JP2020077001A - 光学素子およびプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】どのような視点位置でも虚像全体を確実に見ることが可能な光学素子を提供する。【解決手段】光学素子は、例えば光学スクリーンとして使用され、レーザ光源から入射するレーザ光を拡散して出力する。光学素子は、マイクロレンズアレイ又は回折格子を備え、そのピッチは、前記レーザ光の入射開口数及び前記レーザ光の波長に基づき、前記光学素子から射出する回折光の分布が均一となるように設定されている。【選択図】 図７

Description

本発明は、レーザプロジェクタの光学スクリーンに関する。

ヘッドアップディスプレイ（以下、「ＨＵＤ」とも記す。）は、液晶ディスプレイの画面やレーザプロジェクタで投影されたスクリーン上の画像（実像）を、運転者の視界前方に置かれたコンバイナと呼ばれるハーフミラーによって虚像として運転者に視認させる装置である。これにより運転者は前方を見たまま視線を下げることなく計器類やナビゲーション情報等を景色に重畳した状態で視認することができる。

レーザプロジェクタを用いたＨＵＤでは、光源からのレーザ光を光学スクリーンに投射して、運転者に虚像として視認させる画像を生成する。レーザプロジェクタを用いたＨＵＤの光学スクリーンに関連する先行技術として特許文献１、２が挙げられる。

特許文献１は、光学スクリーンを構成する光学素子が曲面を有する複数の光学素子部を備え、光学素子により拡散された光束の回折幅が視認者の瞳孔径以下となるように光学素子部のピッチを設定する手法を記載している。

特許文献２は、スペックルノイズがレンズの縁により発生するものと考え、レンズの縁にレーザ光が当たらないように、レーザ光の径よりもレンズピッチを大きくする手法を記載している。

特開２０１３−６４９８５号公報 特許５０７５５９５号公報

特許文献１では、光学素子を構成する光学素子部のピッチの設定において、光学素子に入射するレーザ光の入射ＮＡ（開口数）を考慮していない。また、ピッチの設定において視認者の瞳孔径を基準としているが、視認者の位置の変化、特に前後方向の位置の変化により見え方が変わってしまうという課題を有する。

特許文献２では、レンズの縁にレーザ光が当たらないようにしているため、レンズ全体を有効に利用できていないという課題を有する。

本発明が解決しようとする課題としては、上記のものが例として挙げられる。本発明は、どのような視点位置でも虚像全体を確実に見ることが可能な光学素子を提供することを目的とする。

請求項に記載の発明は、レーザ光源より入射するレーザ光を拡散する光学素子であって、マイクロレンズアレイ又は回折格子を備え、前記マイクロレンズアレイ又は回折格子のピッチは、前記レーザ光の入射開口数及び前記レーザ光の波長に基づき、前記光学素子から射出する回折光の分布が均一となるように定められていることを特徴とする。

実施例に係るＨＵＤの概略構成を示す。 光学スクリーン上にレーザ光をスキャンする様子を模式的に示す。 レンズピッチ、及び、レーザ光の入射ＮＡを説明する図である。 光学スクリーンからの射出光の様子を説明する図である。 レンズアレイと回折光分布との関係を示す。 レーザ光の入射ＮＡと回折光の関係を示す。 実施例による回折光の分布を示す。 所望の射出光を得るための他の条件を説明する図である。 反射型の光学スクリーンの構成を示す。 回折格子を用いた光学スクリーンの構成を示す。

本発明の好適な実施形態は、レーザ光源より入射するレーザ光を拡散する光学素子であって、マイクロレンズアレイ又は回折格子を備え、前記マイクロレンズアレイ又は回折格子のピッチは、前記レーザ光の入射開口数及び前記レーザ光の波長に基づき、前記光学素子から射出する回折光の分布が均一となるように設定されている。

上記の光学素子は、例えば光学スクリーンとして使用され、レーザ光源から入射するレーザ光を拡散して出力する。光学素子は、マイクロレンズアレイ又は回折格子を備え、そのピッチは、前記レーザ光の入射開口数及び前記レーザ光の波長に基づき、前記光学素子から射出する回折光の分布が均一となるように設定されている。これにより、視点位置に拘わらず、また、後段に配置される光学系に依存せず、光学素子からの射出光の光量分布を均一とすることができる。

上記の光学素子の一態様では、前記光学素子はマイクロレンズアレイ又は回折格子であり、前記マイクロレンズアレイ又は回折格子に照射された前記レーザ光のスポット径に基づき、前記マイクロレンズアレイ又は回折格子のピッチが前記スポット径以下の大きさである。これにより、所望の仕様に設計されたマイクロレンズ自体の性能を発揮することができる。

好適な例では、前記ピッチをｐ、前記入射開口数をＮＡinc、前記波長をλとすると、前記ピッチｐは、

を満足する。

また、他の好適な例では、前記レーザ光は赤色、緑色、青色の３色のレーザ光を含み、前記ピッチをｐ、前記入射開口数をＮＡinc、前記赤色のレーザ光の波長をλRED、前記青色のレーザ光の波長をλBLUEとすると、前記ピッチｐは、

を満足する。

本発明の他の好適な実施形態では、ヘッドアップディスプレイは、レーザ光源と、上記の光学素子により構成され、前記レーザ光源から射出したレーザ光を照射する光学スクリーンと、前記光学スクリーンから射出されたレーザ光を反射するコンバイナと、を備える。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。

［実施例］
図１は、本発明の実施例に係るＨＵＤの構成を示す。ＨＵＤは、レーザプロジェクタ１０と、コンバイナ５と、を備える。運転者に視認させるべき画像を構成するレーザ光がレーザプロジェクタ１０から射出され、凹面鏡であるコンバイナ５により反射され、運転者の視点に到達する。これにより、運転者がその画像を虚像として視認する。

レーザプロジェクタ１０は、レーザ光源１１と、光学スクリーン１２と、ＭＥＭＳミラー１３とを備える。レーザ光源１１は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色のレーザ光源を備え、運転者に視認させるべき画像に対応するＲＧＢのレーザ光Ｌを射出する。図３（ａ）に示すように、光学スクリーン１２は、複数のマイクロレンズ（以下、単に「レンズ」とも呼ぶ。）１２ｘを配列したレンズアレイにより構成される。

図２は、レーザ光Ｌを光学スクリーン１２上にスキャンする様子を示す。レーザ光源１１から射出されたレーザ光Ｌは、ＭＥＭＳミラー１３により光学スクリーン１２上でスキャンされる。これにより、運転者に視認させるべき画像が光学スクリーン１２上に描画される。

本実施例では、どんな視点位置であっても、運転者が虚像全体を確実に見ることができるようにするため、光学スクリーン１２を構成するレンズアレイのレンズピッチｐを、レンズアレイ上に集光するレーザ光（入射光）の入射ＮＡ（開口数）と、レーザ光の波長とに基づいて定める点に特徴を有する。具体的には、光学スクリーン１２を構成するレンズアレイのレンズピッチｐを、以下の式（１）を満足するように決定する。

ここで、レンズピッチｐは、図３（ａ）に示すように、レンズアレイを構成する複数のレンズ１２ｘのうち、隣接するレンズ１２ｘの中心間の距離ｐとして定義される。また、入射ＮＡは、図３（ｂ）に示すように、光学スクリーン１２に入射する入射光Ｌの広がりを示す角θを用いて「入射ＮＡ＝ｓｉｎθ」と与えられる。

以下、式（１）について説明する。図４（ａ）は、理想的な光学スクリーンを用いた場合の射出光を示す。理想的な光学スクリーンは入射光を均一に拡散させるため、射出光においては１画素分のレーザスポットが均等に広がる。よって、どの視点位置でも入射光による画像を同じように見ることができる。

図４（ｂ）は、光学スクリーンとしてレンズアレイを用いた場合の射出光を示す。レンズアレイを使用すると、レンズアレイを構成するマイクロレンズの周期構造により回折が生じ、射出光が均等に広がらない。そのため、視点位置によって、画像が見えるときと見えないときとがある。

図５（ａ）はレンズアレイのレンズピッチｐを示し、図５（ｂ）はレンズアレイから射出する回折光の分布を示す。グレーティング法則により、レンズアレイから射出する回折光の間隔はレンズ周期に依存する。例えば、図５（ａ）に示すレンズピッチｐのレンズアレイを用いた場合、回折光の間隔は（２／√３）・（λ／ｐ）となる。

一方、スカラー回折理論により、個々の回折光の大きさは、入射光の入射ＮＡで決まる。具体的に、図６（ａ）に示すように入射ＮＡが大きいときは、回折光の大きさ（角度θ）は大きくなる。また、図６（ｂ）に示すように入射ＮＡが小さいときは、回折光の大きさ（角度θ’）は小さくなる。

以上より、図７に示すように、入射ＮＡを大きくして回折光の隙間を埋めれば、回折光がほぼ均一に分布した射出光が得られる。即ち、回折光の大きさが回折光の間隔以上となる条件で、即ち以下の式（２）の関係が成立するときに、射出光の光量（輝度）分布が均一な、ほぼ理想的な光学スクリーンを得ることができる。

また、射出光においては図８（ｂ）に示すような射出ＮＡも重要な設計要素である。射出ＮＡが小さすぎると視点範囲が狭くなり、大きすぎると虚像の輝度が足りなくなる。システムの仕様に合った射出ＮＡを得るためには、さらに以下の条件（Ａ）が求められる。

（Ａ）入射光のスポットはレンズ単体の径より大きい必要がある。これは、入射光を個々のレンズの全面に入射させないと、レンズ単体の性能を十分に発揮できないからである。よって、図８（ａ）に示すように、入射光Ｌの直径をレンズ１２ｘの直径よりも大きくする。ここで、レーザ光のスポット径としてエアリーディスクの直径（ｒ＝１．２２λ／ＮＡ）を利用すると、以下の式（３）が成立することが必要である。

以上の式（２）、（３）より、式（１）が成立するときに、射出光の光量分布が均一となり、かつ、所望の射出ＮＡを得ることができる。

なお、式（１）にはレーザ波長のパラメータが含まれている。レーザ光源１１からのレーザ光をＲＧＢのカラーのレーザ光とする場合、レーザ波長は赤＞緑＞青の関係を有するので、以下の式（４）が得られる。ここで、λREDは赤色レーザ光の波長であり、λBLUEは青色レーザ光の波長である。

次に、上記の式（４）を満足する数値例を検討する。一例として、レーザ光の入射ＮＡ＝０．００３とする。式（４）の赤色レーザ光の波長λRED＝０．６３８ｎｍとすると、レンズピッチｐ≧約１２３μｍとなる。また、式（４）の青色レーザ波長λBLUE＝０．４５０ｎｍとすると、レンズピッチｐ≦約１８３μｍとなる。よって、射出光を均一にするための光学スクリーン１２のレンズピッチｐ＝１２３〜１８３μｍとなる。

以上のように、上記の式（１）又は（４）を満足するようにレンズピッチｐを設定することにより、視点位置に拘わらず、また、光学スクリーン１２の後段に配置される光学系（例えばコンバイナなど）に依存せず、光学スクリーン１２からの射出光の光量分布を均一にすることができる。

なお、回折光は理想的には隙間なく並ぶのが良いが、実際には隣接する回折光の間に隙間があるか、又は、隣接する回折光の一部が相互に重なることになり、このような隙間又は重なりの部分は厳密には均一ではない。しかし、人間の眼は点ではなく、ある程度の広がりを持って対象物を視認するので、このような微小な隙間や重なりは視覚上平均されて認識されるため、実際には人間の眼には均一に見えることになる。本発明では、この意味で回折光は均一であるとしている。

（変形例）
上記の実施例では、光学スクリーン１２を透過型に構成しているが、光学スクリーン１２を反射型に構成してもよい。図９は、反射型の光学スクリーン１２Ｒの例を示す。反射型の光学スクリーン１２Ｒは、透過型の光学スクリーン１２のレンズアレイの曲面上に反射膜１２ａを形成して作製される。レンズアレイに入射したレーザ光は、レンズアレイ上の反射膜１２ａにより反射される。光学スクリーンを反射型にすることにより、ＨＵＤ内の部品配置の自由度を高めることができる。

また、上記の光学スクリーン１２では、レンズアレイを構成する個々のレンズ１２ｘが六角形であるが、本発明の適用はこれには限られない。即ち、個々のレンズ１２ｘを四角形や他の多角形としてもよい。

また、上記の光学スクリーン１２では、レンズアレイの全ての方向のピッチが同じでなくてもよい。例えば、レンズ１２ｘが縦又は横方向につぶれた形状の六角形であっても、縦方向のレンズピッチと横方向のレンズピッチの両方が式（１）、（４）を満足すれば、射出光の光量分布を均一にすることができる。また、隣接するレンズ１２ｘの間に間隔があっても構わない。

［他の実施例］
上記の実施例では、光学スクリーン１２をレンズアレイにより構成しているが、本発明の適用はこれには限定されない。光学スクリーンは周期配列を有すればよく、例えば回折格子を用いてもよい。図１０は、回折格子を用いた光学スクリーン２２の構成を示す。図１０（ａ）は光学スクリーン２２の斜視図であり、図１０（ｂ）は光学スクリーン２２の平面図である。回折格子を用いた光学スクリーン２２も入射光を回折して射出する。この際、上述した式（１）、（４）を満足するように格子ピッチｐを設定することにより、レンズアレイの実施例と同様に、射出光の光量分布を均一にすることができる。

５ コンバイナ
１０ レーザプロジェクタ
１１ レーザ光源
１２、２２ 光学スクリーン
１２ｘ マイクロレンズ
１３ ＭＥＭＳミラー

Claims (2)

1. レーザ光源より入射するレーザ光を拡散する光学素子であって、
   マイクロレンズアレイ又は回折格子を備え、
   前記レーザ光は赤色、緑色、青色の３色のレーザ光を含み、
   前記マイクロレンズアレイ又は回折格子のピッチをｐ、前記入射開口数をＮＡinc、前記赤色のレーザ光の波長をλRED、前記青色のレーザ光の波長をλBLUEとすると、
   前記ピッチｐは、
   

   

   を満足する光学素子。
2. 前記レーザ光を射出するレーザ光源と、
   請求項１に記載の光学素子により構成され、前記レーザ光源から射出した前記レーザ光を拡散して出力する光学スクリーンと、
   を備えたプロジェクタ。

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