以下に、本発明の実施の形態に係る投影装置を、添付図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、例にすぎず、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
車両に実施の形態に係る投影装置を搭載することによって、投影装置は、例えば、車両の前方の路面に車両の状態などの情報(画像)を投影することができる。車両の運転者は、周囲の車両の運転者、及び歩行者などと、直観的にコミュニケーションを行うことができる。また、実施の形態に係る投影装置を搭載した車両の運転者は、投影装置が投影する情報(画像)によって周囲の車両の運転者及び歩行者などに注意を促すことができる。
例えば、路面に投影された画像の照度ムラを低減するためには、画像形成部に照射される光の光量を、光が照射される位置によって設定する必要がある。すなわち、画像形成部に照射される光の強度分布を設定する必要がある。投影装置は、設定された光量の分布の光を画像形成部に照射する。つまり、画像形成部に照射される光は、光量の分布が設定されている。ここで、画像形成部は、例えば、特許文献1の情報提示部に相当する部分である。投影面に投影される画像(情報)の照度を部分的に設定する投影装置を提供できる。すなわち、以下の実施の形態に係る投影装置は、投影面に投影される画像の照度分布を設定することができる。そして、投影される情報の照度ムラを抑えることで視認性の高い情報を表示することができる。その結果、投影される情報の照度ムラを抑えた投影装置を提供することができる。
なお、「設定」とは、ある条件を定めることである。ここでは、出射面22上の光量の分布(輝度分布)を導光素子2の側面23の形状で定めることである。以下の実施の形態では、例えば、導光素子2の側面23の形状は定められて作製されている。
以下の実施の形態では、説明を容易にするために、投影面上に投影された情報の照度ムラを低減する例を示している。すなわち、投影面上に投影された情報の照度分布の均一性を高める例を示している。しかし、以下の実施の形態で示す投影装置は、投影される情報の輝度分布を設定することによって投影面上に投影された情報の照度分布を設定することができる。すなわち、投影装置は照度分布を持たせた情報を投影することができる。そのため、例えば、投影された情報の視認性を向上するために、投影装置は、投影面上に投影された情報に照度分布を持たせることもできる。例えば、投影装置は、遠い位置の照度を近い位置の照度より高くすることができる。また、投影装置は、遠い位置の照度を近い位置の照度より低くすることができる。
なお、投影される情報には、画像が含まれる。画像は文字を含んでいる。また、画像は、静止画及び動画を含んでいる。
光源は、例えば、ランプ光源(管球光源)又は半導体光源などである。
ランプ光源は、白熱電球、ハロゲンランプ又は蛍光ランプなどである。ランプ光源は、発光体を有する。従来のランプ光源は、半導体光源に比べて指向性の低い光源である。このため、ランプ光源は、発光体から放射した光を反射するリフレクタ(例えば、反射鏡など)を用いて、発光体から放射した光に指向性を持たせている。
半導体光源は、例えば、発光ダイオード(LED(Light Emitting Diode))又はレーザーダイオード(LD(Laser Diode))などである。
近年において、二酸化炭素(CO2)の排出と燃料の消費とを抑えるといった環境への負荷を軽減する観点から、例えば、車両などにおける省エネルギー化が望まれている。これに伴い、車両用灯具、照明装置、及び実施の形態に係る投影装置においても小型化、軽量化及び省電力化が求められている。そこで、車両用灯具、照明装置、及び実施の形態に係る投影装置の光源として、半導体光源の採用が望まれている。半導体光源は、従来のハロゲンバルブ(ランプ光源)に比べて発光効率が高い光源である。
半導体光源は、少なくとも一つの発光面を備えている。そして、発光面から光が放射される。そのため、半導体光源は、ランプ光源に比べて指向性が高い光源である。
なお、上述の半導体光源は、固体光源の一種である。固体光源としては、例えば、有機エレクトロルミネッセンス(有機EL)又は平面上に塗布された蛍光体に励起光を照射して発光させる光源等が挙げられる。
「指向性」とは、光などが空間中に出力されるとき、その強度が方向によって異なる性質である。ここで「指向性を有する」とは、上述のように、発光面の表面側に光が進行して、発光面の裏面側には光が進行しないことをいう。つまり、指向性を有する光源から出射される光の発散角は180度以下となる。
また、以下の実施の形態で示す光源は、指向性を有する光源(固体光源)として示している。上述のように、光源の主な例としては、発光ダイオード又はレーザーダイオード等の半導体光源である。また、光源は、有機エレクトロルミネッセンス光源又は平面上に塗布された蛍光体に励起光を照射して発光させる光源等であってもよい。
実施の形態で固体光源を例として採用しているのは、管球光源を用いた場合には、省エネルギー化の要望又は装置の小型化の要望に応え難いからである。しかし、省エネルギー化の要望を重視しない場合には、光源は、ランプ光源であってもよい。つまり、省エネルギー化の要望又は装置の小型化の要望が無い場合は、光源はランプ光源であってもよい。
投射光学素子は、投影光学素子と同じ意味で用いている。ここで、「投射」とは、光線を投げかけること。なお、「投影」とは、像を映し出すことである。ここでは、投射光学素子4は、画像形成部が形成した映像を投影面(例えば、路面)上に映し出している。投射光学素子4は、画像投影部の一例である。
以下、車両の投影装置を例として、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態の例を説明する。しかし、後述のように、本発明の投影装置は、車両以外にも用いることができる。本発明の投影装置は、特に、投影装置の光軸と投影面との成す角度が垂直でないときに視認性を高めることができる。例えば、天井面に備えられた投影装置から壁面に向かって情報を投影する場合にも用いることができる。
以下の実施の形態の説明においては、説明を容易にするためにXYZ直交座標系を用いて説明する。
投影装置の光軸Cの方向をZ軸方向とする。例えば、導光素子2の内部の光の進行する方向をZ軸方向とする。また、例えば、導光素子2から投射光学素子4に向かう光の進行方向をZ軸方向とする。ここで、光が進行する方向は+Z軸方向である。
実施の形態において、Z軸方向は路面に対して傾斜している。つまり、Z軸方向は路面に対して平行ではない。ここで、路面は投影面である。また、車両の進行方向は、路面に対して平行である。Z軸において、車両の前方側を+Z軸方向とし、車両の後方側を−Z軸方向とする。例えば、+Z軸方向は、投影装置が光を照射する方向である。
投影装置の光軸Cの方向に直交する方向をX軸方向とする。X軸方向は、例えば、車両の左右方向である。X軸において、車両の前方に対して左側を+X軸方向とし、車両の前方に対して右側を−X軸方向とする。
Z軸方向とX軸方向の両方に直交する方向をY軸方向とする。Y軸において、例えば、車両の上側を+Y軸方向とし、車両の下側を−Y軸方向とする。Y軸方向は、例えば、路面に垂直な方向に対して傾斜している。また、車両の高さ方向は、路面に対して垂直な方向である。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る投影装置100の主要構成を概略的に示す構成図である。図1は、投影装置100の主要構成を概略的に示す側面図である。図1は、例えば、車両の前方に対して右側(−X軸方向側)から+X軸方向に見た図である。図2は、実施の形態1に係る投影装置100の主要構成を概略的に示す構成図である。図2は、投影装置100の主要構成を概略的に示す平面図である。図2は、例えば、車両の上(+Y軸方向側)から−Y軸方向に見た図である。ただし、図1及び図2に示される形状は、一例に過ぎず、他の形状を採用することが可能である。
<投影装置100の構成>
図1及び図2に示されるように、実施の形態1に係る投影装置100は、光源1、導光素子2、画像形成部3、及び投射光学素子4を備える。また、投影装置100は、投影面9上に画像6を表示する。以下の説明において、投影面9が路面である場合を説明する。
光源1は、光を出射する。光源1は光照射部である。光源1は、光を導光素子2に向けて照射する。光源1は、上述したように、ランプ光源又は固体光源である。実施の形態1では、光利用効率を向上させるために、光源1が固体光源の場合を説明する。光源1の発光面は、例えば、矩形形状である。光源1は、車両の前方(+Z軸方向)に光を出射する。「出射」とは、ある方向に向けて光を発することである。
導光素子2は、光源1から出射された光を画像形成部3に向けて導光する。「導光」とは、ある方向に向けて光を導くことである。図1に示すように、X軸方向から見ると、導光素子2は湾曲している。図2に示すように、Y軸方向から見ると、導光素子2は湾曲していない。図1及び図2に示された導光素子2は、単一の光学部品で構成されている。しかし、導光素子2は、複数の光学部品の組み合わせで構成されてもよい。導光素子2は導光部である。
画像形成部3は、投影面9に投影される画像7を形成する。画像形成部3には、画像信号(画像情報)が入力される。そして、画像形成部3は、画像信号に基づく画像7を形成する。画像形成部3は、光を画像光に変換する。導光素子2の出射面22から出射された光は、画像光に変換される。「画像光」とは、画像情報を有する光のことである。すなわち、「画像光」とは、画像情報に基づいて変調された光である。画像形成部3は、例えば、液晶パネル(液晶ライトバルブ)、遮光板、又はマイクロミラーを有する表示素子などである。マイクロミラーは、例えば、2次元に配列された複数のマイクロミラーを備えている。
投射光学素子4は、画像形成部3で形成される画像7を投影面9に投影する。投射光学素子4は、画像投影部である。このとき、画像7は、投影面9上では、画像6のように拡大して投影される。ここで、画像7は、投影される情報である投影対象である。また、画像6は、投影された情報である投影画像である。また、画像7は、投影面9上では画像6のように上下左右が反転して投影される。実施の形態では、投射光学素子4は、単一の光学部品で構成される。しかし、投射光学素子4は、複数の光学部品の組み合わせで構成されてもよい。また、実施の形態では、投射光学素子4は、光学レンズで示されている。しかし、投射光学素子4は、拡大ミラー(例えば、凹面鏡)などを備えることも可能である。
<導光素子2>
導光素子2は、入射面21、出射面22及び側面23を備えている。光源1から出射された光は、入射面21から導光素子2に入射する。導光素子2に入射した光は、側面23で反射されて導光される。導光された光は、出射面22に到達する。側面23で反射された光は、出射面22に到達する。つまり、導光素子2に入射した光の一部は、側面23で反射されて出射面22に到達する。また、導光素子2に入射した光は、直接出射面22に到達する。つまり、導光素子2に入射した光の一部は、直接出射面22に到達する。出射面22に到達した光は、導光素子2から出射される。
導光素子2は、例えば、透明樹脂等で製作されている。また、導光素子2の材質は、透明樹脂に限らず、光を透過する屈折材であれば他の材質であってもよい。
図3は、実施の形態1に係る投影装置100の導光素子2の形状を示す構成図である。図3は、例えば、車両の前方に対して右側(−X軸方向側)から+X軸方向に見た図である。
入射面21は、光を入射する。光源1から出射された光は、入射面21から導光素子2に入射される。
入射面21は、導光素子2の−Z軸方向側の端部に設けられている。図3では、例えば、入射面21は、平面で示されている。しかし、入射面21は、曲面形状を備えても構わない。曲面形状は、例えば、凸面形状又は凹面形状などである。導光素子2が光を透過する屈折材である場合には、入射面21を通過した光は、入射面21で屈折される。
出射面22は、導光素子2の+Z軸方向側の端部に設けられている。出射面22の+Z軸方向側には、例えば、画像形成部3が備えられる。そのため、出射面22の形状は、画像形成部3との干渉を避けるために平面形状であることが望ましい。ただし、出射面22は、曲面形状を備えてもよい。曲面形状は、例えば、凸面形状又は凹面形状などである。
出射面22は、光を出射する。出射面22を通過する光は、出射面22で屈折される。出射面22から出射される光は、導光素子2によって導光された光である。出射面22から出射される光の中心光線は、+Z軸方向に向かって進む。出射面22から出射される光の中心光線は、例えば、側面で反射されずに出射面22に到達した光線である。つまり、出射面22から出射される光の中心光線は、例えば、直接出射面22に到達した光線である。出射面22から出射した光は、例えば、画像形成部3に到達する。
側面23は、入射面21から入射した光を反射して導光する。側面23で反射された光は、出射面22に向かって進行する。
図1に示される導光素子2を進行する光は、例えば、全反射によって導光される。つまり、光は、側面23で全反射される。「全反射」とは、入射する光が境界面を透過せずに反射される作用を指す。ここでは、導光素子2内を進む光が、導光素子2とその外部の空間との境界面に達したときに、境界面を透過せずに、反射される作用を指す。
また、導光素子2の側面23をミラー面としても良い。ミラー面は、例えば、ミラー蒸着された面である。その場合は、導光素子2は、屈折材でなくてもよい。屈折材でない例として、例えば、導光素子2の内部は空洞となっていても構わない。側面23は、この空洞を囲うように配置されている。側面23の内側の面は、例えば、ミラー面(光反射面)である。しかし、導光素子2の側面23の反射面は、ミラー蒸着によるミラー面ではなく、全反射面であることが望ましい。なぜならば、全反射面は、ミラー面よりも反射率が高く、光利用効率の向上に寄与するからである。
説明を容易にするために、一例として、投影装置100が車両に搭載された際の上側の側面23aと下側の側面23bとで反射される光線について説明する。
側面23aは、導光素子2の上側(+Y軸方向側)の側面である。また、側面23bは、導光素子2の下側(−Y軸方向側)の側面である。側面23aと側面23bとは、対向して配置されている。
また、図2に示すように、側面23cは、導光素子2の左側(+X軸方向側)の側面である。また、側面23dは、導光素子2の右側(−X軸方向側)の側面である。側面23cと側面23dとは、対向して配置されている。実施の形態1では、例えば、側面23c,23dは平面である。また、例えば、側面23cと平面23dとは平行である。側面23c,23dは、例えば、Y−Z平面に平行である。
図3に示されるように、側面23aは、導光される光に対して、入射面21から出射面22の方向で凸形状に湾曲した面である。例えば、導光素子2の内側から見て、側面23aは、Z軸方向の中央部分で光軸Cに向けて突き出している。すなわち、側面23aはZ軸方向の中央部分で内向きに突き出している。なお、例えば、側面23aはX軸方向には曲率を有していない。つまり、側面23aはX軸方向には湾曲していない。
また、反射領域231は、側面23aの一部の領域である。反射領域231は、側面23aの入射面21側に備えられる。
側面23bは、導光される光に対して、入射面21から出射面22の方向で凹形状に湾曲した面である。例えば、導光素子2の内側から見て、側面23bは、Z軸方向の中央部分で光軸Cから遠ざかるように窪んでいる。すなわち、側面23bはZ軸方向の中央部分で凹んでいる。なお、例えば、側面23bはX軸方向には曲率を有していない。つまり、側面23bはX軸方向には湾曲していない。
また、反射領域232及び反射領域233は、側面23bの一部の領域である。反射領域232は、側面23bの入射面21側に備えられる。反射領域233は、側面23bの出射面22側に備えられる。反射領域232と反射領域231とは、対向して配置される。反射領域233は、反射領域231及び反射領域232よりも出射面22側に配置されている。
なお、「湾曲した面」は、曲面に限らず、複数の平面などが連続的につながった形状の面も含む。
また、例えば、側面23aと側面23bとの間隔は、入射面21から出射面22に向けて広がっている。これによって、出射面22から出射される光の角度は、入射面21から入射する光の角度よりも小さくなる。ここで、出射面22から出射される光の角度は、光軸Cに対する角度である。入射面21から入射する光の角度は、光軸Cに対する角度である。このため、出射面22から出射された光の内の投射光学素子4で取り込める光の割合が増える。すなわち、投射光学素子4に入射する光の光量が増える。これにより、光利用効率が向上する。
光線R21、光線R22、光線R23及び光線R24は、光源1から出射されて導光素子2内を導光される光線の例である。
光線R21,R22,R23,R24は、入射面21で屈折される。入射面21から入射した光線R21,R22,R23,R24は、導光素子2の内部を進行する。入射面21から入射した光線R21,R22,R23,R24は、導光素子2の内部を+Z軸方向に進行する。ここで、「+Z軸方向に進む」とは、光線R21,R22,R23,R24が、直接出射面22に向けて進むこと又は側面23で反射されて出射面22に向けて進むことである。導光素子2の内部を進行した光線R21,R22,R23,R24は、出射面22から出射される。
なお、光線R21,R22,R23,R24は、光源1から出射された光の主要な光線の一例を示す。そのため、光源1から出射される光のすべてが光線R21,R22,R23,R24と同様の光路を辿るとは限らない。
光線R21は、光源1から側面23b側(−Y軸方向側)に向けて出射された光である。光線R21は、導光素子2の側面23bの反射領域232で反射される。反射領域232で反射された光線R21は、出射面22に到達する。
反射領域232で反射された光線R21は、出射面22における側面23b側(−Y軸方向側)の領域に到達する。反射領域232で反射されて出射面22に到達した光線R21は、出射面22における側面23b側の領域に到達する。反射領域232で反射されて出射面22に到達した光線R21は、出射面22から出射される。反射領域232で反射された光線R21は、出射面22から出射される。反射領域232で反射された光線R21は、出射面22における側面23b側の領域から出射される。つまり、反射領域232で反射された光線R21は、出射面22における側面23bに近い領域から出射される。反射領域232で反射され出射面22における側面23b側の領域から出射される光の光量は、反射領域232で反射され出射面22における側面23a側の領域から出射される光の光量より多い。
光線R22は、光源1から側面23a側(+Y軸方向側)に向けて出射された光である。光線R22は、導光素子2の側面23aの反射領域231で反射される。反射領域231で反射された光線R22は、反射領域233に到達する。反射領域231で反射され反射領域233に到達した光線R22は、反射領域233で反射される。反射領域233で反射された光線R22は、出射面22に到達する。
反射領域233で反射された光線R22は、出射面22における側面23b側(−Y軸方向側)の領域に到達する。反射領域233で反射されて出射面22に到達した光線R22は、出射面22における側面23b側の領域に到達する。反射領域233で反射されて出射面22に到達した光線R22は、出射面22から出射される。反射領域233で反射された光線R22は、出射面22から出射される。反射領域233で反射された光線R22は、出射面22における側面23b側の領域から出射される。つまり、反射領域233で反射された光線R22は、出射面22における側面23bに近い領域から出射される。反射領域233で反射され出射面22における側面23b側の領域から出射される光の光量は、反射領域233で反射され出射面22における側面23a側の領域から出射される光の光量より多い。
光線R23は、光源1から側面23b側(−Y軸方向側)に向けて出射された光である。光線R23は、側面23bで反射されずに出射面22に到達する。光線R23は、直接出射面22に到達する。つまり、光線R23は、側面23bで反射されずに出射面22における側面23b側の領域に到達する。光線R23は、直接出射面22における側面23b側の領域に到達して出射される。光線R23は、直接出射面22における側面23bに近い領域に到達して出射される。
光線R24は、光源1から側面23a側(+Y軸方向側)に向けて出射された光である。光線R24は、側面23aで反射されずに出射面22に到達する。光線R24は、直接出射面22に到達する。つまり、光線R24は、側面23aで反射されずに出射面22における側面23a側の領域に到達する。光線R24は、直接出射面22における側面23a側の領域に到達して出射される。光線R24は、直接出射面22における側面23aに近い領域に到達して出射される。
これらによって、出射面22から出射される光の光量分布は、出射面22における側面23b側(−Y軸方向側)の領域から出射される光の光量が、出射面22における側面23a側(+Y軸方向側)の領域から出射される光の光量より多い分布となる。つまり、出射面22における側面23b側(−Y軸方向側)の領域の輝度は、出射面22における側面23a側(+Y軸方向側)の領域の輝度よりも高くなる。言い換えれば、出射面22における側面23b側(−Y軸方向側)の領域は高輝度の領域となる。そして、出射面22における側面23a側(+Y軸方向側)の領域は低輝度の領域となる。
また、導光素子2は、側面23a,23bに3つの反射領域231,232,233を備えている。また、側面23a,23bは湾曲形状をしている。このような構造によって、出射面22上の輝度勾配を細かく設定することができる。つまり、投影される画像7の輝度分布を設定することができる。そして、投影面91上の投影範囲81(図5に示される)における照度ムラを低減することができる。投影面91は、例えば、路面である。
また、投影装置100では、1つの湾曲した側面23b上に反射領域232,233が形成されている。しかし、例えば、反射領域232と反射領域233との間に湾曲形状以外の形状が設けられてもよい。湾曲形状以外の形状は、例えば、段差などである。
図4は、投影装置100の導光素子210の形状を示す構成図である。導光素子210は、反射領域231r,232r,233rを備えている。反射領域231r,232r,233rは、導光素子2の反射領域231,232,233にそれぞれ対応している。側面23aは、反射領域231rを備えている。側面23bは、反射領域232r,233rを備えている。
導光素子210には、反射領域232rと反射領域233rとの間に段差24が設けられている。段差24は、導光素子210の光軸Cに垂直な断面積が広くなるように設けられている。段差24は、光軸Cから反射領域233rまでの距離が光軸Cから反射領域232rまでの距離よりも長くなるように設けられている。段差24は、側面23aから反射領域233rまでの距離が側面23aから反射領域232rまでの距離よりも長くなるように設けられている。反射領域233rと側面23aとの間隔は、反射領域232rと側面23aとの間隔よりも広い。段差24を設けても、側面23bは全体として湾曲している。
導光素子2の側面23は、凹形状の曲面又は凸形状の曲面で示されている。しかし、光線R21及び光線R22に同様の光路を辿らせることができる形状であれば、側面23は曲面以外の形状であってもよい。例えば、側面23は、複数の平面を配列した多角形状などの他の形状であってもよい。多角形状は、例えば、曲面形状に近似している。
<画像形成部3>
画像形成部3は、例えば、導光素子2の出射面22から出射される光の一部を透過させる。また、画像形成部3は、導光素子2の出射面22から出射される光の一部を遮光する。これによって、投影面9に投影される画像7が画像形成部3上に形成される。
画像形成部3は、例えば、液晶パネルを採用することができる。液晶パネルは、偏光フィルターによって光の一部を透過又は遮光することで画像を形成する。液晶パネルは、入力される画像情報に応じて投影される画像7を変更できる。また、液晶パネルは、投影される画像7を動画とすることができる。画像形成部3は、例えば、画像形成部材である。
画像形成部3は、例えば、遮光板を採用することができる。遮光板は、例えば、ステンレス鋼などの金属板である。遮光板は、投影される画像7を変更できない。遮光板を採用した場合には、画像形成部3は、1つの同じ画像7を投影する。なお、画像形成部3は、遮光板を差し替えることで複数の画像7を投影することができる。例えば、遮光板をカラーホイールのような構成とする。遮光板を回転させることで、複数の画像7を投影することができる。
画像形成部3は、例えば、複数のマイクロミラーを用いた表示素子を採用することができる。複数のマイクロミラーを用いた表示素子は、例えば、微細な反射型ミラーを使用した表示素子である。マイクロミラーを用いた表示素子は、例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いたDLP(Digital Light Processing;登録商標)又はDMD(Digital Micromirror Device;登録商標)などである。「MEMS」とは、微小な電気部品と機械部品を一つの基板上に組み込んだデバイス又はシステムを指す。マイクロミラーを用いた表示素子は、投影される画像7を変更できる。また、マイクロミラーを用いた表示素子は、投影される画像7を動画とすることができる。
画像形成部3は、例えば、導光素子2の出射面22とすることができる。画像形成部3は、例えば、導光素子2の出射面22に形成されている。例えば、出射面22の形状によって画像7が形成される。ここで、出射面22の形状は、例えば、出射面22の輪郭の形状である。出射面22の形状は、例えば、矩形の形状である。この出射面22の形状に基づいて投影範囲81が決まる。そのため、出射面22の形状を、例えば、矢印の形状とした場合には、矢印形状の画像7が投影面9上に投影される。また、出射面22上の形状によって画像7を形成することができる。ここで、出射面22上の形状は、出射面22の表面上の形状である。例えば、出射面22上に矢印の形状の溝を付けることで、投影面9上に矢印形状の光の濃淡を形成することができる。この投影面9上の光の濃淡によって、画像6を形成することができる。
<投射光学素子4>
投射光学素子4は、例えば、レンズである。図1における投射光学素子4は、説明の簡略化のために、平凸形状のレンズとして示されている。しかし、投射光学素子4は、両凸形状などのような他の形状のレンズであってもよい。投射光学素子4は、例えば、透明樹脂などで製作されている。また、投射光学素子4の材質は、透明樹脂に限らず、光を透過する屈折材であれば他の材質であってもよい。
また、投射光学素子4は、リフレクタなどのような反射面を有する部材を備えてもよい。投射光学素子4は、複数枚のレンズを組み合わせた構成又は複数のリフレクタを組み合わせた構成であってもよい。さらに、投射光学素子4は、レンズとリフレクタとを組み合わせた構成とすることも可能である。
また、投射光学素子4が備えるレンズの表面又はリフレクタの反射面は、非球面形状であってもよい。投射光学素子4として、例えば、シリンドリカルレンズ又はトロイダルレンズなどを採用することができる。また、投射光学素子4は、導光素子2の光軸Cに対して偏心して配置されてもよい。
次に、投射光学素子4によって投射される光線について説明する。
図1に示されるように、画像形成部3上に形成される画像を画像7とする。そして、画像7が投影されて、投影面9上に画像6が形成される。投射光学素子4は画像7を投影して、投影面9上に画像6が形成される。
光R41,R42,R43は、画像形成部3から出射された光を示す。なお、光R41,R42,R43は、画像形成部3から出射された主要な光を示す。そのため、画像形成部3から出射された光のすべてが光R41,R42,R43と同様の光路を辿るとは限らない。
光R41,R42,R43によって示されるように、画像形成部3と投影面9とは光学的に共役の位置にある。「光学的に共役」とは、1つの点から発した光が他の1つの点に結像する関係のことをいう。なお、実施の形態1では、画像形成部3の表示面が投射光学素子4の光軸に対して垂直な面となっている。しかし、画像形成部3の表示面が投射光学素子4の光軸に対して傾斜していてもよい。
つまり、図1に示されるように、画像形成部3上の点7aから出射された光R41は、投影面9上の点6aに結像する。画像形成部3上の点7bから出射された光R42は、投影面9上の点6bに結像する。画像形成部3上の点7cから出射された光R43は、投影面9上の点6cに結像する。
光R41は、例えば、出射面22における側面23a側(+Y軸方向側)の領域から出射された光に対応している。光R41は、画像7上の点7aから出射されている。点7aは、画像7上の+Y軸方向側の点である。光R41は、投射光学素子4によって屈折される。そして、光R41は、投影面9の−Y軸方向側の点6aに結像する。
光R42は、例えば、出射面22における側面23b側(−Y軸方向側)の領域から出射された光に対応している。光R42は、画像7上の点7bから出射されている。点7bは、画像7上の−Y軸方向側の点である。光R42は、投射光学素子4によって屈折される。そして、光R42は、投影面9の+Y軸方向側の点6bに結像する。
光R43は、例えば、出射面22の中央の領域から出射された光に対応している。光R43は、画像7上の点7cから出射されている。点7cは、画像7上の中央の点である。光R43は、投射光学素子4によって屈折される。そして、光R43は、投影面9の中央の点6cに結像する。
上述したように、導光素子2の出射面22上の輝度分布において、出射面22における側面23b側(−Y軸方向側)の領域が高輝度の領域となる。そして、出射面22における側面23a側(+Y軸方向側)の領域が低輝度の領域となる。つまり、画像形成部3によって形成される画像7の輝度分布において、画像7の−Y軸方向側(側面23b側)の領域が高輝度の領域となる。そして、画像7の+Y軸方向側(側面23a側)の領域が低輝度の領域となる。
また、上述したように、画像形成部3と投影面9とは光学的に共役の位置にある。従って、画像形成部3で形成された画像7は、投射光学素子4(例えば、投射レンズ)によって反転されて投影面9に投影される。画像7は、投射光学素子4によって投影面9に投影される。
図1に示される投影面9は、投影装置100の光軸Cに対して垂直な面である。そのため、光R41の光路長と光R42の光路長とは等しい。光R41,R42の光路長は、例えば、光R41,R42の中心光線の光路長である。つまり、点7aから点6aまでの距離は、点7bから点6bまでの距離と等しい。なお、後述のように、光路長は投写距離と言い換えることができる。つまり、光R41における投写距離と光R42における投写距離とは等しい。
このとき、投影面9に投影される画像6の照度分布は、点6b側(+Y軸方向側)の領域が高照度の領域となる。そして、点6a側(−Y軸方向側)の領域が低照度の領域となる。つまり、画像6は、点6b側(+Y軸方向側)の領域が明るく、点6a側(−Y軸方向側)の領域が暗くなる。
以下に、投影装置100を車両500に取り付けた場合の効果を説明する。
図5は、実施の形態1に係る投影装置100が取り付けられた車両500を示す側面図である。図5は、車両500の前方に対して右側(−X軸方向側)から+X軸方向に見た図である。また、図6は、実施の形態1に係る投影装置100が取り付けられた車両500を示す平面図である。図6は、車両500の上側(+Y軸方向側)から−Y軸方向に見た図である。
図5及び図6では、車両500は、投影装置100を前方部に備えている。前方部とは、例えば、フロントグリル、前照灯又は前部霧灯などが配置されている部分である。また、投影装置100は、投影面91上に画像61を表示する。投影面91は、例えば、路面である。このとき、投影装置100に対して、投影面91は傾斜した面である。Z軸方向に対して、投影面91は傾斜した面である。すなわち、投影装置100から出射される画像光の中心光線と投影面91との間の角度は、0°より大きく、90°より小さい。投影装置100から出射される画像光の中心光線と投影面91とのなす角度は、0°より大きく、90°より小さい。
投影装置100は、投影面91に対して傾斜した画像光を照射して投影面91上に画像61を表示する。一例としては、上述のように、車両500から路面(投影面91)に対して画像光を照射する場合である。他の例としては、図1に示したように、投影面9が投影装置100の光軸Cに対して垂直な面であって、画像6が光軸Cからずれた位置に表示される場合である。画像6は、例えば、光軸Cから+Y軸方向または−Y軸方向にずれた位置に表示される。
つまり、投影装置100は、投影装置100の光軸Cに対して投影面91が傾斜していない場合にも、使用可能である。例えば、投影面9(図1)が投影装置100の光軸Cに対して垂直な面である場合である。このような場合には、例えば、投影装置100は、画像6を投影面9上のY軸方向にずれた位置に表示することができる。この場合にも、投影装置100は、投影面91に対して傾斜した光を照射して画像7を投影して、画像6を表示することができる。
投影装置100は、投影面91に対して傾斜した光を照射している。「傾斜した光」とは、例えば、投影装置100から照射された光の中心光線が投影面91に対して傾斜していることを示す。中心光線は、例えば、光線の放射角度に対する光強度分布の加重平均となる角度方向の光線とすることができる。また、中心光線は、例えば、光の大部分が進行する主な方向の光線とすることができる。また、この中心光線と重なる軸を投影装置100の光軸とすることができる。通常、放射角度に対して中心の光強度が最も高いので、光軸は、光源1の発光面の中心を通り発光面に垂直な軸となる。そして、通常、中心光線は、光軸上の光線となる。
投影面91上における投影範囲81は、投影装置100から投影された画像61の最大の投影範囲である。つまり、図1に示される画像形成部3によって光の一部を遮光しない場合には、投影範囲81の全体に光が投射される。
投影装置100の光軸Cに対して投影面91が傾斜している場合には、投影範囲81は、台形形状となる。投影範囲81の台形形状は、−Z軸方向側の幅が狭く、+Z軸方向側の幅が広い。つまり、投影装置100から近い側の投影範囲81の幅は、投影装置100から遠い側の投影範囲81の幅よりも狭い。ここで、投影範囲81の幅は、X軸方向の長さである。
これは、画像形成部3上の単位面積によって照明される投影面9上の面積は、投影装置100から遠くなるほど広くなるからである。
なお、投影範囲81が台形の形状となるのは、図3に示される出射面22の形状が矩形の形状であるときである。また、従来、投影範囲81は、−Z軸方向側が明るく、+Z軸方向側が暗くなる。つまり、投影範囲81では、照度ムラが発生する。そのため、画像61にも同様に、照度ムラが発生する。投影装置100は、例えば、この照度ムラを抑制する。
図7は、投影装置100から投影される光の光路を示す説明図である。図7は、車両500の前方(+Z軸方向)に対して右側(−X軸方向側)から+X軸方向に見た図である。
上述したように、投影装置100から傾斜した投影面91に画像61を表示する場合には、投影装置100は、例えば、+Rx方向に回転した状態で配置される。Rxは、X軸まわりの回転を示す。+Rxは、−X軸方向側から見て時計回りである。−Rxは、−X軸方向側から見て反時計回りである。このとき、投影装置100の光軸Cも同様に、+Rx方向に回転する。
図7において、光R41pは、図1の光R41に対応している。光R42pは、図1の光R42に対応している。光R43pは、図1の光R43に対応している。
また、図7において、点61aは、図1の点6aに対応している。点61bは、図1の点6bに対応している。点61cは、図1の点6cに対応している。点61bは、点61a,61cよりも投影装置100から遠くに位置する。点61cは、点61aよりも投影装置100から遠くに位置する。つまり、点61bは、投影装置100から最も遠くに位置する。点61aは、投影装置100から最も近くに位置する。
このとき、光R41p、光R42p及び光R43pは、それぞれ光路長が異なる。つまり、光R41p、光R42p及び光R43pにおいて、それぞれ投写距離が異なる。「投写距離」とは、映像を投影するために必要な距離である。ここでは、画像形成部3に形成された画像7を投影して、投影面91上に画像61を表示するために必要な距離である。
光R42pは、光R41p,R43pよりも投影装置100から遠くに投射される。光R43pは、光R41pよりも投影装置100から遠くに投射される。つまり、光R42pは、投影装置100から最も遠くに投射される。光R41pは、投影装置100から最も近くに投射される。
光R42pは、光R41p,R43pよりも投写距離が長い。光R43pは、光R41pよりも投写距離が長い。つまり、光R42pは、最も投写距離が長い。光R41pは、最も投写距離が短い。
画像7が投影される投影面91に対して、出射面22上の側面23a側の領域から出射された光における投写距離は、前記出射面22上の側面23b側の領域から出射された光における投写距離よりも短い。
つまり、例えば、投影範囲81で均一な照度を得るためには、光R41pの光量を少なくし、光R42pの光量を多くする必要がある。つまり、光R42pの光量を、光R41pの光量よりも多くする必要がある。
上述したように、実施の形態1における投影装置100では、光R41pの光量が少なく、光R42pの光量が多くなる。つまり、投影範囲81では、均一な照度が得られる。より厳密に言えば、照度ムラ又は照度勾配が低減された照度分布が得られる。これによって、投影範囲81内に投影される画像の視認性を向上させることができる。
なお、投影される画像によっては、視認性の向上又は情報の理解の向上のために、投影範囲81内で照度勾配を持たせることもできる。これは、例えば、画像の内の強調したい部分の照度を高くし、他の部分の照度を低くする場合などに使用される。また、投影範囲81内の一部の領域の照度を変化させることもできる。導光素子2は、反射領域231,232,233を備えることで、投影範囲81内での照度の設定を容易にすることができる。すなわち、導光素子2は、反射領域231,232,233を備えることで、照度分布の設定を容易にすることができる。
図8は、導光素子240を保持するための保持部25(25a〜25e)を示す構成図である。導光素子240は、一例として、段差24を備える導光素子210に保持部25を設けている。図8は、導光素子240を−X軸方向側の位置から見た図である。ただし、保持部25(25b〜25e)は、図3に示される段差を持たない導光素子2にも適用可能である。
導光素子240は、保持部25を用いてホルダーなどに保持される。ホルダーは、例えば、投影装置100の本体構造の一部である。ホルダーは、導光素子240を保持する。
保持部25は、例えば、導光素子240に設けられたリブなどである。リブは、例えば、補強材である。リブは、例えば、突起部である。例えば、リブに設けられた穴にねじを通して、導光素子240は、ねじによってホルダーなどに固定される。また、ねじを用いることなく、リブにフックなどを設けて、導光素子240はフックによってホルダーなどに固定される。
保持部25は、側面23の内の光が反射しない領域に設けられることが望ましい。或いは、保持部25は、側面23の内の反射する光の光量の少ない領域に設けられることが望ましい。
保持部25aは、側面23b上の反射領域233と段差24との間に形成されている。或いは、保持部25aは、反射領域233の段差24側の端部に形成されている。段差24の出射面22r側には、光が届きにくい領域が形成されている。このような構造を採用することによって、光利用効率の低下を防ぐことができる。
保持部25b,25cは、側面23a,23b上の入射面21r側の端部に設けられている。保持部25bは、側面23a上の入射面21r側の端部に設けられている。保持部25cは、側面23b上の入射面21r側の端部に設けられている。入射面21rから入射する光は発散角を有しているため、側面23a,23b上の入射面21r側の端部には、光が届きにくい領域が形成されている。このような構造を採用することによって、光利用効率の低下を防ぐことができる。
保持部25d,25eは、側面23a,23b上の出射面22r側の端部に設けられている。保持部25dは、側面23a上の出射面22r側の端部に設けられている。保持部25eは、側面23b上の出射面22r側の端部に設けられている。通常、画像形成部3の画像形成範囲は、導光素子240の出射面22rよりも小さい。そのため、側面23a,23b上の出射面22r側の端部に到達した光は、画像形成部3の画像形成範囲に入射しない。このような構造を採用することによって、光利用効率の低下を防ぐことができる。
保持部25b,25c,25d,25eは、側面23aの入射面21r側の端部、側面23aの出射面側22rの端部、側面23bの入射面21r側の端部、及び側面23bの出射面22r側の端部のいずれか1箇所以上に形成されている。
図8において、保持部25(25a〜25e)は、側面23a,23b上に設けられている。しかし、保持部25は、側面23c,23d上に設けられてもよい。また、図4において、段差24は側面23b上に設けられている。しかし、段差24は、側面23a,23c,23d上に設けられてもよい。
保持部25b,25c,25d,25eは、側面23の入射面21r側の端部および側面23の出射面側22rの端部のいずれか1箇所以上に形成されている。
なお、上述の各実施の形態においては、「平行」又は「垂直」などの部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す用語を用いている場合がある。これらは、製造上の公差や組立て上のばらつきなどを考慮した範囲を含むことを表している。このため、請求の範囲に部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す記載をした場合には、製造上の公差又は組立て上のばらつき等を考慮した範囲を含むことを示している。
なお、以上のように、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限るものではない。