JP6951687B2 - 画像投写装置及び移動体 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、中間像が描写される平面スクリーン(光透過部材)を、第1保持部(下流側保持部材)と、第2保持部(上流側保持部材)とによって挟んで保持する構成が記載されている。
画像投写装置としてのヘッドアップディスプレイ(HUD)装置は、一例として、車両、航空機、船舶等の移動体に搭載される。そして、移動体のフロントガラス(フロントウインドシールド)を介して移動体の操縦に必要なナビゲーション情報(例えば速度、走行距離等の情報)等を視認可能にする。この場合、フロントガラスは、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材としても機能する。以下では、ヘッドアップディスプレイ装置が、フロントガラスを備え、移動手段としてエンジンやモータ等の駆動源の駆動を駆動輪に伝達する構成を備えた移動体である自動車に搭載される例をについて説明する。
図2及び図3に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置200は、例えば、自動車301のウインドシールド(フロントガラス302等)の付近のダッシュボード410内等に設置される。
イメージャ220で生成された表示光(投写光)Lが、凹面ミラー40を介して筐体の外部に照射され、フロントガラス302に入射し、フロントガラス302で反射されて使用者である観察者(運転者300)に向かう。これにより、運転者300は、ヘッドアップディスプレイ装置200によって投写された画像等を虚像Iとして視認することができる。
光源ユニット10は、詳細は後述する光源部11を備えており、光源部11では、R,G,Bの三色のレーザー光が合成される。合成されたレーザー光は、光偏向器13の反射面14に向かって導かれ、光偏向器13にて偏向される。
ヘッドアップディスプレイ装置200の制御系は、主に、FPGA251、CPU252、ROM253、RAM254、I/F255、バスライン256、LDドライバ257、MEMSコントローラー258を備えている。
FPGA(Field−Programmable Gate Array)251は、LDドライバ257により、光源ユニット10のレーザー光源(111R,111G,111B)を動作制御する。さらに、FPGA251は、MEMSコントローラー258により、後述する光走査装置1のMEMS(光偏向器13)を動作制御する。
CPU(Central Processing Unit)252は、ヘッドアップディスプレイ装置200の各機能を制御する。
RAM(Random Access Memory)254はCPU252のワークエリアとして使用される。
I/F(interface)255は、外部コントローラー等と通信するためのインターフェイスであり、例えば、自動車301のCAN(Controller Area Network)を介して、車両ナビゲーション装置、各種センサ等に接続される。
ヘッドアップディスプレイ装置200は、車両情報入力部800、外部情報入力部802、画像情報生成部804及び画像生成部806(図3中のイメージャ220)を備える。
光源部11は、単数あるいは複数の発光点を有する三つの光源素子111(111R,111B,111G)が備えられている。光源素子111はLD(半導体レーザー素子)であり、互いに異なる波長(λR,λG,λB)の光束(レーザー光)を放射する。レーザー光の波長としては、例えば、λR=640[nm],λG=530[nm],λB=445[nm]を挙げることができる。
図7は、光偏向器13の一例として、MEMSミラーからなる光偏向器13を示す正面図である。
本実施形態の光偏向器13は、半導体プロセスにて製造されるMEMSミラーであり、反射面14を備えている。光偏向器13は、複数の折り返し部を有して蛇行して形成された一対の蛇行状梁部152を有する。蛇行状梁部152は、一つおきに第一梁部152aと第二梁部152bとに分けられており、この蛇行状梁部152は、枠部材154に支持されている。
図8及び図9では、中間スクリーン70での表示光Lの伝播方向に平行な方向をZ軸方向とし、主走査方向をX軸方向、副走査方向をY軸方向としている。
以上を考慮し、スペックルを低減するため、マイクロレンズ700の配置周期700dは入射光束702の径(Ld)よりも大きく設計される。
図8及び図9に示す例では、中間スクリーン70のマイクロレンズ700として凸面レンズの形態で示しているが、凹面レンズとしてもよい。
図10は、本実施形態の光走査装置1の一例を示す概略図である。
図1は、中間スクリーン70と、中間スクリーン70を保持する二つの保持部材(71,72)とからなる中間スクリーンユニット7の分解斜視図である。図11は、中間スクリーンユニット7を組み立てた状態での上下方向中央部付近における水平断面図である。図11中の「SL」は、表示光Lとは逆向きに伝播し、中間スクリーン70に入射した太陽光を示している。
中間スクリーン70としては、保持される前には、曲率を持たない平板とし、後述する窓枠部材71と裏面押圧部材72とによって挟まれ、保持されることによって所定の曲率で湾曲され、円筒面状となる構成としていもよい。
中間スクリーンユニット7を組み立てる手順としては、中間スクリーン70を裏面押圧部材72に組み付け、中間スクリーン70を保持した状態の裏面押圧部材72を窓枠部材71に嵌め込んでも良い。
弾性部材76には、比較的熱伝導率が高く、柔軟性を兼ね備えたシリコーン系ゴム等を用いており、窓枠部材71の内側に裏面押圧部材72を嵌め込み、係合穴80に係合突起部77を係合して保持する。
窓枠部材71と裏面押圧部材72とに保持された中間スクリーン70は、X軸方向及びY軸方向については、窓枠部材71の内壁面との間に十分な隙間を持ち、中間スクリーン70が膨張した際には、この隙間が狭まり、膨張を阻害しない。また、光軸方向(Z軸方向)は、弾性部材76が中間スクリーン70を押圧することで位置決めがされるが、中間スクリーン70が膨張した際には、膨張した形状に沿って弾性部材76が変形する。このように、中間スクリーン70が所望の形状を維持したまま膨張することを阻害しない構成となっている。
窓枠部材71及び裏面押圧部材72に対して、中間スクリーン70は、X軸方向及びY軸方向には比較的大きな隙間が形成されるが、中間スクリーン70の厚み方向には隙間がほとんどないため、中間スクリーン70の移動を防止できる。また、環境変動に起因する中間スクリーン70の膨張(伸び)に対しては余裕があるので、膨張時の変形やうねりなどの不具合を防止できる。
イメージャ220は、光源ユニット10、光偏向器13及び走査ミラー20を、中間スクリーン70を出射窓とした筐体構造内に収容しており、窓枠部材71は、イメージャ220の筐体構造の一部を構成する。裏面押圧部材72は窓枠部材71の内部に位置する。
本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置200は、レーザー走査による表示光Lをフロントガラス302越しに投影して虚像Iを表示する車載用ヘッドアップディスプレイ装置である。
温度が上昇した保持部材の熱が、透過型スクリーンに伝播することよって、スクリーンの変形や変色、スクリーンのコーティング膜の破壊といった熱に起因する損傷を引き起こすおそれがある。
特開2017−83699号公報には、画像に対応する表示光を発する表示部材について、表示面に沿う方向の熱抵抗を所定以下とする構成が記載されている。特開2013−174855号公報には、表示光を発する液晶表示素子と、ケース体の前面開口部を塞ぐように配備されたホットミラーとを有する構成が記載されている。そして、この構成において、ホットミラーに太陽光(外光)が照射され高温状態となることによって液晶表示素子との間に形成される密閉空間にこもった(滞留した)熱を、外部へと放出するための熱放出部を形成した構成が記載されている。特開2014−85657号公報には、表示素子を収納するケース体が、表示器を固定する放熱部材に対して離間するように支持した構成が記載されている。
本発明者らは、鋭意検討の結果、光透過部材に入射した外光によって、光透過部材に対して投写光(表示光L)の伝播方向上流側の上流側保持部材が加熱され、この熱によって光透過部材の温度が上昇し、熱によって損傷するおそれがあることを見出した。
このような中間スクリーンユニット7における中間スクリーン70と裏面押圧部材72との間の熱抵抗を「R1」とし、中間スクリーン70と窓枠部材71との間の熱抵抗を「R2」とし、裏面押圧部材72と窓枠部材71との間の熱抵抗を「R3」とする。
そして、この「R1」、「R2」及び「R3」の熱抵抗について、以下の(1)式、または、(2)式の少なくとも何れか一方を満たすように設定することで、中間スクリーン70に熱が滞留することを防止し、中間スクリーン70に熱がこもることを防止する。
「R1」>「R2」 ・・・・・・(1)
「R1」>「R3」 ・・・・・・(2)
一方、中間スクリーン70と窓枠部材71とは、弾性部材76を介して間接的に接触するため、弾性部材76が中間スクリーン70及び窓枠部材71のそれぞれと、なるべく広い面積で接触するようにすれば熱抵抗「R2」を下げることができる。熱抵抗「R2」を下げるためには、弾性部材76として、熱伝導率の高い材料を選定する、あるいは、接触面積を大きくして、中間スクリーン70から弾性部材76を介して窓枠部材71へと放熱される熱量を増やせばよい。
窓枠部材71の材料として熱伝導率の高い材料を用いることにより、太陽光SLの照射によって裏面押圧部材72が加熱され、中間スクリーン70への熱伝達があっても、中間スクリーン70から窓枠部材71への熱伝達を促すことができる。これにより、中間スクリーン70に熱が滞留して、温度上昇することを抑制できる。
上記(1)式を満たすことで、裏面押圧部材72から中間スクリーン70に伝達する熱量に対して、中間スクリーン70から窓枠部材71に放熱する熱量が大きくするようにできる。これにより、中間スクリーン70に熱が滞留して温度が上昇することを防止でき、中間スクリーン70が熱によって損傷することを防止できる。
このようなヘッドアップディスプレイ装置200を備える移動体である自動車301は、太陽光が入射しても中間スクリーン70の損傷を抑制でき、安定した表示画像品質を得ることができる。
しかし、中間スクリーン70自体が熱伝導性の低い材質(樹脂製)であるため、裏面押圧部材72の突起が接触した領域のみが局所的に温度上昇し、温度分布が不均一となることで、熱膨張による変形量が不均一となるおそれがある。熱膨張による変形量が不均一となると中間スクリーン70が歪み、所望の形状を維持できなくなるおそれがある。
従って、弾性部材76が裏面押圧部材72よりも伝熱性(熱伝導率)の低い材料であっても、その熱伝導率の比よりも接触面積の比が大きくなるように、裏面押圧部材72の中間スクリーン70との接触面となる突起部74の先端面の寸法を設定すればよい。言い換えれば、弾性部材76にウレタンフォーム等の伝熱性の低い材料を用いたとしても、接触面積を小さくすれば、上記(1)式(「R1」>「R2」)の関係を満たす構成とできる。
突起部74の先端面の寸法は、本実施形態では長手方向を「3〜4[mm]」、短手方向を「0.8[mm]以下」として、短手方向に対して長手方向が十分に長く、中間スクリーン70に対して線状に接触する構成としているが、この限りではなく、熱伝導率の比に応じて寸法や箇所数を設計できる。
図12は、本実施形態にかかる中間スクリーンユニット7の変形例の説明図であり、図11と同様に、中間スクリーンユニット7を組み立てた状態での上下方向中央部付近における水平断面図である。
図12に示す変形例の中間スクリーンユニット7は、弾性部材76の代わりに熱伝導シート78を備える点、及び、裏面押圧部材72と窓枠部材71との間に熱伝導ペースト79を備える点で図11に示す実施形態の中間スクリーンユニット7と相違する。相違点以外は、共通する構成であるため、相違点についてのみ説明する。
上述した実施形態及び変形例の中間スクリーンユニット7は、窓枠部材71に対して、中間スクリーン70及び裏面押圧部材72を嵌め込んでいるため、他の部材よりも窓枠部材71が外部に露出した構成である。このため、各部材の熱を窓枠部材71に伝達し、窓枠部材71から周囲に放熱することで、中間スクリーンユニット7を構成する各部材の温度上昇を抑制することができる。
また、光透過部材である中間スクリーン70を予め定められた曲率に湾曲させて保持する構成であるが、光透過部材は、湾曲させるものに限らず、平板の状態で保持する構成であってもよい。
フロントガラス302等の画像投写面に向けて伝播する表示光L等の投写光が透過する中間スクリーン70等の光透過部材と、投写光の伝播方向の上流側と下流側とから光透過部材を挟んで保持する裏面押圧部材72等の上流側保持部材と、窓枠部材71等の下流側保持部材とを備えるヘッドアップディスプレイ装置200等の画像投写装置において、光透過部材と上流側保持部材との間の熱抵抗(「R1」等)よりも、光透過部材と下流側保持部材との間の熱抵抗(「R2」等)を小さくしたことを特徴とする。
これによれば、上記実施形態について説明したように、透過部材に太陽光SL等の外光が入射することに起因して、光透過部材の温度が上昇して、光透過部材が損傷することを抑制できる。これは以下の理由による。
すなわち、本発明者らは、鋭意検討の結果、光透過部材に入射した外光が、投写光の伝播方向上流側に位置する上流側保持部材に当たって上流側保持部材を加熱し、この熱によって光透過部材の温度が上昇し、熱によって損傷するおそれがあることを見出した。
態様1では、外光によって上流側保持部材が加熱され、その熱が光透過部材に伝達しても、熱抵抗が低い下流側保持部材に向けて熱を放熱することができ、光透過部材に熱が滞留しない構成を実現できる。これにより、光透過部材の温度上昇を抑制でき、透過部材に外光が入射することに起因して、光透過部材の温度が上昇して、光透過部材が損傷することを抑制できる。
態様1において、光透過部材と下流側保持部材との接触面積を、光透過部材と上流側保持部材との接触面積よりも大きくしたことを特徴とする。
これによれば、上記実施形態について説明したように、上流側保持部材から光透過部材への熱伝達を最小限に留め、光透過部材から下流側保持部材への放熱を促すことができ、光透過部材の温度上昇を抑制できる。
態様1または2において、上流側保持部材と光透過部材との間の熱抵抗よりも、上流側保持部材と下流側保持部材との間の熱抵抗(「R3」等)を小さくしたことを特徴とする。
これによれば、上記変形例について説明したように、外光の照射により上流側保持部材の温度上昇があっても、上流側保持部材から下流側保持部材へと熱を効果的に放熱し、光透過部材に伝達する熱を抑制できる。このため、光透過部材の過剰な温度上昇を回避でき、透過部材に外光が入射することに起因して、光透過部材の温度が上昇し、光透過部材が損傷することを抑制できる。
フロントガラス302等の画像投写面に向けて伝播する表示光L等の投写光が透過する中間スクリーン70等の光透過部材と、投写光の伝播方向の上流側と下流側とから光透過部材を挟んで保持する裏面押圧部材72等の上流側保持部材と、窓枠部材71等の下流側保持部材とを備えるヘッドアップディスプレイ装置200等の画像投写装置において、上流側保持部材と光透過部材との間の熱抵抗(「R1」等)よりも、上流側保持部材と下流側保持部材との間の熱抵抗(「R3」等)を小さくしたことを特徴とする。
これによれば、上記変形例について説明したように、外光の照射により上流側保持部材の温度上昇があっても、上流側保持部材から下流側保持部材へと熱を効果的に放熱し、光透過部材に伝達する熱を抑制できる。このため、光透過部材の過剰な温度上昇を回避でき、透過部材に外光が入射することに起因して、光透過部材の温度が上昇し、光透過部材が損傷することを抑制できる。
態様1乃至4の何れかの態様において、上流側保持部材の熱伝導率よりも、下流側保持部材の熱伝導率の方が高いことを特徴とする。
これによれば、上記実施形態について説明したように、外光の照射によって上流側保持部材が加熱され、光透過部材への熱伝達があっても、光透過部材から下流側保持部材への熱伝達を促すことができる。これにより、光透過部材に熱が滞留して、温度上昇することを抑制できる。
態様5において、上流側保持部材は樹脂材料からなり、下流側保持部材はアルミニウム等の金属材料からなることを特徴とする。
これによれば、上記実施形態について説明したように、上流側保持部材よりも下流側保持部材の方が熱伝導率が高くなる構成を実現することができる。
態様1乃至6の何れかの態様において、投写光を照射する光源ユニット10等の光源と、投写光を二次元走査して光透過部材に照射する光偏向器13等の走査手段と、を備えることを特徴とする。
これによれば、上記実施形態について説明したように、投射方式として、「レーザー走査方式」を用いる構成となり、パネル方式よりも高コントラストの画像を形成することができる。また、走査手段によって走査された投写光を光透過部材に照射する構成では、光透過部材に対して投写光の伝播方向上流側に光が伝播する空間(スクリーン内側空間7a等)がある。このため、パネル方式に比べて、光が伝播する空間を形成する上流側保持部材に外光が照射され易く、この照射によって上流側保持部材の温度が上昇し、光透過部材も温度上昇し易い傾向がある。これに対して、態様1また態様4の構成を備える態様7は、透過部材に外光が入射することに起因して、光透過部材の温度が上昇し、光透過部材が損傷することを抑制できる。
態様1乃至7の何れかの態様において、上流側保持部材は、投写光が通過する開口部を形成する枠状で、光透過部材における画像投写面に投写する画像が表示される有効走査領域17等の画像表示部の周囲に当接して光透過部材を所望の形状に維持する部材であり、下流側保持部材は、光透過部材を透過した投写光が通過する開口窓75等の開口窓が形成された窓枠状の部材であることを特徴とする。
これによれば、上記実施形態について説明したように、上流側保持部材と下流側保持部材とによって光透過部材を挟んで保持する構成を実現することができる。
駆動源及び駆動輪等の移動手段と、フロントガラス302等の画像投写面に虚像I等の画像を投写する画像投写手段と、を備える自動車301等の移動体において、画像投写手段として、態様1乃至8の何れか一の態様に係るヘッドアップディスプレイ装置200等の画像投写装置を備えることを特徴とする。
これによれば、上記実施形態について説明したように、太陽光SL等の外光が画像投写手段に入射しても中間スクリーン70等の光透過部材の損傷を抑制でき、安定した表示画像品質を得ることができる。
2 制御部
7 中間スクリーンユニット
7a スクリーン内側空間
10 光源ユニット
11 光源部
13 光偏向器
14 反射面
15 被走査面
16 走査可能領域
17 有効走査領域
18 受光器
20 走査ミラー
40 凹面ミラー
70 中間スクリーン
71 窓枠部材
72 裏面押圧部材
72a 内壁面
73 仮想円筒面
74 突起部
74a 下部突起部
74b 上部突起部
74c 側部突起部
75 開口窓
76 弾性部材
77 係合突起部
78 熱伝導シート
79 熱伝導ペースト
80 係合穴
111 光源素子
112 カップリングレンズ
113 アパーチャ
115 光路合成素子
116 メニスカスレンズ
152 蛇行状梁部
152a 第一梁部
152b 第二梁部
154 枠部材
156 圧電部材
200 ヘッドアップディスプレイ装置
220 イメージャ
256 バスライン
257 ドライバ
258 コントローラー
300 運転者
301 自動車
302 フロントガラス
410 ダッシュボード
700 マイクロレンズ
700d 配置周期
701 光学板
702 入射光束
703 発散光束
704 領域
800 車両情報入力部
802 外部情報入力部
804 画像情報生成部
806 画像生成部
I 虚像
L 表示光
P1 副走査方向回転軸
P2 主走査方向回転軸
SL 太陽光
θ1 発散角
Claims (9)
- 画像投写面に向けて伝播する投写光が透過する光透過部材と、
前記投写光の伝播方向の上流側と下流側とから前記光透過部材を挟んで保持する上流側保持部材と、下流側保持部材とを備える画像投写装置において、
前記光透過部材と前記上流側保持部材との間の熱抵抗よりも、前記光透過部材と前記下流側保持部材との間の熱抵抗を小さくしたことを特徴とする画像投写装置。 - 請求項1の画像投写装置において、
前記光透過部材と前記下流側保持部材との接触面積を、前記光透過部材と前記上流側保持部材との接触面積よりも大きくしたことを特徴とする画像投写装置。 - 請求項1または2の画像投写装置において、
前記上流側保持部材と前記光透過部材との間の熱抵抗よりも、前記上流側保持部材と前記下流側保持部材との間の熱抵抗を小さくしたことを特徴とする画像投写装置。 - 画像投写面に向けて伝播する投写光が透過する光透過部材と、
前記投写光の伝播方向の上流側と下流側とから前記光透過部材を挟んで保持する上流側保持部材と、下流側保持部材とを備える画像投写装置において、
前記上流側保持部材と前記光透過部材との間の熱抵抗よりも、前記上流側保持部材と前記下流側保持部材との間の熱抵抗を小さくしたことを特徴とする画像投写装置。 - 請求項1乃至4の何れか一項に記載の画像投写装置において、
前記上流側保持部材の熱伝導率よりも、前記下流側保持部材の熱伝導率の方が高いことを特徴とする画像投写装置。 - 請求項5の画像投写装置において、
前記上流側保持部材は樹脂材料からなり、前記下流側保持部材は金属材料からなることを特徴とする画像投写装置。 - 請求項1乃至6の何れか一項に記載の画像投写装置において、
前記投写光を照射する光源と、
前記投写光を二次元走査して前記光透過部材に照射する走査手段と、を備えることを特徴とする画像投写装置。 - 請求項1乃至7の何れか一項に記載の画像投写装置において、
前記上流側保持部材は、前記投写光が通過する開口部を形成する枠状で、前記光透過部材における前記画像投写面に投写する画像が表示される画像表示部の周囲に当接して前記光透過部材を所望の形状に維持する部材であり、
前記下流側保持部材は、前記光透過部材を透過した前記投写光が通過する開口窓が形成された窓枠状の部材であることを特徴とする画像投写装置。 - 移動手段と、
前記画像投写面に画像を投写する画像投写手段と、を備える移動体において、
前記画像投写手段として、請求項1乃至8の何れか一項に記載の画像投写装置を備えることを特徴とする移動体。
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