JP2023075843A - 画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投影される画像の品質を維持しながら、外光による画像照射部の温度上昇を効果的に抑制することが可能な画像投影装置を提供する。【解決手段】画像を照射する画像照射部（１０）と、画像照射部（１０）からの照射光を表面で反射するとともに裏面からの光を透過する反射透過部（６０）と、所定の偏光面における光の透過率が入射角度に依存して変化する角度依存光透過部（４０）とを備え、角度依存光透過部（４０）は画像照射部（１０）から反射透過部（６０）までの前記照射光の光路上に配置されている画像投影装置。【選択図】図３

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り好ましくない。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。

図７は、従来の画像投影装置の構成を示す模式図である。図７に示したように従来の画像投影装置は、画像照射部１と、自由曲面ミラー２，３とを備えている。このような画像投影装置では、画像照射部１が画像を含んだ照射光Ｌを照射し、自由曲面ミラー２，３で照射光Ｌを反射させて、ウィンドシールドを介し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Ｌ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。

しかし図７に示した画像投影装置では、外部から太陽光などが外光Ｌｓとして入射してきた場合に、画像照射部１の表面上に自由曲面ミラー２，３で外光が集光されてしまい、画像照射部１の温度が上昇して劣化する可能性があった。そこで、複数の自由曲面ミラー２，３の間で照射光Ｌを中間結像させて、中間結像位置の近傍に遮蔽部や赤外光カットフィルターを配置し、外部から画像照射部に到達する外光Ｌｓの影響を低減するものも提案されている。（例えば、特許文献１を参照）

国際公開第２０１７／１９５７４０号公報

しかし、特許文献１に記載された遮光部を用いる構造では、照射光の光路を確保するための空間から外光が画像照射部まで到達することは避けられず、外光の入射を制限するには限界があった。

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、投影される画像の品質を維持しながら、外光による画像照射部の温度上昇を効果的に抑制す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、画像を照射する画像照射部と、前記画像照射部からの照射光を表面で反射するとともに裏面からの光を透過する反射透過部と、所定の偏光面における光の透過率が入射角度に依存して変化する角度依存光透過部とを備え、前記角度依存光透過部は、前記画像照射部から前記反射透過部までの前記照射光の光路上に配置されてい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、角度依存光透過部で外光をカットしながらも画像照射部からの光（照射光）は透過できるため、投影される画像の品質を維持しながら、外光による画像照射部の温度上昇を効果的に抑制することが可能な画像投影装置を提供することができる。

また、本発明の一態様では、前記角度依存光透過部の前記光路に対する角度を変更する角度変更部を備える。

また、本発明の一態様では、前記角度依存光透過部は、少なくとも一軸方向に曲げられて保持されている。

また、本発明の一態様では、前記角度依存光透過部は、曲率半径が１０ｍｍ～１０００ｍｍの範囲である。

また、本発明の一態様では、透過軸方向の偏光を透過し、前記透過軸方向に直交する偏光を遮断する偏光選択部を備え、前記偏光選択部は、前記角度依存光透過部から前記反射透過部までの前記光路上に配置されている。

また、本発明の一態様では、前記偏光選択部の前記透過軸方向は、前記所定の偏光面に対応している。

また、本発明の一態様では、前記画像照射部から前記反射透過部までの前記光路上に配置され、前記画像照射部からの光を中間結像位置に結像する中間結像光学部を備える。

また、本発明の一態様では、前記角度依存光透過部は、前記中間結像位置よりも前記照射光の前記光路において前記反射透過部に近い位置に配置される。

本発明では、投影される画像の品質を維持しながら、外光による画像照射部の温度上昇を効果的に抑制す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１００の構成を示す模式図である。 画像投影装置１００における各光学部材の位置関係を示す模式図であり、図２（ａ）は側面図であり、図２（ｂ）は上面図である。 画像投影装置１００において画像照射部１０から照射された照射光Ｌをライトコーンとして示す模式図であり、図３（ａ）は上面図であり、図３（ｂ）は側面図である。 角度依存光透過部４０の入射角度と反射率の関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る画像投影装置１１０の構成を示す模式図である。 本発明の第３実施形態に係る画像投影装置１２０の構成を示す模式図である。 従来の画像投影装置の構成を示す模式図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について、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１００の構成を示す模式図である。図２は、画像投影装置１００における各光学部材の位置関係を示す模式図であり、図２（ａ）は側面図であり、図２（ｂ）は上面図である。図３は、画像投影装置１００において画像照射部１０から照射された照射光Ｌをライトコーンとして示す模式図であり、図３（ａ）は上面図であり、図３（ｂ）は側面図である。

図１から図３に示すように画像投影装置１００は、画像照射部１０と、自由曲面ミラー２０，３０と、角度依存光透過部４０と、偏光選択部５０とを備えている。また図１では太陽光などの外光Ｌｓの代表的な光路を矢印で示している。また、図３に示すように、画像投影装置１００の外部には車両のウィンドシールド６０が設けられており、運転者等は視点位置からウィンドシールド６０を介して照射光Ｌによる画像を視認する。

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、ＤＭＤ(Ｄｅｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ－ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ)、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Ｌが入射し、角度依存光透過部４０を介して自由曲面ミラー３０方向に反射する鏡である。自由曲面ミラー２０の反射面形状は、曲率が一定ではなく二次元的に変化する自由曲面で構成されている。図１では自由曲面ミラー２０の形状として凹面鏡を示しているが、図２および図３に示したように凸面鏡を用いるとしてもよく、平面鏡を用いるとしてもよい。

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Ｌが入射し、偏光選択部５０を介してウィンドシールド６０方向に反射する凹面鏡である。自由曲面ミラー３０の反射面形状は、曲率が一定ではなく二次元的に変化する自由曲面で構成されている。図１では自由曲面ミラー３０の形状として凹面鏡を示しているが、凸面鏡を用いるとしてもよく、平面鏡を用いるとしてもよい。

角度依存光透過部４０は、所定の偏光面（偏光方向）における光の透過率が入射角度に依存して変化する光学特性を有する光学部材である。また角度依存光透過部４０は、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間に配置されている。図１から図３では角度依存光透過部４０を自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間に配置した例を示したが、角度依存光透過部４０の位置は、画像照射部１０からウィンドシールド（反射透過部）６０までの光路上であり、画像照射部１０から照射された照射光Ｌが角度依存光透過部４０を透過した後にウィンドシールド６０に到達するものであれば限定されない。角度依存光透過部４０の構造や光学特性については、図４等を用いて詳細を後述する。

偏光選択部５０は、透過軸方向の偏光を透過し、透過軸方向に直交する偏光を遮断する光学特性を有する光学部材であり、公知の偏光板または偏光フィルムを用いることができる。また偏光選択部５０は、自由曲面ミラー３０とウィンドシールド６０の間に配置されている。図１から図３では偏光選択部５０を自由曲面ミラー３０とウィンドシールド６０の間に配置した例を示したが、偏光選択部５０の位置は、角度依存光透過部４０からウィンドシールド６０までの照射光Ｌの光路上であれば限定されない。また、偏光選択部５０の透過軸は、ウィンドシールド６０に対するＳ偏光を透過するように配置されている。偏光選択部５０の透過軸方向は、角度依存光透過部４０の曲げ方向に対応しており、ウィンドシールド６０に対するＳ偏光に対応している。図１では、角度依存光透過部４０の曲げ方向に対応させた偏光のみを透過させるために、偏光選択部５０を設けた例を示しているが、偏光選択部５０を設けない構成としてもよい。

ウィンドシールド６０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Ｌを視点の方向に対して反射し、車両の外部からの光を視点の方向に対して透過する反射透過部としての機能を有している。ここでは反射透過部としてウィンドシールド６０を用いた例を示したが、ウィンドシールド６０とは別に反射透過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を視認する。

虚像は、ウィンドシールド６０で反射された照射光が運転者等の視点（アイボックス）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２０，３０およびウィンドシールド６０で反射された後に視点方向に進行する際の拡がり角度によって決まる。このとき運転者または搭乗者は、ウィンドシールド６０よりも遠方の結像位置に虚像が存在するように認識する。ここで、虚像の結像位置は、主として自由曲面ミラー２０および自由曲面ミラー３０の合成焦点距離に依存する。ウィンドシールド６０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６０による光学的パワーの影響は無視できる程度である。

図４は、角度依存光透過部４０の入射角度と反射率の関係を示すグラフである。グラフの横軸は角度依存光透過部４０の表面に垂直な方向を０度とし、０度から傾斜した角度を入射角度として示している。またグラフの縦軸は、角度依存光透過部４０の０度方向と光の入射方向を含む面内方向での偏光（Ｐ偏光）の反射率を示している。図４に示すように角度依存光透過部４０は、入射角度が小さく垂直方向に近く入射した光に対しては反射率が小さく（透過率が大きく）、入射角度が増加するにしたがって反射率が増加し（透過率が低下し）、所定の入射角度以上では反射率が１００％に近くなる光学特性を有している。

図４に示したような光学特性を有する角度依存光透過部４０としては、東レ株式会社製の積層フィルム（商品名「ＰＩＣＡＳＵＳ（登録商標） ＶＴ」）や、特開２０２１－５４０６１号公報等に記載された積層フィルムを用いることができる。図４に示した例では入射角度が４０度近辺で反射率が最大値の１００％となる例を示しているが、最大値の反射率と最大値に到達する入射角度はこれに限定されない。

また角度依存光透過部４０は、図１から図３に示したように、略平板状のフィルム形状として構成されており、少なくとも一軸方向に曲げられて保持されている。ここで角度依存光透過部４０の曲げ方向は、ウィンドシールド６０に対するＰ偏光に対応している。また、図４に示した角度依存光透過部４０の光学特性は、角度依存光透過部４０の曲げ方向における偏光（Ｐ偏光）に対してのものである。

図１に示したように、太陽光などの外光Ｌｓはウィンドシールド６０の上方から入射してくるため、照射光Ｌが構成するライトコーンの範囲内においても、照射光Ｌの光路とは異なる角度で画像照射部１０に向けて逆方向に進行する。また、偏光選択部５０の透過軸方向は、角度依存光透過部４０の曲げ方向に対応しており、偏光選択部５０を透過した外光ＬｓはＰ偏光のみとなり、角度依存光透過部４０の光学特性の影響を受けることになる。このとき、角度依存光透過部４０を曲げることで、角度依存光透過部４０に対する外光Ｌｓの入射角度を大きくすることができる。したがって、角度依存光透過部４０に対する照射光Ｌの入射角度は外光Ｌｓの入射角度よりも小さくなり、ウィンドシールド６０に対するＰ偏光の方向に曲げられているため、照射光Ｌと外光Ｌｓは図４に示した反射率特性の反射率で反射（透過）される。

したがって、角度依存光透過部４０の曲率半径ｒと照射光Ｌの光路に対する傾斜角度を適切に設定することで、照射光Ｌに対する反射率は小さく、外光Ｌｓに対する反射率は大きくすることができる。つまり、画像照射部１０から照射された照射光Ｌは良好に角度依存光透過部４０を透過して虚像の投影に用いながら、外光Ｌｓは角度依存光透過部４０を反射して画像照射部１０に到達する光量を抑制することができる。これにより、外光Ｌｓが画像照射部１０に到達することによる温度上昇を抑制して劣化を防止することができる。

図４では、黒塗りの棒グラフで示した入射角度１５度前後の範囲に照射光Ｌが入射し、白抜きの棒グラフで示した入射角度３５度程度に外光Ｌｓが入射する例を示している。この例では、照射光Ｌの反射率は２０％程度であり８０％程度が透過する。また、外光Ｌｓの反射率は８０％程度であり２０％程度しか透過しない。図４に示した入射角度は一例であり、照射光Ｌの反射率が３０％以下で、外光Ｌｓの反射率が７０％以上となるように設定することが好ましい。したがって、角度依存光透過部４０の曲率半径を１０ｍｍ～１０００ｍｍの範囲とすることが好ましい。

角度依存光透過部４０の曲率半径ｒが１０ｍｍよりも小さいと、角度依存光透過部４０と空気の屈折率差によって、透過する照射光Ｌに生じる収差が大きくなり、投影される画像の質が低下する可能性もあり好ましくない。また、曲率半径ｒが小さすぎると、画像投影装置１００で投影できる画像サイズが小さくなり、画像サイズを大きくするためには筐体サイズを大型化する必要があるため好ましくない。また、角度依存光透過部４０の曲率半径が１０００ｍｍよりも大きいと、照射光Ｌと外光Ｌｓの入射角度に差を生じさせることが困難となり、装置の小型化も困難になる。したがって、曲率半径ｒを１０ｍｍ～１０００ｍｍの範囲とすることで、角度依存光透過部４０に対する照射光Ｌと外光Ｌｓの入射角度に２０～３０度程度の差を設けて、反射率の差を確保することができる。

自由曲面ミラー３０で反射されてウィンドシールド６０に向かう照射光Ｌは平行光に近くなるので、自由曲面ミラー３０を楕円形状に近似して考える。図１に示したように、外光Ｌｓは自由曲面ミラー３０の端部領域に入射し、中央領域で反射される照射光Ｌの光路とは数度（一例として２．５度）の差が生じる。このような数度の光路差を上述したように２０～３０度程度の入射角度の差まで拡大するためには、自由曲面ミラー３０を構成する曲面のうち曲率半径が最大となる値をＲとすると、Ｒ≧ｒとすることが好ましい。

また、角度依存光透過部４０の好ましい光学特性としては、Ｐ波またはＳ波の入射角度が２０度、４０度、７０度における反射率をそれぞれＲ２０，Ｒ４０，Ｒ７０とすると、Ｒ２０＜ Ｒ４０＜Ｒ７０であり、Ｒ７０が３０％以上である。入射角度と反射率の関係がこれらの条件を満たすことで、良好に照射光Ｌを透過し外光Ｌｓを反射することができる。

また、角度依存光透過部４０の彩度は２０以下であることが好ましい。彩度がこの条件を満たすことで、照射光Ｌの色彩を悪化させず、投影される虚像の品質劣化を抑制することができる。

また、入射角７０度で入射したときの可視光範囲（４５０～６５０ｎｍ）における反射率の最大値と最小値の差は４０％未満であることが好ましい。可視光範囲での反射率差がこれらの条件を満たすことで、太陽光などの外光Ｌｓに含まれる広い波長範囲に対する反射率を高くして、画像照射部１０まで到達する外光Ｌｓの光量を低減し、温度上昇を抑制することができる。

本実施形態の画像投影装置１００では、画像照射部１０から照射された照射光Ｌは、自由曲面ミラー２０、角度依存光透過部４０、自由曲面ミラー３０、偏光選択部５０およびウィンドシールド６０を経由して視点に到達する。これにより運転者または搭乗者は、ウィンドシールド６０を介した背景と、画像投影装置１００から投影された画像の虚像が重ねあわされた状態で視認することができる。また、外光Ｌｓは偏光選択部５０でＰ偏光のみが透過され、自由曲面ミラー３０で反射されて角度依存光透過部４０まで到達する。上述したように、角度依存光透過部４０では外光Ｌｓの入射角度における反射率が高いため、角度依存光透過部４０を透過して画像照射部１０まで到達する外光Ｌｓの強度は低下する。これにより、画像照射部１０の温度上昇による劣化を抑制することができる。

上述したように、本実施形態の画像投影装置１００では、角度依存光透過部４０で外光Ｌｓをカットしながらも画像照射部１０からの照射光Ｌは透過できるため、投影される画像の品質を維持しながら、外光Ｌｓによる画像照射部１０の温度上昇を効果的に抑制することができる。

（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、本実施形態に係る画像投影装置１１０の構成を示す模式図である。図５に示すように、画像投影装置１１０は画像照射部１０と、自由曲面ミラー２０，３０と、角度依存光透過部４０と、偏光選択部５０とを備えている。

第１実施形態とは異なり、自由曲面ミラー２０で反射された照射光Ｌは、自由曲面ミラー３０との間である所定の中間結像位置４１に集光され、中間結像位置４１で結像された後に自由曲面ミラー３０に到達する。したがって、本実施形態における自由曲面ミラー２０は本発明における中間結像光学部に相当している。また角度依存光透過部４０は、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間において、中間結像位置４１よりも照射光Ｌの光路上におけるウィンドシールド６０に近い位置に配置されている。したがって、照射光Ｌは中間結像位置４１に集光された後に光径を拡大しながら角度依存光透過部４０を透過する。

本実施形態の画像投影装置１１０でも、角度依存光透過部４０で外光Ｌｓをカットしながらも画像照射部１０からの照射光Ｌは透過できるため、投影される画像の品質を維持しながら、外光Ｌｓによる画像照射部１０の温度上昇を効果的に抑制することができる。また、照射光Ｌが中間結像位置４１に集光され、角度依存光透過部４０が中間結像位置４１に配置されているため、角度依存光透過部４０の面積を小さくして装置の小型化と軽量化を図ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６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６は、本実施形態に係る画像投影装置１２０の構成を示す模式図である。図６に示すように、画像投影装置１２０は画像照射部１０と、自由曲面ミラー２０，３０と、角度依存光透過部４０と、偏光選択部５０とを備えている。第１実施形態とは異なり、角度依存光透過部４０は画像照射部１０と自由曲面ミラー２０の間に配置されている。

本実施形態の画像投影装置１２０でも、角度依存光透過部４０が配置されていることで照射光Ｌを良好に透過して画像を投影しつつ、外光Ｌｓをカットして画像照射部１０の温度上昇を抑制することができる。また、角度依存光透過部４０を画像照射部１０に近い位置に設けることで、角度依存光透過部４０の面積を必要最低限にして省スペース化を図ることができる。また、自由曲面ミラー２０と自由曲面ミラー３０の間に照射光Ｌの光路を十分に確保でき、設計の自由度を向上させることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第１実施形態から第３実施形態では、照射光Ｌの光路に対する角度依存光透過部４０の角度が固定された例を示しているが、角度依存光透過部４０の角度を機械的に変更する角度変更部を備えるとしてもよい。角度変更部の具体的な構成は限定されないが、角度依存光透過部４０の外周を保持具で保持し、別途設けた動力源を用いて保持具の位置を変更する構成等が挙げられる。

また、第１実施形態から第３実施形態では、自由曲面ミラー２０，３０で構成される投影光学系によって、照射光Ｌをウィンドシールド６０よりも画像照射部１０側で結像させて、ウィンドシールド６０よりも遠方に虚像を投影する例を示した。しかし、投影される画像の結像位置は限定されず、自由曲面ミラー２０，３０で構成される投影光学系によって、照射光Ｌをウィンドシールド６０と視点の間に結像させて、ウィンドシールド６０よりも視点に近い側に実像を投影するとしてもよい。

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。

１００，１１０，１２０…画像投影装置
１０…画像照射部
２０，３０…自由曲面ミラー
４０…角度依存光透過部
４１…中間結像位置
５０…偏光選択部
６０…ウィンドシールド

Claims (8)

1. 画像を照射する画像照射部と、
   前記画像照射部からの照射光を表面で反射するとともに裏面からの光を透過する反射透過部と、
   所定の偏光面における光の透過率が入射角度に依存して変化する角度依存光透過部とを備え、
   前記角度依存光透過部は、前記画像照射部から前記反射透過部までの前記照射光の光路上に配置されてい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、
   前記角度依存光透過部の前記光路に対する角度を変更する角度変更部を備え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、
   前記角度依存光透過部は、少なくとも一軸方向に曲げられて保持されていることを特徴とする画像投影装置。
4. 請求項３に記載の画像投影装置であって、
   前記角度依存光透過部は、曲率半径が１０ｍｍ～１０００ｍｍの範囲であ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、
   透過軸方向の偏光を透過し、前記透過軸方向に直交する偏光を遮断する偏光選択部を備え、
   前記偏光選択部は、前記角度依存光透過部から前記反射透過部までの前記光路上に配置されてい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、
   前記偏光選択部の前記透過軸方向は、前記所定の偏光面に対応していることを特徴とする画像投影装置。
7. 請求項１から６の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
   前記画像照射部から前記反射透過部までの前記光路上に配置され、前記画像照射部からの光を中間結像位置に結像する中間結像光学部を備えることを特徴とする画像投影装置。
8. 請求項７に記載の画像投影装置であって、
   前記角度依存光透過部は、前記中間結像位置よりも前記照射光の前記光路において前記反射透過部に近い位置に配置されていることを特徴とする画像投影装置。
   

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