JP6345776B2 - ヘッドライト装置およびそれを用いた車両装置 - Google Patents

Description

本発明は、映像投写機能を有するヘッドライト装置およびそれを用いた車両装置に関する。

従来技術において、ヘッドライトを光源として用いた車両用の投写装置が知られている。例えば特許文献１に記載される投射装置は、ヘッドライト、プロジェクタ及び光取り出し口を有し、プロジェクタ機能時には、プロジェクタはヘッドライトから光取り出し口に至る光路中に配置され、形成された光学像を外部に投影する。また、ヘッドライト機能時には、プロジェクタはヘッドライトから光取り出し口に至る光路を遮らない位置に配置され、路上の所定の範囲を照明する構成となっている。さらに特許文献１では、プロジェクタ機能として、道路に画像を表示する例が開示されている。

特開２００４−１３６８３８号公報

投写機能を有するヘッドライト装置では、道路面に投写像を表示する場合、以下の課題がある。

一般的な投写装置では投写像は前面に形成されるので、車両が停車中に、壁面等に投写した映像を観賞するのには問題がないが、道路面に投写像を表示する場合は道路上の映像が縮小されて見えるので、そのままでは運転者あるいは歩行者から視認しにくくなる。特許文献１では道路に映像を表示する例が開示されているが、運転者等から見やすい映像を表示することについては考慮されていない。

また、投写機能を有するヘッドライト装置を搭載した車両では、走行状態によって運転者あるいは歩行者の視認性が変化するので、それに応じた映像の表示が必要とされる。これについても従来技術では考慮されていなかった。

本発明は、上記した課題に鑑みてなされたもので、運転者あるいは歩行者から視認しやすい映像を道路に投写するヘッドライト装置およびそれを用いた車両装置を提供することを目的とする。

本発明は、道路面に映像を投写するヘッドライト装置であって、光源装置と、光源装置から出射された光を集光する照明光学系と、照明光学系で集光された光を入射して光学像を形成する映像表示素子と、映像表示素子に光学像を形成するための映像信号を供給する映像信号制御部と、映像表示素子で形成された光学像を拡大して道路面に投写する投写光学系を備え、投写光学系は、映像表示素子側から、屈折作用を有する同軸レンズ系と、自由曲面レンズと、自由曲面ミラーを有して構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、運転者あるいは歩行者から視認しやすい映像を道路に投写することができ、交通事故の防止に寄与する効果がある。

ヘッドライト装置の全体構成を示すブロック図（実施例１）。 ヘッドライト装置と像面（道路面）の位置関係を示す図。 投写光学系の構成と光線方向を示す図。 投写光学系のレンズデータの一例を示す図。 自由曲面レンズＬ_８と自由曲面ミラーＭ_９の曲面形状データを示す図。 非球面レンズＬ_２と非球面レンズＬ_７の曲面形状データを示す図。 投写像の歪曲収差を示す図。 投写像の光量分布を示す図。 投写像のスポットサイズを示す図。 ヘッドライト装置を搭載した車両装置を示す図（実施例２）。 映像信号制御部の動作を説明する図。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

実施例１では、投写機能を有するヘッドライト装置について説明する。
図１は、ヘッドライト装置の全体構成を示すブロック図である。ヘッドライト装置１は、光源装置２、照明光学系３、映像表示素子４、投写光学系５、および映像信号制御部６を有して構成される。

光源装置２は、放電ランプやＬＥＤランプおよびリフレクタで構成される。あるいは、レーザ光源を利用してもよい。照明光学系３は光源装置２から出射された光をレンズにより集光し均一化して、映像表示素子４に入射させる。映像表示素子４は例えば液晶パネルであり、入射光を映像信号により変調して、投写する光学像を形成する。投写光学系５は、光学像を拡大し像面８に投写する。本実施例では、像面８が道路面の場合を対象とする。映像信号制御部６は、映像表示素子４に対して光学像を形成するための映像信号を供給する。

投写像としてカラー映像を投写する場合は、照明光学系３にＲ，Ｇ，Ｂの色分離光学系を設け、映像表示素子４としてＲ，Ｇ，Ｂの液晶パネルで構成し、投写光学系５では色合成光学系を設ければよい。

図２は、ヘッドライト装置１と像面８（道路面）の位置関係を示す図である。ヘッドライト装置１の投写光学系５から出射した映像光は、道路面である像面８へ投写される。以下、像面８（道路面）をＸＹ面とし、道路の幅方向をＸ軸、走行方向をＹ軸、これに垂直な方向をＺ軸とする。

本実施例で実現する投写像の位置とサイズは例えば次の通りである。ヘッドライト装置１の出射位置（後述する投写光学系５内の自由曲面ミラー４の光軸中心）から像面８（道路面）に引いた垂線の長さ（Ｚ軸方向）、すなわち投写距離Ｚ_０は例えば７００ｍｍとする。これは、ヘッドライト装置１の道路面からの高さで決まる値である。また、投写像の長辺方向（Ｙ軸方向）のサイズＹ_０は、例えば９５１９ｍｍ（＝１００６１−５４２）という大画面サイズとする。これは、道路へ投写した映像が運転者や歩行者から視認しやすくするためである。その結果、投写距離と投写像のサイズの比で定義される投写比が、７００／９５１９＝０．０７という極めて小さい値となり、このような小さい投写比を実現するため、投写光学系５では、広角化のための構成（特に自由曲面レンズと自由曲面ミラーの組み合わせ）としている。これにより、従来は実現困難であった投写比＜０．１を達成している。

図３は、図１の投写光学系５の構成と光線方向を示す図である。
映像表示素子４を出射した映像光は、カバーガラス１４と全反射プリズム（ＴＩＲ）１５で構成されるフィルタを通過し、同軸レンズ系１１と自由曲面レンズ１２で屈折作用を受け、自由曲面ミラー１３で反射作用を受けた後で、像面８となる道路に投写される。

同軸レンズ系１１は、正の屈折力を持つレンズ群（レンズＬ_１〜レンズＬ_３）と、負の屈折力を持つレンズ群（レンズＬ_４〜レンズＬ_７）からなるレトロフォーカスタイプである。なお、各レンズＬ_１〜Ｌ_７は共通の光軸１６を有している。

各レンズの形状は、映像表示素子４の側から、ガラス製で正の屈折力を有し映像表示素子４の側（以下、入射側）に小さい曲率半径を向けたレンズＬ_１と、プラスチック製で入射側に凸面を向けたメニスカス形状の非球面レンズＬ_２と、ガラス製で正の屈折力を有し両凸形状のレンズＬ_３とする。さらに、ガラス製で正の屈折力を有し入射側に凹面を向けたメニスカス形状のレンズＬ_４と、ガラス製で負の屈折力を有し両凹形状のレンズＬ_５と、ガラス製で正の屈折力を有し入射側に凹面を向けたメニスカス形状のレンズＬ_６と、プラスチック製の奇数次非球面レンズで入射側に凹面を向けたメニスカス形状のレンズＬ_７とで構成した。

自由曲面レンズ１２は、プラスチック製で入射側に凹面を向けたメニスカスレンズ形状の自由曲面レンズＬ_８で構成している。

自由曲面ミラー１３は、ミラーの上側１３ａは凹面状、下側１３ｂは凸面状とする自由曲面形状の自由曲面ミラーＭ_９で構成している。なお、ミラーＭ_９’は、ミラーＭ_９の曲面形状の特徴を分かりやすく表示するため、自由曲面係数を５倍に強調して示したものである。ミラーの上側１３ａから出射した光は、図２の像面８の遠い位置（Ｙ＝１００６１ｍｍ側）の投写像を、またミラーの下側１３ｂから出射した光は像面８の近い位置（Ｙ＝５４２ｍｍ側）の投写像を形成する。

図４は、投写光学系のレンズデータの一例を示す図である。カバーガラスから自由曲面ミラーＭ_９までのデータを示す。曲率半径は曲率半径の中心位置が進行方向にある場合を正の符号で表している。面間距離は、各面の頂点位置から次の面の頂点位置までの光軸上の距離を表している。

偏心はＹ軸方向の値であり、倒れはＹＺ平面内でＸ軸回りの回転である。偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用し、「普通偏心」では、偏心・倒れが作用した新しい座標系上での面間距離の位置に次の面が配置される。一方、「ディセンタ＆リターン（ＤＡＲ）」では、偏心と倒れはその面でのみ作用し、次の面に影響しない。硝材名におけるＰＭＭＡは、プラスチックのアクリルである。

図５は、自由曲面レンズＬ_８と自由曲面ミラーＭ_９の曲面形状データを示す図である。自由曲面形状ＺはＸＹの多項式である数式１で定義され、多項式の各係数Ｃには図５の数値を用いる。

ここにレンズＬ_８とミラーＭ_９の形状は、それぞれの光軸（Ｚ軸）に関して回転非対称な自由曲面形状であり、円錐項の成分とＸＹの多項式の項の成分で定義される。例えば、Ｘが２次（ｍ＝２）でＹが３次（ｎ＝３）の場合は、ｊ＝｛(２＋３)^２＋２＋３×３｝／２＋１＝１９でありＣ_１９の係数が対応する。また、自由曲面のそれぞれの光軸の位置は、図４のレンズデータにおける偏心・倒れの量によって定まる。

図６は、非球面レンズＬ_２と非球面レンズＬ_７の曲面形状データを示す図であり、（ａ）はレンズＬ_２、（ｂ）はレンズＬ_７のデータである。非球面形状Ｚは光軸からの高さｈの多項式である数式２で定義され、多項式の各係数には図６の数値を用いる。

ここにレンズＬ_２とＬ_７の形状は、それぞれの光軸（Ｚ軸）に関して回転対称な非球面形状であり、（ａ）に示す円錐項の成分と光軸からの高さｈの４次から２０次の偶数次の成分を用いて定義される。

さらに非球面レンズＬ_７は奇数次多項式で表され、（ａ）の非球面形状に（ｂ）の奇数次の成分を加えた形状である。その場合でも高さｈは正の値なので、回転対称な形状となる。

以下、本実施例による投写像の光学性能として、歪曲性能と、光量分布と、スポットサイズを説明する。
図７は、投写像の歪曲収差を示す図である。ヘッドライト装置から見た投写像は、Ｘ軸方向が横方向、Ｙ軸方向が縦方向となる。映像表示素子４の映像表示範囲を破線で示し、像面８での映像表示範囲を実線で示す。また、映像の歪を示すため、映像表示素子４の映像表示範囲を横方向（Ｘ軸）に９分割、縦方向（Ｙ軸）に１６分割し、分割線の各交点から出射した光線が像面に投写される位置を表示している。ここで、映像表示素子４の映像表示範囲の中心位置から出射した光線が像面８に投写される位置は、同じ位置（○印）となるように表示している。

標準的な映像表示素子４として、映像表示範囲のＸサイズが６．１ｍｍ、Ｙサイズが９．８ｍｍの長方形の場合を想定すると、アスペクト比は１．６である。

これに対する投写像は奥行方向に広がった台形状となる。ヘッドライト装置に近い側（図面の底辺）のＸサイズが１５０２ｍｍ、ヘッドライト装置から遠い側（図面の上辺）のＸサイズが５３１７ｍｍであり、５３１７／１５０２＝３．５倍の違いがある。また、奥行方向のＹサイズ（Ｙ_０）は、図２で示したように９５１９ｍｍである。この時のアスペクト比は、Ｘサイズの平均値（Ｘ_０）である３４１０ｍｍから求めれば、Ｙ_０／Ｘ_０＝９５１９／３４１０＝２．８である。

次に、このような投写像の形状を、運転者の眼からの距離で計算した視野角で説明する。図２で示したヘッドライト装置からの投写像までのＹ軸方向の距離５４２〜１００６１ｍｍに、運転者の眼からヘッドライト装置までの距離を２ｍと仮定し加算すると、運転者の眼から投写像までの距離は、２５４２〜１２０６１ｍｍになる。従って、運転者の眼の位置から見た視野角は、投写像の底辺でｔａｎ^−１（１５０２／２５４２）＝３１度、投写像の上辺でｔａｎ^−１（５３１７／１２０６１）＝２４度となる。すなわち、投写像のＸサイズは底辺と上辺とで３．５倍の違いがあるが、運転者の眼からの視野角では３１／２４＝１．３倍の違いに縮小し、映像の歪が少なく見やすい映像と言える。

また、アスペクト比に関し、十字状映像パターン（○印位置が中心）の縦横比で表現すると、Ｘサイズとして○印位置を通るＸ_０’＝２５５７ｍｍを用いて、Ｙ_０／Ｘ_０’＝９５１９／２５５７＝３．７となり大幅に縦長である。これより、アスペクト比１．６の映像表示素子４を用いて、アスペクト比を３．７に大幅に拡大させた映像を投写することができる。このようにアスペクト比を拡大させて投写することで、運転者から視認しやすい映像を表示することができる。

図８は、投写像の光量分布を示す図である。光量分布は、ヘッドライト装置に近い側（底辺）での光量が大きく、ヘッドライト装置から遠い側（上辺）での光量が小さくなる。これは、図７で述べた投写像の台形化（Ｘサイズの変化）に対応している。これについても、図７で説明したような運転者の視野角の補正を行えば、光量の差は縮小する。

図９は、投写像のスポットサイズを示す図である。映像表示素子４の右側半面に２５点の物点を配置し、これに対応する像面でのスポットサイズを表す。なお、この光学系は左右対称（Ｙ軸に対して対称）なので、映像表示素子４全体では、４５点の物点を配置したことに相当する。物点の座標は、映像表示素子４の映像表示範囲のサイズを最大値±１で規格化している。像面でのスポットサイズは各位置とも３０ｍｍ以下となっているが、これを投写像全体のサイズと比較してみる。投写像サイズを、図７に示した台形領域のＹ方向のサイズＹ_０＝９５１９ｍｍと、Ｘ方向の平均サイズＸ_０＝３４１０ｍｍで定義すると、３９８インチサイズに相当する。スポットサイズが３０ｍｍ以下とは、３９８インチサイズに対しては０．３％以下に相当することから、良好なスポットサイズであることが分かる。

このようにして、実施例１のヘッドライト装置の投写性能では、投写距離（Ｚ軸方向）７００ｍｍに対して投写像のサイズ（Ｙ軸方向の長さ）が９５１９ｍｍとなり、投写比が０．０７というかつてない大幅な広角化を実現できる。また、運転者から見た映像のアスペクト比も３．７という大幅に拡大させた映像を投写でき、運転者にとって見やすい映像を表示できる。

実施例２では、実施例１で述べたヘッドライト装置を搭載した車両装置について説明する。その際、投写像のアスペクト比を切り替える動作を行うが、投写像を道路に表示する場合、誰がどの方向からみるかで投写像の縦横比が変わる。そこで実施例２では、［運転者から見たアスペクト比］を、［運転者から見た投写像の縦方向サイズ］／［運転者から見た投写像の横方向サイズ］と定義する。

図１０は、実施例２にかかる車両装置を示す図である。車両装置（車両）１０にはヘッドライト装置１が搭載され、道路９を像面８として映像を投写している。車両１０には、図示しない走行速度検出部を有し、ヘッドライト装置１の映像信号制御部６は、車両の走行速度に応じて投写する映像を制御する。以下、具体的な映像制御の例を説明する。

運転者が例えば右折指示の操作を行ったとき、ヘッドライト装置１から道路９に右折することを示す右曲がりの矢印の映像８１を表示する。この表示映像８１は運転者から見やすいように、走行方向（Ｙ軸方向）に長い縦長のアスペクト比の矢印とする（例えばアスペクト比＞２）。これは、道路に描画されている速度制限の例えば「６０」の表示を縦長にしているのと同様の理由による。

この状態で、車両１０が右折する交差点などに近づくと運転者は車両の速度を落とす。映像信号制御部６は車両の速度の変化に対応して、表示映像８２のようにアスペクト比の小さい矢印に切り替える（例えばアスペクト比＝１）。この理由は、交差点で右折する場合、その右折先にいる相手の車両や横断歩道を渡る歩行者に対し、表示映像を視認しやすくするためである。その結果、右折車の存在を周囲に知らせることで、交通事故を防止する効果がある。

ここでは、車両が右折する場合を述べたが、左折する場合にも有効であることは言うまでもない。また、表示映像のアスペクト比の変更と同時に、表示映像の色を赤色のような認識性の高い色に変更することや、表示映像を点滅させることも有効である。

図１１は、ヘッドライト装置１の映像信号制御部６の動作を説明する図である。映像信号制御部６は、映像信号生成部６１と表示アスペクト比変更部６２を有する。映像信号生成部６１は、運転者の操作情報を受け、所定の映像信号を生成して映像表示素子４に供給する。例えば、右折する運転操作情報を受けると、右曲りの矢印の映像信号を映像表示素子４に供給し、投写光学系５から道路に右曲がりの矢印の映像８１を表示する。

一方表示アスペクト比変更部６２は、車両装置１０の走行速度検出部から走行速度の情報を取得する。表示アスペクト比変更部６２は、現在走行速度を予め定めた閾値と比較し、閾値より大きいか否かで表示するアスペクト比を決定し、映像表示素子４に供給する信号を切り替える。映像のアスペクト比を切り替えるには、映像パターンの縦方向サイズを拡大／縮小させる映像処理を行う方法、映像パターンの縦横比が異なるものを用意してパターンを選択する方法、などがある。あるいは映像の種類によっては、映像パターンはそのままで、表示範囲（照射範囲）を一部のみとする（例えば、上端部と下端部を暗くする）方法でもよく、いずれも見かけ上の表示映像の縦横比を変更することができる。

このように本実施例では、車両の走行状態に応じて道路上の映像の表示範囲を切り替えることができ、交通事故の防止に寄与する効果がある。

１…ヘッドライト装置、
２…光源装置、
３…照明光学系、
４…映像表示素子、
５…投写光学系、
６…映像信号制御部、
８…像面、
９…道路、
１０…車両装置、
１１…同軸レンズ系、
１２…自由曲面レンズ、
１３…自由曲面ミラー、
６１…映像信号生成部、
６２…表示アスペクト比変更部、
８１，８２…投写映像。

Claims (5)

1. 道路面に映像を投写するヘッドライト装置であって、
   光源装置と、
   前記光源装置から出射された光を集光する照明光学系と、
   前記照明光学系で集光された光を入射して光学像を形成する映像表示素子と、
   前記映像表示素子に前記光学像を形成するための映像信号を供給する映像信号制御部と、
   前記映像表示素子で形成された前記光学像を拡大して道路面に投写する投写光学系を備え、
   前記投写光学系は、前記映像表示素子側から、屈折作用を有する同軸レンズ系と、自由曲面レンズと、自由曲面ミラーを有して構成され、
   当該ヘッドライト装置から見た道路面での投写映像の縦方向サイズをＹ_０、横方向サイズをＸ_０とするとき、アスペクト比＝Ｙ_０／Ｘ_０＞２を満足するように、前記映像表示素子の映像表示範囲を縦長形状に配置させるとともに、前記映像表示素子のアスペクト比に対し、前記道路面での投写映像のアスペクト比の方が大きいことを特徴とするヘッドライト装置。
2. 請求項１に記載のヘッドライト装置であって、
   前記投写光学系の出射位置から映像を投写する道路面に引いた垂線の長さを投写距離Ｚ_０とし、道路面での投写映像の長辺の長さをＹ_０とするとき、
   投写比＝Ｚ_０／Ｙ_０＜０．１
   を満足することを特徴とするヘッドライト装置。
3. 請求項１または２に記載のヘッドライト装置を搭載した車両装置であって、
   前記映像信号制御部は、
   運転者の操作情報に応じて所定の映像信号を生成して前記映像表示素子に供給する映像信号生成部と、
   当該車両装置の走行速度情報に応じて投写映像のアスペクト比を決定し、前記映像表示素子に供給する映像信号を切り替える表示アスペクト比変更部と、
   を備えることを特徴とする車両装置。
4. 請求項３に記載の車両装置であって、
   運転者から見た投写映像のアスペクト比を、［運転者から見た投写映像の縦方向サイズ］／［運転者から見た投写映像の横方向サイズ］とするとき、
   前記表示アスペクト比変更部は、当該車両装置の走行速度が所定の速度よりも遅くなった場合に、運転者から見た投写映像のアスペクト比を小さく切り替えることを特徴とする車両装置。
5. 請求項４に記載の車両装置であって、
   前記表示アスペクト比変更部により運転者から見た投写映像のアスペクト比を小さく切り替えるのは、投写映像として、前記映像信号生成部により右折表示、若しくは左折表示を示す映像信号を生成している場合であることを特徴とする車両装置。

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