JP7253717B2 - 投影装置及びヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Description

本開示は、車両に搭載された投影装置及びその投影装置を備えるヘッドアップディスプレイに関する。

近年、車両の搭乗者に車両に関する情報を含む画像を例えば虚像によって表示するヘッドアップディスプレイが開発されている。このようなヘッドアップディスプレイでは、表示する虚像の輝度ムラを低減することが課題となっている。

そこで、特許文献１は、複数の光源素子と、第１レンズと、第２レンズと、拡散部材と、空間変調素子とがこの順で配置され、第１レンズが各光源素子から出射される光が空間変調素子の入射面における同一の領域に到達するように各光源素子から出射される光の光路を変化させるヘッドアップディスプレイを開示する。

また、車両に搭載されるヘッドアップディスプレイは、他の車載部品との干渉を避けるためにコンパクト化が要求されている。そこで、特許文献２は、液晶表示素子の背面側に、液晶表示素子と所定角度で開角する反射板を対向配置するとともに、反射板と液晶表示素子との開角する開口部に光源を配置した車両用表示装置を開示する。

特開２０１６－１２６３１４号公報 特許第６０７８７９８号

ところで、車両に搭載されるヘッドアップディスプレイでは、虚像のサイズを拡大するニーズが高まっている。そのためには、空間変調素子のサイズを拡大することが必要である。また、これに伴って、空間変調素子及び光源間の光路長を確保しつつ空間変調素子及び光源間に設けられたレンズの厚みを増大させることも必要になる。これにより、空間変調素子の背面から光源までのバックライト部において、空間変調素子の法線方向に突き出る量が増大してしまい、ヘッドアップディスプレイの車両への搭載性が悪化してしまう。

特許文献１では、複数の光源と、第１レンズと、第２レンズと、拡散部材と、空間変調素子とがこの順で直列に配置されているため、空間変調素子のサイズを拡大した場合、空間変調素子の法線方向にバックライト部が突き出る量が増大してしまう。したがって、特許文献１のヘッドアップディスプレイは車両への搭載性が悪化する。

特許文献２では、液晶表示に対して所定角度で反射板が対向配置されているに過ぎず、輝度ムラを抑制することはできない。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、空間変調素子が出射する画像の輝度ムラを抑制しつつ、車両に対する搭載性を向上させることを目的とする。

本開示の一態様に係る投影装置は、車両に搭載される投影装置であって、第１方向に配置される複数の光源と、入射した光を画像情報に変調して出射する空間変調素子と、前記複数の光源のそれぞれから出射される光が前記空間変調素子の入射面の実質的に同一領域に到達するように各光源から出射される光の光路を変化させるレンズと、前記レンズから出射された光を前記空間変調素子に向けて偏向する第１反射光学部材とを備え、前記第１反射光学部材は、前記空間変調素子の前記入射面の任意の点に対して予め定められた基準入射角度で、前記レンズから出射される光が入射するように前記光を偏向させる形状を有する。

本構成によれば、第１反射光学部材はレンズから出射された光を偏向して空間変調素子に導く。これにより、本構成は、出射面の法線が空間変調素子の法線と交差するように複数の光源を配置できる。その結果、本構成は、空間変調素子のサイズを増大させた場合において、光源から空間変調素子までのバックライト部が空間変調素子の法線方向に突き出る量を抑制できる。その結果、本構成は、ヘッドアップディスプレイの車両への搭載性を向上できる。

また、レンズは、複数の光源のそれぞれから出射される光が空間変調素子の入射面の同一領域に到達するように各光源から出射される光の光路を変化させる。さらに、第１反射光学部材は、空間変調素子の入射面の任意の点に対して基準入射角度でレンズから出射される光が入射するように光を偏向させる形状を有している。そのため、本構成は、空間変調素子が出射する画像の輝度ムラを抑制できる。

上記態様において、前記第１反射光学部材は、自由曲面形状を有していてもよい。

本構成によれば、第１反射光学部材は自由曲面形状を有するため、空間変調素子の入射面の任意の点に対して基準入射角度でレンズから出射される光を入射させることを容易に実現できる。

上記態様において、前記複数の光源は、出射面の法線が前記空間変調素子の法線と交差するように配置されていてもよい。

本構成によれば、複数の光源は、出射面の法線が空間変調素子の法線と交差するように配置されているため、光源から空間変調素子までのバックライト部が空間変調素子の法線方向に突き出る量をより確実に抑制できる。その結果、本構成は、ヘッドアップディスプレイへの車両への搭載性をさらに向上できる。

上記態様において、前記第１方向は、前記空間変調素子の長手方向と平行であってもよい。

本構成によれば、複数の光源は空間変調素子の長手方向と平行に配置されているため、複数の光源を空間変調素子の短手方向と平行に配置する場合に比べて投影装置を小型化できる。

上記態様において、前記レンズは、少なくとも出射面が凸面であってもよい。

本構成によれば、複数の光源のそれぞれから出射される光が空間変調素子の入射面の同一領域に到達するように各光源から出射される光の光路を変化させるレンズを容易に実現できる。

上記態様において、前記レンズの出射面は、前記第１方向に直交する第２方向の曲率が前記第１方向の曲率よりも大きくてもよい。

本構成によれば、第１方向を長手方向、第２方向を短手方向とする空間変調素子において、複数の光源のそれぞれから出射される光が空間変調素子の入射面の同一領域に到達するのに好適なレンズを構成できる。

上記態様において、前記複数の光源は、前記第１方向と、前記第１方向に直交する第２方向とにマトリックス状に配置されていてもよい。

本構成によれば、空間変調素子を大型化した場合において十分な輝度を有する画像が得られる。

本開示の別の一態様に係るヘッドアップディスプレイは、上記の投影装置と、前記空間変調素子から出射する光を前記車両に設けられた反射部材に投射するための第２反射光学部材とを備える。

本構成によれば、空間変調素子が出射する画像の輝度ムラを抑制しつつ、車両への搭載性が向上されたヘッドアップディスプレイを提供できる。

本開示によれば、空間変調素子が出射する画像の輝度ムラを抑制しつつ、車両に対する搭載性を向上できる投影装置及びそれを備えるヘッドアップディスプレイを提供することができる。

実施の形態におけるヘッドアップディスプレイの構成の一例を示す図である。 投影装置の構成の一例を示す図である。 図２に示す投影装置の斜視図である。 本開示の変形例に係るヘッドアップディスプレイの筐体の一例を示す図である。 本開示の変形例に係る複数の光源の配置の一例を示す図である。

以下、添付の図面を用いて実施の形態を説明する。図１は、実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１０の構成の一例を示す図である。ヘッドアップディスプレイ１０は、車両１００に搭載されている。車両１００は、例えば、４輪自動車などの移動体である。但し、これは一例であり、車両１００は、鉄道車両、バイク、航空機、ヘリコプター、船舶、及びその他の人を搬送する各種の装置であってもよい。

車両１００は、ウィンドシールド１４を備える。ウィンドシールド１４は、例えば車両１００の操縦席の前方に設けられたフロントガラスである。ヘッドアップディスプレイ１０は、投影装置１１と、反射光学部材１２（第２反射光学部材の一例）と、筐体１３とを含む。

ヘッドアップディスプレイ１０は、観察者１０１に虚像１５を視認させるための画像をウィンドシールド１４に投影する装置である。

投影装置１１は、バックライト部２０及び空間変調素子２４を含む。バックライト部２０は空間変調素子２４を照明する。空間変調素子２４は、例えば液晶パネルである。空間変調素子２４は、図略の表示制御回路から入力された映像信号にしたがってバックライト部２０から出射された光を変調する。変調された光は透過光として空間変調素子２４から出射される。

空間変調素子２４は、例えばスピードメータを示す画像または車両１００のスピードを示す画像などの車両１００の状態を示す画像を表示する。空間変調素子２４から出射された透過光は反射光学部材１２及びウィンドシールド１４を介して、観察者１０１のアイボックス１０２内に導かれる。これにより、観察者１０１は虚像１５を視認する。虚像１５は、例えばスピードなどの車両１００の状態を表示する。したがって、観察者１０１は、虚像１５を通じて車両１００の状態を確認できる。アイボックス１０２とは、観察者１０１が虚像１５を欠けることなく視認できる領域である。

反射光学部材１２は、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２を含む。第１ミラー１２１は、空間変調素子２４から出射された光を第２ミラー１２２に向けて反射する。第２ミラー１２２は、第１ミラー１２１からの光をウィンドシールド１４に向けて反射する。第２ミラー１２２の反射面は、凹面形状を有している。反射光学部材１２は、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の２枚のミラーで構成されているが、これは一例であり、１枚のミラーまたは３枚以上のミラーで構成されてもよい。また、反射光学部材１２の光路上に、レンズなどの屈折光学系がさらに配置されてもよい。

筐体１３は、投影装置１１と反射光学部材１２とを収納する。筐体１３は、例えばほぼ直方体である。筐体１３の上面には、反射光学部材１２からの光が出射する開口部１３ａを有している。開口部１３ａには、透明のカバーが設けられていてもよい。

図２は、投影装置１１の構成の一例を示す図である。投影装置１１は、複数の光源２１（図３参照）、レンズ２２、反射光学部材２３（第１反射光学部材の一例）、及び空間変調素子２４を含む。空間変調素子２４の入射面２２ａ側には拡散部材がさらに配置されてもよく、これにより複数の光源２１からの光の配光特性を平滑化することができる。複数の光源２１、レンズ２２、及び反射光学部材２３はバックライト部２０を構成する。空間変調素子２４は光を入射する入射面２４ａと、光を出射する出射面２４ｂとを含む。入射面２４ａと出射面２４ｂとは同じ形状を有する。図３に示すように、入射面２４ａ及び出射面２４ｂは、例えば短辺２４１及び長辺２４２を備える長方形形状を有する。

なお、以下の説明において、図面には、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の３軸からなる３次元直交座標系が設定されている。Ｘ軸は空間変調素子２４の短辺２４１に平行である。Ｙ軸は空間変調素子２４の長辺２４２に平行である。Ｚ軸は空間変調素子２４の法線に平行である。なお、Ｙ軸方向（長手方向）は第１方向の一例である。Ｚ軸方向は第１方向に直交する第２方向の一例である。

図３は、図２に示す投影装置１１の斜視図である。図３に示すように、複数の光源２１は、Ｙ軸方向に一列に例えば一定の間隔で配置されている。但し、これは一例であり不等間隔に配置されていてもよい。これにより輝度ムラを抑制できる。複数の光源２１は、それぞれ光の出射面２１ａを含む。複数の光源２１は、出射面２１ａの法線がＸ軸と平行となるように配置されている。複数の光源２１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）である。但し、これは一例であり、複数の光源２１は、例えばレーザダイオード又は有機発光ダイオードであってもよい。なお、図３では、複数の光源２１として４個の光源２１が示されているが、これは一例に過ぎず、複数の光源２１の個数は２個以上の任意の値をとることができる。

さらに、複数の光源２１は、出射面２１ａの法線が空間変調素子２４の法線と交差するように配置されている。図２において、出射面２１ａの法線はＸ軸方向を向き、空間変調素子２４の法線はＺ軸方向を向いている。そのため、空間変調素子２４の法線と出射面２１ａの法線とは直交しているが、これは一例である。例えば、両法線の角度は、１８０度以外の角度であれば任意の角度をとることができ、例えば、１０度以上９０度以下の角度、２０度以上８０度以下の角度、３０度以上７０度以下の角度を取ることができる。

レンズ２２は、複数の光源２１のそれぞれから出射される光が空間変調素子２４の入射面２４ａの実質的に同一領域に到達するように各光源２１から出射される光の光路を変化させる。実質的に同一領域とは複数の光源２１のそれぞれから出射される光が到達する領域に多少のずれがあることを許容することを意図する。具体的には、レンズ２２は、複数の光源２１に近接させて配置されている。レンズ２２は長手方向がＹ軸方向と平行である。レンズ２２は、複数の光源２１から出射された光が入射する入射面２２ａを含む。レンズ２２は、Ｚ軸方向において、発散する複数の光源２１の光を略平行光に偏向して出射する出射面２２ｂを含む。入射面２２ａは複数の光源２１の出射面２１ａに対向する。レンズ２２は、複数の光源２１に対して１つ配置される。但し、これは一例であり、複数の光源２１に対して２個又は３個以上配置されてもよい。

レンズ２２の入射面２２ａ及び出射面２２ｂの少なくとも一方は、レンズ２２に正の屈折力を持たせるために凸形状である。レンズ２２の入射面２２ａ及び出射面２２ｂの少なくとも一方の凸形状は光軸に対して回転対称である。但し、これは一例であり、レンズ２２の入射面２２ａ及び出射面２２ｂの少なくとも一方は、Ｙ軸方向とＺ軸方向とで曲率の異なるトロイダル形状又は自由曲面形状であってもよい。レンズ２２の入射面２２ａは、ＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）レンズを用いることもできる。これにより、光源２１からの光を効率よく反射光学部材２３に射出することができ、光利用効率が向上する。本実施の形態では、レンズ２２は、出射面２２ｂのみ凸形状を有している平凸レンズである。

レンズ２２の出射面２２ｂは、Ｙ軸方向とＺ軸方向とで曲率が異なる、非球面形状を有する凸形状である。具体的には、出射面２２ｂにおいてＺ軸方向の曲率はＹ軸方向の曲率よりも大きい。Ｚ軸方向の曲率をＹ軸方向の曲率より大きくしたのは、光線を絞って平行光を空間変調素子２４の短辺２４１側に導くためである。一方、Ｙ軸方向の曲率をＺ軸方向の曲率よりも小さくしたのは、各光源２１からの光を長辺２４２の全域に亘って導くためである。したがって、レンズ２２は、Ｙ軸方向を長手方向、Ｘ軸方向を短手方向とする空間変調素子２４において、複数の光源２１のそれぞれから出射される光が空間変調素子２４の入射面２４ａの同一領域に到達するのに好適なレンズを構成できる。

さらに、出射面２２ｂのＹ軸方向の形状は、複数の光源２１からの出射される光の空間変調素子２４の入射面２４ａ上での照度分布が均一となるように、例えば、中心から端にかけて曲率が小さくなる形状を持つ。しかし、輝度ムラの低減のために自由曲面形状を持ってもよく形状はこれに限定されない。また、出射面２２ｂのＺ軸方向の形状は、入射面２４ａ上での照度分布が均一となるように、例えば、中心から端にかけて曲率が小さくなる形状を持つ。しかし、輝度ムラの低減のために自由曲面形状を持ってもよく形状はこれに限定されない。

レンズ２２は、所定の屈折率を有する透明材料で構成される。透明材料の屈折率は、例えば１．４から１．６程度である。透明材料としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネイト等の樹脂を用いることができる。本実施の形態では、レンズ２２は、耐熱性を考慮して例えばポリカーボネイトである。

図２を参照する。反射光学部材２３は、レンズ２２から出射された光を空間変調素子２４に向けて偏向する反射面を含む。反射光学部材２３は、空間変調素子２４の入射面２４ａの任意の位置Ｐに対して予め定められた基準入射角度でレンズ２２から出射される光が入射するように当該光を偏向させる形状を有する。具体的には、反射光学部材２３は、自由曲面形状を持つ。任意の位置Ｐとは、入射面２４ａ上の複数の位置のことを指す。反射光学部材２３は、例えばミラーである。

ヘッドアップディスプレイ１０では、目標サイズの虚像１５が目標表示位置に表示されるように反射光学部材１２の位置及び形状などが決定され、決定された反射光学部材１２の位置及び形状に基づいて、空間変調素子２４の入射面２４ａ内の複数の位置のそれぞれにおける基準入射角度が決定される。したがって、反射光学部材２３において、位置Ｐに向けて光線Ｌ１を偏向させる位置Ｐ１の形状は、光線Ｌ１を位置Ｐに対して基準入射角度で入射させる形状を持つ。

基準入射角度には、空間変調素子２４の長辺２４２側、すなわち、Ｘ軸方向から見た第１成分と、短辺２４１側、すなわち、Ｙ軸方向から見た第２成分とがある。そのため、位置Ｐ１の形状は、光線Ｌ１が基準入射角度の第１成分及び第２成分で位置Ｐに入射する形状を持つ。したがって、反射光学部材２３は、各位置Ｐ１が入射面２４ａ上の対応する位置Ｐに向けて光線Ｌ１を基準入射角度の第１成分及び第２成分で入射させる自由曲面形状を持つ。図３に示すように、位置Ｐ１において、Ｘ－Ｙ平面で反射光学部材２３を切ったときの曲率Ｃ１は、例えば、Ｚ－Ｘ平面で反射光学部材２３を切ったときの曲率Ｃ２よりも大きい。したがって、反射光学部材２３は、全体的に、Ｚ軸方向から見たときの傾斜の度合いがＹ軸方向から見たときの傾斜の度合いよりも大きくなっている。

ここでは、反射光学部材１２は自由曲面形状であるとして説明したが、本開示はこれに限定されない。位置Ｐに対して基準入射角度で入射するように反射光学部材２３の各位置Ｐ１の形状を決定した結果、反射光学部材１２の形状が平板形状又は球面形状になることもある。この場合、反射光学部材２３は、平面形状又は球面形状を有していてもよい。

このように、本実施の形態によれば、反射光学部材２３はレンズ２２から出射された光線を偏向して空間変調素子２４に導く。これにより、複数の光源２１は、出射面２１ａの法線が空間変調素子２４の法線と交差するように配置される。その結果、空間変調素子２４のサイズを増大させた場合において、バックライト部２０が空間変調素子２４の法線方向に突き出る量を抑制できる。その結果、本実施の形態は、ヘッドアップディスプレイ１０の車両１００への搭載性を向上できる。

また、レンズ２２は、複数の光源２１のそれぞれから出射される光が空間変調素子２４の入射面２４ａの同一領域に到達するように各光源から出射される光の光路を変化させる。さらに、反射光学部材２３は、空間変調素子２４の入射面の任意の点Ｐに対して基準入射角度で、レンズ２２から出射される光が入射するように光を偏向させる形状を有している。そのため、本実施の形態は、空間変調素子２４が出射する画像の輝度ムラを抑制できる。

さらに、図３に示すように、複数の光源２１は、空間変調素子２４の長辺２４２と平行に配置されている。そのため、複数の光源２１を空間変調素子２４の短辺２４１と平行に配置した場合に比べて、投影装置１１のサイズを全体的に小さくすることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１０の車両１００の搭載性をさらに向上させることができる。

なお、本開示は下記の変形例が採用できる。

（１）図４は、本開示の変形例に係るヘッドアップディスプレイ１０の筐体１３の一例を示す図である。図４において、筐体１３は、投影装置１１が取り付けられる取付部１３１を備えている。取付部１３１は、筐体１３の底面１３２の開口部１３３から斜め方向に延びる有底の穴である。取付部１３１の断面は投影装置の断面と同じ形状である。したがって、投影装置１１は筐体１３に対して矢印方向に挿入することで取付部１３１に嵌め込まれる。取付部１３１の底面１３４は開口している。したがって、空間変調素子２４から出射した光は筐体１３の内部に取り込まれ、図１に示す反射光学部材１２及び開口部１３ａを介してウィンドシールド１４へと導かれる。

（２）変形例（１）では、空間変調素子２４は、投影装置１１の筐体１１ａの内部に設けられているが、これは一例である。空間変調素子２４は、取付部１３１の底面１３４に設けられていてもよい。

（３）図３の例では、複数の光源２１は、Ｙ軸方向に一列で配置されているがこれは一例である。図５は、本開示の変形例に係る複数の光源２１の配置の一例を示す図である。図５に示すように、複数の光源２１は、Ｙ軸方向とＺ軸方向とにおいて所定行×所定列でマトリックス状に配置されてもよい。これにより、空間変調素子２４を大型化した場合において十分な輝度を有する画像が得られる。

（４）図１の例では、ヘッドアップディスプレイ１０は、虚像１５を表示するが、本開示はこれに限定されず、車両１００の一部（例えばコンソールボックスなど）に画像を表示してもよい。

本開示は、車両に搭載され、虚像などの映像を表示させる装置に適用可能である。

１０ ：ヘッドアップディスプレイ
１１ ：投影装置
１２ ：反射光学部材
１３ ：筐体
１４ ：ウィンドシールド
１５ ：虚像
２０ ：バックライト部
２１ ：光源
２１ａ ：出射面
２２ ：レンズ
２３ ：反射光学部材
２４ ：空間変調素子
１００ ：車両
２４１ ：短辺
２４２ ：長辺

Claims (8)

1. 車両に搭載される投影装置であって、
   第１方向に配置される複数の光源と、
   入射した光を画像情報に変調して出射し、短辺と前記短辺と直交した長辺とを備えた空間変調素子と、
   前記複数の光源のそれぞれから出射される光が前記空間変調素子の入射面の実質的に同一領域に到達するように各光源から出射される光の光路を変化させるレンズと、
   前記レンズから出射された光を前記空間変調素子に向けて偏向する第１反射光学部材とを備え、
   前記空間変調素子の前記短辺と平行な方向を第３方向、前記空間変調素子の前記長辺と平行な方向を前記第１方向、前記空間変調素子の法線と平行な方向を第２方向としたときに、
   前記第１反射光学部材は、前記空間変調素子の前記入射面の任意の点に対して予め定められた基準入射角度で、前記レンズから出射される光が入射するように前記光を偏向させる形状を有し、
   前記第１反射光学部材の任意の位置において、前記第１反射光学部材を前記第３方向と前記第１方向とを通る平面で切ったときの曲率は前記第２方向と前記第３方向とを通る平面で切ったときの曲率よりも大きい投影装置。
2. 前記第１反射光学部材は、自由曲面形状を有する請求項１記載の投影装置。
3. 前記複数の光源は、出射面の法線が前記空間変調素子の法線と交差するように配置される請求項１又は２記載の投影装置。
4. 前記第１方向は、前記空間変調素子の長手方向と平行である請求項３記載の投影装置。
5. 前記レンズは、少なくとも出射面が凸面である請求項１～４のいずれかに記載の投影装置。
6. 前記レンズの出射面は、前記第１方向に直交する前記第２方向の曲率が前記第１方向の曲率よりも大きい請求項５記載の投影装置。
7. 前記複数の光源は、前記第１方向と、前記第１方向に直交する前記第２方向とにマトリックス状に配置されている請求項１～６のいずれかに記載の投影装置。
8. 請求項１～７のいずれかに記載の投影装置と、
   前記空間変調素子から出射する光を前記車両に設けられた反射部材に投射するための第２反射光学部材とを備えるヘッドアップディスプレイ。

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