JP7600020B2 - 画像投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像投影装置に関し、特に画像照射部からの照射光を複数の自由曲面ミラーで反射して視点に到達させる画像投影装置に関する。

従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置で構成することも提案されている。

しかし、計器盤は車両のフロントガラス（ウィンドシールド）より下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があるため好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、運転者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ（以下ＨＵＤ：Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）のような画像投影装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

このような従来技術の画像投影装置では、画像照射部が画像を含んだ照射光を照射し、１枚もしくは複数枚の自由曲面ミラーで照射光を反射させて、空間中に画像が結像するように運転者等の視点位置に到達させる。これにより、運転者等は視点に入射した照射光によって、奥行き方向における結像位置に画像が表示されているように認識することができる。

特開２０１９－１１９２６２号公報

しかし、従来の画像投影装置では、複数の自由曲面ミラーを交互に対向させて配置する必要があり、画像照射部等の部材が自由曲面ミラーで反射された光を遮らないように空間を確保する必要があり、省スペース化を図ることが困難であった。また、省スペース化を図るために自由曲面ミラーのサイズを小さくすると、自由曲面ミラーの曲率が大きくなって収差が大きくなるという問題があった。

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、画像照射部からの照射光を複数の自由曲面ミラーで反射して視点に到達させても、空間を有効利用して省スペース化を図ることが可能な画像投影装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の画像投影装置は、画像を含んだ照射光を照射する画像照射部と、前記画像照射部から入射した前記照射光を反射する第１自由曲面ミラーと、前記第１自由曲面ミラーから入射した前記照射光を反射して視点に到達させる第２自由曲面ミラーを備え、前記画像照射部から前記視点までの前記照射光の光路を基準光線とし、前記第１自由曲面ミラーにおける前記基準光線の反射方向をｚ軸とし、前記第２自由曲面ミラーにおける前記基準光線および前記ｚ軸を含む面内において前記ｚ軸と垂直な方向をｙ軸とし、前記ｙ軸および前記ｚ軸に垂直な方向をｘ軸としたとき、前記第１自由曲面ミラーで反射された前記照射光は、ｘ軸成分またはｙ軸成分のどちらか一方のみが、前記第１自由曲面ミラーと前記第２自由曲面ミラーの間において結像されることを特徴とする。

このような本発明の画像投影装置では、第１自由曲面ミラーが照射光のｘ軸成分またはｙ軸成分のどちらか一方のみを第１自由曲面ミラーと第２自由曲面ミラーの間において結像することで、第１自由曲面ミラーと第２自由曲面ミラーの間の空間内に光学部材を配置するスペースを確保することができ、空間を有効利用して省スペース化を図ることが可能である。

また、本発明の一態様では、前記ｙ軸成分が、前記第１自由曲面ミラーと前記第２自由曲面ミラーの間において結像される。

また、本発明の一態様では、前記第２自由曲面ミラーで反射された前記照射光の結像位置は、前記ｘ軸成分および前記ｙ軸成分で同じである
また、本発明の一態様では、前記画像照射部は、前記第１自由曲面ミラーと前記第２自由曲面ミラーの間において、前記照射光の伝搬する領域を避けた位置に配置される。

また、本発明の一態様では、一方の面に入射した前記第２自由曲面ミラーからの前記照射光を前記視点の方向に対して反射し、他方の面に入射した外部からの光を前記視点の方向に対して透過する透過反射部を備える。

また、本発明の一態様では、前記透過反射部は、車両のウィンドシールドである。

本発明では、画像照射部からの照射光を複数の自由曲面ミラーで反射して視点に到達させても、空間を有効利用して省スペース化を図ることが可能な画像投影装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る画像投影装置の構成を示す模式図であり、図１（ａ）は模式上面図であり、図１（ｂ）は模式側面図である。 第１実施形態の画像投影装置における光学部材の配置と基準光線について示す模式図である。 自由曲面ミラーにおける基準光線とローカル座標について示す模式図であり、図３（ａ）は自由曲面ミラー２０について示し、図３（ｂ）は自由曲面ミラー３０について示している。 第１実施形態における画像照射部１０、自由曲面ミラー２０，３０の配置を示す模式図であり、図４（ａ）は模式側面図であり、図４（ｂ）は模式上面図である。 第２実施形態における画像照射部１０、自由曲面ミラー２０，３０の配置を示す模式図であり、図５（ａ）は模式側面図であり、図５（ｂ）は模式上面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態に係る画像投影装置の構成を示す模式図であり、図１（ａ）は模式上面図であり、図１（ｂ）は模式側面図である。図１に示すように画像投影装置は、画像照射部１０と、自由曲面ミラー２０，３０と、ウィンドシールド４０を備えており、視点５０位置からウィンドシールド４０を介して虚像６０を視認させるものである。

画像照射部１０は、情報処理部（図示省略）から画像情報を含んだ信号が供給されることで画像情報を含んだ照射光を照射する装置である。画像照射部１０から照射された照射光は自由曲面ミラー２０に入射する。画像照射部１０としては、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置、マイクロＬＥＤ表示装置、レーザ光源を用いたプロジェクター装置等が挙げられる。

自由曲面ミラー２０は、画像照射部１０から照射された照射光が入射し、自由曲面ミラー３０方向に反射する凹面鏡であり、本発明における第１自由曲面ミラーに相当している。自由曲面ミラー２０の反射面は、後述するように面内におけるｘ軸成分とｙ軸成分において焦点距離が異なっており、ｘ軸成分またはｙ軸成分のどちらか一方のみが自由曲面ミラー３０に到達する前に中間結像するように設定されている。

自由曲面ミラー３０は、自由曲面ミラー２０で反射された照射光が入射し、ウィンドシールド４０方向に反射する凹面鏡であり、本発明における第２自由曲面ミラーに相当している。自由曲面ミラー３０の反射面も、面内におけるｘ軸成分とｙ軸成分において焦点距離が異なっており、自由曲面ミラー３０で反射された後に照射光のｘ軸成分とｙ軸成分が同じ位置で結像するように設定されている。

ウィンドシールド４０は、車両の運転席前方に設けられており、車両の内側面では自由曲面ミラー３０から入射した照射光を視点５０の方向に対して反射し、車両の外部からの光を視点５０の方向に対して透過する光学部材としての機能を有している。したがって、ウィンドシールド４０は本発明における透過反射部に相当している。ここでは透過反射部としてウィンドシールド４０を用いた例を示したが、ウィンドシールド４０とは別に透過反射部としてコンバイナーを用意し、自由曲面ミラー３０からの光を視点５０方向に反射するとしてもよい。また、車両の前方に位置するものに限定されず、搭乗者の視点５０に対して画像を投影するものであれば側方や後方に配置するとしてもよい。

視点５０は、車両の運転者または搭乗者の目（アイボックス）であり、照射光がアイボックスに入射して網膜に光が到達することで、運転者または搭乗者は結像された虚像６０を視認する。

虚像６０は、ウィンドシールド４０で反射された照射光が運転者等の視点（アイボックス）５０に到達した際に、空間中に結像されたように表示される。虚像６０が結像される位置は、画像照射部１０から照射された光が、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０で反射された後に視点５０方向に進行する際の拡がり角度によって決まる。図１（ａ）（ｂ）に示したように、自由曲面ミラー３０で反射された照射光は、ウィンドシールド４０で反射された後に光束が拡大しながら視点５０に到達する。

このとき、視点５０の運転者または搭乗者は、ウィンドシールド４０よりも遠方の結像位置に虚像６０が存在するように認識する。ここで、虚像６０の結像位置は、主として自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の合成焦点距離に依存する。ウィンドシールド４０が平坦面ではなく曲面形状であったとしても、曲率半径が自由曲面ミラー２０および自由曲面ミラー３０と比較して大きいため、ウィンドシールド４０による光学的パワーの影響は無視できる程度である。

図２は、実施形態の画像投影装置における光学部材の配置と基準光線について示す模式図である。図２に示したように、画像照射部１０から照射された照射光は、自由曲面ミラー２０，３０およびウィンドシールド４０で反射されて視点５０に到達する。このとき、虚像６０を視認する方向から視点５０に到達する光の軌跡を基準光線とし、図２中に破線で示している。換言すると、この基準光線は画像照射部１０において、光が出射する有効領域の中央から照射された光が視点５０まで到達する際の軌跡とほぼ同じと見做せる。実際の照射光は、画像照射部１０から所定の面積で照射され、表示面の各位置から光束が拡がる光であり、自由曲面ミラー２０および自由曲面ミラー３０の反射面による正のパワーで集光される。よって、図２に示した基準光線は、画像照射部１０の全領域での照射光が進行する経路を示しているものではない。また、基準光線に沿った自由曲面ミラー２０から自由曲面ミラー３０の距離をＤとする。

図３は、自由曲面ミラーにおける基準光線とローカル座標について示す模式図であり、図３（ａ）は自由曲面ミラー２０について示し、図３（ｂ）は自由曲面ミラー３０について示している。図３（ａ）（ｂ）に示した破線は、図２において破線で示した照射光の基準光線である。また、基準光線のうち自由曲面ミラー２０および自由曲面ミラー３０に照射光が入射する方向を入射光線とし、反射する方向を反射光線としている。

図３（ａ）（ｂ）に示すように、自由曲面ミラー２０における基準光線の反射方向をｚ軸と定義する。また、自由曲面ミラー３０における基準光線の反射方向およびｚ軸を含む面内において、ｚ軸と垂直な方向をｙ軸と定義する。また、ｙ軸およびｚ軸に垂直な方向をｘ軸と定義する。

自由曲面ミラー２０は、ｘ軸方向とｙ軸方向で異なる曲率を有する曲面を有しており、反射された照射光はｘ軸成分とｙ軸成分で異なる焦点距離に集光され、ｘ軸成分またはｙ軸成分のどちらか一方のみが、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間において中間結像される。図１に示した例では、車両の略水平方向がｘ軸方向であり、略垂直方向がｙ軸となる。したがって照射光は、車両の水平方向であるｘ軸成分、または垂直方向であるｙ軸成分のどちらか一方のみが中間結像される。

ここで、画像照射部１０から自由曲面ミラー２０に対して平行光が入射した場合に、自由曲面ミラー２０による正のパワーを受けた光が焦点を結ぶ位置までの距離を焦点距離ｆ１とすると、ｘ軸成分における焦点距離はｆｘ１であり、ｙ軸成分における焦点距離はｆｙ１である。よって、基準光線に沿った自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の距離Ｄと比較すると、０＜ｆｙ１≦Ｄ≦ｆｘ１または０＜ｆｘ１≦Ｄ≦ｆｙ１の関係式を満たしている。

同様に、自由曲面ミラー３０も、ｘ軸方向とｙ軸方向で異なる曲率を有する曲面を有しており、反射された照射光はｘ軸成分とｙ軸成分で異なる焦点距離を有している。ここで、自由曲面ミラー３０に対して平行光が入射した場合に、自由曲面ミラー３０による正のパワーを受けた光が焦点を結ぶ位置までの距離を焦点距離ｆ２とすると、ｘ軸成分における焦点距離はｆｘ２であり、ｙ軸成分における焦点距離はｆｙ２である。

上述したように自由曲面ミラー２０での焦点距離ｆｘ１と焦点距離ｆｙ１は、どちらか一方のみが自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間で中間結像するように設定されている。自由曲面ミラー３０での焦点距離ｆｘ２と焦点距離ｆｙ２は、自由曲面ミラー３０で反射された後の照射光がｘ軸成分とｙ軸成分で同じ位置に結像されるように設定されている。これにより、視点５０で視認する虚像６０は、ｘ軸成分とｙ軸成分で同じ位置に結像されたものとなり、虚像６０を結像位置に存在する画像として適切に認識することができる。また、自由曲面ミラー３０の曲面形状を適切に設定することで、自由曲面ミラー２０で反射された照射光に生じた収差を補正することもできる。

図４は、本実施形態における画像照射部１０、自由曲面ミラー２０，３０の配置を示す模式図であり、図４（ａ）は模式側面図であり、図４（ｂ）は模式上面図である。図４（ａ）（ｂ）に示したように本実施形態では、自由曲面ミラー２０によって反射された照射光は、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間において、ｙ軸成分がｆの位置に結像されｘ軸成分は結像されない。

したがって、図４（ａ）に破線で示したように、画像照射部１０の表示面全体から照射された照射光は、自由曲面ミラー２０で反射された後にｙ軸方向では位置ｆに集光され、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間においてｙ軸方向の空間内に光学部材を配置するスペースが存在する。これにより、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間において照射光の伝搬する領域を避けた位置に画像照射部１０を配置することが可能である。また、図４（ａ）に示したように、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間に画像照射部１０を部分的に割り込ませることで、空間を有効利用して省スペース化を図ることができる。

仮に画像投影装置において、照射光のｘ軸成分およびｙ軸成分の両者を中間結像させた場合には、ｘ軸成分およびｙ軸成分の両者で収差が大きくなり、自由曲面ミラー３０で収差を補正するための難易度が高くなってしまう。また、ｘ軸成分およびｙ軸成分の両者を中間結像させるためには、自由曲面ミラー２０のｘ軸方向およびｙ軸方向での曲率半径を小さくする必要があるため、自由曲面ミラー２０での厚さ方向の変位が大きくなり、画像投影装置の小型化が困難になる。

それに対して本実施形態では、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間において、照射光のｘ軸成分またはｙ軸成分のどちらか一方のみを中間結像させる構成としている。これにより、自由曲面ミラー２０の正のパワーで生じる収差についても、ｘ軸成分またはｙ軸成分のどちらか一方のみが大きくなり、自由曲面ミラー３０で収差を補正するための光学的設計が簡便になる。また、自由曲面ミラー２０のｘ軸方向またはｙ軸方向では曲率半径を大きくすることができるため、自由曲面ミラー２０での厚さ方向の変位を小さくして、画像投影装置の小型化を図ることができる。

また図４（ｂ）に示すように、本実施形態では画像照射部１０と自由曲面ミラー２０はｘ軸方向での中心位置を略一致させており、照射光の基準光線はｙｚ平面内でのみの経路となり、ｘ軸方向での変位は無い。これにより、自由曲面ミラー２０でのｘ軸成分の収差を小さくすることができる。また、自由曲面ミラー３０からウィンドシールド４０までの基準光線もｙｚ平面内でのみの経路であり、ｙ軸成分の変位を考慮するだけでよいため収差補正が容易となる。

上述したように、本実施形態の画像投影装置では、自由曲面ミラー２０が照射光のｘ軸成分またはｙ軸成分のどちらか一方のみを自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間において結像することで、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間の空間内に光学部材を配置するスペースを確保することができ、空間を有効利用して省スペース化を図ることが可能である。また、画像投影装置の収差補正が容易になり、小型化を図ることも可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図５は、本実施形態における画像照射部１０、自由曲面ミラー２０，３０の配置を示す模式図であり、図５（ａ）は模式側面図であり、図５（ｂ）は模式上面図である。

図５（ａ）（ｂ）に示したように本実施形態では、自由曲面ミラー２０によって反射された照射光は、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間において、ｘ軸成分がｆの位置に結像されｙ軸成分は結像されない。

したがって、図５（ａ）に破線で示したように、画像照射部１０の表示面全体から照射された照射光は、自由曲面ミラー２０で反射された後にｘ軸方向では位置ｆに集光され、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間においてｘ軸方向の空間内に光学部材を配置するスペースが存在する。これにより、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間において照射光の伝搬する領域を避けた位置に画像照射部１０を配置することが可能である。また、図５（ｂ）に示したように、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間に画像照射部１０を部分的に割り込ませることで、空間を有効利用して省スペース化を図ることができる。

本実施形態では、画像照射部１０から自由曲面ミラー２０までの間で基準光線がｘ軸方向で変位し、自由曲面ミラー２０から自由曲面ミラー３０、ウィンドシールド４０および視点５０までの間はｘ軸方向で変位しない。したがって、第１実施形態の場合よりも、自由曲面ミラー３０でのｘ軸成分の収差補正が困難になるが、一般的に画像投影装置は横長の画像を投影する場合が多いため、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間に確保できるスペースを大きくすることができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１０…画像照射部
２０，３０…自由曲面ミラー
４０…ウィンドシールド
５０…視点
６０…虚像

Claims (6)

1. 画像を含んだ照射光を照射する画像照射部と、前記画像照射部から入射した前記照射光を反射する第１自由曲面ミラーと、前記第１自由曲面ミラーから入射した前記照射光を反射して視点に到達させる第２自由曲面ミラーを備え、
   前記画像照射部から前記視点までの前記照射光の光路を基準光線とし、
   前記第１自由曲面ミラーにおける前記基準光線の反射方向をｚ軸とし、
   前記第２自由曲面ミラーにおける前記基準光線および前記ｚ軸を含む面内において前記ｚ軸と垂直な方向をｙ軸とし、
   前記ｙ軸および前記ｚ軸に垂直な方向をｘ軸としたとき、
   前記第１自由曲面ミラーで反射された前記照射光は、ｘ軸成分またはｙ軸成分のどちらか一方のみが、前記第１自由曲面ミラーと前記第２自由曲面ミラーの間において結像されることを特徴とする画像投影装置。
2. 請求項１に記載の画像投影装置であって、
   前記ｙ軸成分が、前記第１自由曲面ミラーと前記第２自由曲面ミラーの間において結像されることを特徴とする画像投影装置。
3. 請求項１または２に記載の画像投影装置であって、
   前記第２自由曲面ミラーで反射された前記照射光の結像位置は、前記ｘ軸成分および前記ｙ軸成分で同じであることを特徴とする画像投影装置。
4. 請求項１から３の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
   前記画像照射部は、前記第１自由曲面ミラーと前記第２自由曲面ミラーの間において、前記照射光の伝搬する領域を避けた位置に配置されることを特徴とする画像投影装置。
5. 請求項１から４の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
   一方の面に入射した前記第２自由曲面ミラーからの前記照射光を前記視点の方向に対して反射し、他方の面に入射した外部からの光を前記視点の方向に対して透過する透過反射部を備えることを特徴とする画像投影装置。
6. 請求項５に記載の画像投影装置であって、
   前記透過反射部は、車両のウィンドシールドであることを特徴とする画像投影装置。