DE112022001906T5

DE112022001906T5 - Bildprojektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE112022001906T5
Application number: DE112022001906.9T
Authority: DE
Inventors: Kazuomi Murakami; Takanobu TOYOSHIMA
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2024-01-11
Also published as: CN116997843A; WO2022210363A1; JP2022156071A

Abstract

Es wird eine Bildprojektionsvorrichtung vorgesehen, die eine durch externes Licht verursachte Temperaturerhöhung einer Bildprojektionseinheit effektiv beschränken und gleichzeitig die Qualität eines projizierten Bilds aufrechterhalten kann. Die Bildprojektionsvorrichtung umfasst eine Bildprojektionseinheit (10), die konfiguriert ist zum Emittieren eines Projektionslichts mit einem darin enthaltenen Bild, einen ersten gekrümmten Freiformspiegel (20), der das von der Bildprojektionseinheit (10) einfallende Projektionslicht reflektiert, einen mittleren Spiegel (30), der das von dem ersten gekrümmten Freiformspiegel (20) einfallende Projektionslicht reflektiert, und einen zweiten gekrümmten Freiformspiegel (40), der das von dem mittleren Spiegel (30) einfallende Projektionslicht reflektiert und veranlasst, dass das Projektionslicht einen Sichtpunkt (60) erreicht. Eine Komponente in wenigstens einer Abbildungsachsenrichtung des durch den ersten gekrümmten Freiformspiegel (20) reflektierten Projektionslichts erzeugt ein Bild an einer mittleren Abbildungsposition, bevor das Projektionslicht den zweiten gekrümmten Freiformspiegel (40) erreicht, und der mittlere Spiegel (30) ist an der mittleren Abbildungsposition angeordnet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Bildprojektionsvorrichtung und insbesondere eine Bildprojektionsvorrichtung, die veranlasst, dass ein Projektionslicht von einer Bildprojektionseinheit durch eine Vielzahl von gekrümmten Freiformspiegeln reflektiert wird und einen Sichtpunkt erreicht.
STAND DER TECHNIK
Im Stand der Technik wird ein Armaturenbrett, das ein Symbol durch Leuchten anzeigt, als eine Vorrichtung für das Anzeigen von verschiedenen Informationen in einem Fahrzeug verwendet. Mit der stetigen Zunahme der anzuzeigenden Informationen wurde das Einbetten einer Bildanzeigevorrichtung in dem Armaturenbrett oder das Konfigurieren des gesamten Armaturenbretts als einer Bildanzeigevorrichtung vorgeschlagen.
Weil jedoch das Armaturenbrett unterhalb der Frontscheibe (Windschutzscheibe) des Fahrzeugs angeordnet ist, muss ein Fahrer seine Sichtlinie während des Fahrens nach unten bewegen, um die auf dem Armaturenbrett angezeigten Informationen zu sehen, was nicht wünschenswert ist. Deshalb wurde eine Bildprojektionsvorrichtung wie etwa ein Head-Up-Display (nachfolgend als HUD abgekürzt) vorgeschlagen, die ein Bild auf die Frontscheibe projiziert, sodass ein Fahrer Informationen lesen kann, während er vor das Fahrzeug blickt.
Bei einer derartigen Bildprojektionsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik emittiert eine Bildprojektionseinheit Projektionslicht mit einem darin enthaltenen Bild und wird veranlasst, dass ein oder mehrere gekrümmte Freiformspiegel das Projektionslicht reflektieren, sodass das Projektionslicht eine Sichtpunktposition eines Fahrers oder einer anderen Person derart erreicht, dass das Bild in einem Raum erzeugt wird. Dementsprechend kann der Fahrer oder die andere Person, weil das Projektionslicht auf den Sichtpunkt einfällt, das Bild so wahrnehmen, als ob es bei einer Abbildungsposition in einer Tiefenrichtung angezeigt werden würde.
Wenn jedoch in der gekrümmte Freiformspiegel verwendenden Bildprojektionsvorrichtung Sonnenlicht oder ähnliches als externes Licht von außen einfällt, kann das externe Licht durch die gekrümmten Freiformspiegel auf die Oberfläche der Bildprojektionseinheit fokussiert werden, sodass die Wahrscheinlichkeit einer durch eine Temperaturerhöhung der Bildprojektionseinheit verursachten Beschädigung gegeben ist. Deshalb wurde auch ein Verfahren vorgeschlagen, in dem das Projektionslicht ein Bild mitten zwischen einer Vielzahl von gekrümmten Freiformspiegeln erzeugt und ein Lichtblockierungsteil oder ein Infrarotabschneidungsfilter in Nachbarschaft zu einer mittleren Abbildungsposition angeordnet ist, um den Einfluss eines die Bildprojektionseinheit von außen erreichenden externen Lichts zu reduzieren (siehe zum Beispiel die Patentliteraturen 1 und 2).
Referenzliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: WO 2017/195740
Patentliteratur 2: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2017-173557 ( JP 2017-173557A ).

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Jedoch kann in einem Aufbau, der einen in der Patentliteratur 1 beschriebenen Lichtblockierungsteil verwendet, externes Licht, das die Bildprojektionseinheit durch einen für das Sichern eines optischen Pfads des Projektionslicht vorgesehenen Raum hindurch erreicht, nicht blockiert werden, wodurch die Einfallsbeschränkung für das externe Licht begrenzt wird. Außerdem tritt in einem Aufbau, der ein in der Patentliteratur 2 beschriebenes Infrarotabschneidungsfilter verwendet, eine Aberration auf, wenn das Projektionslicht durch das Infrarotabschneidungsfilter hindurchgeht, sodass das Problem einer Verminderung der Qualität des projizierten Bilds gegeben ist.
Die Erfindung nimmt auf die vorstehend geschilderten Probleme aus dem Stand der Technik Bezug und sieht eine Bildprojektionsvorrichtung vor, die eine durch externes Licht verursachte Temperaturerhöhung einer Bildprojektionseinheit effektiv beschränkt und dennoch die Qualität des projizierten Bilds aufrechterhält.
Um das oben geschilderte Problem zu lösen, wird gemäß der Erfindung eine Bildprojektionsvorrichtung vorgesehen, die umfasst: eine Bildprojektionseinheit, die Projektionslicht mit einem darin enthaltenen Bild emittiert; einen ersten gekrümmten Freiformspiegel, der das auf die Bildprojektionseinheit einfallende Projektionslicht reflektiert; einen mittleren Spiegel, der das von dem ersten gekrümmten Freiformspiegel einfallende Projektionslicht reflektiert; und einen zweiten gekrümmten Freiformspiegel, der das von dem mittleren Spiegel einfallende Projektionslicht reflektiert und veranlasst, dass das Projektionslicht einen Sichtpunkt erreicht; wobei eine Komponente in wenigstens einer Abbildungsachsenrichtung des durch den ersten gekrümmten Freiformspiegel reflektierten Projektionslichts ein Bild an einer mittleren Abbildungsposition erzeugt, bevor das Projektionslicht den zweiten gekrümmten Freiformspiegel erreicht; und wobei der mittlere Spiegel an der mittleren Abbildungsposition angeordnet ist.
Weil in der Bildprojektionsvorrichtung gemäß der Erfindung der mittlere Spiegel an der mittleren Abbildungsposition des ersten gekrümmten Freiformspiegels angeordnet ist, wird externes Licht, das die Bildprojektionseinheit erreicht, durch externes Licht, das durch den zweiten gekrümmten Freiformspiegel, den mittleren Spiegel und den ersten gekrümmten Freiformspiegel reflektiert wird, beschränkt. Dementsprechend kann das externe Licht, das die Bildprojektionseinheit 10 erreicht, reduziert werden und kann eine durch das externe Licht verursachte Temperaturerhöhung der Bildprojektionseinheit effektiv beschränkt werden, während gleichzeitig die Qualität des projizierten Bilds aufrechterhalten wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Länge in der Abbildungsachsenrichtung des mittleren Spiegels kleiner als die Länge in der Abbildungsachsenrichtung in einem effektiven Bestrahlungsbereich der Bildprojektionseinheit sein.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der mittlere Spiegel ein planarer Spiegel sein, der eine im Wesentlichen flache Reflexionsfläche aufweist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der mittlere Spiegel ein kalter Spiegel sein, der aus einer dielektrischen Multischicht ausgebildet ist, sichtbares Licht reflektiert und Infrarotlicht und/oder Ultraviolettlicht durchlässt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann externes Licht, das auf den zweiten gekrümmten Freiformspiegel in einer Reflexionsrichtung des Projektionslichts von dem zweiten gekrümmten Freiformspiegel einfällt, durch den zweiten gekrümmten Freiformspiegel reflektiert und dann an einer Position weiter weg als der mittlere Spiegel fokussiert werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Referenzlichtstrahl des Projektionslichts von der Bildprojektionseinheit zu dem zweiten gekrümmten Freiformspiegel die gleiche Ausbreitungsebene bilden und kann die Abbildungsachsenrichtung in der Ausbreitungsebene enthalten sein.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Polarisationsfilter, der eine Komponente in einer Polarisationsrichtung des Projektionslichts durchlässt, an einem optischen Pfad des Projektionslichts von der Bildprojektionseinheit zu dem zweiten gekrümmten Freiformspiegel vorgesehen sein.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Polarisationsfilter einstückig mit dem mittleren Spiegel ausgebildet sein.
Gemäß der Erfindung kann eine Bildprojektionsvorrichtung vorgesehen werden, die eine durch externes Licht verursachte Temperaturerhöhung einer Bildprojektionseinheit effektiv beschränkt und gleichzeitig die Qualität eines projizierten Bilds aufrechterhält.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer Bildprojektionsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, wobei 1 (a) eine schematische Draufsicht ist und 1(b) eine schematische Seitenansicht ist.
2 ist eine schematische Ansicht, die eine Anordnung von optischen Gliedern und einen Referenzlichtstrahl in der Bildprojektionsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
3 ist eine schematische Ansicht, die einen Referenzlichtstrahl und ein lokales Koordinatensystem in einem gekrümmten Freiformspiegel 20 zeigt.
4 ist eine schematische Ansicht, die eine Reflexion von Licht an einem mittleren Spiegel 30 zeigt, wobei 4(a) einen Pfad eines Projektionslichts zeigt und 4(b) einen Pfad eines externen Lichts zeigt.
5 ist eine schematische Ansicht, die die Form des mittleren Spiegels 30 und Bestrahlungsbereiche des Projektionslichts und des externen Lichts zeigt.
6 ist eine schematische Ansicht, die die Form des mittleren Spiegels 30 und Bestrahlungsbereiche des Projektionslichts und des externen Lichts in einer Bildprojektionsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
(Erste Ausführungsform)
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Gleiche oder einander entsprechende Elemente, Glieder und Prozesse in den Zeichnungen werden durchgehend durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei auf eine wiederholte Beschreibung derselben verzichtet wird. 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer Bildprojektionsvorrichtung gemäß der Ausführungsform zeigt, wobei 1 (a) eine schematische Draufsicht ist und 1 (b) eine schematische Seitenansicht ist. Wie in 1 gezeigt, enthält die Bildprojektionsvorrichtung eine Bildprojektionseinheit 10, gekrümmte Freiformspiegel 20 und 40, einen mittleren Spiegel 30 und eine Windschutzscheibe 50 und ermöglicht, dass ein virtuelles Bild 70 von einer Sichtposition 60 durch die Windschutzscheibe 50 gesehen wird.
Die Bildprojektionseinheit 10 ist eine Vorrichtung, die Projektionslicht mit darin enthaltenen Bildinformationen in Reaktion auf die Zufuhr eines Signals mit den darin enthaltenen Bildinformationen von einer Informationsverarbeitungseinheit (nicht gezeigt) emittiert. Das von der Bildprojektionseinheit 10 emittierte Projektionslicht fällt auf dem gekrümmten Freiformspiegel 20 ein. Beispiele für die Bildprojektionseinheit 10 sind eine Flüssigkristallanzeige, eine organische EL-Anzeige, eine Mikro-LED-Anzeige und ein Projektor, der eine Laserlichtquelle verwendet.
Der gekrümmte Freiformspiegel 20 ist ein konkaver Spiegel, auf dem von der Bildprojektionseinheit 10 emittiertes Projektionslicht einfällt und der das einfallende Projektionslicht zu dem mittleren Spiegel 30 reflektiert, und entspricht einem ersten gekrümmten Freiformspiegel der Erfindung. Eine Reflexionsfläche des gekrümmten Freiformspiegels 20 ist derart gesetzt, dass wenigstens eine x-Achsenkomponente und eine y-Achsenkomponente auf der Oberfläche dazwischen ein Bild an einer Position des mittleren Spiegels 30 erzeugt, was weiter unten beschrieben wird.
Der mittlere Spiegel 30 ist ein Reflexionsspiegel, auf dem durch den gekrümmten Freiformspiegel 20 reflektiertes Projektionslicht einfällt und der das einfallende Projektionslicht zu dem gekrümmten Freiformspiegel 40 reflektiert. Der mittlere Spiegel 30 kann ein konkaver Spiegel, ein konvexer Spiegel oder ein planarer Spiegel sein, aber weil der optische Aufbau und die Aberrationskorrektur kompliziert sind und die Kosten erhöht sind, wenn ein konkaver Spiegel oder ein konvexer Spiegel verwendet wird, wird vorzugsweise ein planarer Spiegel mit einer im Wesentlichen flachen Reflexionsfläche verwendet. Der mittlere Spiegel weist eine Größe und Form auf, mit der das gesamte durch den gekrümmten Freiformspiegel 20 reflektierte Projektionslicht reflektiert werden kann.
Vorzugsweise wird ein kalter Spiegel, der durch eine dielektrische Multischicht gebildet wird, sichtbares Licht reflektiert und Infrarotlicht und/oder Ultraviolettlicht durchlässt, als der mittlere Spiegel 30 verwendet. Wenn der mittlere Spiegel 30 durch einen kalten Spiegel gebildet wird, kann Projektionslicht einschließlich von sichtbarem Licht für das Projizieren eines virtuellen Bilds 70 reflektiert werden, um ein Bild zu erzeugen. Weil der durch einen kalten Spiegel gebildete mittlere Spiegel das in dem externen Licht enthaltene Infrarotlicht und/oder Ultraviolettlicht nicht reflektiert, sondern durchlässt, erreichen das Infrarotlicht und/oder Ultraviolettlicht nicht die Bildprojektionseinheit 10 über den gekrümmten Freiformspiegel 20 wie weiter unten beschrieben, sodass eine Temperaturerhöhung der Bildprojektionseinheit 10 beschränkt werden kann.
Der gekrümmte Freiformspiegel 40 ist ein konkaver Spiegel, auf den das durch den mittleren Spiegel 30 reflektierte Projektionslicht einfällt und der das einfallende Projektionslicht zu der Windschutzscheibe 50 reflektiert, und entspricht einem zweiten gekrümmten Freiformspiegel der Erfindung. Eine Reflexionsfläche des gekrümmten Freiformspiegels 40 ist also derart gesetzt, dass Brennweiten für eine x-Achsenkomponente und eine y-Achsenkomponente an der Oberfläche verschieden sind und die x-Achsenkomponente und die y-Achsenkomponente ein Bild an der gleichen Position bilden, nachdem das Projektionslicht durch den gekrümmten Freiformspiegel 40 reflektiert wurde.
Die Windschutzscheibe 50 ist vor dem Fahrersitz des Fahrzeugs vorgesehen und weist eine Funktion eines Durchlass- und Reflexionsteils auf, der das von dem gekrümmten Freiformspiegel 40 einfallende Projektionslicht zu dem Sichtpunkt 60 reflektiert und Licht von außerhalb des Fahrzeugs zu dem Sichtpunkt 60 auf der Oberfläche im Inneren des Fahrzeugs durchlässt. Dabei wird die Windschutzscheibe 50 als der Durchlass- und Reflexionsteil verwendet, wobei aber auch ein Combiner als der Durchlass- und Reflexionsteil separat zu der Windschutzscheibe 50 vorgesehen sein kann, sodass Licht von dem gekrümmten Freiformspiegel 40 zu dem Sichtpunkt 60 reflektiert wird. Der Durchlass- und Reflexionsteil ist nicht auf eine Anordnung an der vorderen Seite des Fahrzeugs beschränkt und kann auch auf einer lateralen Seite oder auf der hinteren Seite vorgesehen sein, solange er ein Bild zu dem Sichtpunkt 60 eines Insassen projiziert.
Der Sichtpunkt 60 ist ein Auge eines Fahrers oder eines anderen Insassen des Fahrzeugs, wobei der Fahrer oder Insasse ein erzeugtes virtuelles Bild 70 erkennt, wenn das Projektionslicht auf das Auge fällt und die Netzhaut erreicht.
Das virtuelle Bild 70 wird für eine Erzeugung in einem Raum angezeigt, wenn durch die Windschutzscheibe 50 reflektiertes Projektionslicht den Sichtpunkt (das Auge) 60 des Fahrers usw. erreicht. Die Position, an der das virtuelle Bild 70 erzeugt wird, wird durch einen Spreizwinkel bestimmt, wenn sich das von der Bildprojektionseinheit 10 emittierte Licht zu dem Sichtpunkt 60 ausbreitet, nachdem es durch den gekrümmten Freiformspiegel 20, den mittleren Spiegel 30 und den gekrümmten Freiformspiegel 40 reflektiert wurde. Wie in 1 (a) und 1 (b) gezeigt, wird das durch den gekrümmten Freiformspiegel 40 reflektierte Projektionslicht durch die Windschutzscheibe 50 reflektiert und erreicht dann den Sichtpunkt 60, während ein Lichtstrahl gespreizt wird.
Zu diesem Zeitpunkt erkennt der Fahrer oder Insasse des Sichtpunkts 60 das virtuelle Bild 70 so, als ob dieses an einer Abbildungsposition weiter hinter der Windschutzscheibe 50 vorhanden wäre. Dabei hängt die Abbildungsposition des virtuellen Bilds 70 vor allem von einer kombinierten Brennweite des gekrümmten Freiformspiegels 20, des mittleren Spiegels 30 und des gekrümmten Freiformspiegels 40 ab. Auch wenn die Windschutzscheibe 50 keine flache Oberfläche, sondern eine gekrümmte Oberfläche aufweist, ist der Krümmungsradius größer als derjenige des gekrümmten Freiformspiegels 20 und des gekrümmten Freiformspiegels 40, sodass der Einfluss einer optischen Leistung der Windschutzscheibe 50 ignoriert werden kann.
2 ist eine schematische Ansicht, die eine Anordnung von optischen Gliedern und einen Referenzlichtstrahl in der Bildprojektionsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform zeigt. Wie in 2 gezeigt, wird das von der Bildprojektionseinheit 10 emittierte Projektionslicht durch die gekrümmten Freiformspiegel 20, den mittleren Spiegel 30, den gekrümmten Freiformspiegel 40 und die Windschutzscheibe 50 reflektiert und erreicht den Sichtpunkt 60. Dabei ist die Bahn des den Sichtpunkt 60 erreichenden Lichts in der Richtung, in der das virtuelle Bild 70 gesehen wird, als ein Referenzlichtstrahl definiert, der in 2 durch eine Strichlinie angegeben wird. Mit anderen Worten entspricht der Referenzlichtstrahl im Wesentlichen der Bahn des von der Mitte eines effektiven Bereichs für das Emittieren von Licht in der Bildprojektionseinheit 10 emittierten Lichts bis zum Erreichen des Sichtpunkts 60. Das tatsächliche Projektionslicht ist ein Licht, das mit einer vorbestimmten Fläche von der Bildprojektionseinheit 10 emittiert wird und von dem sich ein Lichtstrahl von Positionen der Emissionsfläche spreizt, wobei es dann mit einer positiven Leistung der Reflexionsflächen des gekrümmten Freiformspiegels 20 und des gekrümmten Freiformspiegels 40 fokussiert wird. Dementsprechend gibt der in 2 gezeigte Referenzlichtstrahl also keinen Pfad, entlang von welchem sich das Projektionslicht in dem gesamten Bereich der Bildprojektionseinheit 10 ausbreitet, an. Die Distanz von dem gekrümmten Freiformspiegel 20 zu dem mittleren Spiegel 30 entlang des Referenzlichtstrahls ist als D definiert.
3 ist eine schematische Ansicht, die einen Referenzlichtstrahl und ein lokales Koordinatensystem in dem gekrümmten Freiformspiegel 20 zeigt. Die Strichlinie in 3 gibt den durch die Strichlinie in 2 angegebenen Referenzlichtstrahl des Projektionslichts wieder. Der Referenzlichtstrahl in einer Richtung, in der das Projektionslicht auf den gekrümmten Freiformspiegel 20 einfällt, ist als ein einfallender Lichtstrahl definiert, und der Referenzlichtstrahl in einer Richtung, in der das Projektionslicht reflektiert wird, ist als ein reflektierter Lichtstrahl definiert.
Wie in 3 gezeigt, ist die Reflexionsrichtung des Referenzlichtstrahls in dem gekrümmten Freiformspiegle 20 als eine z-Achse definiert. Eine Richtung senkrecht zu der z-Achse in einer Ebene, die die Einfallsrichtung des Referenzlichtstrahls enthält, und der z-Achse in dem gekrümmten Freiformspiegel 20 ist als eine y-Achse definiert. Eine Richtung senkrecht zu der y-Achse und der z-Achse ist als eine x-Achse definiert.
Der gekrümmte Freiformspiegel 20 umfasst eine gekrümmte Fläche, die verschiedene Krümmungen in der x-Achsenrichtung und der y-Achsenrichtung aufweist, und das von ihm reflektierte Projektionslicht wird auf verschiedene Brennweiten für eine x-Achsenkomponente und eine y-Achsenkomponente fokussiert. In dieser Ausführungsform erzeugt wenigstens eine der x-Achsenkomponente und der y-Achsenkomponente dazwischen ein Bild an einer mittleren Abbildungsposition, die durch die Distanz D entlang des Referenzlichtstrahls von dem gekrümmten Freiformspiegel 20 beabstandet ist. Wenn dabei paralleles Licht auf dem gekrümmten Freiformspiegel 20 von der Bildprojektionseinheit 10 einfällt und die Distanz zu einer Position, an welcher das der positiven Leistung des gekrümmten Freiformspiegels 20 unterworfene Licht fokussiert wird, als eine Brennweite f1 definiert ist, ist die Brennweite der x-Achsenkomponente als fx1 definiert und ist die Brennweite der y-Achsenkomponente als fy1 definiert. Dementsprechend ist die mittlere Abbildungsposition, die durch die Distanz D entlang des Referenzlichtstrahls von dem gekrümmten Freiformspiegel 20 beabstandet ist, im Wesentlichen gleich der Brennweite fx1 oder fx2 des gekrümmten Freiformspiegels 20.
Dabei ist eine Axialrichtung der x-Achsenkomponente oder der y-Achsenkomponente, die ein Bild an der mittleren Abbildungsposition erzeugen, als eine Abbildungsachsenrichtung definiert. Wenn also die x-Achsenkomponente des Projektionslichts ein Bild an der mittleren Abbildungsposition der Brennweite fx1 erzeugt, ist die x-Achsenrichtung die Abbildungsachsenrichtung. Wenn die y-Achsenkomponente ein Bild an der mittleren Abbildungsposition der Brennweite fy1 erzeugt, ist die y-Achsenrichtung die Abbildungsachsenrichtung. Die Abbildungsachsenrichtung, in der ein Bild an der mittleren Abbildungsposition erzeugt wird, kann wenigstens eine mittlere Abbildungsposition sein, wobei ein Bild an der gleichen mittleren Abbildungsposition für die x-Achsenrichtung und die y-Achsenrichtung erzeugt werden kann.
Wenn jedoch ein Bild an der mittleren Abbildungsposition für sowohl die x-Achsenrichtung als auch die y-Achsenrichtung erzeugt wird, vergrößern sich Aberrationen für die x-Achsenkomponente und die y-Achsenkomponente und erhöht sich der Schwierigkeitsgrad für das Korrigieren von Aberrationen unter Verwendung des gekrümmten Freiformspiegels 40. Weil die Krümmungsradien in der x-Achsenrichtung und der y-Achsenrichtung des gekrümmten Freiformspiegels 20 vermindert werden müssen, um dazwischen ein Bild für die x-Achsenkomponente und die y-Achsenkomponente zu erzeugen, wird die Distanz zwischen dem gekrümmten Freiformspiegel 40 und dem gekrümmten Freiformspiegel 20 vergrößert und wird dadurch eine Verminderung in der Größe der Bildprojektionsvorrichtung erschwert.
Wenn dagegen eine Konfiguration verwendet wird, in der nur eine der x-Achsenkomponente und der y-Achsenkomponente des Projektionslichts ein Bild an der mittleren Abbildungsposition erzeugt, wird eine durch die positive Leistung des gekrümmten Freiformspiegels 20 erzeugte Aberration für nur die x-Achsenkomponente oder die y-Achsenkomponente vergrößert und wird der optische Aufbau für das Korrigieren einer Aberration unter Verwendung des gekrümmten Freiformspiegels 40 vereinfacht. Weil der Krümmungsradius in der x-Achsenrichtung oder der y-Achsenrichtung des gekrümmten Freiformspiegels 20 vergrößert werden kann, kann eine Verminderung der Größe der Bildprojektionsvorrichtung durch eine Verschiebung in der Dickenrichtung des gekrümmten Freiformspiegels 20 erzielt werden.
Entsprechend umfasst der gekrümmte Freiformspiegel 40 eine gekrümmte Fläche mit verschiedenen Krümmungen in der x-Achsenrichtung und der y-Achsenrichtung und weist das davon reflektierte Projektionslicht verschiedene Brennweiten für die x-Achsenkomponente und die y-Achsenkomponente auf. Wenn paralleles Licht auf dem gekrümmten Freiformspiegel 40 einfällt und die Distanz zu einer Position, an der das der positiven Leistung des gekrümmten Freiformspiegels 40 unterworfene Licht fokussiert wird, als eine Brennweite f2 definiert ist, ist die Brennweite der x-Achsenkomponente als fx2 definiert und ist die Brennweite der y-Achsenkomponente als fy2 definiert.
Wie weiter oben beschrieben, sind die Brennweite fx1 und die Brennweite fy1 in dem gekrümmten Freiformspiegel 20 derart gesetzt, dass wenigstens eine Komponente dazwischen ein Bild an der mittleren Abbildungsposition zwischen dem gekrümmten Freiformspiegel 20 und dem gekrümmten Freiformspiegel 40 erzeugt. Die Brennweite fx2 und die Brennweite fy2 in dem gekrümmten Freiformspiegle 40 sind derart gesetzt, dass die x-Achsenkomponente und die y-Achsenkomponente des durch den gekrümmten Freiformspiegel 40 reflektierten Projektionslichts ein Bild an der gleichen Position erzeugen. Dementsprechend ist das von dem Sichtpunkt 60 gesehene virtuelle Bild 70 ein Bild, das durch die x-Achsenkomponente und die y-Achsenkomponente an der gleichen Position erzeugt wird, wobei das virtuelle Bild 70 so erkannt werden kann, als ob es an der Abbildungsposition vorhanden wäre. Durch das entsprechende Auswählen der gekrümmten Oberflächenform des gekrümmten Freiformspiegels 40 kann eine in dem durch den gekrümmten Freiformspiegel 20 reflektierten Projektionslicht erzeugte Aberration korrigiert werden.
4 ist eine schematische Ansicht, die eine Reflexion von Licht in dem mittleren Spiegel 30 zeigt, wobei 4(a) einen Pfad des Projektionslichts zeigt und 4(b) einen Pfad des externen Lichts zeigt. In 4(a) und 4(b) ist die Zeichnungsebene eine yz-Ebene, die die x-Achsenrichtung und die z-Achsenrichtung von 3 enthält, und ist eine Richtung senkrecht zu der Zeichnungsebene die x-Achsenrichtung. In dem in 4 gezeigten Beispiel weist der Referenzlichtstrahl des Projektionslichts einen Pfad nur in der yz-Ebene und keine Verschiebung in der x-Achsenrichtung auf und ist die dazwischen ein Bild erzeugende Komponente des Projektionslichts die y-Achsenkomponente. Das heißt, dass der Referenzlichtstrahl des Projektionslichts von der Bildprojektionseinheit 10 zu dem gekrümmten Freiformspiegel 40 die gleiche Ausbreitungsebene bildet und die Abbildungsachsenrichtung in der Ausbreitungsebene enthalten ist. Dementsprechend kann eine Aberration der x-Achsenkomponente in dem gekrümmten Freiformspiegel 20 reduziert werden. Weil der Referenzlichtstrahl von dem gekrümmten Freiformspiegel 40 zu der Windschutzscheibe 50 einen Pfad in nur der yz-Ebene aufweist und nur eine in der yz-Ebene enthaltene Verschiebung der y-Achsenkomponente berücksichtigt werden muss, kann eine Korrektur einer Aberration bewerkstelligt werden.
Wie in 4(a) gezeigt, wird das von der Bildprojektionseinheit 10 emittierte Projektionslicht durch den gekrümmten Freiformspiegel 20 reflektiert und erzeugt die y-Achsenkomponente ein Bild an der mittleren Abbildungsposition wie durch die kreisförmige Markierung in der Zeichnung angegeben. Der mittlere Spiegel 30 ist an der mittleren Abbildungsposition angeordnet und reflektiert das Projektionslicht zu dem gekrümmten Freiformspiegel 40. Weil dabei die y-Achsenkomponente des Projektionslichts auf die mittlere Abbildungsposition fokussiert wird, um ein Bild zu erzeugen, kann die Länge in der Abbildungsachsenrichtung (der y-Achsenrichtung) des mittleren Spiegels 30 auf weniger als die Länge in der Abbildungsachsenrichtung eines effektiven Bestrahlungsbereichs der Bildprojektionseinheit 10 gesetzt werden.
Wie in 4(b) gezeigt, wird von außerhalb der Bildprojektionsvorrichtung einfallendes externes Licht durch den gekrümmten Freiformspiegel 40 reflektiert und erreicht den mittleren Spiegel 30. Dabei ist der mittlere Spiegel 30 an einer Position angeordnet, die dem gekrümmten Freiformspiegel 40 näher ist als die Position, an der das auf den gekrümmten Freiformspiegel 40 einfallende externe Licht fokussiert wird. Das auf den gekrümmten Freiformspiegel 40 in der Reflexionsrichtung des Projektionslichts in dem gekrümmten Freiformspiegel 40 einfallende Licht wird durch den gekrümmten Freiformspiegel 40 reflektiert und dann an einer Position weiter weg als der mittlere Spiegel 30 fokussiert. Das den mittleren Spiegel 30 erreichende externe Licht wird durch den mittleren Spiegel 30 zu dem gekrümmten Freiformspiegel 20 reflektiert und an einer durch eine kreisförmige Markierung in der Zeichnung angegebenen Fokusposition des externen Lichts fokussiert und erreicht dann den gekrümmten Freiformspiegel 20. In dem gekrümmten Freiformspiegel 20 wird externes Licht zu der Bildprojektionseinheit 10 reflektiert.
Weil dabei der mittlere Spiegel 30 an einer Position näher an dem gekrümmten Freiformspiegel 40 als die Fokusposition des gekrümmten Freiformspiegels 40 angeordnet ist, wirkt das durch den gekrümmten Freiformspiegel 40 zu dem mittleren Spiegel 30 reflektierte externe Licht auf einen breiteren Bereich als den mittleren Spiegel 30 ein. Dementsprechend vermindert sich das Verhältnis des durch den mittleren Spiegel 30 zu dem gekrümmten Freiformspiegel 20 reflektierten Lichts zu dem durch den gekrümmten Freiformspiegel 40 reflektierten externen Licht, wenn die Fläche des mittleren Spiegels 30 kleiner ist.
Der mittlere Spiegel 30 ist an der mittleren Abbildungsposition in dem gekrümmten Freiformspiegel 20 angeordnet, und durch den mittleren Spiegel 30 reflektiertes externes Licht wird zwischen dem mittleren Spiegel 30 und dem gekrümmten Freiformspiegel 20 fokussiert. Dementsprechend wirkt durch den gekrümmten Freiformspiegel 20 zu der Bildprojektionseinheit 10 reflektiertes externes Licht auf einen breiteren Bereich als die Bildprojektionseinheit 10 ein. Dadurch wird das Verhältnis des auf die Bildprojektionseinheit 10 einfallenden externen Lichts zu dem durch den gekrümmten Freiformspiegel 20 reflektierten externen Licht vermindert. Weil die Dichte des die Bildprojektionseinheit 10 erreichenden externen Lichts auch kleiner ist, kann die Wahrscheinlichkeit, dass externes Licht auf die Fläche der Bildprojektionseinheit 10 fokussiert wird und dadurch dessen Temperatur lokal erhöht und die Emissionsfläche beschädigt wird, reduziert werden.
5 ist eine schematische Ansicht, die die Form des mittleren Spiegels 30 und Bestrahlungsbereiche des Projektionslichts und des externen Lichts zeigt. Ein durch eine durchgezogene Linie in der Zeichnung angegebener Bereich gibt eine Reflexionsfläche des mittleren Spiegels 30 wieder. Ein in der Zeichnung schwarz gezeichneter Bereich gibt einen Bereich wieder, auf den das durch den gekrümmten Freiformspiegel 20 reflektierte und den mittleren Spiegel erreichende Projektionslicht einwirkt. Eine Strichlinie in der Zeichnung gibt einen Bereich an, auf den durch den gekrümmten Freiformspiegel 40 reflektiertes und den mittleren Spiegel 30 erreichendes externes Licht einwirkt. Die vertikale Richtung in der Zeichnung gibt die y-Achsenrichtung wieder und die horizontale Richtung gibt die x-Achsenrichtung wieder.
Weil wie in 5 gezeigt, die y-Achsenkomponente des den mittleren Spiegel 30 erreichenden Projektionslichts dazwischen ein Bild erzeugt, wird der Bestrahlungsbereich in der y-Achsenrichtung verschmälert. Der mittlere Spiegel 30 muss das gesamte Projektionslicht in seiner Reflexionsfläche aufnehmen, wobei das die Bildprojektionseinheit 10 erreichende externe Licht vermindert werden kann, wenn die Fläche des mittleren Spiegels 30 wie oben beschrieben kleiner ist. Dementsprechend kann das Verhältnis des externen Lichts, das durch die Strichlinie in dem Bestrahlungsbereich angegeben wird, vermindert werden, indem die Länge in der y-Achsenrichtung des mittleren Spiegels 30 verkleinert wird.
Wie weiter oben beschrieben, wird in der Bildprojektionsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform externes Licht, das die Bildprojektionseinheit 10 erreicht, durch externes Licht, das durch den gekrümmten Freiformspiegel 40, den mittleren Spiegel 30 und den gekrümmten Freiformspiegel 20 reflektiert wird, reduziert, indem der mittlere Spiegel 30 an der mittleren Abbildungsposition des gekrümmten Freiformspiegels 20 angeordnet wird. Dementsprechend kann das die Bildprojektionseinheit 10 erreichende externe Licht reduziert werden und kann eine durch das externe Licht verursachte Temperaturerhöhung der Bildprojektionseinheit 10 effektiv beschränkt werden, während gleichzeitig die Qualität des projizierten Bilds aufrechterhalten wird. Weil der mittlere Spiegel 30 an einer Position angeordnet ist, die dem gekrümmten Freiformspiegel 40 näher ist als die Fokusposition des externen Lichts in dem gekrümmten Freiformspiegel 40, kann eine Temperaturerhöhung beschränkt werden, indem das Verhältnis des durch den mittleren Spiegel 30 reflektierten Lichts zu dem durch den gekrümmten Freiformspiegel reflektierten Licht vermindert wird, das Verhältnis des die Bildprojektionseinheit 10 erreichenden externen Lichts zu dem durch den gekrümmten Freiformspiegel 20 reflektierten externen Licht vermindert wird und weiterhin das die Bildprojektionseinheit 10 insgesamt erreichende externe Licht vermindert wird.
(Zweite Ausführungsform)
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf 6 beschrieben. Dabei wird auf eine wiederholte Beschreibung von gleichen Details wie in der ersten Ausführungsform verzichtet. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Fläche des mittleren Spiegels 30 so klein wie möglich vorgesehen wird, indem die Form des mittleren Spiegels 30 optimiert wird, und somit das die Bildprojektionseinheit 10 erreichende externe Licht vermindert wird.
6 ist eine schematische Ansicht, die die Form eines mittleren Spiegels 30 und Bestrahlungsbereiche des Projektionslichts und des externen Lichts in einer Bildprojektionsvorrichtung gemäß der Ausführungsform zeigt. Ein durch eine durchgezogene Linie in der Zeichnung angegebener Bereich gibt eine Reflexionsfläche des mittleren Spiegels 30 wieder. Ein in der Zeichnung schwarz gezeichneter Bereich gibt einen Bereich wieder, auf den durch den gekrümmten Freiformspiegel 20 reflektiertes und den mittleren Spiegel 30 erreichendes Projektionslicht einwirkt. Eine Strichlinie in der Zeichnung gibt einen Bereich wieder, auf den durch den gekrümmten Freiformspiegel 40 reflektiertes und den mittleren Spiegel 30 erreichendes externes Licht einwirkt. Die vertikale Richtung in der Zeichnung gibt die y-Achsenrichtung wieder, und die horizontale Richtung gibt die x-Achsenrichtung wieder.
Wie in 6 gezeigt, weist der mittlere Spiegel 30 eine derartige Außenform entlang des mit dem Projektionslicht bestrahlten Bereichs auf, dass die Größe seiner Reflexionsfläche möglichst klein ist. Das Flächenverhältnis zwischen dem mit dem Projektionslicht bestrahlten Bereich zu der Reflexionsfläche des mittleren Spiegels 30 ist vorzugsweise gleich oder größer als 80% und noch besser gleich oder größer 90%.
Mit der Bildprojektionsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform kann, indem die Form des mittleren Spiegels 30 für das Beschränken der Reflexionsfläche des mittleren Spiegels 30 auf einen mit Projektionslicht bestrahlten Bereich optimiert wird, das die Bildprojektionsvorrichtung 10 erreichende externe Licht weiter vermindert werden und kann eine Temperaturerhöhung effektiv beschränkt werden.
(Dritte Ausführungsform)
Im Folgenden wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Dabei wird auf eine wiederholte Beschreibung von gleichen Details wie in der ersten Ausführungsform verzichtet. Wenn die Bildprojektionseinheit 10 eine Lichtkristallanzeige oder einen Halbleiterlaser verwendet, kann das Projektionslicht polarisiertes Licht in einer vorbestimmten Richtung sein. Deshalb ist in dieser Ausführungsform ein Polarisationsfilter (nicht gezeigt), das nur eine Komponente in der gleichen Polarisationsrichtung wie das polarisierte Licht des Projektionslichts von der Bildprojektionseinheit 10 durchlässt, in einem optischen Pfad des Projektionslichts von der Bildprojektionseinheit 10 zu dem gekrümmten Freiformspiegel 40 vorgesehen.
Durch das Anordnen des Polarisationsfilters in dem optischen Pfad und das Abgleichen der Polarisationsrichtung des Projektionslichts mit einer Polarisationsrichtung des Polarisationsfilters kann polarisiertes Licht in einer anderen Richtung als der Polarisationsrichtung des Polarisationsfilters aus dem die Bildprojektionsvorrichtung erreichenden externen Licht abgeschnitten werden und kann eine Temperaturerhöhung, die durch das die Bildprojektionseinheit 10 erreichende externe Licht verursacht wird, beschränkt werden.
Hinsichtlich der Position, an der das Polarisationsfilter vorgesehen wird, werden hier keine spezifischen Vorgaben gemacht, wobei es sich um eine Position zwischen der Bildprojektionseinheit 10 und dem gekrümmten Freiformspiegel 20, eine Position zwischen dem gekrümmten Freiformspiegel 20 und dem mittleren Spiegel 30 und eine Position zwischen dem mittleren Spiegel 30 und dem gekrümmten Freiformspiegel 40 handeln kann. Die Position ist vorzugsweise eine Position, an der das polarisierte Licht von der Bildprojektionseinheit 10 aufrechterhalten wird. Das Polarisationsfilter kann einstückig mit einer Lichtemissionsfläche der Bildprojektionseinheit 10, einer Reflexionsfläche des gekrümmten Freiformspiegels 20, einer Reflexionsfläche des mittleren Spiegels 30 oder einer Reflexionsfläche des gekrümmten Freiformspiegels 40 ausgebildet sein.
Insbesondere ist das Polarisationsfilter vorzugsweise an der Reflexionsfläche des mittleren Spiegels 30 ausgebildet, wobei die Polarisationsrichtung des Projektionslichts und die Polarisationsrichtung des durch das Polarisationsfilter gesendeten Polarisationslichts abgestimmt werden, um Licht in einer anderen Polarisationsrichtung als derjenigen des Projektionslichts abzuschneiden. Durch das einstückige Ausbilden des mittleren Spiegels 30 und des Polarisationsfilters kann polarisiertes Licht in einer anderen Richtung als der Polarisationsrichtung des Polarisationsfilters aus dem den mittleren Spiegel 30 erreichenden externen Licht abgeschnitten werden und kann eine Temperaturerhöhung, die durch das die Bildprojektionseinheit 10 erreichende externe Licht verursacht wird, beschränkt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, die zudem auf verschiedene Weise modifiziert werden können, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Der Erfindungsumfang umfasst auch weitere Ausführungsformen, die durch das Kombinieren von Merkmalen, die in verschiedenen der hier erläuterten Ausführungsformen beschrieben werden, erhalten werden.
Diese internationale Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-059580 vom 31. März 2021, wobei Details der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021 - 059580 hier unter Bezugnahme eingeschlossen sind.
Die vorstehend gegebene Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der Erfindung soll die Erfindung beispielhaft verdeutlichen. Die beschriebenen Ausführungsformen schränken den Erfindungsumfang in keiner Weise ein. Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass viele verschiedene Modifikationen oder Änderungen an den hier beschriebenen Details vorgenommen werden können.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN

10: Bildprojektionseinheit
20, 40: gekrümmter Freiformspiegel
30: mittlerer Spiegel
50: Windschutzscheibe
60: Sichtpunkt
70: virtuelles Bild

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2017/195740 [0005]
JP 2017173557 [0005]
JP 2017173557 A [0005]
JP 2021059580 [0054]
JP 2021 [0054]
JP 059580 [0054]

Claims

Bildprojektionsvorrichtung, umfassend: eine Bildprojektionseinheit, die Projektionslicht mit einem darin enthaltenen Bild emittiert, einen ersten gekrümmten Freiformspiegel, der das von der Bildprojektionseinheit einfallende Projektionslicht reflektiert, einen mittleren Spiegel, der das von dem ersten gekrümmten Freiformspiegel einfallende Projektionslicht reflektiert, und einen zweiten gekrümmten Freiformspiegel, der das von dem mittleren Spiegel einfallende Projektionslicht reflektiert und veranlasst, dass das Projektionslicht einen Sichtpunkt erreicht, wobei eine Komponente in wenigstens einer Abbildungsachsenrichtung des durch den ersten gekrümmten Freiformspiegel reflektierten Projektionslichts ein Bild an einer mittleren Abbildungsposition erzeugt, bevor das Projektionslicht den zweiten gekrümmten Freiformspiegel erreicht, und wobei der mittlere Spiegel an der mittleren Abbildungsposition angeordnet ist.
Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Länge in der Abbildungsachsenrichtung des mittleren Spiegels kleiner ist als die Länge in der Abbildungsachsenrichtung in einem effektiven Bestrahlungsbereich der Bildprojektionseinheit.
Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mittlere Spiegel ein planarer Spiegel mit einer im Wesentlichen flachen Reflexionsfläche ist.
Bildprojektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mittlere Spiegel ein kalter Spiegel ist, der aus einer dielektrischen Multischicht ausgebildet ist und sichtbares Licht reflektiert und Infrarotlicht und/oder Ultraviolettlicht durchlässt.
Bildprojektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei auf den zweiten gekrümmten Freiformspiegel in einer Reflexionsrichtung des Projektionslichts von dem zweiten gekrümmten Freiformspiegel einfallendes externes Licht durch den zweiten gekrümmten Freiformspiegel reflektiert und dann auf eine Position weiter weg als der mittlere Spiegel fokussiert wird.
Bildprojektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Referenzlichtstrahl des Projektionslichts von der Bildprojektionseinheit zu dem zweiten gekrümmten Freiformspiegel die gleiche Ausbreitungsebene bildet, und wobei die Abbildungsachsenrichtung in der Ausbreitungsebene enthalten ist.
Bildprojektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Polarisationsfilter, das eine Komponente in einer Polarisationsrichtung des Projektionslichts durchlässt, an einem optischen Pfad des Projektionslichts von der Bildprojektionseinheit zu dem zweiten gekrümmten Freiformspiegel vorgesehen ist.
Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Polarisationsfilter einstückig mit dem mittleren Spiegel ausgebildet ist.