WO2019130447A1

WO2019130447A1 - 車両用表示装置

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Publication number: WO2019130447A1
Application number: PCT/JP2017/046779
Authority: WO
Inventors: 柴山　恭之; 平田　浩二
Original assignee: Maxell Ltd
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Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2019-07-04
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Also published as: JP6987343B2; JPWO2019130447A1

Abstract

車両用表示装置は、車両の車室内に設けられ、光源装置からの出射光を車室の非透過部材に投射して画像を表示する。車両用表示装置は、光源装置と、出射光を反射偏向して車室に向けて投射し、車室内の非透過部材上において出射光が照射される被投射領域に画像を形成する画像形成装置と、主制御装置と、を含む。画像形成装置は、出射光を反射する反射面、及び当該反射面を往復の回転運動させる反射面駆動部を含み、出射光を第１方向及び当該第１方向と直交する第２方向に反射偏向して走査する光走査部と、反射面により反射偏向された光の偏向角度を拡大する拡大光学系と、を含む。拡大光学系は、拡大光学系から出射される光の偏向角が、反射面により反射偏向された光の偏向角の３倍以上となるように拡大する光学素子を含んだ広角投影系である。

Description

車両用表示装置

　本発明は、車両用表示装置に関するものである。

　車室内に映像を投影する装置の一例として特許文献１の車両用表示装置がある。特許文献１に記載の車両用表示装置は、車室内に走査型プロジェクターを備え、運転者の視線方向に応じて画像を表示する領域を変更するようにプロジェクターを動作させるものである。

特開２０１３－２９８５５号公報

　特許文献１記載の車両用表示装置は、画像を車室内の複数の領域におけるいずれかの領域に表示させるために、特許文献１の段落［００４６］に記載されているように、レール上に配置されたプロジェクターの位置を変位させる表示駆動手段が不可欠であるか、或いは同段落［００７５］に記載されているように、レンズ駆動用のアクチュエーターによってレンズを動かす駆動系が不可欠であった。このため、機械的にプロジェクター本体或いはレンズを変位させなければならないため、時間応答性が遅く、瞬時に所望の位置に投射画像を切り替えることができないという問題があった。また、駆動系は駆動用モータ類を電気的に制御しなければならないため、省エネ化、小型軽量化、省スペース化を図り、耐電磁性を確保する点で不利であった。

　本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、時間応答性を向上し、装置の省エネ化・小型軽量化・省スペース化を実現し、安全性と耐電磁性を確保し、車室内に画像を表示することができる車両用表示装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明は、請求の範囲に記載の構成を備える。その一例として、本発明に係る車両用表示装置は、車両用表示装置は、車両の車室内に設けられ、光源装置からの出射光を前記車室の非透過部材に投射して画像を表示する車両用表示装置であって、前記車両用表示装置は、光源装置と、前記光源装置から出射した出射光を反射偏向して前記車室に向けて投射し、前記車室内の非透過部材上において前記出射光が照射される被投射領域に画像を形成する画像形成装置と、前記光源装置及び前記画像形成装置の動作を制御する主制御装置と、を含み、前記画像形成装置は、前記出射光を反射する反射面、及び当該反射面を往復の回転運動させる反射面駆動部を含み、前記出射光を第１方向及び当該第１方向と直交する第２方向に反射偏向して走査する光走査部と、前記反射面により反射偏向された光の偏向角度を拡大する拡大光学系と、を含み、前記拡大光学系は、前記拡大光学系から出射される光の偏向角が、前記反射面により反射偏向された光の偏向角の３倍以上となるように拡大する光学素子を含んだ広角投影系である、ことを特徴とする。

　本発明によれば、時間応答性を向上し、装置の省エネ化・小型軽量化・省スペース化を実現し、安全性と耐電磁性を確保し、車室内に画像を表示することができる車両用表示装置を提供することができる。上記以外の本発明の目的、構成、効果は以下の説明で明らかにされる。

本実施形態に係る車両の車室を天井側から見た模式図（平面視）である。本実施形態に係る被投射領域の具体例を説明する図である。車両用表示装置５１の画像形成装置１が設けられた車両を後方からみた図である。車両の右側面から見た図である。本実施形態に係る車両用表示装置の画像形成装置取り付け箇所の拡大図である。本実施形態に係る車両用表示装置全体のブロック図である。被投射領域データの構成例を示す図である。本実施形態に係る車両用表示装置全体のハードウェア構成図である。本実施形態に係る車両用表示装置における光走査部の構造を説明する図（光走査部１１の拡大図）である。本実施形態に係る車両用表示装置における光走査部のミラーの駆動波形を説明する図（第１のトーションバネ）である。本実施形態に係る車両用表示装置における光走査部のミラーの駆動波形を説明する図（第２トーションバネ）である。本実施形態に係る車両用表示装置における光走査部により反射偏向される光の詳細を説明する図である。光走査部と拡大光学系とを含めた画像形成装置の光学系全体の説明図（ＶＺ面視）である。光走査部と拡大光学系とを含めた画像形成装置の光学系全体の説明図（ＨＺ面視）である。拡大光学系の諸元を示す図である。拡大光学系の諸元を示す図（多項式（１）から定まる拡大光学系の諸元を示す）である。初期設定処理の流れを示すフローチャートである。被投射領域の選択モードの処理を示すフローチャートである。運転者視線切替モードの処理を示すフローチャートである。光源装置の構成の一例を示す図である。

　以下、図を用いて本発明の実施形態を説明する。

　図１は車両１１０の車室を天井側から見た模式図（平面視）である。図２は被投射領域の具体例を説明する図である。

　図１、図２に示すように、車両用表示装置５１は、一つの画像形成装置１により車室内の非透過部材、例えば各種ピラーやダッシュボードに向けて出射光を投射し、非透過部材において出射光が当たる部位を被投射領域として用い、この被投射領域に画像を表示する装置である。車室内には複数の非透過部材があるので、複数の被投射領域を生成することができる。

　車両１１０の車室には、ハンドル１００、運転席１０１、助手席１０２、及びバックミラー１０３（図２参照）が設けられる。車右側面には右サイドミラー１０４Ｒ、左側面には左サイドミラー１０４Ｌが備えられる。被投射領域は、右サイドミラー１０４Ｒ脇にある右フロントピラー３、左サイドミラー１０４Ｌ脇にある左フロントピラー２、ダッシュボード４、右サイドピラー５、左サイドピラー６、右リアピラー７、左リアピラー８、及び後部座席９等、車室内において光が透過しない非透過部材上に設けられる。被投射領域はこれらの非透過部材に直接光を照射して形成されてもよいし、シート状のスクリーンを非透過部材に貼付して形成されてもよい。その他、フロントガラス、ドアガラス、リアガラスの一部に半透明領域を設けてスクリーンとしても良いし、車室内に別途設けたスクリーンを被投射領域としてもよい。図２では、右フロントピラー３に右前被投射領域７３、左フロントピラー２上に左前被投射領域７２、ダッシュボード４上に中央前被投射領域７４が形成される。

　車両用表示装置５１は、車内外部情報の撮像装置である第１カメラ５３を備える。本実施形態では、第１カメラ５３として、車両１１０の前方画像を撮像する前方カメラ５３Ｆと、車両１１０の後方画像を撮像する後方カメラ５３Ｒとを備える。前方カメラ５３Ｆは、フロントガラス越しに前方画像が撮像できる位置、例えば車両１１０の天井とフロントガラスとの連結部であって、フロントガラスの左右幅中央に備えてもよい。後方カメラ５３Ｒは、車両１１０の後方画像が撮像できる位置、例えば車室又は車両１１０の背面に備えられる。

　更に車両用表示装置５１は、投射画像を撮像する装置である第２カメラ５４を備える。第２カメラ５４は、車室の全周囲方向が撮像できる広角カメラでもよいし、複数のカメラを組み合わせて車室の全方向を撮像してもよい。第２カメラ５４は、車室の天井中央付近、画像形成装置１が取り付けられる部位の近傍に備えてもよい。

　また車両用表示装置５１は運転者の顔画像を取得する装置である第３カメラ５５を備える。第３カメラ５５は、運転席１０１に乗車した運転者の目の動きが撮像できる位置、例えば車両１１０の天井とフロントガラスとの連結部であって、フロントガラスの中央よりも右側に備えてもよい。

　図３Ａは、車両用表示装置５１の画像形成装置１が設けられた車両を後方からみた図、図３Ｂは車両の右側面から見た図である。また、図４は図３Ｂにおける、画像形成装置１の取り付け部の拡大図である。図４では、画像形成装置１は車室内の天井面に固定して設けるが、天井に画像形成装置１を設置する凹部を設け、そこに設置しても良い。

　図３Ａ、図３Ｂ、図４に示すように、画像形成装置１は車室内の天井中央付近に設置されており、後述の光走査部１１と拡大光学系２１（図３ではともに非図示）を有し、光走査部１１で反射偏向された光を拡大光学系２１により広角化して半球状の領域に拡げて、車室内を走査、変調することにより画像形成装置１自身、あるいは拡大光学系２１を構成する光学素子を変位させることなく単一又は複数の被投射領域に画像を表示する。本明細書における「反射偏向」とは、光線の進行方向に反射面を介在させることで光線の進行方向を変化させることをいう。

　図５Ａは、車両用表示装置５１の全体構成のブロック図である。図５Ｂは、被投射領域データの構成例を示す図である。

　車両用表示装置５１は、撮像装置５２、視線検出装置５６、主制御装置５７、情報装置６２、光源装置６３、被投射領域切替スイッチ６４、画像形成装置１及び通信Ｉ／Ｆ６８を含んで構成される。

　撮像装置５２は、第１カメラ５３（車内外画像撮像装置）、第２カメラ５４（投射画像撮像装置）、第３カメラ５５（顔画像撮像装置）を含む。

　第１カメラ５３は、車内外部を撮像した外部画像を撮像する装置である。例えば運転者の死角になっている領域を含めた車両１１０の周辺状況を取得し、取得画像を主制御装置５７に出力する。主制御装置５７は、取得画像そのもの、あるいは取得画像にもとづいた車の安全運転を支援する映像情報などを投射し、表示する。

　主制御装置５７は前方カメラ５３Ｆが撮像した前方画像から左端領域画像及び右端領域画像を抽出し、左端領域画像は左前被投射領域７２、右端領域画像は右前被投射領域７３に投射してもよい。これにより、運転者からみて左フロントピラー２、右フロントピラー３の死角となる領域の画像を左前被投射領域７２及び右前被投射領域７３の其々に表示し、死角内の障害物や歩行者の存在を運転者に呈示することができる。

　同様に主制御装置５７は後方カメラ５３Ｒで撮像した後方画像を後部座席９上に投射し、車両１１０の後退走行時の運転支援を行ってもよい。この場合、主制御装置５７を車両ネットワーク（ＣＡＮ：Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）８０に接続し、車両１１０に搭載されたＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）８２を経由して各種センサ８４が出力したデータを取得するように構成してもよい。このデータには車両１１０の走行方向情報（例えばギアレバーの操作位置）を含んでもよい。そして主制御装置５７は取得したデータを基に走行方向の判定を行い、後退走行時にのみ後方画像を後部座席９上に投射するように構成してもよい。

　第２カメラ５４は、被投射領域に投射された投射画像を撮像する装置である。投射画像が歪んでいる場合は、後段の主制御装置５７の歪補正部６１で歪を補正した信号が生成され、その信号を用いて光源装置６３と画像形成装置１を駆動することで歪の無い画像が形成される。

　第３カメラ５５は運転者の顔画像を撮像する装置で、撮像した顔画像を基に視線検出装置５６により運転者がどの方向を見ているのかを検出し、運転者の視線方向に配置された被投射領域に投射画像を表示する。投射画像は、情報装置６２からのテレビやＤＶＤなどのアミューズメント映像情報、第１カメラ５３で取得した車外の映像、車外の映像情報にもとづく安全運転を支援する映像、交通状況表示映像などである。

　主制御装置５７は、投射画像の変調信号を制御する変調信号制御部５８、光源装置６３から放出される光の光量を制御する光量制御部５９、後述する光走査部１１を制御する走査駆動制御部６０、投射画像の歪補正を行う歪補正部６１、車室内の被投射領域の位置を検出する被投射領域検出部６５、被投射領域を検出する際に用いるキャリブレーション画像を記憶するキャリブレーション画像記憶部６６、及び検出された被投射領域を固有に識別する識別情報とその被投射領域に向けて光源装置６３からの出射光を反射偏向させるためのミラー１２の角度とを関連付けた被投射領域データ（図５Ｂ参照）を記憶する被投射領域データ記憶部６７とを含む。

　主制御装置５７は、撮像装置５２、情報装置６２からの信号を基に光源装置６３、画像形成装置１を駆動することによって車室内の被投射領域に画像を形成する。

　情報装置６２はテレビやＤＶＤ等のアミューズメント映像や地図等の情報を有する情報装置である。

　被投射領域切替スイッチ６４は、車室内のどの被投射領域にどのような画像を表示するか指定する操作を、運転者や同乗者から受け付ける。被投射領域切替スイッチ６４は、方向キーやタッチパネルを用いて構成される。

　図１６は、光源装置６３の構成の一例を示す図である。

　光源装置６３は、Ｒ（赤色）光を発生するレーザ光源９３３Ｒと、Ｇ（緑色）光を発生するレーザ光源９３３Ｇと、Ｂ（青色）光を発生するレーザ光源９３３Ｂを有しており、各レーザ光源から出射された光線束９３４Ｒ、９３４Ｂ、９３４Ｂは、レンズ９３５Ｒ、９３５Ｇ、９３５Ｂにより略平行光の光線束９３６Ｒ、９３６Ｇ、９３６Ｂに整形される。最終的には、各レーザ光源９３３Ｒ、９３３Ｇ、９３３Ｂとレンズ９３５Ｒ、９３５Ｇ、９３５Ｂの距離は、被投射領域上での各レーザ光の集光状態の差異が少なくなるように微調整される。９３７はミラー、９３８は赤色光を透過し緑色光を反射する特性を有する色合成素子、９３９は赤色光と緑色光を透過し、青色光を反射する特性を有する色合成素子で、９３７、９３８、９３９により、光線束９３６Ｒ、９３６Ｇ、９３６Ｂは共軸に合成された光線束９４０になり、光源装置６３から出射される。色合成素子９３８、９３９は、例えば、プリズムやダイクロイックミラーの組み合わせで構成される。光線束９４０のサイズはφ１～３に設定される。

　レーザ光源９３３Ｒは、例えば、波長６３０ｎｍの光を発生する半導体レーザで構成される。レーザ光源９３３Ｇは、例えば、第２高調波発生を用いて、波長５３２ｎｍの光を発生する半導体励起の固体レーザで構成される。レーザ光源９３３Ｂは、例えば、波長４４５ｎｍの光を発生する半導体レーザで構成される。各レーザ光源を適切に設定することにより、投射画像は、綺麗な白色と色再現性の広い鮮やかな画像とすることができる。

　各レーザ光源は、レーザチップへの注入電流、励起用レーザチップへの注入電流を変化させることで変調しても良いし、レーザ光源とは別に外部光変調器を用いて変調してもよい。外部光変調器としては音響光学変調器、電気光学変調器などがある。なお、図１６では、各色のレーザ光源がそれぞれ一つの場合を示したが、レーザ光源の個数はこれに限定するものではなくそれぞれ一つ以上の光源を用いて光源装置６３を構成しても構わない。合成する光源の個数を増やすことでより明るい投射画像を形成することができる。

　光源装置６３を出射した光線束９４０は集光レンズ１０６に向かう。光源装置６３と集光レンズ１０６の間には、ミラーを配置して光路を折り畳むことで光学系をコンパクトにしてもよい。また、光学素子を追加してビーム形状を整形しても良い。

　画像形成装置１は、光源装置６３から出射されたレーザ光を用いて車室内に表示する画像を形成する装置であり、レーザ光を走査する光走査部１１と、レーザ光を拡大投影するレンズユニットからなる拡大光学系２１とを含んで構成される。光走査部１１はミラー１２及びミラー駆動部１２ａを含むがその詳細は後述する。

　図６は、本実施形態に係る車両用表示装置全体のハードウェア構成図である。本実施形態では車両用表示装置５１の視線検出装置５６及び主制御装置５７は同一のハードウェアを用い、視線検出装置５６及び主制御装置５７の各機能を実現するソフトウェアをハードウェアで実行することにより構成される。視線検出装置５６及び主制御装置５７は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）３０１、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）３０２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）　３０３、ＨＤＤ　（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｋ　Ｄｒｉｖｅ）３０４、入力Ｉ／Ｆ３０５、及び出力Ｉ／Ｆ３０６を含み、これらがバス３０７を介して互いに接続されて構成される。

　入力Ｉ／Ｆ３０５には、第１カメラ５３、第２カメラ５４、第３カメラ５５、情報装置６２、及び被投射領域切替スイッチ６４が接続され、各部材からのデータや信号が視線検出装置５６及び主制御装置５７に入力される。

　出力Ｉ／Ｆ３０６には、光源装置６３、及び画像形成装置１が接続される。主制御装置５７は、光源装置６３及び画像形成装置１の其々に対して制御信号を出力し、光源装置６３及び画像形成装置１の動作を制御する。

　なお、車両用表示装置５１のハードウェア構成は上記に限定されず、制御回路と記憶装置との組み合わせにより構成されてもよい。

　つぎに、本実施形態に係る車両用表示装置５１の画像形成装置１について詳しく説明する。ここで図７を用いて車両用表示装置５１の光走査部１１について説明する。

　図７は、光走査部１１の構造を説明する図（光走査部１１の拡大図）である。光走査部１１は、光源装置６３から出射した光（レーザ光）を照射するミラー１２、ミラー１２に連結される第１トーションバネ１３、第１トーションバネ１３に連結される第１保持部材１４、第１保持部材１４に連結される第２トーションバネ１５、第２トーションバネ１５に連結される第２保持部材１６、及び永久磁石とコイルとからなる。永久磁石とコイルは図７では煩雑を避けるために図示していない。ミラー１２の大きさは１～１.５mmである。

　光走査部１１のコイルはミラー１２に略平行に形成されており、ミラー１２が静止した状態にある時、ミラー１２と略平行な磁界が発生する。コイルに電流を流すと、フレミングの左手の法則により、ミラー１２と略垂直なローレンツ力が発生する。ミラー１２は、ローレンツ力と、第１トーションバネ１３、第２トーションバネ１５の復元力がつりあう位置まで回動する。ミラー１２が持つ共振周波数でコイルに交流電流を供給することにより、ミラー１２は共振動作を行い、第１トーションバネ１３を回転軸として回動する（β回転）。また、ミラー１２と第１保持部材１４を合わせた共振周波数でコイルに交流電流を供給することにより、ミラー１２と第１トーションバネ１３と第１保持部材１４は共振動作を行い、第２トーションバネ１５を回転軸として回動する（β回転）。このようにして、２つの方向について、異なる共振周波数による共振動作が実現する。なお、共振周波数による共振動作の代わりに、共振動作ではない駆動を適用してもよい。

　上記のような光走査部１１の具体例としては、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーが既に知られている。図８Ａ、図８Ｂを参照してミラー１２の駆動波形について説明する。図８Ａは光走査部１１の第１トーションバネ１３の駆動波形を示す図である。図８Ｂは光走査部１１の第２トーションバネ１５の駆動波形を示す図である。

　本実施形態に係る光走査部１１は、図７における第１トーションバネ１３を回転軸とする方向にミラー１２を正弦波状に駆動（有効偏向角：±１２．９度、周期：３７．０μｓｅｃ）し（図８Ａ参照）、図７における第２トーションバネ１５を回転軸とする方向にミラー１２を鋸歯波状に駆動（有効偏向角：±７．１度、周期：１６．７ｍｓｅｃ）している（図８Ｂ参照）。有効偏向角とはミラー１２の偏向角のうち画像形成を行う最大角度である。図８Ｂに示した駆動波形の一周期である１６．７［ｍｓｅｃ］が、本実施形態に係る車両用表示装置５１における一画面の描画に要する時間である。

　図９は、光走査部１１のミラー１２により偏向走査される光の詳細を説明するための模式図である。

　ミラー１２に入射する光線は、実際には光源装置６３から出射した光線束９４０であるが、ここでは煩雑を避けるために光線束９４０の主光線の光線１９だけを示している。

　ミラー１２は偏向角ゼロのときを基準状態とし、ミラー１２への入射光１９ｉ、図７における第１トーションバネ１３を第１回転軸、図７における第２トーションバネ１５を第２回転軸とするとき、第２回転軸に垂直な面内から入射角１８．４度でミラー１２に入射する。この場合の「偏向」は、光線の有無、光の進路方向とは関係なく、単にミラー面（あるいはミラー面の法線）の向きが変わることを意味している。

　ミラー１２で反射した光はその後、拡大光学系２１に入射する。拡大光学系２１の光軸１８はミラー１２が基準状態のときに反射光１９ｒが向かう方向と一致している。

　図中、８４３はミラー１２のβ回転により反射偏向される光線の軌跡、８４４はミラー１２のα回転により反射偏向される光線の軌跡である。

　図１０Ａは光走査部１１と拡大光学系２１とを含めた画像形成装置１の光学系全体を説明するための図で、光走査部１１の第１回転軸を含む説明図（ＶＺ面視）である。図１０Ｂは光走査部１１と拡大光学系２１とを含めた画像形成装置１の光学系全体を説明するための図で、光走査部１１の第１回転軸を含む説明図（ＨＺ面視）である。

　図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、座標系は拡大光学系２１の光軸をＺ軸としたＨＶＺ座標系とし、ミラー１２の位置を原点とする。

　既述の光源装置６３から発した光（レーザ光）は、コリメータレンズにより直径約１ｍｍの平行光に整形された後、集光レンズ１０６を介して光走査部１１のミラー１２を照射する。集光レンズ１０６は、焦点距離８１ｍｍの光源側が凸形状の平凸レンズでミラー１２の手前４０ｍｍの位置に配置している。ミラー１２により反射偏向された光は拡大光学系２１に入射する。

　拡大光学系２１はミラー１２側より順にＬ１～Ｌ５の５群５枚のレンズで構成され、レンズＬ１～Ｌ４はＨ、Ｖ方向共にそれぞれ負、正、正、負の屈折力、レンズＬ５はＨ方向に正、Ｖ方向に負の屈折率を有し、レンズＬ１はミラー１２側に凹の形状、レンズＬ５は出射側（像側）の凸の形状をしている。本実施形態では拡大光学系２１がレンズのみで構成される場合を示したが、拡大光学系２１はレンズ系の一部をミラー、あるいはプリズムを用いた系に置き換えた構成であってもよい。一例として、拡大光学系２１は図１１に示す組レンズにより構成される。

　本実施形態に係る拡大光学系２１のレンズＬ１～Ｌ４は入出射面ともにＶＺ面が対称面で±Ｈ方向に対称形状、±Ｖ方向には非対称の非球面である。レンズＬ５の入射面はＨＶ対称の非球面で、出射面は球面である。それぞれの面のサグ量はＺ（Ｈ、Ｖ）で表され、Ｃｊ（ｍ、ｎ）を係数としたＨＶ多項式（下式数１）となっている。多項式（１）の係数Ｃｊ（ｍ、ｎ）は図１２に示す。

　拡大光学系２１を出射した光はレンズＬ５出射面から５００ｍｍに配置された仮想像面（球面）に結像し、走査する。ミラー１２により偏向された光の偏向角（半角）１０７（Ｖ方向）、１０８（Ｈ方向）は、拡大光学系２１によりいずれも３倍以上に拡大され画角（半角）１７（Ｖ方向）、３２（Ｈ方向）に変換される。像面を結像走査する際、光変調することによって像面には画像が形成される。

　図１０Ａ、図１０Ｂに示した拡大光学系２１の仮想像面は球面で、一方車室内の被投射領域の形状は車種により、或いは同一車種であっても場所によって異なるため、仮想像面と被投射領域の形状から演算された補正信号を用いて投射画像が形成される。また、拡大光学系２１によって補正しきれない歪曲や色収差も、主制御装置５７の歪補正部６１により電気的に補正される。

　拡大光学系２１は、広角投射レンズなので、出射光は車室内の前後左右をカバーするように走査する。本実施形態に係る車両用表示装置５１は全走査領域のうち、被投射領域を走査するときだけ画像を表示するようにしている。図１３～図１５を参照して車両用表示装置５１が被投射領域だけに画像を表示する処理について説明する。図１３は初期設定処理の流れを示すフローチャートである。

　車両用表示装置５１を車両１１０に設置すると、車両用表示装置５１を基準とする被投射領域の位置（向き）を学習させる必要がある。そこで、図１３に示す処理により被投射領域のキャリブレーションを行う。

　まず、車両用表示装置５１の主電源を投入する。主制御装置５７のキャリブレーション画像記憶部６６には予め被投射領域を検出するために用いるパターン画像等からなるキャリブレーション画像が記憶されている。被投射領域検出部６５はキャリブレーション画像を読み出し、光源装置６３と画像形成装置１を駆動してキャリブレーション画像を投射する（Ｓ１０１）。このとき主制御装置５７の光量制御部５９は光源装置６３の光源スイッチをＯＮにした状態を維持し、走査駆動制御部６０が光走査部１１のミラー１２を回動する。

　Ｓ１０１と平行して、第２カメラ５４は投射画像を撮像する（Ｓ１０２）。被投射領域検出部６５は、投射画像の画像特徴量（例えばコントラストやパターン）を抽出し、既知のキャリブレーション画像の画像特徴量と比較する。そして投射画像にキャリブレーション画像が含まれるかを監視する。

　被投射領域検出部６５は、投射画像中にキャリブレーション画像を検出すると（Ｓ１０３／Ｙｅｓ）、走査駆動制御部６０からそのときの光走査部１１への制御信号を取得し、被投射領域の識別情報と関連付けて一時的にスタックする（Ｓ１０４）。この制御信号は、ミラー１２の回転角度を示す、又は演算可能な信号である。

　被投射領域の識別情報は、時刻ｔで撮像された投射画像に初めてキャリブレーション画像が含まれていることを検知すると、新たな識別情報を付与する。そしてこの新たな識別情報と、そのときのミラー１２の回転角度（Ｓ１０４で取得した制御信号から取得）をスタックしておく。時刻ｔ＋１で撮像された投射画像にもキャリブレーション画像が含まれており、そのときのミラー１２の回転角度が時刻ｔにおけるミラー１２の回転角度と隣接（連続）する角度であれば、同一の被投射領域の識別情報を用いる。そして、時刻ｔ＋ｎの投射画像にキャリブレーション画像が含まれなくなると、時刻ｔ～時刻ｔ＋ｎ－１までのミラー１２の回転角度が上記新たな識別情報で特定される被投射領域に向けて投射するためのミラー１２の角度であるので、図５Ｂに示す被投射領域データを生成し、被投射領域データ記憶部６７に記憶する。

　被投射領域検出部６５が、投射画像中にキャリブレーション画像を検出しなかった場合（Ｓ１０３／Ｎｏ）、又はステップＳ１０４の後、走査駆動制御部６０がミラー１２を車室の全周方向に回転させていなければ（Ｓ１０５／Ｎｏ）、Ｓ１０１へ戻り、走査駆動制御部６０は異なる角度にミラー１２を回転させて処理を繰り返す。

　ミラー１２が全周回転すると（Ｓ１０５／Ｙｅｓ）、Ｓ１０４でスタックしたデータを被投射領域データとして主制御装置５７の被投射領域データ記憶部６７に格納する（Ｓ１０６）。そして初期設定処理を終了する。

　図１４は、通常使用時の処理であって、被投射領域の選択モードの処理を示すフローチャートである。

　ユーザは車両用表示装置５１の主電源をＯＮにする。被投射領域切替スイッチ６４により、ユーザが特定の被投射領域を選択すると（Ｓ２０１／Ｙｅｓ）、Ｓ２０１で選択された被投射領域に関連付けられたミラー１２の回転角度に走査駆動制御部６０が光走査部１１を駆動する間は、光量制御部５９は光源装置６３の光源スイッチをＯＮにしレーザ光を照射させる。一方、Ｓ２０１で選択されなかった被投射領域に関連付けられたミラー１２の回転角度に走査駆動制御部６０が光走査部１１を駆動する間は、光量制御部５９は光源装置６３の光源スイッチをＯＦＦにしてレーザ光を照射させない（Ｓ２０２）。

　被投射領域切替スイッチ６４により、ユーザが特定の被投射領域を選択しなかった場合は（Ｓ２０１／Ｎｏ）、被投射領域データに記載されたミラー１２の回転角度に走査駆動制御部６０が光走査部１１を駆動する間は、光量制御部５９は光源装置６３の光源スイッチをＯＮにしてレーザ光を照射させ、被投射領域データに記載されていないミラー１２の回転角度に走査駆動制御部６０が光走査部１１を駆動する間は、光量制御部５９は光源装置６３の光源スイッチをＯＦＦにする（Ｓ２０３）。

　これにより、車両用表示装置５１は、被投射領域に向けてのみ画像を投射することができる。図１４の処理は、ユーザは車両用表示装置５１の主電源がＯＦＦにされるまで続行する。

　図１５は、通常使用時の処理であって、運転者視線切替モードの処理を示すフローチャートである。

　ユーザは車両用表示装置５１の主電源をＯＮにする。第３カメラ５５は運転者の顔画像を撮像し、視線検出装置５６に出力する。視線検出装置５６は、運転者の視線方向が中央、左端、右端の３方向のうちのいずれに該当するかを検出し（Ｓ３０１）、その結果を主制御装置５７に出力する。

　主制御装置５７は、運転者の視線方向が中央にあれば中央前被投射領域７４（図２参照）にのみ画像を表示する。運転者の視線方向が左方向にあれば左前被投射領域７２（図２参照）に、右方向にあれば右前被投射領域７３（図２参照）に画像を表示する（Ｓ３０２）。視線方向が変化すると、それに応じて被投射領域を切り替える。

　本実施形態の車両用表示装置５１によれば、画像形成装置１、或いは拡大光学系２１を構成する光学素子を駆動することなく、車室内の複数の被投射領域に画像を形成することができる。これにより、画像投影までの時間応答性を向上させることができる。更に、駆動系が不要になるため省エネ、装置の小型軽量化が図れ、車に好適な車両用表示装置５１を実現することができる。

　一般に車室内部は車の左右方向よりも前後方向の方が長い空間になっている。このため、本実施形態に係る車両用表示装置５１のように、光走査部１１の偏向角の大きな第１方向が車両１１０の左右軸よりも前後軸に近づく向きで天井に設置することにより、拡大光学系２１の広角化が容易になり、優れた光学性能にすることができる。

　更に本実施形態に係る車両用表示装置５１によれば、拡大光学系２１の収差補正し、優れた光学性能を有する車両用表示装置を実現することができる。

　また本実施形態に係る車両用表示装置５１によれば、拡大光学系２１の最も像側に配置された屈折光学素子を第１方向には正、第２方向には負の屈折力を持たせることで非対称の広角レンズの設計に有利となる。また、最も像側の屈折光学素子の出射面を光出射側に凸の形状とすることで、たとえば太陽光或いはその反射光等の外光が出射面を照射した場合、その反射光は集束することなく発散光になるので、凹面形状の場合と比較すると反射光が車の乗員の目に入射したとしても光エネルギー密度が相対的に小さくなり、安全性が向上する。

　また本実施形態の車両用表示装置５１によれば、光走査部１１の反射面により偏向走査される光が光学素子に入射する際の入射角が過大とならずコンセントリックに近づくので収差補正に好ましい構成とすることができる。

　また本実施形態の車両用表示装置５１によれば、光走査部１１はミラー１２を用いることでコンパクトな構成でミラー入射光を第１、第２方向に偏向走査することができるので、装置の小型・軽量化に寄与する。

　また本実施形態の車両用表示装置５１によれば、時間応答性を向上し、装置の省エネ化・小型軽量化・省スペース化を実現し、安全性と耐電磁性を確保し、車室内の複数個所に画像を表示することができる。

　上記実施形態は本発明を限定する趣旨ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない様々な変更態様は、本発明の技術的範囲に属する。

　例えば、投射画像の種類は運転者や同乗者の操作により切り替えが可能であるが、運転中は安全のためにテレビやＤＶＤなどのアミューズメント映像情報は投影しないように設定しても良い。そのために、主制御装置５７をＣＡＮ８０に接続し、車両１１０に搭載されたＥＣＵ８２を経由して各種センサ８４から車両１１０が走行していることを示す情報（例えばトルクデータ、ガソリン噴射量データ、車輪回転数データ）を取得し、車両１１０が走行していると判定すると、アミューズメント映像情報を非表示に制御してもよい。

　また第１カメラ５３は、単一のカメラである必要はなく、運転者の死角になる領域を含む車外の状況を取得する複数のカメラ、そのほか、車内の状況を取得するカメラも別途備えていても良い。車内の状況を取得するカメラを設置する際には、車室内の状況に応じて車室内に設けられた複数の被投射領域のうち、映像を投射する被投射領域を自動で切り替えるようにしても良い。たとえば、画像形成装置１と被投射領域の間に同乗者が乗車している場合や、荷物が置かれている場合は、投射画像の障害物となるので、この場合には障害物の影になる被投射領域には映像を投影しないようにし、別の被投射領域に投影するように制御する。また、被投射領域をステアリングと連動させてもよい。たとえば、ステアリングホイールを右に回転した時は車室内の右側のピラーに映像を投射し、左に回転した時は左側のピラーに投射するように構成してもよい。この場合も、ＥＣＵに主制御装置５７を接続し、操舵角センサーから操舵角データを取得して被投射領域を切り替えてもよい。

１　画像形成装置、２　フロントピラー、３　フロントピラー、４　ダッシュボード、５　サイドピラー、６　サイドピラー、７　リアピラー、８　リアピラー、９　後部座席、１０　画像形成装置からの出射光、１１　光走査部、１２　ミラー、１２ａ　ミラー駆動部、１３　第１トーションバネ、１４　保持部材、１５　第２トーションバネ、１６　保持部材、１７　半画角（Ｖ方向）、１８　光軸、１９　ミラー１２への入射光、２０　ミラー１２の法線、２１　拡大光学系、２２　Ｌ１入射面、２３　Ｌ１出射面、２４　Ｌ２入射面、２５　Ｌ２出射面、２６　Ｌ３入射面、２７　Ｌ３出射面、２８　Ｌ４入射面、２９　Ｌ４出射面、３０　Ｌ５入射面、３１　Ｌ５出射面、３２　半画角（Ｈ方向）、５２　撮像装置、５３　第１カメラ、５４　第２カメラ、５５　第３カメラ、５６　視線検出装置、５７　制御装置、５８　変調信号制御部、５９　光量制御部、６０　走査駆動制御部、６１　歪補正、６２　情報装置、６３　光源装置、６４　被投射領域切替スイッチ、６５　被投射領域検出部、６６　キャリブレーション画像記憶部、６７　被投射領域データ記憶部、６８　通信Ｉ／Ｆ、８０　ＣＡＮ、８２　ＥＣＵ、８４　各種センサ、１００　ハンドル、１０１　運転席、１０２　助手席、１０３　バックミラー、１０４Ｒ　右サイドミラー、１０４Ｌ　左サイドミラー、１０５　仮想像面、１０６　集光レンズ、１０７　半偏向角（Ｖ方向）、１０８　半偏向角（Ｈ方向）、１１０　車両

Claims

　車両の車室内に設けられ、光源装置からの出射光を前記車室の非透過部材に投射して画像を表示する車両用表示装置であって、
　前記車両用表示装置は、
　光源装置と、
　前記光源装置から出射した出射光を反射偏向して前記車室に向けて投射し、前記車室内の非透過部材上において前記出射光が照射される被投射領域に画像を形成する画像形成装置と、
　前記光源装置及び前記画像形成装置の動作を制御する主制御装置と、を含み、
　前記画像形成装置は、前記出射光を反射する反射面、及び当該反射面を往復の回転運動させる反射面駆動部を含み、前記出射光を第１方向及び当該第１方向と直交する第２方向に反射偏向して走査する光走査部と、
　前記反射面により反射偏向された光の偏向角度を拡大する拡大光学系と、を含み、
　前記拡大光学系は、前記拡大光学系から出射される光の偏向角が、前記反射面により反射偏向された光の偏向角の３倍以上となるように拡大する光学素子を含んだ広角投影系である、
　ことを特徴とする車両用表示装置。
　請求項１に記載の車両用表示装置であって、
　前記拡大光学系は、前記第１方向に反射偏向される光の偏向角である第１偏向角は、前記第２方向に偏向反射される光の偏向角である第２偏向角よりも大きくなるように拡大する光学素子を含んで形成され、
　前記画像形成装置は、前記第１方向が前記車両の左右軸となす角よりも前記車両の前後軸となす角の方がより小さくなる向きで、前記車室内の天井に設置される、
　ことを特徴とする車両用表示装置。
　請求項１に記載の車両用表示装置であって、
　前記拡大光学系を構成する複数の光学素子のうち少なくとも１つは、回転非対称面を有する光学素子である、
　ことを特徴とする車両用表示装置。
　請求項１に記載の車両用表示装置であって、
　前記拡大光学系を構成する複数の光学素子のうち少なくとも１つは、面対称非球面を有する光学素子である、
　ことを特徴とする車両用表示装置。
　請求項１に記載の車両用表示装置であって、
　前記拡大光学系を構成する複数の光学素子は少なくとも１つの屈折光学素子を有しており、最も像側に配置された屈折光学素子は、前記第１方向には正、前記第２方向には負の屈折力を有し、なおかつ前記屈折光学素子の出射面は光出射側に凸の形状をしている、
　ことを特徴とする車両用表示装置。
　請求項１に記載の車両用表示装置であって、
　前記拡大光学系を構成する複数の光学素子は少なくとも１つの屈折光学素子を有しており、前記反射面に最も近い位置に配置されている屈折光学素子は負の屈折力を有し、なおかつ前記屈折光学素子の入射面は前記反射面側に凹の形状をしている、
　ことを特徴とする車両用表示装置。
　請求項１に記載の車両用表示装置であって、
　前記光走査部の前記反射面は、ＭＥＭＳミラーにより構成される、
　ことを特徴とする車両用表示装置。
　請求項１に記載の車両用表示装置であって、
　前記画像形成装置は、前記車室の天井に設置され、
　前記主制御装置は、前記被投射領域に向けて前記出射光が反射される角度を定義づけた被投射領域データを記憶する被投射領域データ記憶部を更に備え、
　前記被投射領域データに基づいて、前記被投射領域に向けて前記出射光が反射される向きに前記反射面が位置するときは前記光源装置を点灯させ、前記車室における前記被投射領域ではない向きに前記出射光が反射される角度に前記反射面が位置するときは前記光源装置を消灯させる制御信号を、前記光源装置に対して出力する、
　ことを特徴とする車両用表示装置。
　請求項８に記載の車両用表示装置であって、
　前記被投射領域は、前記車室内に複数設けられ、
　前記車両用表示装置は、前記車両の運転者の視線方向を検出する視線検出装置を更に備え、
　前記主制御装置は、前記視線検出装置が検出した前記運転者の視線方向に基づいて、前記複数の被投射領域の中から前記運転者の視線方向により近い被投射領域に向けて前記出射光が反射される角度に前記反射面が位置するときは前記光源装置を点灯させ、記運転者の視線方向により近い被投射領域とは異なる他の被投射領域に向けて前記出射光が反射される角度に前記反射面が位置するときは前記光源装置を消灯させる制御信号を、前記光源装置に対して出力する、
　ことを特徴とする車両用表示装置。