JP2015087739A - 光学素子固定部材 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化の影響を低減できる光学素子固定部材を提供する。【解決手段】光学素子固定部材は、投射レンズ２４２を固定する。光学素子固定部材は、投射レンズ２４２の光軸方向の熱膨張率が光軸方向に交差する方向よりも低い。光学素子固定部材は、長尺の充填剤を含む樹脂体により形成されており、樹脂体は、充填剤の長尺方向が光軸方向に配向する。光学素子固定部材は、第１光路と、第１光路が延びる方向に交差する方向に延びる第２光路とを含む複数の光路により構成される光学経路上に配置される複数の光学素子を固定する。光学素子固定部材は、複数の光路のうち最も長い光路が延びる方向と、投射レンズの光軸方向とが同一方向となるように複数の光学素子を固定する。【選択図】図３

Description

本発明は、光学素子固定部材に関する。

ヘッドアップディスプレイと呼ばれる車両用表示装置が知られている。ヘッドアップディスプレイは、車外から入る光を透過すると共に、車内に配置された光学ユニットから投射された画像を車両のウィンドシールドなどに反射させることにより、車外の風景に重畳して情報を表示する表示装置である。ヘッドアップディスプレイは、車外の景色を視認している運転者が視線や焦点をほとんど変化させることなく光学ユニットから投射された画像の情報を認識することができるため、車両用の表示装置として近年注目を集めている。

画像表示光を投射する光学ユニットは、投射レンズなどの複数の光学素子を有し、これらの光学素子は光学ベース部材に固定される。例えば、レンズ群を固定するレンズ鏡筒として、繊維状充填剤を含有する樹脂材料が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１８９７１１号公報

光学ユニットの性能は光学素子の配置関係に影響されることから、光学素子固定部材は、温度変化などにより変形しにくい部材であることが望ましい。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、温度変化の影響を低減できる光学ベース部材を提供することを目的とする。

本発明の光学素子固定部材は、投射レンズを固定する光学素子固定部材であって、投射レンズの光軸方向の熱膨張率が光軸方向に交差する方向よりも低い。

本発明の光学素子固定部材によれば、温度変化の影響を低減することができる。

本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイの設置態様を模式的に示す図である。 画像投射部の構造を示す斜視図である。 画像投射部の内部構成を示す上面図である。 光学ベース部材の構造を模式的に示す図である。 光学ベース部材の形成に用いる金型の構造を模式的に示す図である。 変形例における光学ベース部材の構造を模式的に示す図である。 変形例における光学ベース部材の形成に用いる金型の構造を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施の形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

実施の形態に係る画像表示装置として、車両のダッシュボード内に設置して使用されるヘッドアップディスプレイ１０を例に挙げて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１０の設置態様を模式的に示す図である。ヘッドアップディスプレイ１０は、光学ユニット１００と制御装置５０とを含む。図１は、車両の進行方向（図１における左方向）を基準として左側のダッシュボード内に光学ユニット１００を配置して使用する場合を示す図であり、以下の実施の形態は、左ハンドル車における運転者向けにヘッドアップディスプレイ１０が配置されている例を示している。なお、右ハンドル車用とするためには、車両の進行方向を基準として光学ユニット１００の内部構成を左右反転させればよい。以下図１を参照して、ヘッドアップディスプレイ１０の概要を説明する。

制御装置５０は図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）を備え、光学ユニット１００に表示させるための画像信号を生成する。制御装置５０はまた、図示しない外部入力インタフェースを備えており、ナビゲーション装置やメディア再生装置などの外部装置から出力された画像信号が入力され、その入力された信号に対して所定の処理を行った後、光学ユニット１００に出力することもできる。

光学ユニット１００は、制御装置５０が生成した画像信号をもとに、ウィンドシールド６１０に虚像４５０として表示させる画像表示光を生成する。このため光学ユニット１００は、筐体１１０の内部に画像投射部２１０、中間鏡３５０、中間像形成部３６０、および投射鏡４００を備える。

画像投射部２１０には、光源、画像表示素子、各種光学レンズ及び鏡などの光学素子が収納される。画像投射部２１０は制御装置５０が出力した画像信号をもとに画像表示光を生成して投射する。なお、本実施の形態では画像表示素子として反射型液晶表示パネルであるＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）を用いる場合を例示するが、画像表示素子としてＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いてもよい。その場合、適用する表示素子に応じた光学系及び駆動回路で構成するものとする。

画像投射部２１０が投射した画像表示光は中間鏡３５０で反射される。中間鏡３５０で反射された画像表示光は、中間像形成部３６０に結像される。中間像形成部３６０で結像した実像に係る画像表示光は、中間像形成部３６０を透過し、投射鏡４００に投射される。

中間像形成部３６０は、拡散スクリーン３６２と、凹レンズ３６４を有する。拡散スクリーン３６２は、中間像形成部３６０を透過する画像表示光に基づく実像を結像させるとともに、投射鏡４００へと向かう画像表示光の配光角を制御する。凹レンズ３６４は、投射鏡４００へと向かう画像表示光の主光線の方向を制御し、中間像形成部３６０を透過する前後の画像表示光がなす角度を調整する。

中間像形成部３６０を透過した画像表示光は、投射鏡４００により反射されウィンドシールド６１０に投射される。投射鏡４００は凹面鏡であり、中間像形成部３６０を透過した画像表示光は投射鏡４００によって拡大されてウィンドシールド６１０に投射される。ウィンドシールド６１０に投射された画像表示光は、ウィンドシールド６１０によってユーザに向かう光路へ変更される。運転者であるユーザＥは、ウィンドシールド６１０で反射さた画像表示光を虚像４５０として、ウィンドシールド６１０よりも視線方向の前方に認識する。

以上の構成とすることで、ユーザは、制御装置５０から出力された画像信号に基づく虚像を、ウィンドシールド６１０を介して現実の風景に重畳して視認することができる。

次に、図２から図４を参照しながら、本発明の実施の形態に係る画像投射部２１０について説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る画像投射部２１０の構造を示す斜視図である。図３は、画像投射部２１０の内部構成を画像表示光の光路とともに示す上面図である。図４は、光学ベース部材２５０の構造を模式的に示す図である。

図２及び図３に示されるように、画像投射部２１０は、照明部２３０、反射鏡２３６、フィールドレンズ２３７、偏光ビームスプリッタ２３８、位相差板２３９、検光子２４１、投射レンズ２４２、ヒートシンク２４３、鏡筒２４４、及び光学ベース部材２５０を備える。また、照明部２３０は、光源２３１、コリメートレンズ２３２、ＵＶ−ＩＲ（UltraViolet-Infrared Ray）カットフィルタ２３３、偏光子２３４、フライアイレンズ２３５を備える。

光源２３１は白色の光を発する発光ダイオードからなり、ヒートシンク２４３に取り付けられる。ヒートシンク２４３は、光源２３１の発光に伴い発生する熱を放熱する。光源２３１が発した光は、コリメートレンズ２３２によって平行光に変えられる。ＵＶ−ＩＲカットフィルタ２３３は、コリメートレンズ２３２を通過した平行光から紫外光及び赤外光を吸収し除去する。偏光子２３４は、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ２３３を通過した光を乱れのないＰ偏光へと変える。そしてフライアイレンズ２３５が、偏光子２３４を通過した光の明るさを均一に整える。

反射鏡２３６は、照明部２３０のフライアイレンズ２３５を透過した光の光路を９０度変更する。反射鏡２３６で反射された光は、フィールドレンズ２３７によって集光される。フィールドレンズ２３７が集光した光は、Ｐ偏光を透過する偏光ビームスプリッタ２３８及び位相差板２３９を介して、画像表示素子２４０に照射される。

画像表示素子２４０は、画素毎に赤色、緑色、及び青色のカラーフィルタを備えている。画像表示素子２４０に照射された光は、各画素に対応する色となり、画像表示素子２４０の備える液晶組成物によって変調が施され、Ｓ偏光の画像表示光となって偏光ビームスプリッタ２３８に向けて出射される。出射されたＳ偏光の光は偏光ビームスプリッタ２３８で反射され、光路を変えて検光子２４１を通過した後に投射レンズ２４２へ入射される。投射レンズ２４２を透過した画像表示光は、画像投射部２１０を出て中間鏡に入射する。

鏡筒２４４は、投射レンズ２４２を直接固定する第１の光学素子固定部材であり、略円筒形状の部材である。鏡筒２４４は、後述する光学ベース部材２５０と同様、ガラス繊維またはカーボン繊維などの繊維状の充填剤を含有するＰＰＳ（ポニフェニレンスルフィド）樹脂やＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）樹脂などの樹脂体で構成される。鏡筒２４４は、繊維状である充填剤が配向される長尺方向と、投射レンズ２４２の光軸方向（ｙ軸方向）とが一致するように形成される。

光学ベース部材２５０は、画像投射部２１０を構成する光学素子を固定する第２の光学素子固定部材である。光学ベース部材２５０は、照明部２３０を構成する光学素子や、反射鏡２３６、フィールドレンズ２３７、偏光ビームスプリッタ２３８、検光子２４１を固定しこれらの光学素子の位置を決める。また、光学ベース部材２５０は、鏡筒２４４を固定し、鏡筒２４４の位置を調整することにより投射レンズ２４２の位置を決める。

光学ベース部材２５０は、光源２３１から反射鏡２３６に向かってｙ軸方向に沿って延びる第１光路に対応する第１区間２５０ａと、反射鏡２３６から偏光ビームスプリッタ２３８に向かってｘ軸方向に沿って延びる第２光路に対応する第２区間２５０ｂと、偏光ビームスプリッタ２３８から投射レンズ２４２に向かってｙ軸方向に沿って延びる第３光路に対応する第３区間２５０ｃを有する。本実施の形態では、照明部２３０からの光が反射鏡２３６および偏光ビームスプリッタ２３８に反射されることから、光学ベース部材２５０は光路の形状にあわせて略コ字状の形状を有する。なお、光学ベース部材２５０に固定されるこれらの光学素子は、第１光路、第２光路、第３光路により略コ字状の光学経路を構成しており、これらの光学素子は、この略コ字状の光学経路上に配置されていると言うこともできる。

図４は、光学ベース部材２５０の構造を模式的に示す図である。光学ベース部材２５０は、ガラス繊維またはカーボン繊維などの繊維状の充填剤２５４を含有する樹脂体２５２で構成される。樹脂体２５２は、ＰＰＳ樹脂や、ＡＢＳ樹脂などが樹脂基材として構成される。光学ベース部材２５０は、長尺の充填剤２５４が配向される方向Ａと、投射レンズ２４２の光軸方向（ｙ軸方向）とが一致するように形成される。

充填剤２５４は、樹脂体２５２を構成する樹脂基材と比べて熱膨張率が低い材料で構成される。そのため、充填剤２５４を含む樹脂体２５２は、充填剤２５４が配向されるｙ軸方向に沿った配向方向Ａの熱膨張率が、充填剤２５４の配向方向に交差するｘ軸方向に沿った方向の熱膨張率よりも低くなる。本実施の形態では、熱膨張率の低い配向方向Ａと、投射レンズ２４２の光軸方向であるｙ軸方向を合わせることによって、光源２３１が発する熱などの影響により、画像表示素子２４０から投射レンズ２４２までの距離の変化を低減することができる。特に、投射レンズ２４２までの距離が変化すると、投射レンズ２４２により投射される画像表示光のピントがずれて像がぼやけてしまうおそれがある。本実施の形態では、投射レンズの光軸方向に熱膨張率の低い光学ベース部材２５０を用いることで、熱影響を抑えて高精細な画像表示光を投射することができる。

また、本実施の形態の光学ベース部材２５０は、第１区間２５０ａや第２区間２５０ｂに対応する第１光路や第２光路と比べて第３区間２５０ｃに対応する第３光路の光学経路が長い。そこで、熱影響により距離が相対的に大きく変化する第３区間２５０ｃにおける光軸方向と、熱膨張率の低い方向を合わせることで、熱による影響をより低減することができる。

なお、充填剤２５４の配向方向Ａは、射出成型などにより光学ベース部材２５０を形成するときに樹脂基材が流れる方向によって決まる。したがって、上述の光学ベース部材２５０を成型するためには、光軸方向であるｙ軸方向に向かって樹脂が流れるように金型の樹脂注入口の位置などを調整すればよい。

図５は、光学ベース部材２５０の形成に用いる金型３００の構造を模式的に示す図である。図５では、説明を容易にするため、金型３００の断面を示した平面図として記載しているが、金型３００の形状は実際には立体形状である。金型３００は、光学ベース部材２５０の外側を覆う形状を有し、光学ベース部材２５０の第１区間２５０ａ、第２区間２５０ｂ、第３区間２５０ｃのそれぞれを形成するための第１空間３００ａ、第２空間３００ｂおよび第３空間３００ｃを区画する。また金型３００には、樹脂基材を注入するためのノズルが挿入される注入口３０２が設けられている。

注入口３０２の数や大きさは、図示したものに限定されないが、図５の例としては、第１区間２５０ａ、第２区間２５０ｂおよび第３区間２５０ｃの全てに樹脂基材を注入可能となる面３０４ｂに、複数の注入口３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃが備えられている。図５の例では、第２空間３００ｂを区画する面であって、光軸方向（ｙ軸方向）に直交するｘ軸方向に延びる面３０４ｂに注入口３０２が設けられる。これら複数の注入口３０２より、光軸方向であるｙ軸方向に沿って樹脂基材が注入される。

これら複数の注入口３０２から注入された樹脂基材は、ｙ軸方向に沿ってＡ１、Ａ２、Ａ３の方向に進むように充填されるため、充填された樹脂基材においては、充填剤２５４の配向方向Ａが概ねｙ軸方向となる。

また、本実施の形態における鏡筒２４４は、熱膨張率の低い配向方向Ａと、投射レンズ２４２の光軸方向であるｙ軸方向を合わせることによって、熱影響により複数の投射レンズ２４２の間の距離が変化してしまう影響を低減することができる。投射レンズ２４２の光軸方向の熱膨張率が低い鏡筒２４４を用いることで、熱影響を抑えてより高精細な画像表示光を投射することができる。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。

図６は、変形例における光学ベース部材２５０の構造を模式的に示す図である。変形例においては、第２区間２５０ｂにおける充填剤２５４の配向方向Ｂが、第１区間２５０ａと第３区間２５０ｃとで異なる点で上述の実施の形態と相違する。光学ベース部材２５０は、第１区間２５０ａおよび第３区間２５０ｃにおける充填剤２５４の配向方向Ａがｙ軸方向に沿った方向であるのに対し、第２区間２５０ｂにおける充填剤２５４の配向方向Ｂがｘ軸方向に沿った方向となるように形成される。これにより、光学ベース部材２５０により固定される光学素子の光軸方向と、光学ベース部材２５０の熱膨張率が低い方向とを合わせることができ、熱による影響をさらに低減させることができる。変形例における光学ベース部材２５０を成型するためには、配向方向Ａであるｙ軸方向および配向方向Ｂであるｘ軸方向の各々に向かって樹脂が流れるように金型の樹脂注入口を複数設けることにより実現することができる。

図７は、変形例における光学ベース部材の形成に用いる金型の構造を模式的に示す図である。図７においても、図５と同様に、金型３００の断面図を示しているが、実際には立体形状である。金型３００は、光学ベース部材２５０の外側を覆う形状を有し、光学ベース部材２５０の第１区間２５０ａ、第２区間２５０ｂ、第３区間２５０ｃのそれぞれを形成するための第１空間３００ａ、第２空間３００ｂおよび第３空間３００ｃを区画する。また、金型３００には、樹脂基材を注入するためのノズルが挿入される注入口３０２が設けられている。

注入口３０２の数や大きさは、図示したものに限定されないが、図７の例としては、第１区間２５０ａおよび第３区間２５０ｃに樹脂基材を注入可能な面３０４ａ、３０４ｃに注入口３０２がそれぞれ備えられている。図７の例では、第１空間３００ａまたは第３空間３００ｃを区画する面であって、光軸方向（ｙ軸方向）に直交するｘ軸方向に延びる面３０４ａ、３０４ｃに注入口３０２がそれぞれ設けられる。これら複数の注入口３０２より、光軸方向であるｙ軸方向に沿って樹脂基材が注入される。

これら複数の注入口３０２から注入された樹脂基材は、ｙ軸方向に沿ってＡ１、Ａ３の方向に進むように充填され、第２区間２５０ｂにおいてはｘ軸方向に沿ってＢ１、Ｂ３の方向に樹脂基材が回り込む。このため、充填された樹脂基材は、第１区間２５０ａおよび第３区間２５０ｃにおいて充填剤２５４の配向方向Ａが概ねｙ軸方向となり、第２区間２５０ｂにおいて充填剤２５４の配光方向Ｂが概ねｘ軸方向となる。

上述の実施形態では、光学ベース部材２５０が略コ字状の形状を有する場合を示したが、光学ベース部材２５０の形状はこれに限られず、光学素子の配置により直線形状としてもよいし、Ｌ字状の形状としてもよい。このように、光学ベース部材２５０の形状が異なる場合においても、熱影響で光学素子の距離が変化した場合に、投射される画像表示光への影響が大きい箇所の光軸方向に熱膨張率が低くなるよう光学ベース部材２５０を構成すればよい。より具体的には、投射レンズ２４２の光軸方向に熱膨張率が低くなるよう光学ベース部材２５０を構成すればよい。

上述の実施形態では、ヘッドアップディスプレイ向けの画像投射部２１０に用いる光学素子固定部材について説明したが、変形例として、壁に設置したスクリーンなどに画像表示光を投射するプロジェクタの画像投射部に上述の光学素子固定部材を用いることとしてもよい。また、カメラなどの撮像装置に用いられる光学素子の固定用に上述の光学素子固定部材を用いることとしてもよい。この場合、撮像レンズの光軸方向が光学素子固定部材の熱膨張率の低い方向となるように光学素子固定部材を構成すればよい。

２１０…画像投射部、２３０…照明部、２３６…反射鏡、２３７…フィールドレンズ、２３８…偏光ビームスプリッタ、２３９…位相差板、２４０…画像表示素子、２４１…検光子、２４２…投射レンズ、２４４…鏡筒、２５０…光学ベース部材、２５０ａ…第１区間、２５０ｂ…第２区間、２５０ｃ…第３区間、２５２…樹脂体、２５４…充填剤、３００…金型、３０２…注入口。

Claims (4)

1. 投射レンズを固定する光学素子固定部材であって、前記投射レンズの光軸方向の熱膨張率が前記光軸方向に交差する方向よりも低いことを特徴とする光学素子固定部材。
2. 前記光学素子固定部材は、長尺の充填剤を含む樹脂体により形成されており、
   前記樹脂体は、前記充填剤の長尺方向を前記光軸方向に配向させることにより、前記投射レンズの光軸方向の熱膨張率を前記光軸方向に交差する方向よりも低くすることを特徴とする請求項１に記載の光学素子固定部材。
3. 前記光学素子固定部材は、第１光路と、前記第１光路が延びる方向に交差する方向に延びる第２光路とを含む複数の光路により構成される光学経路上に配置される複数の光学素子を固定するとともに、前記複数の光路のうち最も長い光路が延びる方向と、前記投射レンズの光軸方向とが同一方向となるように前記複数の光学素子を固定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学素子固定部材。
4. 前記光学素子固定部材は、
   前記投射レンズを直接固定する第１の光学素子固定部材と、
   前記第１の光学素子固定部材を固定するとともに、光源および前記光源が発する光を変調する画像表示素子とを固定する第２の光学素子固定部材と、を備え、
   前記第１の光学素子固定部材は、第１方向の熱膨張率が前記第１方向に交差する方向よりも低くなるように構成され、前記投射レンズの光軸方向が前記第１方向と同一方向となるように前記投射レンズを固定し、
   前記第２の光学素子固定部材は、第２方向の熱膨張率が前記第２方向に交差する方向よりも低くなるように構成され、前記第１方向と前記第２方向とが同一方向となるように前記第１の光学素子固定部材を固定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子固定部材。

Images