JP6458935B2 - 虚像表示装置および画像投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、虚像表示装置および画像投影装置に関するものである。

ヘッドアップディスプレイにおいて、小型スクリーン上に中間像を形成し、その中間像の拡大画像を反射光学系で形成する技術が知られている。

小型スクリーンとしてマイクロレンズアレイ板を使用することにより、スクリーン上の画像を高解像度にすることができる。一方で、レーザ走査用の偏向ミラー装置がマイクロレンズアレイ板に近接して配置されていると、偏向ミラー装置で発生した熱によりマイクロレンズアレイ板の温度が上昇してしまう。その結果、マイクロレンズアレイ板が膨張して、画素ピッチが変化したり、マイクロレンズの曲率変化により画素上での光線の屈折角度が変化してしまい、安定した画像性能を得るのが困難である。

これまでにも、投射器からのレーザ光を導いてスクリーン部材に照射するプリズム部材に、レンズ面を各々構成する入・出射面とミラー面が一体に形成されているヘッドアップディスプレイ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、スクリーンに表示光を拡散する拡散領域と、非可視光を受光手段に向けて反射する反射領域とを備える虚像表示装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、被走査面素子がハニカム型配列に配列された微細凸レンズ構造をなし、Ｘ方向の実効画素ピッチおよびＹ方向の実効画素ピッチの比が１より大きい２次元画像表示装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

本発明は、偏向ミラー装置からスクリーンに伝達する熱量が小さい虚像表示装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる虚像表示装置は、画像を投影する画像投影装置と、画像の虚像を形成する観察光学系と、を備え、画像投影装置は、レーザ光源からの出射光線が入射する第１結像光学系と、第１結像光学系からの出射光線を偏向走査する偏向ミラー装置と、偏向ミラー装置からの出射光線が入射する第２結像光学系と、第２結像光学系から出射した光束が投影され、観察光学系に光束を出射するスクリーンと、を有し、第１結像光学系は、偏向ミラー装置とスクリーンの間に第１中間像を形成し、第２結像光学系は、スクリーン上に第２中間像を形成し、スクリーンの一方の面は、複数のマイクロレンズを２次元状に並べたマイクロレンズアレイ面であり、該マイクロレンズアレイ面が内側になるように湾曲した曲面であることを特徴とする。

本発明によれば、偏向ミラー装置からスクリーンに伝達する熱量を小さくすることができる。

本発明にかかる虚像表示装置の実施の形態を示す光学配置図である。 上記虚像表示装置が備える画像投影装置の内部の光学配置図である。 上記虚像表示装置が備えるマイクロレンズアレイ板への入射光およびマイクロレンズアレイ板を透過する光を示す光路図である。 上記マイクロレンズアレイ板の配置の様子を示す側面図である。 上記マイクロレンズアレイ板を覆う遮断体の断面図である。 本発明にかかる虚像表示装置の別の実施の形態が備えるマイクロレンズアレイ板を示す側面図である。 従来の画像投影装置の例における、画像投影装置内部の光学配置図である。 従来の画像投影装置の別の例における、画像投影装置内部の光学配置図である。 従来の画像投影装置のさらに別の例における、画像投影装置内部の光学配置図である。

●虚像表示装置●
以下、本発明にかかる虚像表示装置について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、虚像表示装置１は、観察光学系２および画像投影装置３を備える。

虚像表示装置１は、一例として、車両、航空機、船舶等の移動体に搭載され、移動体の運転者１００が観察光学系２を経由して虚像５２を視認する装置である。虚像５２によっては、移動体の操縦に必要なナビゲーション情報（例えば車速、走行距離等の情報）などが表示されている。図１では車体に組み込まれた虚像表示装置を示したが、コンバイナ方式と呼ばれる、運転者の目の近辺に小型の虚像表示装置を組み付ける方式でもよい。ここでは観察光学系２の方式として、フロントガラス２２を使用する方式で説明するが、画像投影装置３については、コンバイナ方式であっても車体組み込み方式であってもよい。

●観察光学系２
観察光学系２は、凹面鏡２１およびフロントガラス２２が光路中にこの順に配置されている。観察光学系２は、画像投影装置３から出射した光束の虚像５２をフロントガラス２２の運転者１００側とは反対側に結像させる。フロントガラス２２は、虚像５２を結像する光束を運転者１００の側へ反射する。運転者１００は、フロントガラス２２で反射された光束の光路上の所定の観察位置から、虚像５２を視認する。

●画像投影装置３
図２に示すように、画像投影装置３は、レーザ光源３１、第１結像光学系３２、偏向ミラー装置３３、第２結像光学系３４および小型スクリーン４が光路中にこの順に配置されている。レーザ光源３１、第１結像光学系３２、偏向ミラー装置３３、第２結像光学系３４および小型スクリーン４は、外気を遮断する筐体３５に収容されている。

小型スクリーン４を含む上述の光学系全体を筐体３５で密閉することにより、小型スクリーン４へのごみの付着を防ぐことができる。

第１結像光学系３２は、コリメートレンズ３２１および集光レンズ３２２で構成されている。第２結像光学系３４は、第１ミラー３４１および第２ミラー３４２によって構成されていて、光路上にこの順に配置されている。

レーザ光源３１は、例えば半導体レーザである。レーザ光源３１から出射された発散光束は、第１結像光学系３２で収束光束に変換されて、偏向ミラー装置３３に向かう。

偏向ミラー装置３３で反射された出射光線は、第１中間像５０の位置で集光してレーザ光源３１の発光点の実像、すなわちビームスポットを形成する。このビームスポットを、偏向ミラー装置３３が傾いた姿勢で回転して偏向走査することで、偏向ミラー装置３３から小型スクリーン４に至る光路に、ビームスポットの走査画像が第１中間像５０として形成される。第１中間像５０は、第２結像光学系３４によって小型スクリーン４上に走査結像される。小型スクリーン４上に走査結像された像は、すなわち第２中間像５１である。

第１中間像５０を形成することにより、偏向ミラー装置３３と第２中間像５１の間に配置できる第２結像光学系３４の屈折力を強くすることができる。従来方式であれば、偏向ミラー装置で反射した光をそのままスクリーンに集光するだけの屈折力のみが得られる。これに対し、第１中間像５０を形成することにより、第１中間像５０として集光する屈折力と、さらに第２中間像５１として集光する屈折力が得られる。したがって、第１中間像５０を形成することは、収差補正上、自由度が高まる。

●小型スクリーン４
図３に示すように、小型スクリーン４は、複数のマイクロレンズ４０−ｋを２次元状に並べたマイクロレンズアレイ板である。マイクロレンズアレイ板は、複数のマイクロレンズ４０−ｋが形成されているマイクロレンズアレイ面４１と、レンズのない平面４２を有する。平面４２は、マイクロレンズアレイ面４１の反対側にある。マイクロレンズアレイ面４１に入射した平行光束８０３は、発散光束８０４に変換されて平面４２から運転者１００に向かって出射する。

小型スクリーン４にマイクロレンズアレイ板を用いることで、運転者１００に向かう光束が発散光束になるため、運転者１００のアイボックス（運転者１００が虚像５２を視認できる空間的な領域）を大きくすることができる。すなわち、運転者１００が首を上下左右に動かしたときにも、虚像５２を視認できる範囲が広がる。

図４に示すように、マイクロレンズアレイ板のマイクロレンズアレイ面４１は、重力方向に対して下向きに傾いて配置されている。言い換えれば、マイクロレンズアレイ面４１の中心に引いた垂線の、重力方向とのなす角は９０度以下に配置されている。マイクロレンズアレイ面４１は、平面４２に比べて凹んだ部分があり、ごみが付着しやすい。マイクロレンズアレイ面４１を重力方向下向きに傾けて配置することで、マイクロレンズアレイ板に付着するごみの堆積を抑えることができる。

マイクロレンズアレイ板が有する１枚のマイクロレンズ４０−ｋは、１画素に相当する。高解像度の画像を形成するためには、マイクロレンズ４０−ｋを小さくする必要がある。１枚のマイクロレンズ４０−ｋが小さくなると、小さなごみであっても画素全体がごみによってふさがれてしまい、画素欠けの原因となる。高解像度の画像を形成するマイクロレンズアレイ板は、低解像度のスクリーンよりもごみの付着に対する対策が重要である。

図５に示すように、外気を遮断する筐体３６で小型スクリーン４を覆ってもよい。筐体３６は、光を透過する透過板３６１および透過板３６２を備える。透過板３６１はマイクロレンズアレイ面４１と対向し、透過板３６２はマイクロレンズアレイ板の平面４２と対向する。透過板３６１はマイクロレンズアレイ面４１へ入射する光束８０５を透過し、透過板３６２は平面４２から出射する光束８０５を筐体３６の外部へ透過する。

筐体３６は、遮断体の例である。透過板３６１および透過板３６２は、光透過部材の例である。

小型スクリーン４を筐体３６で覆うことにより、ごみが小型スクリーン４に付着するのを防ぐことができる。小型スクリーン４のみを筐体３６で覆う場合は、光学系全体を覆う筐体は孔があってもよい。この構成により、光学系の空気の通りを良くし、偏向ミラー装置３３などの駆動装置が発生する熱を逃がしやすくすることができる。

図６に示すように、小型スクリーン４は、マイクロレンズアレイ面４１が内側になるように湾曲した曲面であってもよい。小型スクリーン４が曲面であることにより、マイクロレンズアレイ面４１の上から下に向かう気流６０による、マイクロレンズアレイ面へのごみの付着を抑えることができる。特に、湾曲したマイクロレンズアレイ面を重力方向に傾けて配置することで、ごみの付着をさらに抑えることができる。

●偏向ミラー装置３３から小型スクリーン４への熱の伝達について
偏向ミラー装置３３のミラー角度は、高速で変化するため、偏向ミラー装置３３はその駆動のために発熱する。偏向ミラー装置３３で発生した熱により小型スクリーン４の温度が上昇する。その結果、小型スクリーン４が膨張して、画素ピッチが変化したり、マイクロレンズの曲率変化により画素上での光線の屈折角度が変化してしまう。

図２に示すように光学系全体を筐体３５で密閉したり、図５に示すように小型スクリーン４を筐体３６で密閉すると、筐体３５および筐体３６の内部に熱がよりこもりやすい。したがって、偏向ミラー装置３３と小型スクリーン４の距離は、離れていた方がよい。

図７に示すように、従来の画像投影装置３０３においては、レーザ光源３３１のレーザ光線が第１結像光学系３３２を経由して偏向ミラー装置３３３にて偏向し、第２結像光学系３３４によって小型スクリーン３０４上に走査結像する。

この構成においては、偏向ミラー装置３３３と小型スクリーン３０４の距離が、本発明にかかる画像投影装置３に比べて短い。

図８に、従来の構成において偏向ミラー装置３３３と小型スクリーン３０４の距離を長くした場合の、画像投影装置４０３の内部の光路図を示す。この場合も、レーザ光源４３１のレーザ光線が第１結像光学系４３２を経由して偏向ミラー装置４３３にて偏向し、第２結像光学系４３４によって小型スクリーン４０４上に走査結像する。

偏向ミラー装置３３３と小型スクリーン３０４の距離を長くすると、レーザ光源４３１と小型スクリーン４０４の距離も離れてしまう。この構成では、小型スクリーン４０４上での像側ＮＡが小さくなり、ビームスポット径が大きくなるため、高解像度の画像を得ることができない。

また、図９に示すように、従来の構成において高解像度の画像を得るためには、第２結像光学系４３４などの光学素子を大型化しなければならない。

これに対し、本発明にかかる画像投影装置３は、第１中間像５０を形成することにより、光学素子を大型化することなく、偏向ミラー装置３３と小型スクリーン４の距離を長く保ちながら、高解像度の画像を得ることができる。

●第１中間像５０と第２中間像５１の大きさについて
偏向ミラー装置３３から小型スクリーン４に伝達する熱量を小さくするため、第１中間像５０から第２中間像５１までの光路長は長い方がよい。第１中間像５０と第２中間像５１の横倍率を１倍に設定すると、第１中間像５０から第２中間像５１までの光路長が最短になるため、望ましくない。第１中間像５０から第２中間像５１までの光路長を長くするには、第１中間像５０と第２中間像５１を異なった大きさにする必要がある。

第１中間像５０を第２中間像５１よりも大きく構成すると、第２結像光学系３４を小型スクリーン４寄りに配置しなければならない。その結果、さらに第２結像光学系３４を大きくしなければならず、望ましくない。したがって、第１中間像５０は、第２中間像５１よりも小さく構成される。第１中間像５０を第２中間像５１よりも小さくすることで、光学系全体を小型に構成することができ、筐体３５を小さくすることができる。

以上説明した実施の形態によれば、偏向ミラー装置とスクリーンの間に第１の中間像を形成することで、偏向ミラー装置とスクリーンの距離を遠くできるため、偏向ミラー装置からスクリーンに伝達する熱量を小さくすることができる。

１ 虚像表示装置
２ 観察光学系
３ 画像投影装置
４ 小型スクリーン
３１ レーザ光源
３２ 第１結像光学系
３３ 偏向ミラー装置
３４ 第２結像光学系
５０ 第１中間像
５１ 第２中間像

特開２０１４−１４２４２３号公報 特許５３９２２７６号公報 特開２０１４−１３９６５６号公報

Claims (7)

1. 画像を投影する画像投影装置と、
   前記画像の虚像を形成する観察光学系と、
   を備え、
   前記画像投影装置は、
   レーザ光源からの出射光線が入射する第１結像光学系と、
   前記第１結像光学系からの出射光線を偏向走査する偏向ミラー装置と、
   前記偏向ミラー装置からの出射光線が入射する第２結像光学系と、
   前記第２結像光学系から出射した光束が投影され、前記観察光学系に前記光束を出射するスクリーンと、
   を有し、
   前記第１結像光学系は、前記偏向ミラー装置と前記スクリーンの間に第１中間像を形成し、
   前記第２結像光学系は、前記スクリーン上に第２中間像を形成し、
   前記スクリーンの一方の面は、複数のマイクロレンズを２次元状に並べたマイクロレンズアレイ面であり、該マイクロレンズアレイ面が内側になるように湾曲した曲面である
   ことを特徴とする、虚像表示装置。
2. 前記マイクロレンズアレイ面の中心に引いた垂線の、重力方向とのなす角が９０度以下である、請求項１記載の虚像表示装置。
3. 前記スクリーンは、外気を遮断する遮断体によって覆われている、請求項１又は２記載の虚像表示装置。
4. 前記遮断体は、光を透過する光透過部材を有し、前記光透過部材は前記スクリーンへの入射光および前記スクリーンからの出射光を透過する、請求項３記載の虚像表示装置。
5. 前記第１中間像は前記第２中間像よりも小さい、請求項１乃至４のいずれかに記載の虚像表示装置。
6. 前記第１結像光学系は、前記レーザ光源から出射された光束を収束光束に変換する、請求項１乃至５のいずれかに記載の虚像表示装置。
7. レーザ光源からの出射光線を偏向ミラー装置に向かって出射する第１結像光学系と、
   前記第１結像光学系からの出射光線を偏向走査する偏向ミラー装置と、
   前記偏向ミラー装置からの出射光線が入射する第２結像光学系と、
   前記第２結像光学系から出射した光束が投影されるスクリーンと、
   を備え、
   前記第１結像光学系は、前記偏向ミラー装置と前記スクリーンの間に第１中間像を形成し、
   前記第２結像光学系は、前記スクリーン上に第２中間像を形成し、
   前記スクリーンの一方の面は、複数のマイクロレンズを２次元状に並べたマイクロレンズアレイ面であり、該マイクロレンズアレイ面が内側になるように湾曲した曲面である
   ことを特徴とする、画像投影装置。

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