JP6698120B2 - 光学投影システム - Google Patents

Description

本発明は光学投影システムに関し、特に、構造が簡単で、体積が小さく、遠距離の仮想結像が可能で、収差が小さいヘッドアップディスプレイ技術を取り外し可能なハウジング内に結合し、ヘッドアップディスプレイにアフターマーケット製品市場の利便性を具備させた光学投影システムに関する。

ヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ、ＨＵＤ）は、使用者が前方の景色を見ると同時に、同じ視野でヘッドアップディスプレイの投射する虚像情報を見ることを可能にし、下を向いてメーターパネルを見る必要がなく、その利便性とそれがもたらす安全性により、自動車のヘッドアップディスプレイは現在大きなトレンドとなりつつある。

図１の従来のヘッドアップディスプレイの実施を示す概略図を参照する。ヘッドアップディスプレイは、ケース９１を含み、ケース９１内にイメージ情報を射出できるイメージング装置９２が設置され、少なくとも２つの光学ミラー９３、９４を経由して、イメージ情報をドライバー前方の自動車ウインドシールドガラス９５に投射し、反射を経た後に該イメージ情報の虚像を表示させ、ドライバーに見えるようにする。そのうち、ヘッドアップディスプレイのケース９１は二次元のイメージを一定の視野（F.O.V）で投射するため、２つの光学ミラー９３、９４で二次元のイメージをウインドシールドガラス９５に向けて投射するには、一定の体積を備えている必要があり、このケース９１を自動車運転席前方の限られた空間に取り付ける際、自動車の前景を犠牲にしたくない場合、自動車の出荷前にメーターパネル内の空間に組み込む必要があり、かつ光路が垂直であるため、ケース９１の体積が厚く、組み込みが非常に困難になる。

しかしながら、ヘッドアップディスプレイの体積を縮小する、または全体を薄型化するには、虚像の拡大、視野、収差という３つの光学設計上の問題に直面する。小型プロジェクターまたは液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）をディスプレイ装置として使用する場合、遠距離の虚像式ヘッドアップディスプレイを実現するには、バックエンドの虚像リレー光学系（Ｒｅｌａｙ Ｏｐｔｉｃｓ）を組み合わせる必要がある。しかし、虚像リレー光学系の設計は容易でなく、簡潔な光学構造を用いて大きな視野の収差（Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）を効果的に除去することはできず、視野範囲が小さいと表示される情報が少なくなり、ヘッドアップディスプレイの応用効果が制限される。このほか、ウインドシールドガラスは不規則な曲面であり、目に反射されるとき、イメージの変形を収差が生じ、イメージの変形と収差を除去することが非常に困難で、表面鏡が大面積の非球面（Ａｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ）である、或いはその他のレンズを増設して収差の問題を解決する必要があり、これにより部品の製作コストが増加して生産組み立ての難度も高くなる。これを理由に、現在自動車におけるヘッドアップディスプレイの普及率はずっと上昇していない。

このため、上述の従来品の問題と欠点をどのように解決し、虚像の拡大を達成するとともに、ウインドシールドガラスによるイメージの変形と収差をなくし、全体的なイメージの品質を向上するかが、本発明の発明人とこの産業に従事する関連企業が改善を研究する方向性となっている。

本発明の発明人は上述の欠点に鑑み、関連試料を収集し、多方面での評価と検討を経て、かつこの業界に従事して蓄積した長年の経験に基づき、度重なる試作と変更を重ね、本発明の構造が簡単で体積が小さく、遠距離の仮想結像が可能で、収差が小さいヘッドアップディスプレイ技術を取り外し可能なハウジング内に結合し、ヘッドアップディスプレイにアフターマーケット製品市場の利便性を具備させた、光学投影システムの特許を設計したものである。

本発明の主な目的は、反射鏡と、反射曲面鏡と、光学レンズの組み合わせを利用して、三角結像技術で遠距離の仮想結像を達成し、レンズの必要体積を効果的に縮小できる、光学投影システムを提供することにある。

本発明の別の主な目的は、光学投影システムをハウジング内に結合し、簡単かつ迅速にメーターパネルの外に結合できる、アフターマーケット市場の利便性を具備させた、光学投影システムを提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の主な構造は、ハウジングを含み、該ハウジングの一側に、該ハウジングを取り外し可能にメーターパネルの外側に設置するために用いる少なくとも１つの結合部が定義され、かつ該ハウジング上に少なくとも１つの予定イメージを投射するための結像ユニットが設置され、該ハウジング内に該結像ユニットの一側に位置し、該予定イメージを受け取って反射するために用いる反射鏡が設置され、該ハウジング内に該反射鏡の反射経路上に位置する反射曲面鏡が設置され、結像経路の調整と虚像収差の減少に用いられるとともに、該予定イメージをウインドシールドガラス上に投射し、さらに使用者の目に反射して、予定イメージの虚像をウインドシールドガラスの外側で結像させ、また該ハウジング上に該結像経路上に位置する少なくとも１つの光学レンズが設置され、該予定イメージの拡大に用いられ、使用者が本発明をヘッドアップディスプレイとして使用するとき、該結像ユニットが予定イメージを投射し、反射鏡による反射を経た後反射曲面鏡に投射させ、結像経路を調整して収差を補正し、経路中でさらに光学レンズにより該予定イメージを拡大し、該予定イメージをウインドシールドガラスにより使用者の目に反射させ、該ウインドシールドガラスの外で屈折して該予定イメージの虚像を形成し、これにより比較的小さい空間内で、簡単な構造により三角結像の原理を実現し、結像範囲を拡大して、収差の問題を減少し、かつハウジングを通じてメーターパネルの外に簡単に組み込むことができるほか、本発明にアフターマーケット製品市場の利便性と発展性を具備させる。

上述の技術を通じ、従来のヘッドアップディスプレイに存在する体積が大きすぎる、結像視野範囲が小さい、イメージの収差が生じやすい、構造設計が複雑、車両の組み込む際の利便性不足等の問題点を解決し、上述の利点による実用的進歩性を達成することができる。

従来のヘッドアップディスプレイの実施を示す概略図である。 本発明の最良の実施例の鏡面位置関係図である。 本発明の最良の実施例の結像経路を示す概略図である。 本発明の別の最良の実施例の立体透視図である。 本発明の別の最良の実施例の設置を示す概略図である。 本発明の別の最良の実施例の実施を示す概略図である。 本発明のさらに別の最良の実施例の構造を示す概略図である。 本発明のまたさらに別の最良の実施例の構造を示す概略図である。

上述の目的及び効果を達するため、本発明の採用する技術的手段及び構造について、以下で図面と本発明の最良の実施例を組み合わせ、その特徴と機能を完全に理解できるように詳細に説明する。

図２と図３に本発明の最良の実施例の鏡面位置関係図と結像経路の概略図をそれぞれ示す。これらの図からはっきりと分かるように、本発明の光学投影システムは、結像ユニット１と、反射鏡２と、反射曲面鏡３と、少なくとも１つの光学レンズ４と、を含み、
該結像ユニット１が少なくとも１つの予定イメージ１２を投射し、
該反射鏡２が該結像ユニット１の一側に設置され、該予定イメージ１２を受け取って反射し、
該反射曲面鏡３が該結像ユニット１の一側に設置され、かつ該反射鏡２の反射経路上に位置し、結像経路の調整と虚像の収差減少に用いられ、かつ該予定イメージ１２をウインドシールドガラス７上に投射し、さらに使用者の目へと反射させ、該予定イメージ１２の虚像をウインドシールドガラス７の外側で結像させ、かつ該反射曲面鏡３が複数の曲率を含み、かつ該曲率が数学方程式で定義されて成り、
該少なくとも１つの光学レンズ４が該結像経路上に設置され、該予定イメージ１２を拡大し、かつ該光学レンズ４がフレネルレンズ（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓ）であり、かつ該光学レンズ４上に防護層４１が設けられる。

そのうち、該結像ユニット１と該反射鏡２間に第１挟角αが定義され、該反射鏡２と該反射曲面鏡３間に第２挟角βが定義され、該結像ユニット１と該反射曲面鏡３間に第３挟角γが定義され、かつ該第１挟角αが１５度から７０度であり、該第２挟角βが３０度から９０度であり、該第３挟角γが７５度から１４０度であり、かつ該第１挟角αの最適値が３０度から４０度であり、該第２挟角βの最適値が５０度から６０度であり、該第３挟角γの最適値が９５度から１０５度である。

上述の部材を組み立てると、図からはっきりと分かるように、本発明の光学投影システムは主に、結像ユニット１と、反射鏡２（平面鏡または凸面鏡）、反射曲面鏡３と、光学レンズ４（好ましくはフレネルレンズであるが、凸レンズまたは光学的透明薄型材としてもよい）等とウインドシールドガラス７を組み合わせ、遠距離の虚像を形成する。そのうち、該結像ユニット１と、該反射鏡２と、該反射曲面鏡３は同一水平面に位置するため、結像ユニット１は好ましくは予定イメージ１２を平行光で側面方向に該反射鏡２上に投射し、自由な曲率的の反射曲面鏡３を利用して反射光線の経路を変えて上方向に射出させ（このとき結像経路が該反射曲面鏡３から上に向かう垂直成分を獲得する）、同時に収差を補正する目的を達成するとともに、光学レンズ４が防護層４１を備えており、防塵保護機能を有するため、別途設置される透光部材（プラスチック、ガラス、アクリル等）の結像効果への影響を回避することができる。そのうち、反射曲面鏡３は複数の曲率を含有するため、反射鏡２の発散距離及び角度に合わせて全面的に収差を補正できる。このため該反射曲面鏡３の曲率は固定された曲率ではなく、精密な計算を経て１つの数学方程式を導き出し、該数学方程式に基づきこれらの特殊な曲率設計を有する反射曲面鏡３が製作される。該数学方程式は下式（１）に示すとおりである：

予定イメージ１２は、反射曲面鏡３で初歩的に拡大されるほか、反射曲面鏡３の方向転換後の結像経路を経由し、さらに光学レンズ４の拡大効果を経て、該予定イメージ１２がウインドシールドガラス７に投射され、ウインドシールドガラス７により該予定イメージ１２を使用者の目に反射させ、該ウインドシールドガラス７の外で屈折して該予定イメージ１２の虚像が形成される（使用者前方約２メートルの位置）。このように、上述の構造によって、第１挟角α、第２挟角β、第３挟角γの配置を組み合わせ、三角結像技術で遠距離の仮想結像を達成し、かつ該光学レンズ４がフレネルレンズであるため、レンズの必要体積を効果的に縮小し、同時に収差の問題を克服することができる。

図４、図５、図６に示す本発明の別の最良の実施例の立体透視図、設置を示す概略図、実施を示す概略図を同時に参照する。これらの図からはっきりと分かるように、本実施例は上述の光学投影システムをハウジング５ａ中に設置する。そのうち、該ハウジング５ａの一側に少なくとも１つの結合部５１ａが定義され、該ハウジング５ａが取り外し可能にメーターパネルの外側に設置される。結像ユニット１ａが該ハウジング５ａ上に設置され、反射鏡２ａ及び反射曲面鏡３ａがハウジング５ａ内に設置され、光学レンズ４ａが該ハウジング５ａ頂面の可視範囲内に設置される。また、該ハウジング５ａ内に該結像ユニット１ａに電気的に接続された無線接続モジュール１１ａが設置され、電子端末８ａと無線接続して該予定イメージ１２ａを受け取り、該結像ユニット１ａに伝送するために用いられる。これにより、前述の光学投影技術がレンズの必要体積（レンズ自体の寸法とレンズ間の空間位置を含む）を縮小できるため、該ハウジング５ａ内に確実に組み込むことができ、ハウジング５ａの結合部５１ａの組み合わせで、使用者がメーターパネル外側に簡単に取り付けられ、専門業者の手を借りる必要がなく、当然自動車の出荷前に予め運転席前方に埋設する必要もないため、アフターマーケット製品市場の利便性を備えている。そのうち、該結合部５１ａは滑り止め構造、粘着構造、嵌合位置決め構造とすることができる（メーターパネル前縁またはウインドシールドガラス７ａ一側の送風口に延伸して固定できる）。

また、同時に図７の本発明のさらに別の最良の実施例の概略図を参照する。この図からはっきりと分かるように、本実施例と上述の実施例はほぼ同じであるが、該ハウジング５ｂ上に少なくとも１つの角度調節装置６ｂが設置され、該結像経路が該ハウジング５ｂから射出される角度を変えるために用いられる点が異なる。そのうち、該角度調節装置６ｂは自在アジャスターであり、ハウジング５ｂ外部に設置し、使用者が直接手動でハウジング５ｂを調整して最後の結像効果を適切に調整することができる。

さらに、同時に図８の本発明のまたさらに別の実施例の概略図を参照する。この図からはっきりと分かるように、本実施例は上述の実施例とほぼ同じであるが、該角度調節装置６ｃがさらに少なくとも１つの駆動部材６１ｃと、角度パラメータの記録に用いるメモリユニット６２ｃと、該ハウジング５ｃ上に設置され、かつ該駆動部材６１ｃ及び該メモリユニット６２ｃに電気的に接続され、該角度パラメータを選択して該駆動部材６１ｃを設定するために用いる操作モジュール６３ｃを含む。これにより、使用者は異なる車種や異なるウインドシールドガラスの角度に基づき、角度調節装置６ｃを利用して異なる結像角度を設定することができる。実際の操作時は、ハウジング５ｃ上の操作モジュール６３ｃを利用してメモリユニット６２ｃ中に予め保存された角度パラメータセットを選択し、選定後駆動部材６１ｃを通じて結像ユニット１ｃ、反射鏡２ｃ、反射曲面鏡３ｃの角度位置関係を自動的に制御し、各種の車種に適合させることができる。

以上の説明は本発明の最良の実施例を示したものであり、これによって本発明の特許範囲が限定されることはなく、本発明の明細書及び図面の内容を運用した簡易な修飾及び同等効果の構造変化はいずれも本発明の特許範囲内に含まれる。

上述をまとめると、本発明の光学投影システムは使用時にその効果と目的を確実に達成することができるため、本発明は実用性に優れた創作であり、特許の出願要件を満たしているため、法に基づきここに出願を提出するものであり、審査官におかれては早期に本発明を批准していただき、発明者の創作努力を保障していただけるよう期待するものである。

［本願の符号の説明］
１、１ａ、１ｃ 結像ユニット
１１ａ 無線接続モジュール
１２、１２ａ 予定イメージ
２、２ａ、２ｃ 反射鏡
３、３ａ、３ｃ 反射曲面鏡
４、４ａ 光学レンズ
４１ 防護層
５ａ、５ｂ、５ｃ ハウジング
５１ａ 結合部
６ｂ、６ｃ 角度調節装置
６１ｃ 駆動部材
６２ｃ メモリユニット
６３ｃ 操作モジュール
７、７ａ ウインドシールドガラス
８ａ 電子端末
α 第１挟角
β 第２挟角
γ 第３挟角
［従来品の符号の説明］
９１ ケース
９２ イメージング装置
９３ ミラー
９４ ミラー
９５ ウインドシールドガラス

Claims (7)

1. 一側に結合部を設けるハウジング内に設置される光学投影システムであって、
   前記ハウジング上に設置される結像ユニットと、前記ハウジング内に設置される反射鏡と、数学方程式により定義された複数の曲率を持つ、前記ハウジング上に設置される反射曲面鏡と、前記ハウジング上に設置される少なくとも１つの光学レンズと、を含み、
   前記結像ユニットと前記反射鏡と前記反射曲面鏡とが、前記結像経路に前記反射曲面鏡からのみ垂直方向の成分を獲得させるように、同一の水平面に配置され、
   前記結像ユニットと前記反射鏡とがなす角を第１挟角として定義し、前記反射鏡と前記反射曲面鏡とがなす角を第２挟角として定義し、前記結像ユニットと前記反射曲面鏡とがなす角を第３挟角として定義する場合、前記第１挟角が１５度から７０度であり、前記第２挟角が３０度から９０度であり、前記第３挟角が７５度から１４０度であり、
   前記結像ユニットが、少なくとも１つの予定イメージを投射し、
   前記反射鏡が、前記予定イメージを受け取って反射するように、前記結像ユニットの一側に設置され、
   前記反射曲面鏡が、前記反射鏡の反射経路上に位置する前記結像ユニットの一側に設置され、かつ、前記予定イメージをウインドシールドガラス上に投射して、使用者の目にて反射してから、前記予定イメージの虚像をウインドシールドガラスの外側で結像させることにより、結像経路の調整と虚像収差の減少を実現するために用いられるものであり、
   前記光学レンズのうちの少なくとも１つが、前記予定イメージを拡大するように前記結像経路上に設置される、
   ことを特徴とする、光学投影システム。
2. 前記光学レンズ上に防護層が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の光学投影システム。
3. 前記第１挟角の最適値が３０度から４０度であり、前記第２挟角の最適値が５０度から６０度であり、前記第３挟角の最適値が９５度から１０５度である、ことを特徴とする、請求項１に記載の光学投影システム。
4. 前記ハウジングが、メーターパネルの外側に取り外し可能にするように設置されることを特徴とする、請求項１に記載の光学投影システム。
5. 前記ハウジング内に前記結像ユニットに電気的に接続された無線接続モジュールが設置され、前記予定イメージを受け取り、前記結像ユニットに伝送するために用いられることを特徴とする、請求項４に記載の光学投影システム。
6. 前記ハウジング上に少なくとも１つの角度調節装置が設置され、前記結像経路が前記ハウジングから射出される角度を変えるために用いられることを特徴とする、請求項５に記載の光学投影システム。
7. 前記反射鏡が、平面鏡または凸面鏡のいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の光学投影システム。

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