JP6889243B2

JP6889243B2 - 屋外用画像照射装置およびこれを備える移動体

Info

Publication number: JP6889243B2
Application number: JP2019503013A
Authority: JP
Inventors: 善則久保
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: CN110337606A; KR102299064B1; EP3591455A1; WO2018159598A1; JPWO2018159598A1; US20200012100A1; EP3591455A4; KR20190107716A; EP3591455B1; CN110337606B

Description

本開示は、車載用ヘッドアップディスプレイ装置などの屋外用画像照射装置およびこれを備える移動体に関する。

液晶パネルなどに表示した画像情報をフロントガラスなどに照射し、反射した画像情報を搭乗者に視認させる、屋外用画像照射装置が提案されている。このような屋外用画像照射装置は、ヘッドアップディスプレイ装置（以下、単にＨＵＤ装置とも記載する）とも呼ばれる。

特開２０１０−１１３１９７号公報特開２０１２−１０３３３１号公報

本開示の屋外用画像照射装置は、画像光を出射する画像光出射デバイスと、偏光子と、波長板とを備え、画像光出射デバイスからの光路上において順に、偏光子、波長板が位置しており、前記波長板がサファイアからなる。また、本開示の移動体は、前述の屋外用画像照射装置を備える。

第１の実施形態に係る屋外用画像照射装置の概略図である。第２の実施形態に係る屋外用画像照射装置の概略図である。第３の実施形態に係る屋外用画像照射装置の概略図である。第４の実施形態に係る屋外用画像照射装置の概略図である。サファイアの結晶構造を示す図である。

本開示の屋外用画像照射装置について、移動体用画像照射装置である車載用のＨＵＤ装置を例として、図を参照しながら説明する。図１は、第１の実施形態に係るＨＵＤ装置１の概略図である。ＨＵＤ装置１は、画像光出射デバイスＡと、偏光子４と、サファイアからなる波長板５とを備える。画像光出射デバイスＡは、光源２と、画像形成部３とを備える。偏光子４は、画像形成部３からの画像光を偏光するものである。また、図１においては、鏡６と、出射窓７とを有する例を示しており、光源２からの出射光を含む画像光の出射光路Ｌを図中において一転鎖線の矢印で示している。

ＨＵＤ装置は、ダッシュボードに埋め込む形で搭載されるのが一般的である。太陽光がＨＵＤ装置に入射して、光路上に配置された鏡やレンズによって集光されて波長板に達して、紫外線を浴びたり、集光された太陽光により波長板が高温となったりした場合、波長板の機能が低下し、視認性を維持できなくなるおそれがある。

第１の実施形態に係るＨＵＤ装置１は、出射光路Ｌにおいて、画像光出射デバイスＡ、偏光子４、波長板５の順に位置している。このような構成を満たすＨＵＤ装置１は、画像光出射デバイスＡからの光が偏光子４で偏光され、偏光された光の偏光方向が波長板５によって垂直方向の偏光成分が多くなるように調整されるため、偏光サングラスによる視認性の低下が少ない。そして、第１の実施形態に係るＨＵＤ装置１においては、波長板５が、紫外線に対して劣化せず、耐熱性に優れたサファイアからなることから、太陽光による波長板５の機能低下が少ないため、長期間にわたって使用することができる。

本開示のＨＵＤ装置１における波長板５がサファイアからなるのに対し、波長板が樹脂製である場合には、紫外線や熱などにより、波長板が劣化するおそれがあるまた、本開示のＨＵＤ装置１における波長板５は、樹脂よりも熱に強い水晶と比べても、熱伝導率が高く強度も高いため、波長板５の温度上昇を、抑制をすることができる。そのため、温度上昇による熱膨張や熱応力に起因する偏光方向のずれなどの波長板５の機能低下も生じにくく、熱応力に起因する波長板５の破損も生じにくい。

波長板５とは、直交する偏光成分の間に位相差を生じさせる機能を有する複屈折素子のことであり、位相板とも呼ばれる。本実施形態における波長板５の機能は、偏光子４から出射された画像光を、搭乗者が偏光サングラスをかけている場合の視認性が向上するように偏光方向を変えることにある。通常、偏光サングラスは水平方向の偏光成分を遮断し、垂直方向の偏光成分を透過させるように設計されているので、例えば、水平方向の偏光成分を多く含む光を垂直方向の偏光成分を多く含む光に変換する。

そして、波長板５としては、１／２波長板を用いてもよい。１／２波長板とは、位相差π（１８０°）を生じるものであり、直線偏光の偏光方向を変えるために用いるものである。波長板５として１／２波長板を用いたときには、水平方向の偏光成分を偏光サングラスの透過率が高い垂直方向の偏光成分に変えることができるため、画像情報の視認性が高くなる。なお、１／２波長板は、偏光方向と後述する高速軸とのなす角を変えることで偏光方向を任意に変えることができるため、水平方向の偏光成分だけでなく、例えば、斜め方向の偏光成分を垂直方向の偏光成分に変えることもできる。偏光子４を透過した光の偏光成分が水平方向から垂直方向の間にある場合には、波長板５による偏光方向の変換角度を９０°未満とすることで、斜め方向の偏光成分を垂直方向の偏光成分に変えることができるため、画像情報の視認性が高くなる。

また、波長板５として、１／４波長板を用いてもよい。１／４波長板とは、位相差π／２（９０°）を生じるものであり、直線偏光を円偏光または楕円偏光に変換するために用いられている。波長板５として、１／４波長板を用いたときには、偏光サングラスを用いた場合の視認性が向上するとともに、角度の依存性を抑制しつつ、垂直方向の偏光成分を増加させることができる。そのため、画像情報と搭乗者の目との相対角度が変わった場合でも、視認性の変化を抑制することができる。

いずれの波長板５も、波長板５を透過後の画像光は、波長板５を透過前の画像光に比べて垂直方向の偏光成分が増加する、または偏光方向がより垂直に近くなるように配置され、これにより偏光サングラスをかけていても良好な視認性を維持することができる。

そして、波長板５として用いられるサファイアとは、酸化アルミニウムの単結晶のことである。サファイアは、上述の通り耐熱性に優れていることに加え、熱伝導性および放熱性に優れており温度上昇を抑制できる点においても優れている。例えば、水晶の熱伝導率が、６．２〜１０．４Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、サファイアは、４２Ｗ／ｍ・Ｋの優れた熱伝導率を有する。

図５は、サファイアの結晶構造を示す図である。図５（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ示すように、サファイアは代表的な結晶面として、ｃ面、ｍ面、ａ面、ｒ面等の結晶面を有する。

波長板５として用いるサファイアは複屈折性を有する（屈折率に異方性がある）材料である。複屈折性を有する材料において、屈折率が小さい軸を高速軸、大きい軸を低速軸と記載する。例えば、波長５８９ｎｍの光に対し、サファイアの屈折率は、ｃ軸方向が１．７６８であり、ｃ軸と垂直な方向が１．７６０であるため、この場合、ｃ軸方向が低速軸であり、ｃ軸と垂直な方向が高速軸である。

サファイアからなる波長板５は、主面がｍ面、またはａ面であってもよい。主面がｍ面である場合には、ａ軸が高速軸、ｃ軸が低速軸となる。また、主面がａ面である場合には、ｍ軸が高速軸、ｃ軸が低速軸となる。このような構成とすると波長板５の主面に入射する画像光の光軸は、光学軸（ｃ軸）に垂直となる。このような構成とすると偏光方向の違いによる進行方向のずれが起こらないので、画像のにじみを抑制できる。

また、サファイアは、機械的強度にも異方性がある。サファイアの抗折強度は、ａ面のｃ軸方向で最大となるため、波長板５が長軸（長辺）方向と短軸（短辺）方向を有する、例えば矩形板状などの形状の場合、波長板５の主面をａ面とし、長軸方向をｃ軸方向とするとよい。

また、主面をｍ面とすると、面方向の抗折強度の異方性が小さいため、例えば円板状の波長板５の主面をｍ面とするとよい。

波長板５は、その構成によって、トゥルーゼロオーダー、マルチオーダー、コンパウンドゼロオーダーの３種類に大別される。

トゥルーゼロオーダーの波長板５は、波長シフトや温度変化、あるいは斜入射に対して得られる位相差ずれが生じにくいという利点があり、板厚を薄くできるため、ＨＵＤ装置１の小型化が可能となる。

ｍ面またはａ面を主面とするサファイアを用いて波長５８９ｎｍに対するトゥルーゼロオーダーの１／４波長板５を得るためには、位相差を１４７．２５ｎｍとする必要があるため、板厚を１８．４μｍとすればよい。また、同様に波長５８９ｎｍに対するトゥルーゼロオーダーの１／２波長板５を得るためには、位相差を２９４．５ｎｍとする必要があり、板厚を３６．８μｍとすればよい。

マルチオーダーの波長板５は、板厚を所望に応じて変化させることができるため、実用上問題ない強度の波長板を得ることができる。

ｍ面またはａ面を主面とするサファイアを用いて波長５８９ｎｍに対するマルチオーダーの１／４波長板５では、１．２５、２．２５、３．２５波長分の位相差を生じさせるために、板厚を９２．０μｍ、１６５．７μｍ、２３９．３μｍとすればよい。波長をλ（ｍ）、低速軸と高速軸の屈折率差をΔＮ、ｎを整数とすると、マルチオーダーの１／４波長板５の板厚ｄ（ｍ）は、λ×（ｎ＋１／４）／ΔＮである。同様に、１／２波長板５では、１．５、２．５、３．５波長分の位相差を生じさせるために、板厚を１１０．４μｍ、１８４．１μｍ、２５７．７μｍとすればよい。波長をλ（ｍ）、低速軸と高速軸の屈折率差をΔＮ、ｎを整数とすると、マルチオーダーの１／２波長板５の板厚ｄ（ｍ）は、λ×（ｎ＋１／２）／ΔＮである。

コンパウンドゼロオーダーの波長板５は、マルチオーダーで製造された２枚のサファイアの光軸を互いに直交するように配置して構成される。このような構成であることにより、それぞれのサファイアで生じる位相差シフト量が互いにより相殺され、得られる位相差に対する波長依存性や温度依存性が少なくなる。また、ｍ面またはａ面を主面とするサファイアは、抗折強度に異方性を有するが、コンパウンドゼロオーダーの波長板５は２枚のサファイアを使用して作製するので、抗折強度の異方性の小さい波長板５とすることができる。

なお、コンパウンドゼロオーダーの波長板５は、組み合わせる２枚のサファイアの厚みの差をトゥルーゼロオーダーやマルチオーダーの波長板５と同じにすればよい。

サファイアからなる波長板５の厚みが０．１ｍｍ以上であれば、波長板５として充分な機械的強度と放熱性を有することができる。さらに、厚みが０．５ｍｍ以下であれば位相ずれが小さいのでよい。

次に、第２の実施形態を示す図２には、図１に示す構造と比較して、波長板５と鏡６との間に拡光部材８を備えている例を示している。図２に示すように、波長板５と鏡６との間に拡光部材８を備えているときには、拡光部材８により画像光を拡大することができる。また、同じ大きさの画像とするためであれば、各部材が小さくて済むため、ＨＵＤ装置１の小型化を図ることができる。

この拡光部材８は、太陽光について見ると、太陽光を集光する機能を有するものであるが、本実施形態のＨＵＤ装置１は、波長板５がサファイアからなるため、波長板５の機能低下が小さい。拡光部材８としては、例えば、凸レンズを用いることができる。

次に、第３の実施形態を示す図３には、図１における鏡６に凹面鏡１０を備えている例を示している。このように、凹面鏡１０を備えるときには、凹面鏡１０が、鏡６と拡光部材８の両方の機能を有しているため、部材点数を少なくすることができる。

また、搭乗者が偏光サングラスを着けていない場合に対応するために、光軸上から光軸外へ波長板５を移動させるための移動機構（図示せず）を備えていてもよい。移動機構はモーターなどを駆動部とするとよい。

ＨＵＤ装置１においては、波長板５だけでなく、偏光子４も、画像光出射デバイスＡからの出射光および外光によって加熱される。偏光子４の冷却の観点から、波長板５を偏光子４に当接させてもよい。このような構成を満たすときには、偏光子４を冷却することができる。サファイアからなる波長板５は、外部から侵入した太陽光の一部を遮断することもできるので、外光による偏光子４の損傷を抑制することができる。

図１の例のように、偏光子４と波長板５とが当接している場合、両者間の熱の伝達は固体間の熱伝導によって行われるため、偏光子４を冷却する効果が高くなる。波長板５の表面に偏光子４が直接、形成されていてもよく、あるいは接着層を介して両者が接着されていてもよい。

また、図１において、波長板５と偏光子４とが同じ大きさである例を示しているが、波長板５が偏光子４より大きくてもよい。このような構成を満たすときには、波長板５の表面積が増加するため、放熱性が向上する。

また、波長板５を偏光子４に近接させて配置してもよい。波長板５が、偏光子４を冷却できる範囲で近接していれば、偏光子４と波長板５とが離間していてもよく、その場合、両者間の熱の伝達は、両者の間にある気体を介して行われる。偏光子４と波長板５とを離して配置する場合には、両者の距離は０．１ｍｍ〜５０ｍｍがよい。

ＨＵＤ装置１は、波長板５が気流により冷却されるように設計してもよい。気流による冷却は、波長板５を空冷するためにファンなどの送風体を用いればよい。また、車両などの移動体の移動に伴って生じる気流を利用してもよい。また、冷却効果を向上させるため、波長板５に冷却フィンを接続してもよい。冷却フィンは、波長板５の光が照射される範囲以外の部分の少なくとも一部に、形成されていればよい。

ＨＵＤ装置１は、第４の実施形態を示す図４のように、画像形成部３と、波長板５との間に配置された偏光子４に加えて、光源２と画像形成部３との間に配置された入射側偏光子９を有していてもよい。

また、波長板５の２００〜４００ｎｍの波長領域における透過率の平均値が、４００〜８００ｎｍの波長領域における透過率の平均値よりも小さくてもよい。波長板５がこのような構成を満たすときには、いわゆる紫外光領域の光を減衰させ、偏光子４の変質にともなう偏光子４の損傷を抑制することができる。

また、波長板５は、２０５〜２６０ｎｍの波長領域に吸収帯を有していてもよい。サファイアの結晶育成時または、育成後の熱処理時の雰囲気を還元製雰囲気に制御して、酸素空孔に起因する欠陥をサファイアに導入することで、紫外光領域に吸収帯を持ち、紫外光を減少させられるサファイアを製造することができる。酸素空孔に起因する欠陥を有するサファイアは、Ｆセンター、Ｆセンター＋と呼ばれる欠陥を有している。Ｆセンターは２０５ｎｍ、Ｆ＋センターは、２１０ｎｍ、２３０ｎｍｍ、２６０ｎｍに吸収帯を持っている。このような２０５ｎｍ〜２６０ｎｍの波長領域に吸収帯を有するサファイアを波長板５として用いると紫外光を減衰させることができ、偏光子４の変質にともなう偏光子４の損傷を抑制することができる。

以上、説明したＨＵＤ装置１を搭載した移動体は、偏光サングラスを装着した搭乗者であっても、画像情報の視認性を維持することができ、太陽光に曝される状況にあっても画像情報が視認できなくなることを抑制できる。移動体とは、例えば、車両であり、船舶や飛行機なども含むものである。なお、太陽光とは、太陽光そのものでなくとも、車両の窓を通過した太陽光なども含まれる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよい。例えば、屋外用画像照射装置は、ゴーグル、ヘルメットなどに搭載してもよく、建築物などに画像情報を投影するように設置してもよい。また、表示部は窓に限定されず、鏡などであってもよい。また、移動体が車両などの場合であって、人から見て窓の向こう側または手前側に虚像を認識させる形態であってもよい。

１：屋外用画像照射装置（ＨＵＤ装置）
２：光源
３：画像形成部
Ａ：画像光出射デバイス
４：偏光子
５：波長板
６：鏡
７：出射窓
８：拡光部材
９：入射側偏光子
１０：凹面鏡

Claims

画像光を出射する画像光出射デバイスと、偏光子と、波長板とを備え、
前記画像光出射デバイスからの光路上において順に、前記偏光子、前記波長板が位置しており、前記波長板がサファイアからなり、波長板の主面をｍ面とした、円形状である屋外用画像照射装置。
前記波長板が、ｍ面を主面とする２枚の前記サファイアを配置した、抗折強度の異方性の小さいコンパウンドゼロオーダーの波長板である請求項１に記載の屋外用画像照射装置。
前記波長板が、１／２波長板である請求項１または２に記載の屋外用画像照射装置。
前記波長板が、１／４波長板である請求項１または２に記載の屋外用画像照射装置。
前記偏光子が前記波長板に当接して位置している請求項１乃至４のいずれかに記載の屋外用画像照射装置。
前記波長板の厚みが、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である請求項１乃至５のいずれかに記載の屋外用画像照射装置。
前記波長板の２００〜４００ｎｍの波長領域における透過率の平均値が、４００〜８００ｎｍの波長領域における透過率の平均値よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の屋外用画像照射装置。
前記波長板は、２０５〜２６０ｎｍの波長領域に吸収帯を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の屋外用画像照射装置。
前記波長板を前記光路上の位置と前記光路外の位置との間で移動させる移動機構を備えた請求項１乃至８のいずれかに記載の屋外用画像照射装置。
請求項１乃至９のいずれかに記載の屋外用画像照射装置を備えることを特徴とする移動体。