JP2015087594A - 車載用投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スクリーンに投影されたホログラム画像をウインドシールドに統制する際に、倍率を高くしても表示画像の歪みを十分に補正することが車載用投影装置を提供する。【解決手段】 レーザ光を位相変調アレイで位相変調することでスクリーンにホログラム画像７０ｈが結像される。ホログラム画像７０ｈは、第１の投影ミラー５５の反射面５５ａと第２の投影ミラー５６の反射面５６ａとで反射されて、ウインドシールドに投影される。第１の投影ミラー５５と第２の投影ミラー５６の双方のミラーで、投影倍率が設定され、されにウインドシールドの傾斜と湾曲に起因する表示画像の歪みが補正される。２つの投影ミラーで補正することにより、投影倍率が高くても、表示画像の歪みを抑制することができる。【選択図】図４

Description

本発明は、自動車のウインドシールドの表示領域に表示画像を投影する車載用投影装置に関する。

ヘッドアップディスプレイと称される車載用投影装置では、表示画像がウインドシールドの表示領域に投影される。ウインドシールドは半反射面として機能するため、運転者はウインドシールドの前方に結像する表示画像の虚像を見ることになる。

ウインドシールドは、運転者の視線に対して上下方向へ傾斜しており、さらに左右方向と上下方向へ湾曲しているため、車載用投影装置では、ウインドシールドの傾斜と湾曲を補正した画像を投影することが必要である。

以下の特許文献１に記載されたヘッドアップディスプレイでは、表示器からの投影光が凹面鏡で反射されてウインドシールドに投影される。この例は、凹面鏡の反射面の各部位における曲率を、ウインドシールドの内表面での各部位の曲率の変化率に合わせて変化させることで、ウインドシールドの前方に歪みの無い虚像を結像させようとしている。

特許文献２に記載の画像形成装置には、３つの実施例が設定されているが、そのうちの実施例２と実施例３で、画像を投影する半透過鏡が、実際のウインドシールドと同じ凹曲面に設定されている。

実施例２は、光走査装置に設けられた微小なミラーの動きで走査される表示光が凸面ミラーで反射され、さらに平面ミラーで反射されて半透過鏡に投影される。実施例３では、光走査装置で走査される表示光が、凹面鏡で反射され、さらに凸面鏡で反射されて半透過鏡に投影される。実施例２の凸面ミラーと、実施例３の凹面ミラーは、共に直交する方向の曲率が互いに相違するアナモフィック面である。

特開２００２−３１７７４号公報 特開２０１３−６１５５４号公報

特許文献１に記載されたヘッドアップディスプレイは、１つの凹面鏡の反射面の曲率を部位により変化させることで、ウインドシールドの曲率の変化に対応させている。しかし、実施のウインドシールドは湾曲しているだけではなく、前方から運転者の頭上に向けて傾斜しているため、１つの凹面鏡の曲率を変化させただけでは、ウインドシールドの傾斜と湾曲の双方を補正するのに限界がある。しかも、ウインドシールドへの投影画像の倍率を上げると、１つの凹面鏡だけでは画像の補正が困難である。

特許文献２に記載された画像形成装置は、実施例２で凸面ミラーのみをアナモフィック面とし、実施例３で凹面ミラーのみをアナモフィック面とし、いずれも１つのミラーのみで、ウインドシールドの曲面に対応しようとしている。そのため、特許文献１に記載されたものと同様に、表示画像の補正が十分ではなく、倍率を上げると補正が困難になる。

また、ヘッドアップディスプレイでは、運転者の目の位置が人によって相違し、運転者の姿勢によっても目の位置が変化する。運転者の目の位置が変化しても、表示画像の歪みを最少限に抑えようとすると、１つのミラーのみで表示画像を補正したものでは対応が困難である。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、ウインドシールドに、表示画像を適度な倍率で最小の歪みで表示できるようにした車載用投影装置を提供することを目的としている。

本発明は、自動車のウインドシールドの表示領域へ表示画像を投影する車載用投影装置において、
レーザ光源と、前記レーザ光源から発せられたレーザ光を位相変調する位相変調アレイと、前記位相変調アレイで位相変調された変調光束をホログラム画像として結像させるスクリーンと、前記スクリーンに結像されたホログラム画像を含む光を反射する第１の投影ミラーと、前記第１の投影ミラーで反射された投影光を前記表示領域に向けて反射する第２の投影ミラーとが、設けられており、
前記第１の投影ミラーと前記第２の投影ミラーとで、前記スクリーンに結像したホログラム画像が拡大されるとともに、運転者の視線に対する前記表示領域の傾きによる前記表示画像の歪みの補正が、前記第１の投影ミラーと前記第２の投影ミラーとで分担されていることを特徴とするものである。

本発明は、さらに、前記表示領域の湾曲による前記表示画像の歪みの補正が、前記第１の投影ミラーと前記第２の投影ミラーとで分担されていることが好ましい。

本発明の車載用投影装置は、スクリーンに結像したホログラム画像が２つの投影ミラーに双方によって拡大させられ、さらに２つの投影ミラーによって、ウインドシールドの表示領域の傾斜による画像の歪みが補正され、さらに表示領域の湾曲による画像の歪みが補正されている。２つの投影ミラーで画像の拡大と歪みの補正を分担させているため、倍率を高くしても、画像の歪みを抑制できる。

本発明は、前記運転者の目が位置する矩形状の領域をアイボックスとして仮定し、前記アイボックスの各角部から前記表示領域を見たときに、表示領域の歪みが所定位置以下となるように、前記表示画像の歪みの補正が、前記第１の投影ミラーと前記第２の投影ミラーとで補正される。

本発明では、２つの投影ミラーで画像の拡大と歪みの補正を分担させているため、補正に必要なパラメータを２つの投影ミラーに分担させることができ、その結果、運転者の目の位置が変化しても、歪みの少ない画像を目視できるようになる。

本発明は、前記第１の投影ミラーと前記第２の投影ミラーは、ともに凹面鏡である。
前記第１の投影ミラーと前記第２の投影ミラーは、基準光学面から反射面までの距離が、球面の座標を多項の補正係数で補正して算出されたものであり、場所によって前記球面の半径と前記補正係数が相違していることが好ましい。

本発明は、前記第１の投影ミラーと前記第２の投影ミラーは、共に次の数１に基づいて形成されているものが好ましい。

第１の投影ミラーと第２の投影ミラーの反射面を、数１に示すように、球面の座標を多項の補正係数で補正したものにすると、設計も容易である。

本発明の車載用投影装置は、ウインドシールドの傾斜と湾曲に合わせて、ホログラム画像の歪みを補正することができる。また、画像の倍率を高くしても補正が可能である。さらに運転者の目の位置が変動しても、画像の歪みを補正することが可能である。

本発明の実施の形態の車載用投影装置が車両に搭載された状態を示す説明図、 車両用投影装置による表示画像の一例を示す説明図、 本発明の実施の形態の車載用投影装置の分解斜視図、 本発明の実施の形態の車載用投影装置の主要部品の配置を示す平面図、 位相変調部の構成を示すものであり、図４に示すＶ矢視方向から見た部分斜視図、 位相変調部の構成を示す部分拡大平面図、 図６のＶＩＩ矢視図、 ホログラム結像部の構成を示すものであり、図４に示すＶＩＩＩ矢視方向から見た部分斜視図、 スクリーンに結像したホログラム画像を示す説明図、 ウインドシールドと運転者の目線と虚像との関係を示す説明図、 第１の投影ミラーと第２の投影ミラーの対向状態を示す平面図、 （Ａ）は、第１の投影ミラーを反射面側から見た正面図、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ線での断面図、 （Ａ）は、第２の投影ミラーを反射面側から見た正面図、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ線での断面図、 運転者の目の位置を変えたときの表示画像の歪みを説明する説明図、

（車載構造）
図１に示すように、本発明の実施の形態の車載用投影装置１０はいわゆるヘッドアップディスプレイであり、自動車１の車室内前方のダッシュボード２の内部に埋設されて使用される。車載用投影装置１０からウインドシールド３の表示領域３ａに、図２に示す表示画像７０が投影される。

表示領域３ａは半反射面として機能するため、表示領域３ａに投影された表示画像７０は、表示領域３ａにおいて運転者５に向けて反射されるとともに、ウインドシールド３の前方に虚像６が結像する。ウインドシールド３の前方の虚像６を目視することで、運転者５には、ステアリングホイール４の上方の前方に各種の情報が表示されているように見える。

（車載用投影装置１０の全体構造）
図３に示すように、車載用投影装置１０のケースは、樹脂製の下部ケース１１と上部ケース１２とに分離されており、ケースの内部に光学ユニット２０が収納されている。光学ユニット２０は光学ベース２１を有している。光学ベース２１はアルミダイキャストで形成されている。光学ベース２１は、下部ケース１１の内部で、エラストマーや金属ばねなどの弾性部材を介して支持されている。下部ケース１１は、車室内のダッシュボード２の内部に固定されるが、光学ベース２１が弾性部材を介して支持されているため、車体振動が光学ユニット２０に直接に影響を与えるのを防止できる。また、光学ベース２１が弾性部材で支持されていることにより、合成樹脂製のケースと金属製の光学ベース２１との熱膨張係数の違いによる光学ベース２１への熱応力の影響を低減できる。

光学ユニット２０が内部に収納された状態で、下部ケース１１と上部ケース１２は、下部ケース１１に一体に形成された位置決めピン１５による凹凸嵌合で互いに位置決めされる。下部ケース１１の複数か所に雌ねじ穴１６が形成されており、上部ケース１２に挿通された固定ねじが雌ねじ穴１６に螺着されて、下部ケース１１と上部ケース１２とが互いに固定される。

上部ケース１２に、投影窓１３が開口している。この投影窓１３がダッシュボード２の上面に露出して配置され、投影窓１３からウインドシールド３の表示領域３ａに表示画像７０が投影される。投影窓１３には透光性のカバー板１４が装着されている。カバー板１４によってケース内部に塵埃が侵入するのが防止されている。投影窓１３からケース内部に外光が直接入り込まないように、カバー板１４は、表示領域３ａに投影されるホログラム画像の表示光以外の波長の光の透過を抑制する光学フィルターで構成されることが好ましい。

図３と図４に示すように、光学ユニット２０では光学ベース２１上に各種光学部品が実装されている。図４に示すように、光学部品の構成により、光学ユニット２０は、位相変調部２０Ａとホログラム結像部２０Ｂならびに投影部２０Ｃとに区分されている。

（位相変調部２０Ａ）
図５に示すように、位相変調部２０Ａには、基準ベース２２が設けられており、この基準ベース２２が、光学ベース２１の上にねじ止めにより固定されている。

基準ベース２２上に、第１の発光部２３Ａと第２の発光部２３Ｂとが重ねて配置されている。第１の発光部２３Ａは第１の位置決めブロック２４Ａを有し、第２の発光部２３Ｂは第２の位置決めブロック２４Ｂを有している。第１の位置決めブロック２４Ａは、基準ベース２２に形成された位置決め基準面２２Ａの上に設置され、複数の固定ねじ２５Ａで基準ベース２２に固定されている。第２の位置決めブロック２４Ｂは、第１の位置決めブロック２４Ａの上に設置され、複数の固定ねじ２５Ｂで第１の位置決めブロック２４Ａに固定されている。

図６に、第２の位置決めブロック２４Ｂの内部構造が示されている。位置決めブロック２４Ｂには、内部に光通路２６Ｂが形成されている。光通路２６Ｂの閉鎖側端部（図６の図示右側の端部）に、レーザ光源である第２のレーザユニット２７Ｂが取り付けられている。第２のレーザユニット２７Ｂは、ケース内に半導体レーザチップが収納されて構成されている。光通路２６Ｂの内部にはコリメートレンズ２８Ｂが固定されている。

第２のレーザユニット２７Ｂから発せられるレーザ光束Ｂ０は発散光であり、図７に示すように、レーザ光束Ｂ０の断面形状は楕円形または長円形である。レーザ光束Ｂ０の長軸は基準ベース２２の上面と平行な水平方向（ｉ）に向けられ、短軸が基準ベース２２の上面に垂直な垂直方向（ｉｉ）に向けられている。

図７に示すように、コリメートレンズ２８Ｂの有効径（有効領域）の形状は長方形であり、長方形の長辺が、レーザ光束Ｂ０の断面の長軸方向と同じ水平方向（ｉ）に向けられている。したがって、レーザ光束Ｂ０がコリメートレンズ２８Ｂを通過すると、断面が長方形のコリメート光束Ｂ１に変換される。

図６に示すように、位置決めブロック２４Ｂの光通路２６Ｂの開口端（図６の図示左側の開口端）は透光カバー２９Ｂで塞がれている。

図５に示す第１の発光部２３Ａに設けられた第１の位置決めブロック２４Ａの内部構造は、図示されていないが、図６に示される第２の位置決めブロック２４Ｂと実質的に同じである。第１の位置決めブロック２４Ａにおいても、内部の光通路２６Ａ（図に現れていない）の閉鎖端部に第１のレーザユニット２７Ａが装備されている。光通路２６Ａの内部にコリメートレンズ２８Ａ（図示せず）が収納されており、第１のレーザユニット２７Ａから発せられるレーザ光束が、水平方向（ｉ）に長辺が向く長方形の断面を有するコリメート光束Ｂ１に変換される。また、光通路２６Ａの開口端部に透光カバー２９Ａ（図に現れていない）が設けられている。

図３と図４に示すように、位相変調部２０Ａには、第１のレーザユニット２７Ａと第２のレーザユニット２７Ｂから発せられる熱を放熱する放熱冷却部３７が設けられている。

第１の発光部２３Ａのレーザユニット２７Ａと第２の発光部２３Ｂのレーザユニット２７Ｂとでは、発せられるレーザ光の波長が相違している。実施の形態の車載用投影装置１０では、第１の発光部２３Ａから発せられるコリメート光束Ｂ１の波長が６４２ｎｍで赤色系であり、第２の発光部２３Ｂから発せられるコリメート光束Ｂ１の波長が５１５ｎｍであり緑色系である。

そこで、以下においては、第１の発光部２３Ａから得られるコリメート光束を符号Ｂ１ｒで説明し、第２の発光部２３Ｂから得られるコリメート光束を符号Ｂ１ｇで説明する。

図５に示すように、基準ベース２２には、位置決め保持部２２Ｂが一体に形成されており、位置決め保持部２２Ｂに形成された保持枠部２２Ｃの内部に位相変調アレイ３１が保持されている。同じ基準ベース２２に、第１の発光部２３Ａと第２の発光部２３Ｂとを位置決めする位置決め基準面２２Ａと、保持枠部２２Ｃとが一体に形成されているため、第１の発光部２３Ａと第２の発光部２３Ｂのそれぞれから発せられるコリメート光束Ｂ１ｒ，Ｂ１ｇを位相変調アレイ３１の光学面３１ａに対して最適な入射角度で入射させることができる。

位相変調アレイ３１は、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）である。ＬＣＯＳは、液晶層とアルミニウムなどの電極層とを有する反射型パネルである。ＬＣＯＳは、液晶層に電界を与える電極が規則的に並んで複数のピクセルが構成されている。それぞれの電極に与えられる電界強度の変化により、液晶層内の結晶の層の厚さ方向への倒れ角度が変化し、反射されるレーザ光はピクセル毎に位相が変化させられる。

図３と図４に示すように、位相変調部２０Ａには、位相変調アレイ３１で発生する熱を放熱する放熱冷却部３８が設けられている。

図５に示すように、第１の発光部２３Ａ内のコリメートレンズ２８Ａで変換されたコリメート光束Ｂ１ｒは、位相変調アレイ３１の下部の領域に与えられ、第２の発光部２３Ｂ内のコリメートレンズ２８Ｂで変換されたコリメート光束Ｂ１ｒは、位相変調アレイ３１の上部の領域に与えられる。位相変調アレイ３１では、コリメート光束Ｂ１ｒが与えられる領域が第１の変換領域Ｍ１となり、コリメート光束Ｂ１ｇが与えられる領域が第２の変換領域Ｍ２となる。

コリメート光束Ｂ１ｒとコリメート光束Ｂ１ｇは断面が長方形であるため、第１の変換領域Ｍ１と第２の変換領域Ｍ２も長方形となる。基準ベース２２で、第１の発光部２３Ａと第２の発光部２３Ｂとの垂直方向（ｉｉ）での相対位置が調整されることで、第１の変換領域Ｍ１と第２の変換領域Ｍ２とが互いに重複しないように設定される。

第１の変換領域Ｍ１に与えられたコリメート光束Ｂ１ｒは、位相変調アレイ３１の複数のピクセルのそれぞれを通過することで位相が変換され、第２の変換領域Ｍ２に与えられたコリメート光束Ｂ１ｇも、複数のピクセルのそれぞれを通過することで位相が変換される。図６に示すように、位相変調アレイ３１から反射される変調光束Ｂ２は、それぞれのピクセルを通過した光が互いに干渉した干渉光（回折光）となる。この干渉光には、赤色系のコリメート光束Ｂ１ｒの光成分どうしの干渉と、緑色系であるコリメート光束Ｂ１ｇの光成分どうしの干渉、さらには、コリメート光束Ｂ１ｒの光成分とコリメート光束Ｂ１ｇの光成分との干渉も含まれる。

図３に示すように、位相変調部２０Ａには、レンズホルダ３２が設けられている。レンズホルダ３２は基準ベース２２上に位置決めされて固定されている。レンズホルダ３２に集光レンズ（フーリエ変換レンズ：ＦＴレンズ）３３が保持されている。位相変調アレイ３１で反射された変調光束Ｂ２は、集光レンズ３３を透過して集光されるとともに、集光レンズ３３でフーリエ変換されて変調光束Ｂ３となる。

図３に示すように、位相変調部２０Ａには、ミラー保持部３４ａに保持された送光ミラー３４が設けられている。送光ミラー３４は平面ミラーであり、その反射面に集光レンズ３３の光軸が所定の角度で入射している。集光レンズ３３でフーリエ変換された変調光束Ｂ３は、送光ミラー３４で反射され、反射された変調光束Ｂ４が、光学ユニット２０内を通過して、ホログラム結像部２０Ｂへ送られる。

（ホログラム結像部２０Ｂ）
図３に示すように、ホログラム結像部２０Ｂには、ミラー保持部３５ａに保持された第１の中間ミラー３５と、ミラー保持部３６ａに保持された第２の中間ミラー３６とが設けられている。第１の中間ミラー３５と第２の中間ミラー３６は平面ミラーである。図４に示すように、第１の中間ミラー３５の反射面は、位相変調部２０Ａに設けられた前記送光ミラー３４の反射面に対向している。また、第１の中間ミラー３５と第２の中間ミラー３６の反射面は所定の角度で対向している。ホログラム結像部２０Ｂでは、第２の中間ミラー３６の反射面による反射方向にスクリーン５１が配置されている。

図４に示すように、送光ミラー３４で反射された変調光束Ｂ４は、ケース内を図示右方向へ進行してから第１の中間ミラー３５で反射され、反射された変調光束Ｂ５が第２の中間ミラー３６で反射される。そして、第２の中間ミラー３６で反射された変調光束Ｂ６がスクリーン５１に与えられる。

位相変調アレイ３１では、第１の変換領域Ｍ１において赤色系のレーザ光の位相が個々のピクセル毎に変換され、第２の変換領域Ｍ２において緑色系のレーザ光が個々のピクセル毎に変換される。赤色系と緑色系のレーザ光の干渉光が混在した光は、集光レンズ３３で集光されるとともにフーリエ変換され、その変調光束Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６がケース内の光路を経てスクリーン５１に与えられて、図９に示すように、スクリーン５１にホログラム画像が結像する。

集光レンズ３３からスクリーン５１までの光路上に、複数段のアパーチャーが形成されている。図３と図４に示すように、位相変調部２０Ａからの光の出射部に遮光壁４１ａが設けられ、遮光壁４１ａに矩形状の第１のアパーチャー４１が開口している。ホログラム結像部２０Ｂへの光の入射部には、遮光壁４２ａが設けられ、遮光壁４２ａに矩形状の第２のアパーチャー４２が開口している。第２の中間ミラー３６とスクリーン５１の間には遮光壁４３ａが設けられており、この遮光壁４３ａに矩形状の第３のアパーチャー４３が開口している。第３のアパーチャー４３は、図８にも示されている。

この３段のアパーチャー４１，４２，４３によって、集光レンズ３３からスクリーン５１に集光する０次回折光が遮光される。図９に示すように、スクリーン５１にはホログラム画像７０ｈが結像するが、このホログラム画像７０ｈは１次回折光で生成され、しかも１次回折光のうちのホログラム画像７０ｈの結像に寄与しない光成分は前記アパーチャー４１，４２，４３によって遮光される。さらに、２次回折光、３次回折光などの多次の回折光も、ホログラム画像７０ｈの生成に寄与せず、前記アパーチャー４１，４２，４３で遮光される。

すなわち、スクリーン５１には、アパーチャー４１，４２，４３の開口面積で制限された変調光束のみが与えられ、スクリーン５１の限られた面積の範囲内にホログラム画像７０ｈが投影される。

図８に示すように、スクリーン５１は第３のアパーチャー４３の先側（出光側）に配置されている。第２の中間ミラー３６で反射された変調光束Ｂ６は、第３のアパーチャー４３を通過してスクリーン５１に到達し、スクリーン５１に１次回折光によるホログラム画像７０ｈが生成される。スクリーン５１は、表面に多数の微細な凹凸が形成された透過型のディフューザ（Diffuser：拡散板または拡散部材）であり、スクリーン５１に結像したホログラム画像７０ｈを含む光は、スクリーン５１を透過して発散光の投影光Ｂ７となる。図４に示すように、投影光Ｂ７は、遮光壁４２ａに形成された第４のアパーチャー４４を通過して投影部２０Ｃに与えられる。

図８に示すように、ホログラム結像部２０Ｂでは、第３のアパーチャー４３が開口している遮光壁４３ａにモータ５２が固定されており、円板形状のスクリーン５１がモータ５２の動力で常に一定の回転数で回転させられている。ホログラム画像７０ｈは、スクリーン５１を透過する際に、スクリーン５１に形成された多数の微細な凹凸の回折を受けて拡散光となる。微細な凹凸はその大きさと分布にばらつきがあるため、スクリーン５１上のそれぞれの領域での光の拡散状態が相違する。しかし、スクリーン５１を回転させることで、光の拡散状態をランダマイズ（randomize）でき、表示画像７０のにじみなどの原因となるスペックルノイズ（speckle noise）を低減させることができる。

図８に示すように、ホログラム結像部２０Ｂでは、遮光壁４３ａにモニタ検知部５３が設けられている。モニタ検知部５３は第３のアパーチャー４３の下側に設けられている。モニタ検知部５３は、赤色波長検知部５３ａと緑色波長検知部５３ｂならびに位置検知部５３ｃの３つの検知部で構成されている。検知部５３ａ，５３ｂ，５３ｃのそれぞれは閉鎖空間の内部にピンフォトダイオードなどの受光素子が収納され、第２の中間ミラー３６に対向する側に開口部が形成されている。赤色波長検知部５３ａでは、前記開口部が赤色光を透過させる波長フィルターで覆われ、緑色波長検知部５３ｂでは、前記開口部が緑色光を透過させる波長フィルターで覆われている。

各検知部５３ａ，５３ｂ，５３ｃには、１次回折光または１次回折光以外の多次回折光のいずれかが照射される。位置検知部５３ｃの検知出力に基づいて、第１の発光部２３Ａと第２の発光部２３Ｂおよびその他の各光学部品の位置調整が行われる。また、赤色波長検知部５３ａと緑色波長検知部５３ｂからの検知出力に基づいて、第１のレーザユニット２７Ａと第２のレーザユニット２７Ｂの発光強度が自動調整され、また位相変調アレイ３１による位相変調動作も自動制御される。

（投影部２０Ｃ）
図４と図１１に示すように、投影部２０Ｃには、第１の投影ミラー５５と第２の投影ミラー５６とが対向して設けられている。第１の投影ミラー５５の反射面５５ａと第２の投影ミラー５６の反射面５６ａは、共に凹面鏡（拡大鏡）である。

図１０と図１１に示すように、スクリーン５１で結像したホログラム画像７０ｈを含む投影光Ｂ７はスクリーン５１で拡散されて第１の投影ミラー５５に与えられ、第１の投影ミラー５５で反射された投影光Ｂ８が第２の投影ミラー５６に与えられる。第２の投影ミラー５６で反射された投影光Ｂ９は、ウインドシールド３の表示領域３ａに投影される。ウインドシールド３は半反射面であるため、ウインドシールド３で反射された半反射光Ｂ１０が、運転者５の目５ａに入る。目５ａの網膜には、ウインドシールド３に投影された表示画像７０（図２参照）が、ウインドシールド３よりも十分に前方に位置する虚像６の位置にあるように感知される。

図９に示すように、スクリーン５１に結像するホログラム画像７０ｈは、第１の画像７１ｈと第２の画像７２ｈならびに第３の画像７３ｈを含んでいる。第１ないし第３の画像７１ｈ，７２，７３ｈがウインドシールド３に投影されると、運転者５の目５ａには、図２に示すように、ウインドシールド３の前方に、第１の画像７１ｈで生成された自動車の速度表示７１、第２の画像７２ｈで生成されたシフトレバーのポジション情報７２、ならびに第３の画像７３ｈで生成されたナビゲーション情報７３が位置しているように見ることができる。虚像６である表示画像７０は、赤色光または緑色光で表示され、あるいは、赤色光と緑色光との混合色で表示される。

スクリーン５１に結像したホログラム画像７０ｈは、第１の投影ミラー５５と第２の投影ミラー５６の２つの投影ミラーによって拡大されて、ウインドシールド３に投影される。したがって、運転者５の目５ａには、虚像６に結像する表示画像７０が、スクリーン５１に結像されているホログラム画像７０ｈよりも拡大されたものとして見ることができる。

図１と図１０に示すように、自動車のウインドシールド３は、車両の前方から運転者５の頭上に向けて傾斜しており、近年の自動車では、水平面に対するウインドシールド３の角度がきわめて小さくなってきている。したがって、ウインドシールド３に投影される表示画像７０は、ウインドシールド３の傾斜による影響を考慮して、図２に示すように、運転者５の目５ａで見たときの表示画像７０と、スクリーン５１に投影されているホログラム画像７０ｈとが、ほぼ同じ縦横比を有するものとなるように補正することが必要である。

また、ウインドシールド３は車室内が凹側となる湾曲面であり、湾曲面の曲率は、運転者５から見た上下方向（傾斜方向）と左右方向とで相違しており、また場所によっても曲率が相違している。そのため、ウインドシールド３に投影される表示画像７０は、ウインドシールド３の三次元的な湾曲を計算に入れて、運転者５の目５ａで見たときの表示画像７０と、スクリーン５１に投影されているホログラム画像７０ｈとが、ほぼ同じ縦横比を有するものとなるように補正することが必要である。

実施の形態の車載用投影装置１０の投影部２０Ｃでは、第１の投影ミラー５５と第２の投影ミラー５６の２つの投影ミラーによって、倍率の設定と、ウインドシールド３の傾斜ならびに湾曲による歪みが補正される。これら全ての補正が、２つの投影ミラー５５，５６の双方で分担して行われる。

第１の投影ミラー５５の反射面５５ａの形状と、第２の投影ミラー５６の反射面５６ａの形状は、同じ拡張多項式を使用して設計されている。
拡張多項式は以下の数１に記載されている通りである。

図１２に、第１の投影ミラー５５の反射面５５ａの形状が示されている。図中のＯ１が光学中心で、Ｏｈ１が基準光学面である。図１２（Ａ）には、光学中心Ｏ１を通る水平軸Ｓ１と同じく光学中心Ｏ１を通る垂直軸Ｓ２が示されている。水平軸Ｓ１は，図５に示す水平方向（ｉ）と平行な軸であり、垂直軸Ｓ２は、垂直方向（ｉｉ）と平行な軸である。第１の投影ミラー５５には、光学中心Ｏ１を中心とするＸ１−Ｙ１座標が設定されている。Ｘ１−Ｙ１座標は、基準光学面Ｏｈ１と平行である。またＸ１−Ｙ１座標は、水平軸Ｓ１と垂直軸Ｓ２とを含む平面と平行である。この実施の形態では、Ｘ１−Ｙ１座標が、水平軸Ｓ１と垂直軸Ｓ２に対して反時計方向へ回転角度θ１だけ傾いている。θ１は５度に設定されている。

第１の投影ミラー５５の反射面５５ａの設計では、Ｘ１−Ｙ１座標上に複数か所の座標点（ｘ，ｙ）が設定される。そして、数１を用いて、それぞれの座標点（ｘ，ｙ）でのＺの値が設定される。Ｚはサグと称されるものであり、その座標点における基準光学面Ｏｈ１から反射面までの距離を意味している。数１の平方根内のｋはコーニック定数である。実施の形態ではｋ＝０とし、楕円を含まない球面を基本としてサグＺが算出されている。

数１のｒは、光学中心Ｏ１からＺを求める座標点（ｘ，ｙ）までの距離であり、ｒ^２＝ｘ^２＋ｙ^２である。ｃは半径の逆数（１／Ｒ）であり、サグＺを求める座標点（ｘ，ｙ）ごとに数値が選択されて数１に代入される。Σ{ＡｉＥｉ（ｘ，ｙ）}は、サグＺを求める座標点（ｘ，ｙ）ごとに設定される多項の補正係数であり、Ａ１ｘ＋Ａ２ｙ＋Ａ３ｘ^２＋Ａ４ｘｙ＋Ａ５ｙ^２・・・Ａｎ×（ｘ、ｙのｎ次関数）である。

図１３に、第２の投影ミラー５６の反射面５６ａの形状が示されている。図１３にも光学中心Ｏ２と基準光学面Ｏｈ２が示されている。図１３（Ａ）には、光学中心Ｏ２を通る水平軸Ｓ３と同じく光学中心Ｏ２を通る垂直軸Ｓ４が示されている。第２の投影ミラー５６では、光学中心Ｏ２を中心とするＸ２−Ｙ２座標が設定されている。Ｘ２−Ｙ２座標は、基準光学面Ｏｈ２と平行である。また、Ｘ２−Ｙ２座標は、水平軸Ｓ３と垂直軸Ｓ４とを含む平面と平行である。この実施の形態では、Ｘ２−Ｙ２座標が水平軸Ｓ３と垂直軸Ｓ４に対して時計方向へ角度θ２だけ傾いている。θ２は１０度に設定されている。

第２の投影ミラー５６の反射面５６ａの設計においても、Ｘ２−Ｙ２座標上に複数か所の座標点（ｘ，ｙ）が設定され、第１の投影ミラー５５の反射面５５ａの設計と同じ手法で、数１に基づいて、それぞれの座標点（ｘ，ｙ）におけるサグＺの値が計算される。

図１０に示すように、車載用投影装置１０は、搭載する車種に準じて、固定値が決まってくる。例えば、第２の投影ミラー５６から、ウインドシールド３の表示領域３ａまでの光路長が決められ、表示領域３ａから虚像６を結像させる位置までの距離が決められている。また、運転者５の座高や運転姿勢などの予測により、表示領域３ａから運転者５の目５ａまでの標準的な距離と、さらに、運転者５の目５ａの位置が存在すると予測される縦横に一定の距離を設定した領域（アイボックス）も固定値として設定することが可能である。そして、スクリーン５１に結像するホログラム画像７０ｈと、虚像６に結像する表示画像７０との倍率も固定値として決められる。

設計では、前記それぞれの固定値をパラメータとして加味して、表示画像７０の歪みが最小となるように、第１の投影ミラー５５の各座標点（ｘ，ｙ）におけるサグＺと、第２の投影ミラー５６の各座標点（ｘ，ｙ）におけるサグが算出される。この計算は、コンピュータ上で、ｃの値と、Σ{ＡｉＥｉ（ｘ，ｙ）}の多項の補正係数が多数準備されており、各座標点（ｘ，ｙ）ごとに、ｃの値と補正係数が試行錯誤的に選択される。この設計手法により、表示画像７０の歪みが最小となるように最適化された、第１の投影ミラー５５の各座標点でのサグＺと、第２の投影ミラー５６の各座標点でのサグＺが算出される。

以下の表１は、数１を使用して最適化された第１の投影ミラー５５の各座標点（Ｘ，Ｙ）における、基準光学面Ｏｈ１から反射面５５ａまでの距離Ｚの算出例を示しており、表２は、数１を使用して最適化された第２の投影ミラー５６の各座標点（Ｘ，Ｙ）での、基準光学面Ｏｈ２から反射面５６ａまでの距離Ｚの算出例を示している。

第１の投影ミラー５５と第２の投影ミラー５６が、共に画像の倍率の設定と、ウインドシールド３の傾斜と湾曲に関する補正を分担しているため、補正範囲を広げることができる。

前記表１と表２に示すようにサグＺを求めた結果、倍率を５倍以上に設定しても、図１４に示すように、アイボックスの４つの角部に目５ａを移動させて虚像６を見たとしても、表示画像の歪みを抑制することができる。

図１４に示すシミュレーションでは、アイボックスは、運転者５から見る左右方向に１４０ｍｍで縦方向に７０ｍｍの長方形の領域が設定されている。図１４（Ａ）は、アイボックスの中心部に運転者５の目５ａを位置させてウインドシールド３を目視したときに虚像６の位置に見える表示画像を示している。表示画像は長方形で現れているが、この長方形は、図２において破線で記載されている表示画像７０を囲む長方形の枠に相当している。図１４（Ｂ）はアイボックスの右上の角部に目５ａを位置させ、（Ｃ）はアイボックスの左上の角部に目５ａを位置させたときの表示画像が示されている。図１４（Ｄ）は、アイボックスの右下の角部に目５ａを位置させ、（Ｅ）は、アイボックスの左下の角部に目５ａを位置させたときの表示画像が示されている。

図１４では、倍率が５．８倍のときの表示画像の輪郭が実線で示され、倍率が８倍のときの表示画像の輪郭が破線で示されている。

表１、表２に示すように、第１の投影ミラー５５の反射面５５ａの各座標位置のサグＺと、第２の投影ミラー５６の反射面５６ａの各座標位置でのサグＺを設定すると、倍率を５倍以上にしてもアイボックスの領域内のいずれの場所に目５ａを移動させても表示画像はほぼ長方形の範囲内に入り、歪みがきわめて小さくなるように補正できていることが判る。さらに倍率を８倍にしても、表示画像の歪みを補正することができる。すなわち、この実施の形態では、倍率を５倍以上で８倍以下に設定することが可能である。

以上のように、第１の投影ミラー５５と第２の投影ミラーに、倍率の設定と、ウインドシールド３の傾斜ならびに湾曲の補正を分担させると、横１４０ｍｍで縦７０ｍｍの広い領域のアイボックス内のいずれの箇所から表示画像を見たとしても、表示画像の歪みが最小となるように補正することができる。

また、数１を使用することで、車種が相違した場合であっても、倍率などのスペックが変更されたときも、同じソフトウエアを使用して、２つの投影ミラーの反射面の形状を容易に設計することができる。

この車載用投影装置１０は、集光レンズ３３で集光される０次回折光が、アパーチャー４１，４２，４３で遮光され、スクリーン５１に結像した１次回折光のよるホログラム画像７０ｈが拡大されて表示領域３ａに投影される。そのため、ウインドシールド３の外部からカバー板１４の内部を覗き見ることがあっても、人の目にレーザ光が直接に与えられることがなく、安全性を確保できる。

（光束の通過経路）
この車載用投影装置１０は、自動車に設置された状態で、光学ユニット２０の光学ベース２１がほぼ水平に向けられる。図４に示すように、第１の発光部２３Ａと第２の発光部２３Ｂから発せられるコリメート光束Ｂ１ｒ，Ｂ１ｇと、位相変調アレイ３１で変換された変調光束Ｂ２、ならびに集光レンズを経た変調光束Ｂ３の光軸は、全て光学ベース２１と平行となるように水平に延びている。また、送光ミラー３４で反射された変調光束Ｂ４と、第１の中間ミラー３５で反射された変調光束Ｂ５、ならびに第２の中間ミラー３６で反射された変調光束Ｂ６の光軸も、光学ベース２１と平行で水平に延びている。スクリーン５１を通過した投影光Ｂ７の光軸も水平であり、第１の投影ミラー５５で反射された投影光Ｂ８がやや上向きとなって第２の投影ミラー５６に与えられ、第２の投影ミラー５６で反射された投影光Ｂ９がウインドシールド３に向けて上向きに照射される。

投影光Ｂ８，Ｂ９以外の光成分の光束が、投影光Ｂ９の上向きの投影方向と交差してほぼ水平に向けられているため、車載用投影装置１０を薄型に構成することが可能になり、ダッシュボード２の内部に埋設しやすくなる。

図３と図４に示すように、送光ミラー３４から第１の中間ミラー３５に至る変調光束Ｂ４は、第１の投影ミラー５５と第２の投影ミラー５６との間を通過し、第１の投影ミラー５５から第２の投影ミラー５６に向かう投影光Ｂ８が、前記変調光束Ｂ４と交差している。投影部２０Ｃで光を交差させることで、集光レンズ３３からスクリーン５１までの光路を長く確保でき、スクリーン５１に適度な倍率でホログラム画像を結像させることができる。また光束を交差させることにより、光路が長くても、車載用投影装置１０を小型に構成することが可能になる。

図４に示すように、送光ミラー３４から第１の中間ミラー３５に向かう変調光束Ｂ４と、第２の中間ミラー３６からスクリーン５１に向かう変調光束Ｂ６とで、光の向きが逆である。また、スクリーン５１から第１の投影ミラー５５に向かう投影光Ｂ７の向きも前記変調光束Ｂ４の向きと逆である。このように、ケース内で光束の向きを逆にすることによっても、装置全体を小型に構成することができる。

１ 自動車
２ ダッシュボード
３ ウインドシールド
５ 運転者
５ａ 目
６ 虚像
１０ 車両用投影装置
１１ 下部ケース
１２ 上部ケース
１４ カバー板
２０ 光学ユニット
２０Ａ 位相変調部
２０Ｂ ホログラム結像部
２０Ｃ 投影部
２１ 光学ベース
２３Ａ，２３Ｂ 発光部
２７Ａ，２７Ｂ レーザユニット
２８Ａ，２８Ｂ コリメートレンズ
３１ 位相変調アレイ
３３ 集光レンズ
４１，４２，４３，４４ アパーチャー
５１ スクリーン
５５ 第１の投影ミラー
５５ａ 反射面
５６ 第２の投影ミラー
５６ａ 反射面
７０ 表示画像
７９ｈ ホログラム画像
Ｂ０ レーザ光束
Ｂ１ｒ，Ｂ１ｇ コリメート光束
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６ 変調光束
Ｂ７，Ｂ８，Ｂ９ 投影光
Ｂ１０ 半反射光
Ｍ１ 第１の変換領域
Ｍ２ 第２の変換領域

Claims (6)

1. 自動車のウインドシールドの表示領域へ表示画像を投影する車載用投影装置において、
   レーザ光源と、前記レーザ光源から発せられたレーザ光を位相変調する位相変調アレイと、前記位相変調アレイで位相変調された変調光束をホログラム画像として結像させるスクリーンと、前記スクリーンに結像されたホログラム画像を含む光を反射する第１の投影ミラーと、前記第１の投影ミラーで反射された投影光を前記表示領域に向けて反射する第２の投影ミラーとが、設けられており、
   前記第１の投影ミラーと前記第２の投影ミラーとで、前記スクリーンに結像したホログラム画像が拡大されるとともに、運転者の視線に対する前記表示領域の傾きによる前記表示画像の歪みの補正が、前記第１の投影ミラーと前記第２の投影ミラーとで分担されていることを特徴とする車載用投影装置。
2. さらに、前記表示領域の湾曲による前記表示画像の歪みの補正が、前記第１の投影ミラーと前記第２の投影ミラーとで分担されている請求項１記載の車載用投影装置。
3. 前記運転者の目が位置する矩形状の領域をアイボックスとして仮定し、前記アイボックスの各角部から前記表示領域を見たときに、表示領域の歪みが所定位置以下となるように、前記表示画像の歪みの補正が、前記第１の投影ミラーと前記第２の投影ミラーとで補正される請求項１または２記載の車載用投影装置。
4. 前記第１の投影ミラーと前記第２の投影ミラーは、ともに凹面鏡である請求項１ないし３のいずれかに記載の車載用投影装置。
5. 前記第１の投影ミラーと前記第２の投影ミラーは、基準光学面から反射面までの距離が、球面の座標を多項の補正係数で補正して算出されたものであり、場所によって前記球面の半径と前記補正係数が相違している請求項４記載の車載用投影装置。
6. 前記第１の投影ミラーと前記第２の投影ミラーは、共に次の数１に基づいて形成されている請求項５記載の車載用投影装置。
   

   

   ただし、Ｚは基準光学面からの距離、ｘ，ｙは基準点からの座標、ｃは凹球面の半径の逆数、ｃ^２は（ｘ^２＋ｙ^２）、ｋはコーニック定数であり、ゼロである。Σ{Ａ_ｉＥ_ｉ（ｘ，ｙ）}は、多項の補正係数である。

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