JP2017032971A - マイクロレンズアレイおよび画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】新規なマイクロレンズアレイを実現する。【解決手段】マイクロレンズｍ11、ｍ12・・を２次元領域に規則的に配列してなり、隣接する走査線ＳＬ１〜ＳＬ５が互いに非平行となる光ビームの主走査及び副走査によって２次元的に走査されるマイクロレンズアレイであって、光ビームによる任意の主走査により主走査されるマイクロレンズｍi1〜ｍi7が、主走査の走査線ＳＬｉに倣って配列されている。【選択図】図５

Description

この発明は、マイクロレンズアレイおよび画像表示装置に関する。

マイクロレンズアレイは、種々の用途に用いられているが、近来、例えばヘッド・アップ・ディスプレイ（以下、ＨＵＤと略記する。）や立体的２次元画像表示装置等の「画像表示装置」での使用が知られている（特許文献１〜４）。
これらの画像表示装置に用いられるマイクロレンズアレイは、マイクロレンズを２次元
領域にアレイ配列したものであり、マイクロレンズのアレイ配列は規則的で、１次元の配
列は直線的である。

この発明は、新規なマイクロレンズアレイの実現を課題とする。

この発明のマイクロレンズアレイは、マイクロレンズを２次元領域に規則的に配列して
なり、隣接する走査線が互いに非平行となる光ビームの主走査及び副走査によって２次元
的に走査されるマイクロレンズアレイであって、光ビームによる任意の主走査により主走
査されるマイクロレンズが、前記主走査の走査線に倣って配列されている。

この発明によれば、新規なマイクロレンズアレイを実現できる。

画像表示装置の１例であるＨＵＤを説明するための図である。 図１のＨＵＤにおけるマイクロレンズアレイの２次元的な走査を説明する図である。 図２に示す２次元的な走査による走査線を説明する図である。 図３に示す走査線群によるマイクロレンズアレイの走査を説明する図である。 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１例を説明図として示す図である。 マイクロレンズアレイのタイプを４例示す図である。 マイクロレンズの２次元的な配列の１例を説明する図である。 マイクロレンズの２次元的な配列の別例を説明する図である。 マイクロレンズの２次元的な配列の他の例を説明する図である。 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さらに他の例を説明するための図である。 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さらに他の例を説明するための図である。

以下、実施の形態を説明する。
図１を参照して、画像表示装置の構成を説明する。図１に示す画像表示装置は、ＨＵＤ
であり、車両、航空機、船舶等に搭載され、これらの操縦に必要なナビゲーション情報（
例えば速度、走行距離等の情報）等を表示する。
以下では、図１のＨＵＤが車載用である場合を例として説明する。
図１において、符号１００で示す部分は「光源部」であり、カラー画像表示用の光ビー
ムＬＣが放射される。光ビームＬＣは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のビームを１
本に合成した「平行光束状の光ビーム」である。
光ビームＬＣを構成するＲ、Ｇ、Ｂの各色のレーザ光束は、表示するべき「２次元のカ
ラー画像」の画像信号により強度変調（信号化）されている。

光源部１００から射出した光ビームＬＣは、偏向手段６に入射し、２次元的に偏向され
る。偏向手段６は、この形態例では、微小なミラーを「互いに直交する２軸」を揺動軸と
して揺動するように構成されたものである。
即ち、偏向手段６は具体的には、半導体プロセス等で微小揺動ミラー素子として作製さ
れたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）である。勿論、偏向手段は、この例
に限らず、他の構成のもの、例えば、１軸の回りに揺動する微小ミラーを２個、揺動方向
が互いに直交するように組み合わせたもの等でもよい。
偏向手段６により２次元的に偏向された光ビームＬＣは、走査ミラー７に入射し、マイ
クロレンズアレイ８に向けて反射される。
走査ミラー７の光学作用は、２次元的に偏向されて入射する光ビームＬＣの光路を、マ
イクロレンズアレイ８に向けて屈曲させるものである。この走査ミラー７を省略し、偏向
手段６により２次元的に偏向された光ビームＬＣが、直接的にマイクロレンズアレイ８に
入射するようにしてもよい。

走査ミラー７により反射された光ビームＬＣは、２次元的に偏向しつつマイクロレンズ
アレイ８に入射し、マイクロレンズアレイ８を２次元的に走査する。

この２次元的な走査により、マイクロレンズアレイ８に「カラーの２次元画像」が「原
像」として形成される。勿論、各瞬間に表示されるのは「光ビームＬＣが、その瞬間に照
射している画素のみ」である。
「原像」としてのカラーの２次元画像は、光ビームＬＣによる２次元的な走査により「
各瞬間に表示される画素の集合」としてマイクロレンズアレイ８に形成される。

凹面鏡９は、マイクロレンズアレイ８に形成された原像を「物体」として、その虚像１
２を結像する。即ち、上記原像を形成されたマイクロレンズアレイ８からの光は、凹面鏡
９に入射し、原像（２次元のカラー画像）の虚像１２を結像する。
即ち、凹面鏡９は「表示すべき画像の虚像を結像させる結像光学系」である。
凹面鏡９により虚像１２を結像する結像光束は、反射体１０によって観察者１１（図に
は「観察者の目」を示す。）の側へ反射される。
この反射光により、観察者１１は、カラーの２次元画像の虚像１２を視認できる。

即ち、図１の画像表示装置（ＨＵＤ）は、表示すべき画像に応じて信号化された光ビー
ムＬＣにより、マイクロレンズアレイ８を２次元的に走査し、マイクロレンズアレイ８か
らの光を結像光学系９により虚像１２として結像せしめる画像表示装置である。
図１の画像表示装置はまた、表示すべき画像に応じて信号化された光ビームＬＣを射出
させる光源部１００と、光ビームＬＣを２次元的に偏向させる偏向手段６と、該偏向手段
により２次元的に偏向された光ビームＬＣにより２次元的に走査されるマイクロレンズア
レイ８と、該マイクロレンズアレイ８からの光により「表示すべき画像」の虚像１２を結
像させる結像光学系９と、を有する。
上述の如く、図１のＨＵＤは「車載用」であり、図１示す反射体１０は「車両のフロン
トガラス」である。虚像１２は、図の如く、観察者１１の側から見て、反射体１０を超え
た位置に結像する。

ここで、図１において、マイクロレンズアレイ８の表面に平行な平面を考え、この平面
上で、図の上下方向に対応する方向をｙ方向、図面に直交する方向をｘ方向とする。
２次元的に偏向された光ビームＬＣは、マイクロレンズアレイ８の「ｘｙ面」を２次元
的に走査する。光ビームＬＣによる２次元的な走査は所謂「ラスタスキャン」であり、ｘ
方向の走査を「主走査」とし、この主走査をｙ方向に繰り返す「副走査」により２次元領
域を走査する。

光ビームＬＣが主走査するときの走査の軌跡が「走査線」である。從って、２次元的な
走査では「走査線が副走査方向へ微小ピッチで配列」することになる。
図１のＨＵＤにおけるマイクロレンズアレイ８は「（副走査方向に）隣接する走査線が
互いに非平行となる光ビームＬＣの主走査及び副走査」によって２次元的に走査される。
この点を、図２および図３を参照して説明する。
図２は、上に説明した「ｘ方向及びｙ方向」を基準として、光源部１００から偏向手段
６を介して、マイクロレンズアレイ８に到達する光ビームＬＣの様子を説明図として示し
ている。

この図においては、図１における走査ミラー７は図示を省略され、偏向手段６により２
次元的に偏向された光ビームＬＣが直接的にマイクロレンズアレイ８に入射するように描
いてある。前述の如く、走査ミラー７は、２次元的に偏向されて入射する光ビームＬＣの
光路を、マイクロレンズアレイ８に向けて屈曲させるものであるから、走査ミラー７を省
略して図２の如く描いても、説明の一般性は失われない。
図２（ａ）は、図面に直交するｙ方向から見た、マイクロレンズアレイ８の走査状態を
示すものであり、上下方向がｘ方向であり、主走査はｘ方向に行われる。
この主走査における偏向手段６の偏向角をβ（反射された光ビームがｘ方向に偏向される角）とする。
偏向角：βを用いると、図に示す主走査位置：ｘは、マイクロレンズアレイ８と偏向手
段６の「ｚ方向（ｘ、ｙ方向に直交する方向）の距離：Ｌ」を用いて、以下の様に表すこ
とができる。
ｘ＝Ｌ・ｔａｎβ 。

図２（ｂ）は、図面に直交するｘ方向（主走査方向）から見た、マイクロレンズアレイ
８の走査状態を示し、上下方向がｙ方向で、副走査はｙ方向に行われる。
図２（ｂ）において、偏向手段６によるｙ方向の偏向角（反射された光ビームがｙ方向
に偏向される角）をαとし、α＝０のとき「光ビームＬＣとＺ方向のなす角」をθとする。角：θは、光学系の配置により定まる値で定数である。

マイクロレンズアレイ８のレンズ面のｙ方向の座標を、図の如く「ｙ０およびｙ」とす
ると、ｙｚ面内における副走査位置：ｙは、距離：Ｌ、角：α、θを用いて以下の様に表
すことができる。
即ち、
ｙ＋ｙ０＝Ｌ・ｔａｎ（θ＋α）
ｙ０＝Ｌ・ｔａｎθ
であるから、副走査位置：ｙは以下の様に与えられる。
ｙ＝Ｌ・ｔａｎ（θ＋α）―Ｌ・ｔａｎθ 。

図２（ａ）において、偏向角：βのときの偏向手段６からｘｙ面までの「ｘｚ面内の距
離」をξとすると「ξ＝Ｌ/ｃｏｓβ」である。

従って、偏向角：α、βのときの副走査位置：ｙは、
ｙ＝（Ｌ/ｃｏｓβ）｛ｔａｎ（θ＋α）―ｔａｎθ｝
となる。「Ｌ/ｃｏｓβ」は、角：βとともに増大し、角：βの増大に伴い、副走査位置
：ｙも増大する。

從って、偏向角：αで特定される走査線の形状は「ｙ方向の負の側に向かって凸」の曲
線となり、偏向角：αが大きいほど曲率が大きい。

図３に、代表的な５本の走査線ＳＬ１〜ＳＬ５を示す。

走査線ＳＬ１は、角：αが最も大きい場合の走査線であり、走査線ＳＬ５は、角：αが
最も小さい場合の走査線である。
図３に示すように、走査線ＳＬ１〜ＳＬ５は「互いに非平行」である。
図４は、このような走査線ＳＬ１〜ＳＬ５が、マイクロレンズアレイを走査する様子を
説明図として示している。
説明の簡単のために、走査線ＳＬ１〜ＳＬ５は「相互に隣接」するものとしている。
マイクロレンズアレイは、マイクロレンズ・・Ｌi-2j-1、Ｌi-2j、Ｌi-2j+1、・・Ｌi-
1j-1、Ｌi-1j、Ｌi-1j+1、・・Ｌij-1、Ｌij、Ｌij+1、・・Ｌi+1j-1、Ｌi+1j、Ｌi+1j+1
、・・Ｌi+2j-1、Ｌi+2j、Ｌi+2j+1、・・が正方行列状に配列したものである。マイクロ
レンズのこのような２次元的配列を「正方行列型配列」と呼ぶ。

マイクロレンズ・・Ｌi-2j-1、Ｌi-2j、Ｌi-2j+1、・・が配列されたマイクロレンズ配
列を主走査する光ビームは、走査線ＳＬ１を描く。
マイクロレンズ・・Ｌi-1j-1、Ｌi-1j、Ｌi-1j+1、・・が配列されたマイクロレンズ配
列を主走査する光ビームは、走査線ＳＬ２を描く。
マイクロレンズ・・Ｌij-1、Ｌij、Ｌij+1、・・が配列されたマイクロレンズ配列を主
走査する光ビームは、走査線ＳＬ３を描く。
マイクロレンズ・・Ｌi+1j-1、Ｌi+1j、Ｌi+1j+1、・・が配列されたマイクロレンズ配
列を主走査する光ビームは、走査線ＳＬ４を描く。
マイクロレンズ・・Ｌi+2j-1、Ｌi+2j、Ｌi+2j+1、・・が配列されたマイクロレンズ配
列を主走査する光ビームは、走査線ＳＬ５を描く。

周知の如く、マイクロレンズアレイを２次元的に走査して形成された虚像には、走査線
とマイクロレンズの規則的な配列とにより「モアレ」が発生する。
発生するモアレは「走査線の向きとマイクロレンズ配列の向きが平行」である場合に、
コントラストが大きく（高く）なる。
図４（ａ）のように、走査線ＳＬ１〜ＳＬ５が湾曲しており、しかも「湾曲の程度」が
同一でなく、走査線が互いに非平行である場合には、走査線の向きとマイクロレンズ配列
は、マイクロレンズアレイの「至る所で平行」と言うわけではない。
即ち、図４（ｂ）に示す領域ＤＭ０やＤＭ４では、マイクロレンズ配列と走査線とが平
行に近いが、領域ＤＭ２やＤＭ３では、マイクロレンズ配列と走査線との「平行度」が低
い。従って、領域ＤＭ０やＤＭ４に相当する虚像部分に生じるモアレはコントラストが高
いが、領域ＤＭ２やＤＭ３に相当する虚像部分に生じるモアレはコントラストが低い。
従って、このような場合、虚像には「像位置によってコントラストの強弱が異なる、濃
淡をもったモアレ」が生じることになる。

「モアレ」は、発生しても、そのコントラストが虚像上で均一であれば、視覚上「虚像
の像質」を大きく損なうものではない。しかし、虚像上に「コントラストに強弱のあるモ
アレ」が発生すると、像質がかなり損なわれる。
即ち、マイクロレンズアレイを走査する光ビームの走査線が湾曲して、隣接する走査線
が非平行である場合には、マイクロレンズの２次元的配列が「上記の如き規則的な正方行
列型配列」である場合には「コントラストに強弱のあるモアレ」が発生する。
この発明のマイクロレンズアレイは、このような「コントラストに強弱のあるモアレ」
を有効に軽減できる。
即ち、この発明のマイクロレンズアレイでは「マイクロレンズは２次元領域に規則的に
配列」されている。ここにマイクロレンズの２次元領域における配列が「規則的」である
とは、配列がランダムではなく、一定の規則に従って配列されていることを意味する。

マイクロレンズアレイの２次元的な走査は「隣接する走査線が互いに非平行となる光ビ
ームの主走査及び副走査」によって行われる。主走査では「光ビームの走査位置が走査線
を描いて変位」し、副走査は「走査線を順次に切り替え」て行われる。
「隣接する走査線が互いに非平行」となる場合とは、上に説明した走査線ＳＬ１〜ＳＬ
５のように、湾曲した走査線が互いに非平行である場合が含まれることは言うまでもないが、走査線自体は直線的でも「相互に平行でない場合」も含まれる。
マイクロレンズアレイは、光ビームによる任意の主走査により主走査されるマイクロレ
ンズが、前記主走査の走査線に倣って配列される。マイクロレンズの配列が「走査線に倣
う」とは、前記配列が走査線に沿っていることを意味する。
即ち、走査線が湾曲している場合、この走査線に倣うマイクロレンズの配列は、走査線の曲りに倣って湾曲する。
湾曲した走査線の任意の１本により主走査されるマイクロレンズを主走査方向に配列したとき、配列された個々のマイクロレンズの中心を滑らかに結ぶ曲線を、以下において便宜上「主走査配列線」と呼ぶ。
マイクロレンズの配列が「走査線に完全に倣う」とき、主走査配列線は「これらのマイクロレンズを主走査する走査線」と互いに平行に重なり合う。
発明の実施上では、両者は完全に平行になる必要はなく、実用上は、主走査配列線と走査線の相互の傾きが「±１０度」程度の範囲にあればよく、好ましくは「±５度」、より好ましくは「±３度」程度の範囲にあるのがよい。

図４に示す走査線の例に、この発明を適用した場合を示す図５を説明図として、マイク
ロレンズのアレイ配列の１例を説明する。
図５において、符号ＳＬ１〜ＳＬ５は、図４で説明した場合のように「相互に隣接した
５本の走査線」を示す。
マイクロレンズｍ１１〜ｍ１７は、走査線ＳＬ１に倣って配列されている。即ち、マイ
クロレンズｍ１１〜ｍ１７の配列は、走査線ＳＬ１の湾曲に倣っている。
マイクロレンズｍ２１〜ｍ２７は、走査線ＳＬ２に倣って配列され、マイクロレンズｍ
３１〜ｍ３７は、走査線ＳＬ３に倣って配列されている。同様に、マイクロレンズｍ４１
〜ｍ４７は、走査線ＳＬ４に倣って配列され、マイクロレンズｍ５１〜ｍ５７は、走査線
ＳＬ５に倣って配列されている。

図５において、符号ＳＳ１〜ＳＳ７で示す「破線の曲線」はマイクロレンズの「副走査
配列線」、即ち、マイクロレンズの副走査方向の配列を連ねた線である。
マイクロレンズｍ１１〜ｍ５１は、副走査配列線ＳＳ１上に配列され、マイクロレンズ
ｍ１２〜ｍ５２は、副走査配列線ＳＳ２上に配列されている。同様に、マイクロレンズｍ
１３〜ｍ５３は、副走査配列線ＳＳ３上に配列され、マイクロレンズｍ１４〜ｍ５４は、
副走査配列線ＳＳ４上に配列されている。
マイクロレンズｍ１５〜ｍ５５は、副走査配列線ＳＳ５上に配列され、マイクロレンズ
ｍ１６〜ｍ５６は、副走査配列線ＳＳ６上に配列されており、マイクロレンズｍ１７〜ｍ
５７は、副走査配列線ＳＳ７上に配列されている。

副走査配列線ＳＳ１〜ＳＳ７は、何れも、走査線群ＳＬ１〜ＳＬ５に直交する。
即ち「光ビームにより主走査されるマイクロレンズｍｉ１〜ｍｉ７（ｉ＝１〜５）が、
主走査の走査線ＳＬｉ（ｉ＝１〜５）に倣って配列」されている。マイクロレンズがこの
ように配列されていると「光ビームが現に主走査している部分において、隣接するマイク
ロレンズの配列が常に主走査方向に平行」になる。従って、発生するモアレのコントラス
トも均一化される。

図５の例においては「副走査方向におけるマイクロレンズの配列が、走査線に直交している」ので、副走査方向に関連するモアレのコントラストも均一化され、従って、モアレの濃淡による虚像の像質劣化を有効に軽減できる。
なお「副走査配列線が走査線群と直交する」とは、任意の副走査配列線が、これに交わ
る全ての走査線に直交することを意味するが、勿論「直交」と言っても厳密な意味で直交
する必要はない。
実用上は、副走査配列線と走査線との交叉角は「９０度±１０度」程度の範囲にあればよく、好ましくは「９０度±５度」、より好ましくは「９０度±３度」程度の範囲にあるのがよい。
図５の例では「副走査方向におけるマイクロレンズの配列が、走査線に直交している」が、このため、マイクロレンズｍｉｊ（ｉ＝１〜５、ｊ＝１〜７）の大きさが均一でなく「ｉの値が大きいマイクロレンズ」は、その径も大きくなっている。
この場合、全てのマイクロレンズｍｉｊの大きさを一定の大きさに揃えても良い。全てのマイクロレンズｍｉｊの大きさを一定に揃えて、尚且つ「副走査方向におけるマイクロレンズの配列(副走査配列線)が、走査線に直交する」ようにすると、ｉの値が大きいマイクロレンズの配列（図５で下方側の配列）では、配列されるマイクロレンズ相互の「走査線に沿う間隔」が開くようになる。
マイクロレンズ相互の間隔は、ある程度小さいことが好ましい。
図１０に、マイクロレンズアレイの配列の別の例を説明図的に示している。この図において、符号ｍｌは、個々のマイクロレンズを示している。また、符号ＳＬ１〜ＳＬ２は、図３ないし図５等に置けると同じく走査線を示し、符号ＳＳ１〜ＳＳ７は、図５におけると同様「副走査配列線」を示している。
図１０に示すマイクロレンズのアレイ配列では、配列されるマイクロレンズｍｌは「実質的に同一の大きさ・形状」を有している。そして、副走査配列線ＳＳｉ（ｉ＝１〜７）は相互に平行で、副走査方向(図の上下方向)に向いている。
また、マイクロレンズｍｌの主走査方向の配列(主走査配列線)は、走査線に平行になっている。
このようにすると、副走査配列線上における隣接マイクロレンズの間隔は均一ではなくなるが、マイクロレンズｍｌの「主走査方向における配列間隔」は一定になる。
この場合、副走査配列線ＳＳｉが走査線ＳＬ１〜ＳＬ５に直交するわけではないので、「副走査方向に関連するモアレのコントラスト」は、図５の例のようには均一化されないが、マイクロレンズｍｌの主走査方向の配列は、走査線の湾曲に倣っているので、主走査方向に関するモアレのコントラストは有効に軽減される。從って、この場合も、モアレの濃淡による虚像の像質劣化を軽減できる。
図５に、マイクロレンズの配列の例を「説明図」として示した。この発明のマイクロレンズアレイでは「マイクロレンズは走査線に倣って配列」されるので、個々のマイクロレンズの「大きさや形状」が、図５の例のように配置位置に応じて異なる場合もある。
図５の配列例は、図４に示したような「整然とした碁盤の目状」ではないが、ランダムではなく「規則的」である。
上に、図５、図１０に即して説明した例では、説明の簡単のため、円形状のマイクロレンズｍｉ１〜ｍｉ７（ｉ＝１〜５）やマイクロレンズｍｌの配列例を説明した。
さらに別の配列例を、図１１を参照して説明する。
図１１（ａ）は、図１に即して説明したマイクロレンズアレイ８の１例を示している。
マイクロレンズアレイ８は、一般的には、図１１(ａ)の如く「主走査方向に対応する横方向に長い矩形状」であることが多い。図に示す長さ「ＬＰ」は、マイクロレンズアレイの主走査方向の長さを示し、長さ「ＬＳ」は副走査方向の長さを示す。
これらの長さ：ＬＰ、ＬＳは、種々区々ではあるが、一般的には、長さ：ＬＰは３０ｍｍ程度、長さ：ＬＳは２０ｍｍ程度のものが多い。
マイクロレンズｍｌの大きさは、後述のように１００μｍないし２００μｍ程度が一般的であるが、１例として、「直径：１００μｍの円形状」で同一形状のマイクロレンズｍｌを考えてみる。
また、光ビームＬＣの光束径として、１２０μｍを想定する。
この場合、図１１のマイクロレンズアレイ８には、主走査方向に３００個、副走査方向に２００個のマイクロレンズがアレイ配列している。このアレイ配列の「１部」を、図１１（ｂ）に示す。これら３００×２００個のマイクロレンズｍｌの２次元的なアレイ配列を、２００本の走査線による主走査で走査する場合を考える。
図１、図２に即して説明した光走査の場合には、上に説明したように、主走査の走査線ＳＬ１〜ＳＬ５は、図１１（ｂ）に示すように「下方に凸の湾曲した形状」となる。
マイクロレンズアレイにおいて、最も上方における３００個のマイクロレンズの配列を走査する走査線（便宜上「最上走査線」という。）も、最も下方のマイクロレンズの配列を走査する走査線（便宜上「最下走査線」という。）も、下方に凸に湾曲した形状であり、その曲がり方（曲率）は、厳密には走査線ごとに異なり、最上走査線と最下走査線は「湾曲の程度」が異なる。
しかし、図１１（ａ）に示すマイクロレンズアレイ８のように、３０ｍｍ×２０ｍｍ程度のサイズ程度では、上記最上走査線と最下走査線との「湾曲の程度の差」は小さい。
このような場合、主走査方向に配列する３００個のマイクロレンズの主走査配列線の湾曲を走査線に湾曲に倣わせる場合、主走査配列線の「副走査方向の位置」に応じて主走査配列線の湾曲を走査線の湾曲に「厳密に合致させる」ことも考えられる。しかし、個々のマイクロレンズアレイのサイズ：１００μｍと、光ビームＬＣの光束径：１２０μｍを考慮すると、主走査配列線と走査線の湾曲を厳密に合致させなくとも、走査線と主走査配列線が「実質的に倣う」状態を実現できる。
図１１（ｂ）に示すのは、このような場合で、走査線ＳＬ１〜ＳＬ５は「湾曲の程度」が厳密には相互に異なるが、マイクロレンズｍｌの主走査配列線は「副走査方向に互いに平行」になっている。
例えば、副走査方向の２００列の主走査配列線のうち「副走査方向の中央にあるもの」を、この配列線上のマイクロレンズを走査するときの走査線に合致させて倣わせ、２００列の主走査配列線を副走査方向に互いに平行にしておけば、最上走査線と最上列の主走査配列線との乖離も、最下列の主走査配列線と最下列の主走査配列線との乖離も、モアレのコントラストに「実際上問題となるほどの不均一」を生じない。
上には、円形状のマイクロレンズを２次元的にアレイ配列したマイクロレンズアレイの例を説明したが、マイクロレンズアレイはこのようなものに限らず、種々のタイプのものが可能である。

図６を参照して「マイクロレンズアレイのタイプ」の幾つかを例示する。
図６（ａ）に示すマイクロレンズアレイＭＬＡ１は、矩形形状のマイクロレンズＭＬ１
を正方行列状に配列したものであり「正方行列型配列」の１例である。
図６（ｂ）に示すマイクロレンズアレイＭＬＡ２は、菱形形状のマイクロレンズＭＬ２
を正方行列状に配列したものであり、これも正方行列型配列の１例である。
図６（ｂ）に示すマイクロレンズアレイＭＬＡ２は、（ａ）のマイクロレンズアレイＭ
ＬＡ１を、図面に直交する軸の回りに４５度回転させたものである。この場合の菱形形状
のマイクロレンズＭＬ２の配列を、便宜上「菱形型配列」と呼ぶことにする。

図６（ｃ）に示すマイクロレンズアレイＭＬＡ３は、正六角形形状のマイクロレンズＭ
Ｌ３を稠密に配列したものである。この配列を便宜上「縦ハニカム型配列」と呼ぶ。
図６（ｄ）に示すマイクロレンズアレイＭＬＡ４は、正六角形形状のマイクロレンズＭ
Ｌ４を稠密に配列したものである。この配列を便宜上「横ハニカム型配列」と呼ぶ。
図６（ｄ）の横ハニカム型配列のマイクロレンズアレイＭＬＡ４は、（ｃ）に示す縦ハ
ニカム型配列のマイクロレンズアレイＭＬＡ３を、図面に直交する軸の回りに３０度回転
させたものである。
縦ハニカム型配列と横ハニカム型配列を総称して「ハニカム型配列」と呼ぶ。
図６に示すマイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４は、何れも「マイクロレンズアレ
イの一部におけるマイクロレンズの配列」を説明図的に示すものである。

図６（ａ）、（ｂ）に示すマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２において、マイク
ロレンズの配列方向としては、矢印ａ、ｂ、ｃで示す３方向が考えられる。
この場合、光ビームによる２次元的な走査において「主走査の走査線に倣わせる方向」
としては、方向ａ、ｂ、ｃの何れも可能である。例えば、図５（ａ）のマイクロレンズア
レイＭＬＡ１の場合で、矢印ａの方向を「主走査の走査線に倣わせる」と、矢印ｂの方向
に配列したマイクロレンズは、副走査配列線に沿って並ぶことになる。
また、図６（ｂ）に示すマイクロレンズアレイＭＬＡ２における矢印ｃの方向が「走査
線に倣う」ようにすると、「矢印ｃに直交する方向（図の上下方向）」に並ぶマイクロレ
ンズが、副走査配列線に沿って並ぶことになる。
図６（ｃ）の縦ハニカム型配列のマイクロレンズアレイＭＬＡ３の場合には、矢印ｄの
方向を「走査線に倣う方向」とすると、この場合「走査線群に直交する方向」に配列され
るマイクロレンズはない。
図６（ｄ）の横ハニカム型配列のマイクロレンズアレイＭＬＡ４の場合には、矢印ｅに
直交する方向を、走査線に倣う方向とすると、矢印ｅの方向に並ぶマイクロレンズが、副
走査配列線に沿って並ぶことになる。

図６に示すマイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４は説明図として示している。
即ち、図６のマイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２では、２次元領域に配列されて
いるマイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２は「正方形形状で同一形状」である。また、マイクロ
レンズアレイＭＬＡ３、ＭＬＡ４では配列されたマイクロレンズＭＬ３、ＭＬ４は「同一
形状の正六角形形状」である。
そして、マイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬ４においては、マイクロレンズＭＬ１〜
ＭＬ４は、図の如く「整然」と規則的に配列されている。
しかし、この発明のマイクロレンズアレイにおいては、マイクロレンズは「走査線に倣
って配列」されるから、走査線が湾曲していれば「湾曲した配列」となる。
從って、この発明のマイクロレンズアレイでも、マイクロレンズの「配列形態」として
は、正方行列型配列や菱形型配列、ハニカム型配列であることができる。しかし、マイク
ロレンズの実際の配列は、平行移動に対して不変な「整然たる配列」とはならないし、マ
イクロレンズ相互を密接させる場合であれば、配列される個々のマイクロレンズの大きさ
や形状も区々となる。

図６に示す４例のマイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４のうちの、マイクロレンズ
アレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ３の場合に着目する。この場合、マイクロレンズアレイＭＬＡ１
において矢印ａの方向、マイクロレンズアレイＭＬＡ２において矢印ｃの方向、マイクロ
レンズアレイＭＬＡ３において矢印ｄの方向は、何れも「隣接するマイクロレンズの中心
を結ぶ線分」の方向に合致している。
従って、これらのマイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ３における矢印ａ、矢印ｃ、矢印ｄの方向を「走査線に倣う方向」とすることは以下の如くに表現できる。
即ち「主走査方向に配列する任意の１列をなすマイクロレンズにおける隣接するマイク
ロレンズの中心を結ぶ線分」が、該マイクロレンズを主走査する光ビームの走査線と平行
となる。
また、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ４において、図の左右方向を「走査線に
倣う方向」とすると、以下のことが言える。
マイクロレンズアレイＭＬＡ１では、配列された個々のマイクロレンズＭＬ１は「四辺
形形状」であり、マイクロレンズアレイＭＬＡ４では、配列された個々のマイクロレンズ
ＭＬ１は「六角形形状」である。從って、マイクロレンズアレイＭＬＡ１では、隣接する
マイクロレンズとの境界部は「４本の線群」で構成され、マイクロレンズアレイＭＬＡ４
では、隣接するマイクロレンズとの境界部は「６本の線群」で構成される。
そして、これらの４本もしくは６本の線群のうち、少なくとも一本は、該マイクロレン
ズを主走査する光ビームの走査線と平行である。

この発明のマイクロレンズアレイが満足すべき条件は「光ビームによる任意の主走査に
より主走査されるマイクロレンズが、該主走査の走査線に倣って配列されている」ことで
ある。図６の場合で言えば、マイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４は何れも、このよ
うになっている。
また、マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ４では、隣接するマイクロレンズの境界
部をなす線群のうちの２本が走査線と平行である。
マイクロレンズアレイＭＬＡ１、ＭＬＡ２、ＭＬＡ４では、マイクロレンズの副走査方
向の配列である副走査配列線が、主走査による走査線群と直交するように、マイクロレン
ズが配列している。
このようなマイクロレンズの配列では、光ビームの主走査は「マイクロレンズの配列」
に倣って行われるから「走査線方向のモアレのコントラスト」は強度が略均一化される。

また、マイクロレンズの副走査配列線が「走査線群と直交」する場合には「副走査方向
のモアレのコントラスト」も強度が略均一化される。
従って「虚像に現れるモアレの濃淡」が低減され、画質の劣化が有効に軽減される。
図６（ｄ）に即して説明したマイクロレンズアレイＭＬＡ４の場合に、図の左右方向が
走査線に平行になるようにすると、図の上下方向（矢印ｅの方向）に配列するマイクロレ
ンズは副走査配列線に倣うことになる。
この場合、マイクロレンズの配列は、上記走査線の方向および副走査配列線の方向の他
に、矢印ｄ、ｆの方向の配列も存在する。矢印ｄ、ｆの方向の配列も、走査線との関係で
モアレを発生させる。即ち、マイクロレンズアレイＭＬＡ４の場合、モアレを発生させる
マイクロレンズの配列は４方向存在する。

周知の如く「モアレを生じさせる光の総和」は一定であるため、配列方向が多くなるほ
ど、発生するモアレのコントラストは弱められて視認されにくくなる。
この観点からすると、図６のマイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４のうちで、モア
レを発生させるマイクロレンズ配列の数は、マイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ３で
は３配列、マイクロレンズアレイＭＬＡ４では「走査線の方向の他に３配列」である。
従って、上記４種のマイクロレンズアレイＭＬＡ１〜ＭＬＡ４のうちで、発生するモア
レのコントラストが最も弱くなるのはマイクロレンズアレイＭＬＡ４である。從って、横
ハニカム型配列は、好ましいアレイ配列の１つである。

なお、マイクロレンズアレイＭＬＡ２の場合を例にとると、矢印ｃの方向を走査線に倣
う方向とすれば、矢印ｃに直交する方向のマイクロレンズは副走査配列線に沿って並ぶ。
そして、矢印ａ、ｂの方向に並ぶマイクロレンズの配列もモアレを発生させる。
しかし、矢印ａ、ｂの方向に並ぶマイクロレンズも、その配列は「直線状の配列」には
ならない。そして、矢印ａ、ｂの方向に隣接して並ぶマイクロレンズと現に走査されてい
るマイクロレンズとの「配置関係」は、マイクロレンズアレイ上の至る所で同じである。
從って、発生するモアレのコントラストも同じになり、モアレ像に濃淡は発生しない。
従って、この発明のマイクロレンズアレイでは発生するモアレに濃淡は少なく、モアレ
による虚像の像質低下は有効に軽減される。

図３に即して、走査線の曲率が走査線ＳＬ１から走査線ＳＬ５へと順次小さくなる場合
を説明した。このような走査線群は、図２で示したような走査方式によって生じる。
マイクロレンズアレイを２次元的に走査する走査方式は、このような例に限定されるも
のではなく、実際のＨＵＤでは「種々の走査方式」が可能である。以下「走査方式に応じ
たマイクロレンズ配列の例」を３例挙げる。

図７には、図２に示した走査方式によりマイクロレンズアレイ８Ａを２次元的に走査す
る場合を説明図として示す。
図７（ａ）は、マイクロレンズアレイ８Ａの、光ビームにより２次元的に走査される領
域（以下「被走査領域」と言う。）８０と、被走査領域８０を走査する光ビームによる走
査線群を「実線」で、副走査配列線群を「破線」で示している。
図７（ｂ）は、このような場合におけるマイクロレンズの２次元的なアレイ配列を「横
ハニカム型配列」で実現した場合を説明図として示している。

図８には、マイクロレンズアレイ８Ｂの「糸巻状の被走査領域８１」を２次元的に走査
する場合を説明図として示す。
図８（ａ）は、マイクロレンズアレイ８Ｂの被走査領域８１を走査する光ビームによる
走査線群を「実線」で、副走査配列線群を「破線」で示している。
図８（ｂ）は、このような場合におけるマイクロレンズの２次元的なアレイ配列を「横
ハニカム型配列」で実現した場合を説明図として示している。
図８では、被走査領域８１内での走査線が糸巻き状であり、マイクロレンズの配列の湾曲している方向も同様に糸巻き状で湾曲している。

図９には、マイクロレンズアレイ８Ｃを２次元的に走査する場合を説明図として示す。
図９（ａ）は、マイクロレンズアレイ８Ｃの被走査領域８２（銅鐸を横にしたような形
状である。）と、被走査領域８２を走査する光ビームによる走査線群を「実線」で、副走
査配列線を「破線」で示している。この例の場合、走査線の個々は「略直線状」であるが
、これらは互いに平行でなく、隣接する走査線の間隔は、図の左方から右方へ向かって狭
まっている。
図９（ｂ）は、このような場合におけるマイクロレンズの２次元的なアレイ配列を「横
ハニカム型配列」で実現した場合を説明図として示している。
図９のように、被走査領域８２内で、マイクロレンズの配列も同様に「銅鐸を横にしたような形状」である。

図７〜図９に示す例の場合、被走査領域８０、８１、８２は矩形形状とはならない。從
って、マイクロレンズアレイ８Ａ、８Ｂ、８Ｃに形成される「表示される２次元画像の原
像」の形状も矩形形状とはならない。

しかし、このような場合でも「原像を物体として虚像を結像する結像光学系」の光学機
能により「矩形形状の虚像」を結像するようにできる。図５、図１０、図１１（ｂ）の場合も同様である。

例えば、図１の例の場合、結像光学系である凹面鏡９のミラー面形状を自由曲面とし、
凹面鏡９により結像される虚像の形状が矩形状となるようなミラー面形状を実現できる。

なお、マイクロレンズアレイを構成する個々のマイクロレンズは、凸面形状でも凹面形
状でもよい。マイクロレンズアレイにおける個々のマイクロレンズの機能は、個々のマイ
クロレンズから結像光学系へ向かう光束を発散光束にすることである。

このようにすると、反射体により反射される光が、観察者に向かって広がるので、観察
者の視点位置が少々移動しても、虚像を視認することができる。

マイクロレンズをなす凸面もしくは凹面の曲率が「マイクロレンズの中央部より周辺部
で大きくなる」ようなレンズ面形状を設定すると、観察者が視認する虚像の輝度を「観察
者の視点の位置の変動に対して均一化」できる。

なお、この発明のマイクロレンズアレイは、例えば、金型を用いる射出成型等により製
造することができる。個々のマイクロレンズの大きさは、例えば、１００μｍ〜２００μ
ｍ程度である。光ビームＬＣの光束径は、レンズ径と同程度（例えば、レンズ径の２倍程
度）か、それよりも小さい（例えば、レンズ径の１０％程度以上）ことができる。
上に説明した例では、光ビームＬＣの光束径が「マイクロレンズのレンズ径の１〜２倍
」である場合を想定している。

以上のように、この発明によれば、以下の如きマイクロレンズアレイ及び画像表示装置
を実現できる。

［１］
マイクロレンズを２次元領域に規則的に配列してなり、隣接する走査線が互いに非平行
となる光ビームの主走査及び副走査によって２次元的に走査されるマイクロレンズアレイ
であって、光ビームによる任意の主走査により主走査されるマイクロレンズが、前記主走
査の走査線に倣って配列されているマイクロレンズアレイ（図５、図７〜図９）。

［２］
［１］記載のマイクロレンズアレイであって、主走査方向に配列する任意の１列をなすマイクロレンズにおける隣接するマイクロレンズの中心を結ぶ線分が、該マイクロレンズを主走査する光ビームの走査線と平行となるマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ１、ＭＬＡ２、ＭＬＡ３）。

［３］
［１］または［２］記載のマイクロレンズアレイであって、マイクロレンズの副走査方向の配列である副走査配列線が、主走査による走査線群と直交するように、マイクロレンズが配列しているマイクロレンズアレイ（図５、図７〜図９）。

［４］
［１］ないし［４］の何れか１に記載のマイクロレンズアレイであって、個々のマイク
ロレンズは矩形状もしくは六角形形状であり、任意の１個のマイクロレンズと、これに隣
接するマイクロレンズとの境界部をなす４本もしくは６本の線群のうち、少なくとも１本
が、前記１個のマイクロレンズを主走査する光ビームの走査線と平行となるマイクロレン
ズアレイ（ＭＬＡ１、ＭＬＡ４）。

［５］
［３］または［４］記載のマイクロレンズアレイであって、個々のマイクロレンズが六
角形形状であり、ハニカム状に配列されているマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ３、ＭＬＡ
４、図７〜図９）。

［６］
［３］記載のマイクロレンズアレイであって、個々のマイクロレンズ（ＭＬ３）が六角
形形状であり、縦ハニカム型配列で配列されているマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ３）。

［７］
［３］記載のマイクロレンズアレイであって、個々のマイクロレンズ（ＭＬ４）が六角
形形状であり、横ハニカム型配列で配列されているマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ４、図
７〜図９）。
［８］
マイクロレンズを２次元領域に規則的に配列してなるマイクロレンズアレイであって、
２次元領域に規則的に配列するマイクロレンズの配列線が、規則的な配列の少なくとも１
方向において互いに非平行であるマイクロレンズアレイ（図５、図７〜図９）。

［９］
画像表示のための光ビーム（ＬＣ）を射出させる光源部（１００）と、前記光ビームを
２次元的に偏向させる偏向手段（６）と、該偏向手段により２次元的に偏向された前記光
ビームにより２次元的に走査されるマイクロレンズアレイ（８）と、該マイクロレンズア
レイからの光により、表示すべき画像の虚像（１２）を結像させる結像光学系（９）と、
を有し、前記マイクロレンズアレイ（８）として、［１］〜［８］の何れか１に記載のも
のを用いる画像表示装置（図１）。

［１０］
［９］記載の画像表示装置であって、結像光学系（９）により虚像（１２）を結像する
光束は、反射体（１０）に向かって照射され、前記反射体を超えた位置に前記虚像（１２
）を結像する画像表示装置（図１）。

［１１］
［１０］記載の画像表示装置であって「ヘッド・アップ・ディスプレイ」として構成さ
れた画像表示装置（図１）。
［１２］
マイクロレンズ（ｍｌ）を２次元領域に規則的に配列してなり、光ビームによる主走査と副走査によって２次元的に走査されるマイクロレンズアレイであって、光ビームにより主走査されるマイクロレンズが、前記主走査の湾曲した走査線に倣って配列されているマイクロレンズアレイ（図５、図７〜図１１）。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施
形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲
に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、図１に示す実施の形態において、反射体１０を「フロントガラス」とする場合
を例示したが、「フロントアガラスとは別個の部分反射鏡（コンバイナ）」を用いること
もできる。

この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過
ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

１００ 光源部
ＬＣ 光ビーム
６ 偏向手段
７ 走査ミラー
８ マイクロレンズアレイ
ｍ１１〜ｍ５７ マイクロレンズ
９ 凹面ミラー（結像光学系）
１０ フロントガラス（反射体）
１２ 虚像
ＳＬ１〜ＳＬ５ 走査線
ＳＳ１〜ＳＳ７ 副走査配列線

特開２０１４−１３９６５５号公報 特開２０１４−１３９６５６号公報 特許第５２２８７８５号公報 ＷＯ２００６／０７７７０６

Claims (12)

1. マイクロレンズを２次元領域に規則的に配列してなり、隣接する走査線が互いに非平行
   となる光ビームの主走査及び副走査によって２次元的に走査されるマイクロレンズアレイ
   であって、
   光ビームによる任意の主走査により主走査されるマイクロレンズが、前記主走査の走査
   線に倣って配列されているマイクロレンズアレイ。
2. 請求項１記載のマイクロレンズアレイであって、
   主走査方向に配列する任意の１列をなすマイクロレンズにおける隣接するマイクロレン
   ズの中心を結ぶ線分が、該マイクロレンズを主走査する光ビームの走査線と平行となるマ
   イクロレンズアレイ。
3. 請求項１または２記載のマイクロレンズアレイであって、
   マイクロレンズの副走査方向の配列である副走査配列線が、主走査による走査線群と直
   交するように、前記マイクロレンズが配列しているマイクロレンズアレイ。
4. 請求項１ないし３の何れか１項に記載のマイクロレンズアレイであって、
   個々のマイクロレンズは矩形状もしくは六角形形状であり、任意の１個のマイクロレン
   ズと、これに隣接するマイクロレンズとの境界部をなす４本もしくは６本の線群のうち、
   少なくとも１本が、前記１個のマイクロレンズを主走査する光ビームの走査線と平行とな
   るマイクロレンズアレイ。
5. 請求項３または４記載のマイクロレンズアレイであって、
   個々のマイクロレンズが六角形形状であり、ハニカム状に配列されているマイクロレン
   ズアレイ。
6. 請求項３記載のマイクロレンズアレイであって、
   個々のマイクロレンズが六角形形状であり、縦ハニカム型配列で配列されているマイク
   ロレンズアレイ。
7. 請求項３記載のマイクロレンズアレイであって、
   個々のマイクロレンズが六角形形状であり、横ハニカム型配列で配列されているマイク
   ロレンズアレイ。
8. マイクロレンズを２次元領域に規則的に配列してなるマイクロレンズアレイであって、
   ２次元領域に規則的に配列するマイクロレンズの配列線が、規則的な配列の少なくとも
   １方向において互いに非平行であるマイクロレンズアレイ。
9. 画像表示のための光ビームを射出させる光源部と、
   前記光ビームを２次元的に偏向させる偏向手段と、
   該偏向手段により２次元的に偏向された前記光ビームにより２次元的に走査されるマイ
   クロレンズアレイと、
   該マイクロレンズアレイからの光により、表示すべき画像の虚像を結像させる結像光学
   系と、を有し、
   前記マイクロレンズアレイとして、請求項１〜８の何れか１項に記載のものを用いる画
   像表示装置。
10. 請求項９記載の画像表示装置であって、
    結像光学系により虚像を結像する光束は、反射体に向かって照射され、前記反射体を超
    えた位置に前記虚像を結像する画像表示装置。
11. 請求項１０記載の画像表示装置であって、
    ヘッド・アップ・ディスプレイとして構成された画像表示装置。
12. マイクロレンズを２次元領域に規則的に配列してなり、光ビームによる主走査と副走査によって２次元的に走査されるマイクロレンズアレイであって、
    光ビームにより主走査されるマイクロレンズが、前記主走査の湾曲した走査線に倣って配列されているマイクロレンズアレイ。

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