過型スクリーンの法線と前記表示光の光軸の成す角度はθtであり、前記θtは下記式（２）または下記式（３）を満たすこと特徴とするヘッドアップディスプレイ装置である。

ｎ→透過型スクリーン材料の基準波長d線(587.56nm)での屈折率
α→透過型スクリーンの垂直方向においてPGU側から見た時の画角
θv→透過型スクリーンの垂直方向の断面において基材主面とマイクロレンズの斜面が成す最大角度

さらに本発明は、前記透過型スクリーンの材料の屈折率ｎが、d線(587.56nm)での屈折率ｎ_ｄおよびｈ線(波長405nm)での屈折率ｎ_ｈの両者について、前記式（１）、（２）または（３）が成り立つものであるのが好ましい。

本発明によれば、自動車を運転中に太陽光のような強い外光が透過型スクリーンに表示光の光軸と同じ方向から透過型スクリーンの端部に直接入射した場合においても効果的にウオッシュアウトを抑制して、視認性が良好な表示画像を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る表示装置の車両への搭載の模式図と虚像と太陽光の外光の光線の関係を示した図 一般的な透過型スクリーンの透過特性と反射特性を示す側面図 透過型スクリーンの傾斜配置時の透過/反射特性を示す側面図 本発明における透過型スクリーンの拡散特性を示すグラフ 本発明の投射光がマイクロレンズから入射した場合の映像光と太陽光の反射光の拡散状態の関係を示した図 本発明の投射光が平滑面から入射した場合の映像光と太陽光の反射光の拡散状態の関係を示した図 スネル法則の屈折率と屈折角度の関係を現した図 本発明のマイクロレンズと基材とが成す角度を示した模式図 本発明のマイクロレンズアレイの拡大平面図 本発明の実施例比較例の構成を示した図 本発明の実施例1の幾何光学計算結果を示した図 本発明の実施例２の幾何光学計算結果を示した図 本発明の実施例３の幾何光学計算結果を示した図 本発明の比較例1の幾何光学計算結果を示した図 本発明の比較例２の幾何光学計算結果を示した図 本発明の比較例３の幾何光学計算結果を示した図 本発明の比較例４の幾何光学計算結果を示した図 本発明の比較例５の幾何光学計算結果を示した図

本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置６の構成、作用及び効果について、以下具体的に説明する。

本実施形態に係るＨＵＤ装置６は、図１に示すように、車両のダッシュボード内に設けられ、生成した表示画像を表すそれぞれの表示光８をウインドシールド５（透明板の一例）で反射させることにより、運転者に車両情報を表す表示画像の虚像７を視認させる装置である。運転者は、表示画像を虚像 として視認可能な範囲（視域）であるＥｙｅｂｏｘ９において、表示画像を虚像７として視認する。Ｅｙｅｂｏｘ９とは、虚像７が適正に視認可能な範囲として規定された領域である。

映像光を投射するＰＧＵ（picture generation unit）１は、ＬＥＤやレーザー光源からの光をマイクロミラーデバイスや反射型液晶に光を反射して透過型スクリーンに映像光を投影する方式、透過型液晶を直接観察する方式が挙げられる。

制御部は、例えば、マイクロコンピュータから構成され、ＰＧＵ１を制御し、所望の表示画像を生成させる。

ＰＧＵ１で生成された表示光８は透過型スクリーン２に投射され、透過型スクリーン２には、表示画像が投影される。このとき、透過型スクリーン２は表示光８を透過拡散し、拡散光（表示光）として反射器３に向けて出射する。透過型スクリーン２の具体的な特徴、機能および配設方法については後述する。

拡大ミラー３は凹面鏡等であり、表示装置１から出射された表示光８を凹面状の反射面３で反射させることで、反射光（表示光８）をウインドシールド５に向かって出射する。これにより、結ばれる虚像７の大きさは、表示画像（表示光８）が拡大された大きさのものになる。拡大ミラー３による表示画像の拡大倍率は、拡大ミラー３の焦点距離や、透過型スクリーン２と拡大ミラー３との間の距離で決まる。拡大ミラー３の焦点距離が短い方が光路スペースを低減できるが、拡大ミラー３による拡大倍率は、表示画像の大きさ、虚像７として結像させたい像の大きさ、虚像７の像歪み、ＨＵＤ装置６の許容体積（光路スペース）等を勘案して最適な値となるように決定される。また、拡大ミラー３は１枚とは限らず、２枚以上を組み合わせて用いても良い。

拡大ミラー３は、例えば、ポリカーボネート等の樹脂部材から構成され、その表面には、アルミニウム等の金属を蒸着させ反射面を有する。

窓部４は、ハウジング７の開口部の形状に合わせて、アクリル等の透光性樹脂から湾曲形状に形成され、ハウジング７の開口部に溶着等により取り付けられる。また、窓部４は、拡大ミラー３で反射された表示光８を透過させる。

このようにＨＵＤ装置６では、表示装置１で生成された表示画像を反射器３で反射させて拡大した後、ウインドシールド５ に投影することで、虚像７を車両の運転手に視認させている。運転手は、ウインドシールド５及び反射器３を介して透過型スクリーン２に投影された映像を虚像７として視認することになる。また、ＨＵＤ装置６では、透過型スクリーン２が特徴的な構成を有することで、ウインドシールド５の外部から入射した太陽光等の外光による視認性の低下を抑制している。以下、透過型スクリーン２の具体的な構成等について詳細に説明する。

（透過型スクリーン）
本実施形態の透過型スクリーン２ は、ウインドシールド３の外部から入射した入射外光の影響を低減するとともに、表示光８の光強度を十分確保する構成を有する。すなわち、透過型スクリーン２の特徴は、その取り付け方法と受光面及び出射面の構成とにある。まず、透過型スクリーン２の取り付け方法について説明した後、受光面および出射面の構成について説明する。

まず、ＨＵＤ装置６における一般的な透過型スクリーン２の取り付け方法について、図２を参照して説明する。図２は、透過型スクリーンから出射された代表的な一画素に相当する表示光８が、当該透過型スクリーンにより拡散されＥｙｅｂｏｘ９を照射した状態を示す模式図である。なお、図示を省略するが、各画素に相当する表示光は、透過型スクリーン２に結像し、Ｅｙｅｂｏｘ９全域を照射するように拡散する。また、図中では省略するが、表示光８は拡大ミラー３において反射・拡大されてウインドシールド５に導かれる。

図２に示すように、従来の透過型スクリーン２は、その受光面が表示光の光軸に対して垂直になるように配置される。透過型スクリーン２を透過した表示光は、所定の拡散角度βで拡散され拡大される。拡大された表示光は拡大ミラー及びウインドシールドを介して、運転者が表示画像を虚像として視認可能な範囲であるＥｙｅｂｏｘ９に到達する。

また図３に示すように透過型スクリーン２の垂直方向においてＰＧＵ１側から見た時の画角をαとする。

拡散角度βとは、透過型スクリーン２によって拡散された表示光のなす角度であり、表示光８が透過型スクリーン２を透過するときの、表示光が拡大する割合を示すものである。この拡散角度βは、透過型スクリーン２の構成や入射する表示光の特性により決定される。透過型スクリーン２の構成とは、例えば、それぞれ後述するマイクロレンズアレイのレンズピッチやマイクロレンズの曲率半径等である。

従来の透過型スクリーンによって拡散された表示光（拡散光）の強度分布はガウス分布となる。すなわち、照射範囲の中心付近で光強度が最大となり、照射範囲の端部では光強度が低下する。また、表示光（拡散光）の強度分布は、拡散角度により変化する。例えば、拡散角度が異なる（β１＞β２）表示光が照射された場合、拡散角度β1の表示光は照射範囲が広がり、光強度の最大値が小さくなる。一方、拡散角度β2の表示光は照射範囲が狭まり、光強度の最大値が大きくなる。なお、照射範囲全体での光量は、拡散角度β１の場合と拡散角度β２の場合とで同じになる。

そのため、拡散光でＥｙｅｂｏｘ９の全域を照明する場合、すなわち、表示均斉度（照射範囲における光強度の均一性）を高める場合には、拡散角度を大きくする必要がある。ところが、拡散角度を大きくしていくと、ガウス分布の裾野が広がり、Ｅｙｅｂｏｘ９の範囲外にはみ出す光量が増加することから、光量損失が大きくなり、表示画像の輝度も低下する。一方、拡散角度を小さくしていくと、Ｅｙｅｂｏｘ９の範囲外にはみ出す光量が減少し、光利用効率が高まるものの、Ｅｙｅｂｏｘ９の端部では光量が低下するため表示均斉度が低下する。すなわち、拡散角度は、光利用効率と表示均斉度とを両立する角度である必要がある。この拡散角度に応じて変化する光利用効率や表示均斉度等の光学特性を拡散特性という。

そこで、本実施形態では、映像光が入射した時に透過型スクリーン２により拡散される拡散光と映像光の光軸との成す角度が垂直方向で最大となる角度を最大拡散角度βとする。βの角度で拡散された光がＥｙｅｂｏｘ９の垂直方向の端部に到達する光となる。拡散角度βは透過型スクリーン２として微小なレンズが２次元的に配列したマイクロレンズアレイによって任意の拡散特性を調整することが可能となる。透過型スクリーン２の垂直方向の拡散角度βは、透過型スクリーン２の垂直方向の断面において基材主面とマイクロレンズの斜面が成す最大角度θvによって決定される。

一方、図２（ｂ）に示すように、上述のＨＵＤ装置では、ウインドシールド５の外部から太陽光等の外光が入射すると、入射外光はウインドシールド５と拡大ミラーを介して透過型スクリーン２を照射する。透過型スクリーン２は、約９０％の透過率を有し、入射外光のうち数％の光は透過型スクリーン２によって拡散反射される。この反射外光は、透過型スクリーン２を透過した表示光８と同様に、拡大ミラー３とウインドシールド５を介して車両の運転手の視域に到達する。そのため、入射外光の光量が大きくなると、透過型スクリーン２によって反射された反射外光も反射外光が表示光と重畳して表示画像の視認性を低下させるため無視できなくなる。

反射外光は、上述した表示光８と同様に、透過型スクリーン２に応じた拡散特性を有する。

次に、本実施形態に係るＨＵＤ装置６における透過型スクリーン２の取り付け方法について、図３を参照して説明する。図３は、透過型スクリーン２から出射された代表的な一画素に相当する表示光が、当該透過型スクリーン２により拡散されＥｙｅｂｏｘ９を照射した状態を示す模式図である。
なお、図示を省略するが、各画素に相当する表示光は、透過型スクリーン２に結像し、Ｅｙｅｂｏｘ９全域を照射するように拡散する。
また、表示光は、図３に示すように、拡散前の表示光Ｌ’と同じ光軸に沿って出射される。すなわち、表示光の光軸は、透過型スクリーン２によって拡散されることで変化しないとみなされる。
また、図中では省略するが、表示光は拡大ミラー３において屈折・拡大されてウインドシールド５に導かれる。

図３に示すように、ＨＵＤ装置では、透過型スクリーン２は、当該透過型スクリーン２の法線が表示光の光軸ＡＸに対して垂直方向に傾倒して配置される。すなわち、透過型スクリーン２の受光面は、光軸ＡＸと直交する方向に対して垂直方向の傾斜角度θtを有する。これにより、入射外光と反射外光のなす角は２θtとなる。
上述のとおり、透過型スクリーン２は光軸ＡＸに対して傾倒して配置されているが、透過型スクリーン２を透過した表示光８（拡散光）は光軸ＡＸに沿って出射される。従来の透過型スクリーンでは、照射範囲の光強度が中心部と端部とで大きく異なるため、透過型スクリーンを傾倒させたときにＥｙｅｂｏｘ９に実際に照射される光の光強度は均一性が著しく低下する。本実施形態における透過型スクリーンはマイクロレンズアレイの形状をコントロールすることにより、表示光がＥｙｅｂｏｘ９の範囲内を効率良く照射するように設計しておくのがよい。

一方、ウインドシールド５の外部から入射した入射外光は、拡大ミラー３を介して透過型スクリーン２を照射する。入射外光の一部は、透過型スクリーン２によって反射される。反射外光は、光軸ＡＸに対して角度２θtの方向に、拡大ミラー３とウインドシールド５を介して出射される。このとき、透過型スクリーン２を後述する構成としたことで、反射外光は拡散角度βで拡散する。そのため、透過型スクリーン２の傾斜角度θtを適宜設定することで、太陽光が映像光の光軸と同じ軸から直接入射するような非常に強い外光が入射した場合においても、ほぼ全ての反射外光の照射範囲をＥｙｅｂｏｘ９の範囲外とすることができる。

また、ＨＵＤ装置用の透過型スクリーン２として、すりガラスなどのフロスト型拡散板や微小な粒子を分散させたオパール型拡散板が一般的に用いられる。また、このような透過型スクリーンを用いた場合には、通常、透過光の拡散強度分布はガウシアンとなり、Ｅｙｅｂｏｘ９領域の中心部を照明する光強度が高くなり、Ｅｙｅｂｏｘ９領域の端部では光強度が低くなる。そのため、従来のＨＵＤ装置では、透過光の拡散強度がガウス分布を有することに起因して表示画像の視認性が低下するという問題もあった。そこで本実施形態の透過型スクリーン２では、受光面及び照射面を以下のように構成することで、かかる問題を解決している。

次に、透過型スクリーン２の構成について説明する。透過型スクリーン２では、以下の構成とすることで、当該透過型スクリーン２を傾倒させた状態における拡散特性を保持している。

透過型スクリーン２は、図６に示すように、その面内方向において、例えばレンズサイズ１０〜１００μｍ程度の複数のマイクロレンズの各々が、周期的に配列するようにして形成されるものである。
ここでのピッチとは、互いに隣接するマイクロレンズの中心間の距離である。

マイクロレンズの形状を制御することによって出斜光の拡散分布を略均一とする拡散特性を有することとなる。略均一な光強度の分布とは、照射範囲
内を略均一な光強度で照射することができる強度分布であり、例えば、図４に示すＴｏｐ−Ｈａｔ型の光強度分布である。

透過型スクリーン２は、以上の構成を有するため、図３に示すように、表示光８は透過型スクリーン２を透過するときに拡散され、拡散された表示光８はＥｙｅｂｏｘ９の範囲内に効率的に照射される。その一方、ウインドシールド５の外部から入射した入射外光は、傾斜角度θtを有する透過型スクリーン２の出射面で反射され、この反射した反射外光はＥｙｅｂｏｘ９の範囲外に到達する。そのため、反射外光がＥｙｅｂｏｘ９に漏れ込むことを抑制することができ、表示画像（ 表示光Ｌ ）の視認性の低下が抑制される。また本実施形態では、傾斜角度
θtを所定の角度とすることで、反射外光がＥｙｅｂｏｘ９の範囲内に漏れ込むことがなくなり、視認性が低下しない。

また傾斜角度θtをより大きくすれば、拡散反射外光はより映像光と重複しない角度に出射されるが、マイクロレンズの上記傾斜角度によっては、マイクロレンズ面を映像光入射面側に配置した場合はマイクロレンズによる太陽光の全反射が発生してＥｙｅｂｏｘ９に戻る光が存在するために、視認性を著しく損ない、マイクロレンズ面を映像光出射面側に配置した場合は映像光が全反射され光量が低下する、マイクロレンズの最大傾斜角度θvに応じて適宜透過型スクリーン２の傾き角度θtを決定する必要がある。

本実施形態におけるマイクロレンズの形状は凸形状でも凹形状のどちらでもよい。

本実施形態における透過型スクリーンの傾き角度θtの決定方法について以下に記載する。
本実施形態に係る透過型スクリーンは、片面にマイクロレンズアレイが形成され片面は平坦面である。

透過型スクリーン２の配置方法として図５,６に示すように映像光の入射面側に平坦面が存在する場合と入射面側にマイクロレンズアレイが存在する場合がある。この２つの状況に応じて透過型スクリーンの傾き角度θtを決定する必要がある。

θtを決定するにあたり本実施例の構成を図５,６に示す。マイクロレンズの斜面で拡散される光について、空気の屈折率をn₁透過型スクリーンの屈折率をn₂とし、空気層での光の角度をθ₁、透過型スクリーン内部での角度をθ_２とした場合にマイクロレンズの斜面においてスネルの法則によりn₁×sinθ₁=n₂×sinθ₂となるが、n₁θ₁とn₂θ₂が５０度以下においては、図７に示すように、n₁θ₁=n₂θ₂が成り立つために本実施形態ではこれらの近似を用いている。

まず映像光の入射面側にマイクロレンズ面が存在する場合について説明する。映像光の主軸が傾斜する場合、図５で示すようにフィルムの端部において入射角度が最も低くなる。図５では下端となる。この時、下端部に入射した映像光がスクリーンにより拡散された光の中でスクリーンの主面と成す角度が最も小さい光と同じ方向から来る太陽光は、スクリーンへの入射角度が最小となるためにスクリーンによって拡散反射された場合に、映像光と重畳する可能性が最も高くなる。そのためこの太陽光が映像光と重畳しないように透過型スクリーンの傾き角度を決定すれば、外光による視認性の低下は起こらない。図３に示すように透過型スクリーン２の傾斜角度θtを大きくすれば外光反射された光の主軸はＥｙｅｂｏｘ９の方向から離れる向きに反射される。また反射光の拡散角度は、マイクロレンズの斜面が基材主面と成す角度θvが大きいほど広がるためＥｙｅｂｏｘ９に戻りやすくなる。

このように、本実施形態に係るＨＵＤ装置によれば、マイクロレンズの形状をと傾斜角度を制御することにより、表示画像を構成する表示光Ｌの光量損失を抑えつつも、入射外光の影響を無くし、視認性の低下を抑制できる。

すなわち、透過型スクリーン２の受光面に適宜設計されたＭＬＡを形成したので、表示光ＬはＥｙｅｂｏｘ９の全域を略均一に照射することができる。これにより、ウインドシールド５の外部から入射した外光も同様にＥｙｅｂｏｘ９の範囲内に反射されることになるが、透過型スクリーン２を傾斜角度θtで傾倒して配置したので、反射外光のみＥｙｅｂｏｘ９の範囲外に反射させる。従って、表示画像の視認性の低下を抑制することができる。

またθtの角度が大きくなると太陽光の一部がマイクロレンズによって全反射されＥｙｅｂｏｘ９範囲側に戻り、映像光と重複して視認性が低下する問題がある。太陽光が全反射条件となるのは下記式（１）左辺が成り立つ時である。そのためθtは映像光が全反射で反射されず、また太陽光の外光がＥｙｅｂｏｘ９範囲外に反射させる下記式（１）の条件で設置することが好ましい。

次に映像光の入射面側に平滑面が存在する場合について説明する。映像光の主軸が傾斜する場合、図６で示すようにフィルムの端部において入射角度が最も低くなる。図６では下端となる。この時、下端部に入射した映像光がスクリーンにより拡散された光の中でスクリーンの主面と成す角度が最も小さい光と同じ方向から来る太陽光は、スクリーンへの入射角度が最小となるためにスクリーンによって拡散反射された場合に、映像光と重畳する可能性が最も高くなる。そのためこの太陽光が映像光と重畳しないように透過型スクリーン２の傾き角度を決定すれば、外光による視認性の低下は起こらない。図３に示すように透過型スクリーン２の傾斜角度θtを大きくすれば外光反射された光の主軸はＥｙｅｂｏｘ９の方向から離れる向きに反射される。また反射光の拡散角度は、マイクロレンズの斜面が基材主面と成す角度θvが大きいほど広がるためＥｙｅｂｏｘ９に戻りやすくなる。

そのため下記式のようにθtの傾ける角度をマイクロレンズの斜面角度θvに合わせて下記式（２）を満たすことで反射外光の照射範囲をＥｙｅｂｏｘ９の範囲外とすることができる。

このように、本実施形態に係るＨＵＤ装置６によれば、マイクロレンズの形状をと傾斜角度を制御することにより、表示画像を構成する表示光Ｌの光量損失を抑えつつも、太陽光による外光の影響を無くし、視認性の低下を抑制できる。

またθtの角度が大きくなると映像光の一部がマイクロレンズによって全反射され入射光側に戻りＥｙｅｂｏｘ９に到達できない光が存在することから、映像光が暗くなる問題がある。映像光が全反射となるのは、θtが下記式（３）左辺が成り立つ時である。そのためθtは映像光が全反射で反射されずまた太陽光の外光がＥｙｅｂｏｘ９範囲外に反射させる以下の式の条件で設置することがより好ましい。

屈折率は波長分散の大きい材料が使われるときには、紫外線側の屈折率も考慮して決定する必要があり。上記(１)乃至(３)の式がh線でも成り立つことが望ましい。

本実施形態に用いる透過型スクリーンで２は、必要な拡散特性を持たせるための設計データを作成する必要がある。設計データは必要な拡散角度を元にマイクロレンズの形状を適宜設計する。設計したデータを元にマイクロレンズアレイを加工する方法は、機械加工、マスクを用いたフォトリソグラフィ、マスクレスリソグラフィ、エッチング、レーザアブレーションなど多くの加工方法を使うことができる。これらの技術を用いて金型を製造し、樹脂を成形してマイクロレンズアレイを有する拡散板部材を製造する。成形方法は、ロールトゥロール成形、熱プレス成形、紫外線硬化性樹脂を用いた成形、射出成形など数多くの成形方法の中から適宜選択すれば良い。

ヘッドアップディスプレイ用の透過型スクリーンでは光の干渉による明るさの不均一を抑制するためにマイクロレンズの高さを個々に変化させて作成する必要がある。このようなマイクロレンズを実現するためには、上述のいくつかの加工方法のうち、マスクレスリソグラフィ法が好適である。

（金型製造および成形工程）
以下、レーザ走査型のマスクレスリソグラフィと電鋳により金型を作製し、その金型を用いた熱プレス成形により拡散板を成形する方法についてより詳細に説明する。

マスクレスリソグラフィは、基板上にフォトレジストを塗布するレジスト塗布工程、微細パターンをフォトレジストに露光する露光工程、露光後のフォトレジストを現像して微細パターンを有する原盤を得る現像工程からなる。レジスト塗布工程では、基板上にポジ型のフォトレジストを塗布する。フォトレジストの塗布膜の膜厚は、微細パターンの高さ以上の厚さであれば良い。塗布膜に対しては７０〜１１０℃のベーキング処理を施すことが好ましい。露光工程では、前記塗布工程で塗布されたフォトレジストに対して、レーザービームを走査しながら照射してフォトレジストを露光する。レーザービームの波長はフォトレジストの種類に応じて選定すればよく、例えば３５１ｎｍ、３６４ｎｍ、４５８ｎｍ、４８８ｎｍ（Ａｒ＋レーザーの発振波長）、３５１ｎｍ、４０６ｎｍ、４１３ｎｍ（Ｋｒ＋レーザーの発振波長）、３５２ｎｍ、４４２ｎｍ（Ｈｅ−Ｃｄレーザーの発振波長）、３５５ｎｍ、４７３ｎｍ（半導体励起固体レーザーのパルス発振波長）、３７５ｎｍ、４０５ｎｍ、４４５ｎｍ、４８８ｎｍ（半導体レーザー）などを選択することができる。

現像工程では、露光後のフォトレジストを現像する。フォトレジストの現像は公知の方法により実施することができる。現像液としては特に制限なく、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等のアルカリ現像液を用いることができる。現像工程では露光量に応じてフォトレジストが除去され、フォトレジストの微細パターン形状が形成される。露光工程でポジレジストを用い、凹レンズによるマイクロレンズの形状に応じたレーザパワーで露光した場合、フォトレジストに凹レンズが形成されたマイクロレンズ原盤が得られることになる。

次に電鋳工程では、露光、現像により形成された前記微細パターンを有するフォトレジスト表面にニッケル金属の蒸着などの方法により導電化処理を施す。さらに、電鋳により前記蒸着膜表面にニッケルを板状に所望の厚みまで堆積させ、このニッケル板をフォトレジスト原盤から剥離すると、フォトレジストの凹レンズ形状が反転転写された凸レンズによるマイクロレンズアレイが形成された金型（スタンパ）が得られる。

成形工程では、前記スタンパを用いてアクリルシートを加熱しつつプレスする熱プレス法により、凸レンズ形状の微細パターンがアクリルシートに転写される。この結果、凹レンズによるマイクロレンズアレイ部材を製造することができる。成形に使用する樹脂はアクリルに限らず、成形条件に応じて、拡散板に使用可能な樹脂を選定すれば良い。

露光工程でポジレジストを用い、凸レンズによるマイクロレンズの形状に応じたレーザパワーで露光した場合、凹形状の凸レンズによるマイクロレンズアレイ部材を製造することができる。

また別の成形方法として紫外線硬化型のモノマーを金型に充填させアクリル樹脂、PET樹脂、PC樹脂等の基材フィルムを紫外線硬化型のモノマーを充填した面に気泡が入らないように貼り合わせ、その後紫外線を照射し、紫外線硬化型のモノマーを硬化させながら基材フィルムに密着させ、その後基材フィルムを金型から剥離することで基材フィルム上にマイクロレンズを形成させる手法がある。

凸レンズによるマイクロレンズアレイ部材を得るには、前記電鋳工程で得たスタンパ（凸レンズ）を型として複製電鋳を行い、凹レンズによるマイクロレンズアレイが形成されたスタンパを作製すればよい。マスクレスリソグラフィの露光工程で、凸レンズに応じた露光パワーの変調によりレジストを露光する方法ももちろん採用可能であるが、電鋳工程でスタンパを複製電鋳する上記方法のほうがより簡便である。

なお、本発明はこれまでに記述した実施形態及び図面によってなんら限定されるものではない。本発明の主旨を変更しない範囲において、適宜、実施形態及び図面に変更を加えることが可能である。

以下、本発明の実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。
本実施例で使用する透過型スクリーンの屈折率ｎは、ＰＭＭＡ樹脂のをｈ線で測定した値に近い１．５とした。また透過型スクリーンの垂直方向においてＰＧＵ側から見た時の画角は６ｄｅｇとした。

＜実施例１＞
本実施例について図１０に従って説明する。本実施例では図１０に示すＸ,Ｙ,Ｚ座標の中心に、映像光が入射する面にマイクロレンズを有し、出射面に平滑面を有する透過型スクリーンを配置する。透過型スクリーンは垂直方向の最大斜面角度θv＝１３．８ｄｅｇで、ピッチはＰｘ＝５０μｍ、Ｐｙ＝５０μｍの正方形のマイクロレンズである。透過型スクリーンの傾斜角度θtは３２ｄｅｇとした。映像光は垂直方向のスクリーンの下端にθx＝０ｄｅｇ、θy＝２９ｄｅｇの角度で平行光を入射させた。
外光として透過型スクリーンにより拡散された映像光の中で垂直方向において透過型スクリーン平面との成す角度が最も小さい光と同じ角度から外光が入射したと仮定してθｘ＝０ｄｅｇ、θy＝−２２．１ｄｅｇから平行光を透過型スクリーンに入射させた。

前記条件で映像光と外光の透過型スクリーンにより拡散強度をサイバネット社の幾何学光線追跡ソフトLightToolsを用いて幾何光学計算した結果を図１１に示す。図１１には拡散映像光と拡散反射光がそれぞれの角度に進行する光の分布を示している。下側の明るい部分が映像光の拡散反射光を示し、上側の暗い部分が外光の反射光の拡散反射光を示している。図１１に示すように、映像光の拡散透過光と外光の拡散反射光は重ならず、映像光への外光の映り込みが無い良好な画像が得られることが分かった。

＜実施例２＞
本実施例について図１０に従って説明する。本実施例では図１０に示すＸ,Ｙ,Ｚ座標の中心に、映像光が入射する面に平滑面を有し、出射面にマイクロレンズ面を有する透過型スクリーンを配置する。透過型スクリーンは垂直方向の最大斜面角度θv＝１３．８ｄｅｇで、ピッチはPx＝５０μｍ、Py＝５０μｍの正方形のマイクロレンズである。透過型スクリーンの傾斜角度θtは２５ｄｅｇとした。映像光は垂直方向のスクリーンの下端にθx＝０ｄｅｇ、θy＝２２ｄｅｇの角度で平行光を入射させた。
外光として透過型スクリーンにより拡散された映像光の中で垂直方向において透過型スクリーン平面との成す角度が最も小さい光と同じ角度から外光が入射したと仮定してθｘ＝０ｄｅｇ、θy＝−１５．１ｄｅｇから平行光を透過型スクリーンに入射させた。

前記条件で映像光と外光の透過型スクリーンにより拡散強度をサイバネット社の幾何学光線追跡ソフトLightToolsを用いて幾何光学計算した結果を図１２に示す。図１２には拡散映像光と拡散反射光がそれぞれの角度に進行する光の分布を示している。下側の明るい部分が映像光の拡散反射光を示し、上側の暗い部分が外光の反射光の拡散反射光を示している。図１２に示すように、映像光の拡散透過光と外光の拡散反射光は重ならず、映像光への外光の映り込みが無い良好な画像が得られることが分かった。

＜実施例３＞
本実施例について図１０に従って説明する。本実施例では図１０に示すＸ,Ｙ,Ｚ座標の中心に、映像光が入射する面に平滑面を有し、出射面にマイクロレンズ面を有する透過型スクリーンを配置する。透過型スクリーンは垂直方向の最大斜面角度θv＝１３．８ｄｅｇで、ピッチはPx＝５０μｍ、Py＝５０μｍの正方形のマイクロレンズである。透過型スクリーンの傾斜角度θtは７０ｄｅｇとした。映像光は垂直方向のスクリーンの上端にθx＝０ｄｅｇ、θy＝７３ｄｅｇの角度で入射させた。
外光として透過型スクリーンにより拡散された映像光の中で垂直方向において透過型スクリーン平面との成す角度が最も大きい光と同じ角度から外光が入射したと仮定してθｘ＝０ｄｅｇ、θy＝−７９．９ｄｅｇから平行光を透過型スクリーンに入射させた。

前記条件で映像光と外光の透過型スクリーンにより拡散強度をサイバネット社の幾何学光線追跡ソフトLightToolsを用いて幾何光学計算した結果を図１３に示す。図１３には拡散映像光と拡散反射光がそれぞれの角度に進行する光の分布を示している。下側の暗い部分の範囲が映像光の拡散反射光を示し、上側の明るい部分の範囲が外光の反射光の拡散反射光を示している。図１３に示すように、映像光の拡散透過光と外光の拡散反射光は重ならず、映像光への外光の映り込みが無い良好な画像が得られることが分かった。

＜比較例１＞
透過型スクリーンの傾斜角度θt＝３０ｄｅｇとして、映像光を垂直方向のスクリーンの下端にθx＝０ｄｅｇ、θy＝２７ｄｅｇ、外光をθｘ＝０ｄｅｇ、θy＝−２０．１ｄｅｇから平行光を透過型スクリーンに入射させた以外は、実施例１と同じ条件で幾何光学計算した結果を図１４に示す。明るい部分が映像光の拡散反射光を示し、暗い部分が外光の反射光の拡散反射光を示している。図１４に示すように、映像光の拡散透過光と外光の拡散反射光が重なり映像光への外光の映り込みが発生していることがわかった。

＜比較例２＞
透過型スクリーン垂直方向の最大斜面角度θv＝３０．４ｄｅｇ、透過型スクリーンの傾斜角度θt=４５ｄｅｇとして、映像光を垂直方向のスクリーンにθx＝０ｄｅｇ、θy＝４２ｄｅｇ、外光をθｘ＝０ｄｅｇ、θy＝−２６．８ｄｅｇから平行光を透過型スクリーンに入射させた以外は実施例１と同じ条件で幾何光学計算した結果を図１５に示す。明るい部分が映像光の拡散反射光を示し、暗い部分が外光の反射光の拡散反射光を示している。図１５に示すように、映像光の拡散透過光と外光の拡散反射光が重なり映像光への外光の映り込みが発生していることがわかった。

＜比較例３＞
透過型スクリーン垂直方向の最大斜面角度θv＝４１．１ｄｅｇ、透過型スクリーンの傾斜角度θt＝２０ｄｅｇとして、映像光を垂直方向のスクリーンの上端にθx＝０ｄｅｇ、θy＝２３ｄｅｇ、外光をθｘ＝０ｄｅｇ、θy＝−４３．６ｄｅｇから平行光を透過型スクリーンに入射させた以外は実施例１と同じ条件で幾何光学計算した結果を図１６に示す。図１６に示すように、計算結果の下側の部分の明るい部分が映像光の拡散透過光で上側の少し暗い部分が外光の拡散反射光を示す。また外光の拡散反射光の中でマイクロレンズにより全反射した光が左右対称に細長く分布していることがわかる。この光は映像光の拡散反射部分と重なっているため、映像光への外光の映り込みが発生していることがわかった。

＜比較例４＞
透過型スクリーンの傾斜角度θt＝２０ｄｅｇとして、映像光を垂直方向のスクリーンにθx＝０ｄｅｇ、θy＝１７ｄｅｇ、外光をθｘ＝０ｄｅｇ、θy＝−１０．１ｄｅｇから平行光を透過型スクリーンに入射させた以外は実施例２と同じ条件で幾何光学計算した結果を図１７に示す。明るい部分が映像光の拡散反射光を示し、暗い部分が外光の反射光の拡散反射光を示している。図１７に示すように、映像光の拡散透過光と外光の拡散反射光が重なり映像光への外光の映り込みが発生していることがわかった。

＜比較例５＞
透過型スクリーンは垂直方向の最大斜面角度θv＝３０．４ｄｅｇ、透過型スクリーンの傾斜角度θt=４５ｄｅｇとして、映像光を垂直方向のスクリーンにθx＝０ｄｅｇ、θy＝４２ｄｅｇ、外光をθｘ＝０ｄｅｇ、θy＝−２６．８ｄｅｇから平行光を透過型スクリーンに入射させた以外は実施例２と同じ条件で幾何光学計算した結果を図１８に示す。明るい部分が映像光の拡散反射光を示し、暗い部分が外光の反射光の拡散反射光を示している。図１８に示すように、映像光の拡散透過光と外光の拡散反射光が重なり映像光への外光の映り込みが発生していることがわかった。

１：PGU ２：透過型スクリーン ３：拡大ミラー ４：出射窓
５：ウインドシールド ６：筐体 ７：虚像 ８：表示光 ９：Ｅｙｅｂｏｘ
１０：透過拡散光
１１：表示光と同じ光軸で垂直方向に最も浅い角度で透過型スクリーンに入射する太陽光
１２：透過型スクリーン入射した太陽光の拡散反射光

Claims (4)

1. 表示画像を構成する表示光を出射する表示光出射手段（ＰＧＵ）と、
   前記表示光を受光する受光面と、該受光した表示光を拡散光として出射する出射面とを有する透過型スクリーンとを備え、
   前記透過型スクリーンは、受光面に複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイが形成され、出射面に平滑な面を有しており、
   当該透過型スクリーンの法線と前記表示光の光軸の成す角度はθtであり、前記θtは下記式（１）を満たすこと特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
   
   ｎ→透過型スクリーン材料の基準波長d線(587.56nm)での屈折率
   α→透過型スクリーンの垂直方向においてＰＧＵ側から見た時の画角
   θv→透過型スクリーンの垂直方向の断面において基材主面とマイクロレンズの斜面が成す最大角度
2. 表示画像を構成する表示光を出射する表示光出射手段（ＰＧＵ）と、
   前記表示光を受光する受光面と、該受光した表示光を拡散光として出射する出射面とを有する透過型スクリーンを備え、
   前記透過型スクリーンは、前記出射面に複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイが形成され、前記受光面に平滑な面を有しており、
   当該透過型スクリーンの法線と前記表示光の光軸の成す角度はθtであり、前記θtは下記式（２）を満たすここと特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
   
   ｎ→透過型スクリーン材料の基準波長d線(587.56nm)での屈折率
   α→透過型スクリーンの垂直方向においてＰＧＵ側から見た時の画角
   θv→透過型スクリーンの垂直方向の断面において基材主面とマイクロレンズの斜面が成す最大角度
3. 前記θtが下記式（３）を満たすことを特徴とする請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
   
   ｎ→透過型スクリーン材料の基準波長d線(587.56nm)での屈折率
   α→透過型スクリーンの垂直方向においてＰＧＵ側から見た時の画角
   θv→透過型スクリーンの垂直方向の断面において基材主面とマイクロレンズの斜面が成す最大角度
4. 前記透過型スクリーンの材料の屈折率ｎが、d線(587.56nm)での屈折率ｎ_ｄおよびｈ線(波長405nm)での屈折率ｎ_ｈの両者について、前記式（１）、（２）または（３）が成り立つ請求項１から３のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。