JP6451493B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ビームを走査する光走査装置に関する。

近年、光走査装置の小型化を目的として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用した光走査装置が種々提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、光ビーム（レーザ光）を測定光として走査し、測定光を反射した対象物体との距離を測定する光走査装置が記載されている。この光走査装置は、平坦な板状体である可動部と、可動部を揺動駆動する駆動部と、レーザ光の発光及び受光を行う投受光部と、を備える。可動部には、投受光部からの入射光を反射して偏向する偏向ミラーが形成されている。可動部で偏向反射された測定光は、対象物体により反射され、反射された反射光が偏向ミラーによって投受光部に偏向反射され、当該光走査装置から対象物体までの距離が測定される。

特開２０１４−１０９６８６号公報

ところで、光走査装置としては、光ビームを走査して画像を表示するものも知られている。そのような光走査装置において複数の画像を同時に表示するためには、光ビームを出射する光源部と、光源部から出射された光ビームを偏向走査する可動部及び駆動部を備える偏向走査部と、が複数必要になる。

本発明は、複数の画像を同時に表示することができる光走査装置の構成を簡素化することを目的とする。

本発明の一側面は、光ビームを走査して画像を表示するための光走査装置であって、第１の光源部と、第２の光源部と、偏向走査部と、を備える。第１の光源部は、第１の光ビームを一定の方向へ出射する。第２の光源部は、第１の光ビームとは光路が異なる第２の光ビームを一定の方向へ出射する。偏向走査部は、偏向素子と、駆動素子と、を備える。偏向素子は、少なくとも１つの入射面を備え、入射面に対する入射方向に応じた出射方向に光ビームを偏向する。駆動素子は、入射面の向きを変化させるように偏向素子を駆動する。第１の光ビーム及び第２の光ビームは、共通の偏向素子により偏向される。このような構成によれば、２つの光源部が１つの偏向走査部を共用するため、必要となる偏向走査部の数を減らすことができる。したがって、複数の光源部のそれぞれに専用の偏向走査部を用いる構成と比較して、光走査装置の構成を簡素化することができる。

ヘッドアップディスプレイ装置の車両への搭載状態を表す模式図である。 光走査装置の構成を表す模式図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。また、下記の実施形態の説明で用いる符号を特許請求の範囲にも適宜使用しているが、これは本発明の理解を容易にする目的で使用しており、本発明の技術的範囲を限定する意図ではない。

［１．構成］
図１に示すヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置１は、車両２に搭載され、インストルメントパネル３内に収容される。ＨＵＤ装置１は、フロントガラス４に表示画像を投影し、フロントガラス４で反射された表示画像の光束がドライバの視点に到達することで、ドライバにより表示画像の虚像が視認される。ＨＵＤ装置１は、後述するように、表示位置が車両２の前後方向に異なる２つの虚像（第１の虚像５ａ及び第２の虚像５ｂ）を表示する。第１の虚像５ａは、車両２の中からフロントガラス４越しに見えるように表示され、例えばカーナビゲーションにおける進行方向を示す矢印等である。一方、第２の虚像５ｂは、フロントガラス４の直上に重畳されるように表示され、例えばスピードメータやウインカ等を表す記号等である。

ＨＵＤ装置１は、光走査装置１０、制御回路４０、スクリーン部材５０及び反射部材６０を備える。
光走査装置１０は、制御回路４０に電気的に接続され、制御回路４０からの信号に応じてレーザ光を出射し、走査する。光走査装置１０は、後述するように、２本のレーザ光（第１のレーザ光１１ａ及び第２のレーザ光２０ａ）を出射し、走査する。図１では、説明の便宜上２本のレーザ光を１本のレーザ光１１ａ，２０ａで表している。

制御回路４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを中心とする周知のマイクロコンピュータを備え、光走査装置１０に信号を出力することで、レーザ光１１ａ，２０ａを出射、走査させる。

スクリーン部材５０は、車両２において光走査装置１０よりも上方に配置され、光走査装置１０により出射、走査されたレーザ光１１ａ，２０ａを反射部材６０に向けて反射する。

反射部材６０は、スクリーン部材５０で反射されたレーザ光１１ａ，２０ａによる像を拡大して反射するための部材であり、本実施形態では凹面鏡である。反射部材６０で反射されたレーザ光１１ａ，２０ａはフロントガラス４へ入射する。

次に、光走査装置１０について詳しく説明する。光走査装置１０は、図２に示すように、第１の光源部１１、第２の光源部２０、偏向走査部２５、反射板２８及び筐体３０を備える。

第１の光源部１１は、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色のレーザ光を合波して１本の合成レーザ光（第１のレーザ光１１ａ）を出射する装置であり、３つの発光素子（第１の発光素子１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ）、３つのコリメートレンズ（第１のコリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂ）及び２つのハーフミラー１４，１５を備える。

第１の発光素子１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、それぞれ赤色レーザ光、緑色レーザ光、青色レーザ光を出射するレーザダイオード（ＬＤ）である。本実施形態では、第１の発光素子１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、光走査装置１０を上下方向（図２における紙面に垂直方向）から見たときに三角形の頂点を成すように（つまり同一直線上に位置しないように）配置されている。また、第１の発光素子１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは制御回路４０に電気的に接続されており、制御回路４０からの信号に応じて第１の発光素子１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのレーザ光の出射が制御される。

第１のコリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂは、それぞれ発光素子１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのレーザ光の出射方向に位置し、これらの発光素子１２ｒ，１２ｇ，１２ｂからのレーザ光を略平行光にする。第１のコリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂは、後述するように形成される第１のレーザ光１１ａの出射から集光までの光路上の距離を調整する役割を果たしており、第１のレーザ光１１ａによる第１の虚像５ａを車両２の中からフロントガラス４越しに見えるように表示するために使用される。第１のコリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂにより略平行光にされた各色レーザ光は、ハーフミラー１４，１５へと入射する。

ハーフミラー１４，１５は、入射するレーザ光を反射する反射面と、入射するレーザ光を透過させる透過面と、を有する周知の部材である。ハーフミラー１４は、発光素子１２ｒから出射された赤色レーザ光を反射し、発光素子１２ｇから出射された緑色レーザ光を透過させる。ここで、発光素子１２ｒ，１２ｇは、ハーフミラー１４で反射された赤色レーザ光の反射方向と、ハーフミラー１４を透過した青色レーザ光の透過方向と、が一致するように配置されている。そのため、ハーフミラー１４により赤色レーザ光と緑色レーザ光とが単一のレーザ光に合波される。

ハーフミラー１５は、発光素子１２ｂから出射された青色レーザ光を反射し、ハーフミラー１４により合波されたレーザ光を透過させる。発光素子１２ｂは、ハーフミラー１５で反射された青色レーザ光の反射方向と、ハーフミラー１４により合波されハーフミラー１５を透過したレーザ光の透過方向と、が一致するように配置されている。そのため、ハーフミラー１５及びハーフミラー１４により赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光が合波されることになり、単一のレーザ光である第１のレーザ光１１ａが形成される。以下では第１のレーザ光１１ａが形成されたことをもって第１のレーザ光１１ａが出射されたという。このように第１の光源部１１は第１のレーザ光１１ａを一定方向に出射し、出射された第１のレーザ光１１ａは偏向走査部２５へと入射する。

第２の光源部２０は、第１の光源部１１と同様の構成であり、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色のレーザ光を合波して１本の合成レーザ光である第２のレーザ光２０ａを出射する装置である。第２の光源部２０は、３つの発光素子（第２の発光素子２１ｒ，２１ｇ，２１ｂ）、３つのコリメートレンズ（第２のコリメートレンズ２２ｒ，２２ｇ，２２ｂ）及び２つのハーフミラー２３，２４を備える。これらの構成は、前述した第１の発光素子１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ、第１のコリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂ及びハーフミラー１４，１５とそれぞれ同様の構成であるため、重複する説明は省略する。第２のコリメートレンズ２２ｒ，２２ｇ，２２ｂは、第２のレーザ光２０ａの出射から集光までの光路上の距離を調整する役割を果たしており、第２のレーザ光２０ａによる第２の虚像５ｂを所望の表示位置（フロントガラス４直上）に表示するために使用される。第２の光源部２０は、第１のレーザ光１１ａと光路が異なる第２のレーザ光２０ａを一定方向に出射し、出射された第２のレーザ光２０ａは偏向走査部２５へと入射する。

偏向走査部２５は、入射した第１のレーザ光１１ａ及び第２のレーザ光２０ａを偏向走査する部品であり、本実施形態では、偏向走査部２５はＭＥＭＳミラーである。偏向走査部２５は、偏向素子２６及び駆動素子２７を備える。なお、図２では、駆動素子２７は、偏向素子２６の両側に位置している。

偏向素子２６は、２つの入射面を備え、入射面に対する入射方向に応じた出射方向にレーザ光１１ａ，２０ａを偏向する。偏向素子２６は、２つの入射面として、第１のレーザ光１１ａが入射する第１の入射面２６ａと、第２のレーザ光２０ａが入射する第２の入射面２６ｂと、を備える。本実施形態では、偏向素子２６は、両面に反射面を有する板状の反射板であり、両面の反射面のうち一方が第１の入射面２６ａであり、両面の反射面のうち他方が第２の入射面２６ｂである。なお、第１の入射面２６ａで反射された第１のレーザ光１１ａは、反射板２８で更に反射されてスクリーン部材５０の方向へ進行し、第２の入射面２６ｂで反射された第２のレーザ光２０ａは、スクリーン部材５０の方向へ進行する。

駆動素子２７は、入射面の向きを変化させるように偏向素子２６を駆動する。駆動素子２７は、制御回路４０からの信号に応じて、偏向素子２６を高速に揺動駆動させる。駆動素子２７は、偏向素子２６を水平方向に揺動させながら、垂直方向の角度を徐々に変えて、第１のレーザ光１１ａ及び第２のレーザ光２０ａを偏向走査する。これにより、２次元的な画像が形成される。

反射板２８は、前述したように、偏向素子２６の第１の入射面２６ａで反射された第１のレーザ光１１ａを更に反射して、スクリーン部材５０の方向へ進行させる。
筐体３０は、上記各構成１１〜２８を所定の位置に収納する。筐体３０は、窓部３１を備え、第１のレーザ光１１ａ及び第２のレーザ光２０ａは、窓部３１を通過して、スクリーン部材５０へと入射する。

［２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（２ａ）本実施形態では、光走査装置１０は、２つの光源部１１，２０と１つの偏向走査部２５とを備える。そして、２つの光源部１１，２０から出射されたレーザ光である第１のレーザ光１１ａ及び第２のレーザ光２０ａは、共通の偏向素子２６により偏向され、２つの画像が同時に表示される。２つの光源部１１，２０が１つの偏向走査部２５を共用するため、必要となる偏向走査部の数を減らすことができる。そのため、２つの光源部１１，２０のそれぞれに専用の偏向走査部を備える構成と比較して、光走査装置の構成を簡素化することができる。また、これに伴い、製造コストを抑えることができる。

（２ｂ）本実施形態では、偏向素子２６は、２つの入射面として、第１のレーザ光１１ａが入射する第１の入射面２６ａと、第２のレーザ光２０ａが入射する第２の入射面２６ｂと、を備える。偏向素子が１つの入射面しか備えない構成では、複数のレーザ光のすべてが当該１つの入射面に入射する必要がある。これに対し、本実施形態では、複数のレーザ光が同一の入射面に入射しないため、偏向素子が１つの入射面しか備えない構成と比較して、偏向素子に入射するレーザ光の入射方向の自由度、換言すれば光走査装置を設計する際の自由度を高めることができる。

（２ｃ）本実施形態では、偏向素子２６は、両面に反射面を有する板状の反射板であり、両面の反射面のうち一方が第１の入射面２６ａであり、両面の反射面のうち他方が第２の入射面２６ｂである。つまり、本実施形態では、偏向素子２６の両面が有効活用される。このため、偏向素子が片側のみに反射面を有する構成と比較して、反射面の総面積を変えずに偏向素子を小型化することができる。

（２ｄ）本実施形態では、第１の光源部１１及び第２の光源部２０のそれぞれは、第１のレーザ光１１ａの出射から集光までの光路上の距離と第２のレーザ光２０ａの出射から集光までの光路上の距離とを異ならせるためのコリメートレンズ（第１のコリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂ又は第２のコリメートレンズ２２ｒ，２２ｇ，２２ｂ）を備える。そして、第１のレーザ光１１ａが走査されることで表示される画像である第１の虚像５ａの表示位置と、第２のレーザ光２０ａが走査されることで表示される画像である第２の虚像５ｂの表示位置と、が車両２の前後方向に異なる。このように、本実施形態では、表示位置が車両２の前後方向に異なる画像を同時に表示することができ、遠近表示することができる。特に、本実施形態では、光走査装置１０が可変焦点ミラーを備えることなく遠近表示することができる。

［３．他の実施形態］
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限定されることなく、種々の形態を採り得る。

（３ａ）上記実施形態では、偏向素子２６は、２つの入射面である第１の入射面２６ａ及び第２の入射面２６ｂを備えていたが、これに限られない。偏向素子は、例えば、入射面を１つのみ、又は、３つ以上備えていてもよい。なお、入射面を３つ以上備える偏向素子として、例えばポリゴンミラーが使用されてもよい。

（３ｂ）上記実施形態では、レーザ光１１ａ，２０ａは、偏光素子２６により反射されることで偏向されたが、これに限られない。レーザ光１１ａ，２０ａは、例えば、偏光素子により屈折されることで偏向されてもよい。このようにレーザ光１１ａ，２０ａを屈折させて偏向する偏向素子として、例えばプリズムを備える偏向素子が使用されてもよい。

（３ｃ）上記実施形態では、偏向素子２６は揺動駆動されたが、これに限られず、偏向素子は例えば回転してもよい。
（３ｄ）上記実施形態では、第１の発光素子１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、光走査装置１０を上下方向から見たときに三角形の頂点を成すように配置されていたが、配置位置はこれに限られない。第１の発光素子１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、例えば、同一直線上に配置されてもよい。このような構成において、例えば次のように第１の発光素子１２ｒ，１２ｇ，１２ｂからのレーザ光が合波されてもよい。すなわち、第１の発光素子１２ｒ，１２ｇ，１２ｂがこの順番で配置され、同一方向にレーザ光を出射する。そして、第１の発光素子１２ｒ，１２ｇのそれぞれの出射方向にハーフミラーを配置し、第１の発光素子１２ｂの出射方向にミラーを配置する。そして、これらの２つのハーフミラーと１つのミラーとが同一直線上に位置し、反射面又は透過面が平行になるように配置して各発光素子１２ｒ，１２ｇ，１２ｂからのレーザ光を合波してもよい。また、第２の発光素子２１ｒ，２１ｇ，２１ｂについても同様に、配置位置は上記実施形態のものに限られない。

（３ｅ）上記実施形態では、光走査装置１０は、第１のレーザ光１１ａが走査されることで表示される画像（以下「第１の画像」という。）と、第２のレーザ光２０ａが走査されることで表示される画像（以下「第２の画像」という。）と、を車両２の前後方向に異なる位置に表示したが、これに限られない。光走査装置は、例えば、第１の画像と第２の画像とを車両２の前後方向について同じ位置に表示してもよい。この場合において、偏向走査部は、第１の画像と第２の画像とが表示される表示面上において第１の画像と第２の画像とが隣接して表示されるように第１のレーザ光及び第２のレーザ光を偏向走査してもよい。つまり、偏向走査部は、表示面上において第１の画像と第２の画像とを並べて２倍の表示面積の画像が表示されるように第１のレーザ光及び第２のレーザ光を偏向走査してもよい。このような構成によれば、１つのレーザ光を偏向走査して表示される画像よりも大きな表示面積を有する画像を簡易な構成で表示することができる。また、これに伴い光走査装置の製造コストを抑えることができる。すなわち、１つのレーザ光を偏向走査する構成において画像の表示面積を大きくしようとする場合、偏向素子の駆動の仕方を変える（例えば揺動角度を大きくする）ことが考えられるが、そのためには偏向素子を大きく駆動させる機能を有する駆動素子を使用する必要があり、製造コストが高くなってしまう。これに対し、上記構成によれば、駆動素子を変更することなく簡易な構成で表示面積を大きくできるため、光走査装置の製造コストを抑えることができる。なお、上述した、第１の画像と第２の画像とが表示される表示面は、上記実施形態における第１の虚像５ａが表示される表示面のように仮想的なものであってもよい。

また、第１の画像と第２の画像とが車両２の前後方向について同じ位置に表示される場合において、例えば、第１の光源部は、第２のレーザ光と異なる色で、第２のレーザ光と同じ画像を表示する第１のレーザ光を出射し、偏向走査部は、表示面上において第１の画像と第２の画像とが一部が重なった状態でずれて表示されるように第１のレーザ光及び第２のレーザ光を偏向走査してもよい。ここでいう同じ画像とは、表示される画像の内容が同じである画像を意味する。また、２つの画像は一部が重なった状態でずれて表示され、２つの画像が完全に重なった状態での表示は除外される。このような構成によれば、立体視可能な画像を表示することができる。

（３ｆ）上記実施形態では、光走査装置１０は、ＨＵＤ装置１に使用されたが、光走査装置１０の用途はこれに限られない。光走査装置１０は、例えば、車両に搭載されずに使用されてもよい。また、光走査装置１０は、例えば、画像をスクリーンに投射するプロジェクタに使用されてもよい。

（３ｇ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

１…ＨＵＤ装置、２…車両、４…フロントガラス、５ａ…第１の虚像、５ｂ…第２の虚像、１０…光走査装置、１１…第１の光源部、１１ａ…第１のレーザ光、１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ…第１の発光素子、１３ｒ，１３ｇ，１３ｂ…第１のコリメートレンズ、１４，１５，２３，２４…ハーフミラー、２０…第２の光源部、２０ａ…第２のレーザ光、２１ｒ，２１ｇ，２１ｂ…第２の発光素子、２２ｒ，２２ｇ，２２ｂ…第２のコリメートレンズ、２５…偏向走査部、２６…偏向素子、２６ａ…第１の入射面、２６ｂ…第２の入射面、２７…駆動素子。

Claims (3)

1. 光ビームを走査して画像を表示するための光走査装置（１０）であって、
   第１の光ビーム（１１ａ）を一定の方向へ出射する第１の光源部（１１）と、
   前記第１の光ビームとは光路が異なる第２の光ビーム（２０ａ）を一定の方向へ出射する第２の光源部（２０）と、
   前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームを偏向走査する偏向走査部（２５）と、
   を備え、
   前記偏向走査部は、
   少なくとも１つの入射面（２６ａ，２６ｂ）を備え、前記入射面に対する入射方向に応じた方向に光ビームを偏向する偏向素子（２６）と、
   前記入射面の向きを変化させるように前記偏向素子を駆動する駆動素子（２７）と、
   を備え、
   前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームは、共通の前記偏向素子により偏向され、
   前記第１の光源部及び前記第２の光源部のそれぞれは、前記第１の光ビームの出射から集光までの光路上の距離と前記第２の光ビームの出射から集光までの光路上の距離とを異ならせるためのコリメートレンズ（１３ｒ，１３ｇ，１３ｂ，２２ｒ，２２ｇ，２２ｂ）を備え、
   前記第１の光ビームが走査されることで表示される画像（５ａ）の表示位置と前記第２の光ビームが走査されることで表示される画像（５ｂ）の表示位置とが前後方向に異なり、
   前記第１の光ビームが走査されることで表示される画像と前記第２の光ビームが走査されることで表示される画像とが同時に表示される、光走査装置。
2. 請求項１に記載の光走査装置であって、
   前記偏向素子は、前記少なくとも１つの入射面として、前記第１の光ビームが入射する第１の入射面（２６ａ）と、前記第２の光ビームが入射する第２の入射面（２６ｂ）と、を備える、光走査装置。
3. 請求項２に記載の光走査装置であって、
   前記偏向素子は、両面に反射面を有する板状の反射板であり、前記両面の反射面のうち一方が前記第１の入射面であり、前記両面の反射面のうち他方が前記第２の入射面である、光走査装置。