JP2017219799A - 画像表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザ光によって画像を描画される被走査部材を容易に予め定められた曲率で湾曲させて保持することができる画像表示装置を提供する。【解決手段】画像に対応するレーザ光を照射するレーザ光源と、前記レーザ光源が照射するレーザ光を偏向する光偏向器と、前記光偏向器が偏向したレーザ光によって描画される画像を予め定められた発散角で発散させる被走査部材と、前記被走査部材を収容する湾曲した収容空間を形成する収容部と、を有し、前記収容部は、前記収容空間内に前記被走査部材を収容することにより、前記被走査部材を予め定められた曲率に湾曲させることを特徴とする。【選択図】図5−1

Description

本発明は、画像表示装置に関する。
車両の運転者が少ない視線移動で警報・情報を認知できるアプリケーションとして、車載のHuD(ヘッドアップディスプレイ)が知られている。HuDには、液晶及びDMDのようなイメージングデバイスで中間像を表現する「パネル方式」と、レーザダイオードから射出したレーザビームを2次元走査デバイスで走査して中間像を形成する「レーザ走査方式」がある。
従来は、HuDにおける2次元像(中間像)を描画される例えばマイクロレンズアレイは、製造上の問題から平坦スクリーン形状で製作されていた。HuDに平坦スクリーンが用いられると、平坦スクリーンから出射して凹面ミラーに入射される光の光路長がばらついてしまう。この結果、像面湾曲が大きくなる。
一方、マイクロレンズアレイを湾曲スクリーン形状とすると、凹面ミラーに入射される光の光路長のばらつきが小さくなる。この結果、像面湾曲を小さくすることができる。従来、湾曲スクリーン形状を成形することが難しかったが、現在長手方向の湾曲形状は、成形可能となっている。
また、特許文献1には、凹面鏡やウインドシールドの曲面の影響で生じる虚像の像面湾曲を補正するように、フレキシブル表示デバイスを湾曲させた状態で保持し固定し、湾曲させた表示デバイスの光路の前方に、他の光学補正部材を配置した車両用投影表示装置が開示されている。
しかしながら、従来は、マイクロレンズアレイなどの被走査面を所望の湾曲形状に成形することは困難であった。また、フレキシブル表示デバイスでは、表示装置と保持部材を充填剤で固定すると、動作環境が変動した場合に、剥がれたり変形して画像不具合が発生する等の問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ光によって画像を描画される被走査部材を容易に予め定められた曲率で湾曲させて保持することができる画像表示装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、画像に対応するレーザ光を照射するレーザ光源と、前記レーザ光源が照射するレーザ光を偏向する光偏向器と、前記光偏向器が偏向したレーザ光によって描画される画像を予め定められた発散角で発散させる被走査部材と、前記被走査部材を収容する湾曲した収容空間を形成する収容部と、を有し、前記収容部は、前記収容空間内に前記被走査部材を収容することにより、前記被走査部材を予め定められた曲率に湾曲させることを特徴とする。
本発明によれば、レーザ光によって画像を描画される被走査部材を容易に予め定められた曲率で湾曲させて保持することができるという効果を奏する。
図1は、実施形態にかかる画像表示装置の概要を示す図である。 図2は、イメージャ(画像形成部)の詳細を示す図である。 図3は、光源部の構成を示す図である。 図4は、スクリーンと光束の方向とを示す図である。 図5−1は、スクリーン及びその周辺の第1実施例を示す図である。 図5−2は、スクリーン及びその周辺の第1実施例を示す図である。 図6−1は、スクリーン及びその周辺の第2実施例を示す図である。 図6−2は、スクリーン及びその周辺の第2実施例を示す図である。 図7は、図6に示した第2実施例における湾曲スクリーンが収容空間に収容された状態を示すZ線の断面図である。 図8は、スクリーン及びその周辺の第3実施例を示す図である。 図9は、湾曲スクリーンと第2保持部の大きさ、配置を相対的に示す図である。 図10−1は、スクリーン及びその周辺の第4実施例を示す図である。 図10−2は、スクリーン及びその周辺の第4実施例を示す図である。 図10−3は、スクリーン及びその周辺の第4実施例を示す図である。
以下に添付図面を参照して、画像表示装置の実施形態について説明する。図1は、実施形態にかかる画像表示装置1の概要を示す図である。画像表示装置1は、例えばHuD(ヘッドアップディスプレイ)であり、車両、航空機、船舶等の移動体に搭載される。
画像表示装置1は、光源部(レーザ光源)10、光偏向器11、走査ミラー12、スクリーン(被走査部材)13、凹面ミラー14、及び透過反射部材15を有する。なお、透過反射部材15は、例えば車両のフロントガラスであり、光が照射されることにより、観察者の視点から虚像を視認可能にする。例えば、画像表示装置1は、車両のフロントガラス(フロントウインドシールド:透過反射部材15)を介して当該車両の運転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)等を視認可能にする。この場合、フロントガラスは、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる。以下では、画像表示装置1がフロントガラスを備える車両(自動車)に搭載される場合を例に説明する。
光源部10は、R,G,Bの3色の画像に対応するレーザ光を合成して照射する。ここで、3色の混合レーザ光は、光偏向器11の反射面に向かって導かれる。光偏向器11は、後述するように半導体プロセス等で作製されたMEMSであり、直交する2軸に対して揺動する単一の微小なミラーを有する。光偏向器11は、1軸に揺動/回動するミラー2つから成るミラー系であってもよい。光偏向器11は、光源部10が照射する3色の混合レーザ光の光束を偏向させる。光偏向器11が偏向させた混合レーザ光は、走査ミラー12により折り返され、スクリーン13に2次元像(中間像)を描画する。
スクリーン13は、レーザ光を予め定められた発散角で発散させる機能を有しており、例えば後述するようにマイクロレンズアレイ構造となっている。ここで、スクリーン13は、湾曲スクリーン(湾曲構造部)にされている。スクリーン13を介して射出された光束は、単一の凹面ミラー14及び透過反射部材15によって拡大表示された虚像となる。つまり、画像表示装置1は、光偏向器11がスクリーン13に走査した画像領域を拡大させる拡大光学系を備えている。なお、光源部10、光偏向器11、走査ミラー12及びスクリーン13を有する部分をイメージャ(画像形成部)と記すことがある。
凹面ミラー14は、透過反射部材15の影響で中間像の水平線が上または下に凸形状となる光学歪み要素を補正するように設計・配置されている。なお、画像表示装置1は、透過反射部材15と同じ機能(部分反射)を持つ別途の部分反射鏡(コンバイナ)を有した構成であってもよい。
なお、観察者(例えば移動体を操縦する操縦者)は、透過反射部材15によって反射されたレーザ光の光路上のアイボックス19(観察者の目の近傍の領域)から拡大虚像Iを視認する。ここで、アイボックス19は、視点の位置の調整をすることなく拡大虚像Iが視認可能な範囲を意味する。具体的には、アイボックス19は、自動車の運転者アイレンジ(JIS D0021)と同等かそれ以下である。この反射光により、観察者は拡大虚像Iを視認できる。
次に、図2及び図3を用いて、イメージャ(画像形成部)の詳細について説明する。図2は、イメージャ(画像形成部)の詳細を示す図である。図3は、光源部10の構成を示す図である。光源部10は、カラー画像表示用の画素表示用ビームLCを出射する。画素表示用ビームLCは、赤(以下「R」と表示する。)、緑(以下「G」と表示する。)、青(以下「B」と表示する。)の3色のビームを1本に合成したビームである。
図3に示すように、光源部10は、例えばRのレーザ光を照射するレーザダイオード101r、Gのレーザ光を照射するレーザダイオード(半導体レーザ)101g、Bのレーザ光を照射するレーザダイオード101bを有する。
カップリングレンズ102r、102g、102bは、レーザダイオード101r、101g、101bが照射するレーザ光の発散性を抑制する。カップリングレンズ102r、102g、102bにより発散性を抑制された各色レーザ光束は、アパーチァ103r、103g、103bにより整形される(光束径が規制される)。
整形された各色レーザ光束は、ビーム合成プリズム(光路合成部材)104に入射される。ビーム合成プリズム104は、R色光を透過させG色光を反射するダイクロイック膜105と、R・G色光を透過させB色光を反射するダイクロイック膜106を有する。従って、ビーム合成プリズム104からは、R、G、Bの各色レーザ光束が1本の光束に合成されて出射される。出射される光束は、レンズ107により所定の光束径の「平行ビーム」に変換される。この「平行ビーム」が、画素表示用ビームLCである。
画素表示用ビームLCを構成するR、G、Bの各色レーザ光束は、表示するべき「2次元のカラー画像」の画像信号により(画像データに応じて)強度変調されている。強度変調は、半導体レーザを直接変調する直接変調方式であってもよいし、レーザダイオードから出射されたレーザ光束を変調する外部変調方式であってもよい。そして、レーザダイオード101r、101g、101bは、R、G、Bの各色成分の画像信号により発光強度を変調される。
図2に示したように、光源部10から照射された画素表示用ビームLCは、光偏向器11に入射され、2次元方向に偏向される。光偏向器11は、例えば微小なミラーを「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。すなわち、光偏向器11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)ミラーを含む2次元スキャナである。
光偏向器11は、この例に限らず、例えば、1軸の回りに揺動する微小ミラー(例えばMEMSミラーやガルバノミラー)を2個、揺動方向が互いに直交するように組み合わせられたものでもよい。2次元方向に偏向された画素表示用ビームLCは、走査ミラー12に入射され、スクリーン13に向けて反射される。
スクリーン13は、図4に示したように、a方向を長手方向とする矩形板状の部材であり、長手方向(a方向)に予め定められた曲率で湾曲させられる。スクリーン13は、「透過型」である。スクリーン13については、後に詳述する。
走査ミラー12は、スクリーン13上で発生する走査線(走査軌跡)の曲がりを補正するように設計されている。走査ミラー12により反射された画素表示用ビームLCは、光偏向器11による偏向に伴い平行移動しつつスクリーン13に入射され、該スクリーン13を2次元方向に走査する。つまり、スクリーン13は、画素表示用ビームLCにより主走査方向及び副走査方向に2次元走査(例えばラスタースキャン)される。この2次元走査により、スクリーン13に中間像としての「カラー画像」が形成される。
ここでは、スクリーン13における矩形を長手方向に湾曲させた形状の有効走査領域(有効画像領域とも呼ぶ)が2次元走査され、該有効走査領域に中間像が形成される(図4参照)。もちろん、スクリーン13に各瞬間に表示されるのは「画素表示用ビームLCが、その瞬間に照射している画素のみ」である。
カラーの2次元画像は、画素表示用ビームLCによる2次元方向の走査により「各瞬間に表示される画素の集合」として形成される。スクリーン13には、「カラー画像」が形成され、該カラー画像を形成した画素表示用ビームLC、すなわちスクリーン13を透過した光が凹面ミラー14に入射されて反射される。
凹面ミラー14は、「虚像結像光学系」を構成する。凹面ミラー14は、水平面に対して傾斜し、湾曲した透過反射部材15の影響でスクリーン13に形成された「カラー画像」(中間像)の虚像における水平線(横線)が縦に凸形状となる2次元方向の歪み及び垂直線(縦線)が横に凸形状となる2次元方向の歪みを補正するように設計、配置されている。
「虚像結像光学系」は、「カラー画像」の拡大虚像Iを結像させる。以下、拡大虚像Iを単に「虚像」とも記す。また、図4に示したa方向は、観察者にとって左右方向であり、この方向を「横方向」とも呼ぶ。そして、横方向(a方向)に直交する方向を「縦方向」とも呼ぶ。スクリーン13は、全体として凹面ミラー14側に凸の湾曲構造を有している。ここでは、スクリーン13は、a方向(X方向)、すなわち横方向にのみ予め定められた曲率で湾曲している。
次に、スクリーン13を予め定められた曲率に湾曲させて保持するための構成について説明する。図5−1、5−2は、スクリーン13及びその周辺の第1実施例を示す図である。第1実施例では、スクリーン13は、平面スクリーン22が、第1保持部(ホルダ)21及び第2保持部(ホルダ)23によって予め定められた曲率に湾曲させられつつ保持されることによって構成される。
平面スクリーン22は、薄いシート状に作られた平板状のマイクロレンズアレイである。平面スクリーン22は、第1保持部21と第2保持部23とが合わせられることによって形成される収容空間内に収容され、第1保持部21と第2保持部23とに挟まれることによって予め定められた曲率に湾曲させられて保持される。
平面スクリーン22は、保持される前には曲率を持たない平板であり、第1保持部21と第2保持部23が構成する収容部に挟まれることによって、第1保持部21の基準面212と、第2保持部23の基準面230にそれぞれ接触する。
基準面230及び基準面212は、X方向にのみ曲率をもち、基準面230の曲率r1と基準面212の曲率r2には、r2>r1の関係が成り立っている。基準面230と基準面212とによって形成される空間は、平面スクリーン22を収容する収容空間であり、基準面230及び基準面212のX方向全域にわたる範囲で均一であることが望ましい。また、少なくとも、平面スクリーン22が基準面230又は基準面212に接触する位置の近傍では、収容空間の幅(隙間)が略均一になるように設定されることが好ましい。
基準面230及び基準面212が形成する収容空間は、X方向、Y方向には十分な隙間を持つが、光軸方向にはほぼ隙間がないように設定される。また、第1保持部21及び第2保持部23の材質は、平面スクリーン22よりも剛性が高い材質であり、平面スクリーン22が元に戻る(平面状に戻る)力に打ち勝てるようにされている。また、第1保持部21及び第2保持部23は、光を反射、拡散し難くするために黒い材料で、艶消しの表面性状が好ましい。
第1保持部21は、側面より突出した樹脂フック210a、210bが、第2保持部23に設けられた穴部232a、232bに引っ掛けられることにより、第1保持部21と第2保持部23とが一体化され、同時に平面スクリーン22が押圧固定される。
ここで、X、Y方向には比較的大きな隙間が形成されるが、平面スクリーン22の厚み方向には隙間がほとんどないので、平面スクリーン22が移動することがなく、環境変動による平面スクリーン22の膨張(伸び)に対しては余裕があるので、変形やうねりなどの不具合が防止される。ここでは、樹脂フック210a、210bによって締結する場合を説明したが、第1保持部21及び第2保持部23は、ネジ固定、接着剤、粘着剤等の別の手段で固定されてもよい。
図6−1、6−2は、スクリーン13及びその周辺の第2実施例を示す図である。第2実施例では、スクリーン13は、湾曲スクリーン22aが、第1保持部21及び第2保持部23によって予め定められた曲率に湾曲させられつつ保持されることによって構成される。湾曲スクリーン22aは、インジェクション成形やキャスティング成形などで製作される。
これらの成形品は、樹脂の流動性などの問題から、ある程度の厚さ(約0.5mm以上)が必要になる。平面形状の部材は、比較的容易に成形できるが、湾曲形状の曲率を精度よく製造することは難しい。湾曲スクリーン22aは、長辺が例えば100mm以下であり、短辺が50mm以下である。このため、長手のX方向は比較的曲げやすいが、短手のY方向では曲げ量が弾性範囲を超えることもあり、亀裂が入ったり、欠けたり、破断してしまいやすい。
そのため、湾曲スクリーン22aは、所望の状態に近い湾曲の状態に成形して、長辺が弾性変形範囲内で変形できるようにしておき、短辺は変形させないようにされている。第1実施例と同様に、湾曲スクリーン22aの理想形状は、入射面側(表側)が基準面230によって形成され、照射面側(裏側)が基準面212によって形成される。
そして、第1保持部21と第2保持部23の間に湾曲スクリーン22aが設置され、樹脂フック210a、210bが穴部232a、232bに掛かけられることにより、湾曲スクリーン22aは、押圧され、基準面230及び基準面212に倣うようになる。
ここで、第1保持部21及び第2保持部23は、湾曲スクリーン22aよりも剛性があり、押圧時に基準面230及び基準面212が変形しないようにされている。樹脂フック210a、210bが穴部232a、232bに嵌合されると、湾曲スクリーン22aは、支持固定される。第1保持部21及び第2保持部23が形成する収容空間と湾曲スクリーン22aとの間には、第1実施例の場合と同様に、X方向、Y方向には隙間を有するが、光軸方向の隙間はほとんど無いように設定されている。
図7は、図6に示した第2実施例における湾曲スクリーン22aが収容空間に収容された状態を示すZ線の断面図である。湾曲スクリーン22aは、第1保持部21及び第2保持部23によって押圧されて変形して支持されている。なお、第2保持部23は、光源ユニット筐体や、本体筐体等に固定される。
図8は、スクリーン13及びその周辺の第3実施例を示す図である。第3実施例では、スクリーン13は、湾曲スクリーン22aが、第1保持部21及び第2保持部23aによって予め定められた曲率に湾曲させられつつ保持されることによって構成される。
第2保持部23aは、基準面230aの開口部235の周囲に突起(接触部)234a〜234cが設けられており、突起234a〜234cが湾曲スクリーン22aに接触するようにされている。突起234a〜234cは、ここでは3箇所設けられているが、数は限定されない。突起234a〜234cの高さは、湾曲スクリーン22aが押圧され、第1保持部21の基準面212に湾曲スクリーン22aが倣うような高さに設定されている。一方、基準面230aはラフな精度でもよいが、湾曲スクリーン22aが大きく逃げない(変形できない)ようにされている。また、突起234a〜234cは、第1保持部21に設けられていてもよい。
図9は、湾曲スクリーン22aと第2保持部23aの大きさ、配置を相対的に示す図である。図9においては、図8に示したAの方向から第2保持部23a等を見た状態が示されている。第2保持部23aの開口部235のX方向長さをE、湾曲スクリーン22aが押圧されて基準面212に倣った状態のX方向寸法をF、第1保持部21の基準面212のX方向寸法Gとすると、レーザ光束が必ず湾曲スクリーン22aを透過するようにF>Eとされ、熱膨張により湾曲スクリーン22aがX方向に延びても第1保持部21内に収まるようにG>Fになるように設定されている。
同様に、第2保持部23aの開口部235のY方向長さをD、湾曲スクリーン22aが押圧されて基準面212に倣った状態のY方向寸法をC、第1保持部21の基準面212のY方向寸法をBとすると、レーザ光束が必ず湾曲スクリーン22aを透過するようにC>Dとされ、熱膨張により湾曲スクリーン22aがY方向に延びても第1保持部21内に収まるようにB>Cになるように設定されている。
突起234a〜234cは、湾曲スクリーン22aが左右均等に押圧されるように突起234aから突起234b、234cへのX方向距離が略均等になるように配置されている。また、Y方向については、開口部235の外側で、湾曲スクリーン22aの外形より内側に配置されている。このように設定されると、環境変動で湾曲スクリーン22aが伸びても第1保持部21、第2保持部23a間で支持された状態で伸びを吸収できるため、画像に影響を与えるようなことはない。
図10−1〜10−3は、スクリーン13及びその周辺の第4実施例を示す図である。第4実施例では、スクリーン13は、保持部材(収容部)24に形成された収容空間240に湾曲スクリーン22aが収容されることにより、予め定められた曲率に湾曲させられつつ保持されることによって構成される。
図10−1において、保持部材24に短手方向(Y方向)から湾曲スクリーン22aが挿入されるように、収容空間(スリット)240が設けられている。収容空間240の開口幅は、湾曲スクリーン22aの厚さよりも広くされており、突起242aのみが湾曲スクリーン22aの厚さとほぼ同等な隙間を作っている。
保持部材24と湾曲スクリーン22aとが接触する面は、理想的な湾曲スクリーン22a形状と同等になるように成形されている。ここでは突起242aを1箇所で記載しているが、平面スクリーン22や湾曲スクリーン22aが基準面に倣わないような場合は複数箇所設けられてもよい。湾曲スクリーン22aは、保持部材24に対して湾曲させられた状態で挿入される。
図10−2は、湾曲スクリーン22aが保持部材24に挿入される状態を図10−1のHの方向から見た図である。図10−2においては、湾曲スクリーン22aは突起242a〜242cで基準面246に押し付けられるように、基準面246と突起242a〜242cの隙間が調整されている。基準面246が湾曲スクリーン22aの照射面側の理想的曲面形状となるように成形されると、湾曲スクリーン22aが基準面246に倣って理想的形状に近づく。押圧力が不足するようであれば突起242の数を増やし、多点で押圧できるようにされてもよい。
図10−3は、保持部材24を底面(収容空間240の挿入口の逆面)から見た平面図である。挿入面に対向する面には、例えば複数箇所開口部が設けられている。例えば突起247a、247bに相当する位置に開口部248a、248bが設けられる。この開口部248a、248bに金型が入ってきて、湾曲スクリーン22aの押圧力が適正になるように、基準面246と突起247a、247bが作る隙間が調整されている。よって、金型構造が簡単になり、歩留まりを向上させることができる。湾曲スクリーン22aは、突起247a、247b等と基準面246に挟まれた格好で支持され、基準面246に倣うことになる。開口部248a、248bなどからの塵芥が入ることを避けたい場合は、シール部材で塞ぐようにされてもよい。
1 画像表示装置
10 光源部
11 光偏向器
12 走査ミラー
13 スクリーン
14 凹面ミラー
15 透過反射部材
21 第1保持部
22 平面スクリーン
22a 湾曲スクリーン
23、23a 第2保持部
24 保持部材
212 基準面
230、230a 基準面
234a〜234c 突起
240 収容空間
特開2015−230329号公報

Claims (10)

  1. 画像に対応するレーザ光を照射するレーザ光源と、
    前記レーザ光源が照射するレーザ光を偏向する光偏向器と、
    前記光偏向器が偏向したレーザ光によって描画される画像を予め定められた発散角で発散させる被走査部材と、
    前記被走査部材を収容する湾曲した収容空間を形成する収容部と、
    を有し、
    前記収容部は、
    前記収容空間内に前記被走査部材を収容することにより、前記被走査部材を予め定められた曲率に湾曲させること
    を特徴とする画像表示装置。
  2. 前記収容部は、
    前記被走査部材を表面から保持する第1保持部と、
    前記被走査部材を裏面から保持する第2保持部と、
    を有することを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。
  3. 前記第1保持部及び前記第2保持部の少なくともいずれかは、
    前記被走査部材に接触する接触部を有すること
    を特徴とする請求項2に記載の画像表示装置。
  4. 前記収容部は、
    前記被走査部材よりも高剛性であること
    を特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  5. 前記収容部は、
    前記被走査部材よりも線膨張率が小さいこと
    を特徴とする請求項4に記載の画像表示装置。
  6. 前記被走査部材は、
    マイクロレンズアレイであること
    を特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  7. 前記光偏向器は、
    2軸MEMSミラーを有すること
    を特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  8. 前記レーザ光源は、
    波長が異なる複数のレーザ光を照射し、
    前記レーザ光源が照射した複数のレーザ光の光路を1つに合成する光路合成部材をさらに有すること
    を特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  9. 前記光偏向器が前記被走査部材に走査した画像領域を拡大させる拡大光学系をさらに有すること
    を特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の画像表示装置。
  10. 前記拡大光学系が拡大させた画像領域のレーザ光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材をさらに有すること
    を特徴とする請求項9に記載の画像表示装置。
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