WO2024195751A1 - 画像投影装置 - Google Patents

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light
image
image projection
projection device
unit
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一嘉 小澤
俊明 津田
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Koito Manufacturing Co Ltd
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Koito Manufacturing Co Ltd
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • B60K35/20—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor
    • B60K35/21—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor using visual output, e.g. blinking lights or matrix displays
    • B60K35/23—Head-up displays [HUD]
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details

Definitions

  • the present invention relates to an image projection device.
  • dashboards that light up icons have been used as devices to display various types of information inside vehicles. As the amount of information to be displayed increases, it has also been proposed to embed an image display device in the dashboard or to configure the entire dashboard from an image display device.
  • HUDs head-up displays
  • an image projection unit emits light containing an image, and the light is reflected by a free-form mirror or the like, and the light reaches the viewpoint of the passenger so that the image is formed in space via a display unit such as a windshield. This allows the passenger to perceive an image as being displayed at the imaging position in the depth direction due to the light incident on the viewpoint.
  • a projection image is displayed using an image display unit such as a liquid crystal display device, and the image light is projected by irradiating light from the rear side of the image display unit.
  • image display units such as liquid crystal display devices transmit only light polarized in a specific direction, so when unpolarized irradiation light is incident, light polarized in directions other than the specific direction is not used to project the image, reducing the efficiency of light utilization.
  • the present invention has been developed in consideration of the above-mentioned problems with the conventional technology, and aims to provide an image projection device that can improve the utilization efficiency of the irradiated light.
  • the image projection device of the present invention has a light source that emits unpolarized irradiation light, a reflective polarizing unit that reflects polarized light in a first direction of the irradiation light and transmits polarized light in a second direction perpendicular to the first direction, a reflecting mirror that reflects the light that has transmitted through the reflective polarizing unit, and a half-wave plate that is arranged on the path of the light reflected by either the reflective polarizing unit or the reflecting mirror, and is characterized in that the reflective polarizing unit or the reflecting mirror that reflects the light incident on the half-wave plate has a reflective surface that is formed as a curved surface.
  • the light emitted from the light source is converted into backlight light polarized in a predetermined direction by the reflective polarizing unit, reflecting mirror, and half-wave plate. Furthermore, the polarization direction of the backlight light reaching the image display unit matches the polarization direction used to display images on the image display unit, so there is little polarized component absorbed by the image display unit, making it possible to improve the light utilization efficiency. Furthermore, because the reflective polarizing unit or reflecting mirror has a curved reflective surface, the irradiated light can be focused and made incident on the half-wave plate, making it possible to reduce the area of the half-wave plate.
  • the area of the half-wave plate in a plan view, is smaller than the area of the reflective polarizing section or the reflecting mirror that reflects the light incident on the half-wave plate.
  • the device has a diffusion plate onto which the light reflected by the reflective polarizing section and the light reflected by the reflecting mirror are incident.
  • the light incident on the half-wave plate is focused before reaching the diffuser plate, and the light reaches the diffuser plate while expanding in diameter.
  • the area of the diffuser where the light reflected by the reflective polarizing section is irradiated and the area of the light reflected by the reflecting mirror are at least partially overlapped.
  • the device includes an image display unit that receives the light reflected by the reflective polarizing unit and the light reflected by the reflecting mirror and displays an image, and a projection optical unit that projects the image light irradiated from the image display unit onto the display unit.
  • the present invention provides an image projection device that can increase the efficiency of using irradiated light.
  • FIG. 1A and 1B are schematic diagrams illustrating projection of a virtual image P using the image projection device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating an overview of an image projection unit 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic plan view illustrating an overview of an image projection unit 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating an overview of an image projection unit 10 according to a second embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating an overview of an image projection unit 10 according to a third embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the projection of a virtual image P using an image projection device 100 according to this embodiment.
  • image light projected from the image projection device 100 is reflected by a windshield (display unit) WS and irradiated to the driver's viewpoint position.
  • the driver visually recognizes the virtual image P formed on the extension (broken line direction) of the optical path from which the image light is incident.
  • the image projection device 100 projects image light to form one virtual image P, but the number of virtual images P is not limited.
  • the image projection device 100 includes an image projection unit 10, a first mirror 20, and a second mirror 30.
  • each part is controlled using a control unit (not shown) that is connected to each part so that information can be communicated.
  • the configuration of the control unit is not limited, but one example includes a CPU (Central Processing Unit) for information processing, a memory device, a recording medium, an information communication device, etc.
  • the control unit controls the operation of each part according to a predetermined program, and sends information including an image (image information) to the image projection unit 10.
  • the image projection unit 10 is a part that projects light containing an image onto the first mirror 20 as image light based on image information from the control unit. Details of the image projection unit 10 will be described later.
  • the first mirror 20 is an optical member that reflects the image light arriving from the image irradiation unit 10 in the direction of the second mirror 30.
  • the first mirror 20 is a concave reflecting mirror, but a flat or convex reflecting mirror may also be used.
  • the first mirror 20 is configured with a curved surface, it is not limited to one with a constant curvature, and a paraboloid of revolution, an ellipsoid, a free-form surface mirror, etc. may be used.
  • the second mirror 30 is an optical component that reflects the image light arriving from the first mirror 20 in the direction of the windshield WS.
  • the second mirror 30 is a free-form mirror with an optically designed concave shape necessary for projecting the image light as a virtual image P.
  • the reflective surfaces of the first mirror 20 and the second mirror 30 are designed to expand the light diameter in the driver's viewpoint direction in order to project the image light as a virtual image P through the windshield WS.
  • the expansion of the light diameter in the viewpoint direction includes not only the case where the light diameter consistently expands after reflection, but also the case where the light diameter shrinks and expands after forming an image at an intermediate point.
  • the combination of the first mirror 20 and the second mirror 30 has the function of projecting image light through the windshield WS, and corresponds to the projection optical unit in this invention.
  • the optical path of the image light is depicted as a single straight line.
  • the actual image light is displayed with a certain area in the image projection unit 10, and has a certain area in the direction perpendicular to the traveling direction.
  • the image light is reflected by the first mirror 20, and its light diameter is reduced as it travels, and it may be intermediately imaged at an intermediate imaging position F (not shown) between the first mirror 20 and the second mirror 30.
  • the windshield WS is a part that is provided in front of the driver's seat of the vehicle and transmits visible light.
  • the windshield WS reflects the image light incident from the image projection device 100 toward the viewpoint and transmits light from outside the vehicle toward the viewpoint, and therefore corresponds to the display unit in the present invention.
  • a combiner may be provided as a display unit separate from the windshield WS and reflect light from the image projection device 100 toward the viewpoint.
  • the display unit is not limited to being located at the front of the vehicle, and may be located to the side or rear as long as it projects an image toward the viewpoint of the passenger.
  • the virtual image P is an image that appears as if it is formed in space when the image light reflected by the windshield WS reaches the passenger's viewpoint (eyebox).
  • the position where the virtual image P is formed is determined by the composite focal length of the projection optical unit included in the image projection device 100 and the windshield WS.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining an overview of the image projection unit 10 according to this embodiment.
  • the image projection unit 10 includes a light source 11, a primary lens 12, a polarization conversion element 13, a half-wave plate 14, a diffusion plate 15, and an image display unit 16.
  • the polarization conversion element 13 is a prism that includes a reflective polarizing portion 13a and a reflecting mirror 13b therein.
  • the half-wave plate 14 and the polarization conversion element 13 are arranged separately, but the half-wave plate 14 may be attached to the light exit surface of the prism, and the polarization conversion element 13 may be configured by a combination of the reflective polarizing portion 13a, the reflecting mirror 13b, and the half-wave plate 14.
  • the light source 11 is a member that irradiates the image display unit 16 with light via the primary lens 12, the polarization conversion element 13, the half-wave plate 14, and the diffusion plate 15.
  • the light source 11 is, for example, a semiconductor light-emitting element such as an LED (Light Emitting Diode), and is arranged in a predetermined direction (the depth direction of the paper in FIG. 2).
  • the light color of the light source 11 is not particularly limited, but in this embodiment, it is white as an example. Note that in this embodiment, the light source 11 is arranged in one row, but it may be arranged in two or more rows.
  • the light source 11 is not limited to an LED, and may be a semiconductor laser, an organic EL (Electro Luminescence) element, etc.
  • the primary lens 12 is an optical member arranged in the light emission direction of the multiple light sources 11, and has the function of concentrating the light emitted from the light sources 11 and emitting it as, for example, parallel light or light close to parallel light (hereinafter, both are collectively referred to as "approximately parallel light").
  • the primary lens 12 is also extended along the arrangement direction of the multiple light sources 11.
  • a TIR (Total Internal Reflection) lens is used, which has a refracting part in the center that refracts light and a reflecting part on both sides of the refracting part that reflects light.
  • TIR Total Internal Reflection
  • the primary lens 12 is shown in a shape extended in the arrangement direction of the light sources 11, but multiple collimating lenses may be provided for each light source 11.
  • the lens is not limited to a lens, and a configuration in which a combination of a reflector and a lens or a reflector alone can be used to make the light into approximately parallel light.
  • the reflective polarizing unit 13a is an optical element that reflects polarized light in a first direction inside the prism and transmits polarized light in a second direction perpendicular to the first direction.
  • the polarization direction transmitted by the reflective polarizing unit 13a is not limited, and must match the polarization direction required for the backlight light ultimately irradiated to the image display unit 16. As an example, it may transmit polarized light in the horizontal direction in FIG. 2 (e.g., p-polarized light) and reflect polarized light perpendicular to the paper surface (e.g., s-polarized light).
  • the reflective polarizing unit 13a is disposed at a predetermined angle with respect to the traveling direction of the light irradiated from the light source 11.
  • the reflector 13b is an optical element in which the reflective surface is curved inside the prism and reflects the incident light.
  • the shape of the curved surface of the reflector 13b is not limited, but it is preferable that the reflector 13b has a curvature that can effectively focus the light reflected by the reflector 13b on the half-wave plate 14, as described later.
  • the reflector 13b is arranged at a predetermined angle with respect to the traveling direction of the light transmitted through the reflective polarizing unit 13a.
  • the concave reflector 13b being inclined at a predetermined angle means that the traveling direction of the incident light and the traveling direction of the reflected light intersect.
  • the reflective polarizing unit 13a and the reflector 13b are arranged at a 45-degree angle with respect to the traveling direction of the light irradiated from the light source 11, and the traveling direction of the light reflected by the reflective polarizing unit 13a in the backlight light is the same as that of the light reflected by the reflector 13b.
  • the half-wave plate 14 is an optical element arranged on the path of the irradiated light reflected by the reflective polarizing unit 13a or the reflecting mirror 13b, and is made of a birefringent material with different refractive indices in the slow axis and the fast axis.
  • the half-wave plate 14 is designed so that a phase difference of half the wavelength of the light occurs between the slow axis and the fast axis before the incident light is emitted.
  • the slow axis and the fast axis of the half-wave plate 14 are arranged in a direction that differs by 45 degrees from the polarization direction of the irradiated light that has arrived.
  • the half-wave plate 14 does not need to have a phase difference of exactly 50% with respect to the wavelength of the light, and as long as it generates a phase difference close to 50%, it can perform the function of rotating the polarization direction in the plane.
  • the irradiated light that is incident on the half-wave plate 14 is concentrated on a concave reflecting surface, and the angle of incidence on the half-wave plate 14 is not necessarily perpendicular, so it is preferable to use a half-wave plate 14 with small angle dependency.
  • the diffusion plate 15 is an optical component disposed on the rear side of the image display unit 16, which diffuses and transmits backlight.
  • the diffusion plate 15 diffuses the highly directional light deflected by the primary lens 12 and outputs it to the image display unit 16, so that the image display unit 16 is illuminated more uniformly. It is preferable to use an optical component as the diffusion plate 15, which diffuses and transmits the backlight light converted by the polarization conversion element 13 while maintaining the polarization direction of the backlight light.
  • the image display unit 16 functions as a spatial light modulation unit that receives backlight emitted from the polarization conversion element 13 from the rear side and emits light modulated by image information from the emission surface.
  • the specific configuration of the image display unit 16 is not limited, but as an example, a transmissive liquid crystal display device can be used that transmits light incident from the rear side and emits it from the front side. In a transmissive liquid crystal display device, only polarized light of a specific direction that is incident on the rear side is transmitted, so the polarization direction in the polarization conversion element 13 is made to match this specific direction.
  • the light emitted from the light source 11 is unpolarized and has no limited polarization direction.
  • the light emitted from the light source 11 enters the primary lens 12, where it is collimated, and enters the entrance surface of the polarization conversion element 13.
  • the light polarized in the first direction of the light incident on the polarization conversion element 13 is reflected by the reflective polarizing section 13a toward the diffuser plate 15, and the light polarized in the second direction is transmitted through the reflective polarizing section 13a.
  • the polarization of the light reflected by the reflective polarizing section 13a is polarized in the first direction through which the image display section 16 is transmitted.
  • the light polarized through the reflective polarizing section 13a is polarized in a second direction that is approximately perpendicular to the first direction.
  • the illumination light that passes through the reflective polarizing unit 13a is reflected and focused by the reflector 13b and enters the half-wave plate 14.
  • the polarization direction of the illumination light that enters the half-wave plate 14 is rotated by 90 degrees, and it enters the diffuser 15 as backlight light polarized in the first direction.
  • the diffuser 15 diffuses and transmits the backlight light polarized in the first direction. As a result, the backlight light polarized in the first direction is uniformly illuminated on the back of the image display unit 16. In FIG.
  • the reflector 13b has a curved shape and the half-wave plate 14 is arranged on the light exit surface side of the reflector 13b, but the reflective polarizing unit 13a may also be curved and the half-wave plate 14 may be arranged on the light exit surface side of the reflective polarizing unit 13a.
  • FIG. 3 is a schematic plan view for explaining an overview of the image projection unit 10 according to this embodiment.
  • the left-right direction in FIG. 3 corresponds to the left-right direction in FIG. 2, and the up-down direction in FIG. 3 corresponds to the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 2.
  • the area of the half-wave plate 14 in plan view is smaller than the area of the reflector 13b.
  • the reflecting surface of the reflector 13b is configured as a curved surface with a concave shape, so that the irradiation light can be focused on the half-wave plate 14.
  • polarized light in the second direction can be converted satisfactorily into polarized light in the first direction and irradiated as backlight light.
  • the irradiation light reflected by the reflector 13b and incident on the half-wave plate 14 is collected before reaching the diffuser 15, and reaches the diffuser 15 while expanding its light diameter.
  • the light diameter of the backlight light irradiated from the diffuser 15 to the image display unit 16 also expands, making it possible to irradiate light uniformly over a wider range.
  • FIG. 2 shows an example in which the irradiation light is collected between the reflector 13b and the half-wave plate 14. In this case, it is preferable to ensure a distance over which the light diameter expands between the irradiation light being collected and reaching the diffuser 15.
  • the light may also be collected inside the half-wave plate 14.
  • the area of the half-wave plate 14 can be minimized.
  • the irradiation light may also be collected between the polarized light and the diffuser 15 in the half-wave plate 14. In this case, the angle of incidence of the irradiation light on the half-wave plate 14 becomes close to vertical, making the optical design of the half-wave plate 14 easier.
  • the light emitted from the light source 11 is converted into backlight light polarized in a predetermined direction by the reflective polarizing unit 13a, the reflecting mirror 13b, and the half-wave plate 14. Furthermore, since the polarization direction of the backlight light reaching the image display unit 16 matches the polarization direction used for image display on the image display unit 16, the amount of polarized components absorbed by the image display unit 16 is small, making it possible to improve the light utilization efficiency. Furthermore, since the reflective polarizing unit 13a or the reflecting mirror 13b has a curved reflecting surface, the light emitted can be focused and incident on the half-wave plate 14, making it possible to reduce the area of the half-wave plate 14.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining the outline of the image projection unit 10 according to this embodiment.
  • the image projection unit 10 of this embodiment includes a light source 11, a primary lens 12, a reflective polarizing unit 17, a reflecting mirror 18, a half-wave plate 14, a diffusion plate 15, and an image display unit 16.
  • This embodiment is different from the first embodiment in that the polarization conversion element 13 is not configured by a prism, and the reflective polarizing unit 17 and the reflecting mirror 18 are each configured by a thin plate-like independent member.
  • the reflective polarizing unit 17 is an optical element made of a thin plate-like material that transmits light, reflects polarized light in a first direction, and transmits polarized light in a second direction perpendicular to the first direction.
  • the polarization direction of the reflective polarizing unit 17 is not limited, and must be adapted to the polarization direction required for the backlight light that is ultimately irradiated to the image display unit 16.
  • the reflecting mirror 18 is a thin plate-like optical element whose reflective surface is formed as a curved surface and reflects incident light.
  • the material constituting the reflecting mirror 18 is not limited, and may be, for example, a highly reflective metal such as aluminum, or a structure in which a highly reflective film is formed on a curved resin plate.
  • the reflective polarizing unit 17, the reflecting mirror 18, and the half-wave plate 14 are fixed to the housing of the image projection device 100 using a holding member.
  • the reflective polarizing unit 17 and the reflecting mirror 18 are constructed from independent members, so it is easy to change the position and inclination angle relative to the light emitted from the light source 11, improving the degree of freedom in optical design.
  • a prism is not used, it is possible to reduce the weight of the image irradiation unit 10.
  • Fig. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining an outline of the image projection unit 10 according to this embodiment. This embodiment differs from the first embodiment in that the projection area of the light reflected by the reflective polarizing unit 13a and the projection area of the light reflected by the reflecting mirror 13b at least partially overlap on the diffusion plate 15.
  • the irradiation range of the light emitted from the light source 11 continues to expand even after passing through the primary lens 12, and the irradiation range of the backlight reflected by the reflective polarizing section 13a also expands and reaches the diffuser plate 15.
  • the curvature of the reflector 13b is also set small, and the irradiation light reflected by the reflective surface of the reflector 13b is focused between the half-wave plate 14 and the reflector 13b, and then the light diameter expands and reaches the diffuser plate 15.
  • the irradiation areas of the backlight reflected by the reflective polarizing section 13a and the backlight reflected by the reflector 13b and transmitted through the half-wave plate 14 partially overlap on the diffuser plate 15.
  • the area illuminated by the backlight light reflected by the reflective polarizing unit 13a and the area illuminated by the backlight light reflected by the reflecting mirror 13b do not have a boundary that is separated on the diffuser plate 15, making it possible to suppress the occurrence of dark areas and uneven brightness.
  • the spread of the backlight light reflected by the reflective polarizing unit 13a and the backlight light reflected by the reflecting mirror 13b it is possible to realize a light distribution that is suitable for the optical design of the projection optical unit composed of the first mirror 20 and the second mirror 30.
  • REFERENCE SIGNS LIST 100 image projection device 10
  • image irradiation section 20 first mirror 30
  • second mirror 11 light source 12
  • primary lens 13 polarization conversion element 13a
  • 17 ... reflective polarization section 13b
  • 18 reflecting mirror 14
  • half-wave plate 15 ... diffusion plate 16

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Abstract

照射光の利用効率を高めることが可能な画像投影装置を提供する。無偏光な照射光を照射する光源（１１）と、照射光の第１方向の偏光を反射し、第１方向に垂直な第２方向の偏光を透過する反射型偏光部（１３ａ）と、反射型偏光部（１３ａ）を透過した光を反射する反射鏡（１３ｂ）と、反射型偏光部（１３ａ）または反射鏡（１３ｂ）の何れか一方で反射された光の経路上に配置された二分の一波長板（１４）とを有し、二分の一波長板（１４）に入射する光を反射する反射型偏光部（１３ａ）または反射鏡（１３ｂ）は、反射面が曲面に形成されている画像投影装置（１０）。

Description

画像投影装置
　本発明は、画像投影装置に関する。
　従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置で構成することも提案されている。
　しかし、計器盤は車両のフロントガラス（ウィンドシールド）より下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者等の搭乗者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があり好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、搭乗者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ（以下ＨＵＤ：Ｈｅａｄ　Ｕｐ　Ｄｉｓｐｌａｙ）のような画像投影装置が提案されている（例えば、特許文献１，２を参照）。
　特許文献１，２の画像投影装置は、画像照射部が画像を含んだ照射光を照射し、自由曲面ミラー等で照射光を反射させて、ウィンドシールド等の表示部を介して空間中に画像が結像するように搭乗者の視点の位置に到達させる。これにより、搭乗者は視点に入射した照射光によって、奥行き方向における結像位置に画像が表示されているように認識することができる。
特開２０１９－１１９２４８号公報 特開２０１９－１１９２６２号公報
　このような従来の画像投影装置では、液晶表示装置等の画像表示部を用いて投影画像を表示し、画像表示部の背面側から照射光を照射して画像光を投影している。しかし、液晶表示装置等の画像表示部では、特定方向の偏光のみを透過するため、無偏光の照射光が入射した場合には、特定方向以外の偏光は画像の投影に利用されず光の利用効率が低下する。
　そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、照射光の利用効率を高めることが可能な画像投影装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の画像投影装置は、無偏光な照射光を照射する光源と、前記照射光の第１方向の偏光を反射し、前記第１方向に垂直な第２方向の偏光を透過する反射型偏光部と、前記反射型偏光部を透過した光を反射する反射鏡と、前記反射型偏光部または前記反射鏡の何れか一方で反射された光の経路上に配置された二分の一波長板とを有し、前記二分の一波長板に入射する光を反射する前記反射型偏光部または前記反射鏡は、反射面が曲面に形成されていることを特徴とする。
　このような本発明の画像投影装置では、光源からの照射光は反射型偏光部と反射鏡と二分の一波長板で所定方向に偏光したバックライト光に変換される。また、画像表示部に到達するバックライト光の偏光方向は、画像表示部での画像表示に用いられる偏光方向と一致しているため、画像表示部で吸収されてしまう偏光成分は少なく、光の利用効率を向上させることが可能となる。また、反射型偏光部または反射鏡は、反射面が曲面に形成されているため、二分の一波長板に照射光を集光して入射させることができ、二分の一波長板の面積を小さくすることが可能となる。
　また、本発明の一態様では、平面視において、前記二分の一波長板の面積は、前記二分の一波長板に入射する光を反射する前記反射型偏光部または前記反射鏡の面積よりも小さい。
　また、本発明の一態様では、前記反射型偏光部で反射された光、および前記反射鏡で反射された光が入射する拡散板を有する。
　また、本発明の一態様では、前記二分の一波長板に入射する光は、前記拡散板に到達する前に集光され、光径が拡大しながら前記拡散板に到達する。
　また、本発明の一態様では、前記拡散板において、前記反射型偏光部で反射された光の照射領域と、前記反射鏡で反射された光の照射領域が少なくとも一部重なり合う。
　また、本発明の一態様では、前記反射型偏光部で反射された光、および前記反射鏡で反射された光が入射し、画像を表示する画像表示部と、前記画像表示部から照射された画像光を表示部に対して投影する投影光学部を有する。
　本発明では、照射光の利用効率を高めることが可能な画像投影装置を提供することができる。
第１実施形態に係る画像投影装置１００を用いた虚像Ｐの投影を説明する模式図である。 第１実施形態に係る画像照射部１０の概要を説明する模式断面図である。 第１実施形態に係る画像照射部１０の概要を説明する模式平面図である。 第２実施形態に係る画像照射部１０の概要を説明する模式断面図である。 第３実施形態に係る画像照射部１０の概要を説明する模式断面図である。
　（第１実施形態）
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。以下の説明では、本発明に係る画像投影装置１００を、車両等に搭載されるＨＵＤに適用した形態を例示して説明する。図１は、本実施形態に係る画像投影装置１００を用いた虚像Ｐの投影を説明する模式図である。図１に示すように、画像投影装置１００から投影された画像光は、ウィンドシールド（表示部）ＷＳで反射されて運転者の視点位置に照射される。運転者は、画像光が入射してきた光路の延長上（破線方向）に結像された虚像Ｐを視認する。本実施形態では画像投影装置１００が画像光を投影して一つの虚像Ｐが結像される例を示しているが、虚像Ｐの数は限定されない。
　図１に示すように画像投影装置１００は、画像照射部１０と、第１ミラー２０と、第２ミラー３０を備えている。画像投影装置１００では、各部と情報通信可能に接続された制御部（図示省略）を用いて各部を制御している。制御部の構成は限定されないが、一例として情報処理を行うためのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）や、メモリ装置、記録媒体、情報通信装置等を備えるものが挙げられる。制御部は、予め定められたプログラムに従って各部の動作を制御し、画像を含んだ情報（画像情報）を画像照射部１０に送出する。
　画像照射部１０は、制御部からの画像情報に基づいて、画像を含んだ光を画像光として第１ミラー２０に対して照射する部分である。画像照射部１０の詳細については後述する。
　第１ミラー２０は、画像照射部１０から到達した画像光を第２ミラー３０方向に反射する光学部材である。図１に示した例では第１ミラー２０を凹面の反射鏡として例を示しているが、平面または凸面の反射鏡を用いるとしてもよい。また、第１ミラー２０を曲面で構成する場合には、曲率が一定なものに限定されず、回転放物面や楕円面、自由曲面ミラー等を用いることができる。
　第２ミラー３０は、第１ミラー２０から到達した画像光をウィンドシールドＷＳ方向に反射する光学部材である。図１に示した例では、第２ミラー３０として画像光を虚像Ｐとして投影するために必要な光学設計された凹面形状の自由曲面ミラーを示している。
　第１ミラー２０および第２ミラー３０の反射面は、ウィンドシールドＷＳを介して画像光を虚像Ｐとして投影するために、運転者の視点方向に光径が拡大するように設計されている。ここで、視点方向に光径が拡大するとは、反射後に光径が一貫して拡大する場合だけでなく、光径が縮小して中間地点において結像した後に拡大する場合も含む。第１ミラー２０および第２ミラー３０の組み合わせは、ウィンドシールドＷＳを介して画像光を投影する機能を有しており、本発明における投影光学部に相当している。
　図１では、画像光の光路を一本の直線として描いている。しかし、実際の画像光は、画像照射部１０において所定の面積で表示されたものであり、進行方向に垂直な方向に所定の面積をもっている。また、画像光は、第１ミラー２０で反射されて光径が縮小されながら進行し、第１ミラー２０と第２ミラー３０の間の中間結像位置Ｆ（図示省略）において中間結像されるとしてもよい。
　ウィンドシールドＷＳは、車両の運転席前方に設けられて可視光を透過する部分である。ウィンドシールドＷＳは、車両の内側面では画像投影装置１００から入射した画像光を視点方向に対して反射し、車両の外部からの光を視点方向に対して透過するため、本発明における表示部に相当している。ここでは表示部としてウィンドシールドＷＳを用いた例を示したが、ウィンドシールドＷＳとは別に表示部としてコンバイナーを用意し、画像投影装置１００からの光を視点方向に反射するとしてもよい。また、車両の前方に位置するものに限定されず、搭乗者の視点に対して画像を投影するものであれば側方や後方に配置するとしてもよい。
　虚像Ｐは、ウィンドシールドＷＳで反射された画像光が搭乗者の視点（アイボックス）に到達した際に、空間中に結像されたように表示される画像である。虚像Ｐが結像される位置は、画像投影装置１００に含まれる投影光学部とウィンドシールドＷＳの合成焦点距離によって決まる。
　図２は、本実施形態に係る画像照射部１０の概要を説明する模式断面図である。図２に示すように、本実施形態の画像照射部１０は、光源１１と、プライマリーレンズ１２と、偏光変換素子１３と、二分の一波長板１４と、拡散板１５と、画像表示部１６を備えている。本実施形態では、偏光変換素子１３は反射型偏光部１３ａと反射鏡１３ｂを内部に備えたプリズムである。ここでは二分の一波長板１４と偏光変換素子１３を分離して配置した例を示したが、プリズムの光出射面に二分の一波長板１４を貼り付けて、反射型偏光部１３ａと、反射鏡１３ｂと、二分の一波長板１４の組み合わせで偏光変換素子１３を構成するとしてもよい。
　光源１１は、プライマリーレンズ１２、偏光変換素子１３、二分の一波長板１４、拡散板１５を介して照射光を画像表示部１６に照射する部材である。光源１１は、一例としてはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）等の半導体発光素子であり、予め定められた方向（図２の紙面奥行き方向）に配列されている。光源１１の発光色は特に限定されないが、本実施形態では一例として白色としている。なお、本実施形態では光源１１の配列数を１列としているが、２列以上であってもよい。また光源１１はＬＥＤに限らず半導体レーザや有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子等であってもよい。
　プライマリーレンズ１２は、複数の光源１１の光出射方向に配置され、光源１１から照射された照射光を集光し、例えば平行光、あるいは平行光に近い光（以下、両者を併せて「略平行光」という）として出射する機能を有する光学部材である。またプライマリーレンズ１２は、複数の光源１１の配列方向に沿って延伸されている。本実施形態ではプライマリーレンズ１２の一例として、中央に光を屈折する屈折部が設けられ、屈折部の両側に光を反射する反射部が設けられたＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）レンズを用いている。図２ではプライマリーレンズ１２として光源１１の配列方向に延伸された形状を示しているが、光源１１毎に複数のコリメートレンズを設けるとしてもよい。また、光源１１からの光を略平行光にすることができればレンズに限定されず、リフレクタとレンズの組み合わせやリフレクタ単体で略平行光とする構成を採用してもよい。
　反射型偏光部１３ａは、プリズムの内部において、第１方向の偏光を反射し、第１方向に直交する第２方向の偏光を透過する光学部材である。反射型偏光部１３ａが透過する偏光方向は限定されず、最終的に画像表示部１６に対して照射されるバックライト光に要求される偏光方向に適合させる必要がある。一例としては図２における横方向の偏光（例えばｐ偏光）を透過し、紙面に垂直な方向の偏光（例えばｓ偏光）を反射するとしてもよい。反射型偏光部１３ａは、光源１１から照射される光の進行方向に対して所定角度だけ傾斜して配置されている。
　反射鏡１３ｂは、プリズムの内部において反射面が曲面に形成され、入射した光を反射する光学部材である。反射鏡１３ｂの曲面形状は限定されないが、後述するように反射鏡１３ｂで反射された光を二分の一波長板１４に効果的に集光できる曲率を有することが好ましい。図２に示した例では、反射鏡１３ｂは、反射型偏光部１３ａを透過した光の進行方向に対して所定角度だけ傾斜して配置されている。ここで、凹面形状の反射鏡１３ｂが所定角度だけ傾斜するとは、入射した光の進行方向と、反射する光の進行方向が交差することを意味している。図２に示した例では、反射型偏光部１３ａと反射鏡１３ｂは光源１１から照射された光の進行方向に対して４５度傾斜して配置されており、バックライト光における反射型偏光部１３ａで反射された光と、反射鏡１３ｂで反射された光の進行方向が同じである。
　二分の一波長板１４は、反射型偏光部１３ａまたは反射鏡１３ｂで反射された照射光の経路上に配置され、スロー軸とファスト軸における屈折率が異なる複屈折材料で構成された光学部材である。また、二分の一波長板１４は、入射した光が出射するまでに光の波長の半分だけスロー軸とファスト軸で位相差が生じるように設計されている。また、二分の一波長板１４のスロー軸とファスト軸は、到達した照射光の偏光方向に対して４５度異なる向きに配置されている。また、二分の一波長板１４は、光の波長に対し正確に５０％の位相差である必要はなく、５０％に近い位相差を生じさせるものであれば、面内における偏光方向の回転という機能を発揮することができる。後述するように、二分の一波長板１４に入射する照射光は、凹形状の反射面で集光されており、二分の一波長板１４に対する入射角度が垂直とは限らないため、角度依存性の小さな二分の一波長板１４を用いることが好ましい。
　拡散板１５は、画像表示部１６の背面側に配置され、バックライト光を拡散して透過する光学部材である。拡散板１５は、プライマリーレンズ１２で偏向した指向性の高い光を拡散させて画像表示部１６に出射し、画像表示部１６がより均一に照明されるように機能する。拡散板１５としては、偏光変換素子１３で変換されたバックライト光の偏光方向を維持したまま拡散して透過する光学部材を用いることが好ましい。
　画像表示部１６は、偏光変換素子１３から照射されたバックライト光が背面から入射し、画像情報によって変調した光を出射面から出射する空間光変調部として機能する。画像表示部１６の具体的な構成は限定されないが、一例としては、背面から入射した光を透過して表面から出射する透過型液晶表示装置を用いることができる。透過型液晶表示装置では、裏面側に入射した所定方向の偏光のみが透過されるため、偏光変換素子１３における偏光方向を当該所定方向と一致させる。
　上述した画像投影装置１００では、光源１１から照射された照射光は偏光方向が限定されていない無偏光である。光源１１から照射された照射光は、プライマリーレンズ１２に入射してコリメートされ、偏光変換素子１３の入射面に入射する。偏光変換素子１３に入射した照射光は、第１方向の偏光が反射型偏光部１３ａで拡散板１５方向に反射され、第２方向の偏光が反射型偏光部１３ａを透過する。ここで、反射型偏光部１３ａで反射される照射光の偏光は、画像表示部１６が透過する第１方向に偏光している。また、反射型偏光部１３ａを透過する照射光の偏光は、第１方向にほぼ直交する第２方向に偏光している。
　反射型偏光部１３ａを透過した照射光は、反射鏡１３ｂで反射および集光されて二分の一波長板１４に入射する。二分の一波長板１４に入射した照射光は、偏光方向が９０度回転されて、第１方向に偏光したバックライト光として拡散板１５に入射する。拡散板１５では、第１方向に偏光したバックライト光は拡散および透過される。これにより、画像表示部１６の背面には第１方向に偏光したバックライト光が均一に照射される。図２では反射鏡１３ｂを曲面形状として、二分の一波長板１４を反射鏡１３ｂの光出射面側に配置した例を示したが、反射型偏光部１３ａを曲面形状として二分の一波長板１４を反射型偏光部１３ａの光出射面側に配置するとしてもよい。
　図３は、本実施形態に係る画像照射部１０の概要を説明する模式平面図である。図３における左右方向は図２における左右方向に対応し、図３における上下方向は図２における紙面に垂直な方向に対応している。図３に示したように、平面視において二分の一波長板１４の面積は、反射鏡１３ｂの面積よりも小さくなっている。図２および図３に示した例では、反射鏡１３ｂの反射面を凹形状となる曲面で構成しているため、二分の一波長板１４に対して照射光を集光することができる。これにより、二分の一波長板１４の面積を小さくしても、第２方向の偏光を良好に第１方向の偏光に変換してバックライト光として照射することができる。
　また、図２に示したように、反射鏡１３ｂで反射されて二分の一波長板１４に入射した照射光は、拡散板１５に到達する前に集光され、光径が拡大しながら拡散板１５に到達している。これにより、拡散板１５から画像表示部１６に照射されるバックライト光も光径が拡大し、より広い範囲に均一に光を照射することが可能となる。図２では、反射鏡１３ｂと二分の一波長板１４の間において照射光が集光された例を示している。この場合には、集光された後に拡散板１５に照射光が到達する間に光径が拡がる距離を確保することができて好ましい。また、二分の一波長板１４の内部において集光されるとしてもよい。この場合には、二分の一波長板１４の面積を最小化することができる。また、二分の一波長板１４で偏光と拡散板１５の間において照射光が集光されるとしてもよい。この場合には、二分の一波長板１４への照射光の入射角度が垂直に近くなり、二分の一波長板１４の光学設計が容易になる。
　上述したように、本実施形態の画像投影装置１００では、光源１１からの照射光は反射型偏光部１３ａと反射鏡１３ｂと二分の一波長板１４で所定方向に偏光したバックライト光に変換される。また、画像表示部１６に到達するバックライト光の偏光方向は、画像表示部１６での画像表示に用いられる偏光方向と一致しているため、画像表示部１６で吸収されてしまう偏光成分は少なく、光の利用効率を向上させることが可能となる。また、反射型偏光部１３ａまたは反射鏡１３ｂは、反射面が曲面に形成されているため、二分の一波長板１４に照射光を集光して入射させることができ、二分の一波長板１４の面積を小さくすることが可能となる。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について図４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図４は、本実施形態に係る画像照射部１０の概要を説明する模式断面図である。図４に示すように、本実施形態の画像照射部１０は、光源１１と、プライマリーレンズ１２と、反射型偏光部１７と、反射鏡１８と、二分の一波長板１４と、拡散板１５と、画像表示部１６を備えている。本実施形態では、偏光変換素子１３をプリズムで構成せず、反射型偏光部１７と、反射鏡１８とをそれぞれ薄板状の独立した部材で構成した点が第１実施形態と異なっている。
　反射型偏光部１７は、光を透過する薄板状の材料で構成され、第１方向の偏光を反射し、第１方向に直交する第２方向の偏光を透過する光学部材である。反射型偏光部１７が透過する偏光方向は限定されず、最終的に画像表示部１６に対して照射されるバックライト光に要求される偏光方向に適合させる必要がある。反射鏡１８は、反射面が曲面に形成され、入射した光を反射する薄板状の光学部材である。反射鏡１８を構成する材料は限定されず、例えばアルミニウム等の高反射性金属を用いるとしてもよく、樹脂で構成された曲面板に高反射膜を形成した構造を用いるとしてもよい。図４では図示を省略しているが、反射型偏光部１７、反射鏡１８および二分の一波長板１４は、保持部材を用いて画像投影装置１００の筐体に固定されている。
　本実施形態では、反射型偏光部１７と反射鏡１８を独立した部材で構成しているため、光源１１から照射される光に対する位置や傾斜角度を変更することが容易であり、光学設計の自由度を向上させることができる。また、プリズムを用いないため、画像照射部１０の軽量化を図ることが可能となる。
　（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態について図５を用いて説明する。第１実施形態または第２実施形態と重複する内容は説明を省略する。図５は、本実施形態に係る画像照射部１０の概要を説明する模式断面図である。本実施形態では、反射型偏光部１３ａで反射された光の照射領域と、反射鏡１３ｂで反射された光の照射領域が、拡散板１５において少なくとも一部重なり合う点が第１実施形態と異なっている。
　図５に示したように本実施形態では、光源１１から照射された照射光は、プライマリーレンズ１２を透過した後にも照射範囲が拡大していき、反射型偏光部１３ａで反射されたバックライト光も照射範囲が拡大して拡散板１５まで到達する。また、反射鏡１３ｂの曲率も小さく設定されており、反射鏡１３ｂの反射面で反射された照射光は、二分の一波長板１４と反射鏡１３ｂの間で集光された後に光径が拡大して拡散板１５まで到達する。これにより、反射型偏光部１３ａで反射されたバックライト光と、反射鏡１３ｂで反射されて二分の一波長板１４を透過したバックライト光は、拡散板１５における照射領域が一部重なりあう。
　したがって、反射型偏光部１３ａで反射されたバックライト光の照射領域と、反射鏡１３ｂで反射されたバックライト光の照射領域は、拡散板１５において境界が分離せず、暗部の発生や輝度ムラを抑制することができる。また、反射型偏光部１３ａで反射されたバックライト光と、反射鏡１３ｂで反射されたバックライト光の拡がりを適切に設定することで、第１ミラー２０および第２ミラー３０で構成される投影光学部の光学設計に適した配光を実現することができる。
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
　本国際出願は、２０２３年３月２３日に出願された日本国特許出願である特願２０２３－０４７２２７号に基づく優先権を主張するものであり、当該日本国特許出願である特願２０２３－０４７２２７号の全内容は、本国際出願に援用される。
　本発明の特定の実施の形態についての上記説明は、例示を目的として提示したものである。それらは、網羅的であったり、記載した形態そのままに本発明を制限したりすることを意図したものではない。数多くの変形や変更が、上記の記載内容に照らして可能であることは当業者に自明である。
１００…画像投影装置
１０…画像照射部
２０…第１ミラー
３０…第２ミラー
１１…光源
１２…プライマリーレンズ
１３…偏光変換素子
１３ａ，１７…反射型偏光部
１３ｂ，１８…反射鏡
１４…二分の一波長板
１５…拡散板
１６…画像表示部 

Claims (6)

  1. 　無偏光な照射光を照射する光源と、
    　前記照射光の第１方向の偏光を反射し、前記第１方向に垂直な第２方向の偏光を透過する反射型偏光部と、
    　前記反射型偏光部を透過した光を反射する反射鏡と、
    　前記反射型偏光部または前記反射鏡の何れか一方で反射された光の経路上に配置された二分の一波長板とを有し、
    　前記二分の一波長板に入射する光を反射する前記反射型偏光部または前記反射鏡は、反射面が曲面に形成されていることを特徴とする画像投影装置。
  2. 　請求項１に記載の画像投影装置であって、
    　平面視において、前記二分の一波長板の面積は、前記二分の一波長板に入射する光を反射する前記反射型偏光部または前記反射鏡の面積よりも小さいことを特徴とする画像投影装置。
  3. 　請求項１に記載の画像投影装置であって、
    　前記反射型偏光部で反射された光、および前記反射鏡で反射された光が入射する拡散板を有することを特徴とする画像投影装置。
  4. 　請求項３に記載の画像投影装置であって、
    　前記二分の一波長板に入射する光は、前記拡散板に到達する前に集光され、光径が拡大しながら前記拡散板に到達することを特徴とする画像投影装置。
  5. 　請求項３に記載の画像投影装置であって、
    　前記拡散板において、前記反射型偏光部で反射された光の照射領域と、前記反射鏡で反射された光の照射領域が少なくとも一部重なり合うことを特徴とする画像投影装置。
  6. 　請求項１から５の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
    　前記反射型偏光部で反射された光、および前記反射鏡で反射された光が入射し、画像を表示する画像表示部と、
    　前記画像表示部から照射された画像光を表示部に対して投影する投影光学部を有することを特徴とする画像投影装置。 
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