JP5050862B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源と、光源から射出された射出光を反射する偏向ミラーと、偏向ミラーにて反射された反射光が投影されて実像を形成する平面形状のスクリーンと、からなり、偏向ミラーを変位させ反射光を２次元に走査することで、スクリーン上に画像を形成する画像形成装置に関する。

従来より、車両のインストルメントパネルのメータに示される情報や経路案内の情報などを運転者に提供する手段の一つとして、ヘッドアップディスプレイが利用されている。このヘッドアップディスプレイは、表示装置から出力される画像を示す光を、コンバイナにて反射させて観察者に投射することで、画像をコンバイナの前方に虚像として表示させる。このとき、車両のフロントガラスをコンバイナとして用いることで、観察者にフロントガラスを介して車両外部を視認させつつ、視線移動の負担をかけずにその視界において光が示す画像を視認させることができるようになる。

一般的に上述したヘッドアップディスプレイにおいて、表示装置から出力された画像を示す光は、拡大作用および反射作用持つ凹面鏡などの光学素子を経由して観察者に到達する。表示装置にて出力された光は、凹面鏡やレンズなどの光学素子による反射や拡大などが行われる際に、光学素子上の光が入射する位置によって観察者に到達するまでの光路長にギャップが発生して拡大率が変化するため、視認される虚像が弓状や台形状に歪んでしまうという問題があった。

従来、上述した虚像の歪みを解消するために、表示装置からの光路上で発生する歪みを相殺するように、表示装置に表示される画像に予め歪みを持たせ、観察者が視認する虚像の歪みを補正する表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−３０７６４号公報

表示装置から出力された光が光学素子を経由する際に歪みが発生するということは、表示装置の画像を示す表示画面上に、大きな倍率に拡大される表示部分と小さい倍率に拡大される表示部分とが存在することになる。上述した特許文献１の表示装置は、大きな倍率にて拡大される表示部分を予め小さく表示するものであるため、表示装置の画素のピッチが等間隔であれば、視認される虚像においては大きな倍率で投影される部分ほど画素ピッチが大きくなることから、画像の解像度が落ちるという問題があった。

一方、レーザ光源からの射出光を偏向ミラーで２次元走査してスクリーンに表示するレーザスキャン表示装置を用いた場合、２次元走査する偏向ミラーの角度とレーザ光源の発光のタイミングとによって画像を形成するドットの描画位置が定まるので、画像が拡大して画素のピッチが大きくなることによる解像度の問題を解消することができる。しかしながら、レーザ光源からの射出光が偏向ミラーに斜入射するため、図７に示すように、スクリーンに対して台形歪みが発生するものの、その歪みの大きさは、偏向ミラーとレーザ光源との角度によって定まるものであるから、装置全体の設計上の問題からその歪みの大きさを自由に設定することができず、適切に歪みが解消した状態で画像を観察者に視認させることができなかった。

本発明は、かかる問題を鑑みてなされたもので、視認される画像の歪みを容易に調整することができる画像形成装置を提供することを目的とする。

上述した問題を解決するためになされた請求項１に記載の画像形成装置は、光源と、光源から射出された射出光を反射する偏向ミラーと、偏向ミラーにて反射された反射光が投影されて実像を形成する平面形状のスクリーンと、からなる。
偏向ミラーは、２次元の走査における中心となる上記反射光の光路を基準光軸としたときに、偏向ミラーへの入射光の光路と基準光軸とを含む平面の法線方向に沿った第１の回転軸と、上記平面と平行となる第２の回転軸と、を中心として変位を行うものである。

この画像形成装置は、偏向ミラーを変位させ反射光を２次元に走査することで、スクリーン上に画像を形成する。そして、上記２次元の走査における中心となる反射光の光路を基準光軸としたときに、上記スクリーンは、基準光軸と直交する位置から、偏向ミラーへの入射光の光路と基準光軸とを含む平面の法線方向に沿った回転軸を中心として回転した状態で配置されることを特徴とする。

このように構成された画像形成装置であれば、スクリーンが上記回転軸を中心として回転して配置されていることから、偏向ミラーからスクリーンまでの光路長は、回転軸と交差する方向のいずれかの一端側ほど短く、その一端と反対側の他端側ほど長くなるように変化する。その結果、光路長の長さに応じて、スクリーンに投影される画像の拡大率が変化し、スクリーン上の画像において光路が短い側は拡大率が小さくなり、光路が長い側は拡大率が大きくなることで、画像の一端側が回転軸に沿って短く、他端側が回転軸に沿って長くなる台形歪みを発生させることができる。

よって、スクリーンの配置を適宜設定することにより、画像の歪みを変更できるので、装置全体の構成を大きく変えることなく、観察者に視認される虚像の歪みを容易に調整することができる。

上述したように、歪みを加えることで画像の歪みを解消するためには、スクリーンを、光学素子により発生してしまう台形歪みを相殺するように配置するとよい。
そのためには、上記スクリーンが、上記基準光軸上に光学素子が介在した場合にはその光学素子による反射光の反射を行わず光路を直線状に展開した光学配置において、基準光軸に対する偏向ミラーの傾斜方向と同じ方向の傾斜となるように回転した状態で配置される構成とするとよい。

スクリーンが基準光軸と垂直となる位置関係にある場合、光源から射出された光を偏向ミラーで反射し、スクリーンに投影すると、スクリーン上の画像には台形歪みが発生するが、上述したように構成された画像形成装置であれば、上述した台形歪みと相殺する方向の台形歪みを発生させることができる。その結果、スクリーン上に形成される画像の台形歪みは相殺されて小さくなるため、台形歪みの少ない画像をスクリーン上に形成することができる。

上述したスクリーンを回転させる適切な角度は、光源から発せられた射出光の偏向ミラーへの入射角度と、偏向ミラーにて反射した反射光のスクリーンへの入射角度と、の関係によって定まる。

スクリーンを適切な角度に配置するためには、上記偏向ミラーへの射出光の入射角度をα、上記スクリーンへの反射光の入射角度をβとしたときに、
β≧α／２
の関係となるように、光源，偏向ミラー，およびスクリーンを配置してなる構成とするとよい。

βをαに対して大きくすると、上述した台形歪みを相殺する方向の台形歪みの発生が大きくなり、台形歪みが小さくなる。そして、β＝α／２のときには、スクリーン上に形成される画像の台形歪みが非常に小さくなる。

また、一般的な配置の画像形成装置において、スクリーンの画像を、凹面鏡やコンバイナなどを経由して拡大すると、観察者に視認される画像には、スクリーンを回転させない場合にスクリーン上に発生していた台形歪みと同じ方向の端部が拡大または縮小する台形歪みが発生する。このときには、βの値をα／２より大きくしておけば、凹面鏡などによる台形歪みをも相殺することができる。

よって、β≧α／２と形成することで、台形歪みを効果的に相殺した画像をユーザに視認させることができるようになる。
本発明の画像形成装置は、上記スクリーンから観察者に至る光路上に配置される光学系を備えていることを特徴とする。

このように構成された画像形成装置であれば、光学系により画像を拡大して観察者に視認させることや、画像形成装置内で光を反射させて光路を増やすことで、装置を小型化することができる。ここでいう光学系とは、凹面鏡やレンズなどの光学素子が該当する。

本発明の画像形成装置は、上記光学系が、スクリーンから入射する光の光路に対して傾斜して配置される凹面鏡を有している構成である。そして、上記基準光軸上に光学素子が介在した場合には光学素子による反射を行わず光路を直線上に展開した光学配置を想定すると、上記スクリーンは、基準光軸に対する偏向ミラーの傾斜方向と同じ方向の傾斜となるように回転した状態で配置され、また、上記凹面鏡は、スクリーンから凹面鏡へ入射する光の光路に対するスクリーンの傾斜方向と同じ方向の傾斜となるように配置されることを特徴とする。

光源からの射出光が偏向ミラーへ斜入射する位置関係にある場合であって、偏向ミラーへの入射光と、上述した基準光軸と、を含む平面の法線方向以外の回転軸を中心として偏向ミラーが回転すると、スクリーン上の画像には弓状歪みが発生する。

凹面鏡を上述した位置関係にて配置すると、スクリーンにて画像が形成された際に生じる画像の弓状歪みと、スクリーンに形成された画像が凹面鏡にて反射された際に生じる画像の弓状歪みとが、互いに相殺するように発生する。

よって、このように構成された画像形成装置であれば、台形歪みに加えて弓状歪みを低減した画像を外部に投射することが可能となるため、ユーザに視認される画像の歪みを小さくすることができる。

なお、弓状歪みとは、偏向ミラーが一方の回転軸にて回転変位した際にスクリーンに投影された光のスポットが、直線状にならずに弓状に沿って並ぶことによる歪みである。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［構成］
図１（ａ）に、本実施例における画像形成装置１および画像形成装置１から運転者（観察者）までの光路を示す。また、図１（ｂ）に、画像形成装置１の拡大図を示す。本実施例における画像形成装置１は、車両に搭載されて用いられるものであって、光の明暗を発振制御して射出するレーザ光源１０と、レーザ光源１０から射出された射出光１１を反射する偏向ミラー２０と、偏向ミラー２０にて反射された反射光１２（本実施例において、反射光とは、偏向ミラー２０にて反射された反射光のことを指す）が投影されて実像を形成する平面形状の透過型スクリーン３０と、透過型スクリーン３０から車両の運転者に至る光路上に配置される凹面鏡４０およびフレネルレンズ５０と、からなる。

この画像形成装置１において、上述した偏向ミラー２０は、２軸の回転軸を持つ反射面を備えている。レーザ光源１０から射出された射出光１１は、２軸で所定の周期で正弦振動しながら回転変位する偏向ミラー２０に反射され、その反射光１２が透過型スクリーン３０に投影されて２次元に走査する。また、射出光１１は、レーザ光源１０の発振制御により表示の明暗を繰り返している。このように、偏向ミラー２０による透過型スクリーン３０上の走査と、レーザ光源１０の発振制御により、透過型スクリーン３０上に画像を形成する。

透過型スクリーン３０上に形成された画像は、凹面鏡４０およびフレネルレンズ５０を経由し、拡大されて画像形成装置１の外部に投射され、車両のフロントガラス６０をコンバイナとして運転者の視点７０に到達する。運転者は、フロントガラス６０の前方の地点７１において画像を虚像として視認する。

上述した画像形成装置１における各光学素子の光学配置を説明する。
ここでは、レーザ光源１０から出力された光が偏向ミラー２０に入射されるまでの光路（図１における射出光１１の光路）を第１光路８０とする。偏向ミラー２０にて反射された反射光１２が透過型スクリーン３０に到達するまでの光路のうち、上述した２次元の走査における中心となる反射光（偏向ミラー２０が回転変位する２軸の回転方向のそれぞれに関して、画像を形成するために回転変位する回転角度の範囲のうち、中心となる回転角度に偏向ミラーが位置するときの反射光）であって、透過型スクリーン３０の中心部へ光が到達する光路（図１における反射光１２ａの光路）を第２光路８１とする。

また、透過型スクリーン３０の中心部に到達した光のうち、凹面鏡４０，フレネルレンズ５０およびフロントガラス６０を経由して運転者に到達する光の光路を第３光路８２とする。この第３光路８２は、第２光路８１から透過型スクリーン３０に到達した反射光１２の透過型スクリーン３０による光拡散成分の１つである。

また、偏向ミラー２０の反射光１２が透過型スクリーン３０の中心部に到達する時の偏向ミラー２０の位置を、基準位置とする。
上述した図１は、第１光路８０と第２光路８１とを含む平面による画像形成装置１の断面図を示している。

レーザ光源１０と偏向ミラー２０とは、レーザ光源１０の射出光１１が偏向ミラー２０に斜入射する位置関係にて配置される。
偏向ミラー２０における２軸の回転軸のうち一方は、第１光路８０と第２光路８１とを含む平面（以降、単に平面Ａという）の法線方向（図１におけるＸ方向）に沿って配置され、他方の回転軸は平面Ａに平行となる位置関係で配置される。

透過型スクリーン３０は、その主たる面が、第２光路８１と直交する位置から、上記平面Ａの法線方向（図１におけるＸ方向）に沿った回転軸（図１における回転軸３１）を中心として回転した状態で配置される。本実施例においては、第２光路８１に対する偏向ミラー２０の傾斜方向と同じ方向の傾斜となるように配置される。より具体的には、透過型スクリーン３０における反射光１２が投射される面側における法線３２，および，偏向ミラー２０における反射面を有する側における法線２１は、いずれも図１の視点から見て第２光路８１と平行となる角度から時計回り方向に回転した向きにある。

また、その傾斜の角度は、偏向ミラー２０への射出光１１の入射角度（第１光路８０と偏向ミラー２０の法線２１との為す角度）をα、透過型スクリーン３０への反射光１２の入射角度（第２光路８１と透過型スクリーン３０の法線３２との為す角度）をβとしたときに、β＝α／２となるように配置される。

また、凹面鏡４０は、透過型スクリーン３０から凹面鏡４０に入射する光の光路に対して、凹面鏡４０の法線が傾斜する位置関係であって、透過型スクリーン３０から凹面鏡４０へ入射する光の光路に対する透過型スクリーン３０の傾斜方向と同じ方向の傾斜となるように配置される。より具体的には、透過型スクリーン３０における第３光路８２へ光が射出する面側における法線３３，および，凹面鏡４０における反射面を有する側における法線４１は、いずれも図１の視点から見て第３光路８２と平行となる角度から時計回り方向に回転した向きにある。

また、フレネルレンズ５０は、その中心軸が第３光路と一致するように配置される。
［作用および効果］
本実施例では、透過型スクリーン３０は、透過型スクリーン３０の法線３２が第２光路８１と角度βを有する状態で配置されている。その結果、透過型スクリーン３０に形成される画像の上端（図１における反射光１２ｂ側の端部）と下端（図１における反射光１２ｃ側の端部）における表示画像幅が変化し、台形歪みを発生させることが可能となる。この角度βの大小によって、形成される画像の台形歪みは変化する。

角度αとβを変化させ、透過型スクリーン３０上に形成される画像の歪みを比較した図を図２〜図４に示す。
図２は、α＝２０°の場合にβの値を変化させたときの透過型スクリーン３０上の投影画像である。また、図３は、α＝３０°の場合、図４は、α＝４０°の場合における図２と同様の図である。

上記図２〜図４上の各点は、偏向ミラー２０の回転変位を、Ｘ方向，Ｙ方向へそれぞれ−３０度から＋３０度まで１０度ごとに変化させたときの、透過型スクリーン３０上における反射光１２のスポット位置を示している。

運転者に歪みの無い画像を視認させるためには、図５に示すような弓状歪みが支配的となる画像を透過型スクリーン３０上に投影する必要がある。
上記図２〜図４において明らかなように、αの値に関わらず、β＝α／２の位置関係のときに、Ｙ軸方向の台形歪みが解消され、弓状歪みが支配的となる画像が透過型スクリーン３０に投影される。よって、β＝α／２とすることで、弓状歪みが支配的な画像を透過型スクリーン３０に投影することができる。また、弓状歪みに関しては、透過型スクリーン３０の傾斜配置に関係なく存在する。

なお、Ｘ軸方向でのスポット位置の相対関係を見ると、弓状歪みは下に凸となるように画面全体に存在する。これは、レーザ光源１０の射出光１１が偏向ミラー２０へ斜入射する構成であることが要因となっており、偏向ミラー２０が上述した平面Ａの法線方向以外に沿った回転軸を中心として回転する場合に発生する。上記の例においては、透過型スクリーン３０におけるＸ軸方向のレーザ走査に対して偏向ミラー２０の回転軸を上記平面Ａに平行となる位置関係で配置されているため、Ｘ軸方向の走査線に歪みが発生し、下に凸となる弓状歪みが発生している。

なお、同条件で透過型スクリーン３０を回転させない場合（図６参照）のスクリーンに投射される反射光１２のスポットの位置を図７に示す。この場合、弓状歪みは本実施例と同様であるが、上辺が短軸・下辺が長軸となる台形歪みが大きく発生している。

また、上述した透過型スクリーン３０の配置に加えて、凹面鏡４０が、透過型スクリーン３０から前記凹面鏡４０へ入射する光の光路に対する透過型スクリーン３０の傾斜方向と同じ方向と傾斜となるように配置させると、スクリーンに形成される画像の弓状歪みの方向と、スクリーンに形成された画像が凹面鏡にて反射された際に生じる画像の弓状歪みの方向を反対方向とでき、弓状歪みが相殺するため、運転者が視認する虚像における弓状歪みが解消される。

このように、本実施例の画像形成装置１では、台形歪みおよび弓状歪みを解消することができるため、運転者に歪みの少ない画像を視認させることができる。また、透過型スクリーン３０と凹面鏡４０を上述の方向に傾斜させたことにより、虚像表示面の面倒れが解消する。この面倒れとは、凹面鏡への斜入射構成によって生じる、画像の上下におけるスクリーンから凹面鏡までの光路差が原因となり、運転者に対する虚像表示面の投影距離が画面の上下で異なることにより発生する。本構成では、透過型スクリーン３０を上述の方向に傾斜させることで、画像の上下におけるスクリーンから凹面鏡までの光路差を減少させ、虚像表示面の面倒れを解消している。
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。

例えば、上記実施例においては、透過型スクリーン３０上で形成される画像の台形歪みを解消するため、β＝α／２となる位置関係にレーザ光源１０，偏向ミラー２０，透過型スクリーン３０を配置する構成を例示したが、透過型スクリーン３０から運転者に至るまでの光路上に配置される光学系により台形歪みが発生する場合には、βの値を変更し、上記光学系により発生する台形歪みと相殺する台形歪みをもつ画像を透過型スクリーン３０上に形成することとしてもよい。

具体的には、上記光学系において凹面鏡４０の拡大率が大きくなると、大きな台形歪みが発生する。そこで、運転者に歪みの少ない画像を視認させるためには、透過型スクリーン３０に形成される画像を、図８に示すように、予め上辺が長軸、下辺が短軸となる台形歪みを持つ画像を形成しておくことで、台形歪みを相殺することができる。そのためには、βの値を、β＞α／２とするとよい。

また、上記実施例においては、スクリーンとして透過型のスクリーンを用いる構成を例示したが、透過型スクリーン３０に替えて、光の反射作用を有する反射型スクリーンを用いる構成であってもよい。

図９に、透過型スクリーン３０に替えて反射型スクリーン１１０を採用した画像形成装置１００の第１光路８０および第２光路８１を含む平面による断面図を示す。
レーザ光源１０と偏向ミラー２０とは、上記実施例と同様に、レーザ光源１０の射出光１１が偏向ミラー２０に斜入射する位置関係にて配置される。

また、反射型スクリーン１１０は、第２光路８１に対する偏向ミラー２０の傾斜方向と同じ方向の傾斜となるように配置される。
また、凹面鏡４０は、上記実施例と同様に、反射型スクリーン１１０から凹面鏡４０へ入射する光の光路に対する反射型スクリーン１１０の傾斜方向と同じ方向の傾斜となるように配置される。

このように、スクリーンに反射型スクリーン１１０を用いたとしても、上記実施例と同様の光学配置とすることで、上記実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、反射型スクリーンを採用すると、光路中での反射回数が１回多くなり、光路を空間中で重複できる構成となるので、装置全体のさらなる小型化も期待できる。

また、レーザ光源１０から運転者までの光路上に、上記実施例に記載した各光学素子に加えて、光の反射作用を有する新たな光学素子が配置される構成であってもよい。その場合には、新たな光学素子の光の反射方向に関わらず、図１０に示すように、第１光路８０，第２光路８１，第３光路８２において、反射作用面での光路を全て直線状に展開し、凹面鏡４０へ入射する第３光路８２と凹面鏡４０の法線４１から作られる平面に画像形成装置１の全ての光学素子を射影した場合に、上記各光路を直線状にした光路に対する偏向ミラー２０、透過型スクリーン３０、及び凹面鏡４０の傾斜の向きが全て等しくなるように配置すればよい。

画像形成装置を示す断面図 透過型スクリーンへのスポット位置を示す図 透過型スクリーンへのスポット位置を示す図 透過型スクリーンへのスポット位置を示す図 適切な透過型スクリーンへのスポット位置を示す図 透過型スクリーンが回転しない場合の画像形成装置の断面図 透過型スクリーンが回転しない場合のスポット位置を示す図 変形例における透過型スクリーンへのスポット位置を示す図 変形例における画像形成装置を示す断面図 反射作用面での光路を直線状に展開したときの光学配置を示す図

符号の説明

１…画像形成装置、１０…レーザ光源、１１…射出光、１２…反射光、２０…偏向ミラー、２１…法線、３０…透過型スクリーン、３１…回転軸、３２，３３…法線、４０…凹面鏡、４１…法線、５０…フレネルレンズ、６０…フロントガラス、７０…視点、７１…地点、８０…第１光路、８１…第２光路、８２…第３光路、１００…画像形成装置、１１０…反射型スクリーン

Claims (1)

1. 光源と、前記光源から射出された射出光を反射する偏向ミラーと、前記偏向ミラーにて反射された反射光が投影されて実像を形成する平面形状のスクリーンと、からなり、前記偏向ミラーを変位させ前記反射光を２次元に走査することで、前記スクリーン上に画像を形成する画像形成装置であって、
   前記偏向ミラーは、前記２次元の走査における中心となる前記反射光の光路を基準光軸としたときに、前記偏向ミラーへの入射光の光路と前記基準光軸とを含む平面の法線方向に沿った第１の回転軸と、前記平面と平行となる第２の回転軸と、を中心として前記変位を行うものであり、
   前記基準光軸上に光学素子が介在した場合には前記光学素子による前記反射光の反射を行わずに光路を直線状に展開した光学配置において、前記スクリーンは、前記基準光軸と直交する位置から、前記平面の法線方向に沿った回転軸を中心として前記基準光軸に対する前記偏向ミラーの傾斜方向と同じ方向の傾斜となるように回転した状態で配置され、
   前記偏向ミラーへの前記射出光の入射角度をα、前記スクリーンへの前記反射光の入射角度をβとしたときに、
   β≧α／２
   の関係となるように前記光源，前記偏向ミラー，および前記スクリーンを配置してなり、
   さらに、
   前記スクリーンから観察者に至る光路上に配置される光学系を備え、当該光学系は、前記スクリーンから入射する光の光路に対して傾斜して配置される凹面鏡を有しており、
   前記光学配置において、前記凹面鏡は、前記スクリーンから前記凹面鏡へ入射する光の光路に対する前記スクリーンの傾斜方向と同じ方向の傾斜となるように配置される
   ことを特徴とする画像形成装置。